Пенокерамические фильтры для жидкого алюминия

Жидкий алюминий в плавильной печи перед дальнейшей обработкой – разливкой в слитки или отливки – практически всегда требует фильтрования. Методы фильтрования зависят от применяемой технологии литья или метода обработки алюминиевого расплава. Обычно считается, что это возможно и выгодно только при работе с достаточно большими объемами металла. Однако фильтры  могут применяться как для крупных производствах, так и на малых литейных предприятиях, в том числе для фильтрования металла при литье каждой отдельной отливки.

Пенокерамические фильтры

При алюминиевом литье наиболее часто применяются пенокерамические фильтры. Обычно они представляют собой квадратные плиты со стороной от 178 до 660 и толщиной 50 мм (рисунок 1). Их изготавливают путем введения полимерной ячеистой пены в жидкую керамическую пульпу. Затем эту пену с керамическим покрытием высушивают и обжигают, чтобы удалить (выжечь) полимерную основу. В результате получается керамическая реплика (отпечаток) первоначальной органической пенистой структуры [1].

Основными керамическим материалами для этой технологии являются оксид алюминия, диоксид циркония и карбид кремния [2, 3]. Трехмерное и двумерное изображения керамической пены показано на рисунке 2.


Рисунок 1 – Типичные пенокерамические фильтры [2]


Рисунок 2 – Трехмерное и двумерное изображения керамической пены [1]

Удобной характеристикой структуры керамической пены является количество пор на линейный дюйм (ppi). Промышленные пенокерамические фильтры имеют обычно марки от 10 до 80 ppi [1, 2]:

  • Фильтр c 10 ppi имеет минимальный размер ячейки 3800 мкм, а максимальный размер ячейки – 5100 мкм.
  • Фильтр с 50 ppi имеет размер ячеек 1000-1150 мкм.
  • Фильтр с 80 ppi имеет размер ячеек 600-700 мкм.

Размеры фильтра зависят от его ожидаемой производительности, длительности литья и расположения фильтра в фильтровальном узле. Выбор марки фильтра (величины ppi) определяется особенностями алюминиевого сплава, температуры литья, степени загрязненности расплава и требуемого уровня чистоты металла на выходе.

Газовый или электрический подогрев

Перед разливкой фильтр хорошо разогревают, чтобы обеспечить его нормальную работу. После окончания разливки фильтр может применяться повторно, если обеспечивается его постоянный подогрев (рисунок 3). Если металл затвердеет в фильтре, то для следующей разливки его надо менять на новый.

 
Рисунок 3 – Газовый подогрев пенокерамического фильтра [3]

Пенокерамические фильтры в литейном производстве

Типичное промышленное применение пенокерамического фильтра в фильтр-боксе, который установлен в линии передачи металла от плавильной печи к раздаточной печи или литейному агрегату, показано на рисунках 4 и 5.

Рисунок 4 – Принцип работы пенокерамического фильтра в фильтр-боксе [1]


Рисунок 5 – Промышленный фильтр-бокс с пенокерамическим фильтром [2].
Сверху находится подогреваемая электричеством крышка

В литейных желобах

На крупных предприятиях фильтрование алюминия производят при непрерывной или полунепрерывной обработке от нескольких тонн до сотен тонн жидкого алюминия. Это требует фильтров с большой площадью, которые устанавливаются в систему передачи расплава от плавильной или раздаточной печи к литейному оборудованию (рисунок 6).

Рисунок 6 – Применение керамических фильтров в литейном желобе [3]

Фильтровальная разливочная чаша

При разливке расплавленного металла может применяться простая система термоизолированной разливочной чаши с фильтром (рисунок 7). Этот фильтр предназначен для фильтрования 100-500 кг расплавленного алюминия. Если фильтр рассчитан только одну разливку, то сама разливочная чаша может применяться несколько десятков разливочных операций [3].


Рисунок 7 – Разливочная чаша с фильтром.
Вверху слева – крышка с электрическим подогревом [3]

Фильтровальные перегородки в раздаточных печах

Фильтровальные перегородки в раздаточных печах обычно являются наиболее эффективным способом применения фильтрования для цехов по производству отливок. Фильтр устанавливается в камеру раздаточной печи в виде перегородки, которая отделяет отделение для забора расплава от остального объема печи (рисунок 8). В случае тигельных печей эта фильтрующая перегородка имеет U-образную форму. Оптимально подобранный фильтр за свой срок службы способен отфильтровать несколько сотен тонн расплавленного металла. Его замена производится во время планового технического обслуживания огнеупорной футеровки печи [3].


Рисунок 8 – Фильтровальная перегородка в раздаточной печи [3].
Слева видна подогреваемая крышка

Фильтрование в литниковой системе

Лучшие результаты при фильтровании жидкого алюминия достигаются тогда, когда фильтр помещается непосредственно в литниковую систему, которая служит для отливки литого изделия (рисунок 9). Эти фильтры являются одноразовыми.


Рисунок 9 – Одноразовые пенокерамические фильтры в литниковой системе [1]

Фильтрование в литниковой чаше

Непосредственное литье через литниковую чашу, в которой установлен фильтр, может применяться, например, при гравитационном литье в песчаные формы. Этот метод применяет круглые фильтры (рисунок 10).


Рисунок 10 – Одноразовые керамические фильтры в литниковой чаше [3]

Фильтрование на машинах литья под давлением

В случае технологии литья под низким давлением литниковая система представляет собой металлическую или керамическую трубу (рисунок 11). Вместо одноразовой фильтрующей сетки в нее устанавливают специальный круглый пенокерамический фильтр (рисунок 12).

Рисунок 11 – Машина литья под низким давлением
с одноразовым керамическим фильтром [3]


Рисунок 12 – Круглые одноразовые керамические фильтры
для машин литья под низким давлением [3]

Источники:

  1. Molten Metal Processing / R. Otsuka // Handbook of Aluminum, Vol. 1 – 2003
  2. https://www.pyrotek.com  – Корпорация Pyrotek –  2020
  3. Specifics of aluminium alloys filtration – Компания LANIK – 2020