DE8000587U1

DE8000587U1 - Keramischer Schaumfilter zum Filtrieren von Metallschmelzen

Info

Publication number: DE8000587U1
Application number: DE8000587U
Authority: DE
Original assignee: Schweizerische Aluminium AG
Current assignee: Rio Tinto Switzerland AG
Priority date: 1979-10-09
Publication date: 1982-04-01

Description

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Keramisches Schaumfilter zum Filtrieren von Metali schmelzen

Die Erfindung betrifft ein keramisches Schaumfilter zum Filtrieren von Metallschmelzen, insbesondere Aluminiumschmelzen, mit einer durch eine Vielzahl von mit einem Netzwerk aus keramischem Werkstoff umgebenen, miteinander verbundenen Hohlräumen gebildeten offenzelligen Struktur.

In der Praxis enthalten insbesondere Aluminiumschmelzen im allgemeinen mitgeschleppte Feststoffe, welche sich auf das Gußprodukt nachteilig auswirken und üblicherweise aus drei Quellen stammen; ein Teil dieser Feststoffe sind Partikel aus Aluminiumoxid, welche sich von der auf der Metallschmelze schwimmenden Oxidhaut ablösen und in das strömende Metall gelangen; andere mitgeschleppte Partikel sind Bruchstücke von Ofenauskleidungen, Überführungsbehältern und anderen schmelzeführenden Teilen von Einrichtungen,

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welche erodiert und in die fließende Aluminiumsehmeiae eingeschleppt werden« Wieder andere Partikel sind Ausscheidungen von unlöslichen Verunreinigungen - beispielsweise intermetallischen Phasen, Boride, Carbide und ande« re Ausfällungen von Aluminiumverbindungen, Wie Chloride, Wenn diese Partikel als Einschlüsse im Gußprodukt aus erstarrtem Aluminium auftreten, so haben diese eine geringere Duktilität oder schlechtete NaGhbearbeitungseigensGhaften dieses Gußproduktes zur Folge« Schon aus diesen Gründen müssen mitgeschleppte Feststoffe aus der fließenden Aluminiumschmelze entfernt werden, bevor die Metallschmelze zu Festkörpern vergossen wird.

Bei üblichen Filtrierverfahren erfolgt ein Durchlauf der mit Feststoffen beladenen Flüssigkeit durch ein poröses Filtermedium, welches die Feststoffe zurückhält« Das Filtrieren von Metallschmelzen im allgemeinen und von Aluminiumschmelzen im besonderern schafft aber Probleme, da die Flüssigkeit derart aggressiv ist, daß ein hiergegen beständiges Filtermedium nur schwer gefunden werden kann.

Im allgemeinen werden zum Herausfiltern mitgeschleppter Feststoffe aus geschmolzenen Aluminiumlegierungen vor deren Vergießen Filtriertücher aus Glasfasergewebe verwendet, da im Metallüberführungstrog, in der Gießrinne oder sogar in der Metallschmelze im oberen Teil des erstarrenden Barrens angeordnet sind, Diese Filtriertücher vermögen nur die größeren Einschlüsse aus der Metallschmelze zu entfernen und brechen zudem leicht während des Betriebes, da die Glasfasern bei der Temperatur der Aluminiumschmelze sehr schwach werden. Bei einem weiteren Verfahren nach dem Stand der Technik wird die Aluminiumschmelze durch ein Bett aus lockeren Aluminiumoxidpartikeln, beispielsweise in Plattenform, filtriert. Diesem Verfahren haften jedoch

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oft die normalerweise bei Filterbetten auftretenden Nachteile an, daß nämlich au viele Feststoffe durchdringen, Ebenso weist ein derartiges Filterbett eine stärke Tendenz zur Bildung von Kanälen auf, was dessen Filtrierwirkung herabsetzt. Die Porengröße des Filters kann nicht auf einfache Weise kontrolliert werden, sondern verändert eich unter Betriebsbedingungen leicht, so daß sie selbst bei ursprünglich richtiger Dimensionierung nicht wirksam aufrechterhalten werden kann, Ist das Filter außer Betrieb, muß zudem das Metall ständig in geschmolzenem Zustand gehalten werden.

Ein verbessertes Verfahren zum Entfernen von Feststoffen aus geschmolzenen Aluminiumlegierungen ist aus der US-PS 3 893 917 bekannt, bei dem ein keramisches Schaumfilter verwendet wird, wie es auch in der US-PS A 052 198 in der eingangs beschriebenen Ausgestaltung offenbart ist. Durch die Verwendung dieses keramischen Schaumfilters wird der Wirkungsgrad der Filtration stark erhöht. Nachteilig wirkt sich bei diesem keramischen Schaumfilter jedoch dessen nicht sehr hohe mechanische Festigkeit aus.

Angesichts dieser Gegebenheiten hat sich der Erfinder das Ziel gesetzt, ein keramisches Schaumfilter der eingangs erwähnten Art zu schaffen, mit hohem Wirkungsgrad bei der Filtration von Metallschmelzen.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das Netzwerk aus keramischem Werkstoff eine Vielzahl von Fasern aus keramischem Material enthält, welche aus dem Netzwerk unter Bildung einer faserigen Porenoberfläche hervorstehen. Zudem sollen die Fasern aus Aluminiumsilikat bestehen.

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Durch diese Maßgabe ergibt sieh ein hoch wirksames, keramisches Schaummäterial auf Filtration Von Metalischmel- *en mit guten mechanischen Festigkeitseigenschaften. Das erfindungsgemäfte Schaumfilter wird durch Imprägnierung «ines organischen Schäummate.'ials mit einer wässrigen Aufschlämmung keramischer Werkstoffe,mit Fasern aus keramischem Material, anschließendes Trocknen und Brennen hergestellt.

Nach weiteren Merkmalen des erfindungsgemäßen Schaumfilters, das aus Schaumstoff und einer wässrigen Aufschlämmung mit 40 bis 95 % Al₃O₃, 1 bis 25 % Cr₃O₃, 0,1 bis 12 % Bentonit,2,5 bis 25 % eines in Luft abbindenden Mittels, welches sich im wesentlichen inert gegenüber der Metallschmelze verhält, hergestellt wird, weist dieses einen Gehalt an Fasern aus keramischem Material von 1,0 bis 5,0 Gew.-% und von Kaolin von 0,1 bis 12 % auf, bevorzugt einen Anteil von 1,5 bis 5 Gew.-% Fasern aus keramischem Material.

Eine besondere Ausführungsform des Schaumfil^rs besitzt über dessen ganzem Querschnitt die folgenden Eigenschaften:

a) eine Luftdurchlässigkeit von 400 bis 8000 χ 10""^cm²,

b) eine Porosität von 0,80 bis 0,95,

c) eine Porenzahl von 2 bis 18 Poren je 1 cm Länge und

d) eine Dicke von 0,6 bis 10 cm.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, den Beispielen und den Abbildungen. Es zeigen:

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Fig. 1 eine mikroskopische Aufnahme von Fasern aus keramischem Material in einem keramischen Schaumfilter;

Fig. 2 und 3 Diagramme zum Einfluß von Zusätzen an Fasern aus keramischem Material auf die mechanischen Festigkeitseigenschaften keramischer Schaumfilter.

In Uebereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wird der keramische Schaum aus einem offenzelligen, hydrophilen und flexiblen Schaummaterial, welches eine Vielzahl von mit einem Netzwerk aus diesem flexiblen Schaummaterial umgebenen, miteinander verbundenen Hohlräumen aufweist, hergestellt. Typische Materialien, die hierzu verwendet werden können, sind Polymerschäume wie etwa Polyurethanschäume und Zelluloseschäume. Allgemein kann jeder brennbare organische Plastikschaum verwendet werden, welcher genügend Elastizität aufweist und die Fähigkeit besitzt, nach einer Verformung wieder seine ursprüngliche Gestalt anzunehmen. Der Schaum muss unterhalb der Brenntemperatur des verwendeten keramischen Werkstoffes verbrennen oder sich verflüchtigen. Das verwendete Schaummaterial sollte eine Porenzahl von 2 bis 40 Poren je 1 cm Länge auf v/ei sen, damit die zur Filtration benötigte Oberfläche erzeugt werden kann. Die Abmessungen des Schaummaterials können natürlich je nach den gewünschten Abmessungen des endgültigen Filtermediums verändert werden. Allgemein wird ein Schaummaterial mit einer Dicke von 0,6 bis 10 cm, vorzugsweise 2,5 bis 7,5 cm, verwendet.

Die zur Anwendung gelangende wässrige Aufschlämmung keramischer Werkstoffe ist natürlich abhängig vom keramischen Material, welches für das zu filtrierende Metall gewünscht wird. Da· Endprodukt muss dem chemischen Angriff dor Metallschmelze standhalten können und auch genügende Stabilität und mechanische Festigkeit bei erhöhter Temperatur aufweisen. Ueberdles sollte die keramische Aufschlämmung gute FUfiss-

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eigenschaften zeigen und aus einer wässrigen Suspension des zur Anwendung im Filter vorgesehenen keramischen Werkstoffes bestehen. Typische keramische Werkstoffe, welche verwendet werden können, sind Aluminiumoxid, Chromoxid, Zirkonoxid, Magnesiumoxid, Titandioxid, Siliziumdioxid sowie Mischungen davon. Ein bevorzugter keramischer Werkstoff enthält 40 bis 95% Al-O-, 1 bis 25% CrO,, 0,1 bis 12% Bentonit, 0,1 bis 12% Kaolin und 2,5 bis 25% eines in Luft abbindenden liittels, welches sich im wesentlichen inert gegenüber der Metallschmelze verhält. In Übereinstimmung mit der vorliegenden ζ Erfindung werden der keramischen Aufschlämmung Fasern aus keramischem Material zugesetzt und mittels eines Intensivmischers fein verteilt. Es hat sich gezeigt, dass ein Zusatz von mehr als 5 Gew.-% keramischen Fasermaterials zur Aufschlämmung eine Klumpenbildung der Fasern zur Folge hat und demzufolge keine gute Dispersion erreicht werden kann. Des weiteren wurde gefunden, dass ein Zusatz von mindestens 1 Gew.-% notwendig ist, um eine merkliche*Festigkeitssteigerung zu erzielen. Der bevorzugte Zusatz liegt zwischen 1,5 und 5 Gew.-%.

Das Filtermaterial der vorliegenden Erfindung kann in Ueber- : einstimmung mit dem in der US-PS 3 893 917 beschriebenen, allgemeinen Verfahren hergestellt werden. Es wird eine wässrige Aufschlämmung keramischer Werkstoffe mit einem Zusatz an Fasern eines keramischen Materials hergestellt und damit das Schaummaterial imprägniert, so dass das Netzwerk Oberzogen und die Hohlräume im wesentlichen mit der Aufschlämmung gefüllt werden. Das imprägnierte Schaummaterial wird sodann zwischen zwei fest eingestellten Walzen derart zusammengepresst, dass etwa 80% der Aufschlämmung wieder herausgequetscht und der verbleibende Rest gleichmässig über das Schaummaterial verteilt wird. Das mit der Aufschlämmung überzogene Schaummaterial wird sodann getrocknet und erhitzt, um zuerst den flexiblen organischen Schaum zu

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verbrennen und anschließend den keramischen Ueberzug zu sintern, wobei der keramische Schaum erzeugt wird. Dieser keramische Schaum weist eine Vielzahl von Hohlräumen auf, welche durch ein Netzwerk von gesintertem keramischem Werkstoff in der Konfiguration des flexiblen Schaums umgeben sind. Wie aus Figur 1 hervorgeht, heben sich die Fasern aus keramischem Material von den Wänden des gesinterten keramischen Werkstoffes ab und bilden eine faserige Porenoberflächs, durch welche der Wirkungsgrad der Filtration erhöht wird.

Zur vorliegenden Erfindung gehört auch ein Verfahren zum Filtrieren einer Metallschmelze durch e.?.nen vorgängig beschriebenen Keramikfilter, das dadurch gekennzeichnet ist, dass man die Metallschmelze mit einer Geschwindigkeit von

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1,25 bis 12,5 dm pro dm Filterfläche und Minute durch den keramischen Filter giesst. Die bevorzugte Durchflussgeschwindigkeit für Aluminium liegt zwischen 2,5 und 7,5 dm

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pro dm Filterfläche und Minute. Die Metallfliessgeschwindigkeiten bei normalen Aluminiumgiessverfahren variieren von einem Minimum von etwa 90 kg pro Minute bis zu einem Maximum von über 900 kg Metall pro Minute, mit einer typischen mittleren Fliessgeschwindigkeit des Metalls von etwa 225 kg pro Minute. In Uebereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung sind die keramischen Filter vorliegender Erfindung sehr gut geeignet, unter Einhaltung der vorstehend beschriebenen Fliessgeschwindigkeiten des Metalls erfolgreich zu arbeiten. Gewöhnlich sollte die besonder» spezifische Fliessgeschwindigkeit für Aluminium durch den Filter 35 kg Metall pro dm Filterfläche und Minute nicht übersteigen, und vorzugsweise

sollte sie unter 21 kg pro dm Filterfläche und Minute liegen. Höhere Fliesegeschwindigkeiten durch den Filter als vorstehend angegeben, ergeben zuviele unerwünschte intermetallische Anteile im Metall nach dem Filterdurchlauf, was für die Erzeugung von hochreinen Blechprodukten ungünstig

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ist. Die untere Grenze wird durch praktische Grössenerwägungen bestimmt. Es würde einen unpraktisch grossen Filter erfordern-, um Fliessgeschwindigkeiten von über 450 kg Metall pro Minute zu handhaben, d.h. es wäre ein keramischer Filter von über 114 cm im Quadrat oder von mehr als 130 dm Filterfläche erforderlich. Ein typischer Filter der vorliegenden Erfindung kann deshalb derart definiert werden, dass er 40

2 cm im Quadrat misst oder etwa 16 dm Filterfläche aufweist, und für einen Durchsatz von 225 kg Metall pro Minute bei einer spezifischen Fliessgeschwindigkeit von 14 kg pro dm und Minute ausgelegt ist.

Mit der vorliegenden Erfindung wird ein hochwirksames, keramisches Material mit Schaumstruktur zum Gebrauch beim Filtrieren von Metallschmelzen, insbesondere Aluminiumschmelzen, geschaffen. Das keramische Schaummaterial der vorliegenden Erfindung ist gekennzeichnet durch eine offenzellige, durch eine Vielzahl von mit einem Netzwerk aus keramischem Werkstoff umgebenen, miteinander verbundenen Hohlräumen gebildete Struktur und enthält einen Anteil an Fasern aus einem keramischen Material. Bevorzugt liegt die Luftdurchlässig-

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keit des Filters im Bereich von 400 bis 8000 χ 10 cm , die Porosität oder der Hohlraumanteil zwischen 0,80 und 0,95, die Forenzahl zwischen 2 und 18 Poren je cm Länge und die Dicke des Filters zwischen 0,6 und 10 cm. In Uebereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wurde gefunden, dass der vorstehend gekennzeichnete Filter besonders wertvoll zum Filtrieren von geschmolzenem Metall, insbesondere geschmolzenem Aluminium ist. Zahlreiche Vorteile werden bei Verwendung des Filters der vorliegenden Erfindung erreicht, von denen einige vorstehend genannt lind jund nachstehend ausführlicher beschrieben werden.

Im Normalfall verwendet man einen relativ feinporigen Filter nach vorliegender Erfindung mit einer Luftdurohläislgkeit

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von 400 bis 2S00 χ 10 em , einer Porosität oder einem Hohlraumanteil von 0,80 bis 0,SS und einer Porenaahl von 8 bis 18 Poren je 1 em Länge, und awar insbesondere, wenn man Aluminiumlegierungen der Reihe SOOO filtriert« Wenn jedoeh das au filtrierende Metall besonders stark verunreinigt ist, sollte man das Metall vorgängig dureh einen verhältnismassig grobporigen keramischen Filter mit einer Porensahl von 2 bis 18 Poren je 1 em Länge, einer Luftdurehlässlgkeit von 2S00 bis 8000 χ 10 em und einer Porosität oder einem Hohlraumanteil von 0,90 bis 0,95 filtrieren. Hierfür kann man ein einziges keramisches Filter mit abgestuften Eigen« schäften vorsehen, oder man verwendet eine Reihe von Filtern mit unterschiedlicher Porosität.

Beispiel 1

Es wurden drei Ansätze zu je 100 g einer wässrigen Auf» schlämmung von keramischen Materialien bestehend aus 47% Al₂O₃, 13« Cr₂O₃, 3,5% Kaolin, 1,0% Bentonit und 14,5% eines in Luft abbindenden Mittels vorbereitet. Zum ersten Ansatz wurden keine Fasern aus keramischem Material zugesetzt. Zum zweiten und dritten Ansatz wurden 2,5 bzw. 5,0 Gew.-% Fasern aus keramischem Material in der Form von Aluminiumsilikat zugegeben. Der zweite und dritte Ansatz wurde mittels eines Intensivmischers gerührt, um die Fasern in der Aufschlämmung fein zu verteilen und allfällig vorhandene Klumpen aufzubrechen. In jeden der drei Ansätze mit den Aufschlämmungen wurde ein Stück Schaummaterial aus Polyurethan mit einer Dicke von 5 cm und 12 Poren je 1 cm Länge eingetaucht. Anschliessend wurden gemäss der in der US-PS 3 893 917 offenbarten Lehre keramische Schaumfilter hergestellt.

Jeder der nach dem oben erwähnten Verfahren hergestellte Keramikfilter wurde Kompressionstests unterworfen. Die

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Ergebnisse sind in Figur 2 dargestellt, wie aus Figur 2 hervorgeht, wird der Kempressionsdruek, bei dem der Filter zusammenbricht, mit zunehmender Konzentration an Fasern aus keramischem Material nach höheren Werten hin verschoben, was die Verbesserung der mechanischen Festigkeit der Filterelemente anzeigt.

Beispiel.^

eine zweite Aufschlämmung van keramischem Material bestehend aus 100»0C-Al₂O₃ wurde vorbereitet und in drei Ansätze aufgeteilt, wobei der zweite und dritte Ansatz mit einem Zusatz von 1,5 bzw. 2,5 Gew.-% Fasern aus keramischem Material in der Form von Aluminiumsilikat versehen wurde. Die keramischen AufschlMamungen wurden sodann verwendet, um ein Schaummaterial aus Polyurethan zu imprägnieren und gemäss der Lehre der US-PS 3 893 917 Filterelemente herzustellen.

Figur 3 zeigt die Ergebnisse der Kompressionstests, die an den keramischen Schaumfiltern durchgeführt wurden, welche aus den drei keramischen Aufschlämmungen hergestellt wurden. Auch hier zeigt sich wie im Beispiel 1, dass ein Zusatz von Fasern aus einem keramischen Material eine Steigerung des Kompressionsdruckes zur Folge hat, was die Verbesserung der mechanischen Festigkeit der Filterelemente anzeigt.

Claims

PATENTANWALT DIM.. -ING. KIEiSCH · D - 77 SINGENA.Z. AL-1377.02 S C HUTZ ANSPRÜCHE

1. Keramisches Schaumfilter zum Filtrieren von Metallschmelzen, insbesondere Aluminiumschmelzen, mit einer durch eine Vielzahl von mit einem Netzwerk aus keramischem Werkstoff umgebenen miteinander verbundenen Hohlräumen gebildeten offenzelligen Struktur,

dadurch gekennzeichnet,

daß das Netzwerk aus keramischem Werkstoff eine Vielzahl von Fasern aus keramischem Material enthält, welche aus dem Netzwerk unter Bildung einer faserigen Porenoberfläche hervorstehen.

2. Schaumfilter nach Anspruch 1, hergestellt aus Schaumstoff und einer wässrigen Aufschlämmung mit 40 bis 95 % Al₀O-, 1 bis 25 % Cr₀O-, 0,1 bis 12 % Bentonit, 2,5 bis 25 % eines in Luft abbindenden Mittels, welches sich im wesentlichen inert gegenüber der Metallschmelze verhält, gekennzeichnet durch einen Gehalt an Fasern aus keramischem Material von 1,0 bis 5,0 Gew.-% und von Kao-

lin von 0,1 bis 12 %.

3. Schaumfilter nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen Anteil von 1,5 bis 5 Gew.-% Fasern aus einem keramischen Material.

4_t Schaumfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern aus Aluminiumsilikat bestehen.

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5. Schaumfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine Luftdurchlässigkext von bis 8000 χ 10~⁷ era², eine Porosität von 0,80 bis 0,95, eine Porzenzahl von 2 bis 18 Poren je 1 cm Länge und eine Dicke von 0,6 bis 10 cm.

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