Filtry ceramiczno-w glowe do ltracji stopów metali

Transkrypt

1 MATERIA Y CERAMICZNE /CERAMIC MATERIALS/, 65, 4, (2013), Filtry ceramiczno-w glowe do ltracji stopów metali BARBARA LIPOWSKA 1 *, JERZY WITEK 1, ALEKSANDER KARWI SKI 2, PIOTR WIELICZKO 2, MACIEJ AS ANOWICZ 3, ANDRZEJ O CI OWSKI 3, ZBIGNIEW ROBAK 4, ROKSANA MUZYKA 4 1 Instytut Ceramiki i Materia ów Budowlanych, Oddzia Materia ów Ogniotrwa ych w Gliwicach, ul. Toszecka 99, Gliwice 2 Instytut Odlewnictwa, ul. Zakopia ska 73, Kraków 3 Ferro-Term Sp. z o.o., ul. Przybyszewskiego 176/178, ód 4 Instytut Chemicznej Przeróbki W gla, ul. Zamkowa 1, Zabrze * b.lipowska@icimb.pl Streszczenie Podj to prób opracowania nowego, innowacyjnego rodzaju ltrów ceramiczno-w glowych, które, podobnie jak stosowane obecnie ltry na bazie ZrO 2, powinny si charakteryzowa wysok odporno ci na wstrz s cieplny i odporno ci na korozyjne dzia anie stopów metali (w szczególno ci staliwa), wysok wytrzyma o ci mechaniczn w wysokich temperaturach oraz wysok efektywno ci procesu ltracji. Dodatkowymi cechami nowych ltrów ma by ni sza masa - wynikaj ca z ni szej g sto ci tworzywa, co dodatkowo wp ynie na w asno ci cieplne ltrów (akumulacja ciep a), wysoka przewodno cieplna, a tak e mo liwo wypalania tworzywa w ni szej temperaturze, co pozwoli na obni enie kosztów produkcji ltrów zwi zanych ze zu yciem gazu opa owego oraz elementów grzejnych pieca. W artykule przedstawiono wyniki dotychczasowych bada obejmuj ce: wytypowanie surowców do otrzymania nowego rodzaju ltrów, okre lenie sk adu zawiesin do pokrywania piankowej matrycy organicznej oraz jego wp ywu na w a ciwo ci reologiczne tych zawiesin, wyznaczenie wp ywu sk adu zawiesin oraz warunków obróbki termicznej na podstawowe w asno ci ltrów (g sto pozorna, porowato otwarta, wytrzyma o na ciskanie) oraz zachowanie si ltrów podczas prób przelewania roztopionym metalem. S owa kluczowe: ceramiczne ltry piankowe, surowce w glowe i w glono ne, reologia zawiesin CERAMIC-CARBON FILTERS FOR METAL ALLOY FILTRATION An attempt was undertaken to develop a new, innovative type of ceramic-coal lters which, similarly to the currently applied ceramic lters, should be characterised by high thermal shock resistance, resistance to the corrosive attack of metal alloys (especially cast steel), mechanical strength at high temperatures as well as high effectiveness of ltration. Moreover, new lters must be characterised by a lower mass resulting from the material s lower density, which will additionally in uence lters thermal properties and high thermal conductivity. The paper presents the results of previously conducted investigations, which include: selection of raw materials to obtain a new type of lters; determining the composition of suspensions for covering the organic foam matrix and its effect on these suspensions rheological properties; determining the effect of suspension composition and thermal treatment conditions on the basic properties of lters (apparent density, open porosity, compressive strength) as well as the behaviour of lters during metal ltration tests. Keywords: Carbon sources, Ceramic foam lters, Rheology of suspension 1. Wprowadzenie Stosowana powszechnie w praktyce odlewniczej ltracja ciek ych stopów metali przez ceramiczne ltry piankowe umo liwia usuni cie ze stopu wtr ce niemetalicznych najcz stszej przyczyny wyst powania wad w odlewach. Uzyskana dzi ki ltracji wysoka czysto tworzyw wp ywa znacz co na popraw w asno ci mechanicznych odlewów, popraw ich obrabialno ci oraz odporno ci na korozj. O skuteczno ci procesu ltracji oraz o bezawaryjno ci jego przebiegu decyduj w asno ci ltrów, w szczególno ci: zdolno zatrzymywania niemetalicznych cz stek o wymiarach makro- i mikroskopowych, odporno na erozyjne oddzia ywanie ltrowanego stopu, odporno mechaniczna i termiczna, umo liwiaj ca odpowiedni wytrzyma o podczas kontaktu z gor cym metalem bez p kania i dodatkowego zanieczyszczania stopu. Istotny wp yw na przebieg procesu ltracji maj tak e zjawiska hydrauliczne towarzysz ce przep ywowi ciek ych tworzyw metalowych przez kana y ltra. Zapewnienie spokojnego, laminarnego przep ywu strugi ciek ego metalu przez ltr zmniejsza ryzyko jego wtórnego napowietrzenia, a tym samym pogorszenia w asno ci odlewu. Ceramiczne ltry piankowe produkowane s obecnie z szeregu tworzyw ceramicznych, których sk ad zale y od 412

2 FILTRY CERAMICZNO-W GLOWE DO FILTRACJI STOPÓW METALI rodzaju ltrowanego metalu. Pocz tkowo technologi ltrowania ciek ych metali ltrami ceramicznymi zastosowano przy odlewaniu stopów aluminium, wykorzystuj c ltry na bazie korundu. Nast pnie technologi ltracji rozszerzono na produkcj odlewów z eliwa szarego i sferoidalnego oraz stopów miedzi, wykorzystuj c ltry na bazie SiC i Al 2 O 3. Rosn ce wymagania w odniesieniu do czysto ci metalurgicznej staliwa, zw aszcza przeznaczonego na elementy konstrukcyjne i cz ci maszyn nara one na obci enia dynamiczne, tak e spowodowa o konieczno wprowadzenia jego ltracji. Obecnie ltracja stosowana jest równie w produkcji wysokiej jako ci odlewów wykorzystywanych w produkcji lotniczej i technice medycznej, wykonywanych ze rednio- i wysokotopliwych stopów chromu, niklu, kobaltu czy tytanu. W obu wymienionych wy ej przypadkach stosuje si ltry wykonane z tworzywa na bazie ZrO 2. Tworzywo takie charakteryzuje si bardzo wysok ogniotrwa o ci, odporno- ci na szok termiczny oraz na koroduj ce dzia anie metali. W praktyce okazuje si jednak, e w przypadku wykonywania odlewów ci kich ze staliwa, o masie powy ej 200 kg, wymagaj cych wyd u enia czasu odlewania, na skutek zbyt szybkiego wych odzenia stopu w kana ach ltra, cz sto dochodzi do jego cz ciowego lub ca kowitego zablokowania. Prowadzi to do spadku lub ca kowitego braku skuteczno ci ltracji. Zjawisko takie wyst puje równie w przypadku ltracji stopów specjalnych (np. stopy niklu, kobaltu). Unikni cie tego typu problemów przy wykorzystaniu stosowanych obecnie ltrów ceramicznych, wymaga znacznego podniesienia temperatury stopu przed zalaniem, co wi e si z dodatkowym wydatkiem energetycznym. Podniesienie temperatury stopu wp ywa równie niekorzystnie na w asno ci termomechaniczne ltrów, powoduj c ich p kni cia lub deformacje. W zwi zku z powy szym podj to badania, których celem jest opracowanie nowego rodzaju ltrów. Maj si one charakteryzowa, podobnie jak stosowane obecnie ltry na bazie ZrO 2 wysok odporno ci na wstrz s cieplny, odporno ci na korozyjne dzia anie stopów metali, w szczególno ci staliwa, wytrzyma o ci mechaniczn w wysokich temperaturach, wysok efektywno ci procesu ltracji i struktur powierzchni cianek ltra, umo liwiaj c laminarny przep yw stopu przez jego pory. Dodatkowymi cechami nowych ltrów maj by : ni sza masa wynikaj ca z ni szej g sto ci tworzywa, co dodatkowo wp ynie na w asno ci cieplne ltrów, wysoka przewodno cieplna oraz mo liwo wypalania tworzywa w ni szej temperaturze ( ltry na bazie ZrO 2 wymagaj wypalania w temp. oko o 1750 C), co pozwoli na obni enie kosztów produkcji ltrów zwi zanych ze zu yciem gazu opa owego oraz elementów grzejnych pieca. W celu osi gni cia planowanych w asno ci nowych ltrów za o ono wprowadzenie do ich sk adu w gla. Wybór ten uzasadniony jest korzystnymi w a ciwo ciami tego pierwiastka. W porównaniu z innymi materia ami, w giel charakteryzuje si ekstremalnie wysok ogniotrwa o ci oraz wysok przewodno ci ciepln, co skutkuje wysok odporno ci na szok termiczny. W giel charakteryzuje tak e wysoka wytrzyma o na ciskanie, rosn ca wraz ze wzrostem temperatury a do 2500 C, zwi zana z odpr aniem mikrop kni czy innych defektów struktury [1]. W niniejszym artykule przedstawiono wyniki wst pnych prób otrzymywania nowego rodzaju ltrów. 2. Dobór surowców w glowych i w glono nych W opracowywanych ltrach faz wi c cz stki ceramicznego materia u ogniotrwa ego stanowi ma matryca w glowa. Prekursorami w gla mog by dwa rodzaje materia ów, które mo na wprowadzi w formie rozdrobnionej do sk adu zawiesiny: surowce w glowe takie jak gra ty naturalne lub sztuczne (elektrogra t), antracyty, koksy w glowe lub naftowe, surowce o charakterze spoiw: paki i ywice, które w wyniku pirolizy daj kabonizat o wysokiej zawarto ci w gla pierwiastkowego. Wyboru odpowiednich materia ów do prób otrzymywania nowych ltrów przeprowadzono na podstawie charakterystyki wytypowanych surowców w glowych: (gra ty ró ni ce si uziarnieniem, antracyt, koksy) i w glono nych (pak Carbores, Rütgers ; spoiwo Thermocarbon, Otavi oraz ywica w glowodorowa, Warter ), przy czym przy wyborze tych ostatnich brano pod uwag doniesienia dotycz ce ich niskiej toksyczno ci wobec rodowiska i spe nianiu norm dotycz cych ochrony zdrowia [2 4]. Obj a ona analiz techniczn i elementarn oraz oznaczenie sk adu ziarnowego. Dla paków i ywic wykonano równie oznaczenie zawarto ci WWA (wielopier cieniowych w glowodorów aromatycznych), w tym benzo(a)pirenu. Uzyskane przedstawiono w Tabelach 1 i 2. Najbardziej istotn w a ciwo ci surowców w glowych i w glono nych, z punktu widzenia otrzymywania ltrów ceramiczno-w glowych, jest zawarto w gla czy wydajno Tabela 1. W a ciwo ci surowców w glowych. Table 1. Properties of carbon raw materials. Rodzaj oznaczenia woda analityczna popió cz ci lotne N C H S Gra t Koks Antracyt amor czny grubop. drobnop. w glowy naftowy Analiza techniczna [%] 0,31 17,19 3,03 0,04 79,5 0,35 0,11 0,07 9,69 1,39 8,88 2,01 Analiza elementarna [%] 0,04 91,7 0,10 0,27 Uziarnienie d 90 [ m] ,04 89,3 0,16 1,41 3,45 3,45 1,20 86,4 3,01 0,70 0,70 9,40 1,61 0,94 87,5 0,22 0,38 0,35 1,24 94,2 0,29 2,89 MATERIA Y CERAMICZNE /CERAMIC MATERIALS/, 65, 4, (2013) 413

3 B. LIPOWSKA, J. WITEK, A. KARWI SKI, P. WIELICZKO, M. AS ANOWICZ, A. O CI OWSKI, Z. ROBAK, R. MUZYKA Tabela 2. W a ciwo ci surowców w glono nych. Table 2. Properties of carbon carriers. Rodzaj oznaczenia sk adniki nrp. w toluenie popió pozosta o po skoksowaniu Pak Carbores Analiza techniczna [%] 49,34 0,37 72,4 Spoiwo Thermocarbon 28,95 47,7 ywica w glowod. Temperatura mi knienia [ C] ,3 113 Liczba koksowania [%] 79,68 57,24 58,95 Analiza elementarna [%] N C H S 1,03 92,2 4,11 0,51 Zawarto WWA [%] 0,77 87,0 6,50 1,43 46,88 0,19 50,1 1,05 88,9 4,41 3,99 benzo(a)piren suma WWA 0,021 0,406 0,006 0,203 0,066 3,478 Uziarnienie d 90 [ m] 60 w gla podczas karbonizacji okre lana liczb koksowania. Pod tym wzgl dem, z badanych surowców w glowych, najwi cej tego pierwiastka zawieraj oba gra ty p atkowe (91,7% - grubop atkowy i 89,3% - drobnop atkowy) oraz koks naftowy (94%). Jednak e ten ostatni zawiera w swoim sk adzie najwi cej (2,89%) siarki. Obecno tego pierwiastka, zarówno w eliwie jak i staliwie, traktowana jest jako szkodliwa domieszka, powoduj ca tworzenie si atwotopliwych i kruchych eutektyków Fe-FeS. Spo ród badanych surowców w glono nych najwy szym udzia em w gla (liczba koksowania 79,7%) charakteryzuje si pak Carbores. Dodatkowo, podobnie jak spoiwo Thermocarbon, cechuje si on nisk toksyczno ci ; zawarto B/a/p wynosi poni ej 50 ppm, a sumaryczna warto WWA nie przekracza 500 ppm. W niniejszym artykule przedstawiono wyniki wst pnych prób otrzymania nowego rodzaju ltrów z zastosowaniem gra tu grubop atkowego oraz paku Carbores. 3. Cz do wiadczalna Do otrzymywania ltrów ceramiczno-w glowych zastosowano metod opatentowan w roku 1963 przez Schwartzwaldera [5]. Polega ona na impregnacji elastycznej, polimerowej pianki w a ciwie spreparowan zawiesin zawieraj c odpowiednio dobrane surowce ceramiczne w taki sposób, aby pokry a jedynie elastyczne mostki otaczaj ce pory w piance. Tak przygotowane pianki poddaje si obróbce termicznej, w czasie której nast puje wypalenie organicznego szkieletu i spieczenie powlekaj cego j materia u ceramicznego. Do prób wykorzystano polimerowy no nik o porowato ci 10 ppi (10 porów na cal) w formie kszta tek o wymiarach 50 mm 50 mm 20 mm. W roli surowca ceramicznego zastosowano: tlenek glinu (99,80% Al 2 O 3, d 90 1,5-3,0 m), gra t grubop atkowy oraz pak Carbores w roli surowca w glono nego a jednocze nie spajaj cego ziarna materia u ceramicznego. Jako spoiwo zastosowano wodny roztwór zolu krzemionkowego (st. SiO 2 40%, r. rozm. cz stek 14 nm, ph ~ 10,4) oraz wodny roztwór lignosulfonianu sodowego (st. 36%) w roli up ynniacza. Tabela. 3. Sk ad i wyniki bada zawiesin przeznaczonych do pierwszego powlekania polimerowego no nika. Table 3. Composition and properties of suspensions prepared for the rst coating polymeric carrier. Nr zawiesiny Udzia surowców Lepko przy sta ej redni przyrost masy Udzia up ynniacza* Tiksotropia sta ych* szybko ci cinania 200 s -1 na no niku** [%] [kpa s -1 ] [%] [Pa s] [%] 1 66,4 2,04 14,16 9, ,3 2,41 19,05 12, ,2 0,4 2,78 21,45 13, ,1 3,05 28,59 14, ,0 n.o.*** n.o. 15, n.o. n.o. 14, ,3 0,2 1,28 9,09 (odwróc.) 13,86 8 0,6 1,84 14,85 12,01 * roztwór spoiwa stanowi trzeci, nie uj ty w tabeli sk adnik zawiesiny ** oznaczenie przyrostu masy no nika dla ka dego wariantu oznaczano dla 5 próbek *** n.o. nie oznaczono ze wzgl du na zbyt du lepko (du e opory dla przy o onej szybko ci cinania) 414 MATERIA Y CERAMICZNE /CERAMIC MATERIALS/, 65, 4, (2013)

4 FILTRY CERAMICZNO-W GLOWE DO FILTRACJI STOPÓW METALI Filtry otrzymywano zanurzaj c pianki w zawiesinie. Jej nadmiar usuwano przepuszczaj c pianki przez szczelin pomi dzy dwoma obracaj cymi si walcami. Szczelin pomi dzy walcami ustawiono tak, aby przechodz ca przez ni pianka ulega a ci ni ciu do oko o 15% wysoko ci pocz tkowej. Nast pnie próbki suszono: najpierw na powietrzu przez 24 h, potem w suszarce w temperaturze 110 C przez 8 h. W celu pogrubienia cianek ltra, a tym samym zwi kszenia ich wytrzyma o ci mechanicznej, po wysuszeniu nanoszono na nie kolejn warstw zawiesiny. Jej nadmiar usuwano metod odwirowywania przy szybko ci 5 obr./s w czasie 30 s. Tak przygotowane próbki poddawano ostatecznej obróbce termicznej w warunkach beztlenowych. 4. W a ciwo ci reologiczne zawiesin W procesie otrzymywania ltrów piankowych metod impregnacji polimerowego, porowatego no nika bardzo istotn rol odgrywaj w asno ci reologiczne stosowanych zawiesin. Od nich zale y bowiem ilo zawiesiny osadzaj cej si na powierzchni pianki odpowiadaj ca za grubo cianek, a tym samym decyduj ca o wytrzyma o ci mechanicznej wypalanego szkieletu. W momencie zanurzania pianki zawiesina ceramiczna powinna by na tyle ciek a, aby wype ni a wszystkie pory no nika i pokry a jednorodn warstw jego cianki. Jednocze nie w warunkach statycznych, po zako czeniu procesu usuwania jej nadmiaru, powinna si charakteryzowa lepko- ci zapobiegaj c sp ywaniu ze cianek no nika. Zawiesina powinna wi c mie charakter p ynu nienewtonowskiego rozrzedzanego cinaniem [6 8]. Badaniom w a ciwo ci reologicznych poddano zawiesiny o zmiennym udziale mieszanki surowców sta ych (sk ad mieszanki: 50% Al 2 O 3, 20% gra tu grubop atkowego, 30% paku Carbores) i up ynniacza w zawiesinie. Zawarto mieszaniny surowców sta ych w zawiesinie wynosi a (66,4 70,0)%, natomiast dodatek up ynniacza (0 0,6)%, co oznacza (0 0,9)% w stosunku do masy surowców sta ych. Sposób przygotowania zawiesiny polega na wst pnym wymieszaniu odpowiedniej ilo ci surowców sta ych z up ynniaczem za pomoc mieszad a mechanicznego w czasie 5 min. Nast pnie, po dodaniu odpowiedniej ilo ci roztworu zolu krzemionkowego, ca o ponownie mieszano przez 15 min. Pr dko obrotowa mieszad a wynosi a 200 obr./min. Pomiary reologiczne przeprowadzono za pomoc reometru obrotowego typu CR - Haake VT550. Na ich podstawie wyznaczono lepko dynamiczn oraz napr enia styczne w funkcji szybko ci cinania przygotowanych zawiesin. Jednocze nie oznaczano przyrost masy polimerowego no nika pokrywanego jedn warstw badanej zawiesiny. Uzyskane wyniki zestawiono w Tabeli 3. Pomiary reologiczne wykaza y, e badane zawiesiny ceramiczno-w glowe wykazuj w a ciwo ci tiksotropowe oraz przep ywy pseudoplastyczne przy wzrastaj cych i malej cych szybko ciach cinania (Rys. 1). Przep ywy pseudoplastyczne, gdzie wraz ze wzrostem szybko ci cinania maleje lepko pozorna, zwi zane s ze stopniowym porz dkowaniem wewn trznych struktur zawiesiny wzd u kierunku p yni cia [9]. W zakresie niskich i rednich szybko- ci cinania porz dkowanie to jest ró ne, w zale no ci od udzia u surowców sta ych w zawiesinie (Rys. 1a) lub ilo ci stosowanego up ynniacza (Rys. 1b). Przy wysokich szybko ciach cinania struktury wewn trzne zawiesiny rozpadaj si na pojedyncze ziarna. Samodzielnie przep ywaj ce cz stki w tych warunkach posiadaj ca kowicie zorientowane po o enia wzd u kierunku przep ywu. Efektem jest stabilizacja oporu wewn trznego, a krzywe p yni cia przyjmuj posta prostych. Przep ywy tiksotropowe uzale niaj rozpad struktur wewn trznych nie tylko od szybko ci, ale tak e od czasu cinania. W przypadku badanych zawiesin im ni szy jest w nich udzia surowców sta ych, tym szybciej stabilizuje si struktura dyspersyjna. Objawia si to zmniejszeniem zarówno p tli histerezy napr e (warto ci tiksotropii), jak i tzw. efektu false body, czyli pozosta o ci napr e cinaj cych w zawiesinie przy braku cinania [10]. a) b) Rys. 1. Krzywe p yni cia dla zawiesin ceramiczno-w glowych: a) o zmiennym udziale surowców sta ych z dodatkiem 0,4% up ynniacza, b) zawieraj cych 67,3% surowców i zmienny udzia up ynniacza. Fig. 2. Flow curves for ceramic-carbon suspensions: a) variable content of stable raw materials and 0.4% of de occulant, b) stable raw materials content of 67.3% and variable content of de occulant. Przeprowadzone badania dowiod y, e obecno up ynniacza w sk adzie zawiesiny jest niezb dna do nadania jej w asno ci reologicznych umo liwiaj cych odpowiednie pokrywanie ni powierzchni polimerowego no nika. Zawiesiny nr 5 i 6, bez dodatku up ynniacza, maj tak du lepko (wykraczaj c poza mo liwo ci pomiarowe reometru), e nie mo na usun ich nadmiaru z wn trza no nika. Z kolei lepko zawiesin nr 1 i 8 jest za niska; sp ywaj one ze cianek no nika i gromadz c si w jego dolnej cz ci zatykaj pory (Rys. 2a). Dla zawiesiny nr 7 (udzia surowców sta ych 67,3%, a up ynniacza 0,2%) w badaniach reologicznych MATERIA Y CERAMICZNE /CERAMIC MATERIALS/, 65, 4, (2013) 415

5 B. LIPOWSKA, J. WITEK, A. KARWI SKI, P. WIELICZKO, M. AS ANOWICZ, A. O CI OWSKI, Z. ROBAK, R. MUZYKA 5. Obróbka termiczna ltrów i charakterystyka uzyskanych tworzyw Wypalanie polimerowych pianek pokrytych dwoma warstwami zawiesiny, po wysuszeniu, poddano wypaleniu w atmosferze azotu w temperaturach 600 C, 800 C i 1000 C. Szybko grzania wynosi a 1,5 C/min. Uzyskane ltry scharakteryzowano okre laj c ich g sto pozorn i porowato otwart (metod hydrostatyczn ) oraz wytrzyma o na ciskanie. Oznaczono równie pozosta o w gla w tworzywie po obróbce termicznej. Stwierdzono (Tabela 4), e wraz ze wzrostem temperatury wypalania udzia w a) b) Rys. 3. Widok ltra po wyj ciu ze stopu eliwa Fig. 3. A lter taken out of melted cast iron. Rys. 2. Obraz spodniej cz ci polimerowej pianki pokrytej jedn warstw zawiesiny i wysuszonej: a) zawiesina nr 1, b) zawiesina nr 2. Fig. 2. Images of bottom side of polymer foam coated with one layer of suspension and dried: a) suspension no. 1, b) suspension no. 2. stwierdzono obecno zjawiska odwróconej tiksotropii - wzrost lepko ci przy spadku pr dko ci cinania. W efekcie, pomimo niskiej lepko ci tej zawiesiny, usuwanie jej nadmiaru z porów no nika by o utrudnione. Odpowiedni efekt pokrywania (Rys. 2b) uzyskano dla zawiesin nr 2, 3 i 8. Bior c po uwag zarówno przyrost masy zawiesiny na no niku, jak i jej stabilno, jako optymalny do nak adania pierwszej warstwy przyj to sk ad nr 2. Poniewa druga warstwa zawiesiny usuwana jest metod odwirowywania musi si ona charakteryzowa ni sz lepko ci, do tego celu zastosowano zawiesin o sk adzie nr 1. a) Tabela 4. W a ciwo ci ltrów sporz dzonych z mieszanki surowców sta ych o sk adzie: 50% Al 2 O 3, 20% gra t grubop atkowy, 30% pak Carbores (I warstwa zawiesiny o sk adzie nr 2, II warstwa zawiesiny o sk adzie nr 1 Tabela 3). Table 4. Properties of lters prepared from the mixture containing 50% Al 2 O 3, 20% coarse ake graphite and 30% Carbores pitch (I layer - suspension no. 1, II layer suspension no. 2; Table 3). Temperatura wypa u [ C] W a ciwo G sto pozorna [g/cm 3 ] 1,41 1,50 1,52 Porowato otwarta [%] 25,9 31,6 29,9 Wytrzyma o na ciskanie [MPa] 0,6 0,8 0,9 Pozosta o w gla [%] 37,2 34,5 33,9 b) Rys. 4. Próba wytrzyma o ci termicznej ltrów: a) zalewanie staliwem o temperaturze 1600 C, b) wygl d powierzchni ltra po próbie zalewania. Fig. 4. Thermal resistance test of lters: a) pouring with cast steel of 1600 C, b) lter surface after the test. 416 MATERIA Y CERAMICZNE /CERAMIC MATERIALS/, 65, 4, (2013)

6 FILTRY CERAMICZNO-W GLOWE DO FILTRACJI STOPÓW METALI gla w tworzywie maleje, co ma prawdopodobnie zwi zek z piroliz paku. Pomimo wysokiej porowato ci otwartej ltry wypalone w temperaturze 1000 C charakteryzowa y si najwy sz wytrzyma o ci. W celu sprawdzenia odporno ci otrzymanych ltrów na szok termiczny przeprowadzono prób ich zanurzania w stopie eliwa. Polega a ona na wprowadzaniu kolejnych ltrów, uj tych w szczypce, do k pieli metalowej o temperaturze 1400 C i przetrzymywaniu w niej przez 30 sekund. Sposób wykonywania próby (nacisk szczypiec oraz statyczne dzia anie ciek ego metalu) powoduje powstawanie du ych napr e w ltrze. Jego w a ciwa odporno zapobiega destrukcji podczas wykonywania próby. Wizualna ocena efektów próby dowiod a, e wszystkie testowane w ten sposób ltry przesz y prób pozytywnie (Rys. 3). W podobny sposób, przez zanurzenie ltrów na czas 30 sek. w k pieli ciek ego staliwa w glowego, przeprowadzono prób odporno ci na szok termiczny w temperaturze 1600 C. Wykaza a ona, e tylko ltr wypalony w temperaturze 1000 C wytrzymuje krótkotrwa y kontakt ze staliwem. Tego typu ltr poddany zosta tak e próbie wytrzyma o ci termicznej. Polega a ona na umieszczeniu ltra w formie i przelaniu przez niego 25 kg ciek ego staliwa w glowego. Próba ta umo liwia ocen rzeczywistej odporno ci ltrów na równoczesne dzia anie wysokiej temperatury i ci nienia ferrostatycznego strumienia ciek ego metalu. Podczas wykonywania próby testowany ltr nie uleg uszkodzeniu (Rys. 4). 6. Podsumowanie Podj to prób opracowania nowego rodzaju filtrów ceramiczno-w glowych przeznaczonych do ltracji stopów metali, w szczególno ci staliwa. Cech charakterystyczn tego rodzaju ltrów jest to, e faz wi c cz stki ceramiczne stanowi w nich matryca w glowa. W przeprowadzonych badaniach zastosowano gra t oraz pak Carbores o wysokiej liczbie koksowania i niskiej toksyczno ci. Filtry wykonano metod osadzania zawiesiny na spienionym pod o u polimerowym. Kluczowym aspektem w tej metodzie jest reologia zawiesin. W pracy do stosowanego uk adu: mieszanka surowców sta ych spoiwo (wodny roztwór zolu krzemionkowego) dobrano tak ilo up ynniacza, aby lepko uzyskanych zawiesin umo liwi a jednolite pokrycie cianek no nika bez zatykania porów pianki. Temperatur obróbki termicznej opracowywanych ltrów okre lono na podstawie badania ich odporno ci na szok termiczny metod zanurzania w stopie eliwa o temperaturze 1400 C i staliwa o temperaturze 1600 C oraz wytrzyma o ci termicznej polegaj cej na przelaniu przez ltr porcji 25 kg ciek ego staliwa w glowego. Uzyskane wyniki wskazuj, e ltry otrzymane z zastosowaniem zawiesiny, zawieraj cej w swoim sk adzie 67,3% mieszanki surowców sta ych o sk adzie: 50% Al 2 O 3, 20% gra tu grubop atkowego, 30% paku Carbores; 32,3% wodnego roztworu zolu krzemionkowego o st eniu 40% oraz 0,4% up ynniacza (lignosulfonian sodu), wypalone w atmosferze azotu w temperaturze 1000 C wytrzymuj krótkotrwa y kontakt ze stopionym staliwem. Dalsze badania b d mia y na celu okre lenie efektywno ci procesu ltracji z zastosowaniem opracowanych ltrów oraz sprawdzenie mo liwo ci zast pienia testowanych surowców w glowych i w glono nych innymi, ta szymi prekursorami w gla bez pogorszenia jako ci ltrów. Podzi kowania Praca realizowana jest w ramach Programu INNOTECH w cie ce programowej IN-TECH nansowanego w latach przez Narodowe Centrum Nauki i Rozwoju. Literatura [1] Pierson, H.O.: Handbook of carbon, graphite, diamond and fullerenes, WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, New Jersey, (1993), ISBN: [2] Boenigk, W., Schinitzler, D., Stiegert, J.: Carbores a carbon speciality to improve the performance of refractories bound with phenolic resins, Eurocarbon 2000, 1 st World Conference on Carbon, 9 13 July 2000, Berlin [3] Szczerba, J., Prorok, R., Go awski, C., Madej, D., nie ek, E.: Wp yw wybranych, ekologicznych paków pow glowych na w a ciwo ci wyrobów dolomitowych, Materia y Ceramiczne, 63, 4, (2011), [4] [5] Schwaltzwalder, K., Sommers, A.V.: Method of making porous ceramic articles, US patent [6] Saggio-Woyansky, J., Scott, C.E., Minnear, W.: Processing of porous ceramics, Bull. Am. Ceram. Soc., 71, 11, (1992), [7] Zhu, X., Jiang, D., Tan, A., The control of slurry rheology in the processing of reticulated porous ceramics, Mat. Res. Bull., 37, (2002), [8] Studart, A.R., Gonzenbach, U.T., Tervoort, E.: Processing routes to macroporous ceramics: A review, J. Am. Ceram. Soc., 89, 6, (2006), [9] Dziubi ski, M., Kilja ski, T., S k, J.: Podstawy reologii i reometrii p ynów, Wydawnictwo Politechniki ódzkiej, ód, (2009), ISBN: [10] Matysiak, H., Wi niewski, P., Ferenc-Dominik, J., Michalski, J., Kurzyd owski, K.J.: Badania w a ciwo ci reologicznych ceramicznych mas lejnych do odlewania precyzyjnego cz ci turbin lotniczych, Szk o i Ceramika, 66, (2011), Otrzymano 27 lipca 2013, zaakceptowano 3 wrze nia 2013 MATERIA Y CERAMICZNE /CERAMIC MATERIALS/, 65, 4, (2013) 417