DUALINVEST Tudásbázis

Dualinvest // Tudásbázis / Kerámiaszűrők gyártása és alkalmazása

Kerámiaszűrők gyártása és alkalmazása

I. Bevezetés

A folyékony fémek tisztítására használt szűrők használata az öntödék egyre nagyobb számában kerül napi alkalmazásra. Az egyre nagyobb öntödei felhasználás miatt szükséges a szűrési technológiák nagyobb mértékű ismerete. Nem elég ha egy szűrőnek jó a szűrési hatásfoka, a szűrő egyébb paramétereinek ismeret is nagyon fontos, mint átfolyási sebesség ,megfelelő kapacitás, szilárdság és nagyon jó mérettartóság. Mindezen paraméterek mellet nagyon fontos tényező a szűrő ára. Általában ezen jellemzők ellentmondásban vannak egymással például ha egy szűrőnek nagyon nagy a kapacitása, a szűrési hatásfoka már kívánnivalókat hagy maga után. A legjobb hatásfokú szűrőket a már említett paraméterek megfelelő figyelembevételével kell tervezni és
kiválasztani. Az öntödék számára a gyártók több típust szállítanak, ezek közül a három legelterjedtebb a préselt, az extrudált és a habszűrők.

A legnagyobb a felhasználás az az alumíniumöntödékben használatos kerámia habszűrőkből, amelyek a folyékony alumínium tisztításában játszanak költségkímélő és hatásos szerepet.

Alumínium öntőcsatorna rendszer szűrővel

II. Szűrési mechanizmusok

1. A szűrők a felületükön összegyűjtik azokat a részecskéket illetve szennyeződéseket, amelyeknek a mérete nagyobb mint a szűrő pórusa. Ezek a részecskék fizikai méretük miatt az öntés teljes idején kiszűrődnek.

1.ábra szűrési mechanizmus: a pórusnál nagyobb részek fennmaradnak a szűrő felületén

2. A szűrő felületén összegyűjtött nagyobb részecskék a pórusokba beleülve illetve hidat képezve felfogják azokat a részecskéket, amelyek a szűrő pórusánál kisebbek. Az áramló fém ezek között alkotott réseken folyik át.

2.ábra hidak kialakulása a szűrő oldalán és felületén

3. A szűrő belső felépítése miatt salak és egyéb részecskék beleülnek a zárt pórusokba, de a mélyebb rétegekben is megfigyelhető, hogy a folyékony fémből a szűrő falára tapadnak részecskék. Ez a folyamat a részecskék egymásra tapadásával folytatódik, így a részecskék hidat képeznek a szűrő fali és elemi cellái között.

3. ábra feltapadás a szűrő oldalán

III. Kerámia habszűrők típusai

A szűrők jellemzésére és csoportosítására a szűrők pórusszáma a jellemző.
Mértékegysége a PPI.
A PPI szám megadja, hogy egy inch hosszúságban, hány pórus található a szűrő egy adott hosszában.
A PPI szám segítségével a felhasználó - öntési körülményeitől függően - kiválaszthatja - a számára legmegfelelőbb típust.

Leggyakrabban használt típusok:

10 PPI
20 PPI
30 PPI
40 PPI
50 PPI

A felhasználó számára a pórus/inch értékeket mikrométerben a legcélszerűbb megadni.
Így behatárolható azon részecskék tartománya, amelyet a szűrő segítségével nagy biztonsággal ki lehet szűrni.

4.ábra PPI szám és mikrométer átszámítása

5.ábra különbözó pórusszámú szűrők

A kis méretű szűrőket általában 22 mm vastgságban, a nagyobb méretű szűrőket 38 illetve 50 mm vastagságban gyártják. Az 50 mm vastag szűrőket gyakran két különböző PPI számú szűrő kombinációjával is gyártják.

A leggyakrabban gyártott kombinált pórusszámú szűrők:

10/30 PPI
20/45 PPI
20/30 PPI
30/45PPI

Anyagösszetétel szempontjából az alábbi összetételű szűrők fordulnak elő:

Alumíniumoxid tartalmú
Sziliciumkarbid tartalmú
Kordierit tartalmú
Zirkonoxid tartalmú

Általánosságban az acéliparban a zirkonoxid, az alumínium iparban pedig az alumíniumoxid tartalmú szűrőket alkalmazzák.

IV. Szűrők tulajdonságai és minőségi követelmények

Pórusszám

A szűrők pórusszámát az alapanyagként felhasznált szivacs póruszáma határozza meg. Gyártásnál ezért alapvető fontosságú a kevés számú gyártó által kifejezetten a kerámiaszűr gyártók számára.
Kifejlesztett szivacsok használata.
Az egyenletes pórusszámot a szivacs gyártóknak kell garantálni.
Az egyenletes pórusszám befolyásolja s szűrő áteresztő képességét és a fém egyenletes áthaladását a szűrőben.

Fém áteresztő sebesség

A szűrőgyártók tapasztalati értékek alapján táblázatban adják meg az egyes szűrők által maximálisan átereszthető fém mennyiségét.
A szűrők áteresztő képességét nagyban befolyásolja a gyártásnál használt olvasztott fém tisztasága. (2.sz. melléklet)

Permeabilitás

Megadja a szűrő által okozott nyomáskülönbség értéket. A érték függ a szűrő pórusszámától. A nyomáskülönbség értéknek minél kisebbnek kell lennie. (1.sz.grafikon)

Kapacitás

A szűrők kapacitása összefüggésben van a szűrés hatásosságával. Ha ez az érték túl nagy kérdéses lehet a szűrés hatásfoka. A kapacitás értéket a gyártók megadják az egyes szűrő típusokra vonatkozóan. (2.sz. melléklet)

Hideg nyomószilárdság

Ez az érték nagyon fontos paraméter a szűrő kezelése és szállítása szempontjából. Nagyon fontos, hogy az egyes szűrők ne repedjenek meg az öntés végéig.
Kezelhetőség szempontjából a kerámia habszűrők a legérzékenyebbek struktúrájuk miatt. (1. sz. melléklet)

Mérettartóság

A szűrők méretpontossága nagyon fontos. A szűrőt a szűrőkeretbe helyezve - figyelembe véve az öntödei körülményeket - utólag már nehéz pozícionálni. Nagyon fontos, hogy a szűrőről részecskék ne váljanak le, ami a szűrő hideg szilárdságával van összefüggésben.
Általában +-1 mm a kívánt tolerancia.

1. sz. melléklet

NÉKA szűrők paraméterei

Kémiai összetétel
Al₂O₃	min. 80%
P₂O₅	max. 15%
CaO	max. 0,5%
SiO₂	max. 5%
Fe₂O₃	max. 0,15%
Na₂O	max 0,1%

Fizikai tulajdonságok
Pórus méret	10,15,20,30,45 PPI
Testsűrűség	350-600 kg/m³
Porozitás	0,85-0,9
Nyomószilárdság	5-6 kg/cm²
Max. hőmérséklet	1100°C

Méretek
Lapszűrők	40 x 40 x 20 mm	508 x 508 x 50 mm
Csövek	Átmérő	50 - 350 mm
Csövek	Hosszúság	30 - 600 mm

2. sz. melléklet

NÉKA szűrők üzemi adatai

Méret		Térfogat		Felület	Kapacitás
Inch	mm	cm³	dm²	ppi	Folyási sebesség
Inch	mm	cm³	dm²	ppi	kg Al/min.	t Al
7 x 7 x 2	178 x 178 x 50	1,31	2	20	20-60	5
7 x 7 x 2	178 x 178 x 50	1,31	2	30	14-40	5
9 x 9 x 2	228 x 228 x 50	2,3	4	20	40-120	10
9 x 9 x 2	228 x 228 x 50	2,3	4	30	28-80	10
12 x 12 x 2	305 x 305 x 50	4,18	8	20	80-240	15
12 x 12 x 2	305 x 305 x 50	4,18	8	30	60-160	15
15 x 15 x 2	381 x 381 x 50	6,66	12	20	120-360	25
15 x 15 x 2	381 x 381 x 50	6,66	12	30	84-240	25
17 x 17 x 2	430 x 430 x 50	8,57	16	20	160-480	35
17 x 17 x 2	430 x 430 x 50	8,57	16	30	110-320	35
20 x 20 x 2	508 x 508 x 50	12,1	23	20	230-690	45
20 x 20 x 2	508 x 508 x 50	12,1	23	30	160-460	45

V.Szűrők permeabilitása

A vizsgált minta 20 cm³ felületü. A mintán manométer segítségével állandó 200 Pa nyomást állítunk be a másik oldalon levegő áramlásmérővel mérjük a nyomás értéket.
A két nyomás érték különbsége adja meg a szűrő permeabilitás értékét.

Mért permeabilitás eloszlás értékeket mutat az 1.sz. grafikon.
Szűrő tipusa:12" x 12" x 2" (305 x305 x 50 mm) Póruszsám 20 PPI

1.sz. grafikon

VI. Kerámiaszűrők gyártástechnológiája

1. A tevékenység célja: az ipar számos területén felhasználható magas tűzállóságú kerámiaszűrők előállítása.

2. A gyártás leírása:
2.1. Alapanyagok:
A kerámiaszűrők gyártásához membránmentesített poliuretánhabot, MONALFO-48 típusú tűzálló kötőanyagoldatot, GLS minőségű kalcinált timföldet, kaolint és adalékanyagokat használunk fel. GLS timföld helyett (a vevők által támasztott tűzállósági igények figyelembevételével) más szemcsés tűzálló anyag pl. zirkóniumdioxid, elektrokorund, elektromullit, krómoxid, stb. őrleményt is felhasználhatunk. A felhasznált anyag szemcsemérete nem lehet nagyobb mint 20 mikrométer.
A kerámiaszűrő-gyártás adalékanyagai (függetlenül a felhasznált alapanyag minőségtől) bentonit, kaolin, nátriumtripolifoszfát és
ivóvíz minőségű víz.

1.sz fénykép Szivacs impregnálása

2.sz fénykép Szárítás folyamatos soron

3.sz fénykép Kivágógép

Gyártáshoz használt habok típusai (1. sz. táblázat)
Habtípus	Szakadási nyúlás %	Szakító szilárdság kPa	Cellaszám PPI	Cellaátmérő mikron
Bulpren S 31048	400	200	80-95	440-520
Bulpren S 31062	40	200	65-80	520-720
Bulpren S 28089	350	150	50-65	740-1040
Bulpren S 28133	350	150	35-50	1080-1580
Bulpren S 28190	350	150	25-35	1650-2150
Bulpren S 28280	350	150	15-25	2300-3300
Bulpren S 32450	150	100	7-15	3800-5200
Bulpren R 31280	200	125	25	2500-3100
Bulpren R 31380	200	125	15	3400-4200
Bulpren R 31084	250	150	50-65	710-970
Bulpren S 32138	280	150	-	1260-1500
Bulpren S 32175	280	150	-	1600-1900
Bulpren S 32240	250	100	-	2100-2700
Bulpren S 32315	250	100	-	2850-3450

4. sz. fénykép Kerámiaszűrő struktúra

5. sz. fénykép Rektikulált szűrőszivacs

6.sz. fénykép Kerámiaszűrő gyártáshoz használt 1260 °C égetőkemence

VII. A szűrő előmelegítése

A szűrőt ajánlott előmelegíteni az alsó részéről szabványos gáz/levegő égővel.Amennyiben az előmelegítés nem megfelelő, az öntés folyamán a fém a szűrőbe érve megdermedhet és ez az öntés leállításához vezet.
Ha az égő rendesen van beállítva a forró levegő áthatol a szűrőn. A szűrőt addig kell előmelegíteni míg a színe meggypiros nem lesz.
Megfelelő előmelegítés 15 percig tart.

Figyelembe kell venni, hogy a tűzállóanyag túlmelegítése lényegesen csökkenti élettartamát.

A szűrő előmelegítése a szűrőboxban történik.

Egyes szűrőtipusok olyan jellel vannak ellátva, amelyek az öntési hőmérséklet elérésekor szublimálnak. Ez általában 700 - 800 °C között történik meg.

7.sz fénykép Előmelegítő égő

8.sz fénykép Öntéshez használt szűrőbox

VIII. A szűrő kiválasztása

A tapasztalatok azt mutatják, hogy amennyiben a fém sebessége a szűrőben 10-19 mm/másodperc, a szűrés hatásfoka a legjobb:
A fém sebességét az alábbi képletből számolhatjuk:

M Kg/perc
---------------------------- = V_fém
0,85 x 2,37 x f x 60

Ahol:

V_fém	a fém sebesssége a szűrőben
Kg/perc	folyási sebesség
0,85	szűrő faktor
2,37	a folyékony alumínium sűrűsége
f	hatásos szűrési felület

Szűrőméret (inch-ben)	Szűrő felület (m²)
7"	0,021
9"	0,039
12"	0,075
15"	0,122
17"	0,160
20"	0,227
23"	0,305

A kiválasztott szűrő alkalmazásának elengedhetetlen feltétele a megfelelő fémszint biztosítása. Az öntés indulásakor biztosítani kell legalább 150 mm fémszintet, Az öntés kezdetekor a fémszint emelkedni fog, amíg a szűrő pórusai telítődnek fémmel. Ekkor megindul a fém áramlása, egészen addig amíg a szűrő szennyeződésekkel telítődik. Ekkor a fémszint újból emelkedni kezd, Megfelelően méretezett öntési kapacitással a szűrőn az öntés végéig a fémszint fokozatosan emelkedik, de nem következik be a szűrő blokkolása.
Ha a fémszint magassága 50 mm körüli a szűrő csak részlegesen fog működni.

IX .Alumíniumolvadékban található szennyezők

Az alumínium olvadékok tisztítása az eltávolítandó, nemkívánatos szennyezők típusai:

gázneműek
fémesek
nemfémesek

Az alumíniumolvadékok gáztalanítására sok lehetőség kínálkozik. Pihentetéssel csak akkor lehet gáztalanítást elérni, ha az olvadék feletti gázfázisban kicsi a hidrogén és vizgőztartalom és ha a hidrogén oldhatóságának csökkentésére a fürdőt a likviduszponthoz közeli hőmérsékletre hűtik le. Nagy energiaigénye miatt ezt a módszert ritkán használják, ugyanis pihentetés után a fürdőt vissza kell hevíteni az öntési hőmérsékletre.

Egyszerűek és hatásosak a gázöblítő eljárások, amelyek végrehajthatók öblítőgáznak a fürdőbe való bevezetésével és gázt leadó sókészítménynek a fürdőbe való bekeverésével. Az öblítőgázok lehetnek semlegesek mint a nitrogén és a drágább argon, amelyek
gáztalanító hatása csak fizikai és lehet kémiailag aktív mint a klór amelynek hatása mind fizikai mind kémiai.
A fémes szennyezők eltávolítása nagyon fontos és több elemre nézve kívánatos. Ilyen nem kívánatos elem a pl. a nátrium. A kalcium a szilícium ötvözőfémből kerül az olvadékba fokozva az ötvözet oxidálási hajlamát, rontva az öntési tulajdonságokat.
A nemkívánatos elemek alkálifémek (Na) és alkáliföldfémek (pl Ca) hatása már kis nagyságrendben jelentkezik.
Az összes alumíniumötvözet leggyakoribb és legkellemetlenebb szennyezője a vas.
A káros és nemkívánatos vastartalmat egyrészt csökkenteni lehet másrészt hatástalanítani.
(Pl. Mangán adagolásával a lap és tű alakú fázisokat kedvezőbb gömb alakba viszik át)
Az oxidokat különböző takaró-tisztító sók bevitelével távolítják el, amelyek hathatnak fizikailag és kémiailag egyaránt.
Az olvadéktisztításnak a világon egyik legelterjedtebb módszere a mechanikai szűrőeljárás, amely azon alapszik, hogy valamilyen tűzálló szűrőrétegen átbocsátott fémből a szűrőközeg kiszűr bizonyos méret feletti idegen zárványokat. Ezek lehetnek oxidok elsősorban durva Al₂O₃ hártyák, falazatrészek, visszahűlt olvadékból kivált intermetallikus kristályok.

A szűrés hatásfoka a szűrőréteg vastagságától és pórusnagyságától, az olvadék felületi feszültségétől és a szűrőanyagnak a folyékony fém általi nedvesíthetőségétől függ.
Az alábbiakban összefoglaljuk a lehetséges szennyező típusokat:

Részecske típus	Részecske forma	Származás
Al₂O₃	Amorf, kristályos	Olvasztás, öntés
MgO	Kristályos részecske	Olvasztás, Öntés, Magnézium ötvözés
Al₂MgO₄	Csonka gúla	Magnézium ötvözés, Reakció tűzálló anyaggal
Al-szilikát
Ca-szilikát	Részecske töredék	Tűzálló anyag
K-szilikát
Ca-aluminát
NaCl, KCl	Hatszögletü, derékszögű	Fém kezelése sóval
Al₄C₃	Hatszögletü,derékszögű	Tégely
AlB₂	Hatszögletü,derékszögű	Tégely
TiB₂	Hatszögletü,derékszögű	Szemcsefinomító

2.sz. táblázat

X. Kezelés hatásossága

2.sz. grafikon

7.ábra vízszintes szűrőbox metszete

8.ábra függöleges rendszerű szűrőbox

Letölthető anyagok:

Kerámiaszűrők gyártása és alkalmazása [1,94 MB]