陶瓷滤器

如前所述,近二十年来,经过铸造工作者的努力,泡沫陶瓷过滤器及其在液态铸造合金过滤领域的应用已得到了长足的发展。据不完全统计,国内迄今已有近十条泡沫陶瓷过滤器生产线投入生产,年生产总量已达数百万片。因此,在新的世纪,泡沫陶瓷过滤器的研究、生产和应用推广工作尚需继续加强,而且工作重点应放在以下几个方面:

(1)开发生产烧结温度低、烧结时间短的新型低成本泡沫陶瓷过滤器;

(2)开发生产适用于各种活性合金、高温物理化学性能稳定的新型泡沫陶瓷过滤器;

(3)开发生产适用于熔模铸造、金属型铸造等特种铸造工艺的异形泡沫陶瓷过滤器;

(4)深入研究泡沫陶瓷过滤器的过滤净化机制和对金属凝固过程的影响机制;

(5)系统研究泡沫陶瓷过滤器的应用技术,包括孔径和厚度的选择、安放方式和浇铸系统的设计、浇铸温度和速度及金属液压头的控制等;

(6)开展泡沫陶瓷过滤器的系列化和标准化工作。 2100433B

在铸造生产中,由于非金属夹杂物等铸造缺陷导致的铸件废品一般占废品总数的50%～ 60%。采用金属液过滤技术可以有效地减少或消除其中的各种非金属夹杂物,净化液态铸造合金。

泡沫陶瓷过滤器分为粘结型和烧结型:前者依靠粘结剂将陶瓷微细颗粒粘结在一起;后者是依靠在高温下保温,使较纯的陶瓷微细颗粒烧结熔合起来。泡沫陶瓷过滤器所具有的独特的三维连通曲孔网状骨架结构,使其具有高达80%～ 90%的开口气孔率,并通过3种过滤净化机制,即机械拦截、整流浮渣和深层吸附,可高效地滤除金属液中的大块夹杂物和大部分小至数十微米的微小悬浮夹杂物,克服了耐火纤维质两维结构型内过滤网和直孔芯型陶瓷过滤器、耐火颗粒过滤器、直孔型蜂窝陶瓷过滤器等的过滤效率低、耐火度和强度低、金属液过流率低等问题。

哈尔滨工业大学对铝青铜的试验表明:泡沫陶瓷过滤器的过滤效率高达95%,而双层纤维过滤网仅为67%,从而显著降低铸件废品率和焊补率。此外,还能简化浇铸系统,改善材料金相组织,从而提高铸件工艺出品率和生产率,改善铸件内部质量、工作性能以及机加工性能。因此,泡沫陶瓷过滤器在国内外得到迅速发展。

陶瓷过滤的研究主要集中于两个方面：一是陶瓷过滤器的材质，包括陶瓷过滤器的制造工艺及性能；二是陶瓷过滤器的结构，包括过滤器的形状、安放位置、过滤机制及过滤效果。

选择过滤器材质要根据过滤所要去除的夹杂物的类型来进行选择，同时也要考虑材料的抗蠕变及抗热振性。大量的实验结果表明，材质、孔隙度和陶瓷过滤器的内表面粗糙度影响过滤效果。

陶瓷过滤器的结构是由其材质决定的，根据材质的不同，可以把陶瓷过滤器分为泡沫陶瓷过滤器和颗粒陶瓷过滤器两大类。

陶瓷过滤器过滤器

泡沫陶瓷过滤器的开孔体积为75%～90%，通常是按每英寸线上的孔数（ppi）来进行分类。如10 ppi的泡沫陶瓷过滤器，其孔径为1778 μm，范围为584～3708 μm；30 ppi的泡沫陶瓷过滤器，其孔径为711 μm，范围为229～1422 μm。泡沫陶瓷过滤器的厚度一般为25 mm。在浇注系统中有直立安放的，也有水平安放的，其结构根据具体的使用情况来设计。

泡沫陶瓷过滤器曾经选用过的材质有NCL-Mullite，ZrO₂，Zr-SiO₄与Al₂O₃等。采用Al₂O₃泡沫陶瓷，在操作时不易碎，其抗热振崩裂性能好，在1700℃高温金属液流动下，抗蠕变变形能力强。因为开孔的孔隙度高（75%～90%）和孔壁很薄，所以泡沫陶瓷过滤器在与金属液接触前不需要预热。

陶瓷过滤器颗粒陶瓷

颗粒陶瓷过滤器的结构为上下有孔的支撑板，中间为颗粒填充物，在颗粒上镀有一层活性吸附材料，见图3。支撑板的厚度一般为12 mm，孔直径为4.5～13 mm。

颗粒陶瓷过滤器选用MgO或Al₂O₃作为填充物，根据要过滤夹杂物的类别选用活性吸附剂。对于用稀土金属处理过的高温合金，选用稀土金属为活化剂，当使用氧化钙颗粒时要解决防水化问题。

CaO耐火材料是很好的颗粒陶瓷过滤器的填充材料，它不仅可以依靠物理吸附原理，而且还可以通过化学反应去除夹杂物。但有两个原因限制了其大量应用：一是需极高的烧结温度（高于1800℃）才能获得必需的致密度和机械强度。二是在常温和大气下易水化。

CaO耐火材料的优点是耐火度高，碱度高，钢液过滤性好，资源极为丰富。提高钢液过滤用CaO耐火材料抗水化性能的途径是大力提高CaO耐火材料的烧结度，大结晶粒度，采用超高煅烧或电熔石灰；在CaO表面形成一层保护膜；在CaO烧成品上浸上焦油或有机树脂薄膜作为中间过渡措施；在CaO中加入少量的化学添加剂，其作用是降低CaO的烧结温度，并在烧结后期使烧结体内部产生部分液相，促进CaO晶粒的长大。

陶瓷过滤器是使用比较广的一种过滤器，它采用刚性的微孔材料作为过滤元件。它包括陶瓷、刚玉、碳化硅、砂芯片等一系列的过滤器，如图1所示。因过大的气流可使灰尘黏附在过滤器上，造成堵塞，为了防止过大的气流直接吹射陶瓷杯，因此在陶瓷杯的外面加上一个防护罩，使气流绕过过滤器的下部，再进入过滤器。为了减小无效的体积，使过滤器的底部为锥形，同时增加了一个分路接头。一方面可以把灰尘吹走；另一方面，由于气体不断流动而加速了气体交换，减小了滞后时间。为便于更换和清理过滤器，设计了陶瓷过滤器系统。当一个过滤器发生堵塞时，可转动两个四通换向阀，把样气通入另一个过滤器，堵塞的过滤器则可通过高压空气进行反吹，使黏附在陶瓷滤杯上的灰尘除掉。这样两个过滤器轮换工作。它适用于较重要的分析系统，以及容易发生堵塞的含尘量较高的取样系统。

陶瓷过滤器过滤特性

过滤特性中最主要的是上述的收尘效率，其次还有过滤容量、气孔堵塞问题等。

陶瓷过滤器过滤容量

对于洁净的流体，通过陶瓷过滤器层的流体渗透量与面积、压力差成正比，与板厚、粘性系数成反比。将过滤（器）层看作毛细管的集合，通过毛细管的流体流量，可用下式表示：

v=（π·d⁴·ΔP）/（128η·l）=（π·d⁴·ΔP）/（128α·η·L）

此外，气扎率ε和单位面积的毛细管数N、毛细管直径d的关系可用下式表示：

ε=（π/4）d²·N

从而渗透量V可用下式表示：

V=N·v=（d²·ε·ΔP）/（32α·η·L）

式中 V——单位时间单位面积的渗透量（厘米³/厘米²·秒）；

ΔP——压力差（达因/厘米²）；

η——粘性系数（达因·秒/厘米²）；

L——过滤（器）层的厚度（厘米）；

d——毛细管直径（厘米）；

l——毛细管长度（厘米）；

α——弯曲度（1～3）。

也就是说，通过陶瓷过滤（器）层的流体渗透量与过滤器的气孔率及毛细管的直径平方成正比。增加粘结剂的量，扩大颗粒直径分布范围等使气孔率ε下降，流体的渗透量降低，因此，粘结剂的量和颗粒直径分布应作为过滤器的制造条件。陶瓷过滤器的气孔率为33±2%，减小厚度，增大气孔直径虽可增加渗透量，但收尘效率反而下降。另外，还要考虑强度等因素，然后选定各种条件。

陶瓷过滤器堵塞

陶瓷过滤器收集的固体堆积在过滤（器）层外面或过滤（器）层内部，堵塞过滤器的气孔，过滤容量就会下降。这种堵塞状态可表现为几种形式，如表面收集固体；固体进入过滤器内层；还有在表面堆积的固体形成粗糙的表层（好象是过滤层那样），在这些情况下，虽过滤容量都逐渐下降，但下降程度是各不相同的。

陶瓷过滤器强度

由于陶瓷过滤器本身受到内压、外压、压缩、拉伸等作用力，因而强度是重要特性之一。另外，在高温下（700～1000℃）使用时，过滤器受热后并不引起软化和强度下降山是非常重要的特性。虽然强度受骨料质量、骨料颗粒大小、粘结剂质量和混合比等很多因素影响，但是主要与骨料强度、粘结层强度有关。例如，通常用作骨（集）料颗粒的各种材料的强度顺序为：

SiC，Al₂O₃>莫来石>陶瓷颗粒>硅砂，碳粒

虽然粘结层的强度主要取决于粘结剂和烧成条件（温度和气氛），但是调整粘结剂和骨（集）料的热膨胀系数，确保粘结剂和骨料的粘结力也是很重要的（即热膨胀系数和粘结力也是影响粘结层强度的重要因素）。

陶瓷过滤器耐腐蚀性

陶瓷过滤器通常具有极其优良的耐酸性，在高温条件下，对于氟酸以外的所有酸仍是稳定的。耐酸性受粘结剂的配合、烧成条件、骨料质量等因素影响。为了获得耐碱性、耐蒸气特性优良的过滤器，需采用特别配制的粘结剂。碳质过滤器具有优良的耐碱性。

陶瓷过滤器耐污染性

在精密过滤场合（作为特殊的情况），为防止污染液体，不允许有微量的溶出物，采用陶瓷过滤器时，通常没有溶出物，而且按食品卫生法来检验，也是合格的，因此可在禽品工业领域采用

陶瓷过滤器抗热震性

虽然陶瓷过滤器可用于其它多孔体不能达到的高温区域，但是在过滤燃烧废气、熔融金属时，以及处于气体吹入高温炉内的喷口等场合，最好用于1000℃以下的高温区域。为适应更高的温度区域，考虑了使用粘结剂非常少的，骨料彼此以自相结合的方式构成的过滤器。

在700～1000℃高温区域，抗热震性优良的碳化硅陶瓷过滤器显示出良好的效果。其次是氧化铝陶瓷过滤器。下图2所示出以碳化硅为骨（集）料，采用特殊配制的陶瓷粘结剂的过滤器的高温强度的变化。由图2可见，在粘结剂开始软化的温度以下，出现了高温强度高于常温强度的倾向。

现以碳化硅陶瓷过滤器来探讨陶瓷过滤器的抗热震性。当流体为气体时，从制品形状来讲，能耐温差达400～700℃的急冷急热。氧化铝陶瓷过滤器能耐温差达300～400℃的急冷急热。这种过滤器所以具有这样高的抗热震性，是由于陶瓷具有多孔性，能吸收热变形所致。