KR900000771B1 - 세라믹 필터 및 그를 이용한 용융철의 여과방법 - Google Patents

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Abstract

내용 없음.

Description

세라믹 필터 및 그를 이용한 용융철의 여과방법
제1도는 본 발명에 따른 세라믹 필터를 갖는 공급기 장치의 횡단면도이고,
제2도는 본 발명의 제2실시예를 나타낸 공급 장치의 횡단면도이고,
제3도 및 제4도는 제1 및 제2도의 종단면도이고,
제5도는 본 발명의 제3실시예를 나타낸 공급 장치의 횡단면도임.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 세라믹 필터 2 : 도입 용융물
3 : 공급기
본 발명은 용융 금속을 여과하기 위한 1종 이상의 유입판을 갖는 개방 쎌 포옴(foam)구조의 세라믹 필터에 관한 것이다.
세라믹 포옴 필터로 금속 용융물을 여과하는 것은 비철금속 분야에서 일반적으로 공지되어 있다. 특히, 반다듬질 물질의 제조에 있어서, 두께가 매우 얇은 층은 그 다음의 조작 단계에서 제조되기 때문에 순도가 높을 필요가 없다. 그러므로, 고체 또는 용융된 불순물은 제조 공정 동안 용융물로부터 제거되어야 한다. 왜냐하면, 그렇지 않을 경우 품질이 크게 저하되기 때문이다. 이점에 있어서, 특히 포옴 구조물을 기본으로 한 세라믹 필터는 수년 동안 성공적으로 사용되어져 왔다.
예를 들면, 본 명세서에서 참고로 하고 있는 미국특허 제3,893,917; 4,265,659; 및 4,343,704호에서는 용융 금속, 특히 용융 알루미늄을 여과하기 위한 세라믹 포옴 필터에 대해서 기재하고 있다. 이들 세라믹 포옴 필터는 세라믹 물질의 웨브에 의해 둘러싸여 있고 상호 연결된 다수의 기공을 갖는 개방 쎌의 친수성 및 신축성 포옴 물질로부터 제조되는 포옴 구조물을 포함한다. 사용될 수 있는 전형적인 포옴 물질은 폴리우레탄 포옴 같은 중합체 포옴 및 셀룰로오스 포옴을 포함한다. 포옴 구조물 특정 용융 금속에 의한 화학적 공격에 견딜 수 있는 세라믹 물질로 함침된다. 또한, 세라믹 물질은 필요로 하는 승온 조건에 대처하기에 충분한 구조적 및 기계적 강도를 가져야 한다. 이용될 수 있는 전형적인 세라믹 물질은 알루미나(Al2O3), 크로미아 (Cr2O3), 지르코니아(ZrO2), 마그네시아(MgO), 이산화티탄(TiO2), 실리카(SiO2) 및 이들의 혼합물이 있다.
세라믹 필터와 그 세라믹 필터를 사용하는 여과 시스템이 각종 용융 금속을 여과하는 기술에서 공지되어 있는 반면, 용융철을 여과하는데 있어 특별한 문제가 대두되고 있다.
액상 철이 세라믹 필터를 통과할때, 모래알, 작은 부유물 입자 및 비용해 접종 부위 등과 같은 거칠은 불순물은 필터의 입구측에서 용융물로부터 제거된다. 산화막 및 유사 물질 같이 미세한 물질은 필터 내에 위치한 기공에서 점증적으로 축적된다. 이와 같이, 거칠은 불순물은 완전 여과되지만, 미세하게 분산된 불순물은 부분적으로만 제거된다. 이 문제는 미소 기공 필터를 사용함으로써 다소 격감될 수 있다.
그러나, 마그네슘을 함유하는 철 용융물에서, 수많은 MgO 및 MgS 슬랙이 존재하면 필터를 초기에 막히게 한다. 이러한 이유 때문에, 이를테면 GGG의 주조편을 제조하기 위한 필터는 너무 미세하게 입자화 되지 않아야 한다.
더우기, 알루미늄 용융물보다 훨씬 더 높은 온도를 갖는 철 용융물을 주조하는데 있어, 사용시 필터에 대한 특별 조건이 필요하다. 한편, 여과율을 높게 유지하면서 주형이 충전될 때까지 필터는 고온에 견디어내야 한다. 한편, 여과 시간은 주조될 피스에 해당하도록 조절되어야 한다. 이들 조건은 특수 필터 표면, 필터내의 압력 손실, 및 기타 변수를 조절함으로써 만족될 수 있다.
그러므로, 본 발명의 목적은 용융된 주조 철을 여과하는데 적당한 세라믹 필터를 제공하는데 있다. 또한, 본 발명의 목적은 세라믹 필터에 의해 용융된 주조철을 여과하는 방법을 제공하는데 있다.
본 발명에 따라서, 개방 쎌 포옴 구조를 갖고, 필터의 부분마다 체적 밀도가 다르며 1종 이상의 유입면을 갖고 고 용융 세라믹 물질로부터 만들어진 세라믹 필터가 용융 된 주조철을 여과하는데 제공된다. 세라막 필터는 필터 체적에 대한 필터 표면비 약 0.0003 내지 9㎡/㎤, 5㎥/hr 유속에서의 특수 필터 저항 약 0.1 내지 0.9 바아 -㎝, 식
Figure kpo00001
에 따른 특수 저항ρ, 필터 길이 l 및 유입판 F의 표면적에 따라 좌우되는 필터에 걸친 압력 손실을 갖는다.
또한, 본 발명에 따라서, 상기 세라믹 필터를 주형의 바닥 근처에 위치시킨 후 용융된 주조 철을 주형에 부어 용융된 주조철이 주형 바닥에 도달하기 전에 세라믹 필터의 유입판에 의해 접선 방향으로 흐르게 되는 용융된 주조철의 여과방법을 제공한다.
본 발명의 세라믹 필터는 본 기술 분야의 숙련자에게 잘 알려진 여러 방법에 의해 제조될 수 있다. 이를테면, 본 명세서에서 참고로 하는 1982년 10월 14일 공고된 PCT/CH 82/00048에서는 개방 쎌 포옴 구조를 갖는 세라믹 필터를 제조하기 위한 특수 방법을 기재하고 있다. 거기 기재된 방법에서는 수성 세라믹 슬러리를 먼저 제조한다. 수많은 내화 물질이 세라믹 슬러리를 제조하는데 사용될 수 있다. 이를테면, 알루미나, 탄화 규소, 및 이산화 규소가 모두 적당한 세라믹 물질이다. 또한 세라믹 슬러리에 모노 알루미늄 인산염 및/또는 모노 크롬 인산염 같이 내화성이 높은 무기 결합제를 혼합하는 것이 바람직하다.
유기 물질로 만들어진 개방 쎌 포옴 구조물을 세라믹 슬러리에 침지시킨다. 유기 물질은 3차원 구조를 갖는 세포의 골격형 그물과 함께 폴리에스테르 또는 폴리에틸렌을 기본으로 하는 그물형 포옴으로 될 수 있다. 본 기술 분야에 잘 알려진 기타 유기 물질로 적당히 사용될 수 있다. 포옴을 완전 드렌칭 또는 함침시킨 후, 미리 설치한 로울러 장치에 함침된 포옴을 통과시켜 포옴으로부터 과잉의 현탁액을 제거한다. 그후, 나머지 물을 제거하기 위해서 포옴을 건조하고 유기물질을 연소시킨다. 물 및 유기 물질은 약 225℃ 정도의 과잉 온도에서 가열함으로써 제거될 수 있다. 세라믹 필터를 다시 1200 내지 1500℃, 양호하기로는 약 1350 내지 1450℃에서 하소시킨다.
양호한 실예에서, 본 발명의 세라믹 필터는 탄화규소 약 20 내지 70중량%, 알루미나 약 10 내지 40중량%, 이산화규소 약 2 내지 20중량% 및 무기 결합제(예, 모노 알루미늄 인산염 또는 모노 크롬 인산염) 약 10 내지 30%로 구성된다. 더욱 양호한 실예에서, 세라믹 필터는 탄화규소 약 30 내지 60중량%, 알루미나 약 10 내지 30중량%, 이산화규소 약 2 내지 20중량% 및 무기 결합제 약 10 내지 30%를 함유한다.
세라믹 필터의 열적 및 기계적 안정성을 증가시키기 위해서, 세라믹 필터의 외부 부분의 체적 밀도는 필터의 내부부분의 체적 밀도보다 다소 더 큰 것이 바람직하다. 그러므로, 경계 부분에서의 체적 밀도는 필터의 내부 부분에서 보다 약 1.2 내지 10배로 될 수 있다. 체적 밀도는 기계적으로, 이를테면, 유기 용매와 혼합된 내화성 과립 물질로 만들어진 프레임, 또는 금속으로 만들어진 프레임으로 세라믹 필터를 둘러 쌈으로써 변경될 수 있다. 반대로, 체적 밀도는 이미 함침 및 건조된 세라믹 필터의 표면을 세라믹 슬러리로 재함침 시킴으로써 변경될 수 있다. 재함침은 분무 또는 침지에 의해 달성될 수 있다. 재침지 단계는 하소전 또는 후에 실시될 수 있다.
용융철을 신빙성 있고 유효하게 여과하기 위해서는 세라믹 필터의 수가지 물리적 변수를 조절해야 한다는 것이 밝혀졌다. 이를테면, 용융 흐름성을 분당 필터판 ㎠당 용융 금속 1.3㎤으로부터 5㎤으로 증가 시키기 위해서, 특수 필터 표면, 필터 체적에 대한 필터 표면적비 및 필터에 걸칠 압력 강하와 같은 물리적 변수를 조절해야 한다. 그러므로, 용융된 철을 상기 세라믹 필터로 적정 수준으로 여과시키기 위해서 특수 필터 저항은 약 0.1 내지 0.9 바아 -㎝ (가장 양호하기로는 약 0.4 바아 -㎝) 이어야 하고, 필터 체적에 대한 필터 표면적 비는 약 0.0003 내지 9㎡/㎤ (양호하기로는 약 0.01 내지 0.9㎡/㎤)이어야 하며, 필터에 걸친 압력 강하는 관계식
Figure kpo00002
에 따라 특수 필터 저항ρ, 필터통과 같이 I, 및 유입판 F의 표면적에 따라 좌우되어야 한다.
또한, 유입판은 유입판의 표면적 중 약 35 내지 95%(양호하기로는 약 70 내지 95%)의 기공률 또는 개방 면적률을 갖는 것이 바람직하다.
또한, 용융철을 최적정 수준으로 여과시키기 위해서는 주조장치에서 필터의 흐름 자료를 계산하도록 주조장치에서 필터의 위치를 최적정 수준으로 하는 것이 매우 바람직하다. 그러므로, 세라믹 필터는 도입되는 용융물의 운동 에너지가 가장 큰 위치에 놓여져야 한다. 또한, 도입되는 용융물이 세라믹 필터의 유입판에 의해 접선 방향으로 흐르게 배열하고 필터의 유입판의 바로 전에서 난류를 형성하도록 편향시키는 것이 매우 바람직하다.
그와 같은 배열의 한 특수 실예를 제1도 및 제3도에 예시한 바, 이들은 서로 다른 태양의 단일 세라믹 필터를 가지는 용융철의 공급 장치를 나타낸다. 세라믹 필터(1)는 공급기(3)의 하부 부근의, 도입 용융물(2)이 높은 운동 에너지를 가지는 공급기(3)내의 한 곳에 위치한다. 더우기, 제1도 및 3도에서 알 수 있는 바와 같이, 도입 용융물(2)은 우선적으로 세라믹 필터(1)의 유입면에 의해 접선 방향으로 유동하게끔 되어 있다. 용융물은 그 다음 공급기(3)의 하부와 충돌해서 세라믹 필터(1)의 유입면 바로 앞에서 난류를 일으키기 위해 위로 편향된다.
공급기(3)는, 용융물이 하부와 충돌할때 용융물의 유동의 편향에 의해 야기된 난류가 지나치게 커지지 않는 그런 방도로써 둥그런 하부로써 이루어진다. 만약 난류가 너무 강하다면, 부수적인 산화물이 용융물 내에 형성되기 때문에 상기와 같이 만드는 것이 바람직하다. 또한 난류가 지나치게 강하다면, 결국 용융물 중의 부수적인 비금속 함유물인 필터의 입자들이 경우에 따라 세라믹 필터의 유입면의 표면으로부터 부서져 버린다. 반면에, 유입면 바로 전면에서 약화된 난류는 필터를 통해 흐르는 속도를 증가시키고 또한 보다 큰 용량의 용융물을 여과시키는 것을 가능하게 하기 때문에 유리하다.
제1도 및 3도에 도시한 실예에서 용융물의 과대한 용량은 역시 세라믹 필터의 유입면의 이런 배열이 유입 용융물의 지속적인 흐름에 의해 거칠은 불순물을 부분적으로 세척한다는 사실로 돌릴 수 있다. 도입 용융물의 지속적인 흐름은 세라믹 필터의 유입측면의 지속적인 세척으로서 작용하는 것이다. 그래서, 세라믹 필터의 유입측면의 조기 막힘(premature clogging)은 방지되고 용융물의 보다 큰 유통이 이루어진다. 그 밖에 또, 세라믹 필터의 유입측면의 지속적인 세척은 공급기의 하부에서 생긴 난류와 함께 필터의 유입측에서의 막힘을 방지하므로써 필터를 가로 지르는 압력 낙차를 유지하도록 한다. 이것은 주어진 시간내에서 세라믹 필터를 통과하는 용융물의 과도한 용량을 너무 허용한다.
제2도 및 4도는 본 발명에 따라서 필터 장치의 제2실예를 나타낸다. 이 실예에서, 2개의 세라믹 필터가 둥근 하부를 가지는 공급기의 하부 근처에 마련된다.
제5도는 본 발명의 필터 장치의 제3실예를 나타내는 것으로 4개의 세라믹 필터가 둥근 하부를 가지는 공급기의 하부 근처에 마련된다. 도면중에 도시한 필터 장치를 해석하는데 있어, 세라믹 필터의 유입면은 도입 용융물의 유동 방향에 대해 0 내지 90°, 바람직하게는 0 내지 79°, 가장 바람직하게는 도면들에서 도시된 바와 같이 대략 0°의 각도로 놓여지는 것이 바람직하다.
여과용 철 합금이 교훈에 따라서 결국에는 보다 더 단순화 되고, 효율적이고 또한 아주 저렴한 주조장치로 되어진다. 비금속의 불순물이 용융물로부터 쉽게 제거된다. 이런 방법으로, 주조편에서 깨끗해지고 질이 좋아지는 개선책이 성취되어진다.
본 발명에 의해 얻어진 장점을 나타내기 위해, 50×50×22mm의 세라믹 필터가 제공된다. 세라믹 필터는 25중량%의 알루미나, 20중량%의 AIPO4, 나머지의 탄화규소로 구성된다. 필터 체적에 대한 필터 표면의 비는 0.09㎡/㎤이다. 이 세라믹 필터는 도면중의 제1도 및 3도에 나타난 것과 유사하게 공급 장치 중에 위치하며 필터 용융철이 사용되곤 했다. 이렇게 해서 우수한 결과들이 얻어졌다.
세라믹 필터의 표면에 조밀한 수비(elutriation)가 존재하는 것을 제외하고 똑같은 필터를 사용하여 실험한 결과 세라믹 필터의 외측 표면 근처에서 체적 밀도가 내부에서와 같이 2배로 되었다. 액상 철의 높은 기계적 및 열적 응력을 견딜 수 있는 세라믹 필터를 사용하여 다시 우수한 결과들이 얻어졌다.
본 발명을 특정의 실시예를 참조하여 설명하였지만 이것은 단지 예증의 목적이지 본 발명의 정신이나 범위를 국한하는 것이 아니다.

Claims (19)

  1. 개방 쎌 포옴 구조, 필터의 서로 다른 부분에 대한 가연성 체적 밀도, 및 용융된 주조철을 여과하기 위한 1종 이상의 유입면을 갖고 고 용융 세라믹 물질로 이루어지고, 세라믹 필터가 필터 체적에 대한 필터 표면적비 약 0.0003 내지 9㎡/㎤, 5㎥/hr의 유속에서 특수 필터 저항 약 0.1 내지 0.9 바아 -㎝, 관계식
    Figure kpo00003
    에 따른 필터의 특수저항 ρ, 필터 길이 ℓ 및 유입판 F의 표면적에 따라 좌우되는 필터에 걸친 압력 강하 ΔP를 갖는 세라믹 필터.
  2. 제1항에 있어서, 고 용융 세라믹 필터가 탄화규소, 알루미나 및 이산화규소로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 세라믹 필터.
  3. 제1항에 있어서, 탄화규소 20 내지 70 중량%, 산화알루미늄 10 내지 40중량%, 산화규소 2 내지 20중량% 및 내화성 무기 결합제 10 내지 30중량%로 구성된 세라믹 필터.
  4. 제3항에 있어서, 내화성 무기 결합제가 모노 알루미늄 인산염 및 모노 크롬 인산염으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 세라믹 필터.
  5. 제4항에 있어서, 탄화규소 30 내지 60% 및 알루미나 10 내지 30중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 필터.
  6. 제1항에 있어서, 필터 체적에 대한 필터 표면적비가 약 0.01 내지 0.9㎡/㎤인 것을 특징으로 하는 세라믹 필터.
  7. 제1항에 있어서, 특수 필터 저항이 약 0.4 바아 -㎝인 것을 특징으로 하는 세라믹 필터.
  8. 제1항에 있어서, 유입판이 약 35 내지 95%의 기공률을 갖는 것을 특징으로 하는 세라믹 필터.
  9. 제1항에 있어서, 유입판이 약 70 내지 95%의 기공률을 갖는 것을 특징으로 하는 세라믹 필터.
  10. 제1항에 있어서, 필터의 외부 표면 근처에서의 체적 밀도가 내부에서의 체적 밀도에 약 1.2 내지 10배인 것을 특징으로 하는 세라믹 필터.
  11. 제10항에 있어서, 필터의 외부 표면 근처에서의 체적 밀도가 프레임 내에서 필터를 밀봉함으로써 더 커지는 것을 특징으로 하는 세라믹 필터.
  12. 제11항에 있어서, 프레임이 유기적으로 설치되고 내화성 과립 물질 및 금속으로부터 선택된 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 세라믹 필터.
  13. 제10항에 있어서, 필터의 외부 표면 근처에서의 체적 밀도가 수성 세라믹 슬러리로 이미 함침 및 건조된 세라믹 필터를 재함침 시킴으로써 더 커지는 것을 특징으로 하는 세라믹 필터.
  14. (a) 유동성의 용융된 철을 만들고; (b) 개방 쎌 포옴 구조, 필터의 서로 다른 부분에 대한 가연성 체적 밀도, 및 용융된 주조철을 여과하기 위한 1종 이상의 유입면을 갖고 고 용융 세라믹 물질로 이루어지고, 세라믹 필터가 필터 체적에 대한 필터 표면적비 약 0.0003 내지 9㎡/㎤, 5㎥/hr의 유속에서 특수 필터 저항 약 0.1 내지 0.9 바아 -㎝, 관계식
    Figure kpo00004
    에 따른 필터의 특수 저항 ρ, 필터 길이 l 및 유입판 F의 표면적에 따라 좌우되는 필터에 걸친 압력 강하 ΔP를 갖는 세라믹 필터를 용융철이 가장 높은 운동 에너지를 갖는 위치 근처의 주조장치에 놓고; (c) 용융철을 필터의 유입판에 의해 접선 방향으로 흐르게 하는 단계로 구성됨을 특징으로 하는 용융철의 여과방법.
  15. 제14항에 있어서, 용융철이 유입판에 대해 평행방향에서 필터의 유입판에 의해 먼저 접선 방향으로 흐르게 한 다음 유입판의 전방에서 직접 난류를 형성하도록 편향되는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제14항에 있어서, 유입판이 용융철의 흐름방향과 약 0 내지 90°의 각도로 향해 있는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제16항에 있어서, 배향각이 약 0 내지 79°인 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제17항에 있어서, 배향각이 약 0°인 것을 특징으로 하는 방법.
  19. 제14항에 있어서, 주조 공정동안 필터에 걸친 압력 손실이 유지되는 것을 특징으로 하는 방법.
KR1019850000937A 1984-02-15 1985-02-15 세라믹 필터 및 그를 이용한 용융철의 여과방법 KR900000771B1 (ko)

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