PIANKOWE FILTRY CERAMICZNE-CEL ZASTOSOWANIA, PRAKTYCZNE DOŚWIADCZENIA FERRO-TERM

Transkrypt

1 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2001, Rocznik 1, Nr 1 (1/2) Archives of Foundry Year 2001, Volume 1, Book 1 (1/2) PAN - Katowice PL ISSN PIANKOWE FILTRY CERAMICZNE-CEL ZASTOSOWANIA, PRAKTYCZNE DOŚWIADCZENIA FERRO-TERM A. OŚCIŁOWSKI 1, W. PLIŚ 2 FERRO-TERM Sp. z o.o. ul Przybyszewskiego 176, Łódź STRESZCZENIE W pracy omówiono problematykę usuwania wewnętrznych wtrąceń niemetalicznych za pomocą piankowych filtrów ceramicznych przy produkcji odpowiedzialnych odlewów z żeliwa i stopów metali lekkich. Przedstawiono doświadczenia FERO-TERM jako producenta filtrów oraz odlewni będących odbiorcami piankowych filtrów ceramicznych. Key words: ceramic filters, alloy filtration 1.WSTĘP Jednym z poważniejszych problemów przy produkcji odlewów żeliwnych a szczególnie z żeliwa sferoidalnego są wtrącenia wewnętrzne. Starania dla redukcji tychże wtrąceń zajmowały odlewników od wielu lat. Ich wysiłki skierowane były na doskonalenie wszelkich procesów składających się na wytwarzanie odlewów. Szczególne znaczenie ma tu proces wytopu w tym stosowanie coraz bardziej odpowiedzialnych materiałów ogniotrwałych na wymurówki pieców topialnych oraz używanie odpowiednio czystych materiałów wsadowych (np. selekcjonowany, nieprzerdzewiały złom stalowy i obiegowy). Również stosowanie coraz to lepszych spoiw formierskich, nowocześniejszych, bardziej skutecznych metod zagęszczania oraz pokryć ochronnych ma niewątpliwy wpływ na ograniczenie występowania wtrąceń niemetalicznych. Stosowane są różne metody rafinacji ciekłego metalu oraz wychwytywania już powstałych wtrąceń w układzie wlewowym podczas samego procesu zalewania, celem niedopuszczenia ich przedostaniu się do odlewu. 1 mgr inż., właściciel 2 mgr inż., Pełnomocnik ds. Jakości i Technologii 183

2 Wszelkie te działania odnoszą tylko częściowy sukces - stąd zainteresowanie technologiami filtracji ciekłych stopów. Z doświadczeń zaś wynika, że piankowe filtry ceramiczne są najbardziej efektywną technologią obniżenia strat z tytułu wtrąceń niemetalicznych. 2. RYS HISTORYCZNY Historycznie, pierwsze zastosowanie piankowych filtrów ceramicznych w przemyśle odlewniczym miało miejsce w 1977 r. w Stanach Zjednoczonych przy produkcji najwyższej jakości odlewów aluminiowych dla zastosowań kosmicznych. Od tego momentu pokonano długą drogę dla rozszerzenia zastosowania piankowych filtrów ceramicznych do filtrowania stopów żelaza, co wymagało od sto - sowanych materiałów znacznie wyższej odporności na wysoką temperaturę metalu i penetrujące działanie filtrowanego ciekłego żeliwa a w dalszej kolejności staliwa. Obecnie piankowe filtry ceramiczne stosowane są szeroko zarówno w odlewniach z formowaniem ręcznym jak i zautomatyzowanym szczególnie odpowiedzialnych odlewów, takich jak: głowice i bloki cylindrowe silników, bębny i tarcze hamulcowe w tym wentylowane, kolektory wydechowe, obudowy łożysk, zwrotnice, elementy zawieszenia, wały korbowe i rozrządu oraz korbowody, armatura wysokociśnieniowa, elementy wiatrowni, łopatki turbin szybkoobrotowych i inne. W Polsce prekursorem zastosowania piankowych filtrów ceramicznych była niewątpliwie firma Foseco. Innym znaczącym dostawcą jest obecnie czeska firma Láník Techservis. W zakresie sitek zapotrzebowanie odlewni zaspakajają: KERAMTECH Žacléř oraz firma ALCOR. Inni znani producenci filtrów to: SELEE CORPORATION, DAUSSAN GROUP, HAMILTON PORCELAINS LIMITED, DRACHE Umwelttechnik GmbH, HOFMANN CERAMIC, Moravské Keramické Závody. Począwszy od 1996 roku FERRO-TERM we współpracy z Instytutem Odlewnictwa rozpoczął wdrażanie produkcji piankowych filtrów ceramicznych, na bazie SiC z przeznaczenie do filtrowania żeliwa i stopów metali nieżelaznych. Obecnie produkcja jest ustabilizowana a FERO-TERM jest stałym dostawcą piankowych filtrów ceramicznych dla wielu odlewni w kraju, a począwszy od bieżącego roku rozpoczął eksport swoich produktów. 3. FILTRACJA O CO CHODZI? Zajmijmy się teraz bardziej szczegółowo odpowiedzią na pytanie z jakimi obcymi wtrąceniami mamy do czynienia przy wytwarzaniu odlewów. Możemy wydzielić dwa podstawowe rodzaje wtrąceń: Po pierwsze mogą być to zanieczyszczenia makroskopowe pochodzące z erozji wyłożenia pieców, kadzi zalewowych oraz elementów formy porwanych z układu wlewowego przez strumień metalu- mogą mieć one wymiar od dziesiątych części mm nawet do kilkunastu milimetrów. 184

3 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Innego typu zanieczyszczeniami są mikrowtrącenia o wymiarach mierzonych w μm. Mają one charakter tlenkowy: SiO 2, FeO, MnO. Konkretny skład wtrącenia zależy od składu żeliwa, temperatury oraz typu, rodzajów i wielkości dodatku modyfikatora. W przypadku żeliwa sferoidalnego dochodzą zanieczyszczenia powstające z reakcji magnezu, stanowiącego dodatek sferoidyzujący, z tlenem i składnikami kąpieli: MgO, SiO 2, Mg 2 SiO 4, MgSiO 3, MgS i inne. Celem filtracji jest usunięcie powyższych szkodliwych wtrąceń ze strumienia metalu dla uzyskania czystej struktury odlewu. 4. TYPY FILTRÓW UŻYWANYCH W ODLEWNIACH. Poniżej wymienimy najczęściej spotykane typy filtrów wraz z ich przeznaczeniem: 1) Filtry tkaninowe - stopy Al; 2) Prasowane sitka ceramiczne żeliwo, staliwo; 3) Sitka wytłaczane (extrudowane) żeliwo, staliwo; 4) Sitka labiryntowe żeliwo; 5) Piankowe filtry ceramiczne zależnie od bazy ceramicznej stopy Al, żeliwo, stopy Cu i staliwo. 5.MECHANIZM FILTRACJI DLACZEGO WARTO STOSOWAĆ PIANKOWE FILTRY CERAMICZNE? Zasadę przechwytywania wtrąceń niemetaliczych obrazuje poniższy rysunek: I. Cząstka żużla Ścianka filtra II. Placek filtracyjny III. Kierunek przepływu metalu Drobne cząstki Rys. 1 Schemat zatrzymywania cząstek niemetalicznych przez filtr. Opis faz zatrzymywania cząstek niemetalicznych przez filtr. 185

4 I.- wtrącenia o średnicy większej niż średnica oczek sitka (porów piankowego filtra ceramicznego) wychwytywane są na powierzchni filtra tzw. filtracja sitowa; II.- w miarę przytykania się oczek (porów) i na zasadzie adhezji przechwytywane są na powierzchni również cząstki drobniejsze od otworów sitka (porów) tworzy się tzw. placek filtracyjny; III.- bardzo drobne cząstki które przedostaną się do wnętrza filtra podlegają filtracji głębokiej tj. są przechwytywane przez ścianki filtra. Mechanizm filtracji głębokiej jest w bardzo różny sposób tłumaczony przez różnych autorów. Najbardziej ogólnie można powiedzieć, że ciekły stop z reguły nie zwilża ścianek filtra podczas gdy wtrącenia je zwilżają w konsekwencji przyklejają się do ścianek. Warto zauważyć, że podczas gdy mechanizm wychwytywania zanieczyszczeń pokazany na schematach I. i II., przy podobnej średnicy oczek i porów, jest dla sitek i piankowych filtrów ceramicznych analogiczny, to mechanizm pokazany na schemacie III. jest w przypadku piankowych filtrów ceramicznych znacznie bardziej intensywny. Przyczyny należy upatrywać w licznych zawirowaniach, jakim podlega w poszczególnych komórkach przepływający stop z zawieszony mi w nim zanieczyszczeniami, co sprzyja kontaktowi wtrąceń ze ścianami komórek filtra i ich przechwyceniu. Ścianki filtra Drobne wtrącenia Rys 2 Schemat filtracji głębokiej przy zastosowaniu piankowego filtra ceramicznego. Zauważmy, że im grubszy piankowy filtr ceramiczny, tym dłuższą drogę pokonuje metal i tym większej ilości zawirowań podlega. Stopień oczyszczenia metalu wzrasta wraz ze wzrostem jego grubości. 186

5 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Piankowe filtry ceramiczne zapewniają również spokojny, nieturbulentny przepływ metalu w układzie wlewowym za filtrem a w konsekwencji spokojne zapełnienie formy. Dzięki temu, że przepływ nie jest burzliwy znacznemu ograniczeniu ulega zjawisko wtórnego utleniania stopu za filtrem, co jest szczególnie ważne przy odlewaniu odpowiedzialnych odlewów ze stopów Al. 6. ZALECENIA PRAKTYCZNE Z dotychczasowych doświadczeń wykorzystania piankowych filtrów ceramicznych zalecamy przestrzeganie następujących zasad: Dobierać należy filtry o porowatościach: - dla żeliwa szarego- ppi 20, przy niekorzystnych warunkach takich jak wysokie zanieczyszczenie płynnego metalu lub niska temperatura zalewania ppi 10; - dla żeliwa sferoidalnego- ppi 10; - dla żeliwa ciągliwego- ppi 20; - dla stopów Al ppi 20, lecz przy zanieczyszczonym wsadzie raczej ppi 10; - dla stopów Cu ppi 10. Jeżeli odlewnia dotychczas nie używała piankowych filtrów ceramicznych, zacząć od porowatości ppi 10 i w razie niewystarczającego efektu przejść później na ppi 20. Przy doborze wielkości filtra należy kierować się podawanymi w tabelach: ilością metalu, którą może przefiltrować filtr oraz szybkością przepływu, nie powinno się jednak obliczać układu wlewowego na maksymalne wartości gdyż: ilość metalu jaką filtr jest zdolny przefiltrować może radykalnie się zmniejszyć przy dużym zanieczyszczeniu, niskiej temperaturze zalewania, niskim ciśnieniu metalostatycznym zaś prędkość przepływu maleje w trakcie zalewania na skutek stopniowego przytykania filtra przez powstający placek filtracyjny. Pomimo, że możliwe jest wykonanie filtra o dowolnym wymiarze i kształcie, zalecamy dobieranie filtrów kwadratowych spośród stypizowanych przez producenta. Takie filtry są dostępne w sposób ciągły, tańsze i dokładniej wykonane. W miarę możliwości należy używać filtrów o większej grubości. Pamiętać trzeba, że nawet jeżeli konieczna jest przeróbka gniazda, ten koszt poniesiony zostanie raz, zaś korzyści przynosić będzie przez cały okres eksploatacji. Należy dążyć do sytuowania filtra możliwie najbliżej odlewu, najlepiej we wlewach doprowadzających. Przy sytuowaniu filtra w belce żużlowej można go sytuować pionowo lub na przejściu z dolnej do górnej belki żużlowej. Korzystniej jest jednak zastosować np. dwa mniejsze filtry we wlewach niż jeden większy w belce. Usytuowanie bezpośrednio pod wlewem głównym stosowane jest przy formowaniu na automacie DISAMATIC w innych przypadkach należy je stanowczo odradzać Przy konstruowaniu gniazda pod filtr pamiętać trzeba o zapewnieniu właściwego osadzenia - wielkości minimalne podaje producent. Wymiary gniazd należy projektować pamiętając, że tolerancje wymiarowe filtrów wynoszą +0, -2 mm. Możliwe jest stosowanie różnego rodzaju zamków i zacisków, głównie w masach bentonitowych. 187

6 Ciśnienie metalostatyczne, a co za tym idzie, szybkość przepływu za filtrem spada o około 30 %. Chcąc utrzymać ten sam czas zalewania po zastosowaniu filtra w istniejącym układzie wlewowym, trzeba go odpowiednio powiększyć. 7. PODSUMOWANIE Zastosowanie przy zalewaniu piankowych filtrów ceramicznych przynosi następujące korzyści: KORZYŚCI DLA ODLEWNI: 1. Zdecydowana redukcja braków definitywnych i naprawialnych z tytułu wtrąceń niemetalicznych (zażużleń i zaprószeń); 2. Zapewnienie laminarnego przepływu metalu przez układ wlewowy i spokojnego zapełnienia wnęki formy; 3. Możliwość skrócenia belek żużlowych, co owocuje podwyższeniem uzysku i zwiększeniem powierzchni płyty przeznaczonej pod montaż modeli; 4. Podwyższenie własności mechanicznych i plastycznych tworzywa odlewów, oszczędne zużycie modyfikatorów i zapraw sferoidyzujących; 5. Możliwość oferowania przez odlewnię wykonawstwa bardziej odpowiedzialnych odlewów, bez narażania się na reklamacje i utratę klientów; 6. Obniżka kosztów wytworzenia odlewów. KORZYŚCI DLA KLIENTÓW: 1. Wzrost wydajności, dzięki możliwości stosowania wyższych parametrów odróbki; 2. Zmniejszenie jednostkowych kosztów zużycia narzędzi; 3. Rzadsze postoje maszyn z tytułu konieczności wymiany narzędzi; 4. Zmniejszenie naddatków na obróbkę; 5. Polepszenie wyglądu powierzchni surowych i obrabianych. KORZYŚCI Z PUNKTU WIDZENIA WYROBU FINALNEGO 1. Podwyższenie parametrów wytrzymałościowych i plastyczności; 2. Doskonała jakość powierzchni; 3. Zapewnienie szczelności również pod ciśnieniem; 4. Wzrost wytrzymałości zmęczeniowej. SUMMARY CERAMIC FOAM FILTERS USING PURPOSE, PRACTICAL EXPERIENCE IN FERRO-TERM In this work are elaborated questions elimination of non-metalic inclusions in castings using ceramic foam filters in production of responsible iron and copper alloy castings. You can find here the experiences of Ferro-Term as a filter producer and foundries which use the filters Recenzował prof. dr hab. inż. Stanisław Pietrowski 188