ФИЛЬТРУЮЩЕЕ СРЕДСТВО ДЛЯ РАСПЛАВЛЕННОГО МЕТАЛЛА И СПОСОБ ЕГО ПРОИЗВОДСТВА
FILTER FOR FUSED METAL AND METHOD OF ITS PRODUCTION

Область техники
Настоящее изобретение относится к керамическому фильтрующему средству, используемому для фильтрования расплавленного металла, а конкретно расплавленного алюминия, и к способу его производства.
Уровень техники
Тонкая пластина или фольга из алюминия изготавливается путем отлива слитком из алюминиевого сплава и его раскатывания. Однако, если слиток загрязнен посторонними включениями, например оксидами металлов или твердыми примесями вроде мелких частиц огнеупорных материалов, содержащихся в расплаве алюминия, то в тонкой пластине, фольге и подобном изделии в процессе раскатывания слитков для изготовления указанной продукции могут возникать поры и поверхностные дефекты. Для предотвращения возникновения дефектов твердые примеси необходимо удалять из расплавленного металла.
Как описано в японской выложенной патентной заявке (JP-A) №1985-5828 и японской опубликованной заявке на полезную модель (JP-Y) №1995-23099, твердые примеси типа включений удаляются фильтрованием алюминиевого расплава с использованием керамического фильтрующего средства для расплава. Но когда в процессе фильтрования со стороны втекающего потока на фильтрующем средстве формируется спеченный слой, то последний задерживает включения. Таким образом, хотя надежность фильтрования повышается, перепад давления увеличивается, и желаемая пропускная способность не достигается.
Следовательно, в JP-A-1985-5828 раскрывается процесс, в котором эффективность фильтрования постепенно улучшается с постепенным ростом плотности текстуры по всем направлениям по толщине фильтра из керамической пены. Кроме того, JP-Y-1995-23099 раскрывает фильтрующее средство для расплавленного металла, создаваемую соединением по меньшей мере двух микропористых керамических слоев, чтобы сформировать цельное тело как макропористый керамический слой.
Однако в фильтрующем средстве для расплавленного металла, описанном в JP-A-1985-5828, в фильтре используется керамическая пена с порами большого диаметра. Значит, характеристики удаления включений являются недостаточными, и в процессе раскатывания алюминиевого слитка после фильтрования для изготовления тонких пластин, фольги и подобных изделий не может обеспечиваться должное качество. Поскольку внутренняя стенка прохода фильтра является гладкой, то трудно обеспечить надежное задерживание включений. Кроме того, пористость является большой, а механическая прочность - низкой, поэтому при использовании для фильтрования расплавленного металла, например алюминия, срок службы у фильтра остается небольшим.
С другой стороны, фильтрующее средство для расплавленного металла, описанное в JP-Y-1995-23099, более эффективно по характеристикам удаления включений и механической прочности, чем фильтрующее средство, раскрытая в JP-A-1985-5828. Хотя значительная часть включений в расплавленном металле фильтруется спеченным слоем, формирующимся на наружной поверхности фильтрующего средства со стороны втекающего потока, как описано е JP-Y-1995-23099, эта сторона представляет собой микропористый керамический слой, причем этот слой быстроспекающийся, что приводит к недостаточной пропускной способности.
Сущность изобретения
Для решения указанных проблем целью настоящего изобретения является предложение фильтрующего средства для расплавленного металла с высокими характеристиками удаления включений и долговечности, а кроме того, обладающей достаточной пропускной способностью, а также способа ее производства.
В соответствии с одним из аспектов настоящего изобретения фильтрующее средство для расплавленного металла, предназначенная для достижения указанных выше целей, содержит двухслойную структуру с макропористым керамическим слоем со стороны втекающего потока и микропористым керамическим слоем со стороны вытекающего потока. Предпочтительно, что средний диаметр пор микропористого керамического слоя составляет 100-500 мкм, а средний диаметр пор макропористого керамического слоя в 1,1-3,0 раза больше диаметра пор микропористого керамического слоя. Предпочтительно, что максимальный диаметр пор микропористого керамического слоя составлял 200-600 мкм, а максимальный диаметр пор макропористого керамического слоя был в 1,1-3,0 раза больше максимального диаметра пор микропористого керамического слоя.
Предпочтительно, что макропористый керамический слои и микропористый керамический слой формируются из агрегатов, связываемых неорганическим связующим, а последний имеет игольчатую кристаллическую структуру с аспектным отношением 2-50. Предпочтительно, что неорганическим связующим является алюминиевый борат.
Предпочтительно, что общая толщина стенок макропористого керамического слоя и микропористого керамического слоя составляет 10-25 мм. Предпочтительно, что отношение толщины стенки макропористого керамического слоя к толщине стенки микропористого керамического слоя составляет от 1:7 до 3:1.
В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения способ производства фильтрующего средства для расплавленного металла содержит следующие этапы: смешивание крупнозернистого агрегата, составляющего макропористый керамический слой, и мелкозернистого агрегата, составляющего микропористый керамический слой, соответственно с неорганическим связующим с последующей их формовкой и обжиганием; формирование двухслойной структуры из макропористого керамического слоя со стороны втекающего потока и микропористого керамического слоя со стороны вытекающего потока; выделение игловидных кристаллов в частицах указанных агрегатов.
Поскольку фильтрующее средство для расплавленного металла по настоящему изобретению имеет двухслойную структуру, состоящую из макропористого керамического слоя со стороны втекающего потока и микропористого керамического слоя со стороны вытекающего потока, то трудно сформировать плотный спеченный слой со стороны втекающего потока, и расплавленный металл фильтруется внутри фильтрующего средства. То есть может быть обеспечена достаточная пропускная способность при сохранении высоких характеристик удаления включений, если дать возможность внутренней стороне фильтрующего средства, которая обычно не работает, осуществлять фильтрование. Поскольку фильтрующее средство для расплавленного металла формируется из керамического слоя, то оно обладает достаточной прочностью.
Фильтрующее средство для расплавленного металла имеет большой диаметр пор. Кроме того, неорганическое связующее, которое связывает керамические агрегаты, наделено функцией задерживания включений, присутствующих в расплавленном металле. А конкретно, когда неорганическое связующее имеет игольчатую кристаллическую структуру с аспектным отношением 2-50 (отношением длины к ширине), включения размером 30 мкм и более, создающие поры и поверхностные дефекты, могут надежно удаляться из алюминиевого расплава после фильтрования для производства тонких пластин, фольги и подобных изделий.
Отсюда фильтрующее средство для расплавленного металла может производиться способом, содержащим следующие этапы: смешивание крупнозернистого агрегата, составляющего макропористый керамический слой, и мелкозернистого агрегата, составляющего микропористый керамический слой, соответственно с неорганическим связующим с последующим их формованием и обжиганием/формирование двухслойной структуры из макропористого керамического слоя со стороны втекающего потока и микропористого керамического слоя со стороны вытекающего потока; выделение в указанных частицах агрегатов игловидных кристаллов.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - перспективный вид, схематично показывающий фильтрующее средство для расплавленного металла по настоящему изобретению.
Фиг.2 - поперечное сечение, схематично показывающее фильтрующее средство для расплавленного металла по настоящему изобретению.
Описание предпочтительных вариантов осуществления
Ниже будут описаны предпочтительные варианты осуществления изобретения.
На фиг.1 представлена схема фильтрующего средства для расплавленного металла по настоящему изобретению. Показано фильтрующее средство для расплавленного металла, имеющее цилиндрическую форму, но форма может быть пластинчатой. Макропористый керамический слой 1 со стороны втекающего потока располагается на внешней периферии, а микропористый керамический слой 2 со стороны вытекающего потока - по внутренней периферии. Фильтрующее средство для расплавленного металла по настоящему изобретению имеет двухслойную структуру. Например, перед использованием она погружается в алюминиевый расплав при температуре 800-900°C. Расплавленный металл течет с внешней периферийной поверхности к внутренней периферийной поверхности, затем отфильтрованный расплавленный металл отбирается из центрального канала 3. Следовательно, расплавленный металл не обязательно ограничивается алюминиевым расплавом. Настоящее изобретение может применяться к расплавленному металлу с относительно низкой температурой плавления, например расплаву цинка.
Фиг.2 показывает поперечное сечение, схематично изображающее фильтрующее средство для расплавленного металла по настоящему изобретению. Макропористый керамический слой 1 состоит из керамических агрегатов 4, имеющих относительно большой диаметр. Микропористый керамический слой 2 состоит из керамических агрегатов 5, имеющих относительно небольшой диаметр. Состав керамики специальным образом не ограничивается. Для фильтрования алюминиевого расплава может использоваться такой материал, как оксид алюминия, который не может эродировать под действием алюминиевого расплава.
Предпочтительно, что средний диаметр пор микропористого керамического слоя 2 находится в диапазоне 100-500 мкм, а средний диаметр пор макропористого керамического слоя превышает их в 1,1-3,0 раза. Приведенные средние диаметры пор являются значениями, полученными методом линии пересечения. Что касается использованного здесь метода линейного пересечения, то образец, отполированный и подогнанный для электронного микроскопического анализа, изучался при 35-кратном увеличении, измерительные линии проводились с интервалами 200 мкм по толщине, на линиях измерялась длина доли пор, средний диаметр пор определялся как средняя длина всех измерений. Хотя ртутная порометрия постоянно используется для измерения среднего диаметра пор, точность измерений уменьшается, если средний диаметр пор превышает 300 мкм. Поэтому в настоящем изобретении применен метод линии пересечения.
Причина, по которой средний диаметр пор микропористого керамического слоя 2 находится в диапазоне 100-500 мкм, заключается том, что пора легко блокируется, когда средний диаметр пор меньше, чем диапазон, при котором способность задерживать включения уменьшается, если средний диапазон пор превышает указанный диапазон. Причина, по которой средний диаметр пор макропористого керамического слоя 1 превышает средний диаметр пор микропористого керамического слоя в 1,1-3,0 раза, заключается том, что весь слой в основном аналогичен структуре, главным образом сформированной только из микропористого керамического слоя 2, когда средний диаметр пор меньше указанного диапазона. Таким образом, эффективность настоящего изобретения, а именно обеспечение участия внутренней стороны фильтрующего средства в фильтровании, становится недостаточным. С другой стороны, расплавленный металл просто проходит через макропористый керамический слой 1, когда средний диаметр пор превышает указанный диапазон. Значит, формирование двухслойной структуры становится бессмысленным.
Кроме того, предпочтительно, что максимальный диаметр пор микропористого керамического слоя 2 составляет 200-600 мкм, а максимальный диаметр пор макропористого керамического слоя был в 1,1-3,0 раза больше максимального диаметра пор микропористого керамического слоя. Значения максимальных диаметров пор определялись методом определения точки кипения, изложенным в японском промышленном стандарте (JIS). В данном методе диаметр пор рассчитывается по разнице давлений, когда в водной среде атмосферное давление прикладывается с одной стороны образца, затем с противоположной стороны генерируются пузырьки воздуха.
Причина, по которой максимальный диаметр пор микропористого керамического слоя 2 составляет 200-600 мкм, заключается в том, что трудно сделать максимальный диаметр пор менее 200 мкм, когда средний диаметр пор находится в диапазоне 100-500 мкм. Когда максимальный диаметр пор превышает 600 мкм, возможность того, что включения пройдут через фильтрующее средство, возрастает. Причина, по которой максимальный диаметр пор макропористого керамического слоя 1 превышает максимальный диаметр пор микропористого керамического слоя 2 в 1,1-3,0 раза, заключается в том же, что, как было описано выше, когда максимальный диаметр пор меньше указанного диапазона, эффект настоящего изобретения (участие внутренней стороны фильтрующего средства в фильтрации), становится недостаточным. С другой стороны, когда максимальный диаметр пор превышает указанный диапазон, формирование двухслойной структуры становится бессмысленным.
Средними диаметрами пор и максимальными диаметрами пор можно управлять с помощью диаметров частиц керамических агрегатов 4 и 5, формирующих соответствующие слои. Средний диаметр частиц всех агрегатов находится в диапазоне 500-2000 мкм.
Керамические агрегаты 4 и 5 скрепляются неорганическим связующим. Предпочтительно использовать неорганическое связующее с игольчатой кристаллической структурой с аспектным отношением 2-50. Например, если предполагается фильтровать алюминиевый расплав, предпочтительно применять алюминиевый борат, обладающий высокой стойкостью к коррозии в алюминиевом расплаве. Когда используется указанное неорганическое связующее с игольчатой кристаллической структурой, игольчатые кристаллы проникают в проход расплавленного металла между керамическими агрегатами, и способность задерживать мелкие включения, содержащиеся в расплавленном металле, значительно улучшается. Кроме того, формируется кристаллическая субстанция, и тем самым каждый слой может выдерживать давление до 3 МПа и выше. Даже если она используется для фильтрования расплавленного металла, уменьшается риск повреждения. Поэтому когда повреждается фильтрующее средство с малой прочностью, расплавленный металл проходит прямо через поврежденный участок, что создает риск прохождения включений.
Предпочтительно, если общая толщина макропористого керамического слоя 1 и микропористого керамического слоя 2 составляет 10-25 мм. Когда общая толщина меньше указанного диапазона, эффект настоящего изобретения (участие в фильтровании внутренней стороны фильтрующего средства) не может быть существенно улучшен. С другой стороны, когда общая толщина больше указанного диапазона, сопротивление при фильтрации становится больше. Кроме того, предпочтительно, что отношение толщины стенки макропористого керамического слоя 1 к толщине стенки микропористого керамического слоя 2 составляет от 1:7 до 3:1.
Различными примерами способа производства фильтрующего средства для расплавленного металла с подобными двухслойными структурами являются способ формования макропористого керамического слоя 1 и микропористого керамического слоя 2 одновременно или последовательно, способ формования соответствующих слоев по отдельности, затем накладывание их друг на друга после сушки и их обжиг для формирования цельного тела и способ формования соответствующих слоев по отдельности, высушивание и обжиг их, а затем накладывание друг на друга для формирования цельного тела. К способам формования литья можно отнести такие известные способы, как трамбовка, прессование, литье в формы, формирование геля или центробежное адгезионное формование. В этом случае нет необходимости обеспечивать сопряжение между макропористым керамическим слоем 1 и микропористым керамическим слоем 2, и диаметр частиц может постепенно изменяться.
Фильтрующее средство для расплавленного металла по настоящему изобретению, имеющее описанную структуру, удаляет включения, давая возможность расплавленному металлу проходить со стороны макропористого керамического слоя 1 на сторону микропористого керамического слоя 2. Как показано на фиг.2, частицы 10 включений, находящиеся в расплавленном металле, формируют спеченный слой 11 на поверхности макропористого керамического слоя 1 (фиг.2). Однако этот слой не является плотным, так как с внутренней стороны потока находится макропористый керамический слой 1. Некоторые частицы 10 включений проходят внутрь макропористого керамического слоя 1, где задерживаются. Следовательно, быстрого застревания частиц не происходит, и может обеспечиваться большая пропускная способность. Кроме того, частицы 10 включений могут надежно задерживаться.
Если фильтрующее средство для расплавленного металла имеет однослойную структуру, состоящую только из макропористого керамического слоя 1, частицы 10 включений могут проходить через него. С другой стороны, если фильтрующее средство для расплавленного металла состоит только из микропористого керамического слоя 2, то с внутренней стороны потока формируется плотный затвердевший слой, становящийся причиной зарастания. Оба указанных случая не являются выгодными.
Ниже будут описаны сравнительные примеры применения настоящего изобретения.
В таблице 1 показаны результаты фильтрования расплавленного металла, когда толщина стенок является постоянной и равной 25 мм, при этом диаметр пор макропористого керамического слоя (показан как макропористый слой) и микропористого керамического слоя (показан как микропористый слой) менялся, и оценивались характеристики задерживания включений, а также срок службы фильтрующего средства при фильтровании алюминиевого расплава. В вариантах осуществления сырье смешивалось так, что 8-20% массы составляло неорганическое связующее, 1-2% - формообразующее связующее, 5-7% - вода, остальное - агрегат. Каждый слой непрерывно формовался, чтобы сформировать формованное тело заданной формы. Полученное тело высушивалось и нагревалось до 1200-1400°C, чтобы расплавить связующее. Затем связующее кристаллизовалось путем охлаждения до 800°C со скоростью охлаждения 30-70°C/ч. В результате получался основной материал, в котором частицы агрегатов соединялись связующим в состоянии, когда между частицами агрегатов формировались поры. Предпочтительно использовать связующее, содержащее по массе 15-80% оксида бора, 2-60% оксида алюминия и 5-50% оксида магния. Помимо этого в связующее можно добавлять кремний и кальций соответственно 25% и 30% по массе и менее. Это делается, поскольку связующее и алюминиевый расплав легко насыщаются влагой, а на начальном этапе фильтрации необходимо улучшить характеристики пропитывания. Кроме того, указанный выше состав из оксида бора, оксида алюминия, оксида магния и оксида кальция позволяет связующему плавиться при 1200-1400°C и должным образом обеспечивает последующую кристаллизацию, что предпочтительно.
2
3
2
4
Каждый образец фильтра изготавливался в виде трубки с наружным диаметром 100 мм, внутренним диаметром 75 мм и длиной 100 мм. Образцы помещались рядом в испытательную печь, и проводилось фильтрование алюминиевого расплава. Момент, в который различие в верхней части увеличивалось до 200 мм, определялась как срок службы. Случай, когда количество алюминиевого расплава, прошедшего через фильтр, оказывалось по меньшей мере в 1,5 раза выше, чем для обычного фильтра, обозначался двумя концентрическими кругами. Случай, когда количество алюминиевого расплава, прошедшего через фильтр, оказывалось в 1,1-1,5 раза выше, чем для обычного фильтра, обозначался «О». Случай, когда количество алюминиевого расплава, прошедшего через фильтр, оказывалось меньше, чем для обычного фильтра, обозначался «X». Методом Br-метанола (метод растворения образцов в растворе бромметанола и количественного анализа объема продуктов окисления в остатке после растворения) определялся объем трех окислительных продуктов: оксида алюминия (AlO), шпинели (Mg AlO) и магнезии (MgO), то есть основных включений в образцы с алюминиевым расплавом до и после фильтрования. Случай, когда полученный объем составлял по меньшей мере в 1,0 раз больше, чем для обычного продукта, обозначался как «О». Случай, когда полученный объем составлял 0,8-1,0 раз от обычного продукта, обозначался как «Δ». Случай, когда полученный объем оказывался ниже указанных выше значений, обозначался как «X».
В таблице 2 показаны результаты для случая, когда средний диаметр пор оставался постоянным, а толщина стенок и форма изменялись, оценка проводилась так же, как описано выше.
В таблице 3 показаны результаты для случая, когда изменялось отношение длины к ширине для неорганического связующего, оценка проводилась так же, как описано выше.
Как видно из примеров, фильтрующее средство для расплавленного металла по настоящему изобретению имеет преимущество в том, что оно способна обеспечивать совместимость характеристик по задерживанию включений со сроком службы (для расплавленного металла).