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1、8轻合 金 加 工 技 术2005, Vol. 33,6铝熔体净化用的新型泡沫陶瓷过滤板New Type CFF for Cleaning Molten Aluminum柯东杰1, 2, 黄双溪1, 陈群2, 柯艺勤2KE Dong-jie1, 2, HUANG Shuang-xi1, CHEN Qun2, KE Y-i qin2( 1. 福州大学有色金属熔炼新材料装备研究所, 福建福州 350002;2. 福州麦特新高温材料有限公司, 福建福州 350000)摘要: 简要介绍了泡沫陶瓷过滤板的特性及其在铝加工业中的应用状况, 着重介绍一种新型活性泡沫陶瓷过滤材料的特性、过滤净化机理, 讨论了
2、如何选用新一代泡沫陶瓷过滤板以及使用中要注意的问题。关键词: 铝熔体; 净化; 泡沫陶瓷过滤板中图分类号:TG292文献标识码: B文章编号: 1007- 7235( 2005) 06- 0008- 03铝合金的熔炼是铝合金加工过程的重要环节,体现在熔炼过程的合金化、净化、细化处理技术。采取炉内熔剂处理和炉外泡沫陶瓷过滤去除铝合金熔体中非金属夹杂早已成为铝液净化的重要手段。泡沫陶瓷是一种开口气孔率高达 80% 90% , 密度为0 3 g/ cm3 0. 6 g/ cm3, 具有独特的三维立体网络骨架和相互贯通气孔结构的多孔陶瓷制品。最早的泡沫陶瓷过滤器是1978 年美国 Consolidat
3、ed Alu-minum 公司的Mollard F R 和Davison N 研制成功并用于铝合金熔铸系统的, 并于 1980 年 4 月在美国铸造年会上发表了他们的研究成果, 从那时起世界各地相应研制、开发泡沫陶瓷过滤材料, 在冶金行业普遍应用。泡沫陶瓷过滤器( Ceramic Foam Filter CFF) 的生产普遍采用一种三维网状结构和连通气孔的有机泡沫塑料作载体, 将其浸入具有触变性的特种陶瓷浆料中, 并采取特殊的辊挤工艺, 使陶瓷浆料均匀敷于载体的骨架上, 然后经烘干固化再高温焙烧而成 1 5 。泡沫陶瓷过滤板在中国铝加工业上的应用已经普及, 在变形铝合金熔体净化上的用应主要有两
4、种模式: 一种是在铝合金半连续铸造线上, 在炉内用熔剂喷粉精炼熔体, 在炉外用泡沫陶瓷板过滤, 陶瓷过滤板是每铸次要进行更换, 当今也有的铝加工厂在过滤前增设流槽式在线除气机, 提高净化效果; 第二种是在连续铸轧线上, 依据过滤板前后压力差大小来确定其更换周期。至于选用多大规格的过滤板是根据铝液单位时间流量和铝液总量而定的; 选用多大目数孔径的泡沫陶瓷过滤板则是根据对最终铝液的洁净度要求而定的, 对铝液的洁净度要求越高, 选择的孔径就越小 6 8 。泡沫陶瓷过滤净化是铝液净化的最后一道工序, 在此工序之前已采用熔剂喷粉精炼或在线式旋转除气处理, 故铝液中尚未去除的杂质相- 氢的质点是更加细微和
5、弥散。在泡沫陶瓷过滤中如何促使杂质相集聚长大和氢吸附就显得特别重要, 单凭泡沫陶瓷的机械拦截 滤饼 作用已不能取得突出的效果, 因此研制能促进杂质相集聚长大和氢吸附的新一代泡沫陶瓷过滤材料, 是本课题的研究目标。1 新一代泡沫陶瓷材料的特性为了实现我们确定的研制目标, 从选材、制浆混炼、载体的预处理、红外烘干、溅射涂覆和微波干燥,再到焙烧的温度场控制, 研究了一整套严格的制造工艺技术。所研制的新一代泡沫陶瓷材料能有效地提高铝熔体的洁净度, 它的特性及与常用产品的比收稿日期: 2005- 02- 15基金项目: 福建省科技中小企业创新基金项目( 20037012W)第一作者简介: 柯东杰( 19
6、63- ) , 男, 福建泉州人, 高级工程师。2005, Vol. 33,6轻合 金加 工 技 术9较参见表 1 和表 2。表 1国内外典型泡沫陶瓷板( 仅指已在铝加工业采用的过滤板) 的技术性能公司产品主要组成孔径 ppi体积密度开口气孔率常温耐压常温抗折750 抗热振性g/ m3%MPaMPa次美国某公司刚玉10、20、30、0. 350. 4585900. 8540、50英国某公司刚玉10、20、300. 350. 4581871. 540、50国内市场商品刚玉10、20、30、0. 350. 45801. 50. 940、50福州麦特新一代过刚玉10、20、30、0. 360. 43
7、854. 51. 55滤板40、50、60表 2 本公司新一代泡沫陶瓷材料的特性第二代泡沫陶瓷过滤板( 三维立体网络)第一代泡沫陶瓷过滤板材质X Pert Pro MPD 衍射仪分析主晶相 -Al2O3, 多形态莫来石, 无X Pert Pro M PD 衍射仪分析主晶相 -Al2O3, 堇青石或莫来石石英玻璃相或有尖晶石相,还有石英玻璃相网孔三维立体网络均匀骨骼结构, 骨架支体有微观龟裂和微观针三维立体网络不均匀骨骼结构, 特别体现在纵断面的横向孔; 抗热震性强不掉陶粒; 微观缺陷有利于二次沉积氟化物,上, 有盲孔, 呈蜂窝状; 骨架支体光滑或存有许多断裂纹, 振构造增加对铝液中杂质相的吸附
8、能力动易掉陶粒; 过滤全靠机械碰撞拦截耐压强度大于4 5 N/mm2, 抗弯强度15 N/mm2, 抗热振性耐压强度小于4 N/ mm2, 一般在( 1. 0 1. 5)N/mm2; 抗热振性现象( 750) 大于 5 次不掉陶粒; 对铝中杂质相亲和力强, 除杂质小于 5 次易掉陶粒; 除杂质效率相对较低, 表现为静压差变效率高, 表现为静压差变化大化甚微外观粉红色或洁白色; 拍打时不掉陶粒白色或灰白色; 拍打时掉陶粒, 越振动掉陶粒越多误区吸附过滤除杂质率高, 有时因过滤杂质太多引起静压差激因本身中部横断面盲孔多, 有效过滤体积下降, 引起供流不增, 造成供流不足而堵塞足甚至堵塞2 泡沫陶瓷
9、板过滤净化铝熔体的机理泡沫陶瓷板过滤净化铝熔体的机理, 一般描述为扩散拦截和惯性碰撞拦截或筛分机理、沉积层和深床过滤机理。清华大学的国家重点实验室对泡沫陶瓷过滤机理建立了三维物理模型和两相流模型,并进行了模拟计算, 对我们研究铝液过滤净化很有帮助。泡沫陶瓷板对铝液的过滤净化过程十分复杂, 是高温物理化学和冶金动力学的复杂过程。至于筛分、碰撞、沉降、拦截过滤都比较好理解, 我们对泡沫陶瓷板过滤铝熔体研究过程中所获得的诸多参数进行了综合分析, 提出以下见解:( 1) 通过筛分碰撞拦截和扩散拦截, 摩擦、沉降等机械过滤, 其过滤效率与泡沫陶瓷板的网眼孔径成正比, 网眼越小对小颗粒杂质拦截能力越强。(
10、 2) 沉积层或滤饼层效应, 随着熔体中杂质粒子沉积和过滤板中弯弯曲曲的相互连通又凸凹不平的网架支壁, 对杂质相粒子的捕获能力提高。( 3) 由于网络支架体表面缺隙而形成的粗糙面,增大了铝液流与陶瓷体面的界面能, 促使铝液流中的杂质粒子流向更加无序化, 有利于固态粒子被捕获而沉积下来。( 4) 由于网络支架体表面微观裂纹和针孔, 预先沉积了对Al2O3 粒子亲和力强的氟化物熔剂, 促使完整的滤饼层效应和强的化学吸附力, 使捕获留滞杂质相粒子的能力更加强了。( 5) 在金属熔炼过程中以及传热过程的温度场效应, 必然形成合金溶质的浓度差, 金属熔体重新分配 整合 再分配 又整合, 这也是一个很好的
11、合金化处理过程, 有些高熔点金属相和化合物重新聚集长大, 细小杂质相聚集长大后有利于被过滤捕获。这可从过滤前后H、Al2O3、Fe 相、Ti 相浓度的变化来说明。尤其双级过滤或孔梯度厚板过滤其效果更加明显。因此, 在同样的条件下, 新一代泡沫陶瓷板对铝熔体中杂质相的去除率高, 过滤前后静压差变化随着时间延长的变化更大, 过滤前后铝熔体中H 含10轻合 金 加 工 技 术2005, Vol. 33,6量的变化也明显。当然, 选择的泡沫陶瓷板孔眼越小, 越能提高铝熔体的洁净度。3 正确选择过滤板, 提高铝熔体洁净度( 1) 选择泡沫陶瓷过滤板首先应根据铝熔体中的含杂质量、熔体转注流量和铸造铝制品的
12、品质要求而定。铝熔体含杂质量多, 对铸造制品的品质要求一般, 则可选用孔网眼较大的泡沫陶瓷过滤板, 在过滤板前增设一道玻璃丝布进行粗过滤。在这种情况下半连续铸造铝熔体时先用玻璃丝布粗过滤是重要的, 它可以拦截开炉眼时流出的炉渣和流槽上冲刷下来的渣子, 以防止过滤板被堵塞。对铸造制品的品质要求高时, 则选用孔网眼小即目数大的新一代泡沫陶瓷过滤板, 例如福建瑞闽铝业公司和南方铝业公司生产铝箔坯料, 河南明泰铝业公司生产高品质的热轧板坯, 东北轻合金加工厂生产高品质的军品铝材, 广东中山和胜铝业公司生产高品质工业铝型材时, 均采用福州麦特新高温材料有限公司生产的第二代泡沫陶瓷过滤板, 如果选用 30
13、ppi 和 60ppi 的规格为305 mm305 mm50 mm、381 mm381 mm 50 mm、432 mm432 mm50 mm、508 mm508 mm 50 mm的陶瓷板进行双级过滤, 铝熔体更能达到理想的洁净度。过滤板规格的选择是按铝熔体单位时间通过的流量和铝熔体总通过量而定的。流量大和总通过参考文献:量大, 过滤板孔眼小, 则选用较大规格的过滤板。( 2) 选择过滤板也应观其色, 拍其体, 烧其物。过滤板的颜色纯而无杂, 说明材质均一; 扎手而不粘手, 说明表面没有喷粘结剂, 不会造成铝液二次污染。单手托着过滤板, 另一只手以鼓掌式适力拍打过滤板, 连续掉下陶粒, 则是劣质
14、过滤板, 会造成铝液二次污染。用明火或电热升温将过滤板烧为红色, 立即室温冷却无崩裂掉渣, 则是好的过滤板。( 3) 选购过滤板时应认真评估其泡沫体的有效比表面积或孔隙率。可以观察过滤板表面层网眼均匀状况, 再将其剖开观察断面的网眼均匀状况。有条件的话, 可以用排水法测量计算出其孔隙率。如果三维网眼均匀, 孔隙率相对较大则是优良的泡沫陶瓷过滤板。4 结束语泡沫陶瓷过滤是铝熔体净化处理的最后一道工序, 选择第二代泡沫陶瓷过滤板尤为重要。需要特别指出的是, 要防止铝熔体离开过滤箱后到凝固成型这一过程可能发生的熔体二次污染。在此段过程中采用长寿命、高强度、不粘铝的、保温性良好的熔融石英陶瓷烧结制成的
15、流槽、前箱、分配盘、热帽, 并及时除湿、清扫来消除可能的污染源, 对确保铝熔体的洁净度是不容忽视的。 1 路贵民, 柯东杰. 铝合金熔炼理论与工艺M . 沈阳: 东北大学出版社, 1999. 2杨长贺, 高 钦. 有色金属净化M . 大连: 大连理工大学出版社, 1989. 3 王零森. 特种陶瓷M . 长沙: 中南大学出版社, 1994. 4 郑水林. 粉体表面改性M . 北京: 中国建材出版社, 2003. 5 贺家其. 冶金过程物理化学M . 沈阳: 东北大学出版社, 1983. 6 柯东杰. 国内现行铝熔体净化技术的生产实践 J . 轻合金加工技术, 1994( 11) : 17. 7
16、边透房, 王伟民, 李 辉, 马家骥. 金属熔体结构M . 上海交通大学出版社, 2003 8 Lar Mare Chal, Nagy Ei- kaddah, Pierre- yves Menet. Influence of Convection on Agglomeration and Removal of Non-metallic Inclusions in Molten Aluminum A Das Suboclh K, Light Metals C . 1993.镁合金压铸时的氧化成渣量在镁合金工件压铸过程中即使使用 SF6 保护, 也会产生一定量的氧化皮与渣, 一般有 5%Mg 成为渣与氧化皮。由此可见, 如每年消费 100 kt 镁压铸零件, 就会有 5 kt 镁变成了废物( 氧化皮与渣) , 而且大多数是对环境不利的, 回收再生处理也相当麻烦。( 王祝堂)