已刊登《輕合金加工技術(shù)》 2005，Vol，33，No6 | 鋁熔體凈化用的新型泡沫陶瓷過(guò)濾板
New Type CFF for Cleaning Molten Aluminum
柯東杰1.2 黃雙溪1 陳群2 柯藝勤2
(1、福州大學(xué)有色金屬熔煉新材料裝備研究所；2、福州麥特新高溫材料有限公司)
摘要：本文簡(jiǎn)要介紹了泡沫陶瓷的特性及其在鋁業(yè)中應(yīng)用狀況，著重介紹一種新型活性
泡沫陶質(zhì)過(guò)濾材料特性，過(guò)濾凈化機(jī)制，針對(duì)鋁熔體結(jié)構(gòu)，雜相集合，吸附凈化
的新理念，探討新一代泡沫陶質(zhì)過(guò)濾材料，選擇、分析、及應(yīng)用，提高鋁液潔凈度的評(píng)價(jià)。
關(guān)鍵詞：鋁熔體；凈化；泡沫陶瓷過(guò)濾板
中國(guó)分類(lèi)號(hào)：TC292 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1007-7235（2005）06-0008-03
前 言
鋁合金的熔煉是鋁合金加工過(guò)程的首道工序，也是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。體現(xiàn)在熔煉過(guò)程的合金化、凈化、細(xì)化處理技術(shù)。去除鋁合金熔體中非金屬夾雜，采取爐內(nèi)熔劑處理，爐外泡沫陶瓷過(guò)濾的技術(shù)早已成為鋁液凈化的重要手段。
泡沫陶瓷是一種開(kāi)口氣孔率高達(dá)80-90%，體積密度只有0.3-0.6g/cm3,具有獨(dú)特的三維立體網(wǎng)絡(luò)骨架和相互貫通氣孔結(jié)構(gòu)的多孔陶瓷制品。最早的泡沫陶瓷過(guò)濾器是1978年美國(guó)Consolidated Alnminum公司的F.R.Mollard和N.Davison研制成功并用于鋁合
金澆注系統(tǒng)，并于1980年4月美國(guó)鑄造年會(huì)上發(fā)表了他們的研究成果：金屬熔體
* 福建省科技中小企業(yè)創(chuàng)新基金項(xiàng)目(2003CO12W) -1-
經(jīng)泡沫陶瓷過(guò)濾除雜，可顯著提高鑄錠質(zhì)量，降低廢品率。從那時(shí)起在世界各地相應(yīng)研制、開(kāi)發(fā)泡沫陶瓷過(guò)濾材料，促進(jìn)了在冶金行業(yè)普遍應(yīng)用。
泡沫陶瓷過(guò)濾器（CFF即Ceramic Foam Filter）的生產(chǎn)普遍采用一種三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和連通氣孔的有機(jī)泡沫塑料作為載體，將其浸入具有觸變性的特種陶瓷漿料中，并采取特殊的輥擠工藝，使陶瓷漿料均勻敷于載體的骨架上，然而經(jīng)烘干固化再高溫焙燒而成。
表1：國(guó)內(nèi)外典型泡沫陶瓷（僅指已在鋁業(yè)采用的過(guò)濾板）
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國(guó)別及公司 |
型號(hào) |
主要
組成 |
孔徑
ppi |
體積密度
g/m3 |
開(kāi) 口
氣孔率
% |
常溫耐壓
MPa |
常溫抗折
MPa |
熱震性
(750℃) |
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美 國(guó)
某 公 司 |
Selee/A1 |
剛玉 |
10.20.30.
40.50 |
0.35-0.45 |
85-90 |
0.85 |
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英 國(guó)
某 公 司 |
Sivex |
剛玉 |
10.20.30.
40.50 |
0.35-0.45 |
81-87 |
1.5 |
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目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng) |
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剛玉 |
10.20.30.
40.50 |
0.35-0.45 |
≥80 |
1.5 |
0.9 |
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福州麥特新
新型過(guò)濾板 |
MTX |
剛玉 |
10.20.30.
40.50.60 |
0.36-0.43 |
≥85 |
≥4.5 |
1.5 |
5 |
眾所周知,泡沫陶瓷過(guò)濾板在中國(guó)鋁加工業(yè)上的應(yīng)用已經(jīng)普及,在變形鋁合金熔體凈化技術(shù)應(yīng)用上主要有兩種模式：一種是爐內(nèi)熔劑噴粉精煉，爐外泡沫陶瓷板過(guò)濾的半連續(xù)鑄造，陶瓷過(guò)濾板更換是每鑄次換一片，當(dāng)今也有的鋁加工廠在過(guò)濾前增設(shè)流槽式在線除氣機(jī),提高凈化效果；第二種是連續(xù)鑄軋線上采用，其更換是依據(jù)過(guò)濾板前后壓力差大小來(lái)確定更換周期。至于選用多大規(guī)格是根據(jù)單位時(shí)間鋁液?jiǎn)挝粫r(shí)間流量和總量而定的；而該選用多大目數(shù)孔徑的泡沫陶瓷過(guò)濾板，則為最終鋁液的潔凈度要求而定，對(duì)鋁液的潔凈度要求越高，選擇的孔徑就越小，由此對(duì)泡沫陶瓷過(guò)濾的結(jié)構(gòu)和材質(zhì)提出新的要求。隨著鋁各種凈化技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用效果，泡沫陶瓷過(guò)濾凈化均為鋁液凈化的最后一道工序，在此工序之前均已采用熔劑噴粉精煉或在線式旋轉(zhuǎn)除氣技術(shù)，鋁液中尚未去除的雜相一氫的質(zhì)點(diǎn)是更加細(xì)微和彌散，如何促使雜相集聚長(zhǎng)大吸附分離就顯得特別重要，單憑機(jī)械攔截的“濾餅”效應(yīng)對(duì)此顯得很不突出，因此能促進(jìn)雜相集聚長(zhǎng)大和氫分壓吸咐的新一代泡沫陶質(zhì)過(guò)濾材料，已成為本課題研究的目的和方向。
-2-
新一代泡沫陶瓷材料的特性
為了實(shí)現(xiàn)以上分析的目標(biāo)，我們從選材、制漿混練、載體的預(yù)處理到紅外烘干和濺射涂覆到微波干燥，再到焙燒的溫度場(chǎng)效應(yīng)控制，研究一整套嚴(yán)格的工藝技術(shù)，來(lái)完成適應(yīng)鋁熔體凈化的高溫冶金物理化學(xué)過(guò)程，有效地提高鋁熔體的潔凈度,表現(xiàn)出如下特性。
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第二代泡沫陶瓷過(guò)濾板（三維立體網(wǎng)骼） |
第一代泡沫陶瓷過(guò)濾板 |
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材質(zhì)方面 |
X’Pert Pro MPD 衍射儀分析
主晶相α-Al2O3,多形態(tài)莫來(lái)石，無(wú)石英玻璃相。 |
X’Pert Pro MPD 衍射儀分析
主晶相α-Al2O3,堇青石或莫來(lái)石或有尖晶石相，還有石英玻璃相。 |
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網(wǎng)孔構(gòu)造 |
三維立體網(wǎng)絡(luò)均勻骨骼結(jié)構(gòu)，骨架支體有微觀龜裂和微觀針孔，抗熱震性強(qiáng)，不掉陶粒，微觀缺陷有利于二次沉積氟化物，增加對(duì)鋁液中雜相的吸附能力。 |
三維立體網(wǎng)絡(luò)不均骨骼結(jié)構(gòu)，特別體現(xiàn)縱斷面的橫向上,盲孔，呈蜂窩形。骨架支體光滑或存有許多斷支裂紋，振動(dòng)易掉陶粒渣，全靠機(jī)械碰撞攔裁。 |
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現(xiàn) 象 |
耐壓強(qiáng)度＞4.5MPa，抗彎1.5MPa，抗熱震性(750℃室溫)＞5不掉陶粒，對(duì)鋁中雜相親和力強(qiáng)，除雜效率高，表現(xiàn)為靜壓差變化大。 |
耐壓強(qiáng)度＜4MPa，一般在1.0-1.5MPa抗熱震性＜5，易掉陶粒粉除雜效率相對(duì)低，表現(xiàn)為靜壓差變化甚微。 |
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外 觀 |
粉紅色或潔白色
拍打，不掉陶粒渣。 |
白色或灰白色
拍打，掉陶粒渣，甚至越振越多。 |
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誤 區(qū) |
吸附過(guò)濾除雜率高，有時(shí)因?yàn)V雜太多，引起靜壓差激增，造成供流不足，“堵塞”。 |
因本身中部橫斷面盲孔多，有效過(guò)濾體積下降，引起供流不足，甚至堵塞。 |
泡沫陶質(zhì)材料過(guò)濾凈化機(jī)理
泡沫陶瓷過(guò)濾機(jī)制，一般描述為擴(kuò)散攔截和慣性碰撞攔截或經(jīng)篩分，沉積層和深床過(guò)濾，清華大學(xué)有一國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室對(duì)泡沫陶瓷過(guò)濾機(jī)理建立了三維物理模型和兩相流模型，并進(jìn)行了模擬計(jì)算，這對(duì)我們研究鋁液過(guò)濾凈化很有幫助。然而泡沫陶瓷對(duì)鋁液的過(guò)濾凈化過(guò)程十分復(fù)雜，也是高溫物理化學(xué)和冶金動(dòng)力學(xué)的復(fù)雜過(guò)程。至于篩分碰撞、沉降、攔截過(guò)濾都比較好理解，我們對(duì)泡沫陶瓷過(guò)濾研究過(guò)程中所獲得的諸多參數(shù)，綜
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合分析后，提出以下見(jiàn)解：
1、通過(guò)篩分慣撞攔截和擴(kuò)散攔截，摩擦、沉降等機(jī)械過(guò)濾，其過(guò)濾效率同泡沫陶瓷的網(wǎng)眼孔徑成正比，網(wǎng)眼越小，對(duì)小顆粒攔截能力越強(qiáng)。
2、沉積層或?yàn)V餅層效應(yīng)，隨著熔體中的粒子沉積和彎彎曲曲的相互連通又凸凹不平的網(wǎng)架支壁，對(duì)雜相粒子的捕獲能力提高了。
3、由于網(wǎng)骼支架體表面缺隙而形成的粗糙面，增大了鋁液流同陶瓷固體面的界面能促使鋁液流中的粒子流向更加無(wú)序化，有利于固態(tài)粒子被捕獲沉積下來(lái)。
4、由于網(wǎng)骼支架體表面微觀裂紋和針孔，預(yù)先沉積了對(duì)Al2O3等粒子親和力強(qiáng)的氟化物熔劑，促使完整的濾餅層效應(yīng)和強(qiáng)的化學(xué)吸附力，捕獲留滯的雜相粒子能力更加強(qiáng)了。
5、再者，從金屬熔體結(jié)構(gòu)熔煉過(guò)程和傳輸過(guò)程溫度場(chǎng)效應(yīng)，必然形成合金溶質(zhì)的濃底差，金屬熔體是重新分配---整合---再分配---又整合，這也是一個(gè)很好的合金化處理過(guò)程，有些高熔點(diǎn)金屬相和化合物重新聚集長(zhǎng)大，細(xì)小雜相聚集長(zhǎng)大后有利于過(guò)濾捕獲。這也可從過(guò)濾前后H、Al2O3、Fe相、Ti相濃度的變化來(lái)說(shuō)明。尤其雙級(jí)過(guò)濾或孔梯度厚板過(guò)濾更加明顯。因此，在同等的前提條件下，新型泡沫陶瓷過(guò)濾板，對(duì)鋁熔體雜相去除率高，過(guò)濾前后靜壓差變化隨時(shí)間的變化更大，過(guò)濾前后鋁熔體中H含量變化也明顯。當(dāng)然，選擇泡沫陶質(zhì)孔眼越小，越能提高鋁熔體的潔凈度。
正確選擇過(guò)濾板，提高鋁熔體的潔凈度
1、選擇泡沫陶瓷過(guò)濾板首先根據(jù)鋁熔體中的含雜量、熔體轉(zhuǎn)注流量最終鑄造制品的品質(zhì)要求程度而定。
①含雜量多，鑄造制品的品質(zhì)一般，可選用孔網(wǎng)眼較大的泡沫陶瓷過(guò)濾板，在過(guò)濾板前增設(shè)一道玻璃絲布粗濾。這時(shí)半連續(xù)鑄造先用玻璃絲布粗濾是重要的，它可以攔截開(kāi)眼時(shí)的流渣和流槽沖刷下來(lái)的渣，以防過(guò)濾板的堵塞。
②鑄造制品的品質(zhì)要求高，選用孔網(wǎng)眼小，即目數(shù)大的新型泡沫陶瓷過(guò)濾，例如福
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建瑞閩鋁業(yè)和南方鋁業(yè)生產(chǎn)鋁箔坯料，河南明泰鋁業(yè)生產(chǎn)高品質(zhì)熱軋板坯，東北輕合金
加工廠生產(chǎn)高品質(zhì)軍品鋁材，廣東中山和勝鋁業(yè)生產(chǎn)的高品質(zhì)工業(yè)型材精品均采用福州麥特新高溫材料有限公司生產(chǎn)的第二代泡沫陶質(zhì)過(guò)濾板，最為突出的是選用30ppi和60ppi/規(guī)格為305×305×50、381×381×50、432×432×50、508×508×50的雙級(jí)過(guò)濾技術(shù)，達(dá)到理想的潔凈度，獲得很好的效果。
③過(guò)濾板規(guī)格的選定，是按熔體通過(guò)的流量和總通過(guò)量而定。流量大，總通過(guò)量大，過(guò)濾板孔眼小，則選用較大的規(guī)格。
2、選擇過(guò)濾板也應(yīng)觀其色，拍其體、燒其物。
①顏色純、無(wú)雜，說(shuō)明材質(zhì)均一；扎手不粘手，說(shuō)明表面沒(méi)噴粘結(jié)劑，不會(huì)造成二次污染。
②單手托著過(guò)濾板，另一只手以鼓掌式，適力拍打過(guò)濾板，連續(xù)掉下陶粒渣，說(shuō)明是劣質(zhì)過(guò)濾板，會(huì)造成二次污染鋁液。
③用明火或電熱升溫?zé)秊榧t色立即室溫冷卻無(wú)崩裂掉渣，說(shuō)明是好的過(guò)濾板。
3、選購(gòu)過(guò)濾時(shí)應(yīng)認(rèn)真評(píng)估其泡沫體的有效的比表面積或孔隙率計(jì)算。可以觀察過(guò)濾板表面層網(wǎng)眼均質(zhì)狀態(tài)，再剖開(kāi)觀察其斷面網(wǎng)眼均質(zhì)狀態(tài)。有條件的話，可以排水法測(cè)量計(jì)算出其孔隙率。三維網(wǎng)眼均質(zhì)，孔隙率相對(duì)較大是優(yōu)秀的泡沫陶瓷過(guò)濾板。
結(jié)束語(yǔ)
總之,泡沫陶質(zhì)過(guò)濾板是鋁熔體凈化處理的最后一道工藝技術(shù)，選擇第二代泡沫陶質(zhì)過(guò)濾板顯得尤為重要。根據(jù)以上幾點(diǎn)和各鑄造廠的環(huán)境選擇好最佳的過(guò)濾板過(guò)濾，獲得了高潔凈度的鋁熔體，但需特別注意的事：防止鋁熔體離開(kāi)過(guò)濾箱后，到凝固成型這一過(guò)程可能的二次污染。在此段采用長(zhǎng)壽命、高強(qiáng)度、不粘鋁的、保溫性良好的熔融石英陶瓷燒結(jié)制成的流槽、前箱、分配盤(pán)、熱帽，并及時(shí)除濕、清掃來(lái)消除可能的污染源，確保鋁熔體的潔凈度不容忽視。
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