圣泉集团：过滤技术在铜合金生产中的应用

铜合金等有色合金在熔炼过程中由于氧化、有害气体及杂质的影响，使得铜合金熔融液受到污染，影响制品的机械性能、加工性能及合格率，降低材料的工艺性和产品的性能。在熔铸过程中，铜熔体除杂净化过程，是生产高质量的铸锭、铸件，获得高品质后续产品质量的重要保证。

除了传统的静置澄清、浮选除渣、熔剂除渣外，过滤技术作为去除熔融金属液中夹渣物的有效手段，是生产高品质铸件的重要工艺手段。常用的过滤材料有纤维过滤网、直孔过滤器及泡沫陶瓷过滤器，其中泡沫陶瓷过滤器作为新一代过滤材料已经广泛应用于熔融金属液的净化过滤。泡沫陶瓷过滤器的孔隙率高达70～90%，是具有三维立体网络骨架和相互贯通气孔结构的多孔陶瓷制品（如图1所示），可有效改善夹渣类缺陷，降低金属液中的气体及夹渣物含量，提高铸件、铸锭的成品率和表面质量，改善组织结构，提高机械性能及加工性能。

1 泡沫陶瓷过滤器的过滤净化机理

(相关资料图)

泡沫陶瓷过滤器具有三位立体网络结构，如图1所示。金属液流过泡沫陶瓷过滤器时，开始有一个减速阶段；直到金属液重新建立起适当的压头时，才快速进入过滤器，此时的金属液流速有一个波动，然后才恢复正常的流动，如图2。由于渣子的堵塞，金属液流速逐渐减慢直到完全被夹渣物堵塞。

图1 泡沫陶瓷过滤器的骨架结构

图2 金属液流经过滤器时流动曲线

在浇注系统中放置泡沫陶瓷过滤器后，金属液流阻力增大，熔融金属液在浇注系统中改变流动状态，液流能够沿浇注系统缓慢的流入铸型型腔内，从而不易产生涡流，使液态金属从紊流转变为层流，充型更加平稳。

金属液中存在着大量的氧化物夹杂、熔渣等其他大块杂质，通过选用合适孔径的泡沫陶瓷过滤器可以运用机械的方法筛分掉大量的夹杂物。

泡沫陶瓷过滤由于具有三维立体网状结构，可以高效的机械挡渣，许多大于过滤器空洞的夹杂被捕获在过滤器入口处。随着捕获夹杂物数量的增多，在过滤器入口处表面形成了由大夹杂组成的“滤饼”。滤饼使液流变细，这样小于过滤器网孔尺寸的夹杂也被部分的捕获在“滤饼”上。有些不能上浮的渣子可以被过滤器挡住，而被挡住的渣子本身又产生了过滤功能，即双向过滤。

泡沫陶瓷过滤器拥有很大的表面积，有利于吸附大量微细夹杂质点。金属液流通过过滤器被分割成细小的液流单元增大了金属熔体与过滤介质的接触面积，许多细小的夹杂物由于引力作用便被吸附到过滤器上。这种吸附主要以无选择的多分子层物理吸附为主，这样夹杂物在过滤器架上逐层粘附，直至堵塞为止。

2 泡沫陶瓷过滤器的性能要求

（1） 具有足够的常温和高温机械强度，使其能承受运输过程中的振动、挤压和使用过程中高温金属液的冲击。

（2）具有合适的耐火度和较低的热膨胀系数，使其在高温金属液的长时间作用下不软化变形和开裂。

（3）具有优良的高温化学稳定性，使其不受高温金属液的侵蚀，避免污染金属液。

（4）具有合适的孔径、良好的孔隙率，金属液能有效通过并具备过滤非金属夹杂能力。

3 铜合金用泡沫陶瓷过滤器的选用

泡沫陶瓷过滤器的种类很多，不同材质的过滤器用于不同金属液的过滤。一般按过滤铸件的材质可分为：铜合金用泡沫陶瓷过滤器，铝合金用泡沫陶瓷过滤器、铸钢用泡沫陶瓷过滤器，铸铁用泡沫陶瓷过滤器等。铜合金用过滤器使用温度一般低于1300℃，在中小型铸件一般有多种材质过滤器可供选择，对连续及半连续铸造需要选用铜合金专用的过滤器，这种过滤器具有掉渣少、强度高、耐冲刷、不变形，不易损坏等优点，适用于铜合金连铸生产过滤。

过滤器的孔径一般以PPI表示，PPI是指每英寸过滤器孔的数量。一般有10、15、20、30、40ppi，ppi数值越大孔越小。孔径选择需要参考金属熔液的流动性、夹杂数量、铸件品质要求等因素，孔径越大，流速越快，孔径越小，流速越慢，过滤效果越好，但对流动的阻碍也越大。对于铜合金过滤器的孔径选择，在要求流速快的条件下推荐选用10-15ppi的过滤器，如对过滤效果要求高，可选用20-40ppi的过滤器。

过滤器的尺寸越大，可以过滤的金属液越多，流速也越快。厚度越大，过滤器的强度越好，过滤效率也越高，一般情况下高温下过滤器能承受的金属液冲刷的时间是有限的，通常对过滤器单位面积过滤的金属液量加以限制。同时参考不同的放置方式，对于中小型铸件，过滤器越靠近铸件，过滤效果越好；对于连续铸造需要考虑流槽尺寸及浇注时间。因此，对于普通铸造用泡沫陶瓷过滤器厚度：外形尺寸 < 60mm，厚度为15～25mm；外形尺寸100-200mm，厚度为20-30mm；尺寸＞200mm时，厚度为30-50mm。对于连铸及半连铸，一般选择尺寸≥150mm、厚度为40-50mm的过滤器，可以保证长时间浇注时的抗冲击能力及过滤效果。此外，选用泡沫陶瓷过滤器时一定要综合考虑浇注温度、压头高度、浇注量及浇注时间等因素，确定过滤器的孔径、规格及放置位置，以保证过滤器的过滤效果。

4 铜合金用泡沫陶瓷过滤器的应用案例

4.1 铝青铜件铸件的应用效果

周燕[5]在铝青铜铸件的生产实际表明，使用过滤技术以后，大幅度降低了铸造的废品率，提高了产品质量，节约了综合成本。在铝青铜铸件使用过滤技术后，铸件的夹杂明显减少，废品率由使用过滤器前的23%降到7.5%，材料利用率由原来的30%提高到55.5%，显著提高了加工性能，加工工时节约了40%，屈服强度、断裂强度、断面收缩率、布氏硬度、延伸率等机械性能得到非常明显的改善，使用过滤器后获得了良好的经济效益。

4.2 连铸用过滤器

某厂家原使用普通类型过滤器进行连铸生产时，存在浇注时间短，易损坏，强度低的问题，采用新型铜合金专用过滤器，客户使用后的改进情况如表1 所示，由表1 可以看出，过滤器的平均使用时间延长，浇注速度提高，铸件的合格率明显，夹渣缺陷明显减少。由图4 为浇注后的过滤器。

图3 泡沫陶瓷过滤器

图4浇注后的过滤器

5 小结

铜合金在熔铸过程中形成的夹渣物及有害气体，严重降低合金的强度、韧性和抗疲劳性能，损害铸件的气密性和耐腐蚀性，降低铜熔体的流动性和材料的成形性能，恶化铸件（锭）力学性能。泡沫陶瓷过滤技术可有效解决这一难题，是生产高品质铸件、铸锭的一个重要工艺手段。经过几十年的发展，我国的泡沫陶瓷技术从科研到生产己形成体系，圣泉集团已建成全球最大的泡沫陶瓷过滤器生产基地，产品远销德国、俄罗斯、巴西、日本等四十多个国家和地区，将进一步为国内外客户提供优质产品及配套服务。也希望能与铜合金领域的企业、专家合作，共同开发和推进过滤净化技术，助力相关产品提质升级。

本文作者简介：杨淑金 高级工程师 主要从事泡沫过滤材料的开发

（圣泉集团股份有限公司，济南圣泉倍进陶瓷过滤器有限公司）

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