NO881756L - Keramisk filter for smeltet metall. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår keramiske filter for filtrering av smeltet metall og som omfatter et bundet eller sintret keramisk legeme som inneholder tallrike strømningsveier for gjennomstrømning av det smeltede metall.

I alminnelighet inneholder smeltet metall inntrengte faste

stoffer som utøver en skadelig virkning på det ferdige støpe-produkt. Disse inntrengte faste stoffer opptrer som innleiringer i det ferdige støpeprodukt etter at det smeltede metall er størknet og forårsaker feil i det ferdige produkt. Innleiringene kan stamme fra forskjellige kilder, f.eks. fra oksydfilmer på metalloverflaten og uløsbare forurensninger som karbider, borider og lignende. Keramiske filtere; slik de er beskrevet i US patentskriftene nr. 3.893.917, 4.081.371 og 3.962.081, egner seg særlig for filtrering av smeltet metall. Særlig er sådanne keramiske skumfiltere egnet, som har åpen cellestruktur med tallrike innbyrdes forbundne hulrom, som er omgitt av et nettverk av keramikk, for å sikre de oppnådde gjennomgående strømningsbaner. Disse filtere er av forskjellige grunner særlig fordelaktig, f.eks. i kraft av deres utmerkede filtreringsvirkning, lave omkostninger, lette anvendelse samt muligheten av å anvende disse filtere på utskiftnings- og engangsbasis. Det forhold at de keramiske skumfiltere er særlig praktisk og billig i sin fremstilling samt kan anvendes på basis av engangsbruk og deretter bort-kastning, har i de senere år ført til en vidstrakt anvendelse på området metallsmeltebehandling.

Særlige problemer har imidlertid oppstått ved filtrering av sådanne smeltede metaller som stål, som oppviser dårlige

flyteforhold. Ved filtrering av sådanne metaller er det ofte vanskelig å starte metallstrømningen gjennom filteret. Dette fører til en oppbygning av høyt metallnivå over filteret før filteret fuktes, hvilket vil si før metallstrømmen gjennom filteret begynner. Videre er det funnet at det smeltede metall ofte ikke trenger gjennom hele filteret eller at

filteret ikke gjennomstrømmes innenfor alle filterområder. Igjen i andre tilfeller fuktes filteret overhode ikke og det dannes et altfor høyt metallnivå på oversiden av filteret. Dette omtalte problem er særlig fremtredende ved stål, men foreligger også ved andre metaller, i avhengighet av den foreliggende legering og støpetemperatur.

En fremgangsmåte for å løse dette problem har vært å overopp-varme legeringen for derved å oppnå bedre flyteforhold. Det ble også funnet at en overoppvarming faktisk forbedret smeltens flyteevne, hvilket i sin tur også fremmet fuktning-en. Dette utgjør imidlertid ingen helt tilfredsstillende løsning, da et overmål av overoppvarming ofte medfører andre problemer, alt i avhengighet av den foreliggende legering.

En overoppvarming utover det normale nivå fører altså ikke alltid til en gunstig løsning av problemet.

Fra .US ..patentskrift nr. 4 . 302.502 er det også kjent over-trukne keramiske skumfiltere, hvor det er anordnet et for-holdsvis stort aktiveringssjikt for fjerning av spesielle forurensninger fra det smeltede metall. Omtalen av disse filtere befatter seg imidlertid heller ikke med det ovenfor nevnte problem med metallnivået på filterets overside.

Det er derfor et formål for foreliggende oppfinnelse å unngå den nevnte ulempe med for høy metallstand og frembringe et tilsvarende forbedret keramisk filter for filtrering av smeltet metall og hvor filtrering av metall med dårlig flyteevne ikke fører til oppbygning av altfor høy metallstand. Det er videre et særtrekk ved foreliggende oppfinnelse at det oppnås et forbedret filter av ovenfor angitt art på grunnlag av et bundet keramisk legeme som er billig og rask å frem-stille samt hverken påvirker filtreringsprosessen eller det ferdige støpestykkets egenskaper på uheldig måte. En ytterligere gjenstand for foreliggende oppfinnelse er å frembringe et forbedret filter hvor det ikke er nødvendig med sterk overoppvarming for å gjøre filteret fuktbart.

Dette oppnås ved hjelp av et keramisk filter hvis særtrekk i henhold til oppfinnelse ligger i at et tynt overtrekk, som strekker seg over hele filterets utstrekning, er utført i et organisk material som lett lar seg fukte av det smeltede metall samt er heftende påført det keramiske legeme i en tykkelse på 5 Å til l^um, idet overtrekket er utført for å fjernes ved kontakt med det smeltede metall.

I henhold til foreliggende oppfinnelse er det da oppnådd et ytterst virksomt keramisk filter for filtrering av smeltet metall, og som er i stand til å overvinne nevnte problem i forbindelse med dårlig flyteevne for slike metaller som stål, samt oppviser gunstige fuktningsegenskaper uten overdreven oppbygning av drivende metallstand og uten at det er nød-vendig med en sterk overoppvarming av metallet.

Det keramiske filter i henhold til foreliggende oppfinnelse omfatter da et bundet eller sintret keramisk filterlegeme med et stort antall strømningsveier for gjennomstrømning av det smeltede metall gjennom filteret, idet et tynt overtrekk som er heftet til det keramiske legeme og strekker seg hovedsakelig over hele utstrekningen av det anorganiske material, fuktes av det smeltede metall. Dette overtrekk trekkes bort av det gjennomstrømmende smeltede metall. Fortrinnsvis er det keramiske filter et keramisk skumfilter med skumstruktur i åpne celler samt med et stort antall innbyrdes forbundne hulrom, som er omgitt av et nettverk av vedkommende keramikk-material . Det keramiske legeme inneholder som keramisk material fortrinnsvis aluminiumoksyd. Det foretrukne tykkelse av overtrekker beløper seg til 10 til 100 Å. Overtrekket er av ensartet sjikttykkelse og inneholder silisiumoksyd, fortrinnsvis for filtrering av stål.

Som angitt ovenfor, har det vært et problem innenfor denne teknikk at metaller med dårlig flyteevne, slik som f.eks. stål, ikke flyter lett gjennom keramiske filtere. Dette problem forårsakes av det keramiske filtermaterial, som ikke fuktes fullstendig av det smeltede metall, hvilket innebærer at det smeltede metall ikke flyter langs eller fordeler seg over overflaten av filtermaterialet. Ved et keramisk filter som inneholder aluminiumoksyd som filtermaterial fuktes f.eks. ikke dette material fullstendig av stål.

Den ideelle situasjon, nemlig høy filtervirkning, oppnås når materialet i det basismetall som skal filtreres ikke er i stand til å fukte filteret godt, men imidlertid innleiringene, som skal fjernes, faktisk kan fukte filtermaterialet fullstendig. Således fukter f.eks. en aluminiumoksydinnleir-ing i stål fullstendig et keramisk filter på basis av aluminiumoksyd, mens stål bare fukter filteret i ufullstendig grad. Av denne grunn har innleiringene da en tendens til å forlate metallstrømmen og hefte til filteret, mens basis-metallet oppviser en tendens til ikke å befinne seg i kontakt med filteret eller med innleiringene. Likeledes er det fordelaktig at basismaterialet ikke fukter filteret og derved angriper filtermaterialet i mindre grad. Dette forhold opp-retter den ønskelige situasjon så snart strømningen gjennom filteret begynner, nemlig når filteret allerede er innfuktet. Det er derfor verdt å streve etter å oppnå et filter som oppviser disse egenskaper og som samtidig lett kan irinfuktes . Det er også verdt å etterstreve et filter som lett kan innfuktes av det smeltede metall uten at filterets fordel-aktige egenskaper eller filtervirkningen nedsettes.

Det keramiske legeme i henhold til foreliggende oppfinnelse er et bundet eller sintret keramisk legeme med tallrike strømningsveier gjennom filteret for det smeltede metall. Alle kjente keramiske legemer kan anvendes, slik som f.eks. ekstruderte keramikklegemer, legemer av sintrede keramikk-partikler eller fortrinnsvis keramiske skumfiltere med åpen cellestruktur, idet legemet er kjennetegnet ved et stort antall innbyrdes forbundne hulrom, som er omgitt av et nettverk av keramikk og danner de opprettede strømnings- veier. Et særlig egnet keramisk skumfilter er beskrevet i DE-OS 34.24.504.

I henhold til oppfinnelsen påføres et tynt overtrekk på dette keramiske legeme, således at dette overtrekk hovedsakelig strekker seg gjennom hele legemet og sjiktet hefter seg til dette. Overtrekket utgjøres av et uorganisk material som fuktes fullstendig av det smeltede metall samt foreligger i en tykkelse på 5Å til l^um. I en hensiktsmessig utførel-seform er overtrekkets tykkelse 10 til 100 Å. Av dette vil det fremgå at overtrekket er meget tynt. Under anvendelse av filteret fjernes overtrekket ved kontakt med det smeltede metall, og etter innledningen av metallstrømmen står da hele den nødvendige filteroverflate for filterets virkning til disposisjon. Fortrinnsvis fjernes overtrekket i løpet av mindre enn 5 sek., enten ved oppløsning ved det smeltede metall eller ved mekanisk påvirkning fra det smeltede metall på det keramiske nettverk. Av denne grunn foretrekkes et overtrekk som er helt eller delvis løselig i det smeltede metall. For å oppnå en egnet og rask fjerning av overtrekket ved begynnelsen av metallgjennomstrømningen, foretrekkes anvendt en sjikttykkelse på mindre enn 100 Å, mens det imidlertid også er mulig hensiktsmessig å anvende sjikttykkelser opptil l^um, særlig når den mekaniske innvirkning for fjerning av det fastlagte overtrekk utnyttes.

Som beskrevet ovenfor skal overtrekket strekke seg hovedsakelig gjennom hele det keramiske legeme med ensartet sjikttykkelse, hvorunder imidlertid visse variasjoner i sjiktets tykkelse og ubelagte avsnitt kan tolereres. For å fremme fuktingen bør imidlertid overtrekket strekke seg over hele nettverket og fortrinnsvis være ensartet.

Overtrekksmaterialet bør være et material som ikke utøver skadelig virkning på det smeltede metall som skal filtreres eller det endelige støpeprodukt. Av denne grunn er en mekanisk løsgjøring av overtrekket fra nettverket mindre gunstig enn en hel eller delvis løsbarhet i metallet, da mekanisk frigjorte overtrekksdeler kan opptre som innleiringer i det endelige støpeprodukt. I tillegg bør overtrekksmaterialet ikke ha noen ugunstig innvirkning på det smeltede metall, og som f.eks. kan føre til nedsatte mekaniske egenskaper, øket kornstørrelse eller uønskede sekundærfaser.

Ved en foretrukket utførelseform anvendes et kolloidalt silisiumdioksydovertrekk, særlig da det ble funnet at dette var særlig fordelaktig ved stålfiltrering og av den grunn at et egnet silisiumdioksydsjikt faktisk kan oppnås på det keramiske legeme. Med henblikk på det forhold at tynne overtrekk på det keramiske legeme anvendes, har silisium-dioksydovertrekket i de anvendte mengder ingen ugunstig virkning på den stålsmelte som skal filtreres. Bare i større mengder, som ikke er gjenstand for foreliggende oppfinnelse, kan silisiumdioksyd ha en ugunstig innvirkning. Et tynt s.i 1 isiumdioksydovertrekk i henhold til oppfinnelsen fjernes også fullstendig ved kontakt med det smeltede stål.

I en foretrukket utførelseform anvendes en vandig oppslemning av et kolloidalt silisiumdioksyd, med utgangspunkt fra 0,5 til 10% konsentrert kolloidalt silisiumoksyd i vann, fortrinnsvis i en konsentrasjon på 1%. Visse tilsatser kan naturligvis også inngå i den vandige oppslemning, slik som fuktningsmiddel , dispergeringsmiddel eller organiske materialer som understøtter sjiktets vedheftning, osv.

I samsvar med den foretrukne utførelseform fremstilles først den ovenfor nevnte oppslemning og det keramiske legeme ned-dykkes i denne for å oppnå et tynt overtrekk som hovedsakelig strekker seg gjennom hele legemet. Overskuddsmaterial fjernes, f .eks. ved avrystning, hvorpå det fuktige keramiske legeme tørkes, f .eks. ved 93 til 149°C, fortrinnsvis ved 121°C, samt etterinnbrennes ved f.eks. 982 til 1038°C. Varmebehandlingen bør være tilstrekkelig omfattende til at silisiumdioksydet ikke atter hydratiseres og er fast heftet til det keramiske legeme. Tørkningen og etterinnbrenningen kan finne sted i separate prosesstrinn eller eventuelt kontinuerlig. Det er ikke nødvendig å holde konstant temperatur. Et sådant overtrukket material er funnet å være et særlig teknisk fremskritt ved stålfiltrering.

Det vil uten videre være klart at man ikke kan anvende et overtrekk som krever så høy innbrenningstemperatur at det kan opptre skade på det keramiske legeme ved innbrenningen.

Det er også mulig å anvende andre materialer enn silisiumdioksyd, forutsatt at dette material er et uorganisk material som lett fuktes av det smeltede material og kan fjernes i kontakt med dette. Silisiumdioksyd er særlig å foretrekke ved stålfiltrering, da det fuktes usedvanlig godt av stål-smelten og lett løses av det smeltede metall. Ytterligere egnede uorganiske material som kan anvendes, omfatter f.eks. en vandig silikatoppslemning, slik som natriumsilikat, samt salter, slik som natriumklorid eller kalsiumklorid, idet de sistnevnte salter ganske enkelt kan tørkes på nettverket uten at dette behøver å innbrennes på nytt. Likeledes kan man anvende oksyder, slik som oksyder av kalsium eller magnesium, som i form av salter, f.eks. karbonater, kan gjøres til gjenstand for tørkning og sluttinnbrenning. Metaller som nikkel, jern og krom kan anvendes som overtrekksmaterial i form av organometalliske løsninger eller oppslemninger, etterfulgt av en tørkeprosess og en varmebehandling for om-vandling til metall. I betraktning av de ytterst små mengder som anvendes i overtrekket har disse metaller ingen skade-virkning .

Den tilsiktede virkning av et overtrekk med sammensetning i henhold til foreliggende oppfinnelse er utnyttelse av et uorganisk material i et tynt sjikt som lett fuktes av det smeltede metall og lett kan fjernes under påvirkning fra metallsmelten. Da overtrekket lett fuktes av metallet, kan metallsmelten lett passere gjennom det keramiske legeme langs de opprettede strømningsveier i det keramiske legeme, i det tilfelle det foretrukne keramiske skummaterial anvendes, og innløpstiden samt metallnivået over filteret kan da reduseres i betraktelig grad.

Utover dette ble det funnet at det sjiktbelagte filter ikke bare reduserte innløpstiden. Utover dette ble det også funnet at det sjiktbelagte filter overraskende også medførte et raskere forløp av filtreringsprosessen. Således er f.eks. den totale materialgjennomstrømning gjennom det keramiske legeme i henhold til foreliggende oppfinnelse i alminnelighet raskere enn gjennom et ubelagt keramisk legeme. Overraskende er filteret i henhold til foreliggende oppfinnelse i stand til å opprettholde en større gjennomstrømningstakt etter innløpstiden enn et ubelagt filter. Dette er da tilfelle på tross av det forhold at overtrekket fjernes ved kontakt med det smeltede metall. Årsaken til dette kan da være den raskere innstrømning i det keramiske filter som helhet samt en hurtigere gjennomstrømning av alle porer i det keramiske filterlegeme. Også dette innebærer et verdifult teknisk fremskritt.

Foreliggende oppfinnelse vil nå bli ytterligere forklart ved hjelp av utførelseeksempler.

Eksempel 1

Det anvendes bundne keramiske filterlegemer av tykkelse 18,7 mm og med åpen cellestruktur kjennetegnet ved tallrike innbyrdes forbundne hulrom, samt omgitt av et nettverk av kera-mikkmaterial, idet filterlegemene er utført på basis av en aluminiumoksydkeramikk. Disse filtere oppviser ferdig for anvendelse 10 porer pr. cm. I samsvar med foreliggende oppfinnelse ble filterprøvene overtrukket ved neddykning av filterlegemene i en vandig oppslemning med innhold av 1% kolloidalt silisiumdioksyd i en kort tidsperide, som imid lertid sikrer fullstendig impregnering, for derved å oppnå et tynt overtrekk som er tørket ved 121°C samt innbrent ved 1000°C. Overtrekkets tykkelse etter innbrenningen beløp seg til 10 Å og overtrekket forekom da i form av sammen-føyninger av silisiumdioksydpartikler hovedsakelig jevnt fordelt gjennom hele det keramiske legeme. Forskjellige prøver av sjiktbelagte filtere samt et ubelagt filter ble innpasset i forskjellige innløpsrørstykker. Hvert av disse innløpsrørstykker ble langsomt neddykket i et bad av stål som var avoksydert ved hjelp av aluminium, samt opprettholdt ved en temperatur på 1621°C. Innstrømningens begynnelse ble fastlagt ved visuell betraktning gjennom rørsenteret. Resultatet viste at det sjiktbelagte filter ble fuktet umid-delbart etter neddykkingen i badet til en dybde på 5,08 cm. Det ubelagte filter ble imidlertid ikke fuktet til neddyk-ningsdybden på 5,08 cm. Røret ble så videre neddykket til en dybde på omtrent 10,16 cm, hvorved imidlertid røret brast pga. varmesjokket. En filterfukting ble aldri observert ved ubelagte filtere.

Eksempel 2

Det ble frembragt sjiktbelagte og ubelagte filtere hovedsakelig tilsvarende sammensetningen i henhold til eksempel 1 og med overtrekk hovedsakelig utført som angitt i eksempel 1.

Sjiktbelagte og ubelagte filtere av tykkelse 1,86 cm ble anbragt ved siden av hverandre i en støpedigel. Smeltet stål ble så helt direkte ned i støpedigelen fra en induksjonsovn ved en temperatur på 1621°C. Ved oppfylling av digelen steg det metallostatiske trykk på filtrene inntil metallnivået over filtrene hadde nådd overløpets høydenivå. Tids-punktet for filterfuktingen ble bestemt ved visuell betraktning av filterets utstrømningsside. Forsøksresultatene viste at det sjiktbelagte filter ble gjennomfuktet 4 til 5 sek. tidligere enn et ubelagt filter. Strømningen av det smeltede metall gjennom det sjiktbelagte filter syntes å være lett- flytende, mens strømningen gjennom det ubelagte filter i sammenligning syntes seig og langsom. Ved slutten av tapning-en hadde tilsammen 76,6 kg passert det sjiktbelagte filter, mens det ubelagte filter bare var gjennomstrømmen av 11,3 kg. I tillegg var det resulterende støpegods av høyere kvalitet. Overtrekket på filteret hadde således ingen skadelig innflyt-else. Videre ble silisiumoksydovertrekket i det vesentlige fjernet ved oppløsning i det smeltede metall under sin kontakt med metallsmelten .

Eksempel 3

Sjiktbelagte og ubelagte filtere av hovedsakelig samme sammensetning som angitt i eksempel 1, ble fremstilt i henhold til eksempel 1, bortsett fra at filterlegemene i dette tilfelle var kjennetegnet ved 6 porer pr. cm. 4 sand-former ble gjort klar, hvorav 3 var forsynt med en filter-innretning. Direkte fra en induksjonsovn ble alle 4 former tilført 204 kg middels karbonstål avoksydert med aluminium. Forsøksresultatene er angitt i etterfølgende tabell 1.

De ovenfor angitte resultater viser klart at støp nr. 1 ved anvendelse av et sjiktbelagt filter oppviste en total inn-leiringsfri støpeoverflate, til forskjell fra støp nr. 2 hvor intet filter ble anvendt og hvorved et betraktelig antall innleiringer forekom i materialet. Støp nr. 3 som omfattet et ubelagt filter, sviktet fullstendig ved fuktning av filteret, selv om støpeprosessen ble utført ved samme temperatur som ved støp nr. 1. Støpe nr. 4 utnyttet et sjiktbelagt filter som delvis ble fuktet, skjønt støpetemperatur-en lå 26°C lavere.

Claims (6)

1. Keramisk filter for filtrering av smeltet metall og som omfatter et bundet eller sintret keramisk legeme som inneholder tallrike strø mningsveier for gjennomstrø mning av det smeltede metall, karakterisert ved at et tynt overtrekk som strekker seg gjennom hele filteret, er utført i et uorganisk material som lett lar seg fukte av det smeltede metall samt er heftende påført det keramiske legeme i en tykkelse på 5 Å til l^ um, idet overtrekket er utført for å fjernes ved kontakt med det smeltede metall .

2. Keramisk filter som angitt i krav 1, karakterisert ved at det keramiske legeme utgjøres at et keramisk skumfilter med skumstruktur av åpne celler og bestående av et stort antall innbyrdes forbundne hulrom, som er omgitt av et nettverk av nevnte keramikk.

3. Keramisk filter som angitt i krav 1 eller 2, karakterisert ved at overtrekkets sjikttykkelse er fra 10 til 100 Å.

4. Keramisk filter som angitt i krav 1 til 3, karakterisert ved at overtrekket har ensartet sjikttykkelse.

5. Keramisk filter som angitt i krav 1 til 4, karakterisert ved at overtrekket utgjø res av et silisiumdioksydsjikt .

6. Keramisk filter som angitt i krav 1 til 5, karakterisert ved at det keramiske legeme inneholder aluminiumoksyd.