泡沫陶瓷過濾器在風(fēng)電鑄件上的應(yīng)用

何忠偉

摘 要：闡述泡沫陶瓷過濾器的應(yīng)用現(xiàn)狀及存在問題，分析泡沫陶瓷過濾器凈化金屬液原理，避免應(yīng)用不合理導(dǎo)致過濾器損壞、影響到鑄件缺陷的增加;解決大鑄件夾渣，降低鑄件廢品率，滿足客戶要求。

關(guān)鍵詞：泡沫陶瓷過濾器;澆注系統(tǒng)過濾器應(yīng)用;鑄件夾渣缺陷

1 概 述

隨著環(huán)境污染加劇，傳統(tǒng)能源和資源日益短缺，人類對(duì)清潔、可再生能源的強(qiáng)烈要求促使可再生能源產(chǎn)業(yè)得到了前所未有的發(fā)展挑戰(zhàn)。風(fēng)電是我國(guó)的重要能源資源。當(dāng)前已建成并網(wǎng)的海洋風(fēng)電項(xiàng)目主要分布于江蘇、上海，最近幾年廣東、福建、浙江等地，海洋風(fēng)電開發(fā)建設(shè)進(jìn)度加快顯著。但目前我國(guó)各大風(fēng)電場(chǎng)所使用的風(fēng)電機(jī)組絕大部分依賴進(jìn)口，成本居高不下，制約了我國(guó)風(fēng)電行業(yè)的迅速發(fā)展;這幾年為了滿足我國(guó)風(fēng)電行業(yè)的需求，自主生產(chǎn)及加工日益增多。

我國(guó)自上世紀(jì)80年代末對(duì)金屬液的過濾技術(shù)展開研究，泡沫陶瓷過濾器對(duì)灰鐵、球墨鑄鐵、鑄鋼件化學(xué)成分和性能影響。通過過濾作用，能夠獲得純凈鐵水，鑄件性能得到明顯提升，夾雜物明顯減少。近些年隨著鑄造技術(shù)的發(fā)展，很多鑄造廠廣泛采用泡沫陶瓷過濾器，消除夾渣效果明顯，降低廢品率5%左右。

風(fēng)電大型鑄件，客戶明確要求夾渣級(jí)別為B1（執(zhí)行ASTMA802），對(duì)于不符合要求的鑄件需要進(jìn)行打磨或者報(bào)廢。根據(jù)廢品統(tǒng)計(jì)，由于夾渣缺陷造成的鑄件廢品約占總廢品量的30%～40%，采用泡沫陶瓷過濾技術(shù)工藝可以凈化鐵水，從而有效減少夾渣的產(chǎn)生。在應(yīng)用泡沫陶瓷過濾器的過程中，應(yīng)根據(jù)鑄件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選擇其在澆注系統(tǒng)中合適的位置，并配置相應(yīng)的數(shù)量，才能使過濾器更好地發(fā)揮作用。

2 泡沫陶瓷過濾器原理

它具有獨(dú)特的三維連通曲孔網(wǎng)狀骨架結(jié)構(gòu)以及80%～90%開口氣孔率。具有四種過濾凈化機(jī)制，即：篩分-濾餅-深床過濾機(jī)制、飄浮分離機(jī)制、深層過濾（物理吸附）和整流機(jī)制。泡沫陶瓷過濾器通過篩分、濾餅、深床過濾的機(jī)制如圖1所示。

篩分：把夾雜物從熔體中分離出來，對(duì)于直徑大于過濾器孔徑的夾雜物進(jìn)行篩分，夾雜物留在過濾器表面，形成濾餅;

濾餅：使得通過的液體變細(xì)，更小的夾渣物會(huì)被捕獲在濾餅上;

深床：經(jīng)過篩分-濾餅后，鐵水在流經(jīng)過濾器過程中會(huì)出現(xiàn)折返現(xiàn)象：增加捕獲夾渣機(jī)會(huì)，鐵水的流速和方向變換頻繁，更加細(xì)小的夾渣物更容易在其碰撞過濾器后殘留于某個(gè)位置。

3 泡沫陶瓷過濾器應(yīng)用過程異常解析

泡沫陶瓷過濾器的使用目的，是提升鑄件品質(zhì)，改善鑄件表面缺陷;但是，使用不合理或過濾器質(zhì)量有異常，會(huì)導(dǎo)致鑄件缺陷更加惡化。

●過濾器的損壞原因有：①在澆注過程中受強(qiáng)力熱沖擊;②澆注溫度超出過濾器極限范圍; ③澆注重量過載;④澆注時(shí)間過長(zhǎng)而導(dǎo)致過載;⑤網(wǎng)孔被堵。

●過濾器損壞表現(xiàn)：整片破碎，破碎有裂紋;發(fā)生軟化變形或出現(xiàn)熔洞，如圖2。

●過濾器損壞隨著金屬液流到型腔內(nèi)，就會(huì)影響到鑄件報(bào)廢，通常會(huì)看到鑄件表面經(jīng)打磨處理后，明顯發(fā)現(xiàn)有過濾器形狀的無機(jī)氧化物灰白色碎片。

4 泡沫陶瓷過濾器選型

（1） 泡沫陶瓷過濾器采用聚氨酯泡沫塑料為前驅(qū)體，浸掛耐火漿料成型工藝，經(jīng)高溫?zé)Y(jié)的具有三維立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的特種陶瓷制品，過濾效果好，過濾能力強(qiáng)。

鑄造用泡沫陶瓷按材質(zhì)分類：氧化鋁質(zhì)、氧化鎂質(zhì)、碳化硅質(zhì)、氧化鋯質(zhì)、碳復(fù)合材料質(zhì)等。

（2） 碳化硅質(zhì)和氧化鋯質(zhì)泡沫陶瓷過濾器物理性能參數(shù)如表1所示。

（3） 按ppi分類：網(wǎng)孔密度10ppi、15ppi、20ppi、25ppi、30ppi、40ppi、50ppi。風(fēng)電鑄件澆注重量較重，澆注溫度低，金屬液流動(dòng)性較差，需要滿足過濾能力，通常選用泡沫陶瓷過濾器的網(wǎng)孔為10ppi。

（4） 泡沫陶瓷過濾器過濾量，只要計(jì)算出過濾器的有效使用面積，再乘以單位面積過濾能力，即可得出每片過濾器過濾金屬液的總量范圍。碳化硅質(zhì)和氧化鋯質(zhì)泡沫陶瓷過濾器過濾量參數(shù)見表2。

風(fēng)電鑄件澆注重量較重，澆注時(shí)間長(zhǎng)，考慮到泡沫陶瓷過濾器安全系數(shù)，提升過濾器耐久性，通常過濾器厚度選用40mm，常用規(guī)格150mm×150mm×40mm-10ppi，同時(shí)過濾器厚度由25mm加至40mm，可提升耐久性及抗沖擊強(qiáng)度。如球鐵150mm×150mm×25mm-10ppi，單位面積過濾能力1.0～2.0kg/cm2，厚度變更后150mm×150mm×40mm-10ppi單位面積過濾能力為2.0～3.0kg/cm2;相同尺寸規(guī)格150mm×150mm，25mm厚的最大過濾量是450kg，40mm厚的最大過濾量是675kg。

5 泡沫陶瓷過濾器在風(fēng)電鑄件應(yīng)用案例介紹

通常一般有風(fēng)電過濾器安放方式常見有三種：①垂直安放方式，過濾器獨(dú)立單片安放;②水平并排安放過濾器;③水平獨(dú)立安放過濾器。

案例1：某客戶生產(chǎn)400kg的球鐵鑄件，澆注溫度1400℃，使用10ppi的泡沫陶瓷過濾器，單位過濾能力為1.0～2.0kg/cm2。由于400kg鑄件重量屬于小件，取限2.0 kg/cm2，選用150mm×150mm×25mm單片過濾器單片重量450kg?？紤]到過濾器的整體面積要比有效面積大，故選用150mm×150mm×25mm單片泡沫陶瓷過濾器。

案例2：某客戶生產(chǎn)10000kg的球鐵鑄件，澆注溫度1380℃，使用10ppi的泡沫陶瓷過濾器，單位過濾能力為1.0～2.0kg/cm2。由于10000kg風(fēng)電鑄件重量屬于大件，重量大，澆注時(shí)間長(zhǎng)，考慮到安全系數(shù)，過濾器選用厚度40mm，取限2.8kg/cm2，選用150mm×150mm×40mm單片過濾器單片重量630kg?？紤]到過濾器的整體面積要比有效面積大，故選用150mm×150mm×40mm規(guī)格16片泡沫陶瓷過濾器。

5.1 風(fēng)電鑄件澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用案例

（1）熱節(jié)點(diǎn)部位，受到金屬液熱沖擊最大，受高溫時(shí)間最長(zhǎng)，泡沫過濾器最容易產(chǎn)生損壞而破碎。 案例：某鑄造廠，采用以上第一種澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)，澆注重量為2T的球墨鑄鐵，放置4片150mm×150mm×25mm-10ppi的過濾片，每片過濾量為500kg，鑄件加工后出現(xiàn)30%澆注破碎。

（2）鑄件缺陷SEM EDS表面分析及鑄件打磨檢驗(yàn)

小結(jié)：①SEM EDS表面分析結(jié)果：Al成分較多，截面耐火度高，Si元素成分比例高 ;②鑄件表面打磨后發(fā)現(xiàn)有形狀灰白色碎片，明顯夾有過濾器碎渣，雙項(xiàng)檢驗(yàn)明顯屬于泡沫陶瓷濾器澆注破碎。

（3）解決方案：澆注系統(tǒng)不變化，陶瓷過濾器厚度從25mm增加至40mm，基本可以解決澆注破碎出現(xiàn)。

5.2 風(fēng)電鑄件過濾器應(yīng)用常見澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

5.3 風(fēng)電常見鑄件

6 總 結(jié)

（1）泡沫陶瓷過濾器具有較強(qiáng)的過濾雜質(zhì)的性能，能夠提高金屬液純凈度，還起到整流作用，提升鑄件成品率;

（2）泡沫陶瓷過濾器物理性能及過濾器材質(zhì)，要根據(jù)鑄件溫度合理選用;

（3）根據(jù)應(yīng)用條件，澆注溫度、重量、澆注時(shí)間選擇合理的過濾器尺寸規(guī)格、型號(hào)，才能確保過濾器產(chǎn)品應(yīng)用安全性，一般在澆注時(shí)間太長(zhǎng)、澆注重量過重時(shí)，要適當(dāng)加厚;

（4）過濾器座與澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理化，設(shè)計(jì)最佳澆注通道，才能發(fā)揮過濾器過濾效果及金屬液紊流，才能更好提升鑄件成品率。