NO169602B - Filter av poroes keramikk for filtrering av flytende metall - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår et porøst keramikkfilter for filtrering av metallsmelter og med tallrike innbyrdes forbundne hulrom, som er omgitt av keramikkmaterial som inneholder AI2O3.

Smeltet aluminiun inneholder vanligvis i praksis faste

partikler som har skadelig virkning i det ferdigstøpte metallprodukt. Disse faste partikler skriver seg vanligvis

fra tre kilder. Noen er aluminiumoksydpartikler som er

trukket med i strømmen av flytende metall fra det flytende oksydlag på smelteoverflaten. Andre partikler utgjøres av fragmenter fra smelteovnsforingen, uttappingskanalene eller andre deler av utstyret for håndtering av det smeltede

metall og som ved angrep fra metallsmelten frigjøres og

trekkes med strømmen av flytende aluminium. Atter andre partikler utgjøres av utfellinger av uløselige forurensning-

er, slik som intermetallforbindelser, borider, karbider eller utfellinger av andre aluminiumforbindelser, slik som klorider. Når sådanne partikler opptrer i det ferdigstøpte produkt etter at det smeltede aluminium er størknet, kan de gi sluttproduktet mindre duktilitet eller dårligere be-arbeidingsegenskaper. Det er følgelig ønskelig å fjerne innholdet av faste partikler fra den flytende aluminiums-

strøm før metallet støpes til et fast legeme, som enten kan anvendes som sådant eller utsettes for formingsprosesser,

slik som valsing, smiing,ekstrudering o.s.v.

Filteringsprosesser for å fjerne faste partikler fra væsker utføres ved å føre væsken med fast partikkelinnhold gjennom et porøst filtermedium som ikke vil slippe igjennom partiklene. Filtering av smeltet metall i sin alminnelighet og smeltet aluminium i særdeleshet, medfører spesielle problemer fordi det flytende metall er så aggresivt at det er vanskelig å

finne et filtermedium som kan motstå påvirkning fra metallsmelten .

Vanligvis er det to fremgangsmåter som benyttes ved filtering

for fjerning av fast partikkelinnhold fra smeltede aluminiumlegeringer før stopning.

Det vanligste filtermedium er en åpen glassfibervev anbragt

i metalltransportkanalen, omkring uttapningsåpningen eller

også i metallbadet på oversiden av den størknede barre. Sådanne filterduker er bare istand til å fjerne de største partikler fra metallet 'og rives lett i stykker i bruk, da glassfibrene blir meget svake ved smeltetemperaturen for aluminium. Ved en annén tidligere kjent prosess filteres smeltet aluminium gjennom et leie av løse aluminiumoksyc-partikler, f.eks. plateformet aluminiumoksyd, men denne prosess har den ulempe som vanlivis foreligger ved sådan sjiktfiltrering, nemlig at for meget fast partikkelmaterial slipper igjennom, idet det foreligger en sterkt tendens til kanaldannelse som hindrer effektiv drift,således at filterets pore-størrelse ikke er lett å fastlegge, men heller lett forandres under vanlig driftsforhold. Selv om filterleiet

har passende poredimensjoner til å begynne med, kan da disse vanskelig opprettholdes. I tillegg må metallet holdes stadig i smeltet tilstand når filtret ikke er i bruk.

En forbedret fremgangsmåte for filtrering og fjerning av

faste partikler fra smeltede aluminiumlegeringer er angitt i US-patentskrift nr. 3.947.363, idet denne fremgangsmåte benytter et keramisk skumfilter med åpen cellestruktur og har som særtrekk tallrike hulrom med innbyrdes forbindelse og omgitt av et vev av keramikk-material. Sammensetningen av det anvendte keramiske skummaterial er en blanding av aluminiumoksyd og kromoksyd, som fortrinnsvis omfatter 45

til 55% A1203, 10 til 17% Cr2C>3, 0,5 til 2,5% bentonitt samt fra 12 til 17% keramisk bindemiddel, slik som f.eks. aluminiumortofosfat.

Bruk av keramiske skumfiltre av den art som er angitt i ovenfor angitte US.patentskrift øket i høy grad filtreringens effektivitet, men anvendelse av en stor andel kromoksyd i den keramiske skumsammensetting fører til flere ulemper.

En av disse ulemper er at kromoksyd er forholdsvis dyrt sammenlignet med aluminiumoksyd, samt er bare tilgjengelig fra be-grensede områder, således at det foreligger et potensielt leveringsproblem. Et ytterligere problem er et forurensnings- problem, da Cr<+>^ er kjent for å ha karsinogen virkning, og selv om kromoksyd i sådanne filtre ikke inneholder målbare mengder av Cr~^ vekker dette forhold likevel bekymring. I tillegg til det som er angitt ovenfor, foreligger det problemer med hensyn til filtrets styrke, når store filter-flater fremstilles med foretrukket tykkelse på omkring 5,5 cm. Anvendelse av tykkere filtre ville øke tverrsnittsstyrken, men på den annen side føre til en betraktelig omkostnings-økning uten noen merkbar økning av filtreringseffektiviteten. I lys av det foregående ville det naturligvis være meget ønskelig å øke den iboende styrke av keramikksammensettingen, samtidig som kromoksyd utelates fra denne sammensetting.

Det er følgelig et hovedformål for foreliggende oppfinnelse å frembringe et keramisk skumfilter av ovenfor angitt art og med sådan styrke at det kan brukes for filtrering av mange forskjellige slags metallsmelter, samtidig som det kan fremstilles med rimelige omkostninger og oppviser fremragende filteregenskaper uten de ovenfor angitte ulemper.

Dette oppnås i henhold til oppfinnelsen med et filter av den art som er angitt i patentkrav 1. Porøse keramikkfiltre i henhold til oppfinnelsen egner seg særlig for filtrering av metallsmelter og aller best for filtrering av flytende aluminium. Med den høye temperaturbestandighet som et sådant filter oppviser, egner det seg særlig for de vanskelige driftsforhold som foreligger ved metallfiltrering. Det har videre vist seg at sammensetningen av dette metallfilteret ikke medfører noen forurensning av metallet med filter-bestanddeler.

Ved keramikkfiltret i henhold til foreliggende oppfinnelse dreier det seg om et prisgunstig material for engangsbruk og påfølgende utskifting.

Med et sådant keramikkfilter kan det smeltede metall pr.

minutt filtreres i mengder på omkring 0,127 m 3 /m 2 filterflate til 12,7 m<3>/m<2>filterflate, fortrinnsvis 0, 773 m<3>/m<2>filterflate til 2,526 m<3>/m<2>filterflate.

Filteret i henhold til oppfinnelsen kan fremstilles på i og for seg kjent måte, f.eks. ved den fremgangsmåte som er beskrevet i US-PS 3.893.917.

I henhold til denne kjente fremgangmåte blir et fleksibelt organisk skummaterial med åpen cellestruktur og et stort an-tall innbyrdes forbunnehde hulrom, som er omgitt av et nettverk av skummaterialet, impregnert med en vandig oppslemning av et keramisk material, således at skummaterialet dekkes av oppslemningen, og hulrommene fylles med denne.

Denne oppslemning av keramisk material velges slik at den etter tørkning og oppvarming danner den tilsiktede material-sammensetning av filtret i henhold til oppfinnelsen.

F.eks. ved sammenpresnihig fjernes så omtrent 80 vektprosent av den keramiske vandige oppslemning..Ved ytterligere 'sammenpresning deformeres skummaterialet, hvorpå det til-lates å gå tilbake til sin opprinnelige form. Den gjennværende mengde oppslemning fordeler seg da jevnt over hele skummaterialet ved jevnt belegg over materialets indre overflater. Enkelte porer kan bli lukket ved denne jevne for-deling, således at det dannes sterkere slyngede strømnings-veier. Skummaterialet dekket med oppslemning blir så først tørket, og derpå oppvarmet for å flyktiggjøre og fjerne det fleksible organiske skummaterial, hvorpå til slutt det gjennværende keramiske belegg varmebehandles eller sintres • Derved oppstar en fast keramisk skumstrutur bestående av tall-

rike innbyrdes forbundene hulrom, som er omgitt av et nettverk av kjemisk bundet eller sintret keramikkmaterial og utgjør en nøyaktig kopi av det opprinnelige organiske material.

Hoved-komponenten av det keramiske material som filtret i

I

henhold til oppfinnelsen fremstilles av, er AI2O3. I henhold til foreliggende oppfinnelse foreligger AI2O3i to former. Hovedsakelig anvendes da kalsinert AI2O3med en kornstørrelse fra 100 til 500 mesh, fortrinnsvis 325 mesh, i mengdeandeler fra 55 til 70 vekt%, fortrinnsvis fra 60 til 65 vekt%.

AI2O3er særlig egnet for anvendelse i keramikkfilteret, da det ikke angripes av flytende aluminium eller kobber, i motsetning til f.eks. silisiumoksyd.

Ved siden av den kjemiske bestandighet oppviser aluminiumoksyd også den nødvendige mekaniske og strukturelle fasthet til å oppfylle de spesielle fordringer som foreligger. AI2O3benyttes da også i form av finkornet reaktivt aluminiumoksyd i mengdeandeler som er karakteristisk for foreliggende oppfinnelse. Ved hjelp av dette finkornede reaktive aluminiumoksyd oppnås en ensartet fordelt bindefase og passende reologiske egenskaper for oppslemmingen. Samtidig kan tilsatser av plastiske materialer i oppslemmingen, og som kan oppvise reaksjoner med et smeltede metall, holdes på et minimum. Montmorillonitt, som inneholdes i mengder fra 1 til 5 vekt%, fortrinnsvis 1 til 3 vekt%, er en ytterligere viktig bestanddel av det keramiske material. Montmorillonitt er et sterkt plastisk material med den tilnærmede sammensetning AI2O3. 4 SiC>2 . H2O. Det er f.eks. funnet at montmorillonitt er vesentlig mer plastisk enn bentonitt.

Anvendelse av en forholdsvis liten prosentandel sterkt plastisk montmorillonitt i stedet for bentonitt gir ved en passende tixotropisk reologi for oppslemmingen en vesentlig forbedret fasthet, som er særegen for denne keramiske material-sammensetning. Montmorillonitt virker i synergi med den finkornede reaktive aluminiumoksyd, for i kombinasjon med en jevnt fordelt bindefase å oppnå forbedrede fasthets-egenskaper for det ferdige filtermaterial og som er særegne for vedkommende keramiske sammensetning.

En ytterligere vesentlig bestanddel av det keramiske material er keråmiske fibre i mengder på 1 til 10 vekt-

prosent, fotrinnsvis fra 1 til 3 vektprosent. Mer enn 10 vektprosent fibre medfører en sammenklumping av disse i . oppslemningen og en ensartet suspensjon kan da ikke oppnås.

I

Mer enn 3 vektprosent keramiske fibre medfører bare en svak økning av materialets fasthet. Den foretrukkede rnengdeandel på 1 til 3 vektprosent fibre medfører ved god spredning av fibrene uten klumpdannelse i oppslemningen en betydelig for-bedring av det ferdige filterelements fasthet. De keramiske fibre motvirker riss-dannelse og forbedrer derved ytterligere den særegne fasthet for den foreliggende keramiske sammensetning.

De keramiske fibre som foretrekkes er av omkostningsgrunner aluminiumsilikat. Videre kan det anvendes fibre av f.eks. aluminiumoksyd eller zirkoniumoksyd.

i

Videre inneholder det keramiske material fortrinnsvis 2,5 til 25 vekt% av et luftavherdende middel, som forholder seg hovedsakelig indifferent overfor smeltet metall. Det luftavherdende middel eller virksomme bindemiddel avbinder eller herder den keramiske bppslemming uten behov for varmetilførsel, fortrinnsvis ved tørking, men normalt ved en kjemisk reaksjon ved oppvarming til moderate temperaturer.

Det foretrukkede middel er aluminiumortofosfat, hensiktsmessig i 50%vannløsning. Andre luftavherdende midler som kan anvendes er f. eks. magnesiumortoborat, aluminumhydoksyklorid o.s.v. Alkalimetall-silikater, slik som f.eks. natriumsilikat, kan

i det minste delvis anvendes, men disse forbindelser er mindre ønskelige, da de smelter allerede ved 800°C og derved taper sin fasthet. Videre kan det eventuelt foreliggende silisium og det alltid foreliggende natrium løse seg i smeiten. Av lignende grunner kan etylsiiikat og andre fosfater an-

vendes, men er likeledes mindre ønskelige. Aluminiumorto-

fosfat er særlig egnet, da det oppviser en god kombinasjon av gunstige egenskaper, slik som manglende reaktivitet, varmebestandighet og herdeevne.

Som beskrevet ovenfor, tilføres det luftavherdende midlet i form av en> vandig suspensjon, som når det gjelder aluminiumorto-

fofat fortrinnsvis bør være en blanding av bindemiddel og vann i de like vektandeler.

Bindemidlet har til oppgave å gi det keramiske formlegeme den nødvendige fasthet etter avbrenningen eller fordunstingen av det organiske skummaterialet, samt før dannelsen av den keramiske binding.

Med dette bindemiddel oppnås også den nødvendige fasthet for sluttproduktet. Stabiliteten og fastheten.av den kjemiske binding av det foretrukkede bindemiddel er for mange an-vendelseformål også tilstrekkelig for sluttproduktet, så-

ledes at en sintring ved høye temperaturer er overflødig.

Denne fasthet er betraktelig og oppnås innenfor et bredt temperaturområde. Fortrinnsvis anvendes 15 til 25 vektpro-

sent aluminiumortofosfat.

Som allerede omtalt, dreier det seg ved oppslemningen av

keramisk material om en vandig oppslemning ved sådan konsen-trasjon at viskositeten kan reguleres og oppslemningen er lett å håndtere. Vanligvis anvendes 10 til 40 vektprosent vann i oppslemningen, idet i det minste en del av dette vann tilføres med den vandige suspensjon av aluminiumortofosfat. Sluttproduktene er bundne keramiske skumstrukturer med tall-

rike innbyrdes forbundene hulrom, som er omgitt av et nett-

verk av keramikk.

Den åpne cellestruktur for skummaterialet kan tilpasses be-hovene ved filtrering av forskjellige smeltede metaller.Tilvirkningsprosessen tillater fremstilling av de foreslåtte filtermaterialer i henhold til oppfinnelsen på lett og enkel måte i forskjellige utforelsesvariasjoner. Keramikkfilteret i henhold til oppfinnelsen og fremgangsmåten for dets fremstilling egner seg! f.eks. for fremstilling av filtre med sådanne egenskaper som er angitt

i US-PS 3.962.081. Ytterligere utførelsesvariasjener med hensyn til luftgjennomtrengelighet, porøsitet, porestørrelse og tykkelse kan også virkeliggjøres ved hjelp av foreliggende fremgangsmåte.

Det er av særlig fordel at<i>filtermaterialet i henhold til oppfinnelsen oppviser høy temperaturtasthet og motstår angrep fra metallsmelten. Ved innledning av filtreringsprosessen er det heller ikke nødvendig med et stort metallostatisk drivhode.

Det etterfølgende eksempel vil nærmere anskueliggjøre foreliggende oppfinnelse.

i

EKSEMPEL

I en vandig oppslemning av:

63,3 vektprosent 325 mesh kalsinert Al^ O^-

bie det nedykket et kvadratisk stykke polyuretan-skum med en tykkelse på 5 cm samt 12 porer per lineær centimeter. Dette skumstykke ble knadd,for å fjerne luft fra porene og fylle disse med oppslemning samt fullstedig dekke de indre, overflater av skummaterialet med oppslemning. Fra det impregnerte skum ble det fjernet;ca. 80% av oppslemningen ved sammenpresning mellom fast' innstilte valser. Skumstykket

i

ble så tørket og oppvarmet, hvilket førte til en skumstruktur med åpne celler og av keramisk material, og hvis form nøy-aktig tilsvarer det opprinnelig polyuretan-skum .

Dette filterelement ble så sammenlignet med et filterelement

i henhold til eksempel 1 i US-PS 3.947.363, og sorn ble frem-stilt fra en oppslemning av 47 vektprosent A1^ „0 3, 13 vektprosent Cr203, 3,5 vektprosent kaolin, 1,0 vektprosent bentonitt og 14, 5 vektprosent aluminiumortofosfat som 50% vandig opp-løsning .

Trykkfastheten av filterelementet i henhold til foreliggende oppfinnelse var 50% større enn den tilsvarende fasthets-

verdi for Al2C>3/Cr203-filterelementet, mens bindefastheten .

var 10 til 20% høyere. Filterelementet til henhold til foreliggende oppfinnelse kunne anvendes ved filtrering av såvel smeltet aluminium som smeltet kobber, med resultater som var sammenlignbare med de som ble oppnådd ved bruk av det nevnte Al203/Cr203~filterelement.

Claims (6)

1. Porøst keramikkfilter for filtrering av metallsmelter og

med tallrike innbyrdes forbundne hulrom, som er omgitt av keramikkmaterial som inneholder AI2O3,karakterisert vedat keramikkmaterialet inneholder 55 til 70 vekt% AI2O3, 2 til 10 vekt% finkornet reaktivt aluminiumoksyd, 1 til 5 vekt% montmorillonitt og 1 til 10 vekt% keramiske fibre, samt eventuelt 2,5 til 25 vekt%, fortrinnsvis 15 til 25 vekt% herdeprodukt av et luftavherdende middel som hovedsakelig ikke er reaktivt overfor det smeltede metall.

2. Keramikkfilter som angitt i krav 1,karakterisert vedat keramikkmaterialet inneholder 60 til 65 vekt% AI2O3.

3. Keramikkfilter som angitt i krav 1 eller 2,karakterisert vedat keramikkmaterialet inneholder 2 til 5 vekt% finkornet reaktivt aluminiumoksyd.

4. Keramikkfilter som angitt i krav 1-3,karakterisert vedat det inneholder 1 til 3 vekt% keramiske fibre.

5. ' Keramikkf ilter som angitt i krav 1-4,karakterisert vedat det inneholder keramiske fibre av aluminiumsilikat.

6. Keramikkfilter som angitt i krav 1-5,karakterisert vedat det luftavherdende middel er aluminiumortofosfat.