DE102018126326A1

DE102018126326A1 - Keramischer Metallschmelze-Filter und Verfahren zur Filtration von Metallschmelzen

Info

Publication number: DE102018126326A1
Application number: DE102018126326.0A
Authority: DE
Inventors: Daniel Hoppach; Urs Alexander Peuker
Original assignee: Technische Universitaet Bergakademie Freiberg
Current assignee: Technische Universitaet Bergakademie Freiberg
Priority date: 2018-10-23
Filing date: 2018-10-23
Publication date: 2020-04-23
Anticipated expiration: 2038-10-24
Also published as: DE102018126326B4

Abstract

Die Erfindung betrifft einen keramischen Metallschmelze-Filter, der mindestens einen ersten und einen zweiten Schaumkeramikfilter mit einer Dicke im Bereich von jeweils 10 mm bis 150 mm, umfasst. Der erste und der zweite Schaumkeramikfilter weisen jeweils eine Aussparung auf, die ausgehend von einer Außenfläche des Schaumkeramikfilters, die senkrecht zur Durchströmrichtung der Metallschmelze ist, maximal bis 60 % der Dicke des Schaumkeramikfilters in diesen hineinreicht Die Außenflächen des ersten und des zweiten Schaumkeramikfilters, von denen die Aussparung ausgeht, sind derart miteinander verbunden, dass die Aussparungen des ersten und des zweiten Schaumkeramikfilters einen zusammenhängenden Hohlraum mit einem Volumen bilden und in dem zusammenhängenden Hohlraum eine lose Schüttung eines keramischen Filtrationshilfsmittels vorliegt, wobei das keramische Filtrationshilfsmittel maximal 80 % des Volumens des zusammenhängenden Hohlraums einnimmt.

Description

Die Erfindung betrifft einen neuartigen keramischen Metallschmelze-Filter und ein neuartiges Verfahren zur Filtration von Metallschmelzen.
Nahezu alle Werkstoffe weisen Fehler in Form von Einschlüssen und ungleichmäßigerVerteilung der chemischen Elemente auf. Diese Fehler entstehen bei der Herstellung und Weiterverarbeitung der Werkstoffe. Als nichtmetallische Einschlüsse bezeichnet man Verunreinigungen in fester Form. Diese können in einer Metallschmelze entweder von außen eingebracht werden und werden als exogene Einschlüsse bezeichnet oder entstehen in der Metallschmelze und werden als endogene Einschlüsse bezeichnet. Die Reduzierung von nichtmetallischen Einschlüssen kann auf verschiedenen Wegen erfolgen, a) Vermeidung von Einschlussbildung und b) Abscheidung der Einschlüsse.
Bei der Abscheidung von Einschlüssen schaffen maßgeschneiderte keramische Filter Abhilfe, die während des Metallgusses im Strahlengang der Metallschmelze positioniert werden. Durch ihre offene Porenstruktur mit Makro- und Mikroporen und der gleichzeitig großen Oberfläche gewährleisten Keramikfilter einen hohen Wirkungsgrad bei der Entfernung von Schlacke, Sand, Pfannenmaterial und Desoxidationsprodukten aus dem Schmelzestrom. Gleichzeitig ermöglichen sie ein turbulenzarmes Füllen der Form. Dadurch sinkt die Gefahr der Reoxidation und der Formerosion.
Die Filtrationseffizienz für nichtmetallische Einschlüsse in Metallschmelzen liegt derzeit deutlich kleiner 90 % für Einschluss-Partikelgrößen im Bereich 1 bis 100 µm.
Keramische Filter werden mittels verschiedener Verfahren hergestellt. Das heute am weitesten verbreitete Verfahren zur Herstellung offenzelliger Schaumkeramikfilter beruht auf der keramischen Abformung von Polymerschaumstoffen nach Schwartzwalder. Die wichtigsten Verfahrensschritte sind das Imprägnieren des Polymerschaums, Entfernen des überschüssigen Schlickers, Aufsprühen weiterer keramischer Schichten vom gleichen Material, Ausbrennen des Polymerschaums und anschließende Sinterung der Schaumkeramik. Abhängig von der anfänglichen Porenverteilung und der Geometrie der Kunststoffschwämme können unterschiedlichste Porositäten im Endprodukt generiert werden.
Aus DE 10 2017 216 964 A1 ist ein silikatischer Aluminiumschmelzefilter aus einem keramischen Material oder einem keramischen Trägermaterial mit einer Beschichtung bekannt. Der Filter liegt als offenzellige Schaumkeramik, Wabenkörper, Spaghetti-Filter, gelochter Filter, gestampfte Fasern oder Fasergewebe vor.
DE 10 2016 106 708 A1 offenbart einen keramischen Filter und Filtersysteme für die kontinuierliche Metallschmelzefiltration, wobei wechselbare und/oder drehbare Filterkörper in der Verteilerrinne eingesetzt werden. Die Filterkörper liegen in Form einer offenzelligen Schaumkeramik, eines Wabenkörpers, eines Spaghettifilters oder als drehbare Behälter vor, in denen gestampfte Fasern, Fasergewebe, Kugeln oder splittrige Körnungen vorliegen.
Aus DE 10 2011 109 681 B4 ist ein Stahlschmelzefilter in Form einer offenzelligen Schaumkeramik, eines Wabenkörpers, eines Spaghetti-Filters, gestampfter Fasern oder eines Fasergewebes aus einer Al₂O₃-C Keramik als Trägermaterial mit einer aktiven Oberflächenfilterbeschichtung aus Aluminiumoxid, Magnesiumaluminat-Spinell, Hercynit, Jakobsit, Galaxit, Mullit, Rodonit, Fayalit oder Mischungen davon bekannt.
DE 694 01 105 T2 offenbart ein Filtermedium für eine Metall-Heißschmelze. Das Filtermedium sind einzelne Keramikkugeln mit auf deren Oberfläche ausgefällten, nadelförmigen Kristalliten. Das Filtermedium wird zur Behandlung der Metall-Heißschmelze in eine Behandlungskammer eingefüllt und danach die Metall-Heißschmelze in die Behandlungskammer gefüllt.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen neuartigen keramischen Metallschmelze-Filter mit einem keramischen Filtrationshilfsmittel bereitzustellen, der flexibel und einfach vor Ort beim Anwender an unterschiedliche Filtrationsaufgaben anpassbar ist. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung ein neues Verfahren zur Filtration von Metallschmelzen unter Nutzung eines keramischen Filtrationshilfsmittels anzugeben.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch einen keramischen Metallschmelze-Filter, umfassend mindestens einen ersten und einen zweiten Schaumkeramikfilter mit einer Dicke im Bereich von jeweils 10 mm bis 150 mm. Der erste und der zweite Schaumkeramikfilter weisen jeweils eine Aussparung auf, die ausgehend von einer Außenfläche des Schaumkeramikfilters, die senkrecht zur Durchströmrichtung der Metallschmelze ist, maximal bis 60 % der Dicke des Schaumkeramikfilters in diesen hineinreicht. Die Außenflächen des ersten und des zweiten Schaumkeramikfilters, von denen die Aussparung ausgeht, sind derart miteinander verbunden, dass die Aussparungen des ersten und des zweiten Schaumkeramikfilters einen zusammenhängenden Hohlraum mit einem Volumen bilden. Innerhalb des zusammenhängenden Hohlraums liegt eine lose Schüttung eines keramischen Filtrationshilfsmittels vor, das maximal 80 % des Volumens des zusammenhängenden Hohlraums einnimmt.
Vorteilhaft ist ein derartiger keramischer Metallschmelze-Filter flexibel und einfach vor Ort beim Anwender an verschiedene Filtrationsaufgaben anpassbar. Sowohl das keramische Filtrationshilfsmittel als auch die Schaumkeramikfilter sind kommerziell verfügbare Standardmaterialien, die vor Ort beim Anwender je nach anstehender Filtrationsaufgabe kombiniert werden. Weiterhin vorteilhaft ist beim Anwender vor Ort kein Know-How und Equipment nötig, um aus dem Stand der Technik bekannte Schaumkeramikfilter mit einer Beschichtung zu versehen, um deren Filtrationseffizienz zu erhöhen. Weiterhin vorteilhaft kann vor Ort beim Anwender die in den zusammenhängenden Hohlraum eingebrachte Menge des keramischen Filtrationshilfsmittels je nach anstehender Filtrationsaufgabe, beispielsweise dem Verunreinigungsgrad der Metallschmelze, angepasst werden.
Weiterhin vorteilhaft ermöglicht ein erfindungsgemäßer Metallschmelze-Filter eine beliebige Kombination von Materialien der Schaumkeramikfilter und des keramischen Filtrationshilfsmittels, da sowohl Schaumkeramikfilter als auch keramische Filtrationshilfsmittel kommerziell verfügbar sind.
So können die Schaumkeramikfilter und das keramische Filtrationshilfsmittel aus dem gleichen oder aus unterschiedlichen keramischen Materialien bestehen, je nach anstehender Filtrationsaufgabe.
Weiterhin vorteilhaft weist ein derartiger keramischer Metallschmelze-Filter gegenüber einem kommerziell verfügbaren Schaumkeramikfilter eine erhöhte Filtrationseffizienz auf, da sowohl die Schaumkeramikfilter als auch das keramische Filtrationshilfsmittel zur Filtration der Metallschmelze beitragen.
Die Schaumkeramikfilter können dabei eine dem jeweiligen Einsatzzweck angepasste Form aufweisen. Im Gießereiwesen übliche Formen für Schaumkeramikfilter sind beispielsweise zylindrische oder prismatische Formen, die horizontal oder vertikal in das Gießsystem eingebaut werden. Vorteilhaft weisen der erste und der zweite Schaumkeramikfilter die gleiche Form auf.
Die Dicke des ersten und des zweiten Schaumkeramikfilters ist de Ausdehnung der Schaumkeramikfilter, die in Richtung der Durchströmrichtung der Metallschmelze verläuft. In einer Ausführungsform weisen der erste und der zweite Schaumkeramikfilter die gleiche Dicke im Bereich von 10 mm bis 150 mm auf. Es kann aber auch vorteilhaft sein, dass der erste und der zweite Schaumkeramikfilter unterschiedliche Dicken aufweisen.
Vorteilhaft sind die Ausdehnungen des ersten und des zweiten Schaumkeramikfilters in einer Ebene, die senkrecht zur Durchströmrichtung der Metallschmelze ist, gleich. Beispielsweise weisen der erste und der zweite Schaumkeramikfilter eine zylindrische Form mit den gleichen Durchmessern auf oder der erste und der zweite Schaumkeramikfilter weisen eine prismatische Form mit den gleichen Grundflächen auf.
Eine Außenfläche der Schaumkeramikfilter, die senkrecht zur Durchströmrichtung der Metallschmelze ist, ist die Grund- oder die Deckfläche des Schaumkeramikfilters. Die Seitenflächen der Schaumkeramikfilter sind parallel zur Durchströmrichtung der Metallschmelze.
Die Aussparungen des ersten und des zweiten Schaumkeramikfilters weisen vorteilhaft die gleiche Form wie der erste und der zweite Schaukeramikfilter auf. Weisen beispielsweise die Schaumkeramikfilter eine zylindrische Form auf, so weisen auch die Aussparungen in den Schaumkeramikfiltem eine zylindrische Form auf. Es kann aber auch vorteilhaft sein, dass die Aussparungen in den Schaumkeramikfiltern eine andere Form als die Schaumkeramikfilter aufweisen.
Die Aussparungen des ersten und des zweiten Schaumkeramikfilterns weisen gegenüber den Schaumkeramikfiltern reduzierte Ausdehnungen auf. Die Ausdehnung der Aussparung in Richtung der Durchströmrichtung der Metallschmelze beträgt maximal 60 % der Dicke des Schaumkeramikfilters. Die Ausdehnungen der Aussparung in einer Ebene, die senkrecht zur Durchströmrichtung der Schmelze ist, betragen mindestens 30 %, jedoch maximal 60 % der Ausdehnungen der Schaumkeramikfilter in der Ebene, die senkrecht zur Durchströmrichtung der Metallschmelze ist. Vorteilhaft weisen die Schaumkeramikfilter dadurch eine umlaufende Wandstärke auf. Die Wandstärke entspricht dabei der Differenz der Ausdehnungen des Schaumkeramikfilters und den Ausdehnungen der Aussparung entlang einer Richtung in der Ebene, die senkrecht zur Durchströmrichtung der Metallschmelze ist. In einer Ausführungsform beträgt die Wandstärke der Schaumkeramikfilter mindestens 40 % der Ausdehnung der Schaumkeramikfilter in einer Ebene, die senkrecht zur Durchströmrichtung der Metallschmelze ist. In einer weiteren Ausführungsform beträgt die Wandstärke der Schaumkeramikfilter maximal 70 % der Ausdehnung der Schaumkeramikfilter in einer Ebene, die senkrecht zur Durchströmrichtung der Metallschmelze ist.
Beispielsweise weist ein Schaumkeramikfilter eine prismatische Form mit einer Ausdehnung von 50 mm in einer ersten Richtung und einer Ausdehnung von 50 mm in einer zweiten Richtung auf. Die erste und die zweite Richtung liegen in einer Ebene, die senkrecht zur Durchströmrichtung der Metallschmelze ist, und verlaufen senkrecht zueinander. Die Wandstärke des Schaumkeramikfilters beträgt dabei jeweils 50 % der Ausdehnung in der ersten und der zweiten Richtung in der Ebene, die senkrecht zur Durchströmrichtung der Metallschmelze ist.
Ein keramisches Filtrationshilfsmittel im Sinne der Erfindung ist ein Stoff, der eine Filterhilfsschicht auf dem Schaumkeramikfilter bildet. Das keramische Filtrationshilfsmittel kann in faseriger Form vorliegen, beispielsweise als keramische Fasern.
Eine lose Schüttung im Sinne der Erfindung meint, dass das keramische Filtrationshilfsmittel in dem Volumen des zusammenhängenden Hohlraums lose eingefüllt, d.h. nicht verdichtet, wird. Das keramische Filtrationshilfsmittel nimmt dabei maximal 80 % des Volumens des zusammenhängenden Hohlraums ein.
„Miteinander verbunden“ im Sinne der Erfindung meint, dass der erste und der zweite Schaumkeramikfilter in ihrer Anordnung zueinander fixiert sind. Die Fixierung kann durch den Einbau des keramischen Metallschmelze-Filters in das Gießsystems erfolgen, beispielsweise über das Einsetzen des Metallschmelze-Filters in eine Aussparung der Gießform oder über eine metallische Halterung zur Aufnahme des Metallschmelze-Filters oder mittels quellender Dichtungen in metallischen, schmelzeführenden Bauteilen, wie der Gießrinne oder der Filterkammer im Gießlauf ober- oder unterhalb des Eingusses.
In einer bevorzugten Ausführungsform weisen der erste und der zweite Schaumkeramikfilter eine Porendichte von 5 bis 40 Poren pro 2,54 cm auf. Vorteilhaft sind Schaumkeramikfiltern mit diesen Porendichten kommerziell verfügbar. Die Porendichte wird üblicherweise in der Einheit ppi angegeben, auch pores per inch, eine für Filtermaterialien bekannte Maßeinheit, wobei eine Porendichte von 5 ppi bedeutet, dass 5 Poren auf einer Länge von 1 Inch, entsprechend 2,54 cm, vorliegen. Bestimmt wird die Porendichte üblicherweise mittels bekannten Linienschnittverfahren.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind keramische Fasern das Filtrationshilfsmittel. Vorteilhaft sind keramische Fasern aus einer Vielzahl keramischer Materialien kommerziell verfügbar und somit beispielsweise für die Filtration von Aluminiumschmelzen oder Stahlschmelzen geeignet.
Die keramischen Fasern bilden vorteilhaft ein verzweigtes Netz innerhalb des zusammenhängenden Hohlraums, in den die keramischen Fasern eingefüllt werden. Dabei wird durch die Menge der eingebrachten keramischen Fasern die Kontaktwahrscheinlichkeit mit den Verunreinigungen in der Metallschmelze erhöht. Dadurch tragen vorteilhaft die keramischen Fasern zusätzlich zur Filtration der Metallschmelze bei und erhöhen die Filtrationseffizienz gegenüber einem klassischen Schaumkeramikfilter. Die keramischen Fasern binden die in der Metallschmelze vorliegenden Verunreinigungen adsorptiv, aufgrund molekularer Wechselwirkungen zwischen Molekülen der Verunreinigungen und Oberflächenmolekülen der keramischen Fasern.
Weiterhin vorteilhaft weisen die keramischen Fasern bedingt durch ihren geringen Durchmesser und die lose Schüttung einen geringen Druckverlust auf und tragen somit zur Prozessstabilität bei.
In einer bevorzugten Ausführungsform weisen die keramischen Fasern einen Durchmesser von 2 µm bis 20 µm und eine Länge von 5 mm bis 50 mm auf. Vorteilhaft passieren derartige Fasern den Schaumkeramikfilter nicht. In einer Ausführungsform ist die Länge der keramischen Fasern größer als die Ausdehnung der Poren der Schaumkeramikfilter, so dass die keramischen Fasern die Schaumkeramikfilter nicht passieren und nicht in die gefilterte Metallschmelze gelangen. Vorteilhaft ist die Länge der keramischen Fasern um mindestens den Faktor 3 größer als der Porenradiendurchmesser der Schaumkeramikfilter. Dadurch wird gewährleistet, dass die keramischen Fasern die Schaumkeramikfilter nicht passieren.
Keramische Fasern können aus oxidischen oder nichtoxidischen keramischen Materialien, Kohlenstoff oder Mischungen davon bestehen. Oxidische keramische Materialien sind beispielsweise Aluminiumoxid, Calciumoxid, Siliziumdioxid, Calciumsilikate, Magnesiumaluminat oder Eisenhaltige Spinelle oder Titandioxid, Zirkondioxid, Magnesiumoxid, Calciumaluminate oder Mischungen davon. Bekannte oxidische keramische Fasern, sind beispielsweise Aluminiumoxid- oder Siliziumoxidfasern. Oxidische Materailien können auch eine Mischung aus unterschiedlichen oxidischen Materialien sein. Bekannte Mischoxidfasern sind beispielsweise Mullitfasern, Fasern aus einer Mischung aus Aluminiumoxid- und Siliziumoxid. Nichtoxidische keramische Materialien sind beispielsweise Siliziumkarbid, Siliziumnitrid, Bornitrid, Magnesiumborat, Borkarbid, Aluminiumnitrid, Aluminiumkarbid, Titaniumnitrid, Titankarbid oder Mischungen davon. Bekannte nichtoxidische keramische Fasern sind beispielsweise SiC-Fasern oder SiBNC-Fasern. Die keramischen Materialien können auch in Kombination mit Kohlenstoff als kohlenstoffgebundene Keramik vorliegen.
Es ist von Vorteil das Material der keramischen Fasern auf die jeweils anstehende Filtrationsaufgabe abzustimmen. Zur Filtration von Stahlschmelzen kann es von Vorteil sein, dass die keramischen Fasern aus SiC oder SiBNC bestehen. Bei der Filtration von Aluminiumschmelzen kann es vorteilhaft sein, dass die keramischen Fasern aus Al₂O₃ bestehen.
In einer bevorzugten Ausführungsform bestehen die keramischen Fasern aus Al₂O₃. Vorteilhaft lassen sich mit Hilfe keramischer Al₂O₃-Fasern Aluminiumoxidpartikel, die als Verunreinigung in Metallschmelzen auftreten, herausfiltern.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der keramische Metallschmelze-Filter zusätzlich einen dritten Schaumkeramikfilter. Der dritte Schaumkeramikfilter weist eine Dicke von 10 mm bis 150 mm und eine durchgängige Aussparung auf. Die durchgängige Aussparung des dritten Schaumkeramikfilterns weist die gleichen Ausdehnungen in einer Ebene, die senkrecht zur Durchströmrichtung der Metallschmelze ist, auf wie die Aussparungen des ersten und des zweiten Schaumkeramikfilters. Der dritte Schaumkeramikfilter ist zwischen dem ersten und dem zweiten Schaumkeramikfilter derart angeordnet und mit diesen verbunden, so dass das Volumen des durch die Aussparung des ersten, zweiten und dritten Schaumkeramikfilters gebildeten zusammenhängenden Hohlraums vergrößert ist. Vorteilhaft lassen sich in dem vergrößerten Volumen des zusammenhängenden Hohlraums mehr keramische Fasern als Filtrationshilfsmittel einbringen. Weiterhin vorteilhaft erhöht sich dadurch die Filtrationseffizienz des keramischen Metallschmelze-Filters, da sich die spezifische Oberfläche der eingebrachten keramischen Fasern erhöht, welche zur Wechselwirkung mit den Verunreinigungen in der Metallschmelze bereitsteht.
In einer Ausführungsform weist der dritte Schaumkeramikfilter die gleiche Form mit den gleichen Ausdehnungen innerhalb der Ebene, die senkrecht zur Durchströmrichtung der Metallschmelze ist, auf. Vorteilhaft wird dadurch erreicht, dass der erste, zweite und dritte Schaumkeramikfilter deckungsgleich sind. Weiterhin vorteilhaft sind die Aussparungen des ersten, zweiten und dritten Schaumkeramikfilters ebenfalls deckungsgleich, d.h. die Aussparungen des ersten, zweiten und dritten Schaumkeramikfilters weisen die gleichen Ausdehnungen in einer Ebene, die senkrecht zur Durchströmrichtung der Metallschmelze ist, auf. Der dritte Schaumkeramikfilter weist eine Porendichte von 5 bis 40 Poren pro 2,54 cm entsprechend 5 bis 40 ppi, auf. In einer Ausführungsform weist der dritte Schaumkeramikfilter die gleiche Porendichte wie der erste und der zweite Schaumkeramikfilter auf. Es kann aber auch vorteilhaft sein, dass der erste, zweite und dritte Schaumkeramikfilter unterschiedliche Porendichten aufweisen.
Die Schaumkeramikfilter können aus oxidischen oder nichtoxidischen keramischen Materialien oder aus kohlenstoffgebundenen keramischen Materialien oder Mischungen daraus bestehen. Oxidische keramische Materialien sind beispielsweise Aluminiumoxid, Calciumoxid, Siliziumdioxid, Calciumsilikate, Magnesiumaluminat oder Eisenhaltige Spinelle oder Titandioxid, Zirkondioxid, Magnesiumoxid, Calciumaluminate oder Mischungen davon. Nichtoxidische keramische Materialien sind beispielsweise Siliziumkarbid, Siliziumnitrid, Bornitrid, Magnesiumborat, Borkarbid, Aluminiumnitrid, Aluminiumkarbid, Titannitrid, Titankarbid oder Mischungen davon. Die keramischen Materialien können auch in Kombination mit Kohlenstoff als kohlenstoffgebundene Keramik vorliegen. Die Schaumkeramikfilter können aus den in DE 10 2017 216 964 A1 bekannten keramischen Material bestehen oder eine Beschichtung aufweisen, wobei das keramische Material oder die Beschichtung mindestens eine der Verbindungen im ungesättigten Zustand aufweist und ausgewählt ist aus Feldspaten, Feldspatvertretern, Eisen(II)-Silikaten und Eisen(III)-Doppelsilikaten oder Mischungen dieser Verbindungen.
In einer bevorzugten Ausführungsform besteht der Schaumkeramikfilter aus Al₂O₃. Vorteilhaft lassen sich mit Hilfe von Al₂O₃-Schaumkeramikfiltern Aluminiumoxidpartikel, die als Verunreinigung in Metallschmelzen auftreten, herausfiltern. Vorteilhaft lassen sich die Materialien der keramischen Schaumkeramikfilter und der keramischen Filtrationshilfsmittel je nach anstehender Filtrationsaufgabe aufeinander abstimmen. So kann es vorteilhaft sein, das Material des ersten Schaumkeramikfilters auf eine Art von Verunreinigung innerhalb der Metallschmelze abzustimmen, während das Material des zweiten und des dritten Schaumkeramikfilters jeweils auf eine andere Art von Verunreinigungen abgestimmt ist. In einer Ausführungsform können die Schaumkeramikfilter zusätzlich eine aus dem Stand der Technik bekannte Beschichtung aufweisen. Dadurch wird die Filtrationseffizienz weiter gesteigert.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Filtration von Metallschmelzen.
Erfindungsgemäß umfasst das Verfahren zur Filtration einer Metallschmelze das Bereitstellen einer Metallschmelze, das Bereitstellen eines Filters und die Nutzung eines keramischen Filtrationshilfsmittels. Das keramische Filtrationshilfsmittel wird a) der bereitgestellten Metallschmelze zugegeben und als Filter ein Schaumkeramikfilter bereitgestellt, den die mit dem keramischen Filtrationshilfsmittel versetzte Metallschmelze anschließend durchströmt und das keramische Filtrationshilfsmittel am Schaumkeramikfilter abgeschieden wird. In b) ist der bereitgestellte Filter ein keramischer Metallschmelze-Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, der das keramische Filtrationshilfsmittel enthält, und den die bereitgestellte Metallschmelze durchströmt.
Vorteilhaft bindet das keramische Filtrationshilfsmittel in a) die Verunreinigungen in der Metallschmelze, sobald das keramische Filtrationshilfsmittel der Metallschmelze zugegeben wird. Beim anschließenden Durchströmen der mit dem keramischen Filtrationshilfsmittel versetzten Metallschmelze des Schaumkeramikfilters wird das keramische Filtrationshilfsmittel mit den gebundenen Verunreinigungen am Schaumkeramikfilter abgeschieden und bildet dort einen Filterkuchen. Verunreinigungen in der Metallschmelze werden dadurch vorteilhaft durch das keramische Filtrationshilfsmittel als auch durch den Schaumkeramikfilter gebunden. Weiterhin vorteilhaft wird in a) das Prinzip der Anschwemmfiltration genutzt, wobei das keramische Filtrationshilfsmittel das Anschwemmmittel ist.
Ein keramisches Filtrationshilfsmittel im Sinne der Erfindung ist ein Stoff, der eine Filterhilfsschicht auf dem Schaumkeramikfilter bildet. Das keramische Filtrationshilfsmittel liegt in faseriger Form, beispielsweise als keramische Fasern vor. Das keramische Filtrationshilfsmittel kann in a) der Metallschmelze zugegeben werden, wenn sich die Metallschmelze innerhalb eines metallurgischen Gefäßes, beispielsweise eines Schmelzgefäßes, befindet. Es kann aber auch vorteilhaft sein, dass keramische Filtrationshilfsmittel in a) dem Schmelzestrom beim Abgießens der Metallschmelze in die Gießform zuzugeben. In jedem Fall wird das keramische Filtrationshilfsmittel in a) der Metallschmelze zugegeben, bevor die Metallschmelze den Schaumkeramikfilter durchströmt.
Unter „durchströmen“ im Sinne der Erfindung wird verstanden, dass a) die mit dem keramischen Filtrationshilfsmittel versetzte Metallschmelze den Schaumkeramikfilter oder b) die bereitgestellte Metallschmelze den erfindungsgemäßen keramischen Metallschmelze-Filter passiert. Dabei tritt die a) die mit dem keramischen Filtrationshilfsmittel versetzte Metalschmelze mit dem Schaumkeramikfilter oder b) die bereitgestellte Metallschmelze mit dem erfindungsgemäßen Metallschmelze-Filter in Wechselwirkung. Die Metallschmelze kann den erfindungsgemäßen keramischen Metallschmelze-Filter oder den Schaumkeramikfilter dabei horizontal oder vertikal, je nach Einbaulage des Filters im Gießsystem, durchströmen.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden der bereitgestellten Metallschmelze als keramisches Filtrationshilfsmittel keramische Fasern zugegeben. Vorteilhaft bilden die der Metallschmelze zugegebenen keramischen Fasern auf dem Schaumkeramikfilter einen Filterkuchen. Weiterhin vorteilhaft binden die keramische Fasern Verunreinigungen in der Metallschmelze, sobald die keramischen Fasern der Metallschmelze zugegeben werden. Dadurch wird die Filtrationseffizienz des Schaumkeramikfilters erhöht. Die keramischen Fasern können aus oxidischen oder nichtoxidischen keramischen Materialien, Kohlenstoff oder Mischungen davon bestehen. Oxidische keramische Materialien sind beispielsweise Aluminiumoxid, Calciumoxid, Siliziumdioxid, Calciumsilikate, Magnesiumaluminat oder Eisenhaltige Spinelle oder Titandioxid, Zirkondioxid, Magnesiumoxid, Calciumaluminate oder Mischungen davon. Bekannte oxidische keramische Fasern, sind beispielsweise Aluminiumoxid- oder Siliziumoxidfasern. Oxidische Materailien können auch eine Mischung aus unterschiedlichen oxidischen Materialien sein. Bekannte Mischoxidfasern sind beispielsweise Mullitfasern, Fasern aus einer Mischung aus Aluminiumoxid- und Siliziumoxid. Nichtoxidische keramische Materialien sind beispielsweise Siliziumkarbid, Siliziumnitrid, Bornitrid, Magnesiumborat, Borkarbid, Aluminiumnitrid, Aluminiumkarbid, Titannitrid, Titankarbid oder Mischungen davon. Bekannte nichtoxidische keramische Fasern sind beispielsweise SiC-Fasern oder SiBNC-Fasern.m Die keramischen Materialien können auch in Kombination mit Kohlenstoff als kohlenstoffgebundene Keramik vorliegen.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden der Metallschmelze keramische Fasern bestehend aus Al₂O₃ zugegeben.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird als Filter ein Schaumkeramikfilter mit einer Porendichte von 5 bis 40 Poren pro 2,54 cm bereitgestellt. Der Schaumkeramikfilter kann aus oxidischen oder nichtoxidischen keramischen Materialien oder aus kohlenstoffgebundenen keramischen Materialien oder Mischungen daraus bestehen. Oxidische keramische Materialien sind beispielsweise Aluminiumoxid, Calciumoxid, Siliziumdioxid, Calciumsilikate, Magnesiumaluminat oder Eisenhaltige Spinelle oder Titandioxid, Zirkondioxid, Magnesiumoxid, Calciumaluminate oder Mischungen davon. Nichtoxidische keramische Materialien sind beispielsweise Siliziumkarbid, Siliziumnitrid, Bornitrid, Magnesiumborat, Borkarbid, Aluminiumnitrid, Aluminiumkarbid, Titannitrid, Titankarbid oder Mischungen davon. Die keramischen Materialien können auch in Kombination mit Kohlenstoff als kohlenstoffgebundene Keramik vorliegen. Der Schaumkeramikfilter kann ein aus dem Stand der Technik bekannter kommerziell verfügbarer Schaumkeramikfilter sein. Es kann aber auch ein bekannter maßgeschneiderter Schaumkeramikfilter mit einer aufgebrachten Beschichtung sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird ein keramischer Metallschmelze-Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 7 in einem Verfahren zur Filtration von Metallschmelzen verwendet. Vorteilhaft wird dadurch die Filtrationseffizienz erhöht, so dass mehr Verunreinigungen aus der Metallschmelze entfernt werden können. Der erfindungsgemäße keramische Metallschmelze-Filter kann in jeglichen bekannten Verfahren zur Filtration von Metallschmelzen verwendet werden.
Für die Realisierung der Erfindung ist es auch zweckmäßig, die vorbeschriebenen Ausführungsformen und Merkmale der Ansprüche zu kombinieren.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand einiger Ausführungsbeispiele und zugehöriger Figuren eingehender erläutert werden. Die Ausführungsbeispiele sollen dabei die Erfindung beschreiben ohne diese zu beschränken.

1 zeigt schematisch den Querschnitt eines keramischen Metallschmelze-Filters.
2 zeigt schematisch den Querschnitt eines keramischen Metallschmelze-Filters mit dem keramischen Filtrationshilfsmittel.
3 zeigt schematisch den Querschnitt eines keramischen Metallschmelze-Filters mit einem ersten, zweiten und dritten Schaumkeramikfilter und dem keramischen Filtrationshilfsmittel

1 zeigt schematisch den Querschnitt eines keramischen Metallschmelze-Filters 1 ohne keramisches Filtrationshilfsmittel. Der keramische Metallschmelze-Filter 1 umfasst einen ersten Schaumkeramikfilter 2 und einen zweiten Schaumkeramikfilter 3 mit einer Dicke 4, 5 von 20 mm.
Der erste und der zweite Schaumkeramikfilter sind in ihren Abmessungen deckungsgleich. Der erste und der zweite Schaumkeramikfilter 2,3 weisen jeweils eine Aussparung 6, 7 auf, die von einer Außenfläche der Schaumkeramikfilter, die senkrecht zur Durchströmrichtung der Metallschmelze ist, ausgeht. Der Pfeil gibt die Durchströmrichtung der Metallschmelze an. Der erste und der zweite Schaumkeramikfilter 2, 3 sind derart zueinander angeordnet, dass die Aussparungen 6,7 einen zusammenhängenden Hohlraum 8 bilden. Die Ausdehnungen der Aussparungen 6,7 der Schaumkeramikfilter in der Ebene senkrecht zur Durchströmrichtung der Metallschmelze sind deckungsgleich.
2 zeigt schematisch den Querschnitt eines keramischen Metallschmelze-Filters 1 entsprechend 1 mit keramischen Filtrationshilfsmittel. Der keramische Metallschmelze-Filter 1 umfasst einen ersten Schaumkeramikfilter 2 und einen zweiten Schaumkeramikfilter 3, deren Aussparungen einen zusammenhängenden Hohlraum 8 bilden. In dem zusammenhängenden Hohlraum 8 liegt die lose Schüttung des keramischen Filtrationshilfsmittel 9, der keramischen Fasern vor. Die lose Schüttung der keramischen Fasern nimmt max. 80 % des Volumens des zusammenhängenden Hohlraums 8 ein. Der Pfeil gibt die Durchströmrichtung der Metallschmelze an.
3 zeigt schematisch den Querschnitt eines keramischen Metallschmelze-Filters 1 mit keramischen Filtrationshilfsmittel. Der keramische Metallschmelze-Filter 1 umfasst einen keramischen Metallschmelze-Filter nach 1 aus einem ersten Schaumkeramikfilter 2 und einen zweiten Schaumkeramikfilter 3 und zusätzlich einen dritten Schaumkeramikfilter 10, deren Aussparungen einen zusammenhängenden Hohlraum 8 bilden. Die Ausdehnungen der Aussparungen der Schaumkeramikfilter in der Ebene senkrecht zur Durchströmrichtung der Metallschmelze sind deckungsgleich. In dem zusammenhängenden Hohlraum 8 liegt die lose Schüttung des keramischen Filtrationshilfsmittel 9, der keramischen Fasern vor. Die lose Schüttung der keramischen Fasern nimmt max. 80 % des Volumens des zusammenhängenden Hohlraums 8 ein. Der Pfeil gibt die Durchströmrichtung der Metallschmelze an.
Beispiel 1: keramischer Metallschmelze-Filter
Ein keramischer Metallschmelze-Filter nach 2 besteht aus einem ersten und einem zweiten Schaumkeramikfilter aus Al₂O₃, jeweils mit einer Dicke von 20 mm und einer Porendichte von 30 ppi (entsprechend 30 Poren auf 2, 54 cm), die ausgehend von einer Außenfläche, die senkrecht zu Durchströmrichtung der Metallschmelze ist, jeweils eine Aussparung aufweisen. Der erste und der zweite Schaumkeramikfilter weisen eine prismatische Form mit einer Ausdehnung von 50 mm in einer ersten Richtung und einer Ausdehnung von 50 mm in einer zweiten Richtung auf. Die erste und die zweite Richtung liegen in einer Ebene, die senkrecht zur Durchströmrichtung der Metallschmelze ist, und verlaufen senkrecht zueinander.
Die Aussparungen weisen gegenüber dem Schaumkeramikfilter reduzierte Abmessungen auf. Die Ausdehnungen der Aussparung in der ersten und der zweiten Richtung betragen jeweils 30 mm. Die resultierende umlaufende Wandstärke des Schaumkeramikfilters beträgt 10 mm. Die Ausdehnung der Aussparung in Durchströmrichtung der Metallschmelze, d.h. in Dickenrichtung der Schaumkeramikfilter beträgt jeweils 12 mm.
Der erste und der zweite Schaumkeramikfilter sind derart zueinander angeordnet, dass die Öffnungen der Aussparungen deckungsgleich übereinanderliegen und einen zusammenhängenden Hohlraum mit einem Volumen von 30 x 30 x24 mm³ bilden.
In dem zusammenhängenden Hohlraum liegen keramische Fasern aus Al₂O₃ als Filtrationshilfsmittel in einer losen Schüttung vor. Die Fasern der Firma CeraFib GmbH haben einen Durchmesser von 10 µm bis 12 µm und eine Länge von 10 mm. Die lose Schüttung der keramischen Fasern nimmt etwa 80 % des Volumens des zusammenhängenden Hohlraums ein.
Ein derartiger keramischer Metallschmelze-Filter wird in einem vertikalen Giessystem eingesetzt und erreicht eine erhöhte Filtrationseffizienz gegenüber einem kommerziell erhältlichen Schaumkeramikfilter aus Al₂O₃ mit einer Porendichte von 30 ppi (entsprechend 30 Poren auf 2,54 cm) und den Abmessungen 50 x 50 x 40 mm³.
Beispiel 2: Verfahren zur Filtration einer Metallschmelze
In einem Verfahren zur Filtration einer Aluminiumschmelze werden nach der sekundärmetallurgischen Behandlung der Schmelze, der bereitgestellten Aluminiumschmelze Al₂O₃-Fasern als keramisches Filtrationshilfsmittel zugegeben. 30 Liter der Aluminiumschmelze liegen innerhalb des Schmelzgefäßes vor. Der Aluminiumschmelze im Schmelzgefäß wird 1 g Al₂O₃-Fasern zugegeben. Die Fasern weisen einen Durchmesser von 10 µm bis 12 µm und eine Länge von 10 mm auf. Die mit den keramischen Fasern versetzte Schmelze wird nachfolgend in eine Form abgegossen. Der bereitgestellte Filter ist ein Schaumkeramikfilter mit den Abmessungen 50 × 50 × 20 mm³ aus Al₂O₃ mit einer Porendichte von 30 ppi (entsprechend 30 Poren pro 2,54 cm). Innerhalb des Gießsystems ist der Schaumkeramikfilter vertikal zur Gießrichtung innerhalb einer Aussparung in der Form angeordnet. Die mit den Fasern versetzte Aluminiumschmelze durchströmt den Schaumkeramikfilter. Aufgrund ihrer Größe scheiden sich die Fasern auf der Oberfläche des Schaumkeramikfilters ab. Die Fasern bilden eine Filtrationshilfsschicht auf dem Schaumkeramikfilter. Ein derartiges Filtrationsverfahren filtert die Aluminiumschmelze in mehreren Stufen, in der ersten Stufe binden die der Schmelze zugegebenen keramischen Fasern einen Teil der Verunreinigungen. In einer zweiten Stufe wird die Schmelze beim Durchströmen der Filtrationshilfsschicht und des Schaumkeramikfilters filtriert, so dass die Filtrationseffizienz gegenüber einem kommerziell erhältlichen Schaumkeramikfilter aus Al₂O₃ mit einer Porendichte von 30 ppi (entsprechend 30 Poren pro 2,54 cm) und den Abmessungen 50 × 50 × 20 mm³ erhöht ist.
Bezugszeichenliste

1: Keramischer Metallschmelze-Filter
2: Erster Schaumkeramikfilter
3: Zweiter Schaumkeramikfilter
4: Dicke des ersten Schaumkeramikfilters
5: Dicke des zweiten Schaumkeramikfilters
6: Aussparung des ersten Schaumkeramikfilters
7: Aussparung des zweiten Schaumkeramikfilters
8: Zusammenhängender Hohlraum
9: Lose Schüttung eines keramischen Filtrationshilfsmittels
10: Dritter Schaumkeramikfilter
11: Aussparung des dritten Schaumkeramikfilters

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102017216964 A1 [0006, 0036]
DE 102016106708 A1 [0007]
DE 102011109681 B4 [0008]
DE 69401105 T2 [0009]

Claims

Keramischer Metallschmelze-Filter, umfassend mindestens einen ersten und einen zweiten Schaumkeramikfilter mit einer Dicke im Bereich von jeweils 10 mm bis 150 mm, wobei der erste und der zweite Schaumkeramikfilter jeweils eine Aussparung aufweisen, die ausgehend von einer Außenfläche des Schaumkeramikfilters, die senkrecht zur Durchströmrichtung der Metallschmelze ist, maximal bis 60 % der Dicke des Schaumkeramikfilters in diesen hineinreicht, und dass die Außenflächen des ersten und des zweiten Schaumkeramikfilters, von denen die Aussparung ausgeht, derart miteinander verbunden sind, dass die Aussparungen des ersten und des zweiten Schaumkeramikfilters einen zusammenhängenden Hohlraum mit einem Volumen bilden, und in dem zusammenhängenden Hohlraum eine lose Schüttung eines keramischen Filtrationshilfsmittels vorliegt, wobei das keramische Filtrationshilfsmittel maximal 80 % des Volumens des zusammenhängenden Hohlraums einnimmt.
Keramischer Metallschmelze-Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Schaumkeramikfilter eine Porendichte von 5 bis 40 Poren pro 2,54 cm aufweisen.
Keramischer Metallschmelze-Filter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das keramische Filtrationshilfsmittel keramische Fasern sind.
Keramischer Metallschmelze-Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die keramischen Fasern einen Durchmesser von 2 µm bis 20 µm und eine Länge von 5 mm bis 50 mm aufweisen.
Keramischer Metallschmelze-Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die keramischen Fasern aus Al₂O₃ bestehen.
Keramischer Metallschmelze-Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der keramische Metallschmelze-Filter zusätzlich einen dritten Schaumkeramikfilter umfasst, wobei der dritte Schaumkeramikfilter eine Dicke von 10 mm bis 150 mm und eine durchgängige Aussparung aufweist, wobei die Aussparung des dritten Schaumkeramikfilterns die gleichen Ausdehnungen in einer Ebene, die senkrecht zur Durchströmrichtung der Metallschmelze ist, wie die Aussparungen des ersten und des zweiten Schaumkeramikfilters aufweist, und der dritte Schaumkeramikfilter zwischen dem ersten und dem zweiten Schaumkeramikfilter derart angeordnet und mit diesen verbunden ist, so dass das Volumen des durch die Aussparung des ersten, zweiten und dritten Schaumkeramikfilters gebildeten zusammenhängenden Hohlraums vergrößert ist.
Keramischer Metallschmelze-Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaumkeramikfilter aus Al₂O₃ bestehen.
Verfahren zur Filtration einer Metallschmelze mit den Schritten Bereitstellen einer Metallschmelze, Bereitstellen eines Filters, dadurch gekennzeichnet, dass ein keramisches Filtrationshilfsmittel genutzt wird, wobei a) das keramische Filtrationshilfsmittel der bereitgestellten Metallschmelze zugegeben wird, der bereitgestellte Filter ein Schaumkeramikfilter ist und anschließend die mit dem keramischen Filtrationshilfsmittel versetzte Metallschmelze den Schaumkeramikfilter durchströmt und das keramische Filtrationshilfsmittel am Schaumkeramikfilter abgeschieden wird, oder b) der bereitgestellte Filter ein keramischer Metallschmelze-Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 7 ist, der das keramische Filtrationshilfsmittel enthält, und die bereitgestellte Metallschmelze diesen durchströmt.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass als keramisches Filtrationshilfsmittel keramische Fasern der bereitgestellten Metallschmelze zugegeben werden.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Filter ein Schaumkeramikfilter mit einer Porendichte von 5 bis 40 Poren pro 2,54 cm bereitgestellt wird.
Verwendung eines keramischen Metallschmelze-Filters nach einem der Ansprüche 1 bis 7 in einem Verfahren zur Filtration von Metallschmelzen.