PL204854B1 - Urządzenie filtracyjne do filtrowania roztopionej stali oraz sposób jego wytwarzania - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie filtracyjne do filtrowania roztopionej stali oraz sposób jego wytwarzania.

W celu przerobu roztopionych metali, a w szczególnoś ci stali, pożądane jest usunię cie pochodzących z zewnątrz wtrąceń międzymetalicznych, takich jak pochodzące z zanieczyszczeń surowców, z żużla, z kożucha ż uż lowego oraz tlenków, które tworzą się na powierzchni roztopionego metalu, oraz z małych fragmentów materiałów ogniotrwałych, których używa się do uformowania komory albo zbiornika, w którym tworzy się roztopiony metal.

Usunięcie tych wtrąceń tworzy jednorodną kąpiel, która zapewnia wysoką jakość wyrobów, zwłaszcza w przypadku odlewania stali, żelaza oraz aluminium. Obecnie szeroko stosuje się filtry ceramiczne ze względu na ich zdolność do opierania się skrajnym wstrząsom cieplnym, ze względu na ich odporność na korozję chemiczną oraz ich wytrzymałość na naprężenia mechaniczne.

Wytwarzanie takich filtrów ceramicznych na ogół wiąże się z mieszaniem proszku ceramicznego z odpowiednimi spoiwami organicznymi i wodą w celu przygotowania pasty albo gęstwy.

Gęstwę wykorzystuje się do impregnowania pianki poliuretanowej, którą następnie suszy się i wypala w temperaturze 1000 - 1700°C. W wyniku tej obróbki, w trakcie spiekania materiał palny ulega wypaleniu, przez co tworzy się porowata masa. Opisy patentowe Stanów Zjednoczonych Ameryki US-A-2460929 i US-A-2752258 mogą służyć za przykłady powszechnie stosowanej procedury.

Co więcej, filtr z otwartymi porami, który zamiast losowo rozmieszczonych nieregularnych kanałów łączących ma szereg równoległych kanałów przechodzących przez materiał zwykle wykonuje się prasując hydraulicznie wilgotny proszek ceramiczny i spoiwo organiczne w formie zawierającej prostopadłe kołki. W ten sposób uzyskuje się perforowaną strukturę, która może mieć postać tarczy albo bloku. Perforowany wyrób wypala się następnie w temperaturze 1000 - 1700°C, w zależności od finalnego zastosowania, w celu wytworzenia perforowanej tarczy. Podczas wypalania następuje ceramiczne i/lub szkliste zestalenie materiału.

Opis patentowy Stanów Zjednoczonych Ameryki nr US-A-4721567 ujawnia ceramiczny filtr wlewowy do stosowania w odlewaniu roztopionego metalu, który zawiera szereg rozmieszczonych blisko siebie elementów otworowych, wyznaczających wnęki filtracyjne pomiędzy sobą, przy czym ich otwory są przesunięte względem siebie w taki sposób, że metal wypływający z otworów jednego elementu przechodzi przez przewężenie przed wpłynięciem do otworów następnego elementu. Opis ten ujawnia filtr ceramiczny ze wszystkimi wadami dużej masy cieplnej, podatnością na wstrząsy cieplne, pełzaniem oraz degradacją cieplną. Filtr składa się z dwóch lub większej liczby oddzielnych części, które nie są połączone ze sobą. Pomiędzy warstwami, gdy filtr jest ostatecznie zmontowany, nie tworzy się żadna przestrzeń albo komora. Istnieje także zastrzeżenie odnośnie przestrzeni między otworami, jak również odnośnie średnicy otworów. Filtr ten jest szczególnie kosztowny w wykonaniu i ma wiele wad.

Opis patentowy Stanów Zjednoczonych Ameryki US 6216768 ujawnia, że stosunek liczby wolnych otworów w płycie filtracyjnej, usytuowanych w obszarach, które nie są pokryte przez obrabiany materiał, z jednej strony, do całkowitej liczby otworów w tej płycie filtracyjnej, z drugiej strony, jest nie mniejszy niż 10% i/lub nie większy niż 75%. Filtr ten jest przeznaczony w szczególności do modyfikowania żelaza. Nadaje się on tylko do odlewania żelaza. Dostarczany jest w stanie niepołączonym, jako dwie części. Filtr ten jest montowany przez użytkownika na miejscu odlewania. Jest on wykonany z ceramiki i wykorzystuje się w nim uszczelkę umieszczoną pomiędzy dwoma połówkami.

Opis patentowy Stanów Zjednoczonych Ameryki US-A-5785851 ujawnia siatkowy filtr ceramiczny do roztopionego metalu, który ma część wlotową z powierzchnią wlotową, pośrednią część korpusu przylegającą do części wlotowej oraz część wylotową z powierzchnią wylotową. Powierzchnia wlotowa nie znajduje się na tym samym poziomie co powierzchnie górne i powierzchnie dolne, aby zapewnić dużą powierzchnię styku dla roztopionego metalu doprowadzanego do powierzchni wlotowej. Opis patentowy ujawnia filtr piankowy z pewnymi modyfikacjami powierzchni pianki. Na wierzchu filtra piankowego może być umieszczona górna płyta perforowana, działająca jako filtr wstępny. W praktyce filtr ten nie działa wskutek nadmiernego chłodzenia metalu podczas odlewania, ponieważ metal musi przejść przez ceramiczny filtr wstępny, jak również przez filtr ceramiczny. Co więcej, opis patentowy nie wyjaśnia, jakiego rodzaju mechanizm stosuje się do połączenia filtra wstępnego z filtrem piankowym.

Ponadto publikacja międzynarodowa WO 01/40414 A1 ujawnia materiał porowaty na bazie węgla, który ma gęstość około 0,1 - 0,6 g/cm³ i jest wytwarzany poprzez kontrolowane nagrzewanie

PL 204 854 B1 małych cząstek węgla w „formie i w atmosferze nieutleniającej. Tak wytworzony porowaty produkt korzystnie ma kształt bliski siatki, może być obrabiany skrawaniem, przyklejany oraz w inny sposób wytwarzany, aby tworzyć szeroką gamę wyrobów tanich, o małej gęstości, bądź też jest używany w postaci gotowej jako filtr albo izolator cieplny lub elektryczny itp. Te porowate wyroby bez dalszej obróbki wykazują wytrzymałości na ściskanie do około 6000 psi (41 MPa). Dalsza obróbka poprzez nawęglanie albo grafityzację tych porowatych wyrobów daje wyroby, które można wykorzystać jako przewodniki, elektryczne albo ciepła. Opis patentowy ujawnia piankę głównie o zamkniętych i losowo rozmieszczonych porach. Jest ona trudna w produkcji masowej ze względu na konieczność stosowania stalowej formy. Jedyne cytowane zastosowanie do filtrowania dotyczy tylko aluminium, wytwarzanie tej pianki wymaga kontrolowanego ciśnienia i atmosfery. Rozwiązanie to polega na regulacji ciśnienia wewnątrz formy w celu uzyskania porowatej struktury. Ponadto pory w tym przypadku nie są w peł ni otwarte. Zastrzeż enie zastosowania do filtrowania jest jednym, z wielu zastosowań i nie ma dowodu, że filtr był kiedykolwiek rzeczywiście używany do filtrowania metalu. Wymieniono także tylko filtrowanie aluminium, ponieważ taki filtr jest zbyt słaby do filtrowania stali. Opis patentowy ujawnia tylko filtr węglowy, bez jakiejkolwiek ceramiki. Proces wytwarzania filtra opiera się na regulowaniu ciśnienia wewnątrz formy. Proces jest trudny do kontrolowania.

Opis patentowy Stanów Zjednoczonych Ameryki US-A-4395333 ujawnia ulepszony element filtrujący do stosowania w urządzeniu do filtrowania roztopionego metalu oraz sposób wytwarzania takiego elementu filtrującego. Urządzenie składa się ze zbiornika filtracyjnego wyposażonego w element filtrujący. W jednym przykładzie realizacji niniejszego wynalazku ulepszony element filtrujący zwilża się wstępnie metalem przed wprowadzeniem urządzenia filtracyjnego do eksploatacji. W drugim przykładzie realizacji niniejszego wynalazku ulepszony element filtrujący wzmacnia się jednym albo większą liczbą elementów wzmacniających. Ulepszony element filtrujący można stosować w zbiornikach filtracyjnych mają cych róż norodne konstrukcje. Filtr ten jest przeznaczony tylko do aluminium. Jest on wykonany z ceramiki i jest wzmocniony strukturą ceramiczną. Głównym celem tego rozwiązania jest poprawa mechanicznej integralności filtru podczas używania go do filtrowania aluminium.

Europejski opis patentowy EP 0490371 A2 ujawnia sposób obróbki roztopionego aluminium zawierającego cząstki, w celu usunięcia cząstek z roztopionego aluminium, obejmujący przepuszczenie roztopionego aluminium przez pierwszy sztywny materiał filtracyjny mający pierwszą powierzchnię, w celu usunię cia frakcji czą stek, zbieranie tych czą stek na tej pierwszej powierzchni w postaci placka filtracyjnego, przy czym cząstki można usunąć z tych powierzchni, stykając placek filtracyjny z pęcherzykami gazu, oraz przepuszczenie tego roztopionego aluminium przez drugi sztywny materiał filtracyjny w celu usunięcia z niego cząstek mających rozmiary na ogół mniejsze niż cząstki usuwane przez pierwszy materiał. Urządzenie przydatne do filtrowania roztopionego metalu zawiera sztywny filtr zgrubny i sztywny filtr dokładny. Rozwiązanie dotyczy tylko filtrowania aluminium. Obydwa filtry są filtrami z pianki ceramicznej i nie są ze sobą połączone.

Opis patentowy Stanów Zjednoczonych Ameryki US-A-4514346 ujawnia wykorzystanie żywicy fenolowej do reagowania z krzemem w wysokiej temperaturze w celu wytworzenia węglika krzemu. Nie ma tu wiązania węgla. Rozwiązanie to dotyczy tylko wytwarzania porowatego węglika krzemu. Do otrzymywania węglika krzemu stosuje się temperaturę powyżej 1600°C. Proces jest bezwodny. Porowatość uzyskiwana w wyniku tego procesu jest porowatością o porach zamkniętych, która nie ma zastosowania w filtrowaniu, które wymaga porowatości o porach otwartych.

Brytyjski opis patentowy GB-A 970591 ujawnia wytwarzanie wyrobów grafitowych o dużej gęstości i małej przepuszczalności. W roli rozpuszczalnika wykorzystuje się rozpuszczalnik organiczny, a mianowicie alkohol furfurylowy, a nie wodę. Wykorzystuje się spoiwo w postaci smoły 25%, bez ceramiki. Wygrzewanie końcowe zachodzi w temperaturze powyżej 2700°C. Porowatość jest raczej porowatością o porach zamkniętych niż otwartych.

Opis patentowy Stanów Zjednoczonych Ameryki US-A-3309433 ujawnia sposób wytwarzania grafitu o dużej gęstości. Wykorzystuje on prasowanie na gorąco jako środek do uzyskiwania wyrobów grafitowych o dużej gęstości do zastosowań w technice jądrowej. Do wiązania grafitu wykorzystuje on specjalny materiał zwany Dibenzantochrone. Nie ma on zastosowania użytkowego w dziedzinie filtrowania metali. W procesie nie wykorzystuje on żadnej ceramiki. Wykorzystuje on wysoką temperaturę do 2700°C.

Europejski opis patentowy EP 0251634 B1 ujawnia odpowiedni sposób wytwarzania określonych porowatych elementów ceramicznych, mających komórki o gładkich ściankach uformowane przez środki porotwórcze oraz pory o zaokrąglonych brzegach, które łączą komórki.

PL 204 854 B1

Opis patentowy Stanów Zjednoczonych Ameryki US-A-5520823 ujawnia tylko filtry do aluminium. Wiązanie uzyskuje się przy użyciu szkła borokrzemianowego. Wypalanie odbywa się na powietrzu, a wskutek utleniania przez powietrze zachodziłaby strata dużych ilości grafitu. Filtry używane do filtrowania aluminium wypala się zwykle w temperaturze około 1200°C, podczas gdy te przeznaczone do żelaza wypala się w temperaturze 1450°C, do stali zaś w temperaturze powyżej 1600°C.

Mimo ich szerokiego rozpowszechnienia w dziedzinie filtrowania metali, w szczególności stali, filtry ceramiczne wymienionych wyżej typów mają szereg wad ograniczających możliwości ich zastosowania:

1. Filtry ceramiczne, mimo iż podgrzewane wstępnie, mają tendencję do ulegania zatykaniu przez zastygające cząstki przy pierwszym zetknięciu z roztopionym metalem. W tym celu, aby zapobiegać zatykaniu filtrów, do odlewania wykorzystuje się przegrzany roztopiony metal, który jest metalem o temperaturze około 100°C powyżej likwidusu. Praktyka ta jest niezwykle nieekonomiczna pod względem energii i kosztów, a każde ulepszenie obniżające temperaturę przerobu roztopionego metalu jest wielce korzystne. W dotychczasowych rozwiązaniach nakładano powłoki węglowe na powierzchnię filtrów ceramicznych w celu zmniejszenia masy cieplnej części, która styka się bezpośrednio z roztopionym metalem.

Ponadto reagujący egzotermicznie termit nakładany na pokrywaną węglem powierzchnię filtra ceramicznego zaproponowano w europejskim opisie patentowym EP 0463234 B1. To ostatnie rozwiązanie, obniżając temperaturę konieczną dla przepływu roztopionego metalu, podwyższa koszt produkcji filtrów i ogranicza zastosowanie do bardzo wąskiego zakresu, ponieważ powłoka termitowa musi być zgodna z typem roztopionego metalu, do którego jest stosowana.

W każdym razie, zarówno powłoka węglowa, jak i termitowa służą do przezwyciężania wad związanych z dużą masą cieplną filtra ceramicznego, podczas gdy wyzwanie stawiane przez inne wady pozostaje bez odpowiedzi.

2. Materiał zestalony ceramicznie albo szkliście ma tendencję do mięknięcia i pełzania w wysokiej temperaturze, co bardzo często powoduje erozję filtra, a w jej następstwie zanieczyszczenie kąpieli.

3. Pękanie powodowane wstrząsem cieplnym albo korozją chemiczną (redukcyjną) pod wpływem gorącego metalu jest problemem często spotykanym w przypadku filtrów zestalanych ceramicznie albo szkliście.

4. Konieczność stosowania niezwykle wysokiej temperatury wypalania, w szczególności w przypadku ceramiki przeznaczonej do filtrowania stali, stanowi poważ n ą wadę znanych filtrów ceramicznych, która jest nawet większa, jeżeli bierze się pod uwagę konieczność stosowania kosztownych surowców ceramicznych.

5. Ponadto, stosowanie dwutlenku cyrkonu, który ma względnie silne promieniowanie tła, jest niebezpieczne i powinno się go unikać.

6. Dużych rozmiarów filtry z dwutlenku cyrkonu są trudne w produkcji wskutek dużego skurczu podczas wypalania.

7. Wypalanie pianki poliuretanowej w procesie produkcji filtrów piankowych powoduje zanieczyszczenie środowiska niebezpiecznymi gazami.

Z opisu EP 1288178 jest znany filtr ceramiczny odpowiedni do filtrowania roztopionego metalu, zawierający związaną sieć z grafityzowanego węgla. Ceramika wiązana węglem jest na ogół słaba i cechuje ją niska wytrzymał o ść mechaniczna. Filtry wią zane wę glem, ujawnione w tym dokumencie, mają ograniczoną wytrzymałość mechaniczną, która powoduje problemy w trakcie transportu i eksploatacji, ograniczając zdolność filtrów do opierania się naciskowi roztopionego metalu.

Ponadto filtry te są kruche i mają tendencję do kruszenia się na kawałki, które wpadają do formy przed odlewaniem, powodując zanieczyszczenie odlewu.

Z opisu EP 1369158 jest znany filtr wiązany węglem, wzmocniony w wyniku obecności włókien ceramicznych, włókien szklanych, włókien organicznych, włókien węglowych, włókien metalowych oraz ich mieszanin.

Istnieje zatem zapotrzebowanie na urządzenie filtracyjne do metalu, w szczególności do filtrowania stali, lepiej usuwające bryłki metalu, lepiej przerywające strumień roztopionego metalu, w szczególności stali, tańsze w produkcji i bez ograniczeń rozmiarów. Wytwarzanie takiego filtra powinno być przyjazne dla środowiska dzięki unikaniu wypalania pianki poliuretanowej.

Zgodne z wynalazkiem urządzenie filtracyjne do filtrowania roztopionej stali, zawierające co najmniej dwie płyty sitowe z otworami przelotowymi, przy czym każda z płyt sitowych ma wystającą ramę, przy czym płyty sitowe są połączone ze sobą w wystającej ramie z utworzeniem przestrzeni albo

PL 204 854 B1 komory zbiornikowej, charakteryzuje się tym, że ma związaną sieć z grafityzowanego węgla, przy czym co najmniej jedna spośród tych co najmniej dwóch płyt sitowych ma falistą powierzchnię ze szczytami i zagłębieniami.

Korzystnie, co najmniej jedna z powierzchni płyt sitowych zwróconych ku sobie ma falistość powierzchni wynoszącą 0,1 - 10 mm, w szczególności 1 - 5 mm.

Korzystnie, otwory przelotowe odpowiednich płyt sitowych są przesunięte względem siebie w kierunku bocznym.

Ponadto korzystnie, średnica otworów przelotowych odpowiednich płyt sitowych wynosi 1 - 10 mm, w szczególnoś ci 2 - 5 mm.

Również korzystnie, otwory przelotowe płyt sitowych mają kształt kołowy, eliptyczny, trójkątny, kwadratowy, prostokątny, pięciokątny albo sześciokątny.

Korzystnie, płyty sitowe mają jednakowy kształt.

Urządzenie według wynalazku jest wykonane korzystnie z surowca ceramicznego, w szczególności jest wykonane z materiału ceramicznego zawierającego sieć z grafityzowanego węgla i ewentualnie włókna wzmacniające.

Zgodny z wynalazkiem sposób wytwarzania opisanego wyżej urządzenia filtracyjnego poprzez wykonywanie płyt filtrujących z materiału ceramicznego przez formowanie ciśnieniowe, oraz poddawanie tych płyt filtrujących wypalaniu, charakteryzuje się tym, że prasuje się pół-wilgotną mieszaninę stanowiącą proszek ceramiczny i grawityzowalny prekursor wiązania, włókna oraz inne dodatki na prasie hydraulicznej z uzyskaniem pierwszej i drugiej perforowanej płyty sitowej w kształcie tarczy z wystającą ramą, z falistą powierzchnią ze szczytami i zagłębieniami na co najmniej jednej z wewnętrznych powierzchni płyty sitowej; łączy się ze sobą płyty sitowe za pośrednictwem wystającej ramy z użyciem spoiwa ceramicznego albo węglowego z utworzeniem pomiędzy dwiema płytami sitowymi przestrzeni albo komory zbiornikowej; wypala się zmontowane urządzenie filtracyjne w atmosferze redukującej lub nieutleniającej w temperaturze do 1000°C, korzystnie 600 - 700°C.

Korzystnie, powierzchnię szorstkuje się w dalszym etapie, przed albo po wypalaniu płyty sitowej.

Ponadto korzystnie, stosuje się pół-wilgotną mieszaninę zawierającą prekursor wiązania grafityzowalnego węgla, proszek ceramiczny i inne dodatki.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia urządzenie filtracyjne według wynalazku w widoku z góry, fig. 2 - urządzenie filtracyjne przedstawione na fig. 1, w przekroju poprzecznym, fig. 3 - chropowatość powierzchni płyty sitowej uzyskaną za pomocą szeregu szczytów i zagłębień, fig. 4 - urządzenie filtracyjne podobne do urządzenia przedstawionego na fig. 1, fig. 5 - płytę sitową przedstawioną na fig. 4, w widoku z góry.

Fig. 1 przedstawia urządzenie filtracyjne 1 według wynalazku w widoku z góry. Urządzenie filtracyjne 1 ma kształt kwadratu, choć może ono być wykonane w innym kształcie, jak. np. prostokąta, koła itp. Górna płyta sitowa 2 i dolna płyta sitowa 4 (niepokazana) mieści szereg otworów przelotowych 3 umożliwiających filtrowanie roztopionego metalu, w szczególności stali. Płyty sitowe 2, 4 tworzą komorę zbiornikową 7, zmniejszającą prędkość przepływu roztopionego metalu poprzez połączenie pojedynczych strumieni wypływających z szeregu otworów przelotowych 3 i dzieląc ponownie zawartość komory zbiornikowej 7 na szereg pojedynczych strumieni roztopionego metalu, w szczególności stali, w wyniku przejścia przez dolną płytę sitową.

Fig. 2 przedstawia urządzenie filtracyjne 1 z fig. 1 w przekroju poprzecznym. Dwie płyty sitowe 2, 4 są umieszczone w pewnej odległości od siebie. Odległość pomiędzy płytami sitowymi 2, 4 zapewnia każda z ram 5, 5a, co gwarantuje, że wewnętrzne powierzchnie 6, 6a płyt sitowych 2, 4 zwrócone ku sobie nie stykają się ze sobą, w szczególności podczas użytkowania urządzenia filtracyjnego 1 do filtrowania roztopionego metalu, w szczególności stali. Połączenie pomiędzy dwiema ramami 5, 5a można wykonać za pomocą wiązania ceramicznego albo węglowego w wysokiej temperaturze. Mimo iż fig. 2 przedstawia obecność dwóch płyt sitowych 2, 4, skierowanych ku sobie wewnętrznymi powierzchniami 6, 6a, dolną albo górną płytę sitową 2, 4 można obrócić w taki sposób, że rama 5, 5a jednej z płyt sitowych 2, 4 jest związana bezpośrednio z następną pod warunkiem, że istnieje co najmniej jedna komora zbiornikowa 7. W ten sam sposób można połączyć trzy albo większą liczbę płyt sitowych 2, 4.

Płyty sitowe 2, 4 mają szereg otworów przelotowych, które nie musza koniecznie leżeć na tym samym kierunku przepływu co otwory przelotowe 3 i 3a. Przykładowo, otwory przelotowe 3b i 3c są przesunięte w kierunku bocznym i nie pozwalają na bezpośredni przepływ roztopionego metalu. Górna płyta sitowa 2 ma falistą powierzchnię 6 (szczyty i zagłębienia) o dużej nieregularności powierzchni,

PL 204 854 B1 bądź też chropowatości powierzchni, która wydłuża czas przebywania roztopionego metalu, np. stali, w przestrzeni (komorze zbiornikowej) pomiędzy pierwszą i drugą płytą sitową 2, 4, a także zwiększa pole powierzchni filtra. Tę falistą powierzchnię 6, 6a można wykonać za pomocą odcisku kształtowego w stalowych narzędziach używanych do prasowania filtrów.

Fig. 3 przedstawia chropowatość powierzchni 6, 6a płyty sitowej 2, 4 uzyskaną za pomocą szeregu szczytów i zagłębień. Wewnętrzne powierzchnie 6, 6a obydwu płyt sitowych 2, 4 są faliste, podczas gdy powierzchnie zewnętrzne obydwu płyt sitowych 2, 4 mogą być faliste, choć mogłoby to przyczyniać się do skomplikowania narzędzi prasujących.

Fig. 4 przedstawia urządzenie filtracyjne dosyć podobne do urządzenia z fig. 1. Tutaj jednak wewnętrzne powierzchnie 6, 6a komory zbiornikowej 7 nie są chropowate, lecz mają określoną geometrię trójwymiarową typu wzgórz i dolin, zapewniająca ten sam efekt zmniejszania prędkości przepływu roztopionego metalu, w szczególności stali, przepływającego przez otwory przelotowe 3, 3a, 3b.

Fig. 5 przedstawia płytę sitową 2, 4 przedstawioną na fig. 4, w widoku z góry.

Urządzenie filtracyjne 1 można wykonać z dowolnego materiału, który jest powszechnie znany w dziedzinie filtrowania roztopionego metalu, takiego jak tlenek glinu, krzemionka, tlenek cyrkonu, tlenek magnezu, glinka, mika, pirofilit, mulit, bądź też z innego dowolnego materiału używanego w dziedzinie wyrobu ceramiki. Korzystnie, urządzenie filtracyjne 1 jest wykonane z materiału ceramicznego, w szczególności z materiału ceramicznego zawierającego sieć z grafityzowanego węgla i ewentualnie zawierającego włókna. Jednakże zastosowanie materiału wolnego od ceramiki ma zaletę polegającą na możliwości lepszego wielokrotnego wykorzystania dzięki temu, że metal nie ulega zanieczyszczeniu przez materiał ceramiczny.

Termin „grafityzowalny oznacza, że wiązanie węglowe uzyskane w drodze pirolizy prekursora węgla można przekształcić w wiązanie typu grafitowego poprzez nagrzewanie do wyższej temperatury bez dostępu powietrza. Węgiel grafityzowalny różni się od węgla szklistego tym, że nie ma możliwości przekształcenia węgla szklistego na wiązanie typu grafitowego niezależnie od tego, do jakiej temperatury by go nagrzano.

Wiązanie węglowe tego typu wykazuje następujące zalety:

- Jest znacząco tańsze w produkcji.

- Wypalanie można prowadzić w znacznie niższej temperaturze w celu wytworzenia pełnej wiążącej sieci węglowej z prekursora wiązania węglowego. Na ogół filtry muszą być wypalane w temperaturze 500 - 1000°C.

- Wymagane jest znacznie niższe przegrzewanie.

- Ma mniejszą masę cieplną.

- Ma lepszą odporność na wstrząsy cieplne.

- Nie ma zanieczyszczeń.

Urządzenia filtracyjne 1 według wynalazku wykazują względnie małą masę cieplną. W wyniku tego nie ma potrzeby przegrzewania metalu, w szczególności stali, przeznaczonego do filtrowania, co obniża zużycie energii.

Dodatek do 20% wag. włókien do kompozycji filtra przyczynia się do znaczącej poprawy parametrów filtrów. Poprawa wynika głównie ze zwiększonej wytrzymałości mechanicznej, lepszej sztywności, wyższej udarności i lepszej odporności na wstrząs cieplny. Sama poprawa objawia się zwiększoną zdolnością filtrowania, lepszą integralnością mechaniczną oraz mniejszym zanieczyszczeniem odlewanej stali. Ponadto, dzięki wzrostowi wytrzymałości mechanicznej wskutek zastosowania włókien całkowity ciężar filtra może być mniejszy, co z kolei powoduje obniżkę kosztów i poprawę sprawności filtra.

Dzięki znakomitej wytrzymałości mechanicznej wiązania węglowego w połączeniu z włóknami, w trakcie procesu odlewania metalu w wysokiej temperaturze nie zachodzi ani mięknięcie, ani wyginanie. Przyczynia się to do jeszcze większej czystości odlanego metalu.

Wiązane grafityzowalnym węglem urządzenia filtracyjne zawierające włókna, według niniejszego wynalazku, oferują następujące zalety w porównaniu z filtrami wiązanymi węglem szklistym:

- wysoką odporność na utlenianie,

- wysoką wytrzymałość mechaniczną,

- wysoką udarność,

- małą mikroporowatość,

- małą powierzchnię właściwą,

- podatność strukturalną,

- brak kruchości,

PL 204 854 B1

- ekonomiczność w eksploatacji.

Zazwyczaj włókna dodaje się do materiałów ceramicznych i kompozytowych w celu poprawy wytrzymałości mechanicznej i nadania sztywności wyrobom. Włókna te mogą być albo włóknami metalowymi, włóknami organicznymi, takimi jak włókna poliestrowe, włókna wiskozowe, włókna polietylenowe, włókna poliakrylonitrylowe (PAN), włókna aramidowe, włókna poliamidowe itp., bądź też mogą być włóknami ceramicznymi, takimi jak włókna glinokrzemianowe, włókna z tlenku glinu lub szklane, bądź też włókna węglowe, które składają się w 100% z węgla. Wszystkie te typy włókien stosuje się w róż nym stopniu w ceramice, aby nadać dodatkowe zalety wł a ś ciwoś ciom ceramiki, jak np. wysoką wytrzymałość mechaniczną, wysoką udarność i lepszą odporność na wstrząs cieplny.

Dodanie tych typów włókien do wiązanych węglem filtrów według dotychczasowych rozwiązań powoduje znaczącą poprawę wytrzymałości mechanicznej filtrów, jak również poprawę udarności i odpornoś ci na wstrzą s cieplny. Wskutek zastosowania wł ókien wytrzymał ość moż e ulec podwojeniu.

Udarność i odporność na wstrząs cieplny także odpowiednio rosną. W efekcie urządzenia filtracyjne 1 mogą obecnie co najmniej podwoić swą zdolność filtrowania. Przykładowo, filtr węglowy wykonany z pojedynczej płyty sitowej 2 o wymiarach 100 mm x 100 mm x 20 mm ma normalną zdolność filtrowania 100 kg stali, a to samo urządzenie filtracyjne 1 podwojone poprzez dwie płyt sitowych 2, 4 ma zdolność filtrowania 200 kg stali. Ponadto, opuszczając urządzenie filtracyjne 1 strumień roztopionego metalu jest o wiele szerszy, i tym samym ma mniejszą prędkość.

Aby uzyskać optymalne parametry, grafityzowany węgiel stanowiący związaną sieć według niniejszego wynalazku, powinien występować w ilości do 15% wag. filtra, korzystnie do 10% wag., a jeszcze korzystniej w ilości co najmniej 2% - 5% wag.

W dalszym przykładzie wynalazku, urządzenia filtracyjne według wynalazku wytwarza się w procesie obejmującym etapy:

a) prasowania pół-wilgotnej mieszaniny stanowiącej proszek ceramiczny i ewentualnie grafityzowalny prekursor wiązania, włókna oraz inne dodatki, na prasie hydraulicznej w celu uzyskania perforowanej płyty sitowej 2, 4 w kształcie tarczy z wystającą ramą 5, 5a, z falistą powierzchnią 6, 6a (szczyty i zagłębienia albo wzgórza i doliny) na co najmniej jednej z wewnętrznych powierzchni 6, 6a płyty sitowej 2, 4,

b) łączenia ze sobą dwóch płyt sitowych 2, 4 przy użyciu, spoiwa ceramicznego albo węglowego tak, że pomiędzy dwiema płytami sitowymi 2, 4 powstaje przestrzeń (komora zbiornikowa),

c) wypalania zmontowanego filtra w atmosferze redukującej albo nieutleniającej w temperaturze do 1000°C, korzystnie 600 - 700°C.

W alternatywnym procesie, płyty sitowe 2, 4 najpierw wypala się oddzielnie, a potem łączy się je ze sobą.

Chropowatość powierzchni wewnętrznej powierzchni 6 płyt sitowych 2, 4 można uzyskać poprzez szorstkowanie gładkiej powierzchni albo poprzez prasowanie bezpośrednie geometrii o żądanej chropowatości, bądź też geometrii za pomocą stempla zapewniającego falistość albo różnicę wysokości pomiędzy szczytami i zagłębieniami (wzgórzami i dolinami) równą co najmniej 0,1 - 10 mm, w szczególności 1 - 5 mm.

P r z y k ł a d 1

Jako grafityzowalnej smoły wysokotemperaturowej (HMP) użyto paku węglowego, mającego temperaturę zeszklenia 210°C, liczba koksowania 85%, zawartość popiołu 0,5%, przy czym jest on dostępny w handlu w postaci drobnego proszku.

Mieszaninę 50 g ceramicznych włókien glinokrzemianowych, 70 g tego proszku smoły wysokotemperaturowej, 900 g proszku ceramicznego (kalcynowany tlenek glinu), 100 g proszku grafitowego, 20 g spoiwa PVA i 60 g wody przygotowano w mieszalniku Hobarta albo Eiricha. Celem procesu mieszania było wytworzenie pół-wilgotnej i jednorodnej mieszaniny. Ustaloną ilość mieszaniny umieszczono w formie stalowej zawierającej w dolnej części pionowe kołki, a w górnej części narzędzia prasującego falistą powierzchnię 6, 6a (szczyty i zagłębienia). Prasowanie mieszaniny dało perforowaną płytę sitową 2, 4 z wystającą ramą 5, 5a, płaską powierzchnią po jednej stronie i falistą powierzchnią 6, 6a po drugiej.

Po prasowaniu każdą z dwu płyt sitowych 2, 4 łączy się z drugą w taki sposób, że dwie faliste powierzchni 6, 6a są skierowane ku sobie, i tym samym tworzą między sobą przestrzeń albo komorę zbiornikową.

Następnie powstały filtr wypalono w atmosferze obojętnej w temperaturze 600 - 900°C przez 20 - 120 minut, przy szybkości nagrzewania 1 - 10°C/min.

PL 204 854 B1

Wzmacniane włóknem, wiązane grafityzowalnym węglem perforowane urządzenie filtracyjne 1 zastosowano w próbie praktycznej do filtrowania roztopionej stali. Stwierdzono, że urządzenie filtracyjne 1 nie wymagało przegrzewania roztopionego metalu, ponieważ wytwarzało ono ciepło w zetknięciu roztopionego metalu z filtrem, co było wystarczające do utrzymania przepływu roztopionej stali podczas filtrowania. Było to spowodowane egzotermiczną reakcją powierzchni filtra i roztopionej stali. Ponadto podczas próby urządzenie filtracyjne 1 nie uległo wstrząsowi cieplnemu albo odkształceniu. Dzięki tym zaletom otwierają się możliwości bardziej ekonomicznego i sprawniejszego filtrowania odlewanej stali.

Claims (13)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Urządzenie filtracyjne do filtrowania roztopionej stali, zawierające co najmniej dwie płyty sitowe z otworami przelotowymi, przy czym każda z płyt sitowych ma wystającą ramę, przy czym płyty sitowe są połączone ze sobą w wystającej ramie z utworzeniem przestrzeni albo komory zbiornikowej, znamienne tym, że ma związaną sieć z grafityzowanego węgla, przy czym co najmniej jedna spośród tych co najmniej dwóch płyt sitowych ma falistą powierzchnię (6, 6a) ze szczytami i zagłębieniami.
2. 2. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że co najmniej jedna z powierzchni (6, 6a) płyt sitowych (2, 4) zwróconych ku sobie ma falistość powierzchni wynoszącą 0,1 - 10 mm, w szczególności 1 - 5 mm.
3. 3. Urządzenie według zastrz. 1 albo 2, znamienne tym, że otwory przelotowe (3, 3a) odpowiednich płyt sitowych (2, 4) są przesunięte względem siebie w kierunku bocznym.
4. 4. Urządzenie według zastrz. 3, znamienne tym, że średnica otworów przelotowych (3, 3a) odpowiednich płyt sitowych (2, 4) wynosi 1 - 10 mm, w szczególności 2 - 5 mm.
5. 5. Urządzenie według zastrz. 3, znamienne tym, że otwory przelotowe (3, 3a) płyt sitowych (2, 4) mają kształt kołowy, eliptyczny, trójkątny, kwadratowy, prostokątny, pięciokątny albo sześciokątny.
6. 6. Urządzenie według zastrz. 4, znamienne tym, że otwory przelotowe (3, 3a) tych płyt sitowych (2, 4) mają kształt kołowy, eliptyczny, trójkątny, kwadratowy, prostokątny, pięciokątny albo sześciokątny.
7. 7. Urządzenie według zastrz. 1 albo 2, albo 4, albo 5, znamienne tym, że płyty sitowe (2, 4) mają jednakowy kształt.
8. 8. Urządzenie według zastrz. 3, znamienne tym, że płyty sitowe (2, 4) mają jednakowy kształt.
9. 9. Urządzenie według zastrz. 1 albo 2, albo 4, albo 5, albo 8, znamienne tym, że jest wykonane z surowca ceramicznego, w szczególności jest wykonane z materiału ceramicznego zawierającego sieć z grafityzowanego węgla i ewentualnie włókna wzmacniające.
10. 10. Urządzenie według zastrz. 3, znamienne tym, że jest wykonane z surowca ceramicznego, w szczególności jest wykonane z materiału ceramicznego zawierającego sieć z grafityzowanego węgla i ewentualnie włókna wzmacniające.
11. 11. Sposób wytwarzania urządzenia filtracyjnego zdefiniowanego jednym z zastrzeżeń 1 - 10, poprzez wykonywanie płyt filtrujących z materiału ceramicznego przez formowanie ciśnieniowe oraz poddawanie tych płyt filtrujących wypalaniu, znamienny tym, że prasuje się pół-wilgotną mieszaninę stanowiącą proszek ceramiczny i grafityzowalny prekursor wiązania, włókna oraz inne dodatki na prasie hydraulicznej z uzyskaniem pierwszej i drugiej perforowanej płyty sitowej (2, 4) w kształcie tarczy z wystającą ramą (5, 5a), z falistą powierzchnią (6, 6a) ze szczytami i zagłębieniami na co najmniej jednej z wewnętrznych powierzchni płyty sitowej; łączy się ze sobą płyty sitowe za pośrednictwem wystającej ramy (5, 5a) z użyciem spoiwa ceramicznego albo węglowego z utworzeniem pomiędzy dwiema płytami sitowymi przestrzeni albo komora zbiornikowej (7); wypala się zmontowane urządzenie filtracyjne (1) w atmosferze redukującej lub nieutleniającej w temperaturze do 1000°C, korzystnie 600 - 700°C.
12. 12. Sposób według zastrz. 11, znamienny tym, że powierzchnię (6, 6a) szorstkuje się w dalszym etapie, przed albo po wypalaniu płyty sitowej (2, 4).
13. 13. Sposób według zastrz. 11 albo 12, znamienny tym, że stosuje się pół-wilgotną mieszaninę zawierającą prekursor wiązania grafityzowalnego węgla, proszek ceramiczny i inne dodatki.