CN102413895A - 用于生产耐火过滤器的方法 - Google Patents

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Abstract

一种生产适用于过滤熔融金属的封闭边缘过滤器的方法和由这种方法制成的过滤器。该方法包括：提供网状泡沫基材，所述网状泡沫基材具有至少一个用于形成过滤器侧面的第一表面和两个相对的用于形成过滤器的通流面的第二表面；将包含有机涂层组分的液体施用到第一表面上；凝固有机涂层组分以形成在第一表面上具有挥发性涂层的过滤器前体；用包含耐火材料颗粒、粘结剂和液体载体的浆料浸渗过滤器前体；和，干燥和烧制该浸渗的过滤器前体以形成具有封闭边缘的过滤器。

Description

用于生产耐火过滤器的方法
本发明涉及一种生产适用于过滤熔融金属的过滤器的方法和通过这种方法制成的过滤器。
熔融金属通常包含固体如金属的氧化物和可造成最终铸造产品具有非所需特性的其他杂质。过滤器已被设计用于在铸造工艺过程中去除熔融金属中的这些杂质。这些过滤器通常由耐火材料制成以经受与熔融金属相关的高温。
一种类型的过滤器是蜂窝过滤器，包括一系列用于使金属穿过的平行导管或通道。这些过滤器通过挤出或通过压印而形成。尽管它们坚固且容易使用，但其过滤效率相对差，因为熔融金属仅从过滤器中行进短直路径。
优选的耐火过滤器具有泡沫状外观，并且在金属过滤工业中被称作泡沫过滤器。这些通常是陶瓷泡沫过滤器，但更新近的碳粘结的过滤器(其中耐火材料通过一种包含碳基质的材料粘结，例如描述于WO2002/018075)已被确定用于某些场合。泡沫过滤器具有确定多个互连开孔的束的网状结构。因为这种过滤器的流动路径弯曲，因此过滤效率明显高于蜂窝过滤器。
陶瓷泡沫过滤器的制造描述于EP 0412673A2和EP 0649334A1。通常，开孔泡沫材料(如网状聚氨酯泡沫材料)用耐火颗粒和粘结剂的含水浆料浸渗(impregnate)。浸渗的泡沫材料被压缩以排出过量浆料并随后干燥和烧制，以烧掉浆料涂层中的有机泡沫材料和烧结耐火颗粒和粘结剂。这样形成的固体陶瓷泡沫材料具有多个具有与起始泡沫材料基本上相同的结构构型的互连空隙。尽管过滤效率相比前述蜂窝过滤器明显改进，但陶瓷泡沫过滤器的机械性能较弱(束，尤其在过滤器边缘的束容易断裂)。
在使用中，过滤器可被放在熔融金属入口和熔融金属出口之间的壁中的开口内以过滤金属。过滤器在耐火壁中的放置的一个例子描述于US4,940,489。因为泡沫过滤器在所有方向上是多孔的，并且边缘表面是不匀的，一些熔融金属有可能绕着过滤器的边缘流动或仅经过过滤器的一部分，这样降低了过滤效率。如果束断裂发生在运输过滤器的过程中或在过滤器定位于耐火壁的过程中，则该问题会加剧(要注意到，断裂的束自身可对最终铸件中的杂质有贡献)。
在生产过滤器时增加用于浸渗，即涂布泡沫材料的浆料的量会增加其强度，但也因为较高重量和降低的孔隙率导致过滤效率下降。
过滤工艺需要过滤器被灌注，其中过滤器孔被填充以金属并实现金属的连续流动。灌注包括置换孔(在过滤器的表面上)中的空气，且所需压力与孔的尺寸成反比。另外，金属的温度降低会增加金属粘度，因此具有高热容量的过滤器会造成热损失增加和减少灌注。其中的涂布束较厚的较重过滤器因此不受欢迎的，因为它具有较大的热容量。这意味着，熔融金属需要被加热至较高温度才能确保以它在经过过滤器时不冻结。这在经济和环境角度上都不利，因为这增加了将金属加热至所需温度而需要的能量。
除了超重，使用增加量的浆料制成的过滤器因为束厚度增加和孔较小而具有降低的金属流动速率，而且将具有较大的堵塞倾向。
降低的流速和过早的堵塞可例如由于增加倾倒时间或造成模具填充不完全而对金属铸件产生不利影响，因此可能需要增加过滤器的尺寸或增加泡沫材料的孔尺寸。因此增加浆料的量不是增加泡沫过滤器，尤其是泡沫过滤器边缘的强度的实用解决方案。
US 5,039,340描述了一种用于制造泡沫过滤器的方法，其中粘附性促进材料，优选与棉屑一起被施用到泡沫材料上。粘附性促进材料和棉屑增加了随后粘附至泡沫材料上的浆料的量。最后得到的过滤器较坚固但较重。
以前已经提出，向接触模具/模头的壁的泡沫过滤器的边缘提供保护层。该保护层的作用可包括增加机械强度，防止金属在模具或模头的壁和过滤器之间经过(金属旁路)，和减少陶瓷泡沫过滤器束的端部在使用(尤其过滤器的机械/机器人操作)和运输过程中断裂的可能性。保护层还有助于使用机器人操作，使得过滤器被自动放置在模具中。
EP 0510582A1公开了一种被包在金属或陶瓷的刚性框架中的陶瓷泡沫过滤器。陶瓷框架的过滤器可通过将面团状的形成陶瓷的物质的挤出条包裹在已或未被预烧制的过滤器周围，并随后干燥和烧制而制成。
CN 200991617Y公开了一种在其边缘周围具有有机材料保护层的陶瓷泡沫过滤器，该材料在使用过滤器的过程中在高温下分解。该保护层据说减少了在运输和安装过程中对过滤器的损害并使得它能够用于自动生产线。
US 4,568,595涉及一种具有陶瓷涂层的陶瓷泡沫过滤器。该涂层通过将陶瓷浆料涂抹、刷涂或喷涂到烧制的陶瓷泡沫过滤器上并随后烧制该复合结构体而提供。
US 4,331,621描述了一种具有被固定在其外周表面上的整体结合的陶瓷垫的陶瓷泡沫过滤器。它可通过用浆料浸渗挠性泡沫材料，将其放在具有最终过滤器产品所需尺寸的模具中并随后将陶瓷纤维浆料加料到泡沫材料和模具之间的间隙内而制成。模具随后被干燥和烧制以烧掉泡沫材料并烧结陶瓷材料。
GB 2227185在一个实施方案中建议，将泡沫塑料起始片用陶瓷泥浆浸润并随后在烧制之前压挤泡沫以使多余的泥浆进入固体外周层。在另一实施方案中，GB 2227185提出，通过将另一泡沫材料或细塑料长丝网附着到所述泡沫上而在陶瓷泡沫过滤器上形成封闭层。在泥浆浸渗过程中，外周侧边区域中的小孔或中间空间变得被泥浆填充并保持被泥浆填充，这样在烧制时形成封闭层。在这两实施方案中，所得涂层厚，这样减少过滤器的有效容积，而且还增加其热容量。
本发明的一个目的是提供一种用于生产泡沫过滤器的改进的方法和如此制成的改进的过滤器。尤其是，本发明的一个目的是提供一种具有一个或多个以下优点的方法和过滤器：
(i)简化的生产方法；
(ii)较低的生产成本；
(iii)脆性减小的过滤器；
(iv)孔隙率增加的过滤器(和因此流速和容量增加)；
(v)更大使用强度的过滤器；
(vi)更易安装的过滤器；
(vii)过滤器的自动(机器人)操纵；
根据本发明的第一方面，提供了一种用于生产封闭边缘耐火泡沫过滤器的方法，所述方法包括：
提供网状泡沫基材，所述网状泡沫基材具有至少一个用于形成过滤器侧面的第一表面和两个相对的用于形成过滤器通流面(through-flow)的第二表面；
将包含有机涂层组分的液体施用到第一表面上；
使有机涂层组分凝固以在第一表面上形成具有连续挥发性涂层的过滤器前体；
将过滤器前体用包含耐火材料颗粒、粘结剂和液体载体的浆料浸渗；和
干燥和烧制该浸渗的过滤器前体以形成具有封闭边缘的过滤器。
封闭边缘过滤器是这样一种过滤器，该过滤器边缘(即外周表面或边)中的孔是闭合的，即被封闭。描述于US4568595和US4331621的过滤器是封闭边缘过滤器的例子。本领域熟练技术人员通常使用术语″边缘″表示过滤器的外周表面/边。
液体必须被施用到泡沫基材上以在过滤器前体的一个或多个第一表面上提供连续挥发性涂层，这样在用浆料浸渗和烧制之后，所得过滤器具有连续封闭边缘。要理解，施用和凝固有机涂层的方法可导致在挥发性涂层中出现小的不连续性。在过滤器封闭边缘中的小的不连续性也可引起，并且是由于挥发性涂层中的任何缺陷和在烧制过滤器时有机涂层组分的随后挥发而出现。这些不连续性占被涂布的第一表面的不超过5％的面积。
浆料附着至挥发性涂层以及泡沫基材的两侧，这样当它被烧制时，挥发性涂层和泡沫基材挥发以形成整体封闭边缘的过滤器。“整体”是指，不可能将束端与涂层的开始处区别开来。应当理解，整体封闭边缘不同于如以上在US 4,568,595中讨论的通过将浆料施用到已被烧制的过滤器上而形成的保护涂层。在那些情况下，在过滤器束和封闭边缘之间存在可见的边界。
本发明还涉及一种可通过第一方面的方法制成的用于过滤熔融金属的耐火泡沫过滤器，所述过滤器包括耐火材料束的三维网状结构和具有至少一个侧面和两个相对通流面，所述至少一个侧面具有整体封闭边缘。
本发明的方法使得过滤器的边缘被保护而不用多余的耐火材料堆积过滤器的内部。因此，该特点可用于生产相比常规过滤器具有较低重量/密度或较高孔隙率，同时保持或提高常规过滤器性能(如边缘强度或脆性)的过滤器。
根据本发明第二方面，提供了一种可通过第一方面的方法制成的耐火泡沫过滤器，所述过滤器包括耐火材料束的三维网格/网状结构和具有至少一个侧面和两个相对的通流面，所述至少一个侧面具有整体封闭边缘，特征在于所述整体封闭边缘具有低于1mm的厚度。
根据本发明第三方面，提供了一种可通过第一方面的方法制成的耐火泡沫过滤器，所述过滤器包括耐火材料束的三维网格/网状结构并且具有至少一个侧面和两个相对的通流面，所述至少一个侧面具有整体封闭边缘，特征在于所述整体封闭边缘包含腔。
在某些实施方案中，腔在平行于侧面的方向上明显比它们在垂直于侧面的方向上的宽度长。
在一系列特定的实施方案中，封闭边缘具有低于0.7mm，低于0.5mm，低于0.45mm，低于0.4mm，低于0.35mm或低于0.3mm的厚度。在另一系列的实施方案中，封闭边缘具有至少0.15mm，至少0.25mm，至少0.35mm，至少0.45mm，至少0.55mm，至少0.65mm，至少0.75mm，至少0.85m或至少0.95mm的厚度。
封闭边缘的厚度已被理解为具有变化性。这里所称的厚度一般被确定为过滤器中相邻表面节点之间的一半长度。节点被定义为其中两个或更多个束相会处的束的无规网状结构中的点。厚度可根据不同的表面节点对之间多个的这样的测量值而确定。
封闭边缘的厚度可与过滤器的束厚度相比。在一个实施方案中，封闭边缘的厚度与束厚度的比率是0.5至2∶1或0.75至1.75∶1，或1至1.5∶1。
在一个实施方案中，本发明过滤器相比类似的常规过滤器具有至少10％的密度减少。在进一步的实施方案中，减少至少15％，至少18％或至少20％。
被比较的过滤器的热性能和物理性能将用于评估过滤器在使用中的适用性。过滤器必须能够经受被加热至高温时的热冲击，物理上经受来自熔融金属碰撞的机械冲击，使足够的熔融金属经过过滤器(即过滤器灌注和容量)，和具有足够强度以经受操作与运输。被设计用于测定这些性能的试验包括脆性，空气和/或水流速，机械强度和熔融金属碰撞(如本文所述)。
这里所用的耐火泡沫过滤器是一种能够经受高温(如在用于熔融钢的过滤器的情况下，500摄氏度之上或甚至1500摄氏度之上)的过滤器，它具有限定在其之间的互连孔或空隙的互连束的无规网状结构或网格，使得多个弯曲路径贯穿过滤器存在。这些泡沫过滤器适宜地(但不是必需地)使用例如在本发明方法中所定义的网状泡沫基材形成。
网状泡沫基材可以是聚合物泡沫材料，如聚醚，聚氨酯(包括聚醚-聚氨酯和聚酯-聚氨酯)，或纤维素泡沫材料。网状泡沫基材用作所得过滤器的模板，因此其孔隙率提供对所得过滤器的孔隙率的一种指示。孔隙率可根据在基材中孔的数目和空隙(孔)的体积百分数而确定。泡沫过滤器的孔隙率通常根据每线性英寸(linear inch)的孔(ppi)的数目来规定的，并且对于冶金应用，孔隙率通常是5ppi至60ppi，对于大多数铸造应用，典型地是10ppi至30ppi。实际上在铸造工业中，所称的过滤器的ppi严格来说是指用于制造它的泡沫基材的ppi。本发明的网状泡沫基材可具有5ppi至60ppi，典型地10至40ppi或10至30ppi的孔隙率。
过滤器中的孔不具有均匀尺寸(由于泡沫基材的结构)和孔尺寸进一步受浸渗泡沫的方法和程度的影响。例如，对于10ppi泡沫的平均孔尺寸通常是4800至5200微米，而由该泡沫得到的过滤器将具有1200至1500微米数量级的平均孔尺寸。类似地对于30ppi，泡沫基材具有2800至3200微米数量级的平均孔尺寸，而平均过滤器孔尺寸是650-900微米。泡沫过滤器就容积而言的总孔隙率典型地是在75％至90％的范围内。
网状泡沫基材的形状并不关键，且一般取决于所得过滤器的预期用途。网状泡沫基材通常具有圆形，正方形或长方形横截面。具有圆形横截面的网状泡沫基材具有仅一个第一表面，而具有正方形或长方形横截面的网状泡沫基材具有四个第一表面。
液体可被施用到网状泡沫基材的一个或多个第一表面上。有机液体通常被施用到网状泡沫基材的所有第一表面上。
液体可通过喷涂而施用。另外，液体可使用辊或刷或通过将过滤器的边缘浸没在液体本体中而施用。
液体的物理性能部分地由施用方法决定。如果使用辊，刷或浸渍，应该调节固体含量和粘度，这样得到足够粘性以粘附至前体上并且完全封闭侧孔，促成极少液体渗入前体内部的光滑表面涂层。液体(包含有机涂层组分)还应该具有良好的和快速的包皮性能以使滑塌最小化并保持规则的和均匀的涂层。
喷涂施用使得更多地控制涂层厚度和因此使得有机涂层组分的用量最低。相比其他涂布方法，喷涂还需要液体具有良好的包皮涂布性能，外加低粘度以促进喷涂。
挥发性涂层可通过施用另外量的液体而制成，以确保得到连续的涂层。当通过喷涂施用液体时这成为必需，且可以需要几次施用。所要施用的总液体将取决于挥发性涂层的所需性能和施用液体的方法如喷涂工艺的性能。
在施用到网状泡沫基材上之后，有机涂层组分可在室温下干燥和硬化。在一些实施方案中，干燥通过在升高的温度，如在80至140摄氏度下干燥而加速。有机涂层组分在凝固(如干燥或固化)时形成与随后浸渗步骤相容的挥发性涂层，并且最后在烧制(即挥发)过程中烧掉，以使得它不存在于所得过滤器中。在一具体实施方案中，有机涂层组分凝固以形成挠性挥发性涂层。“挠性”是指该涂层是易弯的和耐久的，能够被弯曲或屈服而不开裂，断裂或从网状泡沫上脱离，而且在去除任何所施用的压力时回复和保持其形状。如果过滤器前体使用一种需要压缩(压挤)以去除过量浆料的方法进行浆料浸渗，那么该特点尤其重要。
液体可以是有机涂层组分自身或液体可包含有机涂层组分以及其他组分如溶剂，固化剂和颜料。在一个实施方案中，液体是非水性的。
凝固有机涂层组分以形成挥发性涂层，这可通过将包含有机涂层组分的液体在室温下简单干燥(蒸发溶剂)或通过施加热和/或气流或通过固化有机涂层组分，如暴露于大气中的水分或通过加入化学促进剂或通过上述这些中的一种或多种的组合而进行。
有机涂层组分可以是聚合物材料如聚氨酯，聚氯乙烯(PVC)，聚酯(PET，PVA)，聚苯乙烯，两种或更多种聚合物类型和共聚物的混合物。在一个实施方案中，有机涂层组分在干燥时形成弹性体。上述有机涂层组分被认为特别有用，因为它们已知在干燥时形成耐久性弹性体。
有机涂层组分可以是，例如，单组分体系或在施用到网状泡沫基材上之前即刻混合的双组分体系。
液体可包含有机溶剂以稀释有机涂层组分。溶剂不应不利地影响，即溶解泡沫基材，并且应该容易在室温下蒸发。根据基材和涂层的化学性质，各种各样的溶剂可以是合适的，种类包括醚如四氢呋喃(THF)和二乙基醚，烃如戊烷，环戊烷和二甲苯，酮如丙酮和甲乙酮，酯如乙酸乙酯和氟化/氯化烃。在一具体实施方案中，液体包含选自丙酮，THF，乙酸乙酯，二甲苯和其混合物的溶剂。
在某些实施方案中，有机涂层组分是单组分湿气固化聚氨酯，用酮/醚溶剂共混物稀释至所需粘度。
液体可包含颜料用于着色。这可用于提供对已被施用到一个或多个第一表面上的液体的量的指示剂，并有助于确保该表面已被完全涂布。
耐火材料可选自氧化锆，锆，二氧化硅，氧化铝(包括棕刚玉)，滑石，云母，二氧化钛，碳化硅，碳化锆，碳化钛，碳化钙，碳化铝，氮化硅，氮化铝，氧化镍，氧化铬，氧化镁，莫来石，石墨，无烟煤，焦炭，活性碳，石墨-氧化镁，石墨-氧化铝，石墨-氧化锆，硼化锆，硼化钙，硼化钛，玻璃料(磨砂玻璃)和包含这些中的两种或多种的混合物。
所用的耐火材料的颗粒可以是例如，粉末，细料，颗粒，纤维材料或微球(中空和/或实心)。在一个实施方案中，纤维材料占所用的耐火材料的至多5％。这些纤维材料的这种少量加入已知能够提高过滤器的机械强度和耐热性。
可向浆料中少量加入其他材料以改性所得过滤器的机械和热性能。在一个实施方案中，其他材料，如金属粉末和金属合金粉末的存在量相当于耐火材料的重量的至多5％。合适的材料包括钢，铁，青铜，硅，镁，铝，硼。
粘结剂可以是常用于生产耐火泡沫过滤器的任何常规粘结剂。粘结剂可以是无机粘结剂如硅酸盐玻璃(如硼硅酸盐，硅铝酸盐，硅酸镁)或磷酸盐玻璃，或选自一种或多种以下种类材料的富碳源∶沥青，焦油，和在非氧化气氛中热解时降解成碳的有机聚合物。
技术人员将能够根据过滤器的特定机械和热要求选择合适的耐火材料或耐火材料的混合物。例如，玻璃粘结的氧化铝和氧化铝/石墨混合物常用于过滤铝合金，玻璃粘结的铝和碳化硅混合物常用于铁过滤，而玻璃粘结的氧化锆用于钢过滤，而碳粘结的氧化铝和石墨混合物用于铁和钢过滤两者。
浆料中的液体载体可以是任何合适的液体稀释剂，例如水，甲醇，乙醇或轻质石油。但通常采用水，因为它提供具有良好的涂布性能的浆料且环境上安全。
其他材料也可被加入到耐火浆料以改性其流变性能。这样的材料在制备过滤器中的使用是本领域熟知的，且它们包括悬浮助剂如粘土，消泡剂如硅氧烷基液体，聚合物稳定剂和分散剂。
用耐火浆料浸渗过滤器前体是本领域熟知的，且可以如下这样进行：通过将前体浸没到浆料中和/或通过将浆料辊涂到前体上和前体内和/或喷涂，通过按压和/或辊压和/或离心而去除任何过量浆料。
可选地带有液体载体的耐火材料和/或粘结剂的一个或多个其他涂层可被施用到过滤器前体上，并且这些其他的涂层可被干燥。
本发明的实施方案现仅通过参照附图作为实例进行描述，其中：
图1是按照本发明一个实施方案的过滤器的一部分的横截面示意图；
图2a是使用CT X-射线成像得到的常规过滤器的横截面，图2b是同一图像的负片。
图3a是使用CT X-射线成像得到的按照本发明一个实施方案的过滤器的横截面，图3b是同一图像的负片；和
图4a至图4d是按照本发明一个实施方案的过滤器的SEM图像。
图1高度示意出根据本发明的过滤器10的一部分的横截面。过滤器10具有封闭外周边缘12和包含围绕并限定孔/空隙15的束14的无规网状结构。封闭边缘12和束14都是由耐火材料形成的浆料。束14因为网状泡沫在烧制过滤器前体过程中被烧掉(挥发)而具有腔16。腔还存在于其中以前存在挥发性涂层的封闭边缘14中。这些沿着虚线布置。
节点在过滤器可以被定义为两个或更多个束14交会的地方。过滤器中的一些节点已被标记为A。封闭边缘12的最薄部分位于两个表面节点之间的中点。中点的例子已被标记为B。可以看出，封闭边缘12的最薄部分具有与束14相当的厚度。
方法
标准碳化硅泡沫过滤器的制备
具有正方形横截面的网状聚氨酯泡沫片利用辊和喷涂的组合用耐火浆料浸渗直至达到所需重量。浆料包含约60％碳化硅，15％氧化铝，5％二氧化硅，10％流变改性剂(消泡剂，分散剂，稳定剂，粘结剂等)和5-10％水。调节水的加入量以得到所需浆料粘度。
然后浸渗的泡沫片在被烧制之前在炉中在150摄氏度进行干燥。烧制在隧道(连续)窑中进行，该窑的最热区的温度不超过最大1200摄氏度。
封闭边缘碳化硅泡沫过滤器的制备
具有正方形横截面的聚氨酯泡沫片在其四个横向面(侧面)上喷涂液体，该液体包含用酮/醚溶剂共混物稀释至15％干固体溶液和通过加入5％相容颜料而着色的非垂挂单组分湿气固化聚氨酯粘合剂。该液体使用具有压力罐，和5巴雾化(空气)压力和2巴液体供给压力的标准型手持喷枪施用。几层被施用到侧面上直至泡沫片上的液体涂层是连续的。边缘涂布的泡沫片随后在室温下干燥。
边缘涂布的泡沫片被用于制备泡沫过滤器，其使用与以上针对标准泡沫过滤器所述的相同方法，不同之处在于制备本发明过滤器时使用较低的浆料施用率。施用的浆料的量(施用量)通过稀释，和/或通过调节辊∶喷涂的比率来降低浆料的粘度和固体含量而减少，直至达到所需重量，同时保持泡沫材料的均匀覆盖。在施用浆料之后，将浸渗的边缘涂布泡沫片干燥并随后按照与标准泡沫过滤器相同的方式烧制。
过滤器的评估
采用以下手段以评估过滤器的性能。试验要被理解为用于对比目的，因此重要的是对所有进行试验的过滤器使用相同的参数。
平均重量
测定给定数目的样品的重量并计算中值。如前所述，在使用足以提供足够强度的浆料和允许良好的灌注和过滤效率之间存在折中。一般来说，较低重量过滤器是优选的，只要该过滤器在使用时足够坚固。
水流速试验(容量)
水流速试验是一种内部设计的装置，其中水被循环和经过垂直钢管，在该垂直钢管中，过滤器被密封在底部且垂直于该流动，这样水向下流到面上并流过过滤器。对于被试验的所有过滤器，该装置被设置使得暴露于水的过滤器面的直径是40mm。过滤器之上的水的高度(水头)是125mm，并测定水通过过滤器的平均流速。该试验用于比较各种过滤器预期的相对流速(容量)，从而给出过滤器针对熔融金属如何执行功能的指示。所引用的值是测试许多过滤器的结果的平均值。
压降试验(容量和灌注)
压降试验是用于过滤器的标准试验，其中使用测压计测定过滤器两端的空气压力的下降。过滤器被密封在连接有恒流气泵的试验用具内的印模(print)中。入口阀用于改变空气流量，使用连接到出口端的流量计记录经过该用具的流速。测压计在样品的任一侧连接到该用具上并测定经过过滤器的空气的压降。该装置设置使得暴露于空气的过滤器面的表面积根据过滤器尺寸而变化，空气流也一样。对于50mmx50mm，75mmx75mm和100mmx100mm过滤器，暴露面积和流速分别是2025mm2，4096mm2，6400mm2和40m3/小时，57m3/小时，100m3/小时。类似于水流速试验，压降测试用于对比目的以表示经过过滤器的相对流动特性。据认为，通常地，压降越低，金属越容易灌注和经过过滤器。所引用的值是测试许多过滤器的结果的平均值。
脆性测量
采用两种测量过滤器脆性的方法。
在第一方法中，测定在商业过滤器生产装置的自动包装阶段中过滤器打破后的过滤器碎片的重量。打开过滤器的包装盒并取出每一个过滤器。将任何破裂的、松脱的碎片从过滤器中分开，并与留在盒和包装中的所有碎片收集在一起。因而脆性值由松脱的碎片的总重量给出，表示为过滤器总重的百分数。
另一更严格的试验包括将6个过滤器放在200mm直径的带盖的金属盘中，并随后将它固定在标准振筛机上。接通振动基座(速度设定数3)和金属罐振动3分钟。在3分钟之后，将过滤器从盘中取出并分离所有松脱的碎片。然后将过滤器返回盘中并重复振动另外3分钟。然后取出盘，如上所述通过分离和称重松脱的过滤器碎片的总重而计算脆性值。
直接碰撞试验(机械强度测量)
用熔融铁，使用直接碰撞试验试验对过滤器进行测试，其中50kg灰口铁在给定温度下从下方配有450mm浇口的底部注入杓倾倒到过滤器的面上，所述过滤器的面被承载在由树脂粘结砂制成的印模中的两个相对边上。该试验提供了对来自起始金属冲击的过滤器机械强度，抗热震性，在一定温度下的机械强度和耐侵蚀性的测量。用于测试的温度可以根据所要测试的过滤器的厚度和所需的严格性而变化，例如比起使用在1480摄氏度下的金属，温度1530摄氏度是对过滤器性能的更严格的试验。在测试(和冷却)之后，检查过滤器，如果有一个完全贯穿它的孔，那么它被规定为失败。对于每一样品最多测试5个过滤器，如果至少四个过滤器合格(如果头四个合格，第五个过滤器不测试)，那么结果被认为“合格”。另外，检查过滤器以了解侵蚀水平以及过滤器是否存在任何裂缝。
冷碎强度
过滤器的冷碎强度使用Hounsfield压缩强度测试仪测定。将试验样品放置在试验基座中央并使具有已知直径的塞子以恒定速率50mm/分钟向下朝样品移动，直至样品被压碎。所引用的值是测试多个过滤器的结果的平均值。
对比例1-标准碳化硅泡沫过滤器
具有尺寸50mmx50mmx22mm的过滤器由具有合适尺寸的10ppi网状聚氨酯泡沫片使用上述方法制备。
图2a是具有尺寸50mmx50mmx22mm的对比例1的整个过滤器的横截面。耐火束的无规排列可被清楚地看作相对黑暗背景的明亮区域。耐火束包含腔，其中网状泡沫已在烧制过程中被烧掉。这些在作为浅色束内的黑暗区域被看见。为清楚起见，该图像的负片在图2b中给出，其中耐火材料束被显示为黑暗区域。
实施例1-具有封闭边缘涂层的碳化硅泡沫过滤器
具有尺寸50mmx50mmx22mm的封闭边缘过滤器由具有合适尺寸的10ppi网状聚氨酯泡沫片制备(如上所述)。浆料的施用量相比对比例1减少。
图3a是具有尺寸50mmx50mmx22mm的实施例1的整个过滤器的横截面。耐火材料束的无规网状结构可以与连续封闭边缘一起被清楚地看见。封闭边缘过滤器作为明亮区域被看见，而孔/空隙作为黑暗区域被看见。涂层和束具有类似厚度，即边缘涂层的直径与束的直径的比率是约1∶1。为了清楚起见，该图像的负片显示在图3b中，其中耐火材料被显示为黑暗区域。
图4a是实施例1的过滤器的拐角部分的扫描电子显微镜(SEM)图像，图4b，4c，和4d是同一部分的放大图像。在每种情况下，测量尺(line)表示1mm。封闭边缘的厚度从节点处的最大约1mm变化至低于节点之间中点处的0.5mm。封闭边缘具有与束相当的厚度，在一些点上，它明显比束薄。封闭边缘包含腔，因为挥发性有机涂层已在烧制过程中被烧掉。可看见几种长的窄腔，这表示挥发性涂层在烧制之前设置在那里。这些在图b，c和d的每一个中用箭头加亮。因为挥发性涂层是连续的，因此可以预期，已形成一个连续腔而非不连续腔。发明人相信得到许多腔，因为干燥浆料的耐火组合物正在硬化但保持流体，同时涂层正在挥发并因此在其生成时可移动以填充间隙。
结果
以下给出对比例1和实施例1的过滤器的机械，物理和热机械性能。
表1
  对比例1   实施例1
  平均过滤器重量(g)   19.5   15.9
  平均过滤器密度(g/cm3)   0.39   0.32
  水流速(1/s)   1.81   2.03
  脆性(％)   0.016   0.005
  直接碰撞试验(1530摄氏度)   合格   合格
  直接碰撞试验(1510摄氏度)   合格   合格
平均过滤器重量
本发明的过滤器(实施例1)的平均重量(和密度)比具有开口边缘的已有技术过滤器(对比例1)的平均重量低18.5％。
水流速试验(容量)
实施例1的水流速高于对比例1约11％，表明该过滤器在使用时具有较高金属流速和容量。实施例1相比对比例1具有较低水平的浆料浸渗和因此较低的过滤器重量，得到一种具有较大孔隙率(较薄的束和较少的堵塞孔)的过滤器。
脆性测量
脆性使用上述的第一试验(常规填充生产线)测定。测量显示，实施例1不太脆，即封闭边缘保护过滤器束的端部和因此减少断裂的链段的量，尽管束较薄(更少的耐火材料装填量)和因此总体上比对比例1更弱。
直接碰撞试验(机械强度测量)
使用标准试验，所有的实施例1过滤器都合格，没有显示失败标志，即断裂。结果与对比例1相同，表明尽管过滤器重量(浸渗水平)较低，但实施例1的封闭边缘过滤器仍适用于过滤熔融金属。
因此，该封闭边缘过滤器相比已有技术过滤器提供优点。过滤器的边缘被保护，而无需堆积过滤器的内部，并且确实地可以减少过滤器内部的浸渗水平。作为这种情况的结果，过滤器的流速和容量可增加，而且在某些情况下，可制成具有较小孔尺寸的过滤器，同时保持大孔尺寸的标准泡沫过滤器的流速和容量。这意味着，可增加过滤效率而对总体铸造(模具填充)工艺没有不利影响。
对比例2和3以及实施例2和3
具有尺寸50mmx50mmx15mm的常规和封闭边缘过滤器由聚氨酯泡沫片制备。对比例2和实施例2由20ppi片制备，而对比例3和实施例3由30ppi片制备。以下列出过滤器的性能。
表2
注1)商品的产品规格(和结果)
如预期，20ppi过滤器由于较大孔尺寸而比30ppi过滤器具有更高的水流速。实施例3具有30ppi的孔尺寸，但仍具有相当于20ppi常规过滤器(对比例2)的水流速。
相比目前商品对比例2和对比例3的规格，实施例2和实施例3过滤器在更高(因此更严格的试验)温度下通过了直接碰撞试验。结果共同表明，实施例3过滤器可用于替代对比例2，提供30ppi过滤器的更大的过滤效率以及通常与较低ppi产品相关的容量。
对比例4和5以及实施例4和5
具有尺寸50mmx50mmx22mm的常规和封闭边缘过滤器由聚氨酯泡沫片制备。对比例4和实施例4由20ppi片制备，而对比例5和实施例5由30ppi片制备。以下列出过滤器的性能。
表3
注1)商品的产品规格(和结果)
本发明过滤器尽管相比常规过滤器具有较低过滤器重量和冷碎强度，但都具有改进的(减小的)脆性。它们还具有大于常规过滤器的水流速，表明它们在过滤金属时具有较大的使用容量。实施例5可用于替代对比实施例4以提供较大过滤效率并保持流速。
对比例6和实施例6
具有尺寸75mmx75mmx22mm的常规和封闭边缘过滤器由具有孔隙率20ppi的聚氨酯泡沫片制备。以下列出过滤器的性能。
表4
  对比例6(20ppi)   实施例6(20ppi)
  平均过滤器重量(g)   44.0   37.7
  水流速(l/s)   2.09   2.59
  直接碰撞试验1530℃   未试验   合格
  直接碰撞试验1510℃   合格1   未试验
  平均冷碎强度(N)   970   535
注1)商品的产品规格(和结果)
对比例7和8以及实施例7和8
具有尺寸100mmx100mmx22mm的常规和封闭边缘过滤器由聚氨酯泡沫片制备。
对比例7和实施例7由20ppi片制备，而对比例8和实施例8由30ppi片制备。以下列出过滤器的性能。
表5
Figure BDA0000101432020000171
注1)商品的产品规格(和结果)
对比例9以及实施例9A，9B和9C
具有尺寸50mmx50mmx15mm的常规和封闭边缘过滤器由具有孔隙率20ppi的聚氨酯泡沫片制备。相比以前的实施例，使用不同浆料组合物，包含约55％碳化硅，15％氧化铝，10％二氧化硅，10％流变改性剂和粘结剂，以及5-10％水。调节所施加的浆料的量以制成具有不同重量的一系列过滤器。将浸渗的泡沫片如以前实施例进行干燥，但过滤器在间歇窑中烧制，在烧制周期的最高点达到最高1150摄氏度。
过滤器的脆性使用第二方法测定，并且与过滤器的其他性能一起给出如下。
表6
Figure BDA0000101432020000172
结果显示，增加浸渗水平，并因此增加过滤器重量，增加过滤器强度和降低脆性。另外，实施例9B具有类似于对比例9的总重量，但因为它还具有封闭边缘，泡沫体的浸渗较低，即涂布束厚度较低。因此该过滤器相比标准过滤器具有较高容量和更高流速，表现为较低的压降值，但没有增加过滤器的脆性(边缘)。
相比对比例9，实施例9C具有较高总过滤器重量，但由压降数据表示的束浸渗水平较低。相比常规过滤器，它因此被预期具有稍微更高的容量和金属流速。另外，因为其脆性明显改进(降低)，实施例9C更耐破裂，并因此特别耐受机械(包括机器人)操作。
实施例10，11和12。
封闭边缘氧化锆基过滤器由具有与用于产生实施例6(实施例10)和7(实施例11和12)的相同尺寸的聚氨酯泡沫片制备。浆料组合物包含约75％氧化锆，10％氧化镁，10％流变改性剂和粘结剂以及5-10％水。浸渗的泡沫片如以前实施例进行干燥。氧化锆过滤器在高于以前碳化硅过滤器的温度下烧制，在间歇窑中进行的烧制周期的最高点达到最高1600摄氏度。结果如下所示
表7
  实施例10   实施例11   实施例12
 泡沫孔隙率   20ppi   10ppi   20ppi
 平均过滤器重量(g)   72.6   159.7   143.1
 压降(Pa)   208   421   451
 平均冷碎强度(N)   3973   5307   3268
实施例13和14以及对比例13和14
20ppi封闭边缘碳化硅过滤器和标准过滤器如前所述制备并在水平分开的模具中评估。对于每一试验，铸造二十组转向节铸件，每个型箱两组，每个铸件一个过滤器。制成两个不同系列的铸件，较大过滤器用于较大/较重的铸件类型。结果如下所示
表8
封闭边缘过滤器比相应标准过滤器轻相当地多。另外，这些结果显示，封闭边缘过滤器与相当的标准过滤器相比具有较高流速，这样降低浇注倾倒时间约6％。所有铸件在目测时表现令人满意，没有可见的(过滤器相关的)缺陷。

Claims (12)

1.一种用于生产封闭边缘耐火泡沫过滤器的方法，所述方法包括：
提供网状泡沫基材，所述网状泡沫基材具有至少一个用于形成所述过滤器的侧面的第一表面和两个相对的用于形成所述过滤器的通流面的第二表面；
将包含有机涂层组分的液体施用到所述第一表面上；
使所述有机涂层组分凝固以形成在所述第一表面上具有连续的挥发性涂层的过滤器前体；
用包含耐火材料颗粒、粘结剂和液体载体的浆料对所述过滤器前体进行浸渗；和
将浸渗的过滤器前体进行干燥和烧制，以形成具有封闭边缘的过滤器。
2.权利要求1所述的方法，其中所述网状泡沫基材的孔隙率为5至60孔每线性英寸(ppi)。
3.权利要求1或2所述的方法，其中所述液体被施用到所述网状泡沫基材的所有第一表面上。
4.任一在前权利要求所述的方法，其中所述液体通过喷涂进行施用。
5.任一在前权利要求所述的方法，其中所述挥发性涂层是挠性的。
6.任一在前权利要求所述的方法，其中所述有机涂层组分选自聚氨酯，聚氯乙烯(PVC)，聚酯(PET)或聚苯乙烯中的一种或多种。
7.一种可通过任一在前权利要求所述的方法制成的耐火泡沫过滤器，所述过滤器包含耐火材料束的三维网状结构并且具有至少一个侧面和两个相对的通流面，所述至少一个侧面具有整体封闭边缘。
8.根据权利要求7所述的过滤器，其中所述整体封闭边缘具有小于1mm的厚度。
9.根据权利要求7或权利要求8所述的耐火泡沫过滤器，其中所述封闭边缘包含腔。
10.根据权利要求9所述的过滤器，其中所述腔在平行于所述侧面的方向上比它们在垂直于所述侧面的方向上的宽度明显更长。
11.权利要求7至10中任一项所述的过滤器，其中所述整体封闭边缘具有小于0.5mm的厚度。
12.权利要求7至11中任一项所述的过滤器，其中所述整体封闭边缘的厚度与所述束的厚度的比率是0.5至2。
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