Использование керамических фильтров для фильтрации стали

Использование керамических фильтров при производстве отливок приносит неоспоримые выгоды, которые определяются качественными и экономическими показателями. Повышение качества производимых изделий, которое определяется идеальной внешней поверхностью и чистотой внутренней структуры металла, обеспечивает возможность производства отливок боле сложных и тонкостенных конструкций. Экономические выгоды от внедрения фильтровальных технологий заключаются в снижении производственных затрат на механическую обработку отливок, уменьшении расхода расплава, и что самое главное - значительном снижении процента брака.

Благодаря выше указанным преимуществам технология фильтрования получила постоянное применение практически во всех литейных производствах Европы. Здесь не ставится вопрос о необходимости фильтрования, а решаются проблемы повышения эффективности фильтровальных технологий. Такая эффективность зависит от правильного подбора типоразмера фильтра для конкретной технологии, его размещения в литниковой системе, правильной конструкции самой литниковой системы, а также соблюдения необходимых условий на протяжении всего технологического процесса.

Для чего необходимо фильтровать?

Фильтрование способствует устранению многих недостатков отливок, достижению их высокого качества, а также решению многих производственных проблем. Это проявляется в следующем:

• Повышение однородности внутренней структуры металла.

• Улучшение механических свойств.

• Устранение целого ряда металлургических недостатков (газовые раковины, пористость, негерметичность).

• Улучшение качества поверхности.

• Значительное улучшение механической обрабатываемости изделий.

Самой главной задачей фильтрования является устранение неметаллических включений, которые наиболее влияют на качество готовой отливки. Основными источниками включений являются:

• Шлаки (первичные и вторичные).

• Продукты оксидации металла.

• Формовочные материалы и продукты эрозии форм и стержней.

• Остатки рафинаторов, расплавленные покрытия, нерастворимые части модификаторов и др.

В процессе литья включения бывают твердые, жидкие и полужидкие (вязкие). Улавливанию фильтром этих примесей способствует не только его пенистая структура, но и физические свойства керамического материала, из которого изготовлено изделие. При высокой температуре к поверхности материала фильтра прилипают как твердые, так и жидкие частицы. Примеры улавливания включений показаны на рисунке.

Cake - "фильтрационная лепешка" (шлаки и другие включения на поверхности фильтра). Slad - частички шлаков, уловленные механизмом процеживания. Al2O3 film - оксидная пленка совместно с другими включениями образует "фильтровальный мост" внутри фильтра.	Поток металла после VUKOPOR S20

Следующим преимуществом фильтрования является исключение влияний, которые проявляются в процессе литья вследствие высокой скорости и турбулентности расплава в литниковой системе и в форме. Это, прежде всего, вымывание потоком металла частиц формы или стержня, а также захват потоком расплава пузырьков газа, вследствие его завихрения. Здесь фильтр исполняет роль успокоителя, который преобразует турбулентный поток расплава на входе в ламинарный, спокойный поток на выходе. Таким образом, его применение исключает влияние "человеческого фактора" - непостоянная скорость литья, неопытность рабочего.

Учитывая все выгоды от применения фильтров, нельзя не отметить также возможность оптимизации (уменьшения) при этом литниковой системы, а как следствие, экономии жидкого металла. Это происходит за счет отказа от массивных шлакоулавливателей и больших песчаных воронок. А в случае применения экзотермических воронок убирается вся литниковая система.

В результате внедрения технологии фильтрования при производстве отливок снижаются производственные затраты, которые определяются следующими факторами:

• Экономия жидкого металла (более простая и небольшая литниковая система).

• Значительное снижение процента брака.

• Уменьшение затрат на мехобработку (вплоть до полного исключения).

• Повышение технологических возможностей производства и его производительности.

Керамические фильтры для фильтрования стали

Керамические фильтры и ситечка - керамические изделия с прямыми отверстиями по всей плоскости размерами 4-10 мм (ситечка) и 1-3 мм (фильтры), и разной толщиной. Они размещаются на дне литниковой воронки (переход в литник), и позволяют притормозить расплав вначале литья, тем самым заполнить воронку. Включения здесь улавливаются в основном за счет механизма процеживания. Однако при использовании фильтров уже присутствуют элементы глубинной фильтрации благодаря способности керамики вязать на поверхности каналов включения подобного химического состава.

Пенокерамические фильтры - образованы открытой системой взаимно присоединенных ячеек. Прохождение расплава через пенокерамический фильтр приводит к образованию местных фильтров и к частому изменению своего направления, в результате чего, включения гораздо чаще соприкасаются с керамической поверхностью и прилипают к ней.

В пенокерамических фильтрах используются все три механизмы фильтрования: процеживание, образование "фильтровальной лепешки" на входной стороне фильтра, глубинная фильтрация. Это позволяет улавливать достаточно мелкие включения (1-5 µm), которые по своим размерам гораздо меньше пор фильтра. Они прилипают к стенкам фильтра и друг к другу, образовывая "фильтровальные мосты", закрепленные на стенках фильтра. В процессе литья фильтр постепенно забивается до полной непроходимости расплава. Фильтрационный ресурс фильтра зависит от количества и величины включений, размера пор и от адгезных сил, действующих между частицами включений и стеками фильтра (т.е. от материала фильтра).

Высокая эффективность глубинной фильтрации и успокоение потока жидкого металла являются основными характеристиками пенокерамических фильтров, выгодно отличающих их от фильтров других типов. На глубинную фильтрацию влияет толщина фильтра - чем толще фильтр, тем эффективнее фильтрование. Обычно пенокерамические фильтры производятся толщиной 12-50 мм. Вариабельность производства изделий очень большая. Практически можно произвести фильтры любых размеров.

Пенокерамические фильтры Vukopor HTX изготавливаются на базе углерода, и предназначаются для фильтрования железосодержащих сплавов при температуре до 1700°С. Высокая стабильность фильтра в процессе литья, уникальная теплопроводность вместе с малым удельным весом обуславливают быстрый прогрев фильтра с минимальными тепловыми потерями. Фильтры хорошо обрабатываются и не приводят к выходу из строя инструментов при механическом удалении использованного фильтра. Благодаря своим свойствам изделия очень хорошо себя показывают в технологии прямого литья на фильтр при фильтровании тяжелых отливок.

Пенокерамические фильтры Vukopor HTX	Пенокерамические фильтры Vukopor HT

Пенокерамические фильтры Vukopor HT изготавливаются на базе ZrO2, и предназначены для фильтрования стали при температуре до 1700°С. Они отличаются высокой механической прочностью и химической чистотой. За счет более низкого фильтрационного ресурса и высокого удельного веса, который приводит к нежелательному охлаждению расплава при обычном литье, в частности в песчаные формы, изделия находят свое применение в технологии точного литья по выплавляемым моделям. Химическая чистота фильтров позволяет применять их при фильтровании низкоуглеродистых марок стали (абсолютно не науглераживают фильтруемый материал).

Варианты установки фильтров

Установка фильтра в литниковом канале.

Здесь речь идет о широко распространенных решениях размещения фильтров в распределительном канале или непосредственно под литником. Каждое решение имеет свои преимущества и недостатки, и при выборе варианта необходимо взвесить все аргументы. Большую роль при этом также играет способ установки фильтра - горизонтальный, вертикальный или наклонный. Самим оптимальным является наклонный способ, при котором изделие хорошо омывается расплавом с возможностью всплытия шлака в пространстве над фильтром, что увеличивает его фильтровальный ресурс. Наименее выгодным является горизонтальное размещение фильтра непосредственно под литником. В этом случае шлак не имеет возможности всплытия, и под давлением металла загрязняет фильтр, уменьшая тем самим его фильтровальный ресурс.

Вертикальное положение фильтров	Наклонное положение фильтров	Горизонтальное положение фильтров

Установка фильтра в экзотермической воронке.

В последнее время при литье и фильтровании стали начал широко применяться способ прямого литья на фильтр через экзотермическую воронку. Эта технология обладает следующими преимуществами:

• Краткий путь прохождения жидкого металла (без распределительных каналов) - экономия расплава.

• Плавный поток металла - исключение эрозии формы.

• Плавное застывание - самый горячий металл всегда в воронке.

• Использование всех преимуществ фильтрования.

Технология литья через экзотермическую воронку применяется для специальной категории отливок. Речь идет, прежде всего, о невысоких отливках несложной формы из марганцевых сталей (мелющие плиты, челюсти дробилок и др.).

Ниже приводятся реальные примеры использования выше указанной технологии:

1. Отливка: корпус коробки передач грузового автомобиля.

Материал: низколегированная марганцевая сталь.

Обычная технология. - заполнение формы снизу - воронка из прессованного песка - без фильтра m = 315 kg; Y = 41%	Новая технология 1. - прямое литье на фильтр - экзотермические воронки 3 шт. - фильтр Vukopor HTX 1 шт. m = 186 kg; Y = 70%	Новая технология 2. - прямое литье на фильтр - экзотермические воронки 2 шт. - фильтр Vukopor HTX 1 шт. - холодильники 6 шт. m = 168 kg; Y = 76%

• Очевидное снижение затрат - большая экономия жидкого металла (отсутствие большой воронки и литниковой системы), исключение песчаного стержня.

• Улучшение качества отливки - исключение нежелательных примесей.

2. Отливка: мелющая плита.

Материал: марганцевая сталь.

• Повышение выхода годного на 9%.

• Улучшение качества отливки - исключение нежелательных примесей.

• Уменьшение затрат на финальную обработку.

• Исключение шамотных воронок.

Фильтрование слитков и тяжелых отливок

Фильтрование жидкого металла при производстве слитков является единственным способом удаления нежелательных включений сразу после металлургической обработки. Фильтрование больших объемов расплава при высоких температу-рах требует использования специальных фильтровальных форм.

Керамические формы специальных конструкций позволяют получить следующие выгоды:

• хороший подогрев фильтров - снижение риска разрушения изделий, повышение их фильтровальных ресурсов.

• использование всех базовых механизмов фильтрации - процеживание, образование "фильтровальной лепешки" на входной стороне фильтра, глубинная фильтрация.

• спокойное наполнение формы - исключение образования вторичных включений.

• простое подключение форм к существующим литниковым системам.

Фильтровальные решетки.

Керамическая форма фильтровальной решетки состоит из двух половин и вложенных в средину пенокерамических фильтров. Количество использованных фильтров и их размеры отвечают требуемому фильтровальному ресурсу и времени литья. Этим способом можно фильтровать стальные слитки весом 2-9 т.

	Процесс заливки

Пример применения фильтровальной решетки в реальном производстве:

Фильтрование стальных слитков.

• Вес слитков - 3,8 т

• Материал - сталь 16 231

• Температура расплава - 1580 - 1600°С

• Время литья - 3,5 мин.

Техническое решение:

Фильтровальная решетка 200-140-1050.

Пенокерамические фильтры Vukopor HTX 150х150х30 ppi10 - 6 шт.

Подготовка металлической плиты	Установка фильтровальной решетки
Состав литниковой системы перед заливкой	Вид сверху через кокиль

Результатом фильтрования является получение высококачественного слитка с однородной внутренней структурой и безупречной чистотой поверхности.

При использовании современных экзотермических футеровок можно добиться еще более качественных отливок и боле высокой экономической эффективности производства слитков.

Фильтровальные карусели.

Конструкция фильтрационной карусели состоит из верхней и нижней керамических частей, ограничительных стоек и пробки. Внутри карусели вставляются шесть пенокерамических фильтров типа VUKOPOR®. Размеры карусели и фильтров отвечают требуемым литейным параметрам на данном производстве. Данное техническое решение позволяет фильтровать отливку весом 2-15 т.

	Подготовка литниковой системы с 4" каруселью в нижней половине формы отливки арматуры

Факт повышения спроса на пенокерамические фильтры говорит о том, что многие европейские производства в условиях жесткой конкуренции стремятся перейти на производство технологически более сложных отливок с оптимизацией затрат на их производство.

Наша фирма в сотрудничестве с чешской фирмой Lanik готова предложить качественные изделия под маркой VUKOPOR®. В рамках технической помощи эрудированные литейные специалисты могут предложить вам решение любых технологических проблем.

Сведения об авторах:

• Леонтиев Михаил Васильевич - директор ООО "КОМЕКСИМ Украина", т.: +38 (044) 597-23-56; т. (моб.): +38 (050) 334-10-97; e-mail: info@comexim.com.ua.

Опубликовано: ИТБ "Литьё Украины", №3 (79) 2007 г.