Принцип фильтрации с использованием пористой керамики, пористый керамический фильтр

Пористая керамика — это инженерный материал, наполненный контролируемыми, взаимосвязанными пустотами, которые пропускают жидкости, удерживая при этом твердые частицы. Ее можно встретить повсеместно — в системах водоочистки, биомедицинских имплантатах, на носителях катализаторов, системах доочистки выхлопных газов и при литье расплавленного металла. В данной статье речь пойдет об одном конкретном применении: пористая керамическая фильтрация расплавленного алюминия . Если вы работаете на литейном заводе или в литейном цехе и вам требуется алюминий более высокой чистоты с меньшим количеством включений, в приведенной ниже информации подробно описано, как именно работают керамические пенофильтры, какие технические характеристики имеют значение и как добиться максимальной эффективности их использования.

Различные типы керамических фильтров для литейного производства: из оксида алюминия, карбида кремния и оксида циркония

Содержание

Что такое пористая керамика?

Пористая керамика — это любое керамическое изделие, содержащее специально сформированную сеть открытых или закрытых пор. Пористость может варьироваться от примерно 30 % в плотном огнеупорном материале до 90 % в пенокерамике с высокой степенью пористости. В процессе производства инженеры регулируют размер пор, их распределение и общую пористость, чтобы адаптировать материал к конкретным задачам.

Существует три основных структурных типа:

Тип конструкции	Характеристики пор	Общий метод производства	Типичный диапазон пористости
Пенопласт (ретикулярный)	Открытые, соединенные между собой ячейки	Репликация с использованием полимерной губки	80–90 %
Сотовая структура	Прямые, параллельные каналы	Экструзия	50–70 %
Гранулированный / спеченный	Неровные, извилистые тропы	Прессование порошка + спекание	30–50 %

Для фильтрации расплавленного алюминия ячеистая пенопластовая структура превосходит другие конструкции, поскольку его извилистая трехмерная сеть заставляет металл неоднократно менять направление движения, что значительно улучшает улавливание включений по сравнению с прямыми каналами.

Керамика — это пористый материал?

Не вся керамика изначально имеет пористую структуру. Например, обожженная фарфоровая кружка изготавливается так, чтобы быть максимально плотной и непроницаемой. Но когда речь идет о керамике являются Благодаря специально созданной пористой структуре получается лёгкий, химически инертный и термостойкий материал, способный выдерживать условия, в которых ни один полимерный или металлический фильтр не смог бы устоять — в том числе прямой контакт с жидким алюминием при температуре 720 °C.

Это ключевое различие имеет большое значение: естественная пористость (трещины, пустоты, образовавшиеся в результате некачественного спекания) ослабляют керамику, в то время как искусственно созданная пористость (равномерная, контролируемая, воспроизводимая) превращает его в инструмент для прецизионной фильтрации. Каждый керамический пенофильтр, используемый при литье алюминия, однозначно относится к категории фильтров с инженерной пористостью.

Как работает керамический фильтр?

Пористый керамический фильтр удаляет частицы из жидкости с помощью трёх взаимодополняющих механизмов:

Механическое просеивание — частицы, размер которых превышает размер пора, просто не могут пройти через него.
Прямой перехват — частицы, движущиеся по линии тока жидкости, приближаются к стенке поры настолько близко, что прилипают к ней.
Улавливание в глубоком слое — частицы, размер которых значительно меньше размера пор, сталкиваются с внутренними поверхностями под действием инерции, силы тяжести или турбулентных вихрей и удерживаются там силами Ван-дер-Ваальса или за счет химической адгезии к керамической поверхности.

При фильтрации алюминия наиболее важным является третий механизм. Пленки оксида (Al₂O₃), шпинели (MgAl₂O₄) и фрагменты карбида зачастую намного меньше номинального размера пор фильтра, но тем не менее они задерживаются, поскольку извилистый путь заставляет металл проходить через десятки изменений направления движения внутри пены. Как только включение соприкасается с керамической опорой, разница в межфазной энергии между частицей оксида и поверхностью керамики удерживает его на месте.

Именно поэтому керамический пенофильтр с плотностью 30 PPI способен задерживать включения размером до 30–50 мкм, несмотря на то что размер отдельных пор превышает 1 мм — при фильтрации важен не только размер отверстий.

Фильтрация с использованием пористой керамики при переработке расплавленного алюминия

А теперь давайте рассмотрим конкретные моменты, которые имеют значение в литейном цехе.

Почему для очистки алюминия используются керамические пенофильтры?

Алюминий подвергается загрязнению включениями на каждом этапе — при загрузке печи, легировании, дегазации и транспортировке. К моменту поступления металла на литейную станцию он может содержать 1–5 ppm твердых примесей по массе. Это кажется незначительным количеством, но в случае тонколистового проката или поковок для аэрокосмической промышленности даже несколько скоплений оксидов приводят к браку продукции.

Фильтры из керамической пены устанавливаются в перепускном желобе, как правило, в специальном фильтрующем отсеке, и служат последней линией защиты перед поступлением металла в форму или литейную яму для литья под давлением. По сравнению с альтернативными вариантами, такими как сетки из стальной проволоки или стекловолоконная ткань, фильтр из керамической пены обладает следующими преимуществами:

Трехмерная глубинная фильтрация, а не просто поверхностное отфильтровывание.
Термическая стойкость до 1 100 °C — отсутствие риска плавления, возгорания или загрязнения алюминия.
Химическая инертность по отношению к большинству кованых и литейных сплавов.
Стабильные и воспроизводимые результаты от каста к касту.

Чтобы более подробно ознакомиться с общим процессом очистки расплава — включая этапы дегазации и обработки флюсом, которые должны предшествовать до фильтрация — см. наше руководство по Методы очистки расплавленного алюминия.

Какой размер пор следует выбрать?

Характеристики керамических пенофильтров указываются в PPI — количество пор на линейный дюйм. Чем выше это число, тем мельче структура пор и тем более тщательная фильтрация. Ниже приводится практическое руководство по выбору, основанное на конечных характеристиках продукта:

Рейтинг PPI	Номинальный размер пора	Наилучшим образом подходит для	Эффективность удаления включений
10–20 PPI	~2,5–1,5 мм	Системы литников и литниковых каналов, очень крупные отливки	50–65 %
30 PPI	~1,0 мм	Заготовки для экструзии, литейные изделия общего назначения	70–80 %
40–50 PPI	~0,6–0,8 мм	Автомобильные листы, высокопрочные конструкционные отливки	80–92 %
60–80 PPI	~0,3–0,5 мм	Аэрокосмическая пластина, жесть для консервных банок, фольга	92–98 %

Мы руководствуемся следующим практическим правилом: начинайте с фильтра самой крупной ячейки, который соответствует вашим требованиям к качеству. Использование фильтра с более мелкой ячейкой, чем требуется, снижает скорость разлива, повышает требования к давлению в головке и сокращает срок службы фильтра — а все это требует дополнительных затрат, не принося реальной пользы. Если технические требования вашего заказчика предусматривают значение K ниже 1,0 в соответствии с руководящими принципами Алюминиевой ассоциации по измерению включений (PDF), то фильтр с плотностью 50 PPI в сочетании с надлежащей дегазацией на входе, как правило, позволит достичь этого результата.

Какой размер и форма фильтра вам нужны?

Керамические пенопластовые фильтры для алюминия выпускаются со стандартными квадратными или прямоугольными сечениями. Выбор подходящих размеров зависит от расхода и скорости литья.

Размеры фильтра (мм)	Типичный диапазон расхода	Единая заявка
178 × 178 × 50 (7″)	8–15 кг/мин	Мелкие литейные изделия
305 × 305 × 50 (12″)	15–35 кг/мин	Заготовка среднего размера / сляб
432 × 432 × 50 (17″)	35–65 кг/мин	Крупное литье под давлением
508 × 508 × 50 (20″)	55–90 кг/мин	Высокоскоростная непрерывная разливка

Толщина также имеет значение. Фильтр толщиной 50 мм обеспечивает примерно вдвое большую вместимость по удержанию включений, чем фильтр толщиной 25 мм при одинаковом значении PPI, поскольку в нём больше внутреннего пространства для улавливания включений в глубоком слое. При длительных циклах литья или при работе с загрязнёнными сплавами с высоким содержанием вторичного сырья более толстый вариант окупается за счёт предотвращения преждевременного забивания фильтра.

Компания AdTech производит полный ассортимент керамический пенопластовый фильтр размеров и классов PPI, а также поставляет комплекты фильтрующие камеры предназначен для надёжной фиксации фильтра, обеспечения надлежащего состояния металлической головки и упрощения быстрой замены фильтра между отливками.

Если для вашего проекта требуется использование пористого керамического пенофильтра, вы можете обратиться к нам для получения бесплатного коммерческого предложения.

правильное расположение керамического пенопластового фильтра в коробке пластинчатого фильтра

керамический пенопластовый фильтр в пластинчатом фильтрующем блоке

Как добиться наилучших результатов при фильтрации с использованием пористой керамики

Даже самый лучший фильтр не сможет работать эффективно, если с ним неправильно обращаться. Эти практические советы основаны на реальном опыте литейного цеха:

Правильно разогрейте фильтр. Холодная керамическая пена, помещенная в раскаленный фильтрующий корпус, подвергнется термическому шоку и растрескается. Перед началом заливки предварительно нагрейте фильтрационную камеру и фильтр вместе до температуры не менее 500–600 °C. На некоторых заводах в фильтрационной камере используются встроенные электрические нагреватели, на других — газовые горелки. Оба метода подходят, но крайне важно обеспечить равномерный нагрев по всей поверхности.

Разогревайте медленно. Пусть начальный поток металла мягко смачивает керамическую поверхность. Слишком быстрая заливка в начале процесса выталкивает воздушный пузырь через фильтр и может привести к разрушению внутренних опор. Контролируемое, постепенное заполнение также позволяет первому слою уловленных включений сформировать “фильтрующий осадок”, который фактически повышает эффективность фильтрации для остальной части отливки — это хорошо известное явление в теории глубокослойной фильтрации.

Не используйте одноразовые фильтры повторно. Это может показаться очевидным, но мы не раз сталкивались с тем, что литейные предприятия, стремясь сэкономить, повторно используют отработанный фильтр и проводят вторую заливку. Задержанные включения становятся источниками повторного увлечения при второй заливке, в результате чего металл получается более загрязнённым, чем если бы фильтр не использовался вовсе.

Совместите фильтрацию с очисткой расплава на входе. Керамический пенофильтр не заменяет дегазацию или флюсование — это заключительный этап очистки. Если пропустить дегазацию и полагаться исключительно на фильтрацию, то в течение нескольких минут фильтр перегрузится шлаком и включениями, связанными с водородом. На нашей странице, посвящённой применению керамических пенофильтров, более подробно описан весь технологический процесс.

Из какого материала изготавливаются алюминиево-керамические пенофильтры?

Подавляющее большинство из них изготавливается из глинозема высокой чистоты (Al₂O₃), содержание которого, как правило, превышает 85 %, а остальную часть составляют кремнезем и другие связующие вещества. В некоторых специальных марках используется глинозем с фосфатной связкой или смеси глинозема и оксида хрома для обеспечения дополнительной химической стойкости при работе со сплавами с высоким содержанием магния.

Процесс производства осуществляется в соответствии с метод полимерного копирования: гибкий шаблон из полиуретановой пены покрывают керамической суспензией, после чего его сушат и обжигают в печи при температуре 1 200–1 500 °C. Полимер выгорает, оставляя после себя жёсткий керамический каркас, который идеально повторяет геометрию открытых пор исходной пены. В результате получается лёгкий, но прочный фильтр с пористостью, как правило, от 80 до 85 %.

Этот процесс выглядит элегантно, но именно контроль реологических свойств суспензии и профиля обжига позволяет отличить качественный фильтр от посредственного. Неравномерная толщина покрытия приводит к образованию слабых ребер жесткости, которые ломаются под металлостатическим давлением; пережигание вызывает чрезмерную усадку и неточность размеров. При оценке поставщиков запрашивайте данные о прочности на сдавливание (качественный фильтр с плотностью 30 PPI должен выдерживать давление более 1,0 МПа) и отчеты о допуске на размеры.

Характеристики пористого керамического фильтрующего материала

По сравнению с другими фильтрующими материалами пористая керамика обладает следующими свойствами в качестве фильтрующего материала.

Пористый керамический фильтрующий материал обладает высокой пористостью — до 60%. Размер пор однородный и легко регулируется. Высокая степень очистки — до 011Lm — позволяет использовать материал для прецизионной фильтрации различных сред.
Хорошая кислото- и щелочестойкость. Может использоваться для фильтрации сильных кислот (серной, азотной, соляной), сильных щелочей (хлористая натрия и т. д.) и различных органических растворителей.
Высокая механическая прочность, рабочее давление до 6 МПа, перепад давления до 1 МПа.
Устойчивость к высоким температурам, хорошая закаливаемость и характеристики закалки, рабочая температура до 800 ℃. Подходит для всех видов фильтрации газов при высоких температурах.
Фильтрующий элемент чистый, нетоксичный, не имеет запаха и не содержит посторонних веществ. Он подходит для асептических технологических операций.
Фильтрующий элемент отличается длительным сроком службы и способен выдерживать длительную эксплуатацию, при этом форма пор не изменяется, что облегчает его очистку и регенерацию.

Керамические фильтры для процессов фильтрации в литейном производстве

Когда стоит подумать о переходе на более эффективную систему фильтрации?

Для стандартных экструзионных заготовок и обычных литейных работ вполне достаточно одноступенчатого керамического пенофильтра. Однако если вы занимаетесь литьем листового металла для аэрокосмической промышленности, ультратонкой фольги или любых других изделий, при производстве которых даже одно включение приводит к браку рулона, стоит рассмотреть возможность использования двухступенчатая схема: фильтр с глубоким слоем наполнителя (таблетированный оксид алюминия) в последовательной схеме с установленным ниже фильтром из керамической пены с мелким размером пор.

Установка с глубоким слоем фильтрующего материала справляется с самыми крупными загрязнениями — крупными включениями, фрагментами шлака и остатками флюса, — а система CFF обеспечивает окончательную очистку. Совокупная эффективность удаления включений размером более 20 мкм регулярно превышает 99 %, чего трудно достичь при использовании любого из этих типов фильтров в отдельности.

Электромагнитная сепарация — ещё один вариант, который набирает популярность на линиях непрерывного производства листов, хотя капитальные затраты при этом значительно выше. Для большинства производств хорошо налаженный этап фильтрации через керамическую пену по-прежнему остаётся наиболее экономически эффективным способом очистки алюминия.

Фильтрация с использованием пористой керамики — процесс не самый привлекательный, но это одна из немногих технологических стадий, где относительно небольшие инвестиции позволяют добиться ощутимого и немедленного улучшения качества металла. Выберите фильтр подходящего класса, правильно его разогрейте и сочетайте это с надёжными методами очистки расплава на предыдущих этапах процесса — и вы увидите разницу в результатах PoDFA или LiMCA уже после первого литья.