ФИЛЬТР, ИСПОЛЬЗУЕМЫЙ ДЛЯ ФИЛЬТРОВАНИЯ РАСПЛАВЛЕННОГО МЕТАЛЛА, И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ
SMELT FILTER AND METHOD OF ITS PRODUCTION

Эта заявка притязает на приоритет по заявке на патент Китая №201010151598.6, зарегистрированной Ведомством по интеллектуальной собственности Китая 15 апреля 2010 года, озаглавленной «FILTER USED FOR FILTERING MOLTEN METAL AND PREPARATION METHOD THEREOF», которая включена в настоящее описание посредством ссылки.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Данное изобретение относится к области изготовления фильтров, в частности, относится к фильтру, используемому для фильтрования расплавленного металла, и способу его изготовления.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В настоящее время имеется большое число литературных источников, относящихся к фильтрам, используемым для фильтрования расплавленного металла.
Патент США №5104540 (Corning Inc.) раскрывает фильтр из пористой спеченной керамики с покрытием из углерода для фильтрования расплавленного металла, содержащий единственную фильтрующую основу, сформированную из огнеупорного материала, такого как оксид алюминия, муллит, порошок циркона, диоксид циркония, шпинель, кордиерит, литий, алюмосиликат, титанат, полевой шпат, кварц, тонкодисперсный кремнезем, карбид кремния, каолин, титанат алюминия, силикат, алюминат и их смеси. Покрытие на базе углерода наносится на поверхность сетки фильтра или используется в качестве термита.
US 5520823 раскрывает фильтр для фильтрования лишь расплавленного алюминия, в котором боросиликатное стекло используется в качестве связующего. Хотя данный фильтр содержит графит, значительное количество графита теряется вследствие спекания на воздухе. Потери углерода ограничивают применение этого фильтра лишь для фильтрования металлического алюминия, в то же время он не подходит для фильтрования расплавленного железа или стали.
WO 0218075 раскрывает фильтр для фильтрования расплавленного металла, при этом данный фильтр содержит пористый материал с открытыми ячейками, содержащий огнеупорные частицы, взаимно связанные посредством связующего, включающего углеродную структуру. А именно, в этом фильтре отсутствует другой механизм связывания, за исключением углеродного связующего.
В данных фильтрах устойчивость фильтра к высоким температурам улучшена посредством применения углеродного связующего, наряду с тем, что его содержание должно регулироваться при поддержании в узком интервале, который неудобен для регулирования содержания связующего во время обработки. Кроме того, хотя огнеупорные материалы, содержащие углерод, могут противостоять температурам, которые выше температуры расплавленного металла, предотвращают проплавление металлом, проявляют очень высокую прочность при высокой температуре и показывают увеличенную устойчивость к термическим ударам, к сожалению, фильтр, объединенный посредством связующего, обладает очень низкой прочностью при комнатной температуре и, вместе с этим, он склонен к поглощению влаги, что оказывает влияние на применение этого продукта при высокой температуре.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Принимая во внимание вышеуказанное, данное изобретение предоставляет фильтр для фильтрования расплавленного металла и способ его изготовления, чтобы улучшить механические свойства при температуре окружающей среды и устойчивость фильтра к высоким температурам.
Для того чтобы достигнуть вышеуказанной задачи, данное изобретение предоставляет следующие технические решения:
фильтр для фильтрования расплавленного металла, содержащий пористый материал с открытыми ячейками, огнеупорный материал и связующее, при этом огнеупорный материал связан с пористым материалом с открытыми ячейками посредством связующего, и массовое отношение связующего к огнеупорному материалу составляет по меньшей мере 50% масс. связующего к не более чем 50% масс. огнеупорного материала.
Предпочтительно в вышеуказанном фильтре огнеупорный материал включает один или несколько материалов, выбранных из группы, состоящей из циркониевого муллита, муллита, корунда, глины, пирофиллита, волластонита, кианита, силлиманита, шпинели или оливина.
Предпочтительно в вышеуказанном фильтре связующее включает один или несколько его видов, выбранных из группы, состоящей из газовой сажи, графита, углерода, асфальта, гудрона, нефтяного асфальта, синтетической смолы, природной смолы, антрацита, дигидрофосфата алюминия, золя оксида алюминия, алюмосиликагеля, золя кремниевой кислоты, поливинилового спирта (PVA), белого латекса, декстрина, крахмала, карбоксиметилцеллюлозы (CMC) или метилцеллюлозы (MC).
Предпочтительно в вышеуказанном фильтре массовое отношение связующего к огнеупорному материалу составляет 50-70% масс. связующего к 30-50% масс. огнеупорного материала.
Данное изобретение также раскрывает способ изготовления фильтра для фильтрования расплавленного металла, включающий
составление шликера из огнеупорного материала, связующего, добавки и жидкого носителя;
нанесение составленного таким образом шликера на пористый материал с открытыми ячейками, чтобы сформировать по меньшей мере одно огнеупорное покрытие;
спекание пористого материала с открытыми ячейками со сформированным огнеупорным покрытием при температуре спекания;
при этом массовое отношение связующего к огнеупорному материалу составляет по меньшей мере 50% масс. связующего к не более чем 50% масс. огнеупорного материала.
Предпочтительно в вышеуказанном способе массовое отношение общей массы огнеупорного материала, связующего и диспергатора к массе жидкого носителя составляет по меньшей мере 70:30%.
Предпочтительно в вышеуказанном способе содержание огнеупорного материала, связующего и диспергатора является, соответственно, следующим:
20-45% масс. огнеупорного материала;
52-78% масс. связующего;
1-9% масс. добавки.
Предпочтительно в вышеуказанном способе жидким носителем является вода.
Предпочтительно в вышеуказанном способе пористый материал с открытыми ячейками представляет собой сетчатый пенополиуретан с открытыми ячейками.
Предпочтительно в вышеуказанном способе температура спекания составляет не более чем 1150°C.
Предпочтительно, в вышеуказанном способе, способ также включает перед стадией «спекания пористого материала с открытыми ячейками со сформированным огнеупорным покрытием при температуре спекания» сушку пористого материала с открытыми ячейками, покрытого огнеупорным покрытием, при температуре между 100 и 200°C.
Предпочтительно в вышеуказанном способе огнеупорный материал включает один или несколько материалов, выбранных из группы, состоящей из циркониевого муллита, муллита, корунда, глины, пирофиллита, волластонита, кианита, силлиманита, шпинели или оливина.
Предпочтительно в вышеуказанном способе связующее включает один или несколько его видов, выбранных из группы, состоящей из газовой сажи, графита, углерода, асфальта, гудрона, нефтяного асфальта, синтетической смолы, природной смолы, антрацита, дигидрофосфата алюминия, золя оксида алюминия, алюмосиликагеля, золя кремниевой кислоты, поливинилового спирта (PVA), белого латекса, декстрина, крахмала, карбоксиметилцеллюлозы (CMC) или метилцеллюлозы (MC).
Предпочтительно в вышеуказанном способе массовое отношение связующего к огнеупорному материалу составляет 50-70% масс. связующего к 30-50% масс. огнеупорного материала.
Посредством увеличения компонентов и содержания связующего в фильтре и комбинирования применения огнеупорного материала механические свойства фильтра существенно улучшаются, и устойчивость фильтра к высоким температурам увеличивается, так что фильтр может фильтровать расплавленный металл при повышенной температуре, и механические свойства, такие как прочность на растяжение, коэффициент удлинения и т.п. отливок после фильтрации фильтром значительно улучшаются. В дополнение к этому, компоненты, выбранные и использованные для изготовления фильтра, являются экономически выгодными, и фильтр легко производится в процессе изготовления, так что производство фильтра является экономически более выгодным.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Термины, используемые в данном документе, поясняются, как изложено ниже:
PVA представляет собой аббревиатуру для поливинилового спирта.
CMC представляет собой аббревиатуру для карбоксиметилцеллюлозы.
MC относится к метилцеллюлозе.
Пористый материал с открытыми ячейками означает твердотельный материал, содержащий ячейки, имеющие регулярное, частично регулярное, нерегулярное или случайное распределение, эти ячейки являются проходами для расплавленного металла. Такие ячейки могут соединяться друг с другом полностью или частично или иметь несколько проходов для пропускания расплавленного металла. Размер и форма самих ячеек могут быть регулярными или нерегулярными. Например, такие ячейки могут содержать последовательности параллельных проходов, линейно проходящих через твердотельный материал, и проходы могут иметь любое желательное поперечное сечение, например, это сообщающийся проход в виде круга, эллипса или треугольника, аналогично распределению пор обычной пены. Предпочтительным пористым материалом с открытыми ячейками является сетчатый пенополиуретан с открытыми ячейками, который коммерчески доступен и имеет сравнительно регулярное распределение. Хорошо известно, что такой материал может быть использован при изготовлении огнеупорного материала фильтра для фильтрования расплавленного металла.
Далее будет представлено ясное и полное изложение вариантов осуществления данного изобретения для целей иллюстрации и описания. Следует ясно представлять, что описываемые варианты осуществления являются лишь частью, а не всеми вариантами осуществления данного изобретения. Все другие варианты осуществления, реализованные специалистами в данной области на основании данных вариантов осуществления изобретения без творческих разработок, входят в пределы объема заявленного изобретения.
Варианты осуществления изобретения раскрывают фильтр для фильтрования расплавленного металла и способ его изготовления, чтобы улучшить устойчивость к высоким температурам, и механические свойства фильтра.
Для того чтобы достигнуть вышеуказанной цели, варианты осуществления изобретения используют следующие технические решения. В данном изобретении огнеупорные ингредиенты модифицированы по сравнению с ингредиентами предшествующего уровня техники, и соответствующий способ изготовления фильтра модифицирован соответственно.
Фильтр для фильтрования расплавленного металла, содержащий пористый материал с открытыми ячейками, связующее и огнеупорный материал, при этом огнеупорный материал связан с пористым материалом с открытыми ячейками посредством связующего, и массовое отношение связующего к огнеупорному материалу составляет по меньшей мере 50% масс. связующего к не более чем 50% масс. огнеупорного материала.
Огнеупорный материал преимущественно выбирают из одного или нескольких его видов из циркониевого муллита, муллита, корунда, глины, пирофиллита, волластонита, кианита, силлиманита, шпинели или оливина.
При этом связующее включает материал на базе углерода и связующий материал, основным назначением которых является связывание огнеупорного материала на пористом материале с открытыми ячейками. Материал на базе углерода преимущественно выбирают из газовой сажи, графита, углерода, асфальта, гудрона, нефтяного асфальта, синтетической смолы, природной смолы или антрацита, наряду с тем, что связующий материал преимущественно выбирают из одного или нескольких его видов из дигидрофосфата алюминия, золя оксида алюминия, алюмосиликагеля, золя кремниевой кислоты, поливинилового спирта (PVA), белого латекса, декстрина, крахмала, карбоксиметилцеллюлозы (CMC) или метилцеллюлозы (MC).
Массовое отношение связующего к огнеупорному материалу составляет предпочтительно 50-70% масс. связующего к 30-50% масс. огнеупорного материала.
Данное изобретение также раскрывает способ изготовления фильтра для фильтрования расплавленного металла, включающий
составление шликера из огнеупорного материала, связующего, добавки и жидкого носителя;
нанесение составленного таким образом шликера на пористый материал с открытыми ячейками, чтобы сформировать по меньшей мере одно огнеупорное покрытие;
спекание пористого материала с открытыми ячейками со сформированным огнеупорным покрытием при температуре спекания;
при этом массовое отношение связующего к огнеупорному материалу составляет по меньшей мере 50% масс. связующего к не более чем 50% масс. огнеупорного материала.
Массовое отношение общей массы огнеупорного материала, связующего и диспергатора к массе жидкого носителя составляет по меньшей мере 70:30%, предпочтительно 75:25%, более предпочтительно 80:20%.
Содержание огнеупорного материала, связующего и диспергатора является, соответственно, следующим:
20-45% масс. огнеупорного материала;
52-78% масс. связующего;
1-9% масс. добавки.
Добавка включает в основном диспергатор и активный агент; жидким носителем является вода и может также быть метанол или этанол.
Способ также включает: перед стадией спекания, сушку пористого материала с открытыми ячейками, покрытого огнеупорным покрытием, при температуре между 100 и 200°C.
Во время спекания, температура спекания должна быть не более чем 1150°C, предпочтительно не более чем 1100°C. Спекание должно выполняться в бескислородной атмосфере, например, в азоте, аргоне или в вакууме, или же в восстановительной атмосфере, например, в водороде и/или монооксиде углерода или каменноугольном газе. Спекание обычно выполняется в сушильной печи или в обжиговой печи; однако могут быть также использованы другие формы источника тепла, такие как ВЧ-нагрев, который выполняется токами высокой частоты.
Огнеупорный материал включает один или несколько его видов, выбранных из группы, состоящей из циркониевого муллита, муллита, корунда, глины, пирофиллита, волластонита, кианита, силлиманита, шпинели или оливина.
Связующее включает один или несколько его видов, выбранных из группы, состоящей из газовой сажи, графита, углерода, асфальта, гудрона, нефтяного асфальта, синтетической смолы, природной смолы, антрацита, дигидрофосфата алюминия, золя оксида алюминия, алюмосиликагеля, золя кремниевой кислоты, поливинилового спирта (PVA), белого латекса, декстрина, крахмала, карбоксиметилцеллюлозы (CMC) или метилцеллюлозы (MC).
Массовое отношение связующего к огнеупорному материалу составляет предпочтительно 50-70% масс. связующего к 30-50% масс. огнеупорного материала.
Размер частиц огнеупорного материала и углеродного материала может быть меньше чем 50 мкм, предпочтительно меньше чем 30 мкм, более предпочтительно меньше чем 20 мкм.
Пример 1
Шликер приготавливали добавлением воды к 45% масс. корунда, 50% масс. углерода, 2% масс. алюмосиликагеля, 1,5% масс. диспергатора и 1,5% масс. активного агента, при этом массовое отношение общей массы корунда, углерода, алюмосиликагеля, диспергатора и активного агента к массе воды составляет 100:12%.
Полученный шликер использовали для нанесения покрытия на пенополиуретан, который был отрезан требуемым образом. Покрытый пеноматериал сушили и после этого снова распыляли на него разбавленный шликер и затем после повторной сушки спекали при 950°C.
Пример 2
Шликер приготавливали добавлением воды к 29% масс. порошка шпинели, 56% масс. углерода, 12% масс. золя кремниевой кислоты, 2,5% масс. диспергатора и 0,5% масс. активного агента, при этом массовое отношение общей массы порошка шпинели, углерода, золя кремниевой кислоты, диспергатора и активного агента к массе воды составляет 100:18%.
Шликер приготавливали смешиванием порошковых материалов и воды в высокофункциональном смесителе. Полученный шликер использовали для формирования покрытия на пенополиуретане. Покрытый пеноматериал сушили и затем покрывали разбавленным шликером еще раз и снова сушили; в заключение пеноматериал спекали при 1100°C.
Пример 3
Воду добавляли к 30% масс. порошка муллита, 47% масс. углерода, 20% масс. асфальта с высокой температурой размягчения, 2% масс. поливинилового спирта (PVA), 2% масс. диспергатора и 1,0% масс. активного агента, при этом массовое отношение общей массы порошка муллита, углерода, асфальта с высокой температурой размягчения, поливинилового спирта, диспергатора и активного агента к массе воды составляет 100:20%.
Шликер приготавливали смешиванием порошка муллита, углерода, асфальта с высокой температурой размягчения, поливинилового спирта (PVA) и воды в высокофункциональном смесителе. Полученный шликер использовали для формирования покрытия на пенополиуретане и покрытый пеноматериал сушили. На пеноматериал распыляли еще раз разбавленный шликер и сушили снова; в заключение пеноматериал спекали при 1150°C в бескислородной атмосфере.
Пример 4
Шликер приготавливали добавлением воды к порошковой смеси из 40% масс. порошка электроплавленного муллита, 20% масс. корунда, 20% масс. порошка хлопьевидного графита, 10% масс. аморфного графита, 4% масс. карбоксиметилцеллюлозы (CMC), 0,5% масс. диспергатора и 0,5% масс. активного агента, при этом массовое отношение огнеупорного материала к воде составляет 100:22%. Шликер приготавливали смешиванием порошковых материалов и воды в высокофункциональном смесителе. Смешанный шликер использовали для формирования покрытия на пенополиуретане и покрытый пеноматериал сушили. На пеноматериал распыляли еще раз разбавленный шликер и сушили снова при примерно 120°C; в заключение пеноматериал спекали при 1120°C в бескислородной атмосфере.
Таблица
Сравнение характеристик отливок перед и после фильтрации фильтрами,содержащими разные связующее и огнеупорный материал
Пример
Коэффициент удлинения
Прочность на растяжение
Перед фильтрацией, %
После фильтрации, %
Степень увеличения, %
Перед фильтрацией, МПа
После фильтрации, МПа
Степень увеличения, %
Пример 1
8,60
9,77
13,6
569,6
598,1
5
Пример 2
7,33
8,53
10,9
540,0
566,4
4,88
Пример 3
8,40
9,50
13,1
612,0
637,9
4,23
Пример 4
8,60
9,50
10,5
584,7
619,7
5,99
Размер фильтра, изготовленного в соответствии с вышеуказанными четырьмя композициями, составлял 50*50*15 мм. Полученный фильтр использовали для фильтрования 50 кг расплавленной стали ZG45 при 1650°C. Результаты показывают, что фильтр выдерживал условия испытания и выполнял требуемым образом фильтрование расплавленной стали. В соответствии с испытаниями, выполненными на отливках после фильтрования, прочность на растяжение, коэффициент удлинения и структура отливок проявляли все значительные улучшения по сравнению с отливками перед фильтрованием: прочность на растяжение была увеличена на 4,0-7,5%; коэффициент удлинения был увеличен на 9,5-15,0%; металлографическая структура была существенно улучшена, являясь как ферритной, так и перлитной перед и после фильтрования, наряду с тем, что феррит становится тоньше после фильтрования, что выгодно для улучшения эксплуатационных качеств. Анализ сканирующей электронной микроскопией разрывов перед и после фильтрования указывает, что имеются сульфидные включения в месте разрыва нефильтрованной отливки, в то время как отсутствуют включения в месте разрыва отливки после фильтрования фильтром по данному изобретению.
Вышеприведенное описание вариантов осуществления предоставлено, чтобы способствовать выполнению или применению данного изобретения специалистами в данной области техники. Многие модификации вариантов осуществления, описанных в данном документе, будут очевидны специалистам в данной области техники, и общие принципы, определенные здесь, могут быть реализованы в других вариантах осуществления без отклонения от сущности или объема данного изобретения. Соответственно, изобретение не ограничивается проиллюстрированными вариантами осуществления, представленными в данном документе, а ограничивается лишь прилагаемой формулой изобретения и ее эквивалентами.