Усовершенствованный пенокерамический фильтр для улучшения фильтрования расплавленного чугуна
Изобретение относится к области фильтрования расплавленного металла. Предложен предшественник керамического материала и керамический фильтр, изготовленный из него, которые включают 35-70 масс.% огнеупорного алюмосиликата; 10-30 масс.% коллоидного диоксида кремния; до 2 масс.% модифицированного бентонита; до 35 масс.% белой сажи. Предшественник включает также воду и, возможно, порообразователь до 10 масс.% в виде полых сфер. Описан также способ фильтрования расплавленного чугуна. Изобретение обеспечивает получение прочного вспененного фильтра на основе муллита, обладающего улучшенными характеристиками при фильтрации чугуна. 4 н. и 39 з.п. ф-лы, 5 табл., 10 ил.
Настоящая заявка имеет приоритет от 09.08.2005 согласно предварительной заявке США №60/706577, которая находится на рассмотрении и включена в виде ссылки в этот документ. Настоящая заявка является частично продолжающейся заявкой, находящейся на рассмотрении патентной заявки США №11/389841, поданной 27.03.2006, которая имеет приоритет от 28.03.2005 согласно прекращенной по истечении срока предварительной заявке США №60/665760, причем обе из указанных заявок включены в данный документ в качестве ссылки.
Настоящее изобретение относится к улучшенному пенокерамическому фильтру. Более конкретно, настоящее изобретение относится к пенокерамическому фильтру для расплавленного чугуна с достаточными механическими свойствами для использования его при улавливании и удерживании шлаков с высоким содержанием FeO, шлаков других металлических оксидов и других захваченных частиц.
В значительной доле литейных производств используют прессованные или экструдированные муллитовые фильтры грубой очистки. Полагают, что пенокерамический фильтр будет иметь лучшие эксплуатационные качества, чем фильтр грубой очистки, благодаря извилистому пути потока текучей среды, однако муллитовые фильтры грубой очистки работают лучше, чем можно было ожидать, в областях применения, связанных с ковким чугуном, принимая во внимание, что эти фильтры грубой очистки имеют прямоточную конфигурацию. Полагают, что жидкий шлак в расплавленном ковком чугуне смачивает поверхность муллита лучше, чем он смачивает SiC. Муллитовые фильтры могут лучше удерживать жидкий шлак во время фильтрования, но фильтры из вспененного муллита для применения в литейном производстве были недоступны.
В фильтрах грубого типа очистки трудно удерживать шлак. Жидкие включения, даже если они хорошо смачивают материал муллитового фильтра грубой очистки, очень легко деформируются протекающим расплавленным чугуном и просто стекают вниз по стенкам фильтра к выпускному отверстию. Часто фильтры грубой очистки способствуют слиянию многочисленных мелких шлаковых включений (некритического размера) и выпускают их обратно в текущий чугун в виде включений большего размера.
Существующий уровень техники для фильтров из вспененного SiC на силикатной связке, используемых для фильтрования расплавленного чугуна, описан в патенте США №6663776. Фильтр, описанный в этом патенте, имеет наиболее высокую прочность при высоких температурах, известную в промышленном масштабе конкретно для этого типа фильтров. Существует много компаний, которые изготавливают фильтры из SiC для черной металлургии, поскольку достаточно легко сделать относительно прочный фильтр такого типа. Считается, что во время обжига зерна SiC в керамической массе частично окисляются до кварцевого стекла. Кварцевое стекло обеспечивает хорошую связь зерен SiC с матрицей из силикатного связующего, таким образом создавая относительно прочную пену. При разливке чугунных отливок, в частности ковкого чугуна, образуется жидкий шлак с высоким содержанием FeO. Шлак с высоким содержанием FeO не смачивает фильтры из вспененного SiC из-за карботермической реакции между углеродной составляющей зерен SiC и примесями графита в SiC. Шлак, содержащий FeO, взаимодействует с образованием газообразного СО на поверхности раздела шлак-фильтр, что препятствует смачиванию шлаком фильтра и прилипанию его к фильтру.
Оказалось, что замена SiC муллитом является труднодостижимой, и надлежащая композиция связующего для состава фильтра с подходящими механическими свойствами как при комнатной, так и при высокой температуре, не была ранее найдена. Таким образом, можно довольно просто изготовить приемлемый фильтр из SiC, даже используя нестандартную композицию матрицы, но не содержащую муллит.
Муллитовый фильтр с достаточной прочностью для фильтрования жидкого чугуна ранее упоминался исследователями.
Целью настоящего изобретения является создание вспененного муллита, в котором характеристики смачивания чугуном используют внутри извилистого пути в пене для получения фильтра, который превосходит как вспененный SiC на силикатной связке, так и муллитовый фильтр грубой очистки, создавая более чистую, более поддающуюся машинной обработке чугунную отливку.
Другой целью настоящего изобретения является обеспечение улучшенного способа фильтрования чугуна.
Еще одной целью настоящего изобретения является предоставление фильтра с улучшенной смачиваемостью по отношению к FeO, повышенной термостойкостью и извилистостью пути потока.
В настоящем изобретении предложен предшественник керамического материала. Предшественник керамического материала содержит 35-70 масс.% огнеупорного алюмосиликата; 10-30 масс.% коллоидного диоксида кремния; 0-2 масс.% модифицированного бентонита; 0-35 масс.% белой сажи; 0-10 масс.% порообразователя и растворитель.
Также предложен керамический фильтр, изготовленный посредством способа получения предшественника керамического материала в виде шликера. Предшественник керамического материала содержит 35-70 масс.% огнеупорного алюмосиликата; 10-30 масс.% коллоидного диоксида кремния; 0-2 масс.% модифицированного бетонита; 0-35 масс.% белой сажи; 0-10 масс.% порообразователя и растворитель. Органический пеноматериал пропитывают предшественником керамического материала. Пропитанный органический пеноматериал нагревают до температуры, достаточной для испарения органического пеноматериала и порообразователя и для спекания предшественника керамического материала.
Также в настоящем изобретении предложен способ фильтрования жидкого чугуна. Этот способ включает изготовление пенокерамического фильтра. Фильтр изготавливают посредством получения предшественника керамического материала, содержащего 35-70 масс.% огнеупорного алюмосиликата; 10-30 масс.% коллоидного диоксида кремния; 0-2 масс.% модифицированного бетонита; 0-35 масс.% белой сажи; 0-10 масс.% порообразователя и растворитель. Органический пеноматериал пропитывают предшественником керамического материала, затем нагревают пропитанный органический пеноматериал до температуры, достаточной для испарения органического пеноматериала и порообразователя и для спекания предшественника керамического материала с образованием фильтра. Расплавленный чугун пропускают через фильтр, где удерживается шлак, содержащий FeO.
Фиг.1 представляет собой обычную фотографию фильтра согласно настоящему изобретению.
Фиг.2 представляет собой полученное при помощи электронной микроскопии изображение фильтра согласно настоящему изобретению, увеличенное в 50 раз.
Фиг.3 представляет собой полученный при помощи электронной микроскопии вид в поперечном сечении фильтра согласно настоящему изобретению после фильтрования расплавленного чугуна.
Фиг.4 представляет собой изображение, полученное методом сканирующей электронной микроскопии (СЭМ).
Фиг.5 представляет собой изображение, полученное методом энергорассеивающей рентгеновской спектроскопии (ЭРС).
Фиг.6 представляет собой изображение, полученное методом ЭРС.
Фиг.7 представляет собой изображение, полученное методом СЭМ.
Фиг.8 представляет собой изображение, полученное методом СЭМ.
Фиг.9 представляет собой изображение, полученное методом СЭМ.
Фиг.10 представляет собой изображение, полученное методом СЭМ.
В изобретении предложен муллитовый фильтр на силикатной связке с достаточной прочностью как при температуре окружающей среды, так и при высокой температуре, и с достаточной термостойкостью, а также способ изготовления такого фильтра. В изобретении также предложен улучшенный способ фильтрования расплавленного металла.
Фильтр изготавливают посредством технологии снятия реплики пены, что является общим способом, применяемым для изготовления «сетчатой» пенокерамики, используемой в качестве устройств для фильтрования расплавленного металла. В этом процессе пенополиуретан покрывают керамическим шликером, затем сушат и обжигают. При обжиге пенополиуретан, находящийся внутри керамического покрытия, испаряется, однако керамическая структура остается, в результате чего образуется пенокерамика, подобная внешнему остову, обладающая пустотами в местах, где ранее находился полиуретан. На Фиг.1 представлена обычная фотография пенокерамики. Эта структура по существу представляет собой соединенные страты с пористостью, находящейся вокруг и внутри этих страт.
При изготовлении керамического фильтра керамическим шликером пропитывают пеноматериал. Керамический шликер затем сушат, пеноматериал испаряют и керамику спекают. Способ образования керамического фильтра представлен в патентах США №№4056586; 5456833 и 5673902, каждый из которых представлен здесь в виде ссылки.
Используемый шликер зависит от требуемого керамического материала для выбранного применения. Необходимо иметь достаточные свойства в конечном продукте для того, чтобы он удовлетворял конкретному применению в отношении химической устойчивости, и необходимо иметь достаточную конструкционную и/или механическую прочность для того, чтобы оказаться прочным в условиях особенно высоких температур. К тому же, шликер должен обладать относительно высокой степенью текучести и состоять из водной суспензии керамики, предполагаемой для использования в фильтре. Обычно шликер содержит воду. К тому же, в шликере можно использовать добавки, такие как связующие и поверхностно-активные вещества.
Гибкий пеноматериал пропитывают водным керамическим шликером, в результате чего шликер покрывает волокнисто-подобную сетчатую конструкцию и полости материала заполняются. Обычно предпочитают неоднократно погружать пеноматериал в шликер и сжимать его между погружениями, чтобы гарантировать полную пропитку пеноматериала.
Пропитанный пеноматериал предпочтительно сжимают так, чтобы удалить от 25 до 75% шликера, в то же время оставляя шликер, который покрывает волокнисто-подобную часть сетчатой конструкции. В непрерывном режиме можно пропускать пропитанный пеноматериал через предварительно настроенные вальцы, чтобы влиять на требуемый выход шликера из пеноматериала и оставлять требуемое его количество внутри пеноматериала. Это можно сделать вручную простым отжимом гибкого пеноматериала до требуемой степени. На этой стадии пеноматериал еще гибкий, и ему можно придать любую форму, подходящую для конкретных задач фильтрования, т.е. сформировать искривленные пластины, полые цилиндры и т.д. Необходимо поддерживать сформованный пеноматериал в правильном положении посредством обычных средств до разложения полимерного субстрата или предпочтительно до спекания керамики. Пропитанный пеноматериал затем сушат либо на воздухе, либо ускоренно при температуре от 35 до 700°С в течение периода времени от 2 минут до 6 часов. После сушки материал нагревают при повышенной температуре для связывания керамических частиц с получением волокнисто-подобной сетчатой конструкции. Предпочтительно нагревание высушенного пропитанного материала производить в две стадии, причем первая стадия заключается в нагревании до температуры от 350° до 700°С и выдержке в этом температурном диапазоне в течение от 2 минут до 6 часов для выжигания или испарения сетчатой конструкции гибкого пеноматериала. Очевидно, что при желании эта стадия может быть частью цикла сушки. Вторая стадия заключается в нагревании до температуры от 900° до 1700°С и выдержке в этом температурном диапазоне в течение от 2 минут до 10 часов, для того чтобы связать керамику. Получающийся продукт является плавленой пенокерамикой с открытой ячеистой структурой, характеризующейся множеством связанных между собой полостей, окруженных керамической сетчатой конструкцией. Пенокерамика может иметь любую требуемую конфигурацию исходя из конфигурации, необходимой для процессов фильтрования конкретного расплавленного металла.
Способ формирования фильтра по изобретению включает формирование предшественников керамического материала в виде шликера. Для целей настоящего изобретения предшественники керамического материала включают специфические соотношения огнеупорных алюмосиликатов, коллоидного диоксида кремния, белой сажи или плавленого кварца (fused silica) и модифицированного бентонита. Шликер может включать поверхностно-активное вещество для уменьшения поверхностного натяжения водной фазы до уровня ниже 80 мН/м для улучшения характеристик смачивания.
Термин «огнеупорные алюмосиликаты» в том виде, как он используется здесь, означает огнеупорные сырьевые материалы, которые содержат преимущественно муллит и которые имеют огнеупорность по пирометрическому конусу (ОПК), равную по меньшей мере 20. Этот класс сырьевых материалов также известен в литературе по огнеупорным материалам по таким синонимам, как прокаленные огнеупорные глины, прокаленный заполнитель, огнеупорные продукты обжига, муллитовые продукты обжига, огнеупорный заполнитель, прокаленный кианит, электроплавленый муллит и шамоты.
Предшественник керамического материала по настоящему изобретению содержит приблизительно 35-70 масс.% огнеупорного алюмосиликата, приблизительно 10-30 масс.% коллоидного диоксида кремния, приблизительно от 0 до 2 масс.% бентонита или модифицированного бентонита, т.е. бентонита, к которому добавлен полимерный модификатор характеристик течения материала, приблизительно от 0 до 35 масс.% белой сажи или плавленого кварца и приблизительно от 0 до 10 масс.% порообразователя, при этом остальное составляет растворитель, предпочтительно вода, количество которой достаточно для затекания композиции в пеноматериал. Особенно предпочтительно использовать в качестве растворителя приблизительно 5-8 масс.% воды. Более предпочтительно, керамическая композиция содержит 40-60 масс.% и наиболее предпочтительно 50-60 масс.% огнеупорного алюмосиликата. При содержании огнеупорного алюмосиликата ниже приблизительно 40 масс.% FeO может не в достаточной мере смачивать внутренние поверхности фильтра, что приводит к его капиллярному затеканию в щели, где он и остается. Фильтры, изготовленные с содержанием менее 50 масс.% огнеупорного алюмосиликата, могут также быть более чувствительны к термическому удару при их применении. При содержании огнеупорного алюмосиликата выше приблизительно 60 масс.% прочность фильтра является компромиссной. Более предпочтительно предшественник керамического материала содержит 10-23 масс.% коллоидного диоксида кремния. Более предпочтительно предшественник керамического материала содержит приблизительно от 0,6 до 1,5 масс.% бентонита или модифицированного бентонита и наиболее предпочтительно приблизительно 0,8 масс.% бентонита или модифицированного бентонита. Более предпочтительно предшественник керамического материала содержит приблизительно 10-20 масс.% белой сажи. Белая сажа и плавленый кварц могут быть использованы взаимозаменяемо в настоящем изобретении в любом соотношении, вплоть до полного количества либо белой сажи, либо плавленого кварца, как изложено в этом документе.
Получаемый фильтр имеет предел прочности на изгиб в горячем состоянии, измеренный при 1428°С, в диапазоне от 0,138 до 0,552 МПа (от 20 до 80 фунт/кв. дюйм) при средней относительной плотности приблизительно 14%.
Плотность получаемого фильтра предпочтительно составляет по меньшей мере от 8 масс.% от теоретической плотности до не более чем 18 масс.% от теоретической плотности. Выше 18 масс.% от теоретической плотности скорость фильтрации является слишком низкой, чтобы быть эффективной. Ниже 8 масс.% от теоретической плотности прочность фильтра является недостаточной для использования при фильтровании расплавленного чугуна.
Огнеупорный алюмосиликат является встречающимся в природе материалом с номинальным составом 3Al2O3·2SiO2. На практике огнеупорный алюмосиликат содержит приблизительно от 45 до 70 масс.% Al2O3 и от приблизительно 25 масс.% до приблизительно 50 масс.% SiO2. Также присутствуют естественные примеси и специалист должен понимать, что полное их удаление является дорогостоящим. На практике огнеупорный алюмосиликат имеет приблизительно 1,5-3 масс.% TiO2, приблизительно до 1,5 масс.% Fe2O3, до приблизительно 0,06 масс.% СаО, до приблизительно 0,8 масс.% MgO, до приблизительно 0,09 масс.% Na2O, до приблизительно 0,9 масс.% K2O и до приблизительно 0,12 масс.% Р2О5. Для целей настоящего изобретения предпочтительными огнеупорными алюмосиликатами являются матки Mulcoa 47®, Mulcoa 60® и Mulcoa 70®, все доступные от С-Е Minerals of America, GA, однако любой коммерчески доступный порошок огнеупорного алюмосиликата пригоден для этого применения.
Предпочтительно добавлять летучие органические материалы в керамический шликер для дальнейшего увеличения пористости.
В альтернативном воплощении изобретения, предшественник керамического материала, включающий полости сферической формы, можно формовать с получением требуемой формы пористой керамики и обжигать требуемым образом, как указано в патенте США №6773825, который включен здесь в качестве ссылки.
Смесь керамических или металлических частиц и мягких органических сфер в качестве порообразователя приготавливают в жидкости или суспензии и из этой смеси получают формованные изделия. Формованные изделия сушат и обжигают так, что частицы связываются посредством спекания. Органические сферы и другие органические добавки являются испаряемыми. Сферы предпочтительно обладают низкой плотностью и, более предпочтительно, являются полыми. Размер полостей может быть предварительно выбран путем отбора подходящих полимерных сфер. Пористость также легко регулировать количеством добавляемых полимерных сфер. Наиболее предпочтительно, чтобы каждая из полимерных сфер находилась в контакте по меньшей мере с двумя другими сферами так, чтобы сеть полостей создавалась в возможной пористой пластине.
К суспензии предшественника керамического материала добавляют в качестве порообразователя мягкие полые органические сферы, которые одновременно суспендированы в растворителе. Предшественник керамического материала затем включают в пеноматериал, как описано далее, и сушат, чтобы удалить растворитель. Когда предшественник керамического материала обжигают для образования керамики, сферы испаряются, что приводит к однородному распределению полостей внутри решетки фильтра. Используя данный способ, можно достигнуть диапазона пористости, однако для использования при фильтровании жидкого чугуна предпочтительно, чтобы пористость была не больше 60%, в силу того, что при более высокой пористости материал имеет недостаточную термостойкость. Пористость и размер пор легко регулируют путем количества и размеров используемых полимерных сфер. После обжига полость имеет по существу ту же форму и размер, что и включенная сфера. Наиболее предпочтительно использовать сферы со средним диаметром от 20 до 150 микрон и более предпочтительно от 20 до 80 микрон. Сферы со средним диаметром 80 микрон наиболее предпочтительны. Можно использовать другие органические порообразователи, включая муку, целлюлозу, крахмал и подобные материалы. Полые органические сферы наиболее предпочтительны из-за низкого объема органического материала по отношению к объему поры, который может быть достигнут, и из-за минимального количества органического остатка, остающегося после обжига. Наиболее предпочтительно, чтобы шликер содержал примерно до 10 масс.% порообразователя на основе полых сфер размером 80 мкм.
Материал либо формуют в заданный размер, либо нарезают по заданному размеру. Материал можно резать по заданному размеру в виде сырой или спеченной керамики.
ПРИМЕРЫ
Пример 1
Композицию предшественника керамического материала изготавливали, используя материалы, представленные в Табл.1. Представленный в Табл.1 используемый огнеупорный алюмосиликат представлял собой Milcoa 60®, измельченный до -325 меш, как поставляет С-Е Minerals. Использовали коллоидный диоксид кремния, полученный от Nyacol. Использовали модифицированный бентонит, полученный от Wyo-Ben, Inc. Используемая белая сажа была получена от СЕ Minerals. Композицию обжигали при 1200°С в течение 30 мин. Белую сажу можно заменить плавленым кварцем, чтобы улучшить способность к резанию керамического пеноматериала в обожженном состоянии. Предел прочности на изгиб, измеренный при температуре окружающей среды, представлен в Табл.2. Предел прочности на изгиб, измеренный при высокой температуре, показан в Табл.3.
| Таблица 1 | |
| Компонент | Масс.% |
| Огнеупорный алюмосиликат | 54,50 |
| Коллоидный диоксид кремния | 21,00 |
| Модифицированный бентонит | 0,75 |
| Белая сажа | 17,75 |
| Вода | 6,00 |
Предел прочности на изгиб (ППИ) фильтра при средней комнатной температуре составляет примерно 0,62 МПа (90 фунтов/кв. дюйм) в пределах данного диапазона плотности. Это значение приемлемо для большинства применений в фильтровании расплавленного металла.
| Таблица 2 ППИ при комнатной температуре |
|
| Плотность, % | ППИ, МПа (фунт/ кв. дюйм) |
| 15,7 | 0,66 (95,1) |
| 13,3 | 0,53 (77,1) |
| 14,0 | 0,79 (115,0) |
| 13,4 | 0,66 (96,5) |
| 15,3 | 0,74 (107,4) |
| 14,0 | 0,59 (85,5) |
| 13,1 | 0,54 (78,4) |
| 13,9 | 0,68 (99,3) |
| 14,9 | 0,58 (83,8) |
| 15,0 | 0,65 (94.0) |
| среднее 14,3 | среднее 0,64 (93,2) |
Чтобы измерить ППИ при высокой температуре фильтров из муллитовой пенокерамики на силикатной связке, образцы, поддерживаемые при комнатной температуре, помещали непосредственно в печь, поддерживаемую при температуре 1428°С, затем испытывали в конфигурации трехточечного изгиба спустя примерно 45 секунд после того, как фильтр был установлен в печь. Это испытание аналогично условиям, которым подвергается фильтр во время фильтрования. Результаты представлены в Табл.3.
| Таблица 3 ППИ при высокой температуре |
|
| Плотность, % | ППИ, МПа (фунт/кв. дюйм) |
| 15,0 | 0,35 (51,5) |
| 15,2 | 0,36 (51,9) |
| 15,3 | 0,28 (40,3) |
| 14,2 | 0,21 (30,1) |
| 15,3 | 0,14 (19,8) |
| 15,0 | 0,23 (33,1) |
| 15,4 | 0,11 (15,7) |
| 15,6 | 0,20 (29,2) |
| 15,6 | 0,25 (36,3) |
| 13,4 | 0,19 (28,0) |
| среднее 15,0 | среднее 0,22 (31,6) |
Пример 2
Чтобы улучшить удерживание жидкого шлака и емкость, композицию изготавливали, как в Табл.1, с дополнительным включением 4 масс.% полых органических сфер диаметром 80 мкм. Полученный фильтр исследовали под электронным микроскопом, и полученная микроструктура показана на Фиг.2. Когда жидкий шлак смачивает муллитовую основу, он может засасываться в микропоры из-за капиллярного действия.
Пример 3
Фильтр изготавливали при тех же условиях, как и в Примере 1, с композицией, представленной в Табл.4. Milcoa 70® использовали в качестве огнеупорного алюмосиликата, поставляемого С-Е Minerals.
| Таблица 4 | |
| Компонент | Масс.% |
| Огнеупорный алюмосиликат | 54,5 |
| Коллоидный диоксид кремния | 21,0 |
| Модифицированный бентонит | 0,8 |
| Белая сажа | 17,8 |
| Вода | 5,9 |
Полученный средний ППИ при высокой температуре по данным измерений составлял 0,23 МПа (34 фунт/кв. дюйм) при средней относительной плотности пеноматериала 14%.
Пример 4
Фильтр изготавливали при тех же условиях, что и в Примере 1, с композицией, представленной в Табл. 5. Milcoa 47® был использован в качестве огнеупорного алюмосиликата, поставляемого С-Е Minerals, и керамику обжигали при температуре 1225°С в течение 5 минут.
| Таблица 5 | |
| Компонент | Масс.% |
| Огнеупорный алюмосиликат | 54,5 |
| Коллоидный диоксид кремния | 21,0 |
| Модифицированный бентонит | 0,8 |
| Белая сажа | 17,8 |
| Вода | 5,9 |
Полученный средний ППИ при высокой температуре по данным измерений составлял 0,43 МПа (63 фунт/кв. дюйм) при средней плотности пены 14%.
Пример 5
Фильтры описанной в Примере 1 конфигурации были изготовлены и испытаны в процессе чугунного литья. Эти фильтры были испытаны в сравнении со стандартными фильтрами на основе карбидокремниевой пенокерамики. В процессе испытания расплавленный серый чугун разливали через стандартную металлическую литниковую систему и фильтровальный контейнер, через испытываемый фильтр, в форму, чтобы получить стандартную промышленную литую чугунную деталь. После отверждения металла и охлаждения системы испытываемые фильтры извлекали, нарезали и полировали при помощи стандартной металлургической технологии приготовления образцов и исследовали их сечения для подтверждения удерживания жидкого шлака, улавливания его и поглощения в микропорах материала фильтра. На Фиг.3 показана микрофотография полученного сечения образца. На этой Фиг.3 присутствует доказательство проникновения жидкого шлака в материал фильтра. В этом случае улавливаемый шлак, содержащий металлические оксиды, являлся смесью примесей металлических оксидов (кремния, титана, кальция, магния и алюминия), как было определено посредством энергорассеивающей рентгеновской спектроскопии (ЭРС). Оценка образцов из этого испытания показывает более глубокое проникновение металлооксидного шлака в микропористую структуру фильтра, по сравнению со стандартным карбидокремниевым фильтром при тех же рабочих условиях.
В аналогичном испытании фильтры согласно настоящему изобретению, полученные как описано в Примере 1, и стандартные карбидокремниевые фильтры были испытаны при стандартном литье серого чугуна при отливке цилиндрических блоков серого чугуна. Литейная модель содержит два фильтровальных блока. Каждый фильтровальный блок фильтрует чугун, требуемый для заполнения одного цилиндрического блока. Для каждого испытания фильтр согласно настоящему изобретению помещали в один фильтровальный блок, и стандартный карбидокремниевый фильтр помещали в другой фильтровальный блок в качестве контрольного образца. Были изготовлены четыре отливки, каждая из которых не содержала дефектов, связанных с включениями. Не было обнаружено никаких измеримых различий во времени разливки. Литниковую систему очищали, и сегменты фильтровального блока удаляли из ствола литниковой системы для металлургической оценки. Сегмент фильтровального блока ствола литниковой системы разделяли на части, чтобы обнажить волокна фильтра. Фильтровальный блок согласно настоящему изобретению исследовали на предмет наличия следов механической неисправности. Не было обнаружено никаких доказательств провисания или повреждения в волокнистой структуре. Не было никаких признаков растрескивания или прогибания фильтра согласно настоящему изобретению, тем самым было подтверждено, что фильтр способен противостоять механическим и термическим нагрузкам в достаточной степени для применений при фильтровании чугуна.
Фильтры исследовали, чтобы определить количество и тип материала включений, захваченных волокнами фильтра. На Фиг.4 и 10 показан захваченный материал включений. Исследование как фильтра согласно настоящему изобретению, так и контрольного фильтра показывает большое количество зерен песка, захваченных на передней кромке обоих фильтров. В некоторых областях фильтр был полностью блокирован зернами песка. Примеры зерен песка ясно показаны на Фиг.4 для контрольного фильтра и на Фиг.8 и 9 для фильтра согласно настоящему изобретению. На Фиг.5 показаны результаты рентгеновской энергодисперсионной спектроскопии ЭРС, подтверждающие, что примесью является SiO2 или частицы песка, состоящие из диоксида кремния.
Основным компонентом включения была фаза металлооксидного шлака, показанная на Фиг.4, 7, 8, 9 и 10. Этот шлак исследовали и обнаружили, что он содержит оксид кремния, оксид кальция, оксид магния, оксид алюминия и оксид титана. Этот шлак был обнаружен во всех четырех фильтрах. Количество оксидного шлака изменяется в зависимости от местоположения внутри каждого индивидуального фильтра, однако этот примесный материал находился в изобилии в каждом фильтре и легко обнаруживался при осмотре каждого фильтра. К тому же этот металлооксидный шлак содержит маленькие шарики или капли чистого чугуна. Эти капли чугуна обычно формируются за счет восстановления оксида железа до элементарного железа углеродным осадком по мере затвердевания железа. Эти капли чугуна наблюдали как в контрольных фильтрах, так и в фильтрах согласно настоящему изобретению. Эти капли обычно возникают из-за турбулентности внутри литниковой системы.
Не существовало никаких существенных различий в составе шлака, захваченного материалом контрольного фильтра по сравнению со шлаком, захваченным материалом фильтра согласно настоящему изобретению. Единственное наблюдаемое различие в двух различных керамических материалах состояло в глубине проникновения металлоксидного шлака в фильтр согласно настоящему изобретению по сравнению с контрольным фильтром. На Фиг.9 и 10 ясно показано, что для фильтра согласно настоящему изобретению капиллярное затекание шлака в фильтр происходит намного более эффективно, чем для контрольного. Проникновение шлака в фильтр согласно настоящему изобретению было намного более заметно, чем в случае сравнительного фильтра. Так как и фильтр согласно настоящему изобретению, и сравнительный фильтр помещали внутри такой же формы, неудивительно, что они улавливали похожие примесные материалы. На основании визуального осмотра видно, что фильтр согласно настоящему изобретению улавливал больше включений, чем сравнительный фильтр.
Фильтр согласно настоящему изобретению выдерживал термические и механические нагрузки, характерные для области применения в производстве серого чугуна. Не было получено никаких доказательств любого механического или химического разрушения фильтра.
Так же как в примере 1, готовили шихту, включающую 53,5 масс.% огнеупорного алюмосиликата, 20,0 масс.% коллоидного диоксида кремния, 0,75 масс.% бентонита, 16,75 масс.% белой сажи, 3 масс.% полых органических сфер; остаток составляла вода. Указанную композицию предшественника керамического материала использовали и исследовали, как в примере 1, при этом плотность пенокерамики ниже, чем в случае композиции из примера 1.
Изобретение описано с конкретными ссылками на предпочтительные воплощения, но не ограничивается ими. Специалист мог бы прийти к воплощениям, которые не выходят за рамки области настоящего изобретения, как это более подробно изложено в прилагаемой формуле изобретения.
1. Предшественник керамического материала, включающий
35-70 мас.% огнеупорного алюмосиликата, содержащего приблизительно от 45 до 70 мас.% Al2O3 и от приблизительно 25 мас.% до приблизительно 50 мас.% SiO2;
10-30 мас.% коллоидного диоксида кремния;
до 2 мас.% бентонита;
до 35 мас.% белой сажи;
вода - остальное.
2. Предшественник керамического материала по п.1, дополнительно включающий до 10 мас.% порообразователей.
3. Предшественник керамического материала по п.2, где указанные порообразователи представляют собой полые сферы.
4. Предшественник керамического материала по п.3, где указанные полые сферы имеют диаметр от 20 до 150 мкм.
5. Предшественник керамического материала по п.1, где указанный предшественник керамического материала включает 40-60 мас.% огнеупорного алюмосиликата.
6. Предшественник керамического материала по п.1, где указанный предшественник керамического материала включает 10-23 мас.% коллоидного диоксида кремния.
7. Предшественник керамического материала по п.1, где указанный предшественник керамического материала включает до 1,5 мас.% бентонита.
8. Предшественник керамического материала по п.7, где указанный предшественник керамического материала включает 0,8 мас.% бентонита.
9. Предшественник керамического материала по п.1, где указанный предшественник керамического материала включает до 20 мас.% белой сажи.
10. Предшественник керамического материала по п.9, где указанный предшественник керамического материала включает 10-20 мас.% белой сажи.
11. Фильтр, изготовленный путем пропитки пеноматериала предшественником керамического материала по п.1 и нагревания, где указанный фильтр имеет предел прочности на изгиб в горячем состоянии от 0,172 до 0,827 МПа (от 25 до 120 фунт/кв. дюйм).
12. Фильтр по п.11, где указанный фильтр имеет относительную плотность, составляющую приблизительно 12% от теоретической плотности.
13. Фильтр по п.11, где указанный фильтр имеет плотность от 8 до 18%.
14. Фильтр по п.11, где указанный бентонит представляет собой бентонит, модифицированный добавлением полимерного модификатора характеристик течения материала.
15. Керамический фильтр, изготовленный способом, включающим получение предшественника керамического материала, который включает 35-70 мас.% огнеупорного алюмосиликата, содержащего приблизительно от 45 до 70 мас.% Al2O3 и от приблизительно 25 мас.% до приблизительно 50 мас.% SiO2,
10-30 мас.% коллоидного диоксида кремния,
до 2 мас.% модифицированного бентонита,
до 35 мас.% белой сажи,
вода - остальное;
пропитку органического пеноматериала указанным предшественником керамического материала;
нагревание указанного пропитанного органического пеноматериала до температуры, достаточной для испарения указанного органического пеноматериала и связывания указанного предшественника керамического материала, где указанный фильтр имеет плотность 8-18%.
16. Керамический фильтр по п.15, где предшественник керамического материала дополнительно включает до 10 мас.% порообразователей.
17. Керамический фильтр по п.16, где указанные порообразователи представляют собой полые сферы.
18. Керамический фильтр по п.17, где указанные полые сферы имеют диаметр от 20 до 150 мкм.
19. Керамический фильтр по п.15, где указанный предшественник керамического материала включает 50-60 мас.% огнеупорного алюмосиликата.
20. Керамический фильтр по п.19, где указанный предшественник керамического материала включает 40-60 мас.% огнеупорного алюмосиликата.
21. Керамический фильтр по п.15, где указанный предшественник керамического материала включает 10-23 мас.% коллоидного диоксида кремния.
22. Керамический фильтр по п.15, где указанный предшественник керамического материала включает до 1,5 мас.% бентонита.
23. Керамический фильтр по п.22, где указанный предшественник керамического материала включает 0,8 мас.% бентонита.
24. Керамический фильтр по п.15, где указанный предшественник керамического материала включает до 20 мас.% белой сажи.
25. Керамический фильтр по п.24, где указанный предшественник керамического материала включает 10-20 мас.% белой сажи.
26. Керамический фильтр по п.15, где указанный фильтр имеет предел прочности на изгиб в горячем состоянии от 0,172 до 0,827 МПа (от 25 до 120 фунт/кв. дюйм).
27. Керамический фильтр по п.26, где указанный фильтр имеет относительную плотность, составляющую приблизительно 12% от теоретической плотности.
28. Керамический фильтр по п.15, где указанный бентонит представляет собой бентонит, модифицированный добавлением полимерного модификатора характеристик течения материала.
29. Способ фильтрования расплавленного чугуна, включающий
получение пенокерамического фильтра при помощи операций
получения предшественника керамического материала, который включает
35-70 мас.% огнеупорного алюмосиликата, содержащего приблизительно от 45 до 70 мас.% Al2O3 и от приблизительно 25 мас.% до приблизительно 50 мас.% SiO2;
10-30 мас.% коллоидного диоксида кремния;
до 2 мас.% бентонита;
до 35 мас.% белой сажи;
вода - остальное;
пропитки органического пеноматериала указанным предшественником керамического материала;
нагревания указанного пропитанного органического пеноматериала до температуры, достаточной для испарения указанного органического пеноматериала и спекания указанного предшественника керамического материала с образованием фильтра, и
пропускание расплавленного чугуна через указанный фильтр, где шлак, содержащий FeO, удерживается указанным фильтром.
30. Способ фильтрования расплавленного чугуна по п.29, где предшественник керамического материала дополнительно включает до 10 мас.% порообразователей.
31. Способ фильтрования расплавленного чугуна по п.30, где указанные порообразователи представляют собой полые сферы.
32. Способ фильтрования расплавленного чугуна по п.31, где указанные полые сферы имеют диаметр от 20 до 150 мкм.
33. Способ фильтрования расплавленного чугуна по п.29, где указанный предшественник керамического материала включает 50-60 мас.% огнеупорного алюмосиликата.
34. Способ фильтрования расплавленного чугуна по п.33, где указанный предшественник керамического материала включает 40-60 мас.% огнеупорного алюмосиликата.
35. Способ фильтрования расплавленного чугуна по п.29, где указанный предшественник керамического материала включает 10-23 мас.% коллоидного диоксида кремния.
36. Способ фильтрования расплавленного чугуна по п.29, где указанный предшественник керамического материала включает до 1,5 мас.% бентонита.
37. Способ фильтрования расплавленного чугуна по п.36, где указанный предшественник керамического материала включает 0,8 мас.% бентонита.
38. Способ фильтрования расплавленного чугуна по п.29, где указанный предшественник керамического материала включает до 20 мас.% белой сажи.
39. Способ фильтрования расплавленного чугуна по п.38, где указанный предшественник керамического материала включает 10-20 мас.% белой сажи.
40. Способ фильтрования расплавленного чугуна по п.29, где указанный фильтр имеет предел прочности на изгиб в горячем состоянии от 0,172 до 0,827 МПа (от 25 до 120 фунт/кв. дюйм).
41. Способ фильтрования расплавленного чугуна по п.29, где указанный фильтр имеет относительную плотность, составляющую приблизительно 12% от теоретической плотности.
42. Способ фильтрования расплавленного чугуна по п.29, где указанный фильтр имеет относительную плотность от 8 до 18%.
43. Способ фильтрования расплавленного чугуна по п.29, где указанный бентонит представляет собой бентонит, модифицированный добавлением полимерного модификатора характеристик течения материала.
