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铝熔体净化用的新型泡沫陶瓷过滤板
New Type CFF for Cleaning Molten Aluminum
刊登《轻合金加工技术》 2005，Vol，33，No6
柯东杰1.2    黄双溪1    陈群2    柯艺勤2
(1、福州大学有色金属熔炼新材料装备研究所；2、福州麦特新高温材料有限公司)

摘要：本文简要介绍了泡沫陶瓷的特性及其在铝业中应用状况，着重介绍一种新型活性
泡沫陶质过滤材料特性，过滤净化机制，针对铝熔体结构，杂相集合，吸附净化
的新理念，探讨新一代泡沫陶质过滤材料，选择、分析、及应用，提高铝液洁净度的评价。
关键词：铝熔体；净化；泡沫陶瓷过滤板
中国分类号：TC292     文献标识码：B   文章编号：1007-7235（2005）06-0008-03

 前  言

铝合金的熔炼是铝合金加工过程的首道工序，也是至关重要的环节。体现在熔炼过程的合金化、净化、细化处理技术。去除铝合金熔体中非金属夹杂，采取炉内熔剂处理，炉外泡沫陶瓷过滤的技术早已成为铝液净化的重要手段。
泡沫陶瓷是一种开口气孔率高达80-90%，体积密度只有0.3-0.6g/cm3,具有独特的三维立体网络骨架和相互贯通气孔结构的多孔陶瓷制品。最早的泡沫陶瓷过滤器是1978年美国Consolidated Alnminum公司的F.R.Mollard和N.Davison研制成功并用于铝合
金浇注系统，并于1980年4月美国铸造年会上发表了他们的研究成果：金属熔体
* 福建省科技中小企业创新基金项目(2003CO12W)      -1-
经泡沫陶瓷过滤除杂，可显著提高铸锭质量，降低废品率。从那时起在世界各地相应研制、开发泡沫陶瓷过滤材料，促进了在冶金行业普遍应用。
泡沫陶瓷过滤器（CFF即Ceramic Foam Filter）的生产普遍采用一种三维网状结构和连通气孔的有机泡沫塑料作为载体，将其浸入具有触变性的特种陶瓷浆料中，并采取特殊的辊挤工艺，使陶瓷浆料均匀敷于载体的骨架上，然而经烘干固化再高温焙烧而成。
表1：国内外典型泡沫陶瓷（仅指已在铝业采用的过滤板）
国别及公司
型号
主要
组成
孔径
ppi
体积密度
g/m3
开  口
气孔率
%
常温耐压
MPa
常温抗折
MPa
热震性
(750℃)
美  国
某 公 司
Selee/A1
刚玉
10.20.30.
40.50
0.35-0.45
85-90
0.85

英  国
某 公 司
Sivex
刚玉
10.20.30.
40.50
0.35-0.45
81-87
1.5

目前国内市场

刚玉
10.20.30.
40.50
0.35-0.45
≥80
1.5
0.9

福州麦特新
新型过滤板
MTX
刚玉
10.20.30.
40.50.60
0.36-0.43
≥85
≥4.5
1.5
5
众所周知,泡沫陶瓷过滤板在中国铝加工业上的应用已经普及,在变形铝合金熔体净化技术应用上主要有两种模式：一种是炉内熔剂喷粉精炼，炉外泡沫陶瓷板过滤的半连续铸造，陶瓷过滤板更换是每铸次换一片，当今也有的铝加工厂在过滤前增设流槽式在线除气机,提高净化效果；第二种是连续铸轧线上采用，其更换是依据过滤板前后压力差大小来确定更换周期。至于选用多大规格是根据单位时间铝液单位时间流量和总量而定的；而该选用多大目数孔径的泡沫陶瓷过滤板，则为最终铝液的洁净度要求而定，对铝液的洁净度要求越高，选择的孔径就越小，由此对泡沫陶瓷过滤的结构和材质提出新的要求。随着铝各种净化技术的发展和应用效果，泡沫陶瓷过滤净化均为铝液净化的最后一道工序，在此工序之前均已采用熔剂喷粉精炼或在线式旋转除气技术，铝液中尚未去除的杂相一氢的质点是更加细微和弥散，如何促使杂相集聚长大吸附分离就显得特别重要，单凭机械拦截的“滤饼”效应对此显得很不突出，因此能促进杂相集聚长大和氢分压吸咐的新一代泡沫陶质过滤材料，已成为本课题研究的目的和方向。

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新一代泡沫陶瓷材料的特性

    为了实现以上分析的目标，我们从选材、制浆混练、载体的预处理到红外烘干和溅射涂覆到微波干燥，再到焙烧的温度场效应控制，研究一整套严格的工艺技术，来完成适应铝熔体净化的高温冶金物理化学过程，有效地提高铝熔体的洁净度,表现出如下特性。

第二代泡沫陶瓷过滤板（三维立体网骼）
第一代泡沫陶瓷过滤板
材质方面
X’Pert Pro MPD 衍射仪分析
主晶相α-Al2O3,多形态莫来石，无石英玻璃相。
X’Pert Pro MPD 衍射仪分析
主晶相α-Al2O3,堇青石或莫来石或有尖晶石相，还有石英玻璃相。
网孔构造
三维立体网络均匀骨骼结构，骨架支体有微观龟裂和微观针孔，抗热震性强，不掉陶粒，微观缺陷有利于二次沉积氟化物，增加对铝液中杂相的吸附能力。
三维立体网络不均骨骼结构，特别体现纵断面的横向上,盲孔，呈蜂窝形。骨架支体光滑或存有许多断支裂纹，振动易掉陶粒渣，全靠机械碰撞拦裁。
现    象
耐压强度＞4.5MPa，抗弯1.5MPa，抗热震性(750℃室温)＞5不掉陶粒，对铝中杂相亲和力强，除杂效率高，表现为静压差变化大。
耐压强度＜4MPa，一般在1.0-1.5MPa抗热震性＜5，易掉陶粒粉除杂效率相对低，表现为静压差变化甚微。
外    观
粉红色或洁白色
拍打，不掉陶粒渣。
白色或灰白色
拍打，掉陶粒渣，甚至越振越多。
误    区
吸附过滤除杂率高，有时因滤杂太多，引起静压差激增，造成供流不足，“堵塞”。
因本身中部横断面盲孔多，有效过滤体积下降，引起供流不足，甚至堵塞。

泡沫陶质材料过滤净化机理

泡沫陶瓷过滤机制，一般描述为扩散拦截和惯性碰撞拦截或经筛分，沉积层和深床过滤，清华大学有一国家重点实验室对泡沫陶瓷过滤机理建立了三维物理模型和两相流模型，并进行了模拟计算，这对我们研究铝液过滤净化很有帮助。然而泡沫陶瓷对铝液的过滤净化过程十分复杂，也是高温物理化学和冶金动力学的复杂过程。至于筛分碰撞、沉降、拦截过滤都比较好理解，我们对泡沫陶瓷过滤研究过程中所获得的诸多参数，综
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合分析后，提出以下见解：
1、通过筛分惯撞拦截和扩散拦截，摩擦、沉降等机械过滤，其过滤效率同泡沫陶瓷的网眼孔径成正比，网眼越小，对小颗粒拦截能力越强。
2、沉积层或滤饼层效应，随着熔体中的粒子沉积和弯弯曲曲的相互连通又凸凹不平的网架支壁，对杂相粒子的捕获能力提高了。
3、由于网骼支架体表面缺隙而形成的粗糙面，增大了铝液流同陶瓷固体面的界面能促使铝液流中的粒子流向更加无序化，有利于固态粒子被捕获沉积下来。
4、由于网骼支架体表面微观裂纹和针孔，预先沉积了对Al2O3等粒子亲和力强的氟化物熔剂，促使完整的滤饼层效应和强的化学吸附力，捕获留滞的杂相粒子能力更加强了。
5、再者，从金属熔体结构熔炼过程和传输过程温度场效应，必然形成合金溶质的浓底差，金属熔体是重新分配---整合---再分配---又整合，这也是一个很好的合金化处理过程，有些高熔点金属相和化合物重新聚集长大，细小杂相聚集长大后有利于过滤捕获。这也可从过滤前后H、Al2O3、Fe相、Ti相浓度的变化来说明。尤其双级过滤或孔梯度厚板过滤更加明显。因此，在同等的前提条件下，新型泡沫陶瓷过滤板，对铝熔体杂相去除率高，过滤前后静压差变化随时间的变化更大，过滤前后铝熔体中H含量变化也明显。当然，选择泡沫陶质孔眼越小，越能提高铝熔体的洁净度。

正确选择过滤板，提高铝熔体的洁净度

    1、选择泡沫陶瓷过滤板首先根据铝熔体中的含杂量、熔体转注流量最终铸造制品的品质要求程度而定。
①含杂量多，铸造制品的品质一般，可选用孔网眼较大的泡沫陶瓷过滤板，在过滤板前增设一道玻璃丝布粗滤。这时半连续铸造先用玻璃丝布粗滤是重要的，它可以拦截开眼时的流渣和流槽冲刷下来的渣，以防过滤板的堵塞。
②铸造制品的品质要求高，选用孔网眼小，即目数大的新型泡沫陶瓷过滤，例如福
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建瑞闽铝业和南方铝业生产铝箔坯料，河南明泰铝业生产高品质热轧板坯，东北轻合金
加工厂生产高品质军品铝材，广东中山和胜铝业生产的高品质工业型材精品均采用福州麦特新高温材料有限公司生产的第二代泡沫陶质过滤板，最为突出的是选用30ppi和60ppi/规格为305×305×50、381×381×50、432×432×50、508×508×50的双级过滤技术，达到理想的洁净度，获得很好的效果。
③过滤板规格的选定，是按熔体通过的流量和总通过量而定。流量大，总通过量大，过滤板孔眼小，则选用较大的规格。
2、选择过滤板也应观其色，拍其体、烧其物。
①颜色纯、无杂，说明材质均一；扎手不粘手，说明表面没喷粘结剂，不会造成二次污染。
②单手托着过滤板，另一只手以鼓掌式，适力拍打过滤板，连续掉下陶粒渣，说明是劣质过滤板，会造成二次污染铝液。
③用明火或电热升温烧为红色立即室温冷却无崩裂掉渣，说明是好的过滤板。
3、选购过滤时应认真评估其泡沫体的有效的比表面积或孔隙率计算。可以观察过滤板表面层网眼均质状态，再剖开观察其断面网眼均质状态。有条件的话，可以排水法测量计算出其孔隙率。三维网眼均质，孔隙率相对较大是优秀的泡沫陶瓷过滤板。

结束语

总之,泡沫陶质过滤板是铝熔体净化处理的最后一道工艺技术，选择第二代泡沫陶质过滤板显得尤为重要。根据以上几点和各铸造厂的环境选择好最佳的过滤板过滤，获得了高洁净度的铝熔体，但需特别注意的事：防止铝熔体离开过滤箱后，到凝固成型这一过程可能的二次污染。在此段采用长寿命、高强度、不粘铝的、保温性良好的熔融石英陶瓷烧结制成的流槽、前箱、分配盘、热帽，并及时除湿、清扫来消除可能的污染源，确保铝熔体的洁净度不容忽视。

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参考文献：
1、路贵民、柯东杰    铝合金熔炼理论与工艺[M]    东北大学出版社  1999
2、杨长贺、高  钦    有色金属净化[M]    大连理工大学出版社  1989
3、王零森    特种陶瓷[M]    中南工业大学出版社  1994
4、郑水林    粉体表面改性[M]     中国建材出版社  2003
5、贺家其    冶金过程物理化学[M]    东北大学出版社  1983
6、柯东杰    综述国内铝熔体净化技术[J]   东北轻合金加工技术  1994（4）
7、王志面    深床过滤的微观理论模型[J]   清华大学学报  1988（6）
8、资新运    泡沫陶瓷过程过滤机理的研究[J]   内燃机学报  2000（2）
9、边透房、王伟民、李辉、马家骥   金属熔体结构[M]   上海交通大学出版社  2003
10、李天晓、孙宝德等    夹杂聚集 — 铝合金净化新思路[J]   材料科学与工艺
11、蔡应铎、柯东杰    试述Fe在6×××系铝合金中的行为[J]   铝加工  1996（3）
12、Eichenmiller Davrd J，Henderson Richard S，Neff David V，Rigid media
filtration-new.---
13、Lar Mare chal，Nagy Ei-kaddah，Pierre-yves Menet，Influence of convection
on agglomeration and removal of nonmetallir inclusions in molten aluminum[A]
Das Suboclh K，Light Metals 1993