摘要：在陶瓷过滤器(CFF)的基础上，以浸涂方式在过滤系统中加入JDN一1熔剂，形成复合陶瓷过滤器(CCFF)，进而从传质、捕获和保持3个过程分析比较CFF和CCFF的夹杂过滤机理，最终得到A356铝熔体在CCFF模型下的性能参数．
关键词：陶瓷过滤器；复合陶瓷过滤器；铝熔体；熔剂；净化
中图分类号：TG27 文献标识码：A 文章编号：1671—0924(2005)08—0034—04
0 引言
CFF(Ceram ic Foam Filter，泡沫陶瓷过滤器)的过滤净化过程可以用如下3个子过程加以描述：① 传质，指熔体中的夹杂迁移至熔体一过滤器界面．② 捕获，指夹杂脱离熔体流动并由过滤器捕获．③保持，指夹杂以单个或者聚集的方式与过滤器保持相对静止，直到熔体净化结束．
过滤效率的高低，与CFF中的每一个子过程紧密相关．笔者在CFF的基础上，以浸涂方式在过滤系统中加入JDN一1熔剂，形成CCFF(CompositeCeramic Foam Filter，复合泡沫陶瓷过滤器)，并分析比较了CFF和CCFF的夹杂过滤机理，最终得到A356铝熔体在CCFF下的性能参数．
1 试验
试验内容包括熔剂涂敷和废铝净化2个方面．
首先，选择JDN～1熔剂⋯ ，以浸涂方式进行熔剂涂敷试验：先将熔剂放人刚玉坩埚加热至700℃左右，同时将过滤器随炉预热；待熔剂熔化之后，将陶瓷过滤净化器CFF浸人坩埚内的熔剂中，保温10 min(由于坩埚不够大，所盛熔剂无法完全覆盖过滤器，余下近一半过滤器在熔剂层外)之后，取出过滤器，空冷．
其次，进行废铝净化实验：过滤器经熔剂浸涂后装配在浇注系统中，如图1所示，放进电阻炉预热至600～700oC；将含有大量氧化铝夹杂的A356合金废料3 kg重熔，在740~C保温10 min，搅拌后撇去表面浮渣，然后取出预热的浇注系统进行过滤净化．
2 传质
CFF内A356熔体的运动状况有其自身的特性 2I3 J．图2为一个示例，它表明流体速度在0．58m／s时的速度场数值计算分布．在模型出人口附近，熔体流动较为稳定，方向基本不变，接近层流；在孔的球心部位，由于流道横截面积扩大，产生较大区域内的速度梯度分布，并且速度方向也有不规则变化，接近紊流；靠近孔壁有一层速度接近零的区域，称之为死区，在死区内，熔体流动相对静止．研究表明，孔半径与孔问连通窗半径的比值较大时，死区较大，因此，可以认为，铝熔体流经CFF时，流体发生了脉动．
如果熔体中若存在非金属夹杂颗粒，则夹杂粒子的运动与流体本身运动有一定关系．夹杂颗粒体积相对较大时，容易脱离流体，沿惯性方向运动；体积较小时则容易跟随流体运动．针对熔体一般的过滤净化，粗大夹杂容易去除，微细夹杂(101gn左右)则较难去除．若以微细夹杂为研究对象，则发现流体层流运动时，所携带的微细夹杂通常跟随流体运动，而紊流时流体速度大小和方向经常变化，则微细夹杂由于与流体的密度差异而脱离流体．
考虑到实际过滤净化时孔的分布是无规律的，即流体进人某一过滤孔时的速度方向是无规律的，所以微细夹杂在泡沫陶瓷过滤器中的传质行为可以用图3表示．其中，长的带箭头线条表示熔体运动，实心黑点表示熔体中的微细夹杂在孔内的运动．根据微细夹杂自身和熔体流动的特点，一般认为，微细夹杂到达孔壁依靠如下5种传质机制：布朗运动、惯性运动、水动力影响、重力作用、直接截获．
3 捕获和保持
3．1 CFF捕获和保持原理
理论上讲，熔体中若是存在非金属夹杂，则有如下特性：① 一般的非金属夹杂都不被铝熔体浸润；② 铝熔体也不浸润陶瓷或耐火材料质的过滤器；③ 一般的非金属夹杂与过滤器的材质性能相近，容易互相吸附．
如果有别的非金属夹杂颗粒与先期颗粒碰撞，则颗粒之间的互相吸附，同时受到熔体的斥力，促成夹杂颗粒簇聚的正向进行-4j．
夹杂在CFF内部可能的3种沉积方式 ：均匀涂覆型、聚集型和树枝生长型．根据流体力学原理，不难知道聚集型更适合铝熔体的过滤净化．实际上，均匀涂覆型和树枝生长型是2种极端情况，熔体的冲刷和夹杂自身的特性都难以形成这2种结果．因此，熔体中的微细夹杂跟随流体运动时，在上面提到的各种传质机制的作用下，与过滤器的骨架即孔壁，或者先期到达到的夹杂碰撞．微细夹杂由于本身的尺寸、润湿性能和吸附性能，沉积在孔壁或已有夹杂上，形成簇状聚集，并进一步捕获其它的微细夹杂，减少熔体夹杂含量．但是这种方式的夹杂保持，由于处于流动速度大小方向不断变化的熔体中，所以同样会受到周围流体的不断冲刷和破坏；当流体对某部分夹杂簇聚的流动牵引力大于其与其余部分的吸附力时，该部分夹杂脱离原来位置，进入熔体，跟随流动，直到被过滤器再次捕获．这就是CFF捕获保持夹杂的原理．
通过试验，可以得到铝A356在CFF中的过滤性能：① 外部滤饼：捕获粗大夹杂；② 内部滤饼：在过滤器内部孔间较小通道处继续捕获中等尺寸的夹杂；③ 柱状沉积：先是部分夹杂因不被熔体浸润，受到过滤器骨架的吸附，然后帮助捕获后续的夹杂，这是微细夹杂的主要沉积方式．
值得注意的是，在实际的工业生产中，CFF内部熔体与过滤器骨架之间还存在一层氧化膜，它会成为夹杂颗粒脱离熔体与过滤器壁吸附并簇聚的重要障碍，严重影响夹杂的捕获和保持．
3．2 CCFF的捕获一保持机理
当在一般的过滤器上浸涂熔剂时，过滤器内部的净化过程也会发生变化-6J．以下将针对本文中的试验，从熔剂层一过滤器壁、熔体一熔剂层、熔剂一夹杂等方面来分析CCFF的过滤过程．
3．2．I 熔剂层一过滤器壁．试验表明，由于JDN一1熔剂和过滤器之间极好的吸附能力，结合相当牢固，所以不易被铝熔体冲刷．组分中的氟化物作用却恰恰相反，增加表面张力，降低熔剂被耐火材料吸收的程度，所以JDN—I熔剂的组分配比能够保证熔剂能够很好地润湿过滤器材质，但又不会完全被吸收掉，最后在浸涂过后的过滤器内表面形成稳定的熔剂层．
3．2．2 熔体一熔剂层．
首先，JDN一1熔剂和铝熔体之间的界面张力比较高，互不浸润，在熔剂覆盖
使用时能在铝熔体表面能够迅速摊开；其次，熔剂对于铝熔体表面会形成致密氧化膜，熔剂能够破碎溶解该氧化膜，去除铝熔体中夹杂向熔剂层迁移的障碍；再者，如果氧化夹杂受到熔剂的包覆，更容易与铝熔体分离．下面，将从热力学和动力学的角度来进一步分析铝熔体一熔剂层之间的氧化夹杂传质运动．令AG为夹杂一铝熔体一熔剂体系自由能变化值， 一。是夹杂和铝熔体之间的粘附能力，则有：
在试验中，JDN—I熔剂能够提高铝熔体与夹杂物(A1 O )之间的润湿角，相应降低铝熔体对夹杂的粘附功能．所添加的氟化物能够降低系统的盯一 ，同时也能增大0 此外，熔剂中的稀土成分也能起到降低铝合金一熔盐间界面张力 一 的作用．因此JDN—I熔剂能够很好的满足吸附夹杂的热力学和动力学条件，有效地促进氧化夹杂迁移到铝熔体一熔剂界面的过程．
3．2．3 熔剂一夹杂．
铝熔体中的氧化夹杂迁移到熔体一熔剂界面后，由于熔剂良好的吸附和溶解
氧化夹杂的能力，氧化夹杂将脱离铝熔体，进入熔剂层，这一过程是总体自由能降低的过程，是自发进行的．
熔剂层本身能够吸附、溶解夹杂，因此一部分的夹杂颗粒是以溶解、吸附的方式沉积，这种方式更容易保持；② 由于熔体表面不再有致密氧化膜，在复合过滤器内部形成的柱状沉积更容易到达熔剂层，同时熔剂层对该沉积根部的吸附远远优于一般过滤器当中存在的吸附，所以熔剂层的存在促进了柱状沉积的保持；③ 熔剂层的存在可看作是死区的相对扩大，即夹杂颗粒通过传质运动至熔体一熔剂界面时，周围流体在相对于一般过滤器更大的区域内接近静止，因此从运动的角度讲，夹杂脱离该区域的难度增加，相应提高了夹杂捕获和保持的效果；④ 随着净化的进行，熔剂层中溶解的夹杂越来越多，熔剂粘度增大，加强了过滤效果．
4 CCFF的净化作用
综上所述，把形成了熔剂层的复合过滤器对铝熔体的净化作用用图4进行描述，并对该模型的净化机理描述如下：① 经浸涂，在过滤器壁上形成熔剂一过滤器复合层，该复合层因熔剂对器壁的浸润而稳定存在，不会被熔体冲刷掉；② 熔体净化时流经复合过滤器，在靠近熔剂层附近形成死区；③ 熔体中携带的微细夹杂在各种传质机制的作用下，迁移至熔体一熔剂界面；④ 根据热力学和动力学原理，大部分迁移至界面上的夹杂颗粒被熔剂层有效吸附、溶解，其中部分夹杂簇聚，跨越熔体一熔剂界面，深入熔体中，后续夹杂与之碰撞吸附和被捕获，小部分由于传质作用可能脱离熔体一熔剂界面，捕获不成功；⑤ 死区中由于熔体速度接近于零，所以也有部分夹杂保留其中，直至净化结束；⑥ 与高规格的一般泡沫陶瓷过滤器相比，同样的熔体流速下，复合过滤器内部熔体的流速相对更低，更有利于夹杂的去除，熔剂层还能阻止过滤器的碎屑进入熔体．
5 结束语
通过上述试验与分析，得到CCFF的性能如下：① 复合过滤器的最优制作工艺为浸涂，可在过滤器骨架上获得均匀、完整的熔剂涂层．② 复合过滤器净化废铝结果显示，熔剂层只存在于过滤器内部，过滤器上游和下游均没有熔剂出现，在复合过滤器内部孑L壁上吸附的微细夹杂比一般的过滤器多．③ 外部滤饼、内部滤饼和柱状沉积成为一般过滤器捕获夹杂的主要方式，其保持模式具有过滤时效和过滤效率不稳定的特性，且对于10txm以下的小尺寸夹杂很难被捕获和有效保持．④ 均匀、牢固的熔剂涂层存在于复合过滤器壁上，不会被熔体冲刷损失；熔剂层的存在促进熔体中夹杂向熔体一熔剂界面转移的传质运动．⑤ 熔剂层能很好的吸附、吸收和溶解氧化夹杂，即可以主动地捕获和保持夹杂．⑥ 熔剂层不随熔体运动，被捕获的夹杂脱离熔剂的可能性小，过滤时效不明显．
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