簡述了泡沫陶瓷過濾器的過濾機理,詳細介紹了泡沫陶瓷過濾器的應用,最后簡述了本實驗室的一些相關工作。
在鑄造生產中,由于非金屬夾雜物等鑄造缺陷導致的鑄件廢品一般占廢品總數的50%～60%。采用金屬液過濾器技術可以有效地減少或消除其中的各種非金屬夾雜物,凈化液態鑄造合金。
泡沫陶瓷過濾器(CFF,即CeramicFoamFilter)是采用聚氨酯泡沫塑料為載體,經過水解后將他浸入到由陶瓷粉末、黏結劑、助燒結劑、懸浮劑等制成的涂料中,然后擠掉多余涂料,使陶瓷涂料均勻涂敷于載體骨架成為坯體,再把坯體烘干并經高溫焙燒而成。
1過濾機理
泡沫陶瓷過濾器通過對金屬液的3種物理化學作用,分離液態鑄造合金中的夾雜物,達到凈化金屬液的效果[4 5]。
1)濾餅機制:復雜的泡沫陶瓷結構,可以高效率地機械擋渣,當金屬液通過結構復雜的泡沫陶瓷過濾器時,通過過濾介質的機械分離作用,把大于過濾器表面孔眼的夾雜物濾除,并使之沉淀在過濾器液態金屬流入端,成為過濾器的一個組成部分。隨著夾雜物在過濾器表面上堆積數量的增多,逐漸形成了一層“濾餅”,使金屬液流道進一步變細,因而新增的過濾介質表面可以濾除更為細小的夾雜物,與此同時,介質內部也有過濾作用,在貫穿于陶瓷體的眾多小孔中,有的呈現微小狹縫,有的存在死角,這些變化不同的區域都是截獲夾雜物的可能位置,過濾器內部也存在“濾餅”效應。
2)表面效應:當金屬液流經結構復雜的陶瓷體時,被分割成許多細小的流股,增大了金屬液中夾雜物與過濾介質的接觸面積及接觸幾率,由于過濾器表面是極微小的凸凹面,凹塊尺寸約為1～10μm,對夾雜物有靜電吸附和黏附截流作用。
3)整流效應:金屬液流過泡沫陶瓷過濾器時,被分割成許多細小單元的流股,其直徑較小,從而使雷諾數(Re=vd/r)變小,使液流趨于層流運動。當金屬液處于層流狀態時,由于熔融金屬液的密度遠大于夾雜物的密度,因而使夾雜物有充分的時間上浮除去,也即泡沫陶瓷過濾器能輔助橫澆道擋渣。澆注系統中放置過濾器后,金屬液流動的助力增加,在橫澆道中流動的金屬液容易形成充滿運動,并使流速降低,有利于夾雜物上浮,并滯留在橫澆道頂面。
2泡沫陶瓷的應用
2.1鋁合金鑄造過濾鋁合金在熔化和形成鑄件的過程中,容易吸收氣體和混入非金屬雜物,從而降低了鑄件的使用性能和加工性能。目前研制成功的泡沫陶瓷過濾片為鋁合金鑄件生產提供了一種新型的、高效率的過濾器。不同于通常的單層鉆孔篩板和玻璃纖維篩網,而是有著多層網絡和彎曲的通孔,能充分地濾除鋁合金熔體中的細小非金屬夾雜物,從而提高了鑄件的質量。泡沫陶瓷過濾片用于鋁合金熔體的過濾,通常選用堇青石質,網眼尺寸為0.8～1.0mm。西安制造公司采用(90mm×80mm×20mm)泡沫陶瓷濾片,使油泵彎管頭、離合器殼、變扭器殼體等鑄件的合格率提高了40%～70%,僅此一項,就為該公司每年新增產值200萬元,實現利稅30萬元。
2.2銅合金鑄造過濾
有色金屬熔體(黃銅、青銅、鋅、錫)在鑄造過程中,同樣也會產生氧化和非金屬雜物,出現大量的廢品,若采用泡沫陶瓷濾片可大大降低廢品率。過濾銅合金熔體通常選用堇青石質,網眼尺寸為1.0～1.2mm。
2.3鋼鐵鑄造過濾
泡沫陶瓷同樣適用于球磨鑄鐵、合金鋼、不銹鋼等高溫合金的鑄造過濾。鋼鐵合金比重較大,熔點高,要求泡沫陶瓷的高溫強度、軟化溫度以及抗熱沖擊性都要比過濾鋁、銅高。通常選用氧化鋁和碳化硅質的泡沫陶瓷過濾片,濾片的網眼尺寸為2～3mm。
2.4汽車尾氣凈化處理器催化劑載體
隨著我國汽車行業的不斷發展,汽車尾氣排放已成為環境污染的主要來源。由于泡沫陶瓷具有比表面積高、熱穩定性好、耐磨、不易中毒、低密度,已廣泛作為汽車尾氣催化凈化器載體使用。將泡沫陶瓷汽車尾氣催化凈化器安裝在汽油車排氣管中,可以使汽油車排出的CO,HC,NOx有害氣體轉化成CO2,H2O,N2,轉化率可達90%以上;用在柴油車上,碳粒凈化率在50%以上。當泡沫陶瓷濾芯積滿碳粒時,可以采用催化氧化法或電控燃燒法再生,不斷消除沉積的碳粒,達到長期使用的目的。
2.5其他應用在高溫條件下,泡沫陶瓷具有優良的熱輻射特性,被用于強化傳熱和多孔介質的燃燒技術中,效果顯著。泡沫陶瓷還可以做成光觸媒載體,在泡沫陶瓷載體上涂覆納米二氧化鈦,受紫外線激發,具有強烈的光催化氧化降解特性,可催化降解有機物和微生物,從而凈化空氣。泡沫陶瓷還可以做成化工塔填料,布氣材料,煤氣灶節能燃燒板等。
綜上所述,泡沫陶瓷的應用將會給現代工業和現代生活帶來極大的經濟和社會效益。由于泡沫陶瓷使用方便、價格便宜、制造工藝簡單,通過材質的選擇和工藝控制,可以制成適合于不同用途的泡沫陶瓷產品。具有優良特性的泡沫陶瓷已被越來越多的人所認識,他將廣泛應用于冶金、化工、環保、節能、醫學、電子等領域,前景十分廣闊。
3試驗結果
在泡沫陶瓷材料方面 |