放置过滤器浇注系统的设计-上海联兵环保免费电话：400-600-5030

摘要:综述了常用的网型、芯型、泡沫陶瓷过滤器的研究和应用情况。指出应根据过滤器类型,确定其在浇注系统中的安放位置并相应改变该处的结构和截面积,以便在使用过滤器净化金属的同时,保证充型速度不变。
关键词: 过滤器 浇注系统设计
1 引 言
正确采用型内过滤净化工艺对减少和消除金属液中的非金属夹杂物,提高铸件质量是十分有益的。目前,国内外应用的金属液过滤器有10余种[1~11]。本文论述了常用过滤器在浇注系统中的位置、浇道断面积的确定及应当注意的问题。
2 常用的几种过滤器
2.1 网型过滤器
网型过滤器在过滤过程中,机械筛分和横浇道的捕杂起主导作用[12]。图1是过滤网的机械筛分机制模型。
其捕杂效率写成下式:


郑州机械研究所研制的铝合金用纤维过滤网涂复了树脂涂料,刚度较高,可以垂直地放于横浇道。哈工大研制的XR-Ⅱ型的耐火纤维网,主要用于灰铸铁和有色合金铸件。孔隙率一般在50%左右,可置于浇注系统各部位。第二汽车制造厂生产EQ-140东风车球铁曲轴采用(3×2)mm²网孔尺寸纤维过滤网,过滤温度在1 388℃,持续过滤36 s。铸件的σb提高0.66%~7.1%,δ提高0.53%~42.8%。渣眼、砂眼和气孔缺陷的废品率分别下降85.6%、69.9%和74.5%。硫化物夹杂和石墨球径均有所减小。美国的Carborudum公司研制了BN纤维丝过滤网,能承受2 480℃的高温,可多次使用[13]。
2.2 芯型过滤器
芯型过滤器按通孔直径可分为普通型和密孔型。密孔型由耐火材料烧结而成。其特点是通孔直径小(1~3 mm),通孔数量大、紧密分布、过滤面积大、流阻小。过滤效果优于普通型。是一种普及型的过滤器,应用日益广泛。从芯片的制造角度看,芯片可采用连续挤压法成型,生产率较高。另外为了增加节流阻力,还可以把密孔型芯片的圆形孔做成正方形。国外报导一种使用方便的铸钢用模压格栅形陶瓷过滤片[14],该过滤片表面有放热涂层,钢水通过时涂层产生足够的热量避免钢水冻结,反应产物氧化铝能保护滤片免受高温钢水的侵蚀和冲击,强度好、不会破裂。用于碳钢时,可滤钢水的浇注温度范围为1 540~1 675℃。滤片格栅密度有7.8、15.5、31、62格/cm²数种规格,孔隙率均为65%。以15.5格/cm²规格的单位面积流速和过滤效率综合效果为最好。过滤效果随格栅密度增加而增强。用15.5格/cm²滤片过滤后的铸态试棒,其疲劳强度提高15%。使用该种滤片时的两个关键工艺参数是过滤流速和流量。应用浇注系统中的节流口(直浇道)而不是用滤片来限定钢水流速。滤片有效面积:节流面积应达到4~6∶1对于15.5格/cm²的滤片,其许用流速为0.12~0.19 kg/s.cm²。
2.3 泡沫陶瓷过滤器
泡沫陶瓷过滤器最早用于化工方面[15]。是用陶瓷浆料浸涂在泡沫塑料上经过高温焙烧而制成。其特点是:具有联接通孔的三维网状骨架结构;孔隙率大(一般大于85%~90%);比重小、耐热;压力损失较小,可作为性能良好的过滤材料。1978年美国的F.R.Mollard和N.Davidson在浇注系统中应用泡沫陶瓷过滤器获得成功,并在1980年4月美国第84届铸造年会上发表了他们的研究成果。国内也研制出多种钢液用的泡沫陶瓷过滤器[16~19]。由北京昌平特种陶瓷材料研究所在清华大学指导下研究开发的我国第一条净化金属液的泡沫陶瓷过滤器生产线已建成投产。
泡沫陶瓷过滤器净化机制主要有以下几个方面:
(1)泡沫陶瓷过滤器辅助横浇道挡杂:在浇注系统中放泡沫陶瓷过滤器后,金属液流动阻力增加,横浇道中金属液易形成充满流动,并使流速降低,这就有利于夹杂上浮停留在顶部。
(2)机械筛分挡杂:当铁水通过结构复杂的泡沫陶瓷体时,通过机械筛分作用,把大于过滤器表面孔眼的夹杂物滤除并沉积在过滤器表面,成为过滤介质的一个组成部分。随着夹杂物在过滤器表面堆积数量的增多,形成了“滤饼”,从而使金属液流道变细,因而在过滤器表面上可滤除更细小的夹杂物。与此同时,过滤净化也在过滤介质内部进行,属于深层过滤,在贯穿于陶瓷体中众多的不规则小孔中,有的呈现微小缝隙,有的是死角,这些变化不同的区域都可使夹杂物被截获。
(3)吸附机制:当液态金属流过结构复杂的泡沫陶瓷体时,被分割成许多细小流股,增大了液态金属中夹杂物与过滤介质的接触面积和接触机率。由于静电引力作用,使微小夹杂物向过滤介质迁移而吸附在过滤器的面壁上。吸附机制的捕杂效率可用下式表达[12]:

3 过滤器在浇注系统中位置的确定
由于在浇注系统中放置过滤器,必然会减小有效流通截面积,增大流动阻力,从而使单位时间流量下降。同时,由于金属液的冲刷,必须保证过滤器有足够的强度、刚度和热稳定性。
3.1 网型过滤器在浇注系统中位置的确定
正确放置过滤网对保证过滤效果有重要意义。最常见位置如图2。

有人[20]对上述几种安放位置做了对比试验,结果如下:(1)过滤后网的完好率:图2 d为100%,c为60%,b和a为0。(2)过滤效果:图2 d理想,c较佳,b和a欠佳。(3)作者通过水模拟实验得到的过滤效果与上述生产实际过滤效果相吻合。故推荐采用图2 d位置。
3.2 芯型及泡沫陶瓷过滤器在浇注系统中位置的确定。芯型及泡沫陶瓷过滤器由于具有一定厚度(通常5~10mm以上),有足够的刚度和强度。常见位置如图3。

图3 a、b、c为过滤器垂直放置,金属液对过滤器冲刷大,过滤器必须有足够的强度、刚度和热稳定性。浇道结构需做较大变动。图3 d、f被过滤住的夹杂物在过滤器下面堆积,极易形成“滤饼”,增大液流阻力。图3 e在过滤器上方有集渣包,有利于夹杂上浮聚集。图3 g可保证充型速度不变。被截获的夹杂物上浮至横浇道顶部。
4 放置过滤器处浇道断面积的确定
浇注系统结构必须保证不因放置过滤器而减小充型速度。过滤器不能做为阻流断面。
4.1 网型过滤器
目前国内生产之过滤网,孔隙率为40%~60%。放网处浇道截面积为原来的2~3.5倍。孔径愈小,孔隙率愈小,浇道截面积愈大。放过滤器处浇道截面积可按下式计算[3]:

4.2 芯型及泡沫陶瓷过滤器
原则上可参照网型过滤器计算式。但应注意以下几点:
(1)过滤器孔隙率 普通芯型约20%;密孔陶瓷30%~60%;泡沫陶瓷85%~90%。
(2)孔眼尺寸。
(3)过滤器厚度 两种过滤器厚度通常在5~20mm。随着厚度增加,流动阻力增加,为保证充型速度,应适当加大该处浇道断面积。
(4)用15.5孔/cm²的泡沫陶瓷过滤器试验过滤球铁指出[2]:流过铁水的总滤网横截面积与浇道总阻流截面积之比要求6∶1,可提供足够的流速。而灰口铸铁为4∶1。
5 结束语
综上所述,以上几种过滤器的研制具有广阔的应用前景。在进行放置过滤器浇注系统设计时,必须保证不因过滤器而减小充型速度。过滤器不能做为阻流断面。网型过滤器由于价格便宜,使用方便而被广泛采用。今后应进一步提高网型过滤器本身的强度和刚度,以减小其在浇注系统放置位置的限制。对于芯型和泡沫陶瓷过滤器,如果利用金属液和过滤器极大的接触面积这一特点,可以开发过滤-变质技术和过滤-合金化技术。金属液的加压过滤技术将会使过滤器的孔隙更小,从而提高过滤净化效果。

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