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《2020年第十五届中国国际铝加工峰会》

藏器待时!2020年SMM全新打造《中国国际铝加工峰会》,盛情邀约全国铝加工行业龙头企业,资深专家,齐聚一堂,呈现专业看法和前瞻解读,就2020年中国铝加工市场的“新方向”与您共享行业的远见卓识。

《2020年第十五届中国国际铝加工峰会》

【铝峰会】铝合金熔体高效及柔性过滤研究进展

来源:SMM

SMM讯:2020年6月11日,由SMM主办的《第十五届中国国际铝加工峰会》于山东烟台召开。6月12日会上,邹平宏发铝业科技有限公司技术总监丁荣辉对铝合金熔体高效及柔性过滤研究进展进行了详细的阐述,通过对熔体处理、过滤技术等方面,从专业的角度对铝合金生产的重要环节进行了讲解。

铝合金熔体高效及柔性过滤研究进展


一、 熔体处理

铝在工业应用中得到了广泛的应用,如运输、包装、汽车、航空航天、电子...。夹杂物含量长期以来一直是许多产品的主要质量标准[1]。 随着夹杂物临界应用的增加,如最终厚度低、表面质量高的产品,它的重要性不断增加。随着下游客户对产品质量要求的进一步提高,对熔体纯净度要求也越来越高,对熔体净化工艺提出了更高的要求。

铝熔体不纯物种类及去除方法

在线熔体处理系统布置

目前流行的中间答案是一个双级CFF-然而,这些也不是没有问题的,1、如果颠簸,夹杂物释放2、需要一个重要的启动头,3要求卓越的预热,4以及过滤板使用前后的处理可能是麻烦的。这些问题中的每一个都可以克服,只要它们得到承认和适当解决。但是关于CFF的一个更大的问题是,5添加晶粒细化剂后容易导致夹杂物释放,这在W.Schneider教授和N.Towsey教授的不同论文中提出。这项工作导致Hydro开发了一种混合过滤器,其中CFF受到前面深床的保护。我的结论是,我们仍然有办法继续改进过滤。

二、过滤器研究进展

1935 Degussa开发了一种过滤轻金属合金的过滤器

~1940  开发铝、陶瓷和汽油焦炭的深床过滤器

~1970 Alcan研究开发铝深床过滤器

~1975 SELEE开发了陶瓷泡沫过滤器

~1980 刚性介质管过滤器的开发(RMF)

~1990 表面活性陶瓷泡沫过滤器的开发

~ 1995 开发双级过滤装置

~2002 开发紧凑式过滤装置(Hydro、Alcan等)

~2010 德国开展Multi-Functional Filters for Metal Melt Filtration—A Contribution towards Zero Defect Materials项目

………

未来过滤器发展的目标:可以去除更细的粒子,合理的压降,最小的金属损失,更高的过滤效率,操作更便捷。

三、不同过滤方式比较

细滤器滤孔内夹杂物团聚体的“桥接”提高了性能,通过更细的过滤孔径,获得满意的过滤效率的可靠性得到了很大的提高

不同过滤方式比较——过滤研究的驱动力

熔铸车间正面临着越来越高的要求灵活性。 原因是减少库存资金占用,及时交付给客户,和较短时间的订单批次。 用来长时间大批量生产的熔铸车间必须重新考虑他们的生产排产顺序,以保持高质量,低成本。 设备冲洗已成为一种重大成本贡献。需要保证高质量同时,低金属残留的设备。 灵活性的要求是预计今后将进一步增加。

四、陶瓷泡沫过滤器存在的主要问题

在不同的过滤模式下,过滤效率不一样,陶瓷泡沫过滤器的过滤效率及稳定性影响因素多

泡沫陶瓷过滤板能够以深床过滤模式工作、去除小夹杂物需要细孔径的过滤板、主要的挑战是过滤箱体的启动

主要的挑战是这些过滤箱体的启动,即通过润湿整个表面积过滤板的厚度,使金属的流动均典型商业CFFs的大小范围为10至80ppi(见图3)。 最常用的是20-40ppi,[26]用于工业铸造车间,以达到预期的铸造率和达到最低可接受的过滤效率。 该10至20ppi过滤器具有较差的颗粒保持能力,并且经常用于过滤在熔化,静置和传输过程中产生的夹杂物,表面氧化过程中产生的大颗粒.. 具有60-80ppi的高孔密度过滤器仅用于质量敏感的应用,如表面要求严格的挤压和带材产品。

均匀地通过过滤介质。孔径越细,启动头越高。甚至,所需的启动头高于可用的最大金属水平。此外,过滤器必须在每铸次结束时由重力排出铝液,这意味着不可能将过滤板的位置降低到一定水平以下。

通过量小于DBF及RMF

深床过滤球、过滤管或过滤板的寿命通过量取决于很多因素,如:合金、熔化料、熔炼和熔炉工艺、上游除气的性能和尤其是晶粒细化剂的应用。通常情况下,如果各个工艺环节都能得到小心处理,各管组都能达到如图所示的通过量

晶粒细化剂的添加导致夹杂物去除能力明显下降

在CFF过滤器之前添加晶粒细化剂会对过滤性能产生负面影响,并且性能会随着较高的添加速率而恶化,晶粒细化剂种类对过滤性能影响不同。

五、“活性”过滤研究

“活性” 过滤研究机理

夹杂物同铝液分离经过两个步骤:夹杂物流到过滤板表面(紊流及层流)、夹杂物被过滤板表面捕获

在深床过滤模式中, 夹杂物比过滤孔径小,要使过滤板捕获到夹杂物, 必须有一个表面张力,当夹杂物流到过滤板的表面时,表面张力使夹杂物粘到过滤介质的表面。夹杂物是否能粘到过滤介质的表面取决于界面能(γ)。固体夹杂物被过滤介质去除的条件:

为了最大限度地提高粘附功, 过滤介质和液体夹杂物之间的润湿角θFI-IM应接近于零、液体必须润湿过滤介质

Al2O3和SiC基CFF过滤器试验研究

比较了铝对Al2O3和SiC泡沫过滤器的过滤效果,发现SiC过滤器的过滤效果较好。一个可能的解释,SiC的更好的过滤效率可能是因为更好的润湿性。

碳化硅过滤器对于高硅铝合金的过滤具有特殊的意义。

过滤表面化学物质对泡沫过滤器性能影响

观察到3Al2O3·2SiO2(136°)的接触角最高,其次是MgAl2O4(113°)和Al2O3(108°),TiO2(81°)的最低接触角。

所有四种过滤器类型的平均过滤效率至少为80pct。在氧化铝和尖晶石包覆的过滤器表面(>90pct)获得最高的过滤效率,并观察到最大夹杂物(>90μm)的完全去除。莫来石和金红石涂层过滤表面的效率略低,特别是对于大型夹杂物。

过滤效率对小于110μm的夹杂物表现出与接触角良好的相关性。接触角越大,过滤效率越高。

对于夹杂物>70μm,测得的过滤效率和附着力均按以下顺序增加:TiO2、3Al2O3·2SiO2、MgAl2O4、Al2O3。

过滤表面涂覆AlF3对泡沫过滤器性能影响

在初始Na、Ca、Mg浓度低的情况下,包覆AlF3的CFF可去除溶解Mg达87pct,包括蒸发和氧化去除13pct的贡献。计算出溶解[Mg]的总传质系数为1.15910=4m/s。由于初始低水平,过滤器对钠和钙的去除是微不足道的。

理论计算表明,在30秒内,涂层过滤器可以去除铝水中溶解的[Ca],去除率可达99.8%。

Gorner等人的研究结果表明,涂覆氟化铝活性颗粒深床过滤器,[Na]去除效率高达98pct,并显示出78pct效率的去除[Ca]的效率。

粗糙度对泡沫过滤器性能影响

CFF过滤器支柱表面粗糙度增加,表面积及表面能增加,与熔体的润湿性变好, 吸附夹杂的能力提高。

 

在四次过滤试验中,用LiMCA、PoDFA和Alscan测量对铝熔体进行了表征。此外,在前两次试验(参考过滤器和纳米过滤器)中进行了流量测量,分别产生2.6和2.2t/h的流量。

参考过滤器和纳米过滤器显示出与LiMCA结果相似的过滤行为,见图3。参考过滤器和纳米过滤器前的平均N20LiMCA指数(尺寸在20~300μm之间的夹杂物数)约为6.9和9.1k/kg,见表3。过滤器后,平均N20LiMCA指标为0.20k/kg(参考过滤器)和0.23k/kg(纳米过滤器)。粗糙滤器表现出不同的过滤行为。过滤器后的平均N20LiMCA指数为0.04k/kg,略低于前两次试验。过滤器前的N20LiMCA指数从12k/kg左右强烈下降到3.5k/kg左右,这是测量序列最后14分钟的稳定N20LiMCA指数,见图3。试验必须终止,因为过滤盒中的铝水平强烈增加,表明熔体吞吐量降低,这可以追溯到由于夹杂物沉积引起的过滤器堵塞而增加的铝在过滤器中的停留时间。在所有四个试验中都观察到铝水平的增加,但值得注意的是,在粗糙过滤器的试验开始时,整个过滤器的铝水平的差异在10厘米左右,而纳米过滤器只显示1厘米(光滑过滤器为2.8厘米),表明粗糙过滤器的流动阻力较高。功能孔径的差异作为增加阻力的可能原因,可以排除,见表2。

粗糙过滤器的高过滤效率,光滑过滤器具有比参比过滤器和纳米过滤器更稳定的过滤行为。平均N20LiMCA指数在过滤器前为2.93K/kg,过滤器后为0.09K/kg。

六、提高CFF性能的启动方式研究

电磁感应启动方式研究

较高级别CFF具有较高的弯曲度和较少的网状结构,较长的路径长度和更迷宫般的结构有利于在启动阶段捕获过滤器内的空气,创造死区和凝固金属。 在启动之前,凝固会导致过滤器堵塞。 良好的混合和感应加热,加上强大的电磁“推动”进入过滤器,减少了过滤器启动之前凝固的机会。

通过使用更高等级的过滤器、更厚的过滤器或更慢的过滤来去除更多的固体夹杂物,可以提高熔体质量。 采用EM启动,可以有效地以低的金属压头启动更高级别和/或更厚的过滤器,为给定的过滤箱安装提供更高的过滤效率。

震动启动方式——美国铝业公司AFS过滤系统

振动对过滤器重量的影响与实验室试验相同。该过滤器含有比没有振动过滤器多18%的金属,这清楚地表明,更多的体积的金属被过滤器使用。

过滤孔隙度对过滤后获得的PoDFA结果的影响。更精细的过滤板更有效地去除夹杂物。这也表明,去除非常小的颗粒,如碳化物是更困难的。

美国铝业公司新的过滤系统表明,振动辅助启动使用更高密度的开孔过滤器,非常有成本及操作竞争力的成本。所得结果显示了这一新技术的潜力,并为建筑面积最小的铸造车间的关键产品提供了市场机会。该系统易于操作和从操作角度进行维护

反向启动方式——Hydro和Hycast开发的一种新的无放流CFF技术(DFF)

真空启动——RioTintoAlcan(RTA)开发和工业化的先进紧凑过滤器ACF

原理是应用真空来增加有效启动头。

组成:工业ACF单元的一个例子如图所示。该单元由一个适应的CFF箱体组成,它接受两个23英寸的陶瓷过滤盒,一个密封出口井,其设计允许创建初始启动真空,一个真空泵,一个用于金属放流的孔,一个集成的预热盖子以及过程测量和控制设备。

特点:专利真空启动系统、适应高质量的产品要求、低运营成本、对于生产多种不同合金的熔铸车间是理想的、高并且一致的过滤效率和渗透性(可使用于大流量)、降低过滤成本,增强过滤灵活性、这种新的过滤技术适应了频繁的合金变化,并可提供大于90%的夹杂物去除效率。

工作方式:在PLC监督确定已获得足够的预热后,才能通过ACF启动铸造。在铸造开始时,进入铝水覆盖预热过滤器在一个适应的CFF箱体,静压不足以启动过滤器。当得到给定的上游金属高度时,真空启动降低了过滤器下的下游压力,由此产生的压力梯度将启动过滤器。当在出口井中检测到金属时,真空单元收回并开始过滤。一旦启动完成,过滤可以以类似于标准CFF的方式进行,但性能大大提高。

结果表明,在ACF过滤效率高,并且非常稳定。ACF还显示出对过程波动的极好的恢复力。平均炉内N20洁净度水平从15至64k/kg不等,然而,在ACF的下游保持稳定的金属清洁度。整个过滤器的金属压头在铸造过程中保持稳定,金属压头的线性增加值得注意,这是典型的深度模式过滤机制,而不是蛋糕模式过滤。

七、高效柔性多级过滤系统研究

带mini深床的三级XC过滤器

八、新过滤器设计

设计理念——多孔过滤、多级过滤、反向过滤

总结

过滤器上游良好的炉内除气除渣处理、炉内静置、在线除气是获得良好过滤效率的根本保障。

晶粒细化剂生产商开发出足够清洁的晶粒细化剂,并拥有足够的晶粒细化能力,以便对熔体质量影响不大的速度下添加晶粒细化剂,或者可以在CFF过滤器之后添加晶粒细化剂。

晶粒细化剂使用者开展晶粒细化能力研究,在熔铸过程中在保证晶粒度的前提下,针对不同合金选择合适的晶粒细化剂,减少晶粒细化剂用量,选择合适的添加位置及在线过滤装置。

开发使用新型过滤板及先进的过滤系统

在流槽内进行夹杂物去除、控制过滤器表面粗糙度和化学特性以增强颗粒捕获、先进过滤结构的3D打印(多孔过滤结构)、夹杂物破碎(布鲁内尔大学开发的熔体条件直接冷却(MC-DC)熔体剪切过程,它使用熔体剪切装置破碎夹杂物)、多孔过滤、多级过滤和反向过滤过滤研究和工业应用系统开发、泡沫陶瓷过滤器孔结构研究。(流体流动和孔结构研究表明,泡沫陶瓷过滤器的椭圆孔结构可能不是最佳的)


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