金属液管状泡沫陶瓷过滤器 突破常规局限性

作者：

M. U. Voigt

德国本多夫亚世科化学补缩系统有限责任公司

L. R. Horvath

美国都柏林（俄亥俄州）亚世科化学US LP

2014年世界铸造组织版权所有

摘要：使用高纯氧化锆制造而成的泡沫陶瓷过滤器是铸造业内的先进技术。这些高性能氧化物可过滤各类钢铁铸件。全世界每个月都有成千上万的钢铁铸件通过这些过滤器进行过滤。使用过滤器最主要的优势在于能减少或消除返工现象，并优化现有的浇注系统，从而提高制造商的效率。

本文展示了当前过滤器是如何作为可有效提高生产力实现成本效益的产品应用在生产中的。文中对过滤材料及其独特的结构和工作原理进行了描述。文章的重点是围绕最为关键但也是比较难处理的大型钢铁铸件的过滤展开。当前使用的以泡沫陶瓷过滤器过滤大型铸件的方法存在一定限制性，而且还可能引发更多问题。过滤环节中最重要的一部分是保证安全，保证用户不会遭遇任何意料之外的情况，如断裂或破损。为了有效防止这种情况，在使用管状设计的泡沫陶瓷过滤器时已经成功改良了过滤器几何结构。这种几何形状与常规形状的泡沫陶瓷过滤器截然不同，有关详情，请参见本文；此外，本文还随附具体的案例。

引言

人们对铸件，尤其是大型铸件质量的要求不断提高，有效且安全的过滤在铸造过程中变得尤为重要。传统过滤器一般是标准的圆形或方形，这种形状常常有诸多限制并伴有安全风险，最常见的就是过滤器断裂。

为了有效防止这种情况，在使用管状设计的泡沫陶瓷过滤器时已经成功改良了过滤器几何结构。

一家著名的德国风力铸件铸造厂首次尝试后便发现了其异于传统圆盘式过滤器的明显优势。

这种过滤器断裂的风险大大降低,同时还简化了操作方式，并大大增加了有效过滤面积。此外,管状过滤器的端面使用同种材料制成，实现了完全封闭,可有效消除上下边缘的断裂以及在型腔中夹杂过滤材料的风险。同时，得益于创新的设计，已经开发出了一种极为紧凑且结构结实的过滤器。测试表明，在承载几吨级液态金属时，过滤器的结构也完全没有变形或开裂。

管状泡沫陶瓷过滤器的一大特点是设计紧凑，非常适合用于安全地过滤大量液态金属。与同样体积的传统圆盘式过滤器相比，这种设计的优点在于，过滤面积增加三倍多，还包括自我支撑的几何结构，极低的过滤器断裂风险，紧凑的结构以及方便快捷的安装。

此外,已经开发出了适用于这种过滤器的通用外壳，铸铁和铸钢时都可使用。设计一个小而紧凑的外壳之后，便可充分利用管状过滤器的几何设计。根据这一理念，每个外壳仅使用一个管状过滤器，同时还可在提高系统安全性和稳定性的情况下，减少高效过滤所需组件的数量和复杂程度。管状过滤器和外壳的改良设计，在实际应用中基本可消除过滤器断裂的风险。凭借这套完整的系统，铸造厂便有了一种能安全、简单并有效过滤大量液态金属的工具。

熔融金属过滤

过滤不同的熔融金属及其合金已成为铸造业日常的工作，并且已达到了最先进的水平 。从上个世纪初次使用过滤器发展到今天，其技术已经历了明显的变化和发展。首先，在使用用于铝等低熔点金属的过滤器时发现除去非金属夹渣可有效提升铸件的物理性能。此后，又经过在其它多种金属氧化物上的测试和开发，过滤器有了诸多新的发展。此时，你已经能够进军之前因为铸造温度和装填次数的限制而无法使用过滤器的领域。终于，第一个使用过滤器生产的钢铁铸件问世。随后，人们又开发出了多种不同的过滤器设计和类型，例如简单的筛子或直流道过滤器。(图1)

但是，很多调查文件和论文都认为泡沫陶瓷过滤器是最有效的过滤器结构。

这种网状结构的陶瓷过滤器充满了由大量十二面体单元（图2）小孔组成的连续的网孔。

熔融金属从这些扭曲缠绕的通道中流过。从高性能氧化物中生成这种陶瓷结构的能力可将这些材料优化至能在1700°C 的高温条件下过滤钢合金。用于高温钢铁基合金过滤的首选材料是以氧化镁为稳定剂，部分稳定的氧化锆（PSZ/Mg）。4由于其独特的成分和制造工艺，这种材料具有微观裂纹，而其间断性的分布则保证了它出色的抗热震性。而且，这种材料还具备良好的化学、机械和热强度。

所用陶瓷能够承受从室温到1700°C的热冲击，不会变形或融化。它们具有化学惰性,因此在与合金和熔渣接触时可抵抗其腐蚀影响。

现有的大型铸件过滤方法

在大型铸件过滤器的实际应用中,为有效且高效地过滤，需要相应地加大过滤器面积。由于过滤器性能通常按每单位面积的千克数或单位面积和时间来表示，必须使用合理标注尺寸的过滤区域。如果待过滤金属液的重量为几吨，则对用户和过滤器制造商来说可能都是一项挑战。

例如，一个总重12吨的铸件需要借助泡沫陶瓷过滤器进行铸造，则需要有效过滤面积至少为3000-3334平方厘米。该数据经参考多家泡沫陶瓷过滤器制造商的数据表中专门的平均过滤能力5,6确定。

如果将所需的过滤面积转换成标准过滤器，则至少需要14片尺寸为150x150mm的过滤器。但这只是理论值，现实中这个值可能会更高。

不幸的是，通常不可能将过滤器的数量减少到和技术人员提出的过滤器数量一致，并与内浇口数量相符。理想的情况是每个内浇口上放置一个过滤器（或过滤器系统），且过滤器的位置应尽可能地靠近内浇口以最大程度地发挥泡沫陶瓷过滤器的作用。

生产单个能满足所需大小的过滤器在技术上极具挑战性，且有额外的风险，从经济角度看也不可行。

由于这些和别的原因，人们设计出了多种使用过滤器的方法（甚至在大型铸件上的应用也有多种办法）。下文罗列了其中几种:

并排使用多个过滤器

这种使用过滤器的方法较为常见,尤其是在铸铁厂中。为了达到需要的容量，可在一个“过滤器槽”内并排安置多个标准过滤器。

图3展示了并排安装多个过滤器的一般方法。可以看到，这种并排安装过滤器的方法在接口处无任何辅助支撑。

使用大面积过滤器

当然，较大的过滤器也适用于大量金属液的过滤。同时,过滤器的直径可以相对轻松地达到300毫米。图4所示即为大面积的过滤器。

使用专用陶管过滤组

使用由耐火黏土或其他耐火材料(图5)制造的陶管过滤组也是过滤大量液态金属一种可能的方法。当前金属铸造厂使用的是能够用于最大直径250毫米的过滤器的陶管过滤组。使用陶管过滤组的一大优势在于其能够随时用于标准化的浇注系统(陶瓷管)。

使用圆盘组合过滤器

专为大型铸件等应用开发的产品“圆盘组合过滤器” 首次实现了对陶管过滤组和超大过滤面积两者优势的集合（图6），将过滤器性能的提升集中在一个组件上。和陶管过滤组一样，由于圆盘组合过滤器具备所需的接口，可直接与标准化浇注系统连接使用。另外一个优势在于，此类工具有不同大小可供选择，为铸造厂提供了多种可能，以更好地适应其铸件和将要铸造的液态金属量。

已知的限制及当前过滤方法存在的问题

当然，在现场应用中，上述所有系统都有其限制，而且虽然存在上述优势,它们也可能给用户带来潜在的不利情形。这些应用都存在危险，可能最终导致铸件不净或废弃。下文中，我们将详细列出现有各系统的缺点。

并排使用多个过滤器

这种使用过滤器的方法较为常见,尤其是在铸铁厂中。为了达到需要的容量，可在一个“过滤器槽”内并排安置多个标准过滤器。

通过这种方法，用户可以并排安装过滤器(以节省空间)，也可以使用标准型。就其本身而论是非常有益的，除了以下几点:

•过滤器的安装需远离内浇口，这就意味着无法实现过滤器上方湍流较小的优势；

•大多数情况下,过滤器只能放置在模具的接口面(分界点)；

•过滤器连接处没有支撑；

•金属的分布很不一致；

•只有少数几个过滤器需过滤完整的液态金属，其他并排安装的过滤器起到的过滤作用极为有限；

•一些过滤器可能超负荷；

•过滤器断裂风险极大。

不能低估过滤器载荷不同可能造成的过滤失败。加上过滤器靠接处没有辅助支撑，这一风险更大。而且，在按顺序插入过滤器时，过滤器“碎末”或陶瓷夹杂物可能在接触时从表面掉落，并进入模穴。

从图7-9中可以看到采用这种过滤器安装方法出现的不同的金属分布。这是一般铸件模拟软件模拟出的一部分，从图中可以看出，使用并排安装过滤器时，金属分布杂乱无章。

大面积过滤器的使用

使用大型过滤器是非常理想的，因为只需要根据所需的内浇口数量精准定制过滤器即可。而且，这些过滤器可以安装在相对接近铸件和内浇口的位置。

然而，在现实应用中，不可能制造出任意尺寸和几何形状的泡沫陶瓷过滤器。超过一定的尺寸，生产此类过滤器便不再具备经济效益，而且，当前的制造能力可能也无法满足需求。当前能够生产的泡沫陶瓷过滤器的最大尺寸是300毫米（易割冒口钢铁铸件面积—参见图10)至500毫米（有色金属行业—参见图11）

当然，应该指出的是，过滤器尺寸增大的同时其厚度也必须相应地增加。这就意味着过滤器厚度的增加也相对提高了充填的需求, 导致金属液在接触过滤器时无法提供足够的热能。这将导致金属突然冷却在过滤器上，继而引起过滤器堵塞。

如果铸造厂可以使用直接浇注法，使用大型过滤器仍然颇具经济效益。由于省略了大部分浇注系统，生产铸件将变得非常经济。但是，铸造厂现有的成本压力迫使它们想方设法利用一个过滤器尽可能过滤最多的金属。由于过滤器能力有限，这种做法通常会超出过滤器能有效处理的范围，直接导致过滤器断裂(图12)。

这种过滤器应用的缺点一览:

•过滤器主要放在某些特殊位置，并使用某些特别的辅助产品（在浇杯内）；

•主要用于直接浇注法的应用；

•充填不足导致阻塞过滤器；

•用户通常超负荷使用过滤器，使过滤器断裂风险加大。

使用陶管过滤组

乍一看，采用特殊耐火材料制成的陶管过滤组似乎是一个不错的办法，但仔细研究就会发现，在生产大型铸件时，这种做法同样会增加产生缺陷的风险。使用这类滤网支架时，为实现有效的过滤，同样需要一个非常大的横截面。如上所述，问题又来了，能否有效的过滤适量的金属，只能根据过滤面积而定。如前文所述，生产过滤器的大小是有限制的，因此只能保证一部分的有效过滤面积。此时又需要使用多个陶管过滤组（至少每个过滤器一个)。

图5 为常用的陶管过滤组图片。如果这个系统有效，在容量用尽之前仅能够过滤一定数量的金属。只有使用多个用于这种类型铸件的滤网支架才能弥补。但这又会导致和并排使用多个过滤器同样的问题。本文此前已讨论过这种情况（及其缺点）。而且，还可能存在额外的超负载问题，导致过滤器弯折并最终断裂（见图13）。

在图13中，过滤器几近断裂，这家铸造厂可谓很不走运！

总之，可以概括出如下缺点：

•过滤器需放置在由特殊耐火材料制成的陶管过滤组内；

•最大容量受限于标准过滤器尺寸；

•铸造大型铸件需要多个陶管过滤组；

•金属的分布很不均匀（参见“并排过滤器”）；

•一般安装位置远离内浇口；

•充填不足导致过滤器阻塞；

•用户通常超负荷使用过滤器；

•过滤器断裂风险大。

使用圆盘组合过滤器

圆盘组合过滤器的面市，首次使过滤大量液态金属成为了可能。与以耐火材料制成的预成型浇注系统（圆盘式）一起使用，在单个系统内就能过滤几吨的液态金属。与之形成对比的是过滤器圆盘传送带相对复杂和沉重的结构。虽然可以使用标准尺寸的过滤器，整个系统的结构却非常复杂（参见图14）。而过滤器圆盘传送带本身的尺寸和重量更增加了其复杂程度，在将它装到模具上时可能非常困难和复杂。

另一个劣势则是圆盘组合过滤器的重量。为了过滤大量金属（4吨到8吨的液态金属），只能由多名工人或者起重机来安装该系统（参见图14中的示例–安装这个系统需要2-3个工人，1.5个额外工时）。此外，需要使用大量液态金属来填充这个系统，这也需要更高的熔化能力并产生更多返工。

非常关键的一点是该系统中过滤器弯角处很容易产生断裂。弯角处断裂主要是当受到短暂但强大的压力时其结构脆弱，如在浇注时熔融金属突然涌入（图15）。

这可能会导致过滤器边角的破裂，这将随后由铸件的加工中被找到（图16）。这些铸件大部分都会报废，当这种问题发生在总重量从4到16吨不等的铸件上时，对铸造厂来说也是一笔不小的损失。

总之，可以概括出如下缺点：

•难以安装和操作；

•组装耗时且占空间；

•系统过于沉重；

•需要大量的回熔金属；

•可能造成破裂的边角；

•过滤器断裂的风险大。

独特的过滤器设计---管状过滤器

上述所有过滤器的安装都有一个明显的共同点：过滤器断裂的风险！这种情况是过滤应用中“最严重的情况”，经常会导致相关铸件破损。因此，避免这种情况非常重要，而且有必要设计一款可有效避免这种情况发生的过滤器。由此，管状过滤器应运而生（图17）。这种泡沫陶瓷过滤器结合了泡沫陶瓷过滤器的优势及其它多种有趣且有用的特征。

这种过滤器已开发出多种不同的设计，可选择在过滤器两端开口（图18）或只在一端开口（图19）。

此外，可根据需要或应用更改管状过滤器的长度和/或直径。当然，这种过滤器也可以正常供应的网状泡沫过滤器所用的常规孔隙和材料生产。

除了泡沫陶瓷过滤器已熟知的优势外，管状过滤器的突出优势还包括：

•管状过滤器面积是相同尺寸常规过滤器的3倍以上，占用空间大大减少；

•自支撑几何结构；

•紧凑的尺寸和结构；

•安装快速、方便操作；

•组装时间短，所占空间小；

•需要重新熔融的回炉金属少；

•各个内浇口可直接安装；

•将过滤器破裂的风险降至最低。

从中可清楚地看到此类过滤器多种不同的优势，但最重要的还是安全!

通过使用管状过滤器可将过滤器破裂的风险降至最低。这是通过过滤器紧凑的结构实现的。管状几何形状（除了球形）是一种非常高效的设计。管状过滤器可支持熔融金属从外流到内部，意味着整个流体力学压力和流体静力压力都作用在过滤器表面，从而作用在自支撑几何结构上。

因而可大大减少破裂对过滤器的破坏。同时，使用圆柱体表面积还可有效增加过滤面积。这在减少过滤器所需空间的同时也大大增加了过滤面积，并拓展了泡沫陶瓷过滤器的使用范畴。

独特的过滤器设计——外壳

在模型内安装和使用管状过滤器和一般的过滤器大不相同，但也并不比使用任何标准过滤器困难。事实上，这种过滤器的安装是经过简化的，因为管状过滤器的设计是可直接在型腔边简易安装。你也可将其直接置于下一个内浇口旁边（此方案为最佳办法——图20）或者你也可使用合适的过滤器模座8。

如果浇道和补缩系统由陶管制成，那么制作定制型外壳会更有用。该方案可成为最理想的方案，因为由此你将获得更加专业与适合的系统。因此，下一步应该是为这些过滤器开发具有高抗性和适当的外壳。

因为有这方面的需求，外壳系统便应运而生。对大型钢铁铸件来说，这是一种独特且可靠的过滤装置（图21）。

这种安全的过滤系统非常适合生产大型钢铁铸件，也可用于有色金属中。该装置结合了用于大型铸件的管状泡沫陶瓷过滤器与闭路浇注系统的卓越性能，可支持一次性过滤若干吨金属。

整套理念包括每个外壳仅使用一个管状过滤器，在改进系统安全性和可靠性的同时减少有效过滤所必需的复杂性和组件数量（图22）。

基于管状过滤器和外壳卓越的设计，基本可消除过滤器破裂的风险。

铸造金属切向通过外壳流入也有效提高了过滤效率，因为这可使过滤器表面较少接触粗糙杂质。

结合管状泡沫陶瓷过滤器，无需其他粘合剂或耗时的方法便可轻松安装该系统。如每个铸件使用若干外壳，则系统容量增加，可安全过滤大量熔融金属。系统有两个可根据需要关闭的出口，因而无需发布右侧或左侧版本。这又进一步改进并简化了工艺，可避免不必要的混淆。

一个外壳装置包含：

•一个上部件（外壳）；

•一个下部件（外壳）；

•一个塞子；

•外壳由预铸及焙烧制成。

需要过滤的金属进入外壳，然后经由过滤器到出口（图23）。

　　图23 外壳装置--图解功能

采用本装置的优势：

•紧凑的尺寸和结构；

•安装快速、方便操作；

· 多样用途（无右侧或左侧部件）；

•外壳使用高度稳定耐火预铸材料；

•组装时间短，所占空间小；

•与旧的圆盘组合过滤器相比，整体重量较低；

•需要重新熔融的回炉金属少；

•可实现靠近各内浇口直接安装。

模拟

除了上述使用管状过滤器和专门为其设计的外壳的优势，该装置还可集成到相应的模拟软件中（图24）.因而可采用该软件处理管状外壳和过滤器的3D数据。

　　图24 在模拟软件中使用带过滤器的外壳装置

采用该数据，可使用过滤器快速、便捷地完成铸造模拟（图25）。

案例研究

管状过滤器用于铸造厂铸造始于2012年。早期进行了多次测试和评估，并对过滤器做了一些改进。在2012年中期，上述过滤器已实现了工业化规模的应用。

自此，这些过滤器每月都要生产成千上万吨重量在2~25吨之间的铸件。以下是两个我们将简要介绍的实际案例。

案例研究1

第一个案例包括管状过滤器在一家大型铸铁厂的应用。

该铸造厂正在为风力发电站生产不同尺寸和重量的球墨铸铁大型铸件。为了满足对铸件提出的高要求，铸造厂选择了使用泡沫陶瓷过滤器。过滤器需要通过截取非金属夹渣来提高金属液的清洁度，并将浇道和补缩系统中潜在的紊流降至最低。

特别在制造大型铸件时，人们必须安装大型的下浇道和浇道，在许多情况下还需使用多浇道.。这可能产生紊流进而产生熔融金属内再氧化的风险。

最初使用的是用于大型铸件的常规尺寸商用泡沫陶瓷过滤器（指方形、矩形或圆盘形过滤器）。在各次铸造中，根据所需的液态金属量使用了若干上述过滤器。部件由EN-GJS-400铸造而成，这是此类铸件常用的球墨铸铁。

圆盘形标准过滤器最初安装在带有用普通耐火材料制成的专用滤网支架的模型中。在采用本系统时，铸造厂遭遇了前所未料的堵塞，并导致铸件破损，废品率提高。

这时，就需要一个更稳定、安全的过滤解决方案。管状过滤器由此被采纳进来。从若干样本过滤器开始，铸造厂初步检测了第一代管状过滤器。那时，过滤器都是以常规方式生产的。

第一批铸件测试非常成功，但也有诸多改进的空间。为此，接下来就是在管状过滤器的端面上增加边缘涂层（图26）。安装首批管状过滤器后，我们在过滤网上发现了少量掉落的陶瓷碎屑。这种现象在过滤器端面更加普遍，因为端面是过滤器结构接触到陶瓷外壳的位置，（操作用力时）可能导致某些过滤器碎片脱落。

为避免这个问题，在管状过滤器的整个端面都涂敷了边缘涂层。这种办法成功避免了在安装过程中有过滤器碎屑掉落，使操作过滤器更加安全。其作用在铸造厂环境糟糕时更加明显，绝对是一种有效且安全的附加方案。

在采用边缘涂层，并经铸造厂长时间的测试后，铸造厂最终凭借这种过滤器取得了令人满意的成果也属意料之中。没有一个过滤器失效，且完全不存在堵塞或过滤器破裂的问题。此外，铸造厂还发现其可大大减少所需浇道的数量。在铸造重量超过20吨的大型铸件时，这种可提高出品率的优点显得格外重要。

现在，该铸造厂根据铸件尺寸和各自的重量已经采用了不同长度不同尺寸的管状过滤器。基本上每个重量在16吨左右，但也可改进。管状过滤器的性能卓越且稳定，可大大提高出品率，更重要的是，它还可将过滤器破裂率降低到零。目前，该铸造厂已经正常使用这种过滤器超过一年，也就是说，这些过滤器已经辅助铸造了成千上万吨性能卓越的球墨铸铁。

案例研究2

第二个案例涉及管状过滤器和Exactfill外壳在一家铸钢厂中的应用。

在制造该铸件的过程中，铸造厂在铸件表面经历了诸多缺陷（图27）。上述缺陷部分为下表面缺陷，主要由非金属夹渣引起，也可能是由于紊流过多。为确保铸件可供销售，这些缺陷导致所需的返工大大增加。又由于其为钢铸件，需要花费更多的精力来解决这些问题，包括磨去缺陷、焊补（其中几次还需包括额外的热处理）等若干步骤。

在这种情况下，要减少非金属夹渣，我们推荐使用过滤器。需要考虑铸件的以下数据:

•铸件重量大约2吨；

•NiCrMo钢，低合金；

•浇铸温度：1580 °C；

•需快速，简易安装过滤器；

•安装空间更少；

•不增加浇注时间；

•不改变现有浇口设计；

•陶管浇注系统。

这些最终都指向了使用包括新的外壳装置在内的管状过滤器（图28）。

该系统能完美展示其优势。这种设计精良的过滤器材料（氧化锆）具有可完美承受浇注系统内高温和高压的属性。此外，由耐火材料制成的管状过滤器和外壳装置非常能适应此类挑战。

此外，由于铸造厂采用标准的陶管浇道系统，外壳非常便于使用连接至传统的入口/出口标准陶管系统，因而整体操作快速、便捷。

图28.带过滤器的外壳系统在模拟软件中使用--范例

在浇注过程中，铸造厂所需花费的时间与之前需要的浇注时间相比并未明显增加。充模过程基本可在未使用任何过滤器浇铸时所需的时间范围内完成。

通过铸造低合金钢，管状过滤器大大减少了非金属夹渣的含量，因而可通过减少返工提高出品率。铸造厂最终得到的好处就是操作方便，且管状过滤器和相应外壳系统实现较高的效率。

结论

几家行业领先的金属铸造厂最近检验了一种可过滤大量金属的新的优化系统。和当前使用的标准圆盘形过滤器（由于强度不够和/或未能正确设置应用）相比，这种新的系统具有诸多优点。对于投入了大量时间和金钱浇铸大型钢铁铸件的铸造厂来说，使用管状过滤器可使其安全性大大提高。这种新的系统为铸造专家们提供了一种简单但高效的可用工具9。之前使用标准过滤器时存在的缺陷都可轻松消除，且安装各个应用所需的过滤器的过程得以大大的简化。凭借这种新的系统，铸造厂首次实现了简便操作泡沫陶瓷过滤器，而且在获取过滤液态金属的各种优点的同时无需担心过滤器断裂。除了新的、更加紧凑的过滤器外壳设计外，还可通过对过滤器的几何形状进行特定的更改来实现本目标。

来源：《金属加工（热加工）》