PL208861B1

PL208861B1 - Filtr do filtrowania roztopionego metalu oraz sposoby wytwarzania takich filtrów

Info

Publication number: PL208861B1
Application number: PL374257A
Authority: PL
Inventors: Kassim Juma
Original assignee: Vesuvius Crucible Co
Priority date: 2002-05-31
Filing date: 2003-05-27
Publication date: 2011-06-30
Also published as: PL374257A1; BR0311378B1; RU2004137488A; CA2486067C; CN1662286A; JP4782416B2; EP1369158A1; BR0311378A; ATE555838T1; US7621408B2; EP1513600A1; CN1662286B; JP2010234445A; ES2386806T3; ZA200409816B; MXPA04011775A; EP1513600B1; AU2003245893B2; CA2486067A1; US20050229746A1

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest filtr do filtrowania roztopionego metalu oraz sposoby wytwarzania takich filtrów.

W celu przerobu roztopionych metali pożądane jest usunię cie pochodzą cych z zewną trz wtrą ceń międzymetalicznych, takich jak pochodzące z zanieczyszczeń surowców, z żużla, z kożucha żużlowego 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 gę stwy. 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 sł u ży ć za przykł ady 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 powstaje wiązanie ceramiczne i/lub szkliste.

Międzynarodowa publikacja patentowa WO 01/40414 A ujawnia zastosowanie formy ciśnieniowej. Rozwiązanie to polega na regulacji ciśnienia wewnątrz formy w celu uzyskania porowatej struktury. Ponadto pory w tym przypadku nie są w pełni otwarte. Zastrzeżenie 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-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 proces do wytwarzania określonych porowatych elementów ceramicznych, mających komórki o gładkich ściankach uformowane przez środki porotwórcze, oraz pory o zaokrąglonych brzegach, które łączą komórki.

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

PL 208 861 B1 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, filtry ceramiczne wymienionych wyżej typów mają szereg wad, ograniczających możliwości ich zastosowania.

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 słu żą do przezwyciężania wad związanych z dużą masą cieplną filtra ceramicznego, podczas gdy wyzwanie stawiane przez inne wady pozostaje bez odpowiedzi.

Ponadto wiązania ceramiczne albo szkliste mają tendencję do mięknięcia i pełzania w wysokiej temperaturze, co bardzo często powoduje erozję filtra, a w jej następstwie zanieczyszczenie kąpieli.

Wadą jest też pękanie powodowane wstrząsem cieplnym albo korozją chemiczną (redukcyjną) pod wpływem gorącego metalu i jest problemem często spotykanym w przypadku filtrów z wiązaniem ceramicznym albo szklistym.

Niekorzystna jest także konieczność stosowania niezwykle wysokiej temperatury wypalania, w szczególności w przypadku ceramiki przeznaczonej do filtrowania stali, stanowi poważną wadę znanych filtrów ceramicznych, która jest nawet gorsza, jeżeli bierze się pod uwagę konieczność stosowania kosztownych surowców ceramicznych.

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

Będący równocześnie przedmiotem postępowania dokument EP 01121044.0, złożony 1 września 2001, dotyczy filtra ceramicznego odpowiedniego do filtrowania roztopionego metalu, obejmującego proszek ceramiczny związany siecią z grafityzowanego węgla. Ceramika wiązana węglem jest na ogół słaba i cechuje ją niska wytrzymałość mechaniczna. Filtry wiązane węglem, według tego dokumentu odniesienia, 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.

Celem wynalazku jest więc dostarczenie filtra do filtrowania metalu, który ma lepszą wytrzymałość mechaniczną i sztywność.

W filtrach ceramicznych odpowiednich do filtrowania roztopionego metalu wed ł ug wynalazku, w celu związania proszku ceramicznego stosuje się wiązanie trójwymiarową siecią grafityzowalnego węgla oraz włókna.

Zgodny z wynalazkiem filtr do filtrowania roztopionego metalu, obejmujący wiązanie grafityzowalnego węgla, charakteryzuje się tym, że zawiera proszek ceramiczny i włókna związane siecią z wią zania grafityzowalnego węgla, przy czym sieć wią zań wę glowych jest uzyskana poprzez ogrzewanie prekursora wiązania węglowego w temperaturze 500 - 1000°C przy braku powietrza, przy czym wiązanie grafityzowalnego węgla jest obecne w ilości do 15% wagowo filtra.

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:

PL 208 861 B1

- Jest znacząco tań sze 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 niż sze przegrzewanie.

- Mniejsza masa cieplna.

- Lepsza odporność na wstrzą sy cieplne.

- Brak zanieczyszczeń .

Związane węglem filtry według wynalazku wykazują względnie małą masę termiczną. W rezultacie nie ma potrzeby przegrzewania metalu przeznaczonego do filtrowania, co zmniejsza zużycie energii.

W trakcie nieustannych prac nad polepszeniem jakoś ci i parametrów filtrów zwią zanych wę glem stwierdzono, że dodatek do 20%, w szczególności do 10% wag. włókien do kompozycji filtra przyczynia się do znaczącej poprawy jego parametrów. Poprawa wynika głównie ze zwiększonej wytrzymałości mechanicznej, lepszej sztywności, wyższej udarności i lepszej odporności na wstrząs cieplny. Objawia się ona zwiększoną zdolnością filtrowania, lepszą integralnością mechaniczną oraz mniejszym zanieczyszczeniem odlewanej stali. Dzięki znakomitej wytrzymałości mechanicznej wiązania węglowego w połączeniu z włóknami, w czasie procesu odlewania metalu w wysokiej temperaturze nie zachodzi ani mięknięcie, ani wyginanie. Przyczynia się to do jeszcze większej czystości odlanego metalu.

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

- wysoką odporność na utlenianie,

- wysoką wytrzymał o ść mechaniczną ,

- wysoką udarność,

- małą mikroporowatość,

- małą powierzchnię właściwą,

- podatność strukturalną,

- brak kruchości,

- ekonomiczność w eksploatacji.

Proszek ceramiczny może korzystnie zawierać lub w szczególności składać się z dwutlenku cyrkonu, krzemionki, tlenku glinu, brązowego elektrokorundu, magnezji, dowolnego rodzaju gliny, talku, miki, krzemu, azotku krzemu, i tym podobnych lub ich mieszaniny albo grafitu.

Dla uzyskania optymalnych parametrów grafityzowany węgiel, który stanowi, obok proszku ceramicznego, związaną sieć z grafityzowanego węgla według wynalazku, powinien być on obecny w ilości do 15% wag. filtra, korzystnie do 10% wag., jeszcze korzystniej w ilości co najmniej 2% - 5% wag.

Zazwyczaj włókna dodaje się do materiałów ceramicznych i kompozytowych w celu poprawy wytrzymałości mechanicznej i nadania sztywności wyrobom. Korzystnie, włókna są wybrane z grupy obejmującej włókna ceramiczne, włókna szklane, włókna organiczne, włókna węglowe, które składają się w 100% z węgla, włókna metalowe i ich mieszaniny. Włókna ceramiczne są korzystnie wybrane z grupy obejmującej włókna tlenku glinu, włókna krzemionkowe, włókna glinokrzemianowe i ich mieszaniny. Włókna organiczne są korzystnie wybrane z grupy obejmującej włókna poliestrowe, włókna poliakrylonitrylowe, włókna polietylenowe, włókna poliamidowe, włókna wiskozowe, włókna aramidowe i ich mieszaniny. Wszystkie te typy wł ókien stosuje się w róż nym stopniu w ceramice tak, aby nadać dodatkowe zalety właściwościom ceramiki, jak np. wysoką wytrzymałość mechaniczną, wysoką udarność i lepszą odporność na wstrząs cieplny.

Stwierdzono, że dodatek któregokolwiek z rodzajów włókien do związanych węglem filtrów według dotychczasowego stanu techniki powoduje znaczące polepszenie wytrzymałości mechanicznej filtrów, jak również polepszenie udarności i odporności na wstrząs cieplny. Polepszenie wytrzymałości może być nawet trzykrotne (np. od 0,5 MPa do 1,5 MPa). Odporność na uderzenie i odporność na wstrząs cieplny również odpowiednio wzrastają. Skutkiem tych polepszeń węglowe filtry mogą teraz co najmniej podwoić swoją wydajność filtracyjną. Przykładowo, filtr węglowy o wymiarach 100 mm x 100 mm x 20 mm ma normalną zdolność filtrowania 100 kg stali. Ten sam filtr, ale z 5% dodatkiem filtrów ceramicznych ma zdolność filtrowania 200 kg stali. W szczególności włókna ceramiczne i włókna węglowe nie zmieniają swoich właściwości fizycznych, gdy są wbudowane w filtr, dzięki swojej stabilności termicznej. Z drugiej strony włókna organiczne są zamieniane w trakcie wypalania filtrów

PL 208 861 B1 w wł ókna wę glowe (przechodzą na przykł ad proces pirolizy). Uważ a się to jako korzystne w stosunku do włókien ceramicznych lub metalowych.

Stwierdzono, że korzystny efekt dodatku włókien zależy od ilości dodanych włókien, długości włókien, charakteru i rodzaju dodanych włókien. Im większa ilość dodanych włókien, tym mocniejszy staje się filtr. Jednak bardzo duża ilość włókien jest niepożądana, ponieważ ma negatywny wpływ na reologię gęstwy. Najlepsze rezultaty uzyskuje się przez wbudowanie włókien węglowych, a następnie włókien ceramicznych. Z drugiej strony włókna węglowe są najdroższe, podczas gdy włókna organiczne są najtańsze. Stosowanie włókien organicznych jest najkorzystniejsze z ekonomicznego punktu widzenia, ponieważ są one dodawane w znacznie mniejszej ilości niż włókna węglowe czy włókna ceramiczne (mniej niż 2%). Jednak włókna organiczne zakłócają reologię gęstwy bardziej niż włókna ceramiczne czy węglowe. Postacią włókien, które się dodaje do składników filtra w czasie mieszania, są albo włókna pocięte, albo blok włókien. Nie wymaga się żadnych dodatkowych technik mieszania.

Filtry według wynalazku obejmują korzystnie 0,1 - 20% wag., korzystniej 1 - 10% wag. tych włókien, a najkorzystniej 5%.

Włókna użyte według wynalazku mają korzystnie długość 0,1 - 5 mm.

Zgodny z wynalazkiem sposób wytwarzania wyżej opisanych filtrów, do filtrowania roztopionego metalu, charakteryzuje się tym, że przy wytwarzaniu filtrów zawierających proszek ceramiczny i włókna związane siecią z wiązania grafityzowalnego węgla, przy czym wiązanie grafityzowalnego węgla jest obecne w ilości do 15% wagowo filtra, impregnuje się piankę wykonaną z termoplastycznego materiału gęstwą zawierającą włókna, prekursorem wiązań grafityzowalnego węgla, proszkiem ceramicznym oraz ewentualnie innymi dodatkami, realizuje się etap suszenia, po którym następuje ewentualnie jedno lub dwa pokrycia tą samą gęstwą ze zwiększeniem masy, po czym następuje ostateczne suszenie, wypala się zaimpregnowaną piankę w nieutleniającej i/lub redukującej atmosferze w temperaturze 500 - 1000°C, w szczególności 600 - 700°C, z częściowym lub całkowitym przekształceniem prekursora wiązania węglowego w związaną sieć z grafityzowanego węgla, przy czym włókna organiczne są poddawane pirolizie.

Zgodnie z tym sposobem stosuje się termoplastyczny materiał użyty na piankę przeznaczoną do impregnowania gęstwą, korzystnie termoplastyczną piankę zawierającą lub składającą się z poliuretanu.

Korzystnie, przed impregnowaniem pianki prekursor wiązania węglowego miesza się z włóknami, proszkiem ceramicznym, wodą, organicznym spoiwem i dodatkami w celu kontrolowania reologii, które w jednym przykładzie wynalazku mogą być obecne w ilości do 2 udziałów wag., korzystnie 0,1 - 2 udziałów wag.

Jako prekursor wiązań grafityzowalnego węgla stosuje się smołę wysokotemperaturową, ponieważ oferuje ona optymalne właściwości z punktu widzenia obrabialności, kosztu i jakości produktu. Jednak należy zwrócić uwagę, że do wytworzenia materiałów związanych węglem można stosować inne prekursory wiązania węglowego, takie jak syntetyczne czy naturalne żywice oraz spiekalny węgiel, o ile jest on grafityzowalny i przekształcony w związaną sieć z grafityzowanego węgla po wypalaniu zgodnie z wynalazkiem. Tak więc spoiwa z syntetycznej żywicy, tworzące szklisty węgiel, którego nie można przekształcić w grafit, nie mogą być brane pod uwagę jako prekursory wiązań węglowych, skoro wyrób będzie obarczony małą odpornością na utlenianie, małą wytrzymałością mechaniczną, dużą kruchością i małą odpornością na ciepło.

Również z ekonomicznych, jak i ekologicznych powodów prekursor wiązań węglowych powinien być możliwy do zastosowania razem z wodą. Można jednak również stosować prekursory wiązań węglowych oparte na rozpuszczalnikach organicznych.

W kolejnych przykł adach realizacji wynalazku w tych procesach stosuje się gę stwę (do wytwarzania związanych węglem ceramicznych filtrów pierwszego rodzaju) lub pół-wilgotną mieszaninę (do wytwarzania związanych węglem ceramicznych filtrów drugiego rodzaju), zawierającą: włókna w ilości 0,1 - 20 udziałów wag., prekursor wiązań grafityzowalnego węgla w ilości 2 - 15 udziałów wag., proszek ceramiczny w ilości 0 - 95 udziałów wag., materiał przeciwutleniający w ilości 0 - 80 udziałów wag., grafit w ilości 0 - 90 udziałów wag., organiczne spoiwo w ilości 0 - 10, w szczególności 0,2 - 2 udziałów wag. oraz środek dyspergujący w ilości 0 - 4, w szczególności 0,1 - 2 udziałów wag.

Dodaje się wody w koniecznej ilości. W celu sporządzenia gęstwy, w zależności od charakteru ceramicznych wypełniaczy, potrzeba 20 - 70 udziałów wag. W pół-wilgotnej mieszaninie stosowanej do prasowania wody potrzeba w ilości 2 - 10 udziałów wag., zależnie od charakteru ceramicznego wypełniacza.

PL 208 861 B1

Korzystnie, jako materiał przeciwutleniający stosuje się proszki metaliczne, takie jak stal, żelazo, brąz, krzem, magnez, aluminium, bor, borek cyrkonu, borek wapnia, borek tytanu i tym podobne i/lub szklaną frytę zawierającą 20 - 30% wag. tlenku boru.

Korzystnie, jako organiczne spoiwo stosuje się surowe spoiwo takie jak PVA, skrobia, guma, cukier i tym podobne lub ich kombinację. Spoiwa te mogą być dodawane w celu polepszenia właściwości mechanicznych wypełniaczy w czasie manipulowania nimi przed wypaleniem. Jako środek zagęszczający można również stosować skrobię i gumę arabską.

Korzystnie, jako środek dyspergujący stosuje się lignosulfonian, Despex^® i tym podobne lub dowolne ich kombinacje, które pomagają zmniejszyć poziom wody w gęstwie i polepszyć reologię.

W kolejnym przykładzie realizacji wynalazku stosuje się gęstwę lub pół-wilgotną mieszaninę, która dodatkowo zawiera plastyfikator, taki jak glikol polietylenowy, o masie cząsteczkowej 500 10000, w ilości 0 - 2 udziałów wag., środek przeciwpieniący, taki jak silikon przeciwpieniący w ilości 0 - 1 udział u wag.

Kolejny zgodny z wynalazkiem sposób wytwarzania wyżej opisanych filtrów, do filtrowania roztopionego metalu, charakteryzuje się tym, że przy wytwarzaniu filtrów zawierających proszek ceramiczny i włókna związane siecią z wiązania grafityzowalnego węgla, przy czym wiązanie grafityzowalnego węgla jest obecne w ilości do 15% wagowo filtra, prasuje się pół-wilgotną mieszaninę zawierającą włókna, proszek ceramiczny oraz grafityzowalny prekursor wiązania i ewentualnie inne dodatki w prasie hydraulicznej, realizuje się etap prasowania z uzyskaniem perforowanego wyrobu w kształcie dysku lub bloku, wypala się perforowany wyrób w nieutleniającej i/lub redukującej atmosferze w temperaturze 500 - 1000°C, w szczególności 600 - 700°C, z częściowym lub całkowitym przekształceniem prekursora wiązania węglowego w związaną sieć z grafityzowanego węgla.

Jako prekursor wiązań grafityzowalnego węgla stosuje się smołę wysokotemperaturową.

Korzystnie, jako organiczne spoiwo stosuje się surowe spoiwo takie jak PVA, skrobia, guma, cukier i tym podobne lub ich kombinację.

Korzystnie, jako środek dyspergujący stosuje się lignosulfonian, Despex^® i tym podobne lub dowolne ich kombinacje.

Wynalazek jest dodatkowo zilustrowany następującymi przykładami:

P r z y k ł a d y

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

We wszystkich przykładach wynikowa mieszanina była wypalana w obojętnej atmosferze w temperaturze 600 - 900°C przez 20 - 120 min przy szybkoś ci ogrzewania 1 - 10°C/min.

A: Filtry pierwszego rodzaju:

P r z y k ł a d 1

Poliuretanowa pianka została pocięta do pożądanej wielkości i zaimpregnowana gęstwą zawierającą 70 g nie pociętych glinokrzemianowych ceramicznych włókien, 70 g wspomnianej wysokotemperaturowej sproszkowanej smoły, 1000 g proszku ceramicznego (wypalonego tlenku glinu), 70 g środka dyspergującego (lignosulfonianu), 4 g środka zagęszczającego (skrobi) i 270 g wody.

Filtr był impregnowany albo ręcznie, albo przez maszynę mającą do tego celu wałki. Po zaimpregnowaniu filtr został wysuszony z użyciem gorącego powietrza i/lub suszarki mikrofalowej. PokryPL 208 861 B1 cie zostało nałożone za pomocą pistoletu natryskowego. Filtr został ponownie wysuszony i przeniesiony do pieca do wypalania w redukującej lub nieutleniającej atmosferze. Piec był ogrzewany z szybkością 1 - 10°C/min, zależnie od składu gęstwy, wielkości filtra, wielkości pieca itd.

Te filtry miały wytrzymałość do 1,5 MPa. W czasie próby praktycznej okazało się, że przy stosowaniu tych filtrów, przegrzewanie nie jest potrzebne, ponieważ dodatkowe ciepło było wytwarzane po zetknięciu się roztopionego metalu z filtrem (reakcja egzotermiczna).

Również ogrzewanie tych filtrów do temperatury powyżej 1500°C skutkowało wytworzeniem wzmocnionego włóknem wiązania typu grafitowego. Chociaż taka obróbka poprawia ogólne właściwości filtra, nie jest wymagana do celów filtrowania roztopionego metalu.

P r z y k ł a d 2

Przykład 1 powtórzono z tą samą kompozycją, lecz zamiast włókien glinokrzemianowych użyto 70 g 0,2-milimetrowych pociętych włókien węglowych. Skutkiem tego była jeszcze lepsza wytrzymałość do 2 MPa.

P r z y k ł a d 3

Przykład 1 powtórzono z tą samą kompozycją, lecz zamiast włókien glinokrzemianowych użyto 2% wag. 0,250-milimetrowych włókien poliestrowych. Skutkiem tego była wytrzymałość powyżej 2 MPa.

B: Filtry drugiego rodzaju:

P r z y k ł a d 4

Mieszaninę 50 g glinokrzemianowych ceramicznych włókien, 70 g wspomnianej wysokotemperaturowej sproszkowanej smoły, 900 g proszku ceramicznego (wypalonego tlenku glinu), 100 g proszku grafitowego, 20 g spoiwa PVA i 60 g wody sporządzono w mieszalniku Hobarta lub Eiricha. Celem procesu mieszania było wytworzenie pół-wilgotnej i homogenicznej mieszaniny. Mieszaninę o ustalonym ciężarze umieszczono w stalowej formie, która zawierała pionowe kołki. Prasując mieszaninę wytworzono perforowany produkt. Ten perforowany produkt usunięto następnie z formy, wysuszono i wypalono w nieutleniają cej lub redukuj ą cej atmosferze w temperaturze 700°C w cią gu 1 godz. przy szybkości ogrzewania 2°C/min. Dzięki dodatkowi włókien wytrzymałość prasowanych filtrów wzrosła z 7 MPa do 10 MPa.

P r z y k ł a d 5

Przykład 4 powtórzono z tą samą kompozycją, lecz zamiast włókien glinokrzemianowych użyto 70 g 0,2-milimetrowych pociętych włókien węglowych. Skutkiem tego była wytrzymałość do 12 MPa.

P r z y k ł a d 6

Przykład 4 powtórzono z tą samą kompozycją, lecz zamiast włókien glinokrzemianowych użyto 2% wag. 0,250-milimetrowych włókien poliestrowych. Skutkiem tego była wytrzymałość powyżej 15 MPa.

Wzmacniany włóknem, wiązany grafityzowalnym węglem perforowany filtr zastosowano w próbie praktycznej do filtrowania roztopionej stali. Stwierdzono, że filtr nie wymagał przegrzewania roztopionego metalu, ponieważ wytwarzał on 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 filtr nie uległ wstrząsowi cieplnemu albo odkształceniu. Dzięki tym zaletom otwierają się możliwości bardziej ekonomicznego i sprawniejszego filtrowania odlewanej stali.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Filtr do filtrowania roztopionego metalu, obejmujący wiązanie grafityzowalnego węgla, znamienny tym, że zawiera proszek ceramiczny i włókna związane siecią z wiązania grafityzowalnego węgla, przy czym sieć wiązań węglowych jest uzyskana poprzez ogrzewanie prekursora wiązania węglowego w temperaturze 500 - 1000°C przy braku powietrza, przy czym wiązanie grafityzowalnego węgla jest obecne w ilości do 15% wagowo filtra.
2. Filtr według zastrz. 1, znamienny tym, że proszek ceramiczny zawiera lub w szczególności składa się z dwutlenku cyrkonu, krzemionki, tlenku glinu, brązowego elektrokorundu, magnezji, dowolnego rodzaju gliny, talku, miki, krzemu, azotku krzemu, i tym podobnych lub ich mieszaniny albo grafitu.
3. Filtr według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że grafityzowalne wiązanie węgla stanowi do 10% wag., korzystnie co najmniej 2 do 5% wag.

PL 208 861 B1
4. Filtr według zastrz. 1-3, znamienny tym, że włókna są wybrane z grupy obejmującej włókna ceramiczne, włókna szklane, włókna organiczne, włókna węglowe, włókna metalowe i ich mieszaniny.
5. Filtr według zastrz. 4, znamienny tym, że włókna ceramiczne są wybrane z grupy obejmującej włókna tlenku glinu, włókna krzemionkowe, włókna glinokrzemianowe i ich mieszaniny.
6. Filtr według zastrz. 4, znamienny tym, że włókna organiczne są wybrane z grupy obejmującej włókna poliestrowe, włókna poliakrylonitrylowe, włókna polietylenowe, włókna poliamidowe, włókna wiskozowe, włókna aramidowe i ich mieszaniny.
7. Filtr według zastrz. 1-6, znamienny tym, ż e wspomniane włókna występują w ilości 0,1 - 20, w szczególności 1 - 10% wag.
8. Filtr według zastrz. 1-5, znamienny tym, że włókna mają długość 0,1-5 mm.
9. Sposób wytwarzania filtrów zdefiniowanych w dowolnym z zastrz. 1-8, do filtrowania roztopionego metalu, znamienny tym, że przy wytwarzaniu filtrów zawierających proszek ceramiczny i włókna związane siecią z wiązania grafityzowalnego węgla, przy czym wiązanie grafityzowalnego węgla jest obecne w ilości do 15% wagowo filtra, impregnuje się piankę wykonaną z termoplastycznego materiału gęstwą zawierającą włókna, prekursorem wiązań grafityzowalnego węgla, proszkiem ceramicznym oraz ewentualnie innymi dodatkami, realizuje się etap suszenia, po którym następuje ewentualnie jedno lub dwa pokrycia tą samą gęstwą ze zwiększeniem masy, po czym następuje ostateczne suszenie, wypala się zaimpregnowaną piankę w nieutleniającej i/lub redukującej atmosferze w temperaturze 500 - 1000°C, w szczególności 600 - 700°C, z częściowym lub całkowitym przekształceniem prekursora wiązania węglowego w związaną sieć z grafityzowalnego węgla, przy czym włókna organiczne są poddawane pirolizie.
10. Sposób według zastrz. 9, znamienny tym, że stosuje się termoplastyczną piankę zawierającą poliuretan.
11. Sposób według zastrz. 9 albo 10, znamienny tym, że przed impregnowaniem pianki prekursor wiązania węglowego miesza się z włóknami, proszkiem ceramicznym, wodą, organicznym spoiwem i dodatkami w celu kontrolowania reologii.
12. Sposób według zastrz. 9 - 11, znamienny tym, że jako prekursor wiązań grafityzowalnego węgla stosuje się smołę wysokotemperaturową.
13. Sposób według zastrz. 9-12, znamienny tym, że stosuje się gęstwę lub pół-wilgotną mieszaninę zawierającą: włókna w ilości 0,1 - 20 udziałów wag., prekursor wiązań grafityzowalnego węgla w iloś ci 2 - 15 udział ów wag., proszek ceramiczny w iloś ci 0 - 95 udział ów wag., materiał przeciwutleniający w ilości 0 - 80 udziałów wag., grafit w ilości 0 - 90 udziałów wag., organiczne spoiwo w iloś ci 0 - 10, w szczególnoś ci 0,2 - 2 udział ów wag. oraz ś rodek dyspergują cy w iloś ci 0 - 4, w szczególnoś ci 0,1 - 2 udział ów wag.
14. Sposób według zastrz. 13, znamienny tym, że jako materiał przeciwutleniający stosuje się proszki metaliczne, takie jak stal, żelazo, brąz, krzem, magnez, aluminium, bor, borek cyrkonu, borek wapnia, borek tytanu i tym podobne i/lub szklaną frytę zawierającą 20 - 30% wag. tlenku boru.
15. Sposób według zastrz. 13 albo 14, znamienny tym, że jako organiczne spoiwo stosuje się surowe spoiwo takie jak PVA, skrobia, guma, cukier i tym podobne lub ich kombinację.
16. Sposób według zastrz. 13 - 15, znamienny tym, że jako środek dyspergujący stosuje się lignosulfonian.
17. Sposób według zastrz. 13 - 16, znamienny tym, że stosuje się gęstwę lub pół-wilgotną mieszaninę, która dodatkowo zawiera plastyfikator, taki jak glikol polietylenowy, o masie cząsteczkowej 500 - 10000, w ilości 0 - 2 udziałów wag., środek przeciwpieniący, taki jak silikon przeciwpieniący w iloś ci 0 - 1 udział u wag.
18. Sposób wytwarzania filtrów zdefiniowanych w dowolnym z zastrz. 1 - 8 do filtrowania roztopionego metalu, znamienny tym, że przy wytwarzaniu filtrów zawierających proszek ceramiczny i włókna związane siecią z wiązania grafityzowalnego węgla, przy czym wiązanie grafityzowalnego węgla jest obecne w ilości do 15% wagowo filtra, prasuje się półwilgotną mieszaninę zawierającą włókna, proszek ceramiczny oraz grafityzowalny prekursor wiązania i ewentualnie inne dodatki w prasie hydraulicznej, realizuje się etap prasowania z uzyskaniem perforowanego wyrobu w kształcie dysku lub bloku, wypala się perforowany wyrób w nieutleniającej i/lub redukującej atmosferze w temperaturze 500 - 1000°C, w szczególności 600 - 700°C, z częściowym lub całkowitym przekształceniem prekursora wiązania węglowego w związaną sieć z grafityzowanego węgla.
19. Sposób według zastrz. 18, znamienny tym, że jako prekursor wiązań grafityzowalnego węgla stosuje się smołę wysokotemperaturową.

PL 208 861 B1
20. Sposób według zastrz. 18 albo 19, znamienny tym, że stosuje się gęstwę lub pół-wilgotną mieszaninę zawierającą: włókna w ilości 0,1 - 20 udziałów wag., prekursor wiązań grafityzowalnego węgla w ilości 2 - 15 udziałów wag., proszek ceramiczny w ilości 0 - 95 udziałów wag., materiał przeciwutleniający w ilości 0 - 80 udziałów wag., grafit w ilości 0 - 90 udziałów wag., organiczne spoiwo w iloś ci 0 -10, w szczególnoś ci 0,2 - 2 udziałów wag. oraz ś rodek dyspergują cy w iloś ci 0 - 4, w szczególności 0,1 - 2 udziałów wag.
21. Sposób według zastrz. 20, znamienny tym, że jako materiał przeciwutleniający stosuje się proszki metaliczne, takie jak stal, żelazo, brąz, krzem, magnez, aluminium, bor, borek cyrkonu, borek wapnia, borek tytanu i tym podobne i/lub szklaną frytę zawierającą 20 - 30% wag. tlenku boru.
22. Sposób według zastrz. 20 albo 21, znamienny tym, że jako organiczne spoiwo stosuje się surowe spoiwo takie jak PVA, skrobia, guma, cukier i tym podobne lub ich kombinację.
23. Sposób według zastrz. 20 - 22, znamienny tym, że jako środek dyspergujący stosuje się lignosulfonian.
24. Sposób według zastrz. 20 - 23, znamienny tym, że stosuje się gęstwę lub pół-wilgotną mieszaninę, która dodatkowo zawiera plastyfikator, taki jak glikol polietylenowy, o masie cząsteczkowej 500 - 10000, w ilości 0 - 2 udziałów wag., środek przeciwpieniący, taki jak silikon przeciwpieniący w iloś ci 0 - 1 udział u wag.