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)過濾材料特性，過濾凈化機制，針對鋁熔體結(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)過濾材料，選擇、分析、及應(yīng)用，提高鋁液潔凈度的評價。
關(guān)鍵詞：鋁熔體；凈化；泡沫陶瓷過濾板
中國分類號：TC292 文獻標識碼：B 文章編號：1007-7235（2005）06-0008-03
前 言
鋁合金的熔煉是鋁合金加工過程的首道工序，也是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。體現(xiàn)在熔煉過程的合金化、凈化、細化處理技術(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。
泡沫陶瓷是一種開口氣孔率高達80-90%，體積密度只有0.3-0.6g/cm3,具有獨特的三維立體網(wǎng)絡(luò)骨架和相互貫通氣孔結(jié)構(gòu)的多孔陶瓷制品。最早的泡沫陶瓷過濾器是1978年美國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月美國鑄造年會上發(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)新基金項目(2003CO12W) -1-
經(jīng)泡沫陶瓷過濾除雜，可顯著提高鑄錠質(zhì)量，降低廢品率。從那時起在世界各地相應(yīng)研制、開發(fā)泡沫陶瓷過濾材料，促進了在冶金行業(yè)普遍應(yīng)用。
泡沫陶瓷過濾器（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：國內(nèi)外典型泡沫陶瓷（僅指已在鋁業(yè)采用的過濾板）
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國別及公司 |
型號 |
主要
組成 |
孔徑
ppi |
體積密度
g/m3 |
開 口
氣孔率
% |
常溫耐壓
MPa |
常溫抗折
MPa |
熱震性
(750℃) |
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美 國
某 公 司 |
Selee/A1 |
剛玉 |
10.20.30.
40.50 |
0.35-0.45 |
85-90 |
0.85 |
|
|
|
英 國
某 公 司 |
Sivex |
剛玉 |
10.20.30.
40.50 |
0.35-0.45 |
81-87 |
1.5 |
|
|
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目前國內(nèi)市場 |
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剛玉 |
10.20.30.
40.50 |
0.35-0.45 |
≥80 |
1.5 |
0.9 |
|
|
福州麥特新
新型過濾板 |
MTX |
剛玉 |
10.20.30.
40.50.60 |
0.36-0.43 |
≥85 |
≥4.5 |
1.5 |
5 |
眾所周知,泡沫陶瓷過濾板在中國鋁加工業(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，爐外泡沫陶瓷板過濾的半連續(xù)鑄造，陶瓷過濾板更換是每鑄次換一片，當(dāng)今也有的鋁加工廠在過濾前增設(shè)流槽式在線除氣機,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)過濾板前后壓力差大小來確定更換周期。至于選用多大規(guī)格是根據(jù)單位時間鋁液單位時間流量和總量而定的；而該選用多大目數(shù)孔徑的泡沫陶瓷過濾板，則為最終鋁液的潔凈度要求而定，對鋁液的潔凈度要求越高，選擇的孔徑就越小，由此對泡沫陶瓷過濾的結(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)點是更加細微和彌散，如何促使雜相集聚長大吸附分離就顯得特別重要，單憑機械攔截的“濾餅”效應(yīng)對此顯得很不突出，因此能促進雜相集聚長大和氫分壓吸咐的新一代泡沫陶質(zhì)過濾材料，已成為本課題研究的目的和方向。
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新一代泡沫陶瓷材料的特性
為了實現(xiàn)以上分析的目標，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，再到焙燒的溫度場效應(yīng)控制，研究一整套嚴格的工藝技術(shù)，來完成適應(yīng)鋁熔體凈化的高溫冶金物理化學(xué)過程，有效地提高鋁熔體的潔凈度,表現(xiàn)出如下特性。
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第二代泡沫陶瓷過濾板（三維立體網(wǎng)骼） |
第一代泡沫陶瓷過濾板 |
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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)莫來石，無石英玻璃相。 |
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，不掉陶粒，微觀缺陷有利于二次沉積氟化物，增加對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，振動易掉陶粒渣，全靠機械碰撞攔裁。 |
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現(xiàn) 象 |
耐壓強度＞4.5MPa，抗彎1.5MPa，抗熱震性(750℃室溫)＞5不掉陶粒，對鋁中雜相親和力強，除雜效率高，表現(xiàn)為靜壓差變化大。 |
耐壓強度＜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) |
吸附過濾除雜率高，有時因濾雜太多，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，有效過濾體積下降，引起供流不足，甚至堵塞。 |
泡沫陶質(zhì)材料過濾凈化機理
泡沫陶瓷過濾機制，一般描述為擴散攔截和慣性碰撞攔截或經(jīng)篩分，沉積層和深床過濾，清華大學(xué)有一國家重點實驗室對泡沫陶瓷過濾機理建立了三維物理模型和兩相流模型，并進行了模擬計算，這對我們研究鋁液過濾凈化很有幫助。然而泡沫陶瓷對鋁液的過濾凈化過程十分復(fù)雜，也是高溫物理化學(xué)和冶金動力學(xué)的復(fù)雜過程。至于篩分碰撞、沉降、攔截過濾都比較好理解，我們對泡沫陶瓷過濾研究過程中所獲得的諸多參數(shù)，綜
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合分析后，提出以下見解：
1、通過篩分慣撞攔截和擴散攔截，摩擦、沉降等機械過濾，其過濾效率同泡沫陶瓷的網(wǎng)眼孔徑成正比，網(wǎng)眼越小，對小顆粒攔截能力越強。
2、沉積層或濾餅層效應(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序化，有利于固態(tài)粒子被捕獲沉積下來。
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Al2O3等粒子親和力強的氟化物熔劑，促使完整的濾餅層效應(yīng)和強的化學(xué)吸附力，捕獲留滯的雜相粒子能力更加強了。
5、再者，從金屬熔體結(jié)構(gòu)熔煉過程和傳輸過程溫度場效應(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，這也是一個很好的合金化處理過程，有些高熔點金屬相和化合物重新聚集長大，細小雜相聚集長大后有利于過濾捕獲。這也可從過濾前后H、Al2O3、Fe相、Ti相濃度的變化來說明。尤其雙級過濾或孔梯度厚板過濾更加明顯。因此，在同等的前提條件下，新型泡沫陶瓷過濾板，對鋁熔體雜相去除率高，過濾前后靜壓差變化隨時間的變化更大，過濾前后鋁熔體中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。
正確選擇過濾板，提高鋁熔體的潔凈度
1、選擇泡沫陶瓷過濾板首先根據(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濾板，在過濾板前增設(shè)一道玻璃絲布粗濾。這時半連續(xù)鑄造先用玻璃絲布粗濾是重要的，它可以攔截開眼時的流渣和流槽沖刷下來的渣，以防過濾板的堵塞。
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的雙級過濾技術(shù)，達到理想的潔凈度，獲得很好的效果。
③過濾板規(guī)格的選定，是按熔體通過的流量和總通過量而定。流量大，總通過量大，過濾板孔眼小，則選用較大的規(guī)格。
2、選擇過濾板也應(yīng)觀其色，拍其體、燒其物。
①顏色純、無雜，說明材質(zhì)均一；扎手不粘手，說明表面沒噴粘結(jié)劑，不會造成二次污染。
②單手托著過濾板，另一只手以鼓掌式，適力拍打過濾板，連續(xù)掉下陶粒渣，說明是劣質(zhì)過濾板，會造成二次污染鋁液。
③用明火或電熱升溫?zé)秊榧t色立即室溫冷卻無崩裂掉渣，說明是好的過濾板。
3、選購過濾時應(yīng)認真評估其泡沫體的有效的比表面積或孔隙率計算�？梢杂^察過濾板表面層網(wǎng)眼均質(zhì)狀態(tài)，再剖開觀察其斷面網(wǎng)眼均質(zhì)狀態(tài)。有條件的話，可以排水法測量計算出其孔隙率。三維網(wǎng)眼均質(zhì)，孔隙率相對較大是優(yōu)秀的泡沫陶瓷過濾板。
結(jié)束語
總之,泡沫陶質(zhì)過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)過濾板顯得尤為重要。根據(jù)以上幾點和各鑄造廠的環(huán)境選擇好最佳的過濾板過濾，獲得了高潔凈度的鋁熔體，但需特別注意的事：防止鋁熔體離開過濾箱后，到凝固成型這一過程可能的二次污染。在此段采用長壽命、高強度、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、熱帽，并及時除濕、清掃來消除可能的污染源，確保鋁熔體的潔凈度不容忽視。
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參考文獻：
1、路貴民、柯東杰 鋁合金熔煉理論與工藝[M] 東北大學(xué)出版社 1999
2、楊長賀、高 欽 有色金屬凈化[M] 大連理工大學(xué)出版社 1989
3、王零森 特種陶瓷[M] 中南工業(yè)大學(xué)出版社 1994
4、鄭水林 粉體表面改性[M] 中國建材出版社 2003
5、賀家其 冶金過程物理化學(xué)[M] 東北大學(xué)出版社 1983
6、柯東杰 綜述國內(nèi)鋁熔體凈化技術(shù)[J] 東北輕合金加工技術(shù) 1994（4）
7、王志面 深床過濾的微觀理論模型[J] 清華大學(xué)學(xué)報 1988（6）
8、資新運 泡沫陶瓷過程過濾機理的研究[J] 內(nèi)燃機學(xué)報 2000（2）
9、邊透房、王偉民、李輝、馬家驥 金屬熔體結(jié)構(gòu)[M] 上海交通大學(xué)出版社 2003
10、李天曉、孫寶德等 夾雜聚集 — 鋁合金凈化新思路[J] 材料科學(xué)與工藝
11、蔡應(yīng)鐸、柯東杰 試述Fe在6×××系鋁合金中的行為[J] 鋁加工 1996（3）
12、Eichenmiller Davrd J，Henderson Richard S，Neff David V，Rigid media
filtration-new.---
13、Lar Mare chal，Nagy Ei-kaddah，Pierre-yves Menet，Influence of convection
on agglomeration and removal of nonmetallir inclusions in molten aluminum[A]
Das Suboclh K，Light Metals 1993
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