沈陽(yáng)理工大學(xué)材料科學(xué)與工程分院(110016)　趙海濤　屈非　賈薇
    
　　【摘要】簡(jiǎn)述了泡沫陶瓷過(guò)濾器的過(guò)濾機(jī)理,詳細(xì)介紹了泡沫陶瓷過(guò)濾器的應(yīng)用,最后簡(jiǎn)述了本實(shí)驗(yàn)室的一些相關(guān)工作。
    
　　關(guān)鍵詞　泡沫陶瓷　過(guò)濾器　過(guò)濾機(jī)理
    
　　在鑄造生產(chǎn)中,由于非金屬夾雜物等鑄造缺陷導(dǎo)致的鑄件廢品一般占廢品總數(shù)的50%～60%。采用金屬液過(guò)濾器技術(shù)可以有效地減少或消除其中的各種非金屬夾雜物,凈化液態(tài)鑄造合金[1]。
    
　　泡沫陶瓷過(guò)濾器(ＣＦＦ,即ＣｅｒａｍｉｃＦｏａｍＦｉｌ ｔｅｒ)是采用聚氨酯泡沫塑料為載體,經(jīng)過(guò)水解后將他浸入到由陶瓷粉末、黏結(jié)劑、助燒結(jié)劑、懸浮劑等制成的涂料中,然后擠掉多余涂料,使陶瓷涂料均勻涂敷于載體骨架成為坯體,再把坯體烘干并經(jīng)高溫焙燒而成[2 3]。
    
　　1　過(guò)濾機(jī)理   
    
　　泡沫陶瓷過(guò)濾器通過(guò)對(duì)金屬液的3種物理化學(xué)作用,分離液態(tài)鑄造合金中的夾雜物,達(dá)到凈化金屬液的效果[4 5]。
    
　　1)濾餅機(jī)制:復(fù)雜的泡沫陶瓷結(jié)構(gòu),可以高效率地機(jī)械擋渣,當(dāng)金屬液通過(guò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的泡沫陶瓷過(guò)濾器時(shí),通過(guò)過(guò)濾介質(zhì)的機(jī)械分離作用,把大于過(guò)濾器表面孔眼的夾雜物濾除,并使之沉淀在過(guò)濾器液態(tài)金屬流入端,成為過(guò)濾器的一個(gè)組成部分。隨著夾雜物在過(guò)濾器表面上堆積數(shù)量的增多,逐漸形成了一層“濾餅”,使金屬液流道進(jìn)一步變細(xì),因而新增的過(guò)濾介質(zhì)表面可以濾除更為細(xì)小的夾雜物,與此同時(shí),介質(zhì)內(nèi)部也有過(guò)濾作用,在貫穿于陶瓷體的眾多小孔中,有的呈現(xiàn)微小狹縫,有的存在死角,這些變化不同的區(qū)域都是截獲夾雜物的可能位置,過(guò)濾器內(nèi)部也存在“濾餅”效應(yīng)。
    
　　2)表面效應(yīng):當(dāng)金屬液流經(jīng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的陶瓷體時(shí),被分割成許多細(xì)小的流股,增大了金屬液中夾雜物與過(guò)濾介質(zhì)的接觸面積及接觸幾率,由于過(guò)濾器表面是極微小的凸凹面,凹?jí)K尺寸約為1～10μｍ,對(duì)夾雜物有靜電吸附和黏附截流作用。
    
　　3)整流效應(yīng):金屬液流過(guò)泡沫陶瓷過(guò)濾器時(shí),被分割成許多細(xì)小單元的流股,其直徑較小,從而使雷諾數(shù)(Ｒｅ=ｖｄ/ｒ)變小,使液流趨于層流運(yùn)動(dòng)。當(dāng)金屬液處于層流狀態(tài)時(shí),由于熔融金屬液的密度遠(yuǎn)大于夾雜物的密度,因而使夾雜物有充分的時(shí)間上浮除去,也即泡沫陶瓷過(guò)濾器能輔助橫澆道擋渣。澆注系統(tǒng)中放置過(guò)濾器后,金屬液流動(dòng)的助力增加,在橫澆道中流動(dòng)的金屬液容易形成充滿運(yùn)動(dòng),并使流速降低,有利于夾雜物上浮,并滯留在橫澆道頂面。
    
　　2　泡沫陶瓷的應(yīng)用
    
　　2.1　鋁合金鑄造過(guò)濾
    
　　鋁合金在熔化和形成鑄件的過(guò)程中,容易吸收氣體和混入非金屬雜物,從而降低了鑄件的使用性能和加工性能。目前研制成功的泡沫陶瓷過(guò)濾片為鋁合金鑄件生產(chǎn)提供了一種新型的、高效率的過(guò)濾器。不同于通常的單層鉆孔篩板和玻璃纖維篩網(wǎng),而是有著多層網(wǎng)絡(luò)和彎曲的通孔,能充分地濾除鋁合金熔體中的細(xì)小非金屬夾雜物,從而提高了鑄件的質(zhì)量。泡沫陶瓷過(guò)濾片用于鋁合金熔體的過(guò)濾,通常選用堇青石質(zhì),網(wǎng)眼尺寸為0.8～1.0ｍｍ。西安飛機(jī)制造公司采用(90ｍｍ×80ｍｍ×20ｍｍ)泡沫陶瓷濾片,使油泵彎管頭、離合器殼、變扭器殼體等鑄件的合格率提高了40%～70%,僅此一項(xiàng),就為該公司每年新增產(chǎn)值200萬(wàn)元,實(shí)現(xiàn)利稅30萬(wàn)元。
    
　　2.2　銅合金鑄造過(guò)濾
    
　　有色金屬熔體(黃銅、青銅、鋅、錫)在鑄造過(guò)程中,同樣也會(huì)產(chǎn)生氧化和非金屬雜物,出現(xiàn)大量的廢品,若采用泡沫陶瓷濾片可大大降低廢品率。過(guò)濾銅合金熔體通常選用堇青石質(zhì),網(wǎng)眼尺寸為1.0～1.2ｍｍ。
    
　　2.3　鋼鐵鑄造過(guò)濾
    
　　泡沫陶瓷同樣適用于球磨鑄鐵、合金鋼、不銹鋼等高溫合金的鑄造過(guò)濾。鋼鐵合金比重較大,熔點(diǎn)高,要求泡沫陶瓷的高溫強(qiáng)度、軟化溫度以及抗熱沖擊性都要比過(guò)濾鋁、銅高。通常選用氧化鋁和碳化硅質(zhì)的泡沫陶瓷過(guò)濾片,濾片的網(wǎng)眼尺寸為2～3ｍｍ。
    
　　2.4　汽車(chē)尾氣凈化處理器催化劑載
    
　　體隨著我國(guó)汽車(chē)行業(yè)的不斷發(fā)展,汽車(chē)尾氣排放已成為環(huán)境污染的主要來(lái)源。由于泡沫陶瓷具有比表面積高、熱穩(wěn)定性好、耐磨、不易中毒、低密度,已廣泛作為汽車(chē)尾氣催化凈化器載體使用。將泡沫陶瓷汽車(chē)尾氣催化凈化器安裝在汽油車(chē)排氣管中,可以使汽油車(chē)排出的ＣＯ,ＨＣ,ＮＯｘ有害氣體轉(zhuǎn)化成ＣＯ2,Ｈ2Ｏ,Ｎ2,轉(zhuǎn)化率可達(dá)90%以上;用在柴油車(chē)上,碳粒凈化率在50%以上。當(dāng)泡沫陶瓷濾芯積滿碳粒時(shí),可以采用催化氧化法或電控燃燒法再生,不斷消除沉積的碳粒,達(dá)到長(zhǎng)期使用的目的。
    
　　2.5　其他應(yīng)用
    
　　在高溫條件下,泡沫陶瓷具有優(yōu)良的熱輻射特性,被用于強(qiáng)化傳熱和多孔介質(zhì)的燃燒技術(shù)中,效果顯著。
    
　　泡沫陶瓷還可以做成光觸媒載體,在泡沫陶瓷載體上涂覆納米二氧化鈦,受紫外線激發(fā),具有強(qiáng)烈的光催化氧化降解特性,可催化降解有機(jī)物和微生物,從而凈化空氣。泡沫陶瓷還可以做成化工塔填料,布?xì)獠牧?煤氣灶節(jié)能燃燒板等。綜上所述,泡沫陶瓷的應(yīng)用將會(huì)給現(xiàn)代工業(yè)和現(xiàn)代生活帶來(lái)極大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。
    
　　由于泡沫陶瓷使用方便、價(jià)格便宜、制造工藝簡(jiǎn)單,通過(guò)材質(zhì)的選擇和工藝控制,可以制成適合于不同用途的泡沫陶瓷產(chǎn)品。具有優(yōu)良特性的泡沫陶瓷已被越來(lái)越多的人所認(rèn)識(shí),他將廣泛應(yīng)用于冶金、化工、環(huán)保、節(jié)能、醫(yī)學(xué)、電子等領(lǐng)域,前景十分廣闊。
    
　　3　試驗(yàn)結(jié)果
    
　　在泡沫陶瓷材料方面,本試驗(yàn)室也開(kāi)展了一些研究工藝。主要是通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證各種工藝參數(shù)對(duì)泡沫陶瓷過(guò)濾器性能的影響,找出更加合理的、完善的工藝參數(shù),以提高過(guò)濾器性能和生產(chǎn)出過(guò)濾溫度更高的、過(guò)濾鋼液及高溫合金的氧化鋯基泡沫陶瓷過(guò)濾器。試驗(yàn)結(jié)果表明:
    
　　1)ＺｒＯ2基泡沫陶瓷過(guò)濾器的制備應(yīng)選用80%的磷酸二氫鋁水溶液作黏結(jié)劑;
    
　　2)ＺｒＯ2基泡沫陶瓷過(guò)濾器(燒結(jié)助劑為Ａｌ2Ｏ3)的陶瓷粉料最佳比例為:ｗ(ＺｒＯ2)=80%,ｗ(Ａｌ2Ｏ
    
　　3)=20%;3)泡沫陶瓷的抗壓強(qiáng)度隨Ａｌ2Ｏ3含量的增加而增大,但當(dāng)Ａｌ2Ｏ3含量達(dá)到10%時(shí)抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)緩慢;
    
　　4)泡沫陶瓷的抗彎強(qiáng)度隨Ａｌ2Ｏ3含量的增加而增大,但當(dāng)Ａｌ2Ｏ3含量達(dá)到20%時(shí)抗彎強(qiáng)度出現(xiàn)峰值,之后隨Ａｌ2Ｏ3含量的增加而減小;
    
　　5)燒結(jié)過(guò)程中的升溫制度是關(guān)鍵,應(yīng)采用慢速升溫制度。燒結(jié)速率如下:500℃以下1～2℃/ｍｉｎ;500℃以上為3℃/ｍｉｎ。
    
　　4　泡沫陶瓷過(guò)濾器的發(fā)展趨勢(shì)
    
　　如前所述,近20年來(lái),經(jīng)過(guò)鑄造工作者的努力,泡沫陶瓷過(guò)濾器及其在液態(tài)鑄造合金過(guò)濾領(lǐng)域的應(yīng)用已得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),國(guó)內(nèi)迄今已有近10條泡沫陶瓷過(guò)濾器生產(chǎn)線投入生產(chǎn),年生產(chǎn)總量已達(dá)數(shù)百萬(wàn)片。但據(jù)測(cè)算,我國(guó)鑄造行業(yè)的潛在年需求量約1億片左右。因此,在新的世紀(jì),泡沫陶瓷過(guò)濾器的研究、生產(chǎn)和應(yīng)用推廣工作尚需繼續(xù)加強(qiáng),而且工作重點(diǎn)應(yīng)放在以下幾個(gè)方面:
    
　　1)開(kāi)發(fā)生產(chǎn)燒結(jié)溫度低、燒結(jié)時(shí)間短的新型低成本泡沫陶瓷過(guò)濾器;
    
　　2)開(kāi)發(fā)生產(chǎn)適用于各種活性合金、高溫物理化學(xué)性能穩(wěn)定的新型泡沫陶瓷過(guò)濾器;
    
　　3)開(kāi)發(fā)生產(chǎn)適用于熔模鑄造、金屬型鑄造等特種鑄造工藝的異形泡沫陶瓷過(guò)濾器;
    
　　4)深入研究泡沫陶瓷過(guò)濾器的過(guò)濾凈化機(jī)制和對(duì)金屬凝固過(guò)程的影響機(jī)制;
    
　　5)系統(tǒng)研究泡沫陶瓷過(guò)濾器的應(yīng)用技術(shù),包括孔徑和厚度的選擇、安放方式和澆鑄系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、澆鑄溫度和速度及金屬液壓頭的控制等;
    
　　6)開(kāi)展泡沫陶瓷過(guò)濾器的系列化和標(biāo)準(zhǔn)化工作。