CN1628004A - 用于熔融钢过滤的过滤装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于熔融钢过滤的过滤器装置以及一种用于制备该装置的方法。该过滤器装置(1)包括用于熔融金属过滤的、石墨化碳的连接网，其特征在于：存在至少两个彼此间开的滤网板(2、4)，特别是提供了储存腔室7。

Description

用于熔融钢过滤的过滤装置

本发明涉及一种用于熔融钢过滤的过滤装置以及用于制备该过滤装置的方法。

对于熔融金属(特别是钢)的处理，希望除去外来的金属间夹杂物，例如原材料的杂质、形成于熔化物表面上的炉渣、浮渣和氧化物以及较小耐火材料碎片，该耐火材料通常用于形成腔室或容器，熔融金属熔化物形成于该腔室或容器内。

除去这些夹杂物将形成均质的熔化物，该均质熔化物保证产品具有高质量，尤其是在钢、铁和铝金属的浇铸中。目前广泛使用陶瓷过滤器，因为它们具有很高的、承受外部热冲击的能力，因为它们能耐化学腐蚀，并能够承受机械应力。

这种陶瓷过滤器的制造通常涉及使陶瓷粉与合适的有机粘接剂和水混合以便制备糊或浆。该浆用于浸渍聚氨酯泡沫，然后在从1000至1700℃范围的温度下进行干燥和烧制。通过这样处理，可燃烧材料在烧结过程中烧掉，从而产生多孔体，US-A-2460929和US-A-2752258可以作为普通方法的实例。

还有，开孔过滤器(代替随机分布的不规则互连通道)包括一系列使材料通过的平行导管，它通常通过将湿陶瓷粉和有机粘接剂以液压压入包含垂直销的模具内而制成。这样获得的穿孔结构可以为盘或块的形状。然后，根据最终用途，穿孔物品在从1000至1700℃范围的温度下烧制，以便生成穿孔盘。在烧制过程中，形成陶瓷和/或玻璃粘接。

US-A-4721567涉及一种陶瓷浇注过滤器，用于熔融金属的浇铸中，该过滤器包括多个具有靠近地间隔开的孔的元件，这些元件确定了在它们之间的过滤空腔，且它们的孔交错，这样，从一个元件的孔流出的金属在进入下一个元件的孔之前经过限制。该专利所述的陶瓷过滤器具有这些缺点：热质量高、对热冲击敏感、蠕变以及热降解。该过滤器包括两个或更多并不连接在一起的单独部件。当最终装配过滤器时，在层之间没有产生空间或腔室。还有关于在孔之间的间距以及孔径的规定。该过滤器特别昂贵，从而有很多缺点。

US6216768 B1涉及在过滤板中的自由孔(该自由孔位于并不由插入的处理材料覆盖的区域中)的数目与所述过滤板中的孔的总数的比例，该比例不小于10％和/或不大于75％。该过滤器特别设计成用于铁浇铸(inoculation)。它只适于铁浇铸。它作为两件而未连接。顾客在浇铸位置进行装配。它由陶瓷制成，并用作布置于两半之间的容器(casket)。

US-A-5785851公开了一种用于熔融金属的网状陶瓷过滤器，它有：进口部分，该进口部分有进口表面；中间本体部分，该中间本体部分与进口部分邻接；以及出口部分，该出口部分有出口表面。进口表面为非平面的，具有上部表面和下部表面，以便提供更大的、用于供给进口表面的熔融金属的接触面积。该专利涉及泡沫过滤器，其中泡沫的表面进行了一些变化。上部穿孔板可以布置在泡沫过滤器的顶部上，它作为预过滤器。实际上，由于金属在浇铸过程中将过度冷却(因为金属必须通过陶瓷预过滤器以及陶瓷过滤器)，该过滤器并不能工作。还有，该专利并没有说明哪种机构用于使预过滤器与泡沫过滤器连接。

而且，WO01/40414 A1涉及一种多孔的、基于煤的材料，该材料的密度在大约0.1克每立方厘米和大约0.6克每立方厘米之间，通过在“模具”中并在非氧化气体情况下对小的煤颗粒进行可控加热而制成。因此，优选是制成为近似网状形状的多孔产品可以进行机械加工、粘接和以其它方式制造，以便制成各种低成本、低密度的产品，或者以它的预成形形状用作过滤器、热或电绝缘体等。没有进一步处理的所述多孔产品的压缩强度高达大约6000psi。通过对所述多孔产品进行碳化或石墨化的进一步处理将生成能够用作电或热导体的产品。该专利涉及具有密集和随机孔隙的泡沫。由于使用钢模具的限制，因此很难批量生产。所提及的仅有过滤用途是用于铝金属，且该泡沫的制造需要可控压力和气体。该专利依靠调节模具内部压力而获得多孔结构。还有，在本例中，孔隙并不充分打开。声称的过滤用途是很多用途中的一种，并不能证明该过滤器一直能够实际用于金属过滤。而且，只提及用于铝的过滤，因为对于钢的过滤，该过滤器太脆弱。该专利只介绍了没有任何陶瓷的碳过滤器。制造过滤器的方法基于调节模具内部压力。该方法难以控制。

US-A-4395333公开了一种用于过滤熔融金属的装置中的改进的过滤器元件，并公开了制造该过滤器元件的方法。该装置包括装有过滤器元件的过滤容器。在该发明的一个实施例中，在过滤装置投入使用之前，改进的过滤器元件利用金属进行预湿。在该发明的第二实施例中，改进的过滤器元件通过一个或多个增强部件来增强。改进的过滤器元件可以用于具有各种结构的过滤容器中。该过滤器只用于铝。它由陶瓷制成，并通过陶瓷结构来实施。该专利的主要目的是在用于铝过滤的过程中提高过滤器的机构完整性。

EP0490371 A2涉及一种处理包含颗粒的熔融铝的方法，以便从熔融铝中除去颗粒，该方法包括：使熔融铝通过有第一表面的第一刚性过滤器介质，以便除去一部分颗粒；收集在所述第一表面上的所述颗粒作为滤饼，颗粒能够通过使滤饼与气泡接触而从所述表面上被除去；以及使所述熔融铝通过第二刚性过滤器介质，以便从中除去颗粒，该颗粒的尺寸通常比由第一介质除去的颗粒更小。用于过滤熔融金属的装置包括刚性粗滤器和刚性精滤器。该专利只用于铝过滤。两个过滤器都是陶瓷泡沫过滤器，且并不连接在一起。

US-A-4514346使用酚醛树脂来与硅在高温下反应以便形成碳化硅。其中并不包括碳连接(carbon bonding)。该专利只用于制造多孔碳化硅。采用超过1600℃的温度来获得碳化硅。该处理是无水的。通过该处理获得的孔隙是封闭孔隙，它不能用于需要开口孔隙的过滤。

GB-A 970591涉及制成高密度、低透过性的石墨物品。它使用有机溶剂(即糠醇)来作为溶剂，而不是水。使用沥青形式的粘接剂，占25％，根本没有陶瓷。最终的加热超过2700℃。孔隙是封闭孔隙而不是开口孔隙。

US-A-3309433介绍了一种用于制造高密度石墨的方法。它利用热压作为获得高密度石墨物品的方式，该高密度石墨物品用于核用途。采用称为Dibenzanthrone的专门材料来粘接石墨。它在金属过滤领域没有有用的用途。在该方法中没有使用任何陶瓷。它采用了高达2700℃的高温。

EP0251634 B1介绍了一种用于制造多孔陶瓷体的合适方法，该多孔陶瓷体有平滑的壁室，该壁室通过孔成形设备形成，还具有圆角边缘的孔，这些孔与室互连。

US-A-5520823涉及只用于铝的过滤器。通过使用硼硅酸盐玻璃而获得粘接。在空气中进行烧制，且很大量的石墨将由于空气的氧化而损失。用于铝过滤的过滤器通常在大约1200℃下烧制，将用于铁的过滤器在大约1450℃的温度下烧制，而用于钢的过滤器在高于1600℃的温度下烧制。

尽管上述过滤器广泛用于金属，特别是钢，但是上述类型的过滤陶瓷过滤器有限制它们的用途的几个缺点：

1.尽管预热，陶瓷过滤器也将在首先与熔融金属接触时由于凝固颗粒而堵塞。因此，通常采用热熔融金属(过热熔融金属是温度比液相线温度高大约100℃的金属)来进行浇铸，以便防止过滤器阻塞。这极大地浪费了能量和成本，降低熔融金属的处理温度的任何改进都将有很大益处。在现有技术中，碳涂层施加在陶瓷过滤器的表面上，以便减小直接与熔融金属接触的部分的热质量(thermal mass)。

还有，EP0463234 B1提出了将放热反应铝热剂材料施加在陶瓷过滤器的碳涂覆表面上。该方法尽管减小了熔融金属流过所需的温度，但是增加了制造过滤器的成本，且使得可用性限制得非常窄，因为铝热剂涂层必须与它所用于的熔融金属的类型相容。

无论如何，碳和铝热剂涂层用于克服陶瓷过滤器的、热质量高的缺点，但同时还需要克服几个缺点。

2.陶瓷和玻璃类型粘接将在高温下软化和蠕变，这通常导致侵蚀过滤器，并随后污染熔化物。

3.由于热金属熔化物的热冲击或化学药品(还原剂)腐蚀而产生裂纹是陶瓷和玻璃粘接过滤器通常遇到的问题。

4.需要极高的烧制温度，尤其是当将陶瓷用于钢过滤时，这是普通陶瓷过滤器的严重缺点，当考虑到需要高价陶瓷原材料时，这甚至更差。

5.此外，使用具有相对较强本底辐射的氧化锆将有害，并应当避免。

6.由于在烧制过程中的较大收缩，因此很难制造较大尺寸的氧化锆过滤器。

7.在泡沫过滤器的制造处理过程中燃烧聚氨酯泡沫将引起有害气体对环境的污染。

共同待审的EP01121044(申请日为2001年9月1日，该专利文献整个被本文参引)涉及一种适用于熔融金属过滤的陶瓷过滤器，它包括连接的石墨化碳网。碳连接的陶瓷通常较弱，并且机械强度较低。根据该参考文献的碳连接过滤器的机械强度有限，这在运输和使用过程中引起问题，并限制了过滤器承受熔融金属施加在它上面的压力的能力。

还有，这些过滤器较脆并将破裂成一些小块，而这些小块将在浇铸之前落入模具中，从而导致污染铸件。

共同待审的申请EP02012031(申请日为2002年5月31日，该专利文献被本文参引)涉及一种碳连接过滤器，该过滤器通过存在陶瓷纤维、玻璃纤维、有机纤维、碳纤维、金属纤维以及它们的混合物而增强。

因此，本发明的目的是提供一种用于金属(尤其是钢)过滤的过滤器装置1，该过滤器装置1改进了除渣、改进了熔融金属(特别是钢)流的破裂、使制造更便宜，且没有尺寸限制。该过滤器的制造通过避免燃烧聚氨酯泡沫而对环境更适宜。

在第一实施例中，本发明涉及一种过滤器装置1，该过滤器装置1包括用于熔融金属(特别是钢)过滤的、石墨化碳的连接网，其特征在于：存在至少两个彼此隔开的滤网板2、4，从而提供储存腔室7。

图1是本发明的过滤装置1的俯视图。装置1为正方形几何形状，不过它也可以制成为任意其它几何形状，例如矩形、圆形等。上部滤网板2和下部滤网板4(未示出)包含一系列孔3，从而能够对熔融金属(特别是钢)进行过滤。滤网板2、4形成储存腔室7，该储存腔室7通过合并由一系列孔3产生的单独流体流而减小熔融金属的流动速度，并通过经过下部滤网板而再次将储存腔室7的内容物分成一系列的单独熔融金属(特别是钢)流。

图2是图1的过滤器装置1的剖视图。两个滤网板2、4彼此隔开地布置。在滤网板2、4之间的距离由各框架5、5a来提供，并保证滤网板2、4的、彼此相对的内表面6、6a并不彼此接触，特别是在该过滤器装置1用于熔融金属(特别是钢)过滤的过程中。在两个框架5、5a之间的连接例如可以通过高温陶瓷或碳连接而形成。尽管图2表示了存在两个滤网板2、4，它们的内表面6、6a彼此相对，但是下部或上部滤网板2、4也可以翻转，这样，一个滤网板2、4的框架5、5a直接粘在另一个滤网板上，条件是存在至少一个储存腔室7。同样，可以组合三个或更多滤网板2、4。

滤网板2、4包含多个通孔，这些通孔并不必须象孔3和3a一样处于直接流动方向中。例如，通孔3b和3c横向间隔开，且不允许熔融金属直接流动。上部滤网板2有波纹形表面(峰和谷)6，具有很高的表面不平度或表面粗糙度，这用于增加熔融金属(例如钢)在第一和第二滤网板2、4之间的空间(储存腔室)内停留的时间，还用于增加过滤器的表面积。所述波纹形表面6、6a可以通过在用于压制过滤器的钢工具中的压印来制成。

图3表示了滤网板2、4的表面6、6a由于具有一系列峰和谷而形成的粗糙度。两个板2、4的内表面6、6a为波纹形，同时两个滤网板2、4的外表面也可以为波纹形，尽管这可能使得压制工具复杂。

图4表示了与图1的过滤器装置非常类似的过滤器装置。不过，储存腔室7的内表面6、6a并不是变粗糙，而是具有象峰丘和沟谷一样的确定三维几何形状，从而提供降低流过孔3、3a、3b的熔融金属(特别是钢)的流速的相同效果。

图5表示了图4中所示的滤网板2、4的俯视图。

过滤器装置1可以由在过滤熔融金属领域中公知的任何材料(例如氧化铝、氧化硅、氧化锆、氧化镁、粘土、云母、叶蜡石、富铝红柱石)或者在陶瓷制造领域中使用的任何其它材料来制造。优选是，过滤器装置1由陶瓷材料制成，特别是包括石墨化碳网(并且可选择包含有纤维)的陶瓷材料。不过，使用无陶瓷材料的优点是具有更好的可复用性，因为，熔融金属不会受到陶瓷材料的污染。

术语“可石墨化”的意思是，通过碳母体的热解而获得的碳连接可以通过在没有空气的情况下加热至更高温度而转变成石墨状连接。可石墨化碳与玻璃状碳的区别在于，不管加热至多高温度，都不能将玻璃状碳转变成石墨状碳。

这种碳连接有以下优点：

制造明显更便宜。

可以在低得多的温度下烧制，以便由碳连接母体形成完全碳连接网。通常，过滤器必须在从500℃至1000℃范围的温度下烧制。

明显降低所需的过热。

降低热质量。

使耐热冲击性更好。

无污染。

本发明的过滤器装置1具有相对较低的热质量。因此不需要使得要过滤的金属(特别是钢)过热，这减小了能量消耗。

向过滤器配方中添加20％重量的纤维将明显有助于改进过滤器的性能。该改进主要是由于增加了机械强度、提高了刚性、并有更高的耐冲击性和更好的耐热冲击性。它自身通过增加过滤能力、使机构完整性更好和对浇铸钢的污染更少而证明了该改进。还有，因为由于使用纤维而增加了机械强度，因此过滤器的总重量可以减小，从而降低了成本，并提高了过滤器的效率。

由于碳连接与纤维组合在高温下的优良机械强度，因此在金属浇铸处理过程中也不会发生软化或弯曲。这有助于甚至更清洁的金属浇铸。

根据本发明的、包含纤维的可石墨化碳连接过滤器装置与玻璃状碳连接过滤器相比具有以下优点：

较高耐氧化性；

较高机械强度；

较高耐冲击性；

较低微孔率；

较低比表面(specific surface)；

具有结构柔韧性；

无脆性性能；

经济使用。

通常，纤维添加至陶瓷和复合材料中，以便提高机械强度，并使物品具有刚性。这些纤维可以是金属纤维、有机纤维(例如聚酯纤维、粘胶纤维、聚乙烯纤维、聚丙烯腈(PAN)纤维、芳族聚酰胺纤维、聚酰胺纤维)、或者陶瓷纤维(例如铝硅酸盐纤维、氧化铝纤维或玻璃纤维)、或者包含100％碳的碳纤维。所有这些纤维都以不同程度用于陶瓷中，以便有利于陶瓷性能，例如更高机械强度、更高耐冲击性和更好的耐热冲击性。

向现有技术的碳连接过滤器中添加这些纤维将明显提高过滤器的机械强度，并提高耐冲击性和耐热冲击性。强度可以由于使用纤维而倍增。因此也提高了耐冲击性和耐热冲击性。因此，这时的过滤器装置至少可以使它们的过滤能力倍增。例如由100mm×100mm×20mm的单个滤网板2制成的碳过滤器具有100kg钢的正常过滤能力，通过两个滤网板2、4制成的相同过滤器装置1能够过滤200kg钢。而且，当离开过滤器装置1时，熔融金属流将宽得多，因此有更低速度。

为了获得最佳性能，构成本发明的连接网的石墨化碳在过滤器中所占的重量高达15％，优选是高达10％重量，更优选是至少2％重量和直到5％重量。

在本发明的另一实施例中，本发明的过滤器装置通过包括以下步骤的方法而制成：

a)在液压压机中压制半湿混合物，该半湿混合物包括陶瓷粉和可选的可石墨化连接母体、纤维和其它添加剂，以便获得穿孔的滤网板2、4，该滤网板2、4为盘形形状，并有凸出的框架5、5a，且滤网板2、4的内表面6、6a的至少一个有波纹形表面6、6a(峰和谷或者峰丘和沟谷)；

b)利用陶瓷或碳粘接剂而使两个滤网板2、4彼此连接，这样，在两个滤网板2、4之间形成空间(储存腔室)；以及

c)在还原或非氧化气体的情况下在直到1000℃的温度下烧制装配后的过滤器，优选是在600℃和700℃之间进行烧制。

在可选方法中，滤网板2、4首先单独烧制，然后彼此连接。

滤网板2、4的内表面6的表面粗糙度可以这样获得，即通过使光滑表面变粗糙，或者直接压制成具有所希望的粗糙度的几何形状，或者通过其上具有波纹或者在峰和谷(峰丘和沟谷)之间的高度差的压印机压制成几何形状。峰丘和沟谷至少0.1mm至10mm，特别是1mm至5mm。

实例

实例1

使用煤焦油沥青作为可石墨化的高熔点沥青(HMP)，它的玻璃转变温度为210℃，焦化值为85％，灰值为0.5％，且它可在市场上作为细粉而购得。

在Hobart或Eirich混合器中制备含有50g铝硅酸盐陶瓷纤维、70g所述高熔点沥青粉、900g陶瓷粉(煅烧氧化铝)、100g石墨粉、20g PVA粘接剂和60g水的混合物。混合处理的目标是形成半湿和均质的混合物。预定重量的混合物置于钢模具中，该钢模具包含在下部的垂直销和在压制工具上部处的波纹形表面6、6a(峰和谷)。压制混合物生产穿孔的滤网板2、4，该滤网板2、4有凸出框架5、5a、在一侧的平表面和在另一侧的波纹形表面6、6a。

在压制各板之后，两个板2、4彼此连接，这样，两个波纹形表面6、6a彼此相对，从而在它们之间产生空间或储存腔室。

然后，所形成的过滤器在惰性气体中在从600℃至900℃范围的温度下以从1℃/min至10℃/min的加热速率烧制20至120分钟。

纤维增强的可石墨化碳连接穿孔过滤器装置1用于进行现场试验，以便过滤熔融金属。发现该过滤器装置1并不需要使熔融金属过热，因为它在熔融金属与过滤器接触时产生的热量足以在过滤过程中保持熔融钢流动。这是因为过滤器表面和熔融钢的放热反应。还有，过滤器装置1在测试过程中没有受到热冲击或变形。这些优点打开了提高浇铸钢过滤的经济性和高效性的大门。

Claims (11)

1.一种用于熔融钢过滤的过滤器装置(1)，包括石墨化碳的连接网，其特征在于有至少两个滤网板(2、4)，这两个滤网板(2、4)彼此间隔开，特别是提供了储存腔室(7)。

2.根据权利要求1所述的装置(1)，其特征在于：所述滤网板(2、4)的、彼此相对的表面(6、6a)的至少一个具有表面波纹，范围为0.1mm至10mm，特别是1mm至5mm。

3.根据权利要求1或2所述的装置(1)，其特征在于：各滤网板(2、4)的通孔(3、3a)彼此横向间隔开。

4.根据权利要求1至3中任意一个所述的装置(1)，其特征在于：各滤网板(2、4)的通孔(3、3a)的直径在1至10mm的范围内，特别是2至5mm。

5.根据权利要求1至4中任意一个所述的装置(1)，其特征在于：所述滤网板(2、4)的通孔(3、3a)的几何形状为圆形、椭圆形、三角形、正方形、矩形、五边形或六边形。

6.根据权利要求1至5中任意一个所述的装置(1)，其特征在于：各滤网板(2、4)的几何形状相同。

7.根据权利要求1至6中任意一个所述的装置(1)，其特征在于：过滤器由陶瓷原材料制成，特别是由包括石墨化碳网和可选的增强纤维的陶瓷材料制成。

8.一种制造如权利要求1至7中任意一个所述的过滤器装置(1)的方法，包括以下步骤：

a)在液压压机中压制半湿混合物，该半湿混合物包括陶瓷粉和可选的可石墨化的连接母体、纤维和其它添加剂，以便获得穿孔的滤网板(2、4)，该滤网板(2、4)为盘形形状，并有凸出的框架(5、5a)，且滤网板(2、4)的内表面(6、6a)的至少一个有波纹形表面(6、6a)(峰和谷)；

b)利用陶瓷或碳粘接剂而使两个滤网板(2、4)彼此连接，这样，在两个滤网板(2、4)之间形成空间或储存腔室；以及

c)在还原或非氧化气体的情况下在直到1000℃的温度下烧制装配后的过滤器(1)，优选是在600℃和700℃之间。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：在烧制滤网板(2、4)之前或之后还有使表面(6、6a)变粗糙的步骤。

10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于：所述陶瓷母体材料包含可石墨化碳连接母体、陶瓷粉和可选的其它添加剂。

11.根据权利要求8和10中任意一个所述的方法，其特征在于：所述母体在500至2000℃范围的温度下烧制，特别是500至1000℃。

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