鑄造金屬過(guò)濾的理論與實(shí)踐

鑄造金屬過(guò)濾的理論與實(shí)踐1.鑄造金屬中的夾雜物減少鑄件中夾雜物的想法與鑄造一樣古老.上世紀(jì)20-30年代,通過(guò)澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)—如集渣包,來(lái)捕獲夾雜物.用于金屬-夾雜物密度差大的黑色金屬.扁平橫澆道以增加澆道捕獲夾雜物能力,對(duì)氧化膜類夾雜物有效.上世紀(jì)60年代濾芯設(shè)計(jì),捕獲粗大顆粒夾雜物.上世紀(jì)70年代過(guò)濾器開始工業(yè)應(yīng)用,鋁合金.80年代后鑄鐵應(yīng)用.鑄鋼的應(yīng)用更晚一點(diǎn).過(guò)濾器替代復(fù)雜的澆道設(shè)計(jì),以及更好的效果.第2頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.1鑄件中夾雜物的危害降低鑄件表面質(zhì)量

降低力學(xué)性能

降低機(jī)械加工性能

鑄件泄露

氣孔

–直接、間接第3頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.2金屬熔體中的夾雜物可溶雜質(zhì)熔融鋁合金堿(Na,Ca,Li)氫鋼,鑄鐵,鎳基合金硫,氫,氧,氮,磷不可溶雜質(zhì)=夾雜物熔融鋁合金

Al2O3,MgAl2O4,AlC3,MgO鋼Al2O3-脫氧產(chǎn)物,硅酸錳鐵液態(tài)熔渣(含Mg/Al/Si復(fù)合熔渣)只有不可熔雜質(zhì)能通過(guò)過(guò)濾除去第4頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.3夾雜物的來(lái)源熔渣–金屬氧化產(chǎn)物耐火材料精煉劑殘留物造型材料和鑄型/芯被侵蝕產(chǎn)物侵蝕的涂料內(nèi)生夾雜物–金屬中冶金反應(yīng)產(chǎn)物未溶孕育劑或合金添加劑過(guò)濾只能去除已存在于液流中的夾雜物第5頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.4夾雜物的分類金屬中的夾雜物依據(jù)其來(lái)源分為兩大類:

外來(lái)的內(nèi)生的外來(lái)夾雜物源自與液體金屬接觸的外部材料的卷入。例如:

侵蝕的耐火材料侵蝕的型、芯砂第6頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天內(nèi)生夾雜物源自液態(tài)金屬內(nèi)部的析出反應(yīng)。兩個(gè)小類一次內(nèi)生夾雜物:凝固之前形成的，如：球鐵中的MgS

二次內(nèi)生夾雜物：凝固期間形成的，如：灰鐵中的MnS第7頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天下列夾雜物可以由過(guò)濾去除:在液體金屬通過(guò)過(guò)濾器前卷入的外來(lái)夾雜物一次內(nèi)生夾雜物二次內(nèi)生夾雜物不能通過(guò)過(guò)濾去除，因?yàn)樗鼈冃纬捎谝后w金屬通過(guò)過(guò)濾器以后第8頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.5不同合金中的夾雜物類型1.5.1鋁合金氧化鋁

4Al+3O2=2Al2O3

2Al+3H2O=Al2O3+6H氧化鋁夾雜物主要是薄膜形式，在熔體中它們始終是固態(tài)的。氧化物夾雜是氣泡形核的合適基底。去除了夾雜物也常常解決了鑄件中的氣孔問(wèn)題。

尖晶石類：MgAl2O4和MnAl2O4,源自氧化反應(yīng)。硼化物TiB2和VB2，是晶粒細(xì)化的產(chǎn)物。第9頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.5.2灰鑄鐵(包括白口鐵)夾雜物類型組成 來(lái)源二氧化硅顆粒 SiO2

侵蝕的型、芯砂玻璃態(tài)熔渣 MnO?SiO2?FeO

液體金屬與空氣的反應(yīng)

砂/包裹體MnO?SiO2?Feo＋SiO2侵蝕的硅砂＋金屬的氧化

第10頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.5.3球墨鑄鐵浮渣(dross)，是球化劑鎂與鑄鐵中的硅、硫等元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物。它由復(fù)雜的鎂硅酸鹽和硫化鎂或球化劑和孕育劑中的稀土的氧化物和硫化物所形成。氧化鋁、氧化鈣和氧化鈦等也可以存在于其中。類型1：大的鎂硅酸鹽顆?！V橄欖石(Mg2Si04)或頑輝石(MgSiO3)，通常含有鐵，也存在硫化物和石墨。以自由散布的薄膜形態(tài)，或包裹著造型材料砂粒，粘附在過(guò)濾器壁上——如圖。類型2：散布的和鏈狀的夾雜物——主要含有MgS。硫化物夾雜以單個(gè)顆粒散布于金屬中或連接成叢狀或鏈狀——如圖。第11頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.5.4鑄鋼件中的夾雜物宏觀氧化物夾雜的特性大至50mm直徑

形成鑄件表面的凹坑，通常在5mm或以上.

由于上浮，它們幾乎總是位于上箱鑄件表面或砂芯下的鑄件表面。

通常呈灰白色外觀。第12頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.6夾雜物的分離分離過(guò)程 夾雜物顆粒

位置 距離,mm上浮 澆包 300-1,200 澆道 15–50過(guò)濾過(guò)濾器1-3第13頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天2過(guò)濾器與過(guò)濾機(jī)制2.1過(guò)濾機(jī)制

篩網(wǎng)過(guò)濾機(jī)制指由過(guò)濾器的正面（入口）捕獲尺寸大于其開口的大尺寸夾雜物

濾餅過(guò)濾機(jī)制形成于過(guò)濾器表面最初捕獲的夾雜物。較小尺寸的夾雜物為較大尺寸的夾雜物所捕獲。

深層過(guò)濾機(jī)制是在過(guò)濾器整個(gè)體積內(nèi)進(jìn)行的。其原理基于夾雜物在陶瓷過(guò)濾器壁上的粘附和夾雜物之間的相互粘附第14頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天第15頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天第16頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天第17頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天

如果一個(gè)夾雜物沿著一光滑的流道壁移動(dòng)，那么它被捕獲的可能性要低于夾雜物與一個(gè)以上的壁（如在方形流道的角落）接觸的時(shí)候。流道的截面積越小，金屬的流動(dòng)方向變化越多，那么夾雜物在深層過(guò)濾中被捕獲的可能性就越高。粘附力使單個(gè)的夾雜物相互粘在一起并固定在過(guò)濾器壁上。如果夾雜物被深層過(guò)濾所捕獲，那么過(guò)濾器對(duì)夾雜物的粘附力要大于金屬流動(dòng)動(dòng)力對(duì)夾雜物的影響。高的粘附力和低的金屬流動(dòng)速度將增加夾雜物被捕獲的可能性。金屬流動(dòng)速度非常低的位置是捕獲這類夾雜物的理想場(chǎng)所。第18頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天

不同的過(guò)濾器材料和不同的夾雜物與液體金屬間有不同的潤(rùn)濕性，因而也就有不同的捕獲固態(tài)夾雜物的能力。金屬熔體對(duì)固態(tài)夾雜物和過(guò)濾器的潤(rùn)濕性越低，則捕獲夾雜物的能力就越好。碳化硅陶瓷對(duì)球鐵具有最低的潤(rùn)濕性，因而具有最好的深層過(guò)濾效果。在金屬流動(dòng)溫度下，金屬與過(guò)濾器之間會(huì)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)并產(chǎn)生粘結(jié)。在化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)中，過(guò)濾器（與陶瓷之間）的化學(xué)粘結(jié)作用是逐漸形成的。其熔點(diǎn)（軟化溫度）接近于澆注溫度的過(guò)濾器具有比高耐火陶瓷制成的過(guò)濾器更好的過(guò)濾效率。第19頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.2過(guò)濾器的類型有多種不同結(jié)構(gòu)、不同過(guò)濾面積和不同過(guò)濾效率的過(guò)濾器。它們可以歸為兩個(gè)基本類型：平面過(guò)濾器體積過(guò)濾器其重大差別在于它們的過(guò)濾機(jī)制的不同。平面過(guò)濾器的面積遠(yuǎn)大于其厚度，雜質(zhì)僅能在過(guò)濾器的進(jìn)口端由篩網(wǎng)過(guò)濾機(jī)制和濾餅過(guò)濾機(jī)制捕獲。過(guò)濾器的厚度對(duì)其過(guò)濾效率沒(méi)有影響。在體積過(guò)濾器中，進(jìn)口端的過(guò)濾作用和深層過(guò)濾能力都得到利用。其深層過(guò)濾能力依其孔徑尺寸，孔的截面，孔的排布，以及過(guò)濾器材料的不同而不同。第20頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.2.1平面過(guò)濾器金屬篩網(wǎng)只能用于低熔點(diǎn)合金，主要是鋁合金。網(wǎng)孔2-3mm的鋼絲篩網(wǎng)切割成大于安裝處流動(dòng)截面的尺寸。由于鋁合金中的夾雜物是薄膜狀的，金屬篩網(wǎng)的過(guò)濾效果相當(dāng)好。價(jià)格非常有利是其另一優(yōu)點(diǎn)。在凝固后鋼的過(guò)濾器仍保留在澆注系統(tǒng)中，并將隨其回爐熔化。這將導(dǎo)致熔體中鐵含量上升。第21頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天織物過(guò)濾器由耐火纖維織造而成的。形成過(guò)濾器柵欄的單根纖維通過(guò)復(fù)雜的方法與許多纖維擰在一起。過(guò)濾器在網(wǎng)孔大小，形態(tài)和單繩厚度等到方面可以變化。第22頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天

過(guò)濾器的過(guò)流面積取決于布的類型和網(wǎng)孔的尺寸，它通常從占過(guò)濾器總面積10%到30%。小網(wǎng)孔的過(guò)濾器通常過(guò)流面積也較小。由于其低熱容量，因此可以在一個(gè)鑄型中的不同部位安放多個(gè)過(guò)濾網(wǎng)。流過(guò)的金屬產(chǎn)生的應(yīng)力可能會(huì)引起一些問(wèn)題，導(dǎo)致過(guò)濾網(wǎng)變得彎曲，甚至從鑄型的安放位置脫出來(lái)。在任何情況下都要考慮到過(guò)濾網(wǎng)變形彎曲的可能性。第23頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.2.2體積過(guò)濾器在體積過(guò)濾器中，使用了過(guò)濾器進(jìn)口端攔截（在這兒會(huì)形成濾餅）作用和深層過(guò)濾作用。深層過(guò)濾能力依過(guò)濾器的不同而不同。壓制過(guò)濾器–通過(guò)在金屬模內(nèi)將半干的陶瓷混合料壓制而成，同時(shí)也在上面壓出了直的通孔。過(guò)濾器的特征參數(shù)是大小、厚度、孔徑和通孔率（過(guò)流截面積占過(guò)濾器面積之比）。其孔徑通常是1.8到2.5mm，厚度范圍從12到22mm。過(guò)流面積是過(guò)濾器總面積的45-58%。第24頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天第25頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天

擠壓過(guò)濾器–通過(guò)將塑性陶瓷材料在硬模中擠出而成，具有矩形/正方形孔，如圖。其柵欄壁顯著變薄因而具有更大的流動(dòng)截面（約65%）和更低的熱容量。其正方形流通截面比圓形通道更有利，因此有更高的深層過(guò)濾效率。擠壓過(guò)濾器的密度由每平方英寸（2.54x2.54mm）的孔數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)，并定義為csi(cellspersquareinch，即每平方英寸的孔數(shù))。通常使用密度為50-300csi的過(guò)濾器。第26頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天第27頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天

帶三角形孔的過(guò)濾器是擠壓過(guò)濾器中的新品種。更好的深層過(guò)濾效果、更好的過(guò)濾器強(qiáng)度和更好的金屬流動(dòng)的水力學(xué)特性是其主要的優(yōu)點(diǎn)。更好的深層過(guò)濾效率是由于夾雜物在三角形孔過(guò)濾器中與兩個(gè)壁接觸的可能性要大于在方形截面通道中。由于這個(gè)原因，一個(gè)密度為90csi的三角形孔過(guò)濾器具有與密度為150csi的方形孔過(guò)濾器相同的過(guò)濾效率。第28頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天泡沫過(guò)濾器–是基于互連的五面體形胞室結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。泡沫過(guò)濾器是通過(guò)聚胺脂泡沫在合適的陶瓷懸浮液中浸漿制成。燒掉泡沫后就得到了陶瓷過(guò)濾器的框架，如圖。其孔隙度由其所使用的泡沫的孔隙度所決定。孔隙度以每英寸(25.4mm)的孔數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)，定義為ppi(poresperinch，即每英寸的孔數(shù))。在鑄造中過(guò)濾金屬通常使用孔隙度為10、20和30ppi

的過(guò)濾器。西利過(guò)濾器為10、15、25PPI。PPI值不是真實(shí)的數(shù)值，只是一個(gè)代號(hào)。實(shí)際的PPI值低于標(biāo)示值。第29頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天開口的迷宮式胞狀結(jié)構(gòu)內(nèi)表面積高低熱容量低流動(dòng)阻力高抗熱震性第30頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天第31頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天

泡沫過(guò)濾器的過(guò)流截面取決于陶瓷框架的厚度，通常高達(dá)過(guò)濾器總面積的80%。金屬液流在泡沫過(guò)濾器中流動(dòng)的模式是局部紊流并不斷改變流動(dòng)方向，由于這個(gè)原因夾雜物與過(guò)濾器壁接觸的機(jī)會(huì)大大增加，這有利于深層過(guò)濾，尺寸遠(yuǎn)小于孔徑的夾雜物也可由過(guò)濾器壁捕獲，此外，夾雜物相互粘結(jié)而在過(guò)濾器壁上形成“橋”。能有效地濾除尺寸小至3-5μm的夾雜物。如圖。隨著濾出的夾雜物的量的增加，過(guò)濾器逐漸為夾雜物所阻塞，并被隨后的夾雜物所完全封閉。第32頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天

深層過(guò)濾效果好是泡沫過(guò)濾器與其它所有過(guò)濾器相比最重要的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)平面過(guò)濾器，事實(shí)上沒(méi)有深層過(guò)濾效果，即使有部分夾雜物由于由于界面張力的作用而捕獲，深層過(guò)濾機(jī)制也是不存在的。對(duì)直孔過(guò)濾器，濾餅過(guò)濾機(jī)制是主要的，但深層過(guò)濾也是可能的。但是，過(guò)濾器厚度對(duì)過(guò)濾效率沒(méi)有大的影響。在泡沫過(guò)濾器中，過(guò)濾器在整個(gè)厚度上參與深層過(guò)濾，過(guò)濾器厚度越大，過(guò)濾效果越好。這可從過(guò)濾球鐵后的硫化物夾雜在過(guò)濾器中的分布清楚地看到這一點(diǎn)。第33頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天第34頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.3陶瓷過(guò)濾器材料過(guò)濾器面臨的主要問(wèn)題是：由于過(guò)濾器與熔融金屬接觸時(shí)溫度突然增高而造成的熱沖擊?？赡芙咏沾赡突鸲葮O限的高溫。澆注開始時(shí)液流對(duì)過(guò)濾器的動(dòng)力沖擊。高溫下長(zhǎng)時(shí)間的機(jī)械應(yīng)力將導(dǎo)致開裂。過(guò)濾器的機(jī)械沖蝕。活性熔渣對(duì)過(guò)濾器的化學(xué)侵蝕。

第35頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天如果只能滿足上述性能中的一部分，是不足以保證過(guò)濾器正常工作的。依據(jù)它們的耐火度和常溫下的靜態(tài)強(qiáng)度來(lái)評(píng)估過(guò)濾器的質(zhì)量通常是錯(cuò)誤的。高溫下過(guò)濾器的性能分為耐火性能和粘結(jié)性能兩部分。過(guò)濾器材料必須是穩(wěn)定的，沒(méi)有相變、分解及體積的變化等。第36頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天

過(guò)濾器的主要性能參數(shù)如下：常溫/高溫下過(guò)濾器的彎曲強(qiáng)度（1500℃）抗開裂能力抗熱沖擊能力抗熔渣化學(xué)作用能力

實(shí)驗(yàn)測(cè)試是對(duì)過(guò)濾器質(zhì)量做出復(fù)雜評(píng)價(jià)的唯一可靠的方法。第37頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.4過(guò)濾器對(duì)金屬流動(dòng)的影響除了捕獲夾雜物外，過(guò)濾器還對(duì)澆注系統(tǒng)中金屬的流動(dòng)具有影響。特別是在以下方面：改變澆注速度使金屬流動(dòng)平穩(wěn)，抑制紊流第38頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.4.1澆注速度

過(guò)濾器流速曲線第39頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天起流:

過(guò)濾器孔洞為液態(tài)金屬所充填并開始連續(xù)流動(dòng)的過(guò)程稱為“起流”

過(guò)濾器起流阻力=

金屬與過(guò)濾器的潤(rùn)濕性越差（潤(rùn)濕角θ越大），過(guò)濾器孔洞越小，那么毛細(xì)管作用的阻力會(huì)越大。

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