【０００１】
（技術分野）
本発明は耐火材料、例えばセラミック材料で出来た多孔質基体に関する。多孔質基体は例えば溶解金属から不純物を除去し、あるいは高温ガスを清浄する特に高温用のフィルタである。発明は金属が鋳造用鋳型に注入される際の溶解金属用のフィルタとしての具体的な用途を有する。
【０００２】
（背景技術）
溶解金属を濾過する従来のフィルタは種々の異なる方法で製造される。セラミックフォームフィルタは一般的にはポリマー（通常はポリウレタン）フォームに結合剤を含むセラミック材料の水性スラリーを含浸させることにより作られ、含浸されたフォームは水を除去するために乾燥され、乾燥されかつ含浸されたフォームはポリマーフォームを焼失するために燃焼され、セラミックフォームを残す。セラミック基体に（セルとして知られる）溝の配列を備える多孔質のセラミックフィルタが押出し成形により作られる。
【０００３】
溶解金属用の別のタイプのフィルタはフィルタプレートの積層を備える。例えば米国特許第４７２１５６７は溶解金属の鋳造に用いられるセラミック注入フィルタを開示しており、それは間に濾過空洞を定める多数の積層された近接して離間された穴あきプレートを備え、一つのプレートのそれらの穴は一つのプレートの穴から流れ出る金属が次のプレートの穴に入る前に制約を受けて通過するように互い違いに配置される。穴はスロットあるいは丸い穴でもよく、プレートは中心より周辺が厚く、隣のプレートとの間に狭い空間を生じる。プレートはセラミック粒子と結合剤との混合物から射出成形により形成され、その後に加熱により結合剤を除去し、かつセラミック粒子を焼結させる。フィルタはそのようなプレートの単純な積層で形成され、プレート上の係合する凹みと突起により千鳥状に保持される。
【０００４】
出願公告番号ＷＯ９１／１２０６２を有する国際特許出願はセラミックプレートの層を備える同様の積層されたフィルタを開示し、その各プレートはスロットを含み、各プレートのスロットが隣のプレートのスロットからずれて配置されている。積層はホルダーに入れられ、その中にゆるく組立てられ、あるいは積層プレートは適当な接着剤を用いて接合され、あるいは積層のシリカ熔接により接合してもよい。
【０００５】
英国特許出願第２２８２７６４Ａ号はセラミック格子の積層を備え、そのスロットが積層を通る、格子の上下面から離間されたリブにより部分的に遮断されて曲がりくねった通路を定める。隣接する格子は揃った、あるいは千鳥状の、あるいは直角に向いたスロットを有してもよい。各格子は先ず適当な鋳型で「生」プレスを形成し、その後に「生」プレスを燃焼することによりセラミック成分から単一構造として成形される。燃焼後、格子は積層され、セラミック溶接技術により共に接続され、あるいは適当な接着剤を用いて共に結合される。
【０００６】
米国特許第５３２６５１２号は例えば流動層燃焼器の気体流から石炭灰を濾過するセラミックフィルタを開示している。フィルタはセラミック粉末、気孔形成剤およびセラミック粉末の焼結に必要な焼結補助剤を混合し、混合物からテープを形成し、テープからフィルタプレートを成形することにより形成される。二つのタイプの輪帯状ディスクフィルタプレートが形成される。即ち第１のプレートタイプは外側輪帯表面上に開口を有し、第２のタイプは内側輪帯表面に開口を有する。二つのタイプのフィルタプレートは交互に積層され、端片が追加されてフィルタアセンブリーを形成し、アセンブリーは焼結されてフィルタを形成する。気孔形成剤は好ましくは焼結工程中に分解され、運転中に流体がフィルタを通過するときに微粒子不純物を効果的に補足する多孔性を残すポリスチレン微細球である。
【０００７】
（発明の開示）
本発明は所定の孔形状を有するモノリシックな多孔質耐火物（例えば溶解金属用のフィルタ）を製造する簡単で低コストの方法を提供しようとするものである。発明はまた複雑だが秩序のある一定の孔形状を有するモノリシックな耐火物を提供しようとするものである。
【０００８】
第１の態様によれば、発明は以下のステップを含む耐火材料の多孔質基体を製造する方法を提供しようとするものである。即ち（ａ）それぞれがプラスチック耐火材料で形成され、中に形成された複数の孔を有する複数の多孔質基体要素を提供するステップと、（ｂ）所望の孔形状を有する所望形状の多孔質基体を形成するために多孔質基体要素を共に組立てるステップと、（ｃ）組立てられた多孔質基体をそれらが共に溶融され、その可塑性を無くすように加熱するステップとである。
【０００９】
多孔質基体要素は平坦（即ち平面）プレートの形式をしていてもよく、例えば一方を他方の上に積層することにより共に組立てられてもよい。さらに、あるいはその代わりに、例えばレンガ、ブロックまたは立方体等の形状の多孔質基体要素の他の形状が用いられてもよい。発明のこの態様の最も広い実施例において、多孔質基体を形成する何らかの方法で共に組立てできる限り、多孔質基体の形状は実質的にどのようなものでも、あるいはどのような組合せも使用可能である。
【００１０】
本明細書で用いられる場合、耐火材料に適用されるときに「可塑性」という用語は少なくともその最も広い意味において「その中に刻まれた孔を有し得る」ことを意味する。可塑性耐火材料は、一般に理解されているように、通常、柔軟性や展延性といった可塑特性を有している。可塑性材料は一般的にはパン生地の粘度を有し、通常はチキソトロピックである。
【００１１】
可塑性耐火材料は好ましくは一つ以上の微粒子耐火材料および一つ以上のポリマー結合剤（これは可塑剤とも呼ばれる）との混合物を含む。「微粒子」という用語は粉末、粒子、繊維材料、微細球（中空および／または中身の詰まった）等を含む。実質的にどのような耐火材料を用いてもよい。当業者は多孔質基体の具体的な使用要件によって適当な材料または材料の混合物を選択できる。使用できるいくつかの耐火材料の例にはジルコニア、シリカ、アルミナ、チタニア、炭化珪素等が含まれる。使用できるいくつかのポリマー材料の例にはポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、グリセリン、およびセルロースが含まれる。
【００１２】
本発明の第１の態様は多孔質基体が孔で「予備形成された」複数の要素から作り上げられるので多孔質基体の最終孔形状（または孔構造）がそれ自体予め決定されるという利点を有する。これは組立てられたフィルタが焼結される時にのみフィルタの多孔性が孔形成剤により形成される米国特許第５３２６５１２号に開示されるセラミックフィルタとは対照的である。米国特許第５３２６５１２号のセラミックフィルタは従って予め決定できない不規則な孔形状を有し、これはまた例えばセラミックフォームフィルタについても真実である。一方本発明はメーカーが多孔質基体のそれぞれの具体的な用途に対して正確に正しい、所望のタイプの孔形状（孔サイズを含む）を設計し、また製造できる。発明は本質的にメーカーに「インテリジェントな」セラミックフィルタ（または他の耐火多孔質基体）を提供する。さらに本発明の第１の態様は米国特許第４７２１５６７号、国際特許第ＷＯ９１／１２０６２号および英国特許第２２８２７６４号に開示される製造方法に対して、組立てられた多孔質基体要素が加熱により共に溶融されるのでモノリシック基体が作られ、簡単で効果的な方法により製造されるという利点を有する。
【００１３】
発明の最も広い態様において多孔質基体要素は成形（例えば射出成形）、押出し成形、機械加工（例えば圧延および／またはプレスを含む）、打ち抜き等を含む適当な方法、あるいは方法の組合せにより形成される。しかしながら最も好ましい方法は可塑性耐火材料のテープまたはシートの押出し成形および／または圧延、および孔を作るためにテープまたはシートの打ち抜き（切断および／またはプレスを含む）を含む。
【００１４】
発明の第２の態様は以下のステップを含む発明の第１の態様による方法で共に組立てる複数の多孔質基体要素を製造する方法を提供する。即ち（ａ）大量の可塑性耐火材料を形成するステップと、（ｂ）可塑性耐火材料のテープまたはシートを製造するステップと、（ｃ）テープまたはシートの厚みを突き抜ける複数の孔を打ち抜きによりテープまたはシートに形成するステップと、（ｄ）打ち抜かれたテープまたはシートから複数の個々の多孔質基体要素を切断または分離するステップである。
【００１５】
本発明の第２の態様の一つの実施例において打ち抜き動作は例えばブレードを用いてテープまたはシートにスリットを形成するステップを含む。その後にスリットに対して横方向にシートのテープを伸張して孔を定めるスリットを開けることにより穴が形成される。
【００１６】
発明がその範囲内に、中に孔を形成する前にテープまたはシートから基体要素を分離する可能性を包含することは言うまでもない。
【００１７】
発明の第２の態様は組立てられたフィルタが焼結される際にのみ孔が作られる米国特許第５３２６５１２号の工程とは対照的に、またプレートまたは要素が個々に成形される米国特許第４７２１５６７号および英国特許第２２８２７６４号とは対照的に所定の孔形状を有する多孔質基体要素を大量生産する簡単で効果的な方法を提供する。
【００１８】
既に述べたように可塑性材料は好ましくは一つ以上の微粒子耐火材料と一つ以上のポリマー結合剤材料とを混合することにより作られる。これは適当なミキサー、例えば（好ましくは）遊星回転回転ミキサーおよび／または二軸ミキサーにより実行してもよい。生産される可塑性耐火材料は好ましくはテープまたはシートに圧延され、かつ／あるいは好ましくはＺ型ブレード押出し装置または圧力押出し装置を用いて押出しされる。必要なら最終シートまたはテープの厚さは一つ以上の一対のローラを通すことによりさらに薄くしてもよい。最終テープまたはシートは好ましくは少なくとも０．１ｍｍ、より好ましくは少なくとも０．２ｍｍ、さらに好ましくは少なくとも０．３ｍｍ、特に少なくとも０．５ｍｍの厚みを有する。テープまたはシートの厚さは好ましくは３ｍｍより大きくなく、さらにより好ましくは２ｍｍより大きくない。テープまたはシートの特に好ましい厚さの範囲は０．６ｍｍ〜１．０ｍｍで、例えば０．７ｍｍである。
【００１９】
可塑性耐火材料のテープまたはシートは所望の所定形状またはパターンを有する、テープまたはシートの厚みを貫く複数の孔を形成するために打ち抜き動作により打ち抜かれる。次に個々の多孔質基体要素がテープまたはシートから個別の要素を切断または分離することにより作られる。次に多孔質基体要素の積層が作られ、積層は各積層において必要な数の多孔質基体要素を用い、また孔の所望の所定形状（または構造またはパターン）が組立てられた多孔質基体中に作られるように互いに要素を積層する所定の方法で実行される。組立てられた多孔質基体を作るために積層された多孔質基体要素の数は少なくとも二つ、好ましくは少なくとも三つ、より好ましくは少なくとも四つ、例えば六つである。具体的な実質的にはどのような数の要素も使用可能であるが、それは具体的な要件に依存する。多孔質基体が溶解金属用のフィルタの部分を形成する場合、積層中の要素数は好ましくは５０より大きくなく、より好ましくは２０より大きくなく、特に１０より大きくない。具体的な用途のために選ばれた要素の正確な数（「インテリジェントフィルタデザイン」）は濾過効率、金属流速、機械的強度およびコストの配慮に依存することは言うまでもない。
【００２０】
次に積層された多孔質基体要素は加熱されるが、例えば炉等で焼かれる。加熱ステップは積層された多孔質基体要素を共に融合し、（例えばポリマー結合剤がある場合にはそれを取り除きかつ／または熱分解することにより）耐火材料の可塑性を無くさせる。積層された多孔質基体要素が加熱される温度は好ましくは１０００〜１６００℃の範囲にある。
【００２１】
好ましい一連の実施例において要素の少なくとも一つは非平面、例えば波型をしている。非平面性は（可塑性の）テープまたはシートが切断されあるいは分離される前、または後にそれを変形することにより導入される。非平面の要素を組み入れる利点は機械的強度を増すことであり、これは多孔質基体要素が溶解金属用のフィルタとして用いようとする場合に特に重要である。例として、波型要素は互いの山の上に積層されてもよく、一つの要素の波型は好ましくは積層中の隣接する要素に垂直に配設される。あるいは積層は交互に配置した平面および（例えば波型の）非平面要素を備え、各非平面要素は二つの平面要素間にサンドイッチされる。
【００２２】
発明の第１および第２の態様による多孔質基体要素および多孔質基体のいくつかの好ましい孔形状は以下に定められまた記述される。
【００２３】
第３の態様によれば発明はその第１の表面の窪み配列と、それに対向する第２の表面の窪み配列とを有する、可塑性耐火材料で形成される多孔質基体要素であって、第１の配列の各窪みが第２の配列の一つ以上の窪みと重なり、それにより重なる窪みが互いに突き抜けて窪みの間で開口を形成し、開口と窪みが共に多孔質基体要素の孔を形成する多孔質基体要素を提供する。
【００２４】
発明の第４の態様は共に接合された（例えば融合された）複数の多孔質基体要素を備える耐火材料の多孔質基体であって、各多孔質基体要素がその第１の表面の窪み配列と、それに対向する第２の表面の窪み配列とを有する耐火材料を備え、第１の配列の各窪みが第２の配列の一つ以上の窪みと重なり、それにより重なる窪みが互いに突き抜けて窪みの間で開口を形成し、開口と窪みが共に多孔質基体要素の孔を形成する耐火材料の多孔質基体を提供する。
【００２５】
多孔質基体要素の窪み配列は好ましくは規則的である。配列は好ましくは互いに平行な窪み配列を備える。各配列は例えば互いに実質的に直角に配置された窪みの規則的な行と列を備える。しかしながらより好ましくは窪みの各配列は行に対して実質的に６０°の角度で配置された（実質的に互いに６０°をなす）規則的な列を有する規則的な行を備えてもよい。
【００２６】
窪みは一般的に実質的にどのような形状を有してもよく、好ましくは窪みは一般的には円錐、円錐台または椀状、例えば実質的に半球状をしている。最も好ましくは窪みは実質的に半球である。各窪みは好ましくは多孔質基体要素の対向する表面における少なくとも二つの、より好ましくは三つの（あるいはそれ以上の、しかし好ましくは正確に三つの）窪みと重なる。従って各窪みは好ましくは少なくとも二つの、より好ましくは三つの（あるいはそれ以上の、しかし好ましくは正確には三つの）開口を有し、それにより窪みが、対向する表面における隣接する窪みまで「突き抜けている」。
【００２７】
多孔質基体要素は好ましくは窪みが多孔質基体に空洞を形成するように共に接合される。好ましくは各窪みは隣接する多孔質基体要素における対応する窪みに接合されて両方の窪みにより定められる空洞を形成する。窪みが概ね椀状である実施例に関しては得られる空洞は通常は一般的に回転楕円体形状である。発明のいくつかの特定の好ましい実施例において窪みは実質的に半球であり、従って多孔質基体要素において得られる空洞は実質的に球である。
【００２８】
従って多孔質基体における孔形状は好ましくは重なる空洞の３次元配列で作り上げられ、（各窪みが三つの他の窪みに突き抜けるこれらの実施例に対して）各空洞は一つ以上、好ましくは六つの他の空洞まで空洞における六つの開口により突き抜ける。
【００２９】
第５の態様によれば発明は中に空洞の規則的な配列を有する耐火材料の多孔質基体であって、各空洞が少なくとも一つの隣接する空洞に重なり、それにより重なる空洞が互いに突き抜け、空洞間に開口を形成し、開口と空洞が共に多孔質基体の孔を形成する多孔質基体を提供する。
【００３０】
第６の態様によれば、発明は可塑性耐火材料で形成された多孔質基体要素であって、要素がその第１の表面に窪みの配列を有し、窪みが要素の第２の対向する表面を超えて突き出て第２の表面に突起の配列を形成し、各窪み／突起が一つ以上の開口を有し、開口と窪みが共に多孔質基体要素の孔を形成する多孔質基体要素を提供する。
【００３１】
第７の態様によれば、発明は共に接合された（例えば融合された）複数の多孔質基体要素を備える耐火材料の多孔質基体であって、各多孔質基体要素がその第１の表面に窪みの配列を有する耐火材料を含み、窪みが要素の第２の対向する表面を超えて突き出て第２の表面に突起の配列を形成し、各窪み／突起が一つ以上の開口を有し、多孔質基体要素が接合されて一つ以上の対になり、各対が第２の表面により共に接合された二つの多孔質基体要素を備え、一方の要素の各突起が他方の要素の対応する突起に接合された多孔質基体を提供する。
【００３２】
共に接合された多孔質基体要素の二つ以上の対がある発明の第７の態様の実施例において各対はコンポーネント要素の個々の第１の表面により、隣接する対に接合され、一方の対の要素の各窪みが他方の対の要素の対応する窪みに接合され、これらの要素の開口と窪みが共に多孔質基体要素の孔を形成する。
【００３３】
窪みと開口の配置は結果として多孔質基体要素中に耐火材料の相互接続するくもの巣模様を生じる。特に窪みが概ね椀状である実施例に対して、くもの巣は形状と模様がポリマーフォーム成形体で形成される従来のセラミックフォームフィルタのそれらと似通って見えるが、そのようなくもの巣の形状と模様の両方は本発明による耐火材料においては好ましくは著しくより規則的である。というのはそれらが不規則なフォーミング工程ではなく所定の設計された配列から生じるからである。従って発明により作られる模様が完全に規則的であり、その結果多孔質基体全体に渡って一定であるという点において発明の第３、第４および第５の態様により作られるくもの巣と孔の模様のタイプはセラミックフォームフィルタのタイプに対して大きな利点を有する。従って発明による多孔質基体の性能（例えば濾過性能）は多孔質基体全体に渡って一定であり、従ってこれは一般的にセラミックフォームフィルタに当てはまらない。発明はこの一定性と所定の孔形状を達成し、一方同時にセラミックフォームの複雑さに類似の複雑な孔およびくもの巣構造を提供する。これは例えば多孔質基体による溶解金属の流路の曲がりにより生み出される濾過性能がセラミックフォームのそれと類似する（従って良好である）が、耐火性基体（例えばフィルタ）間および同一基体（例えばフィルタ）の異なる領域間の性能の一定性がセラミックフォームフィルタのそれに対して一般的に非常に優れているということを意味する。本発明による多孔質基体はその孔形状が所定のものであり、それぞれの個々の用途に対して孔形状を調整する可能性を提供するというさらなる利点を有する。
【００３４】
発明は添付図に関連して例として以下に説明される。
【００３５】
（発明を実施するための最良の形態）
図１は発明による多孔質基体および組立てられた多孔質基体の製造を模式的に示す。可塑性耐火材料が一つ以上の微粒子耐火材料と一つ以上のポリマー結合剤材料（矢印Ａで示す）を共に混合することにより作られる。この混合動作はホバートミキサー１と二軸ミキサー３で実行される。作られた可塑性耐火材料は次に圧延されかつ／あるいは押出し成形され（参照数字５で示す）、テープまたはシート７になる。代わりの（かつ好ましい）実施例（図示せず）において二軸ミキサーは省略され、Ｚ型ブレードミキサー／押出機に置き換えられる。さらにさらなるローラ対が押出された耐火シートの厚みを減らすために設けられてもよい。
【００３６】
次に可塑性耐火材料のテープまたはシート７は所望の所定形状または模様（例えば円形）を有し、テープまたはシートの厚みを貫く複数の孔を形成するために打ち抜き動作（参照数字９）で打ち抜かれる。次に個々の多孔質基体要素はテープまたはシートから個別の要素に切断または分離すること（参照数字１１）により作られる。各積層に必要な数、例えば六つまたは八つのの多孔質基体要素を用い、かつ所望の所定孔形状（または構造または模様）が組立てられた基体に作り出されるように積層して積層が実行され、多孔質基体要素の積層が作り出される（参照数字１３）。
【００３７】
次に積層された多孔質基体要素は炉１５等において加熱される（例えば燃焼される）。加熱ステップは積層された多孔質基体要素を共に融合し、（例えばポリマー結合剤がある場合にはそれを取り除きかつ／または熱分解することにより）耐火材料の可塑性を無くさせる。積層された多孔質基体要素が加熱される温度は好ましくは１０００〜１６００℃の範囲にある。
【００３８】
上記の工程は様々に変形される。例えば打ち抜き動作がテープまたはシートにスリットを入れるのにブレードが用いられる切断動作により置き換えられ、積層動作の前に可塑性耐火シートをスリットに対して横方向に伸張することにより孔を形成してもよい。また基体要素がテープまたはシートから分離された後に打ち抜き／切断−伸張動作を基体要素に対して実行してもよい。また積層の前に融合工程を助けるために接着剤（例えばコロイド状シリカ溶液）を多孔質基体に塗布してもよい。またテープまたはシートの成形は打ち抜き／スリット入れ動作の前でも後でも、また個別の多孔質基体要素を形成するためにテープが切断される前でも後でもよい。好ましい実施例において成形は打ち抜き／スリット入れの後、かつ切断動作の前に実行される。好ましい成形動作においてテープまたはシートに波型（または「波」）を形成するために波型ローラが用いられる。多孔質基体要素が波型テープまたはシートで形成される場合、一つの基体要素の波型は隣接する基体要素の波型に垂直になるように配置される。多孔質基体は成形された基体要素と成形されない（即ち平坦な）基体要素との混合で作り上げられる。例えば平坦要素と波型要素と交互に配置して三つ以上の基体要素を積層してもよい。
【００３９】
図２は射出成形により形成される、本発明による好ましいタイプの多孔質基体要素の模式図である。多孔質基体要素１７はその第１の表面２３の実質的に半球の窪み２１の配列１９と、その第２の対向する表面２７に実質的に半球の窪み２１’の配列２５とを有する可塑性耐火材料で形成される。第１の配列１９の各窪み２１は第２の配列２５の三つの窪み２１’と重なり、それにより重なる窪みが互いに突き抜け、窪み間に（各窪みにつき三つの）開口２９が形成され、開口２９と窪み２１、２１’が共に多孔質基体要素の孔を形成する。多孔質基体要素の窪み２１、２１’は規則的であり、規則的な行３１とそれに対し実質的に６０°の角度で（かつ互いに６０°を成して）配置される規則的な列３３とを備える。多孔質基体要素は射出成形工程で形成された中身の詰まった縁３４を含む。
【００４０】
図３（（ａ）から（ｄ））は発明による多孔質基体要素１７の模式図であり、これは可塑性耐火材料のテープから突起により孔を作るために打ち抜き、個々の要素を形成するためにテープを切断して形成された。図（ｄ）は一般的には要素１７の斜視図であり、図（ａ）は要素の平面図であり、図（ｂ）と（ｃ）はそれぞれ矢印ＢおよびＣで示す方向の側面図である。窪みと開口の形状をより明瞭に示すために格子状の等高線が単に明瞭化を目的として図に描かれている。用いられた参照数字は図２のそれと同じであり、それらは図２の特徴と同じ特徴を示す。図３に示す要素と図２に示す要素との唯一の目立った差は中身の詰まった縁３４を有する点であり、図３の要素は連続テープで形成されたのでそれを有さない。
【００４１】
図４は図３に示す多孔質基体要素の積層で形成された発明による多孔質基体要素３５の模式図である。多孔質基体要素１７は窪み２１、２１’が多孔質基体３５に実質的に球状の空洞３７を形成するように共に融合された。多孔質基体３５の形状は従ってそれぞれが空洞の六つの開口２９により六つの他の空洞に突き抜ける実質的に球状の空洞３７の３次元配列で作り上げられる。
【００４２】
図５（（ａ）から（ｄ））は発明の第７の態様による多孔質基体のさらなる好ましい形式の模式図である。多孔質基体３９はそれぞれが要素４１の第１の表面に窪み４３の配列を有する耐火材料を含む、共に接合された（例えば融合された）複数の多孔質基体要素４１を含む。窪み４３が要素の第２の対向する表面４７を超えて突き出て第２の表面に突起４９の配列を形成し、各窪み／突起４３／４９は一つ以上の開口５１を有する。多孔質基体要素４１は共に接合されて対５３を成し、各対５３が第２の表面４７により接合された二つの多孔質基体要素４１を備え、一方の要素の各突起４９が他方の要素の対応する突起４９に接合される。多孔質基体要素４１の各対５３はコンポーネント要素の個々の第１の表面４５により、隣接する要素に接合され、一方の対の要素の各窪み４３は他方の対の要素の対応する窪み４３に接合され、要素の開口５１と窪みが共に多孔質基体要素の孔を形成する。
【００４３】
図６と図７は本発明によるさらなる好ましい多孔質基体の模式図である。図示の基体は溶解金属フィルタとして使用することを意図している。図６に言及すれば、各要素は円形の孔が設けられ、波型をしている。基体は六つのそのような要素６０の積層で作り上げられ、各要素の波型は直上および直下のこれらの要素６０の波型に垂直に配置される。波型（および波型配置）は基体にさらなる強度を与え、ろ過効率と、基体に要する強度とに従って要素６０の数は増加しても減少してもよいことは言うまでもない。
【００４４】
図７に言及すれば、各要素６０、７０には円形の孔が設けられる。基体は三つの要素６０、７０の積層で作り上げられる。外側の要素７０は平坦（平面）であり、二つの外側の要素７０にサンドイッチされた内側の要素６０は波型をしている。そのような基体は三つの平面要素の積層より大きな強度と大きなろ過効率とを有する。
【００４５】
（フィルタの製造方法）
６２．２％の炭化珪素粉末（粒子サイズｄ５０が約１０ミクロンで、最大粒子サイズが約１００ミクロン）と、１４．８％の反応性アルミナ（最大粒子サイズが約１００ミクロン）と、微細シリカ（最大粒子サイズが約２ミクロン）と、６．６％の部分的に加水分解された高分子量ポリビニルアルコールと、９．３％の水と、０．９％のグリセリンとの成分がホバートミキサー中で目視検査により実質的に均一になるまで簡単に混合され、次に水冷のＺ型ブレードミキサー／押出機に転送され、そこでそれが２０分間部分的に真空の条件の下で混合された。このさらなる混合により全ての耐火性粒子が確実に水と結合剤で覆われる。部分的真空は含まれる空気の泡を除去する。
【００４６】
得られた１ｋｇの混合物はミキサーから押出され、手動のローラを用いて約１ｍｍの厚さのシートに圧延された。圧延工程はローラ間の間隙を次々と減少することにより３から６段階で達成された。
【００４７】
約５１ｍｍｘ４８ｍｍの矩形フィルタ要素がローラにより作られた大きなシートからナイフにより切断された。次に直径３ｍｍの約１５６個の孔が手動プレスを用いて各フィルタ要素に開けられた。次にフィルタ要素のいくつかが波型のローラ（他方の対応するローラの溝に面する一方のローラ上の輪帯状リブ）を有する手動圧延機を用いて波型が付けられ、波型のピッチ（即ち隣接する「山」と「谷」の間隔）は約５ｍｍであり、波型の深さ（即ち要素の中心平面の上または下の「山」または「谷」の距離）は２ｍｍと６ｍｍの間である。次に全てのフィルタ要素は自由水含有量が３％に低下するまで６０℃と１１０℃の間に設定された乾燥オーブンで部分乾燥された。次に要素はコロイドシリカ溶液（少なくともシリカ重量で２５％を含む）を用い、また手あるいは特別の積層工具を用いて要素を共にプレスすることにより接着された。最小２枚から最大６枚のシートが単一のフィルタを形成するのに用いられた。フィルタは波型要素のみで、あるいは平坦な（平面の）要素と波型要素との交互配置で作り上げられた。次に各フィルタは１１０℃で少なくとも１０分間乾燥された。
【００４８】
フィルタはバッチ炉で燃焼され、３時間以内で１３００℃から１４００℃の最大温度に到達し、その温度が１０分から２０分間維持された。燃焼されたフィルタの最終量は一般的に６ｇと３０ｇの間（要素数による）であった。燃焼されたフィルタの寸法は約４９ｍｍ四方であり、厚さが５ｍｍと２５ｍｍの間であった。
【００４９】
（投射試験）
上記の方法により作られたフィルタは約１４８０℃の温度の５０ｋｇの鉄が樹脂結合された鋳型内の四つの側面に支持されたフィルタ面に２５０ｍｍの高さ（金属ヘッドは７５０ｍｍ）から底注ぎ柄杓から注がれる直接投射試験を用いて溶解金属に対して試験された。投射試験の後にフィルタはひびおよび腐食等の他の損傷が目視検査された。この試験は初期金属衝撃に対するフィルタの機械的強度、熱衝撃抵抗力、高温での機械的強度および高温金属による化学的衝撃および腐食に対する抵抗力の尺度を提供する。
【００５０】
（例１）
図７に示すタイプの四つの３要素フィルタが上記の方法により作られた（中間要素の波型深さは２．０ｍｍから２．５ｍｍであり、ピッチは５ｍｍである）。四つのフィルタの内二つはフィルタ要素に対して目に見えるひびおよび／または破損がなかったという点で投射試験に合格した。個々の要素の厚さを増加し、かつ／または波型要素のピッチを減少し、かつ／または波型の深さを増加することにより合格率が改善されることが予想される。
【００５１】
（例２）
図６に示すタイプの四つの６要素フィルタが上記の方法により作られた（波型ピッチは約５ｍｍ、波型深さは２．０から２．５ｍｍである）。四つのフィルタ全てが投射試験に合格した。
【図面の簡単な説明】
【図１】
発明の第１および第２の態様による方法の模式図を示す。
【図２】
発明による多孔質基体要素の好ましい形式の模式図を示す。
【図３（ａ）】
発明による多孔質基体要素の別の好ましい形式の模式図を示す。
【図３（ｂ）】
発明による多孔質基体要素の別の好ましい形式の模式図を示す。
【図３（ｃ）】
発明による多孔質基体要素の別の好ましい形式の模式図を示す。
【図３（ｄ）】
発明による多孔質基体要素の別の好ましい形式の模式図を示す。
【図４】図２に示す多孔質基体の融合された積層で形成される、発明による多孔質基体の好ましい形式の模式図を示す。
【図５】
発明による多孔質基体のさらなる好ましい形式の模式図を示す。
【図６】
発明による多孔質基体のさらなる好ましい形式の模式図を示す。
【図７】
発明による多孔質基体のさらなる好ましい形式の模式図を示す。[0001]
(Technical field)
The invention relates to a porous substrate made of a refractory material, for example a ceramic material. The porous substrate is, for example, a high-temperature filter for removing impurities from a molten metal or cleaning a high-temperature gas. The invention has particular application as a filter for molten metal when metal is injected into a casting mold.
[0002]
(Background technology)
Conventional filters for filtering dissolved metals are manufactured in a variety of different ways. Ceramic foam filters are generally made by impregnating a polymeric (usually polyurethane) foam with an aqueous slurry of a ceramic material containing a binder, the impregnated foam being dried to remove water, drying and The impregnated foam is burned to burn off the polymer foam, leaving a ceramic foam. A porous ceramic filter with an array of grooves (known as cells) in a ceramic substrate is made by extrusion.
[0003]
Another type of filter for molten metal comprises a stack of filter plates. For example, U.S. Pat. No. 4,721,567 discloses a ceramic injection filter used in the casting of molten metal, which comprises a number of stacked closely spaced perforated plates defining a filtration cavity therebetween, and a single plate. The holes are staggered so that the metal flowing out of one plate hole passes constrainedly before entering the hole in the next plate. The holes may be slots or round holes, the plate being thicker at the periphery than at the center, creating a narrow space between adjacent plates. The plate is formed by injection molding from a mixture of ceramic particles and a binder, after which the binder is removed by heating and the ceramic particles are sintered. The filter is formed of a simple stack of such plates, held in a staggered manner by mating recesses and projections on the plate.
[0004]
An international patent application having application publication number WO 91/12062 discloses a similar laminated filter comprising layers of ceramic plates, each plate including a slot, wherein the slot of each plate is offset from the slot of an adjacent plate. Have been. The laminates are placed in a holder and loosely assembled therein, or the laminate plates may be joined using a suitable adhesive or joined by silica welding of the laminates.
[0005]
GB Patent Application No. 2282764A comprises a stack of ceramic grids whose slots define a tortuous path through the stack partially interrupted by ribs spaced from the top and bottom surfaces of the grid. Adjacent grids may have aligned, staggered, or right-angled slots. Each grate is first formed from a ceramic component as a single structure by forming a "green" press in a suitable mold and then firing the "green" press. After firing, the grids are laminated and connected together by ceramic welding techniques or bonded together using a suitable adhesive.
[0006]
U.S. Pat. No. 5,326,512 discloses, for example, a ceramic filter for filtering coal ash from a gas stream of a fluidized bed combustor. The filter is formed by mixing the ceramic powder, the pore-forming agent and the sintering aid necessary for sintering the ceramic powder, forming a tape from the mixture, and forming a filter plate from the tape. Two types of annular disc filter plates are formed. That is, the first plate type has an opening on the outer orbicular surface and the second type has an opening on the inner orbicular surface. The two types of filter plates are alternately stacked and end pieces are added to form a filter assembly, which is sintered to form a filter. The pore formers are preferably polystyrene microspheres that decompose during the sintering process and leave a porosity that effectively traps particulate impurities as the fluid passes through the filter during operation.
[0007]
(Disclosure of the Invention)
The present invention seeks to provide a simple and low cost method of manufacturing a monolithic porous refractory having a predetermined pore shape (eg, a filter for molten metal). The invention also seeks to provide a monolithic refractory having a complex but ordered pore shape.
[0008]
According to a first aspect, the invention seeks to provide a method for producing a porous substrate of a refractory material, comprising the following steps. (A) providing a plurality of porous substrate elements each formed of a plastic refractory material and having a plurality of holes formed therein; and (b) a porous substrate of a desired shape having a desired pore shape. And (c) heating the assembled porous substrate so that they are melted together and lose their plasticity.
[0009]
The porous substrate elements may be in the form of flat (ie, planar) plates and may be assembled together, for example, by laminating one on top of the other. Additionally or alternatively, other shapes of the porous substrate element, for example in the form of bricks, blocks or cubes, may be used. In the broadest embodiment of this aspect of the invention, substantially any shape or combination of porous substrate shapes can be used, as long as they can be assembled together in some way to form the porous substrate. .
[0010]
As used herein, the term "plastic" when applied to a refractory material means, at least in its broadest sense, "that it may have pores engraved therein". Plastic refractory materials generally have plastic properties such as flexibility and ductility, as is generally understood. The plastic material generally has the bread dough viscosity and is usually thixotropic.
[0011]
The plastic refractory material preferably comprises a mixture with one or more particulate refractory materials and one or more polymeric binders, which are also referred to as plasticizers. The term "fine particles" includes powders, particles, fibrous materials, microspheres (hollow and / or solid), and the like. Virtually any refractory material may be used. One skilled in the art can select an appropriate material or mixture of materials depending on the specific requirements of the porous substrate. Examples of some refractory materials that can be used include zirconia, silica, alumina, titania, silicon carbide, and the like. Examples of some polymeric materials that can be used include polyvinyl alcohol (PVA), glycerin, and cellulose.
[0012]
The first aspect of the invention has the advantage that the final pore shape (or pore structure) of the porous substrate is itself predetermined because the porous substrate is made up of a plurality of "preformed" elements with pores. . This is in contrast to the ceramic filter disclosed in US Pat. No. 5,326,512, in which the porosity of the filter is formed by the pore former only when the assembled filter is sintered. The ceramic filter of U.S. Pat. No. 5,326,512 thus has an irregular pore shape that cannot be determined, which is also true, for example, for ceramic foam filters. The present invention, on the other hand, allows the manufacturer to design and produce the desired type of pore shape (including pore size) that is exactly correct for each particular application of the porous substrate. The invention essentially provides manufacturers with "intelligent" ceramic filters (or other refractory porous substrates). Further, a first aspect of the present invention is directed to the manufacturing methods disclosed in U.S. Pat. No. 4,721,567, International Patent Publication No. WO 91/12062 and British Patent No. 228,276, in which the assembled porous substrate elements are fused together by heating. Has the advantage that a monolithic substrate is made and manufactured in a simple and effective manner.
[0013]
In the broadest aspects of the invention, the porous substrate element is formed by any suitable method, including molding (eg, injection molding), extrusion, machining (eg, including rolling and / or pressing), stamping, or the like, or a combination of methods. . However, the most preferred methods include extrusion and / or rolling of a tape or sheet of plastic refractory material, and punching (including cutting and / or pressing) of the tape or sheet to create holes.
[0014]
A second aspect of the invention provides a method of manufacturing a plurality of porous substrate elements assembled together in a method according to the first aspect of the invention, comprising the following steps. (A) forming a large amount of plastic refractory material; (b) producing a tape or sheet of plastic refractory material; and (c) punching a plurality of holes through the thickness of the tape or sheet. And (d) cutting or separating a plurality of individual porous substrate elements from the stamped tape or sheet.
[0015]
In one embodiment of the second aspect of the present invention, the punching operation includes forming a slit in the tape or sheet using, for example, a blade. The holes are then formed by stretching the tape of the sheet transversely to the slits and opening the slits defining the holes.
[0016]
It goes without saying that the invention includes within its scope the possibility of separating the substrate element from the tape or sheet before forming the holes therein.
[0017]
A second aspect of the invention is disclosed in U.S. Pat. No. 4,721,567, in contrast to the process of U.S. Pat. No. 5,326,512, in which holes are created only when the assembled filter is sintered, and where plates or elements are individually molded. In contrast to U.S. Pat. No. 5,037,086 and British Patent No. 2,282,764, it provides a simple and effective method of mass producing porous substrate elements having a predetermined pore shape.
[0018]
As already mentioned, the plastic material is preferably made by mixing one or more particulate refractory materials with one or more polymeric binder materials. This may be performed by a suitable mixer, for example (preferably) a planetary rotary mixer and / or a twin screw mixer. The plastic refractory material produced is preferably rolled into tape or sheet and / or extruded, preferably using a Z-blade extruder or pressure extruder. If necessary, the thickness of the final sheet or tape may be further reduced by passing through one or more pairs of rollers. The final tape or sheet preferably has a thickness of at least 0.1 mm, more preferably at least 0.2 mm, even more preferably at least 0.3 mm, especially at least 0.5 mm. The thickness of the tape or sheet is preferably not more than 3 mm, even more preferably not more than 2 mm. A particularly preferred thickness range for the tape or sheet is 0.6 mm to 1.0 mm, for example 0.7 mm.
[0019]
The tape or sheet of plastic refractory material is stamped by a punching operation to form a plurality of holes through the thickness of the tape or sheet having a desired predetermined shape or pattern. Individual porous substrate elements are then made by cutting or separating the individual elements from the tape or sheet. Next, a stack of porous substrate elements is made, using the required number of porous substrate elements in each stack and the desired predetermined shape (or structure or pattern) of pores in the assembled porous substrate. It is performed in a predetermined manner to stack the elements together as they are made. The number of porous substrate elements laminated to make an assembled porous substrate is at least two, preferably at least three, more preferably at least four, for example six. Virtually any number of elements may be used, depending on the specific requirements. When the porous substrate forms part of the filter for the molten metal, the number of elements in the stack is preferably not more than 50, more preferably not more than 20, especially not more than 10. It goes without saying that the exact number of elements selected for a particular application ("intelligent filter design") depends on filtration efficiency, metal flow rate, mechanical strength and cost considerations.
[0020]
Next, the laminated porous base element is heated, but is baked, for example, in a furnace or the like. The heating step fuses the laminated porous substrate elements together and renders the refractory material less plastic (eg, by removing and / or pyrolyzing the polymeric binder, if present). The temperature at which the laminated porous substrate element is heated is preferably in the range of 1000-1600C.
[0021]
In a preferred series of embodiments, at least one of the elements is non-planar, eg, corrugated. Non-planarity is introduced by deforming the (plastic) tape or sheet before or after it is cut or separated. The advantage of incorporating a non-planar element is to increase the mechanical strength, which is particularly important if the porous substrate element is to be used as a filter for molten metals. By way of example, corrugated elements may be stacked on top of each other, and the corrugations of one element are preferably arranged perpendicular to adjacent elements in the stack. Alternatively, the laminate comprises alternating planar and non-planar (eg, corrugated) elements, each non-planar element being sandwiched between two planar elements.
[0022]
Some preferred pore shapes of the porous substrate element and the porous substrate according to the first and second aspects of the invention are defined and described below.
[0023]
According to a third aspect, the invention is a porous substrate element formed of a plastic refractory material having an array of depressions on a first surface thereof and an array of depressions on a second surface opposite the first surface. Each recess of the array overlaps with one or more recesses of the second array, such that the overlapping recesses penetrate each other to form an opening between the recesses, and the openings and the recesses together form the pores of the porous substrate element. A porous substrate element is provided.
[0024]
A fourth aspect of the invention is a porous substrate of a refractory material comprising a plurality of porous substrate elements joined (eg, fused) together, each porous substrate element having a recessed array of a first surface thereof. , A refractory material having a second array of recesses opposed thereto, wherein each recess of the first array overlaps one or more recesses of the second array, such that the overlapping recesses protrude from each other and form a recess. There is provided a porous substrate of a refractory material wherein an opening is formed between the openings and the opening and the depression together form the pores of the porous substrate element.
[0025]
The recess arrangement of the porous substrate elements is preferably regular. The array preferably comprises parallel recessed arrays. Each array comprises, for example, regular rows and columns of depressions arranged substantially at right angles to each other. More preferably, however, each array of depressions may comprise regular rows having regular columns arranged at substantially 60 ° angles to the rows (substantially at 60 ° to each other).
[0026]
The depression may generally have substantially any shape, preferably the depression is generally conical, truncated conical or bowl-shaped, for example substantially hemispherical. Most preferably, the depression is substantially hemispherical. Each depression preferably overlaps at least two, more preferably three (or more, but preferably exactly three) depressions on opposing surfaces of the porous substrate element. Thus, each depression preferably has at least two, more preferably three (or more, but preferably exactly three) openings, whereby the depression "penetrates" to an adjacent depression on the opposing surface. ing".
[0027]
The porous substrate elements are preferably joined together such that the depressions form cavities in the porous substrate. Preferably, each depression is joined to a corresponding depression in an adjacent porous substrate element to form a cavity defined by both depressions. For embodiments in which the depression is generally bowl-shaped, the resulting cavity is typically generally spheroidal in shape. In some particularly preferred embodiments of the invention, the depression is substantially hemispherical, and thus the resulting cavity in the porous substrate element is substantially spherical.
[0028]
Thus, the pore shape in the porous substrate is preferably made up of a three-dimensional array of overlapping cavities, with each cavity being one or more, preferably six (for those embodiments where each cavity penetrates three other cavities). It penetrates to the other cavities by six openings in the cavities.
[0029]
According to a fifth aspect, the invention is a porous substrate of a refractory material having a regular arrangement of cavities therein, each cavity overlapping at least one adjacent cavity, whereby the overlapping cavities penetrate each other, A porous substrate is provided wherein an opening is formed therebetween, wherein the opening and the cavity together form the pores of the porous substrate.
[0030]
According to a sixth aspect, the invention is a porous substrate element formed of a plastic refractory material, the element having an array of depressions on a first surface thereof, wherein the depressions are on a second opposing surface of the element. Protruding beyond the second surface to form an array of protrusions on the second surface, each recess / protrusion having one or more openings, wherein the openings and recesses together form pores of the porous substrate element. provide.
[0031]
According to a seventh aspect, the invention is a porous substrate of a refractory material comprising a plurality of porous substrate elements joined together (eg, fused), wherein each porous substrate element has a first surface. A refractory material having an array of depressions, wherein the depressions project beyond a second opposing surface of the element to form an array of projections on the second surface, each depression / projection having one or more openings. Wherein the porous substrate elements are joined into one or more pairs, each pair comprising two porous substrate elements joined together by a second surface, each protrusion of one element corresponding to the other element. The present invention provides a porous substrate bonded to a projection.
[0032]
In an embodiment of the seventh aspect of the invention where there are two or more pairs of porous substrate elements joined together, each pair is joined to an adjacent pair by an individual first surface of the component element, one pair being Of each element is joined to the corresponding depression of the other pair of elements, and the openings and depressions of these elements together form the pores of the porous substrate element.
[0033]
The arrangement of the depressions and openings results in interconnecting webs of refractory material in the porous substrate element. In particular, for embodiments where the depressions are generally bowl-shaped, the spider web looks similar to those of conventional ceramic foam filters whose shape and pattern are formed of polymer foam moldings, but the shape of the web Both the pattern and the pattern are preferably significantly more regular in the refractory material according to the invention. Because they arise from a given designed arrangement rather than an irregular forming process. Thus, the webs and holes of the webs and holes made according to the third, fourth and fifth aspects of the invention in that the pattern made by the invention is completely regular and consequently constant throughout the porous substrate. The pattern type has significant advantages over the ceramic foam filter type. Thus, the performance (eg, filtration performance) of the porous substrate according to the invention is constant throughout the porous substrate, and this is generally not the case for ceramic foam filters. The invention achieves this consistency and predetermined hole shape, while at the same time providing a complex hole and web structure similar to that of ceramic foam. This is for example the filtration performance created by the bending of the flow path of the molten metal by the porous substrate is similar to (and therefore better) that of ceramic foam, but between refractory substrates (eg filters) and of the same substrate (eg filters). This means that the uniformity of performance between the different areas is generally very superior to that of the ceramic foam filter. The porous substrate according to the invention has the further advantage that its pore shape is predetermined and offers the possibility of adjusting the pore shape for each individual application.
[0034]
The invention is described below by way of example with reference to the accompanying drawings.
[0035]
(Best Mode for Carrying Out the Invention)
FIG. 1 schematically shows the production of a porous substrate and an assembled porous substrate according to the invention. A plastic refractory material is made by mixing together one or more particulate refractory materials and one or more polymeric binder materials (indicated by arrow A). This mixing operation is executed by the Hobart mixer 1 and the twin-screw mixer 3. The formed plastic refractory material is then rolled and / or extruded (indicated by reference numeral 5) into a tape or sheet 7. In an alternative (and preferred) embodiment (not shown), the twin screw mixer is omitted and replaced by a Z-blade mixer / extruder. Still further roller pairs may be provided to reduce the thickness of the extruded refractory sheet.
[0036]
The tape or sheet 7 of plastic refractory material is then punched in a punching operation (reference numeral 9) to have a desired predetermined shape or pattern (e.g., circular) and to form a plurality of holes through the thickness of the tape or sheet. . The individual porous substrate elements are then made by cutting or separating the individual elements from the tape or sheet (reference numeral 11). Lamination is performed using the required number of porous substrate elements, e.g., six or eight, for each lamination and laminating such that the desired predetermined pore shape (or structure or pattern) is created in the assembled substrate. A stack of porous substrate elements is created (reference numeral 13).
[0037]
Next, the laminated porous base element is heated (eg, burned) in a furnace 15 or the like. The heating step fuses the laminated porous substrate elements together and renders the refractory material less plastic (eg, by removing and / or pyrolyzing the polymeric binder, if present). The temperature at which the laminated porous substrate element is heated is preferably in the range of 1000-1600C.
[0038]
The above steps are variously modified. For example, the punching operation may be replaced by a cutting operation in which a blade is used to slit the tape or sheet, and the holes may be formed by stretching the plastic refractory sheet transversely to the slit prior to the laminating operation. . Also, a punch / cut-stretch operation may be performed on the base element after the base element has been separated from the tape or sheet. An adhesive (eg, a colloidal silica solution) may be applied to the porous substrate prior to lamination to aid in the fusing process. Also, the forming of the tape or sheet may be before or after the punching / slitting operation, and before or after the tape is cut to form individual porous substrate elements. In a preferred embodiment, shaping is performed after the punching / slitting and before the cutting operation. In a preferred forming operation, corrugated rollers are used to form corrugations (or "waves") on the tape or sheet. When the porous substrate element is formed of corrugated tape or sheet, the corrugations of one substrate element are arranged to be perpendicular to the corrugations of adjacent substrate elements. Porous substrates are made up of a mixture of molded and non-molded (ie, flat) substrate elements. For example, three or more base elements may be stacked alternately with flat elements and corrugated elements.
[0039]
FIG. 2 is a schematic diagram of a preferred type of porous substrate element according to the present invention formed by injection molding. The porous substrate element 17 has an array 19 of substantially hemispherical depressions 21 on its first surface 23 and an array 25 of substantially hemispherical depressions 21 'on its second opposing surface 27. Made of material. Each depression 21 of the first arrangement 19 overlaps with three depressions 21 ′ of the second arrangement 25, whereby the overlapping depressions penetrate each other, forming openings 29 (three for each depression) between the depressions and the openings 29. And the depressions 21, 21 'together form the pores of the porous substrate element. The depressions 21, 21 ′ of the porous substrate element are regular, regular rows 31 and regular columns 33 arranged at substantially 60 ° thereto (and at 60 ° to each other). And The porous substrate element includes a solid rim 34 formed in an injection molding process.
[0040]
FIGS. 3 (a) to 3 (d) are schematic views of a porous substrate element 17 according to the invention, which is punched from a tape of plastic refractory material to make holes by protrusions and to form individual elements. It was formed by cutting the tape. Figure (d) is a perspective view of the element 17 in general, Figure (a) is a plan view of the element, and Figures (b) and (c) are side views in the directions indicated by arrows B and C, respectively. is there. In order to more clearly show the shapes of the depressions and the openings, grid-like contours are drawn in the figure merely for clarity. The reference numbers used are the same as those of FIG. 2 and they show the same features as those of FIG. The only noticeable difference between the element shown in FIG. 3 and the element shown in FIG. 2 is that it has a solid edge 34, which does not have it because it was formed with continuous tape.
[0041]
FIG. 4 is a schematic view of the porous base element 35 according to the invention formed by laminating the porous base elements shown in FIG. The porous substrate element 17 has been fused together such that the depressions 21, 21 ′ form a substantially spherical cavity 37 in the porous substrate 35. The shape of the porous substrate 35 is thus created by a three-dimensional array of substantially spherical cavities 37 each penetrating into six other cavities by the six openings 29 of the cavities.
[0042]
FIGS. 5 (a) to 5 (d) are schematic diagrams of further preferred types of the porous substrate according to the seventh aspect of the present invention. The porous substrate 39 includes a plurality of porous substrate elements 41 joined together (eg, fused), each including a refractory material having an array of depressions 43 on a first surface of the element 41. The depressions 43 project beyond the second opposing surface 47 of the element to form an array of projections 49 on the second surface, each depression / projection 43/49 having one or more openings 51. The porous substrate elements 41 are joined together to form pairs 53, each pair 53 comprising two porous substrate elements 41 joined by a second surface 47, each protrusion 49 of one element being the other element. Are joined to the corresponding projections 49. Each pair 53 of porous substrate elements 41 is joined to an adjacent element by an individual first surface 45 of the component element, with each depression 43 of one pair of elements being a corresponding depression 43 of the other pair of elements. Joined, the opening 51 and the depression of the element together form a hole in the porous substrate element.
[0043]
6 and 7 are schematic diagrams of further preferred porous substrates according to the present invention. The substrate shown is intended for use as a molten metal filter. Referring to FIG. 6, each element is provided with a circular hole and is corrugated. The substrate is made up of a stack of six such elements 60, the corrugations of each element being arranged perpendicular to the corrugations of these elements 60 directly above and below. It will be appreciated that the corrugations (and corrugations) provide additional strength to the substrate, and that the number of elements 60 may increase or decrease depending on the filtration efficiency and the strength required for the substrate.
[0044]
Referring to FIG. 7, each element 60, 70 is provided with a circular hole. The substrate is made up of a stack of three elements 60,70. The outer element 70 is flat (planar) and the inner element 60 sandwiched between the two outer elements 70 is wavy. Such a substrate has greater strength and greater filtration efficiency than a stack of three planar elements.
[0045]
(Filter manufacturing method)
62.2% silicon carbide powder (particle size d 50 5. about 10 microns with a maximum particle size of about 100 microns, 14.8% reactive alumina (maximum particle size of about 100 microns), and fine silica (maximum particle size of about 2 microns); Briefly until the components of 6% partially hydrolyzed high molecular weight polyvinyl alcohol, 9.3% water and 0.9% glycerin are substantially homogeneous by visual inspection in a Hobart mixer. It was mixed and then transferred to a water cooled Z-blade mixer / extruder where it was mixed for 20 minutes under partial vacuum conditions. This further mixing ensures that all refractory particles are covered with water and binder. The partial vacuum removes any air bubbles contained.
[0046]
The resulting 1 kg mixture was extruded from a mixer and rolled into sheets about 1 mm thick using manual rollers. The rolling process was accomplished in three to six stages by successively reducing the gap between the rollers.
[0047]
A rectangular filter element of approximately 51 mm x 48 mm was cut by a knife from a large sheet made by rollers. Next, approximately 156 holes of 3 mm diameter were drilled in each filter element using a manual press. Next, some of the filter elements are corrugated using a manual rolling mill having corrugated rollers (zonal ribs on one roller facing the groove of the other corresponding roller) and the corrugated pitch (I.e., the distance between adjacent "peaks" and "valleys") is about 5 mm, and the corrugation depth (i.e., the distance between "peaks" or "valleys" above or below the center plane of the element) is 2 mm and 6 mm. Between. All filter elements were then partially dried in a drying oven set between 60 ° C and 110 ° C until the free water content dropped to 3%. The elements were then bonded using a colloidal silica solution (containing at least 25% by weight of silica) and pressing the elements together by hand or using a special laminating tool. A minimum of two to a maximum of six sheets were used to form a single filter. Filters were constructed with corrugated elements only, or with alternating flat (planar) and corrugated elements. Each filter was then dried at 110 ° C. for at least 10 minutes.
[0048]
The filter was fired in a batch furnace and reached a maximum temperature of 1300 ° C. to 1400 ° C. within 3 hours, which was maintained for 10 to 20 minutes. The final amount of fired filter was generally between 6 g and 30 g (depending on the number of elements). The dimensions of the fired filter were about 49 mm square and the thickness was between 5 mm and 25 mm.
[0049]
(Projection test)
A filter made by the above method is a bottom ladle with a height of 250 mm (750 mm for metal head) on a filter surface supported on four sides in a resin-bonded 50 kg iron at a temperature of about 1480 ° C. Tested against molten metal using a direct projection test poured from a metal. After the projection test, the filters were visually inspected for other damage such as cracks and corrosion. This test provides a measure of the mechanical strength of the filter to initial metal impact, thermal shock resistance, mechanical strength at elevated temperatures, and resistance to chemical impact and corrosion by hot metals.
[0050]
(Example 1)
Four three-element filters of the type shown in FIG. 7 were made by the above method (the corrugated depth of the intermediate elements was 2.0 mm to 2.5 mm, and the pitch was 5 mm). Two of the four filters passed the projection test in that there were no visible cracks and / or breaks on the filter elements. It is expected that increasing the thickness of the individual elements and / or reducing the pitch of the corrugated elements and / or increasing the corrugated depth will improve pass rates.
[0051]
(Example 2)
Four six-element filters of the type shown in FIG. 6 were made by the above method (corrugated pitch is about 5 mm, corrugated depth is 2.0 to 2.5 mm). All four filters passed the projection test.
[Brief description of the drawings]
FIG.
1 shows a schematic diagram of a method according to the first and second aspects of the invention.
FIG. 2
1 shows a schematic representation of a preferred form of a porous substrate element according to the invention.
FIG. 3 (a)
FIG. 2 shows a schematic diagram of another preferred form of a porous substrate element according to the invention.
FIG. 3 (b)
FIG. 2 shows a schematic diagram of another preferred form of a porous substrate element according to the invention.
FIG. 3 (c)
FIG. 2 shows a schematic diagram of another preferred form of a porous substrate element according to the invention.
FIG. 3 (d)
FIG. 2 shows a schematic diagram of another preferred form of a porous substrate element according to the invention.
FIG. 4 shows a schematic representation of a preferred form of a porous substrate according to the invention, formed from a fused stack of porous substrates as shown in FIG.
FIG. 5
1 shows a schematic diagram of a further preferred form of a porous substrate according to the invention.
FIG. 6
1 shows a schematic diagram of a further preferred form of a porous substrate according to the invention.
FIG. 7
1 shows a schematic diagram of a further preferred form of a porous substrate according to the invention.