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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen offenporigen Keramikschaum
zur Herstellung von Filtern zum Filtrieren schmelzflüssiger Leicht-
und Buntmetalle.
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Offenporige
Keramikschäume
zur Herstellung von Filtern zum Filtrieren schmelzflüssiger Leichtmetalle
sind im Stand der Technik bekannt. Derartige Keramikschäume werden
in der Regel hergestellt, indem zunächst eine abbrennbare Schaumstruktur, üblicherweise
eine organische Schaumstruktur wie beispielsweise ein Polyurethanschaum,
mit einer wässrigen,
Bestandteile zur Ausbildung einer Keramik enthaltenden Suspension
imprägniert
wird. Danach wird die imprägnierte
Schaumstruktur von überschüssiger Suspension
befreit, zur Entfernung von Wasser getrocknet und anschließend bei
einer Temperatur kalziniert, bei welcher die Schaumstruktur verbrennt
und die auf der Schaumstruktur abgeschiedenen Bestandteile der Suspension
zu einer Keramik zusammensintern.
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Geformte
Filter aus offenporigen Keramikschäumen können auf direktem oder indirektem
Wege hergestellt werden. Bei der Herstellung von geformten Filtern
aus Keramikschäumen
auf direktem Wege werden in das wie vorstehend beschriebene Verfahren
abbrennbare Schaumstrukturen eingesetzt, welche Form und Abmessungen
des gewünschten
Filters aufweisen. Bei der Herstellung auf indirektem Wege wird
aus einer Lage eines offenporigen Keramikschaums ein entsprechendes
Stück ausgeschnitten
und dieses zu einem Filter gewünschter
Form verarbeitet. Die Herstellung entsprechender Filter auf indirektem
Wege erfordert in der Regel daher eine gewisse Flexibilität des verwendeten
Keramikschaums.
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US 3,524,548 beschreibt
einen starren Filter zur Entfernung eingeschlossener Festkörper aus
geschmolzenem Aluminium, wobei der Filter im Wesentlichen aus einer
geformten, gebrannten Mischung aus
- a) feuerbeständigen,
geschmolzenem Aluminium widerstehenden Partikeln, die einen mittleren
maximalen Durchmesser von ungefähr
0,165 mm bis ungefähr
2,8 mm aufweisen, und
- b) 4 bis 20 Gew.-% eines vorgeschmolzenen glasartigen Materials,
bezogen auf das Gesamtgewicht der gebrannten Mischung, wobei das
Material im Wesentlichen aus 15 bis 80 Gew.-% Boroxid, 5 bis 50
Gew.-% Calciumoxid, 2 bis 60 Gew.-% Aluminiumoxid und nicht mehr
als 10 Gew.-% Siliziumoxid gebildet ist;
gebildet ist.
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GB 1,428,437 betrifft ein
Verfahren zur Herstellung eines Filtermediums einer bestimmten Güte, Schüttdichte
sowie einer bestimmten Porosität.
Das Verfahren umfasst
- – das Zusammenmischen von 100
Gew.-Teilen aggregierter Teilchen von geschmolzener Tonerde, gesinterter
Tonerde, Siliziumcarbid und/oder Siliziumnitrid, 5 bis 18 Gew.-Teilen
eines anorganischen Bindematerials mit einer chemischen Zusammensetzung
von 10 bis 50 Gew.-% SiO2 und von 5 bis
20 Gew.-% B2O3, wobei
zumindest 70 Gew.-% des anorganischen Bindematerials nicht glasartig
sind, sowie 3 bis 15 Gew.-Teilen
einer brennbaren Substanz;
- – Kneten
der Mischung mit einem zusammenbackenden Material und Wasser;
- – Formen
der gekneteten Mischung;
- – Trocknen
des geformten Materials und
- – Kalzinieren
desselben bei einer Temperatur von > 1100°C.
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EP 0 388 010 beschreibt
offenporige keramische Filter zur Filtration schmelzflüssiger Leichtmetalle, wobei
der zelluläre
Körper
aus einer Zusammensetzung gebildet ist, die zumindest ein Flussmittel
für ein Leichtmetall
enthält.
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EP 0 507 463 beschreibt
einen aus einem vernetzten Schaum bestehenden Filter zum Filtrieren schmelzflüssiger Leichtmetalle,
wobei der vernetzte Schaum aus einer Graphit, Wollastonit, Kieselsäure und einer
ein Alkaliphosphatglas enthaltenden Zusammensetzung gebildet ist,
wobei der vernetzte Schaum 20 bis 80 Gew.-% Graphit, 1 bis 10 Gew.-%
Wollastonit, 1 bis 20 Gew.-% Kieselsäure und 1 bis 10 Gew.-% Alkaliphosphatglas
enthält.
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Den
im Stand der Technik beschriebenen offenporigen Keramikschäumen zur
Herstellung von Filtern zum Filtrieren schmelzflüssiger Leichtmetalle ist gemein,
dass sie eine verhältnismäßig geringe
Flexibilität
aufweisen. Aufgrund der verhältnismäßig geringen
Flexibilität
der bekannten Keramikschäume
lassen sich diese nicht oder nur besonders kostenaufwendig auf indirektem
Wege zu geformten Filtern verarbeiten.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, einen offenporigen
Keramikschaum zur Herstellung von Filtern zum Filtrieren schmelzflüssiger Leichtmetalle
bereitzustellen, der eine verhältnismäßig hohe
Flexibilität
aufweist und somit wirtschaftlich auf indirektem Wege zu geformten
Filtern verarbeitbar ist.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch
einen offenporigen Keramikschaum gelöst, der einen Anteil von zumindest
30 Gew.-% Enstatit umfasst.
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Der
vorstehend genannte erfindungsgemäße offenporige Keramikschaum
weist eine verhältnismäßig hohe
Flexibilität
auf, so dass er fertigungstechnisch einfach und damit kostengünstig auf
indirektem Wege zu geformten Filtern verarbeitet werden kann.
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Darüber hinaus
wurde überraschenderweise
aufgefunden, dass sich der erfindungsgemäße offenporige Keramikschaum
durch eine verhältnismäßig hohe
Temperaturstabilität
auszeichnet, so dass entsprechende Filter nicht nur zum Filtrieren
schmelzflüssiger
Leichtmetalle, sondern auch zum Filtrieren von Buntmetallen sowie
Legierungen von Leicht-, Bunt- und von Leicht- mit Buntmetallen
geeignet sind.
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Aufgrund
der verhältnismäßig hohen
Erweichungstemperatur des erfindungsgemäßen Keramikschaums weisen unter
Verwendung des erfindungsgemäßen Schaums
hergestellte Filter beim Filtrieren von Leichtmetallen und deren
Legierungen eine größere Prozesssicherheit
auf.
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Bevorzugt
ist es, wenn der Keramikschaum einen Anteil von 30 bis 50 Gew.-%
Enstatit umfasst. In diesem Bereich zeichnet sich der erfindungsgemäße Keramikschaum
durch eine besonders hohe Flexibilität bei gleichzeitig hoher Festigkeit
aus.
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Ferner
kann es bevorzugt sein, wenn der Keramikschaum einen Anteil von
bis zu 30 Gew.-% Quarz umfasst, vorzugsweise einen Anteil von 5
bis 25 Gew.-% und bevorzugt einen Anteil von 10 bis 20 Gew.-%. Durch
einen entsprechenden Anteil an Quarz wird die Festigkeit des erfindungsgemäßen Schaums
deutlich erhöht.
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Besonders
bevorzugt ist es, wenn der Keramikschaum einen SiO2-Gehalt von 50 bis
60 Gew.-%, einen Al2O3-Gehalt
von 10 bis 20 Gew.% und einen MgO-Gehalt von 20 bis 30 Gew.-% aufweist.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen offenporigen
Keramikschaums enthält
der Keramikschaum die Anteile an SiO2 , MgO und gegebenenfalls Al2O3 in Form einer gesinterten Mischung von
Talk, Kieselsäure
und Kaolinit. Dadurch wird eine erhöhte Dimensionsstabilität des erfindungsgemäßen Keramikschaums
bei hohen Temperaturen gewährleistet.
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Entsprechend
einer weiter bevorzugten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Keramikschaums enthält der Keramikschaum
0,2 bis 2,0 Gew.-% Eisen. Dabei kann das Eisen in dem Keramikschaum
in metallischer und/oder oxidischer Form enthalten sein.
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Es
kann vorgesehen sein, dass der erfindungsgemäße Keramikschaum 0,1 bis 1,5
Gew.-% CaO enthält.
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Weiter
kann es bevorzugt sein, wenn der erfindungsgemäße Keramikschaum 0,1 bis 1,5
Gew.-% Na2O enthält.
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Darüber hinaus
kann es bevorzugt sein, wenn der erfindungsgemäße Keramikschaum 0,3 bis 3,0 Gew.-%
K2O enthält.
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Ferner
kann es gemäß einer
weiter bevorzugten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Keramikschaums
vorgesehen sein, dass dieser in schmelzflüssigem Leicht- und Buntmetall
aufschwimmt.
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Die
Erfindung betrifft ferner eine wässrige
Suspension zur Herstellung temperaturbeständiger Formkörper, insbesondere
eines offenporigen Keramikschaums zur Herstellung von Filtern zum
Filtrieren schmelzflüssiger
Leicht- und Buntmetalle, vorzugsweise eines erfindungsgemäßen Keramikschaums,
umfassend einen Talk, eine Kieselsäure sowie ein Kaolinit.
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Um
unter anderem eine gute Verarbeitbarkeit der wässrigen Suspension zu gewährleisten,
enthält
gemäß einer
besonders bevorzugten Ausführungsform
die wässrige
Suspension 20 bis 60 Gew.-% Talk, 3 bis 40 Gew.-% Kieselsäure sowie
3 bis 30 Gew.-% Kaolinit.
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Entsprechend
einer weiter bevorzugten erfindungsgemäßen Suspension kann es vorgesehen
sein, dass der in die Suspension einzusetzende Talk eine mittlere
Körnung
D50 von 1 bis 200 μm
aufweist, vorzugsweise eine von 20 bis 80 μm. Bei dem Einsatz von Talk
einer entsprechenden mittleren Körnung
D50 weist die Suspension eine verhältnismäßig hohe Stabilität und damit
eine gute Verarbeitbarkeit auf.
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Gemäß einer
weiter bevorzugten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Suspension
weist der Talk eine Schmelztemperatur im Bereich von 1100°C bis 1400°C auf. Der
Einsatz eines derartigen Talks bietet die Möglichkeit, den Feststoffanteil
der Suspension bei einer verhältnismäßig hohen Temperatur
zu kalzinieren, was die Ausbildung eines festen keramischen Gefüges begünstigt.
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Um
aus der erfindungsgemäßen Suspension
einen Formkörper
mit einer möglichst
hohen Festigkeit zu erhalten, kann es gemäß einer weiter bevorzugten
Ausführungsform
vorgesehen sein, dass die Kieselsäure in Form eines Kieselsols
oder einer Kieselsäuredispersion
eingesetzt ist.
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Ferner
kann es bevorzugt sein, wenn die Kieselsäure eine spezifische Oberfläche von
30 bis 300 m2/g aufweist. Dadurch erhält ein aus
der Suspension hergestellter Formkörper beim Kalzinieren ein besonders
festes keramisches Gefüge.
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Gemäß einer
weiter bevorzugten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Suspension
weist die einzusetzende Kieselsäure
einen Feststoffgehalt von 20 bis 50 Gew.-% auf.
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Ferner
kann es gemäß einer
weiter bevorzugten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Suspension
vorgesehen sein, wenn das Kaolinit eine Schmelztemperatur im Bereich
von 1200°C
bis 1600°C
aufweist. Dadurch ist die Möglichkeit
gegeben, einen aus der Suspension hergestellten Formkörper bei
verhältnismäßig hoher
Temperatur zu kalzinieren und so ein sehr festes keramisches Gefüge zu erhalten.
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Es
kann bevorzugt sein, wenn die Suspension ein Bindemittel enthält, vorzugsweise
mit einem Anteil von bis zu 10 Gew.-% bezogen auf das Gesamtgewicht
der Suspension. Dadurch kann die Entwicklung der Grünfestigkeit
von imprägnierten
Schaumstrukturen sowie ein Abbinden während eines etwaigen Trocknungsschrittes
und im Anfangsstadium des Kalzinierens verbessert werden.
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Erfindungsgemäß bevorzugte
Bindemittel sind abbrennbare Bindemittel, vorzugsweise ein Kohlenhydratmaterial,
insbesondere ein Dextrin, oder ein Polyacrylester. Derartige Bindemittel
weisen bezüglich
der Suspensionsbestandteile Talk, Kieselsäure und Kaolinit ein sehr gutes
Abbindeverhalten auf und verbrennen beim Kalzinieren der imprägnierten
Schaumstruktur, so dass sie keinen störenden Einfluss auf das keramische Gefüge ausüben können.
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Zur
Verbesserung der Verarbeitbarkeit der Suspension kann gemäß einer
weiter bevorzugten Ausführungsform
vorgesehen sein, dass die Suspension ein Fließmittel, vorzugsweise ein Verdickungsmittel,
ein Dispergiermittel und/oder einen Entschäumer enthält, vorzugsweise mit einem
Anteil von je 0,1 bis 2,0 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht
der Suspension.
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Die
Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines offenporigen
Keramikschaums zur Herstellung von Filtern zum Filtrieren schmelzflüssiger Leicht-
und Buntmetalle, insbesondere eines erfindungsgemäßen Keramikschaums,
umfassend die nachfolgenden Schritte:
- a) Imprägnieren
einer abbrennbaren, offenporigen Schaumstruktur mit einer wässrigen
Talk, Kieselsäure sowie
Kaolinit enthaltenden erfindungsgemäßen Suspension;
- b) gegebenenfalls Entfernen von überschüssiger Suspension von der Schaumstruktur;
- c) gegebenenfalls Trocknen der mit Suspension imprägnierten
Schaumstruktur;
- d) Kalzinieren der mit Suspension imprägnierten Schaumstruktur bei
einer Temperatur, bei welcher die Schaumstruktur abbrennt und bei
welcher der Talk, die Kieselsäure
sowie der Kaolinit zusammensintern.
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Das
Imprägnieren
der abbrennbaren offenporigen Schaumstruktur kann dabei beispielsweise
durch Eintauchen der Schaumstruktur in die entsprechende Suspension
erfolgen. Alternativ oder zusätzlich
dazu kann die Imprägnierung
erfolgen, indem die Suspension auf die Schaumstruktur aufgesprüht wird.
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Ist
die Schaumstruktur aus einem verhältnismäßig starren Material gebildet,
so wird etwaige überschüssige Suspension
vorzugsweise durch Ausblasen der Schaumstruktur von derselben entfernt.
Ist hingegen die Schaumstruktur aus einem verhältnismäßig flexiblen Material gebildet,
so ist es bevorzugt, wenn etwaige überschüssige Suspension durch Abquetschen
von der Schaumstruktur entfernt wird.
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Um
einen offenporigen Keramikschaum mit einer möglichst hohen Festigkeit zu
erhalten, kann gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
vorgesehen sein, dass die mit Suspension imprägnierte Schaumstruktur bei
einer Temperatur von 900°C
bis 1300°C
kalziniert wird, vorzugsweise bei einer Temperatur von 1050°C bis 1150°C.
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Die
Erfindung betrifft ferner einen offenporigen Keramikschaum, der
durch das erfindungsgemäße Verfahren
erhältlich
ist.
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Die
Erfindung betrifft ferner die Verwendung eines erfindungsgemäßen Keramikschaums
oder eines Keramikschaums, der mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens
erhältlich
ist oder unmittelbares Verfahrensprodukt des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist, zur oder bei der Herstellung eines Filters, insbesondere eines Filters
zum Filtrieren schmelzflüssiger
Leicht- und Buntmetalle.
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Die
Erfindung betrifft ferner die Verwendung einer erfindungsgemäßen Suspension
zur oder bei der Herstellung temperaturbeständiger Formkörper, insbesondere
eines erfindungsgemäßen Keramikschaums.
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Die
Erfindung betrifft ferner einen Filter, umfassend einen oder hergestellt
aus einem erfindungsgemäßen Keramikschaum
oder einem Keramikschaum, der mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens
erhältlich
ist oder unmittelbares Verfahrensprodukt des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist.
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Das
nachfolgende Ausführungsbeispiel
dient der Erläuterung
der Erfindung.
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Beispiel
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Zunächst wurde
eine wässrige
Aufschlämmung
als Suspension der folgenden Zusammensetzung hergestellt:
Kieselsäure (als
Kieselsol) | 25,00
Gew.-% |
Talk | 44,00
Gew.-% |
Kaolinit | 11,00
Gew.-% |
Dispergiermittel | 0,50
Gew.-% |
Temporärer Binder | 0,80
Gew.-% |
Wasser | 18,70
Gew.-% |
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Ein
Stück aus
einer Lage vernetzten offenporigen Polyurethanschaums mit einer
Dicke von 22 mm und mit 395 Poren/m (= 10 ppi) wurde als abbrennbare
Schaumstruktur mit der Aufschlämmung
imprägniert
und überschüssige Aufschlämmung durch
Abquetschen von dem Polyurethanschaum entfernt. Danach wurde das Stück Polyurethanschaum
eine Stunde bei 120°C
getrocknet.
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Nach
der Trocknung wurde das Stück
Polyurethanschaum mittels einer Sprühanlage von einer Seite mit
der oben genannten Aufschlämmung
in um 30% verdünnter
Form nochmals imprägniert
und 30 Minuten lang bei 120°C
getrocknet.
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Der
vorgenannte Sprühvorgang
wurde auf der anderen Seite des Stückes Polyurethanschaums wiederholt
und anschließend
der beschichtete Polyurethanschaum wiederum 30 Minuten lang bei
120°C getrocknet.
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Danach
wurde der beschichtete Schaum zwei Stunden lang bei 1050°C gebrannt.
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Der
so erhaltene offenporige Keramikschaum wies eine verhältnismäßig hohe
Flexibilität
sowie eine sehr hohe Temperaturbeständigkeit auf. Die Zusammensetzung
der Keramik des Keramikschaums wurde bestimmt zu:
Komponente | Anteil
[Gew.-%] |
SiO2 | 55,6 |
Al2O3 | 14,4 |
Fe2O3 | 1,4 |
CaO | 0,8 |
MgO | 24,2 |
Na2O | 0,6 |
K2O | 1,3 |
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Die
Eignung des erhaltenen Keramikschaums als Filter zum Filtrieren
von schmelzflüssigen
NE-Metallen wurde anhand von zwei verschiedenen Prüfmethoden
beurteilt:
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a) Gießtest Säule
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Flüssiges Aluminium
wurde über
ein 500 mm hohes Rohr mit einem Durchmesser von 50 mm auf die wie
vorstehend beschrieben erhaltenen Keramikschäume als Filter gegossen (analoger
Versuchsaufbau, wie in der
CA
2007450 beschrieben). Die Filter wurden als gut beurteilt,
wenn sie unter der Wirkung des flüssigen Metalls keine Zerfallserscheinungen
zeigten.
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Die
ermittelten Ergebnisse sind nachfolgend tabelliert:
Medium | Filter | Gewicht
[g] | Gießzeit [s] | Gießgewicht [kg] | Beurteilung |
Al | 75 × 100 × 22 mm/
10 ppi | 47,2 | 26 | 35 | gut |
Al | 75 × 100 × 22 mm/
10 ppi | 47,5 | 21 | 35 | gut |
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b) Gießtest am realen Gussstück
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Zur
Verifizierung der erhaltenen Versuchsergebnisse unter a) wurden
darüber
hinaus Versuche mit den Filtern am realen Gussstück in einer Aluminiumgießerei durchgeführt.
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Die
ermittelten Ergebnisse sind nachfolgend tabelliert:
Medium | Filter | Gewicht
[g] | Gießzeit [s] | Gießgewicht [kg] | Beurteilung |
Al | 75 × 100 × 22 mm/
10 ppi | 47,6 | 19 | 30 | gut |
Al | 75 × 100 × 22 mm/
10 ppi | 48,1 | 18 | 30 | gut |
Al | 75 × 100 × 22 mm/
10 ppi | 47,3 | 17 | 30 | gut |
Al | 75 × 100 × 22 mm/
10 ppi | 48,5 | 20 | 30 | gut |
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c) Gießtest Säule mit Rotguss
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Ein
flüssiger
Rotguss (RG7(CuSn7 ZnPb) (DIN 1705)) wurde bei einer Gießtemperatur
von 1160°C über ein
500 mm langes Rohr mit einem Durchmesser von 50 mm auf die wie vorstehend
beschrieben erhaltenen Keramikschäume als Filter gegossen. Die
Filter wurden als gut beurteilt, wenn sie unter der Wirkung des flüssigen Metalls
keine Zerfallserscheinungen zeigten.
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Die
ermittelten Ergebnisse sind nachfolgend tabelliert:
Medium | Filter | Gießzeit [s] | Gießgewicht
[kg] | Beurteilung |
Rotguss
Gießtemperatur
1160°C | 50 × 50 × 20 mm/ 10
ppi | 32 | 80 | gut |
Rotguss
Gießtemperatur
1160°C | 50 × 50 × 20 mm/ 10
ppi | 31 | 80 | gut |