DE60207761T2

DE60207761T2 - Filtervorrichtung zur filtration von stahlschmelze

Info

Publication number: DE60207761T2
Application number: DE60207761T
Authority: DE
Inventors: Kassim Church Lange JUMA
Original assignee: Vesuvius Crucible Co
Current assignee: Sued-Chemie Hi-Tech Ceramics Inc (ndgesds Us
Priority date: 2002-06-03
Filing date: 2002-10-17
Publication date: 2006-07-27
Anticipated expiration: 2022-10-18
Also published as: CA2486071A1; DE60207761D1; CA2486071C; BR0215742A; US20050263449A1; EP1511589B1; EP1511589A1; JP2006512209A; KR20050007587A; RU2004138086A; CN1296156C; PL374380A1; ES2252517T3; PL204854B1; BR0215742B1; MXPA04012024A; CN1628004A; ZA200409825B; ATE311266T1; WO2003101644A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Filtervorrichtung zur Filtration. von geschmolzenem Stahl und ein Verfahren zur Herstellung derselben.
Für die Verarbeitung von geschmolzenen Metallen, insbesondere Stahl, ist es wünschenswert, exogene intermetallische Einschlüsse, wie aus Verunreinigungen der Rohstoffe, aus Schlacke, Krätze und Oxiden, die sich auf der Oberfläche der Schmelze bilden, sowie Einschlüsse aus kleinen Bruchstücken von Feuerfestmaterialien, die verwendet werden, um die Kammer oder den Behälter zu formen, in dem die Schmelze aus geschmolzenem Metall gebildet wird, zu entfernen.
Das Entfernen dieser Einschlüsse erzeugt eine homogene Schmelze, die eine hohe Qualität von Produkten sicherstellt, speziell beim Gießen von Stahl, Eisen- und Aluminiummetallen. Gegenwärtig werden Keramikfilter wegen ihrer hochgradigen Fähigkeit, einen extremen Wärmeschock auszuhalten, wegen ihrer Beständigkeit gegen chemische Korrosion und ihrer Fähigkeit, mechanische Beanspruchungen auszuhalten, in breitem Umfang verwendet.
Die Produktion derartiger Keramikfilter beinhaltet im Allgemeinen das Mischen von Keramikpulver mit geeigneten organischen Bindemitteln und Wasser, um eine Paste oder einen Brei herzustellen. Der Brei wird zum Imprägnieren eines Polyurethanschaums benutzt, der anschließend getrocknet und bei einer Temperatur im Bereich von 1000 bis 1700°C gebrannt wird. Durch diese Behandlung wird das brennbare Material während der Sinterung verbrannt, um einen porösen Körper zu erzeugen. Die US-A-2,460,929 und die US-A-2,752,258 können als Beispiele für die übliche Vorgehensweise dienen.
Auch existiert ein offenporiger Filter, der statt aus einer zufälligen Verteilung von unregelmäßigen Verbindungsdurchlässen aus einer Reihe von parallelen, durch das Material hindurch verlaufenden Kanälen besteht, wie sie im Allgemeinen durch hydraulisches Pressen eines feuchten Keramikpulvers und eines organischen Bindemittels in eine Form, die senkrechte Stifte enthält, hergestellt werden. Man erhält so eine perforierte Struktur, die in Form einer Scheibe oder eines Blocks vorliegen kann. Der perforierte Artikel wird dann in Abhängigkeit von der endgültigen Anwendung bei einer Temperatur im Bereich von 1000 bis 1700°C gebrannt, um eine perforierte Scheibe zu erzeugen. Während des Brennens entwickelt sich eine keramische und/oder glasartige Bindung.
Die US-A-4,721,567 betrifft einen keramischen Gießfilter zur Verwendung beim Gießen von geschmolzenem Metall, der eine Anzahl von in engen Abständen angeordneten, mit Öffnungen versehenen Elementen umfasst, die dazwischen Filterhohlräume begrenzen, wobei ihre Öffnungen so versetzt sind, dass das aus den Öffnungen von einem Element ausströmende Metall durch eine Verengung hindurchtritt, bevor es in die Öffnungen des nächsten Elements eintritt. Dieses Patent beschreibt einen Keramikfilter mit sämtlichen der Nachteile einer großen thermischen Masse, Anfälligkeit für Wärmeschock, Kriechen und thermische Zersetzung. Der Filter besteht aus zwei oder mehr getrennten Teilen, die nicht miteinander verbunden sind. Es wird kein Zwischenraum oder keine Kammer zwischen den Schichten erzeugt, wenn der Filter schließlich zusammengesetzt wird. Es finden sich auch Vorschriften betreffend die Zwischenräume zwischen Öffnungen sowie die Öffnungsdurchmesser. Dieser Filter mit vielen Mängeln ist in der Herstellung besonders teuer.
Die US 6,216,768 B1 betrifft das Verhältnis der Anzahl von freien Öffnungen in der Filterplatte, die in den Bereichen angeordnet sind, die nicht vom Einsatz aus Behandlungsmaterial bedeckt sind, einerseits, zur Gesamtzahl von Öffnungen in der Filterplatte, andererseits, das nicht kleiner als 10% ist und/oder nicht über 75% liegt. Dieser Filter ist besonders zur Eisenimpfung bestimmt. Er ist nur zum Gießen von Eisen geeignet. Er wird unverbunden als zwei Teile geliefert. Er wird vom Kunden am Ort des Gießens zusammengesetzt. Er ist aus Keramik hergestellt und verwendet eine zwischen den beiden Hälften angebrachte Dichtung.
Die US-A-5,785,851 beschreibt einen netzartigen Keramikfilter für geschmolzenes Metall, der einen Einlassteil mit einer Einlassoberfläche, einen mit dem Einlassteil zusammenhängenden Zwischenkörperteil und einen Auslassteil mit einer Auslassoberfläche aufweist. Die Einlassoberfläche ist nicht-planar, mit oberen Oberflächen und unteren Oberflächen, um eine beträchtliche Kontaktfläche für geschmolzenes Metall bereit zu stellen, das zur Einlassoberfläche zugeführt wird. Dieses Patent betrifft einen Schaumfilter mit einer gewissen Modifikation der Oberfläche des Schaums. Eine obere perforierte Platte kann auf die Oberseite des Schaumfilters gelegt werden, die als Vorfilter dient. Aufgrund eines übermäßigen Abkühlens des Metalls während des Gießens funktioniert dieser Filter in der Praxis nicht, weil das Metall durch den Keramikvorfilter sowie den Keramikfilter hindurchtreten muss. Auch erläutert das Patent nicht, welche Art von Mechanismus verwendet wird, um den Vorfilter mit dem Schaumfilter zu verbinden.
Außerdem betrifft die WO 01/40414 A1 ein poröses Material auf Kohlebasis mit einer Dichte zwischen etwa 0,1 Gramm pro Kubikzentimeter und etwa 0,6 Gramm pro Kubikzentimeter, das durch die kontrollierte Erwärmung von kleinen Kohlepartikeln in einer "Form" und in einer nicht-oxidierenden Atmosphäre erzeugt wird. Das poröse Produkt, das dadurch erzeugt wird, vorzugsweise als nahezu netzartige Gestalt, kann bearbeitet, geklebt und auf andere Weise gefertigt werden, um eine breite Vielfalt von preiswerten Produkten geringer Dichte zu erzeugen, oder in seiner vorgeformten Gestalt als Filter, Wärme- oder elektrischer Isolator usw. verwendet werden. Diese besagten porösen Produkte weisen ohne eine weitere Behandlung Druckfestigkeiten von bis zu etwa 6000 psi auf. Eine weitere Behandlung durch Karbonisierung oder Graphitisierung der besagten porösen Produkte ergibt Produkte, die als elektrische oder Wärme-Leiter verwendet werden können. Dieses Patent betrifft einen Schaum mit zumeist geschlossener und zufälliger Porosität. Wegen der Einschränkung der Verwendung einer Stahlform ist eine Massenproduktion schwierig. Die einzige genannte Filtrationsanwendung ist nur für Aluminiummetall, wobei eine Herstellung dieses Schaums einen gesteuerten Druck und eine gesteuerte Atmosphäre erforderlich macht. Dieses Patent hängt davon ab, den Druck in der Form zu regulieren, um eine poröse Struktur zu erhalten. Auch ist die Porosität in diesem Fall nicht vollständig offen. Der Anspruch einer Verwendung zur Filtration ist einer von vielen Verwendungen und es gibt keinen Beweis, dass der Filter jemals tatsächlich zur Metallfiltration verwendet wurde. Auch wurde für eine Filtration nur Aluminium erwähnt, da ein solcher Filter für eine Stahlfiltration zu schwach ist. Das Patent beschreibt nur einen Kohlenstofffilter ohne jegliche Keramik. Das Verfahren zur Herstellung des Filters basiert auf einer Regulierung des Drucks innerhalb der Form. Dieses Verfahren ist schwierig zu steuern.
Die US-A-4,395,333 beschreibt ein verbessertes Filterelement zur Verwendung in einer Vorrichtung zum Filtern von geschmolzenem Metall, sowie das Verfahren zur Herstellung eines solchen Filterelements. Die Vorrichtung besteht aus einem mit einem Filterelement ausgestatteten Filterbehälter. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das verbesserte Filterelement mit Metall vorbenetzt, bevor die Filtervorrichtung in Dienst genommen wird. Bei einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das verbesserte Filterelement mit einem oder mehreren Verstärkungselementen verstärkt. Das verbesserte Filterelement kann in Filterbehältern mit einer Vielzahl von Gestaltungen verwendet werden. Dieser Filter dient nur für Aluminium. Er ist aus Keramik hergestellt und ist durch eine Keramikstruktur verstärkt. Das Hauptziel dieses Patents ist es, die mechanische Integrität des Filters während des Gebrauchs bei der Aluminiumfiltration zu verbessern.
Die EP 0 990 371 A2 betrifft ein Verfahren zum Behandeln von geschmolzenem Aluminium, das Partikel darin enthält, um die Partikel aus dem geschmolzenen Aluminium zu entfernen, umfassend Hindurchleiten von geschmolzenem Aluminium durch ein erstes starres Filtermedium mit einer ersten Oberfläche, um einen Anteil der Partikel zu entfernen, Auffangen der Partikel auf der ersten Oberfläche als Filterkuchen, wobei sich die Partikel von der Oberfläche entfernen lassen, indem man den Filterkuchen mit Gasblasen in Kontakt bringt, und Hindurchleiten des geschmolzenen Aluminiums durch ein zweites starres Filtermedium, um Partikel daraus zu entfernen, die eine Größe aufweisen, welche allgemein kleiner als die der vom ersten Medium entfernten Partikel ist. Eine zum Filtern von geschmolzenem Metall brauchbare Vorrichtung umfasst einen starren Grobfilter und einen starren Feinfilter. Dieses Patent dient nur zur Aluminiumfiltration. Die beiden Filter sind beides keramische Schaumfilter und nicht miteinander verbunden.
Die US-A-4,514,346 verwendet Phenolharz, um bei hoher Temperatur mit Silizium zu reagieren, um Siliziumcarbid zu bilden. Es ist keine Kohlenstoffbindung beteiligt. Dieses Patent dient nur zur Herstellung von porösem Siliziumcarbid. Eine Temperaturen oberhalb von 1600°C wird verwendet, um Siliziumcarbid zu erhalten. Das Verfahren ist nicht-wässrig. Die mit diesem Verfahren erhaltene Porosität ist eine geschlossene Porosität, die bei einer Filtration, die eine offene Porosität erforderlich macht, keine Verwendung findet.
Die GB-A 970 591 befasst sich mit der Herstellung von Graphitartikeln hoher Dichte und geringer Permeabilität. Sie verwendet als Lösemittel ein organisches Lösemittel, nämlich Furfurylalkohol, und nicht Wasser. Bindemittel in Form von Pech wird mit 25% ohne jegliche Keramik verwendet. Die endgültige Erwärmung erfolgt auf über 2700°C. Die Porosität ist eher eine geschlossene Porosität als eine offene Porosität.
Die US-A-3,309,433 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von hochdichtem Graphit. Sie verwendet Heißpressen als Mittel zum Erhalten von hochdichten Graphitartikeln für Nuklear-Anwendungen. Sie verwendet spezielles Material, genannt Dibenzanthron, um den Graphit zu binden. Sie hat keine nützliche Anwendung auf dem Gebiet der Metallfiltration. Sie verwendet keinerlei Keramik bei dem Verfahren. Sie verwendet eine hohe Temperatur von bis zu 2700°C.
Die EP 0 251 634 B1 beschreibt ein geeignetes Verfahren zur Herstellung von definierten porösen Keramikkörpern, die glattwandige Zellen aufweisen, welche von den Porenbildnern gebildet werden, sowie Poren mit runden Rändern, welche die Zellen untereinander verbinden.
Die US-A-5,520,823 betrifft nur Filter für Aluminium. Die Bindung erhält man unter Verwendung von Borosilikatglas. Das Brennen wird in Luft ausgeführt, und eine beträchtliche Menge Graphit würde wegen der Oxidation durch Luft verloren gehen. Zur Aluminiumfiltration verwendete Filter werden gewöhnlich bei ungefähr 1200°C gebrannt, während diejenigen, die zur Verwendung für Eisen vorgesehen sind, bei Temperaturen von 1450°C und für Stahl bei oberhalb 1600°C gebrannt werden.
Trotz ihrer weit verbreiteten Verwendung zur Metall-, insbesondere Stahl-Filtration, weisen Keramikfilter der oben erwähnten Arten mehrere Nachteile auf, die ihre Anwendbarkeit begrenzen:

1. Keramikfilter, obwohl sie vorgewärmt werden, neigen dazu, durch erstarrende Partikel beim ersten Kontakt mit dem geschmolzenen Metall zu verstopfen. Zu diesem Zweck wird zum Gießen gewöhnlich überhitztes geschmolzenes Metall verwendet, das Metall mit einer Temperatur von etwa 100°C über dem Liquiduspunkt ist, um ein Zusetzen der Filter zu verhindern. Diese Praxis ist im Hinblick auf Energie und Kosten äußerst verschwenderisch und jegliche Verbesserung, welche die Verarbeitungstemperatur des geschmolzenen Metalls reduziert, ist von großem Nutzen. Kohlenstoffbeschichtungen sind im Stand der Technik auf die Oberfläche von Keramikfiltern aufgebracht worden, um die thermische Masse des Teils, das in direkten Kontakt mit dem geschmolzenen Metall kommt, zu verringern. Durch die EP 0 463 234 B1 ist auch ein exotherm reagierendes Thermit-Material vorgeschlagen worden, das auf eine mit Kohlenstoff beschichtete Oberfläche des Keramikfilters aufgebracht wird. Obwohl die letztere Lösung die für den Strom des geschmolzenen Metalls notwendige Temperatur verringert, erhöht sie die Produktionskosten der Filter und schränkt die Anwendbarkeit sehr eng ein, da die Thermit-Beschichtung im Einklang mit der Art von geschmolzenem Metall stehen muss, für die sie verwendet wird. Jedenfalls dienen sowohl die Kohlenstoff- und die Thermit-Beschichtung dazu, den Nachteil einer hohen thermischen Masse des Keramikfilters zu überwinden, während der Herausforderung von mehreren weiteren Nachteilen nicht begegnet wird.
2. Keramische Bindungen und Bindungen vom glasartigen Typ neigen dazu, bei hoher Temperatur zu erweichen und zu kriechen, was sehr häufig zu einer Erosion des Filters und einer anschließenden Verunreinigung der Schmelze führt.
3. Eine Rissbildung aufgrund von Wärmeschock oder chemischer (reduktiver) Korrosion durch die heiße Metallschmelze ist ein Problem, das man bei Filtern mit Keramik- und Glasbindung häufig antrifft.
4. Die Notwendigkeit äußerst hoher Brenntemperaturen, speziell im Fall von zur Stahlfiltration vorgesehenen keramischen Werkstoffen, ist ein ernster Nachteil von konventionellen Keramikfiltern, der um so schlimmer ist, wenn das Erfordernis von teurem Keramikrohstoff in Betracht gezogen wird.
5. Zudem ist die Verwendung von Zirkonerde mit ihrer verhältnismäßig starken Hintergrundstrahlung gefährlich und sollte vermieden werden.
6. Große Zirkonerdefilter sind wegen der starken Schrumpfung während des Brennens schwierig herzustellen.
7. Das Verbrennen von Polyurethanschaum während des Herstellungsverfahrens von Schaumfiltern verursacht eine Umweltverschmutzung durch gefährliche Gase.

Die am 01. September 2001 eingereichte mitanhängige EP-A1-1288178 betrifft einen zur Filtration von geschmolzenem Metall geeigneten Keramikfilter, umfassend ein gebundenes Netzwerk von graphitisiertem Kohlenstoff. Mit Kohlenstoff gebundene keramische Werkstoffe sind im Allgemeinen schwach und leiden unter einer geringen mechanischen Festigkeit. Die mit Kohlenstoff gebundenen Filter gemäß dieser Quelle weisen eine begrenzte mechanische Festigkeit auf, was während des Transports und des Gebrauchs Probleme verursacht und das Vermögen der Filter, den Druck von geschmolzenem Metall auf sie auszuhalten, begrenzt.
Auch sind diese Filter brüchig und neigen dazu, in Stücke zu brechen, die vor dem Gießen in die Form fallen, was eine Verunreinigung des Gussteils verursacht.
Die am 31. Mai 2002 eingereichte mitanhängige Anmeldung EP 02 012 031 betrifft einen mit Kohlenstoff gebundenen Filter, der durch das Vorhandensein von Keramikfasern, Glasfasern, organischen Fasern, Kohlenstofffasern, Metallfasern und Mischungen derselben verstärkt ist.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist es somit, eine Filtervorrichtung 1 für Metall bereit zu stellen, welche die oben erwähnten Nachteile überwindet, insbesondere die oben erwähnten Punkte 1. bis 3. Es ist auch ein Ziel der Erfindung, einen Filter mit verbesserter Gießrestentfernung, verbesserter Unterbrechung des Stroms von geschmolzenem Metall, insbesondere Stahl, bereit zu stellen, der ohne Einschränkung der Größe preiswerter herzustellen ist. Die Herstellung eines solchen Filters sollte umweltfreundlicher sein, indem ein Verbrennen von Polyurethanschaum vermieden wird.
Bei einer ersten Ausführungsform betrifft die Erfindung eine Filtervorrichtung 1, umfassend ein gebundenes Netzwerk von graphitisiertem Kohlenstoff, zur Filtration von geschmolzenem Metall, insbesondere Stahl, gekennzeichnet durch das Vorhandensein von mindestens zwei im Abstand voneinander angeordneten Siebplatten 2, 4, von denen jede eine wellige Oberfläche (6, 6a) (Erhebungen und Mulden) und einen vorstehenden Rahmen (5, 5a) aufweist, die am vorstehenden Rahmen miteinander verbunden sind, wobei sie eine Speicherkammer 7 bereit stellen.
1 ist die Oberseitenansicht einer Filtervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung 1 ist von quadratischer Geometrie, jedoch kann sie mit einer beliebigen anderen Geometrie hergestellt werden, wie als Rechteck, Kreis usw.. Die obere Siebplatte 2 und die untere Siebplatte 4 (nicht dargestellt) enthält eine Reihe von Öffnungen 3, die es gestatten, geschmolzenes Metall, insbesondere Stahl, zu filtern. Die Siebplatten 2, 4 bilden eine Speicherkammer 7, welche die Geschwindigkeit des Stroms von geschmolzenem Metall verringert, indem die aus der Reihe von Öffnungen 3 resultierenden einzelnen Ströme vereinigt werden und der Inhalt der Speicherkammer 7 durch den Hindurchtritt durch die untere Siebplatte wieder in eine Reihe von einzelnen Strömen von geschmolzenem Metall, insbesondere Stahl, aufgeteilt wird.
2 ist ein Querschnitt der Filtervorrichtung 1 gemäß 1. Zwei Siebplatten 2, 4 sind im Abstand voneinander angeordnet. Der Abstand zwischen den Siebplatten 2, 4 wird durch jeweils einen Rahmen 5, 5a bereit gestellt, der sicherstellt, dass sich die einander gegenüberliegenden Innenseiten 6, 6a der Siebplatten 2, 4 insbesondere während des Gebrauchs der Filtervorrichtung 1 zur Filtration von geschmolzenem Metall, insbesondere Stahl, nicht im Kontakt miteinander befinden. Die Verbindung zwischen den beiden Rahmen 5, 5a kann zum Beispiel durch eine Hochtemperatur-Keramik- oder Kohlenstoffbindung hergestellt werden. Obwohl 2 das Vorhandensein von zwei Siebplatten 2, 4 zeigt, deren Innenseiten 6, 6a einander gegenüber liegen, kann das untere oder das obere Sieb 2, 4 unter der Maßgabe, dass mindestens eine Speicherkammer 7 vorhanden ist, in einer solchen Weise gedreht werden, dass der Rahmen 5, 5a von einem Sieb 2, 4 direkt mit dem nächsten verbunden ist. In derselben Weise können drei oder mehr Siebplatten 2, 4 kombiniert werden.
Die Siebplatten 2, 4 enthalten mehrere Durchgangsöffnungen, die nicht notwendigerweise wie die Öffnungen 3 und 3a in direkter Strömungsrichtung vorliegen müssen. Zum Beispiel sind die Durchgangsöffnungen 3b und 3c im seitlichen Abstand angeordnet und gestatten kein direktes Hindurchströmen des geschmolzenen Metalls. Die obere Siebplatte 2 weist eine wellige Oberfläche 6 (Erhebungen und Mulden) mit hoher Oberflächenunregelmäßigkeit oder Oberflächenrauhigkeit auf, die dazu dient, die Verweilzeit des geschmolzenen Metalls, zum Beispiel Stahl, im Zwischenraum (Speicherkammer) zwischen der ersten und zweiten Siebplatte 2, 4 zu vergrößern, und auch um den Flächeninhalt des Filters zu vergrößern. Die wellige Oberfläche 6, 6a kann durch Eindrücken in die zum Pressen der Filter verwendeten Stahlwerkzeuge hergestellt werden.
3 zeigt die Rauhigkeit der Oberfläche 6, 6a einer Siebplatte 2, 4 durch eine Reihe von Erhebungen und Mulden. Die Innenseiten 6, 6a der beiden Platten 2, 4 sind gewellt, während die Außenseiten der beiden Siebplatten 2, 4 gewellt sein könnten, obwohl dies zur Komplexität der Presswerkzeuge beitragen kann.
4 zeigt eine Filtervorrichtung, die derjenigen aus 1 ziemlich ähnlich ist. Jedoch sind die Innenseiten 6, 6a der Speicherkammer 7 nicht aufgeraut, weisen aber eine definierte dreidimensionale Geometrie auf, wie Hügel und Täler, die für dieselbe Wirkung einer Verringerung der Geschwindigkeit des durch die Öffnungen 3, 3a, 3b hindurchtretenden Stroms von geschmolzenem Metall, insbesondere Stahl, sorgen.
5 zeigt eine Oberseitenansicht einer in 4 dargestellten Siebplatte 2, 4.
Die Filtervorrichtung 1 kann aus einem beliebigen Material hergestellt werden, das auf dem Gebiet der Filterung von geschmolzenem Metall üblicherweise bekannt ist, wie aus Tonerde, Siliziumdioxid, Zirkonerde, Magnesia, Ton, Glimmer, Pyrophillit, Mullit oder irgend einem anderen auf dem Gebiet der Keramikherstellung verwendeten Material. Vorzugsweise ist die Filtervorrichtung 1 aus Keramikmaterial hergestellt, insbesondere aus Keramikmaterial, das ein Netzwerk von graphitisiertem Kohlenstoff umfasst und wahlweise Fasern enthält. Die Verwendung eines keramikfreien Materials weist jedoch insofern den Vorteil einer besseren Widerverwendbarkeit auf, als das geschmolzene Metall nicht durch das Keramikmaterial verunreinigt wird.
Der Begriff "graphitisierbar" bedeutet, dass die durch Pyrolyse des Kohlenstoffvorgängers erhaltene Kohlenstoffbindung beim Erhitzen auf eine höhere Temperatur in Abwesenheit von Luft in eine graphitartige Bindung umgewandelt werden kann. Graphitisierbarer Kohlenstoff unterscheidet sich von einem glasartigen Kohlenstoff durch die Tatsache, dass es unmöglich ist, glasartigen Kohlenstoff in eine graphitartige Bindung umzuwandeln, ganz egal wie hoch die Temperatur ist, auf die er erwärmt wurde.
Eine Kohlenstoffbindung dieser Art zeigt die folgenden vorteilhaften Merkmale:

– Bedeutend preiswerter herzustellen.
– Das Brennen kann bei einer viel niedrigeren Temperatur vorgenommen werden, um das gesamte Kohlenstoffbindungs-Netzwerk aus dem Kohlenstoffbindungs-Vorläufer zu entwickeln. Im Allgemeinen müssen die Filter bei einer Temperatur im Bereich von 500°C bis 1000°C gebrannt werden.
– Es ist eine bedeutend geringere Überhitzung erforderlich.
– Niedrige thermische Masse.
– Bessere Wärmeschockbeständigkeit.
– Verunreinigungsfrei.

Die Filtervorrichtungen 1 gemäß der vorliegenden Erfindung weisen eine relativ niedrige thermische Masse auf. Eine Folge davon ist, dass keine Notwendigkeit besteht, das zu filternde Metall, insbesondere Stahl, zu überhitzen, was den Energieverbrauch verringert.
Ein Hinzufügen von bis zu 20 Gewichts-% Fasern zu den Filterrezepturen trägt zu einer beträchtlichen Verbesserung der Leistungsfähigkeit der Filter bei. Die Verbesserung ergibt sich hauptsächlich aufgrund höherer mechanischer Festigkeit, verbesserter Steifigkeit, höherer Schlagbeständigkeit und besserem Wärmeschock. Die Verbesserung zeigt sich selbst durch ein vergrößertes Filtrationsvermögen, bessere mechanische Integrität und weniger Verunreinigung des Stahlgussteils. Auch kann wegen der Zunahme der mechanischen Festigkeit aufgrund der Verwendung von Fasern das Gesamtgewicht des Filters verringert werden, was zu geringeren Kosten und einem verbesserten Wirkungsgrad des Filters führt.
Wegen der außergewöhnlichen mechanischen Festigkeit der Kohlenstoffbindung in Kombination mit Fasern kann während des Metallgießverfahrens bei hoher Temperatur keine Erweichung oder Biegung stattfinden. Dies trägt zu einem sogar noch saubereren Metallgussteil bei.
Graphitisierbare mit Kohlenstoff gebundene Filtervorrichtungen, die gemäß der vorliegenden Erfindung Fasern enthalten, bieten verglichen mit glasartigen mit Kohlenstoff gebundenen Filtern die folgenden Vorteile:

– hohe Oxidationsbeständigkeit
– hohe mechanische Festigkeit
– hohe Schlagbeständigkeit
– geringe Mikroporosität
– kleine spezifische Oberfläche
– strukturelle Flexibilität
– nicht-sprödes Verhalten
– wirtschaftlicher Gebrauch.

Traditionell werden Keramik- und Verbundmaterialien Fasern zugesetzt, um die mechanische Festigkeit zu verbessern, und sie verleihen den Gegenständen Steifigkeit. Diese Fasern könnten entweder Metallfasern, organische Fasern, wie Polyesterfasern, Viskosefasern, Polyethylenfasern, Polyacrylnitril(PAN)fasern, Aramidfasern, Polyamidfasern usw. sein, oder Keramikfasern, wie Aluminosilikatfasern, Aluminiumoxidfasern oder Glasfasern, oder Kohlenstofffasern, die aus 100% Kohlenstoff bestehen. Alle diese Arten von Fasern werden in einem unterschiedlichen Maß in Keramik verwendet, um den Eigenschaften von Keramik zusätzliche Vorteile zu verleihen, wie hohe mechanische Festigkeit, hohe Schlagbeständigkeit und besserer Wärmeschock.
Das Hinzufügen der Faserarten zu den mit Kohlenstoff gebundenen Filtern aus dem Stand der Technik bewirkt eine merkliche Verbesserung der mechanischen Festigkeit der Filter sowie eine Verbesserung der Schlagbeständigkeit und des Wärmeschocks. Die Festigkeit konnte aufgrund der Verwendung von Fasern verdoppelt werden. Schlagbeständigkeit und Wärmeschockbeständigkeit nehmen ebenfalls entsprechend zu. Infolgedessen können nunmehr die Filtervorrichtungen 1 ihr Filtrationsvermögen mindestens verdoppeln. Zum Beispiel weist bei einem Kohlenstofffilter, der aus einer einzelnen Siebplatte 2 von 100 mm × 100 mm × 20 mm hergestellt ist, die ein normales Stahlfiltrationsvermögen von 100 kg aufweist, dieselbe Filtervorrichtung, die durch zwei Siebplatten 2, 4 verdoppelt ist, ein Filtervermögen von 200 kg Stahl auf. Außerdem ist der Strom von geschmolzenem Metall viel breiter, wenn er die Filtervorrichtung 1 verlässt, und weist somit eine geringere Geschwindigkeit auf.
Für eine optimale Leistungsfähigkeit sollte der graphitisierte Kohlenstoff, der das gebundene Netzwerk gemäß der vorliegenden Erfindung bildet, in einer Menge von bis zu 15 Gewichts-% des Filters, vorzugsweise von bis zu 10 Gewichts-%, sogar noch bevorzugter in einer Menge von mindestens 2 Gewichts-% bis zu 5 Gewichts-% vorhanden sein.
Bei einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden die Filtervorrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung durch ein Verfahren erzeugt, umfassend die Schritte:

a) Pressen einer halbfeuchten Mischung, umfassend Keramikpulver und wahlweise einen Vorläufer für eine graphitisierbare Bindung, Fasern und andere Additive in einer hydraulischen Presse, um eine perforierte Siebplatte 2, 4 in Form einer Scheibe mit einem vorstehenden Rahmen 5, 5a zu erhalten, mit einer gewellten Oberfläche 6, 6a (Erhebungen und Mulden oder Hügel und Täler) von mindestens einer der Innenseiten 6, 6a der Siebplatte 2, 4,
b) Verbinden von zwei Siebplatten 2, 4 miteinander unter Verwendung eines Keramik- oder Kohlenstoffbindemittels, so dass zwischen den beiden Siebplatten 2, 4 ein Zwischenraum (Speicherkammer) gebildet wird, und
c) Brennen des zusammengesetzten Filters in reduzierender oder nicht-oxidierender Atmosphäre bei einer Temperatur von bis zu 1000°C, vorzugsweise zwischen 600°C und 700°C.

Bei einer alternativen Vorgehensweise werden die Siebplatten 2, 4 zuerst getrennt gebrannt und danach miteinander verbunden.
Die Oberflächenrauhigkeit der Innenseite 6 der Siebplatten 2, 4 kann erhalten werden, indem man eine glatte Oberfläche aufraut, oder indem man die Geometrie in der gewünschten Rauhigkeit oder Geometrie direkt mit einem Stempel presst, der eine Welligkeit oder Höhendifferenz zwischen den Erhebungen und Mulden (Hügeln und Tälern) von mindestens 0,1 mm bis 10 mm, insbesondere 1 mm bis 5 mm liefert.
Beispiele:
Beispiel 1
Als graphitisierbares hochschmelzendes Pech (HMP) wurde ein Kohleteer-Pech verwendet, das eine Glasübergangstemperatur von 210°C, einen Verkokungswert von 85%, einen Aschewert von 0,5% aufweist und das als feines Pulver kommerziell erhältlich ist.
Eine Mischung von 50 g Aluminosilikat-Keramikfasern, 70 g des hochschmelzenden Pechpulvers, 900 g Keramikpulver (gebrannte Tonerde), 100 g Graphitpulver, 20 g PVA-Bindemittel und 60 g Wasser wurde in einem Hobart- oder Eirich-Mischer hergestellt. Das Ziel des Mischprozesses war es, eine halbfeuchte und homogene Mischung herzustellen. Ein vorbestimmtes Gewicht der Mischung wurde in eine Stahlform eingebracht, die im unteren Teil des Presswerkzeugs vertikale Stifte und im oberen Teil eine gewellte Oberfläche 6, 6a (Erhebungen und Mulden) enthielt. Ein Pressen der Mischung erzeugte eine perforierte Siebplatte 2, 4 mit einem vorstehenden Rahmen 5, 5a, einer ebenen Oberfläche an einer Seite und einer gewellten Oberfläche 6, 6a an der anderen.
Nach dem Pressen werden jeweils zwei Platten 2, 4 in einer solchen Weise miteinander verbunden, dass die beiden gewellten Oberflächen 6, 6a einander gegenüberliegen und somit zwischen sich einen Zwischenraum oder eine Speicherkammer erzeugen.
Danach wurde der resultierende Filter in einer inerten Atmosphäre bei einer Temperatur im Bereich von 600°C bis 900°C 20 bis 120 min lang gebrannt, bei einer Aufheizgeschwindigkeit im Bereich von 1°C/min bis 10°C/min.
Die faserverstärkte mit graphitisierbarem Kohlenstoff gebundene perforierte Filtervorrichtung 1 wurde in einem Feldversuch zum Filtern von geschmolzenem Stahl benutzt. Es wurde gefunden, dass die Filtervorrichtung 1 keine Überhitzung des geschmolzenen Metalls erforderlich machte, da sie beim Kontakt von geschmolzenem Metall mit dem Filter Wärme erzeugte, die ausreichte, um den Strom vom geschmolzenen Stahl während der Filtration zu bewahren. Die Ursache davon war die exotherme Reaktion der Filteroberfläche und des geschmolzenen Stahls. Auch litt die Filtervorrichtung 1 während des Versuchs nicht unter Wärmeschock oder Verformung. Diese Vorteile öffnen die Türe für eine verbesserte wirtschaftliche und effiziente Filtration von Gussstahl.

Claims

Filtervorrichtung (1) zur Filtration von geschmolzenem Stahl mit einem gebundenen Netzwerk von graphitisiertem Kohlenstoff, enthaltend mindestens zwei Siebplatten (2, 4), von denen jede eine gewellte Oberfläche (6, 6a) (Erhebungen und Mulden) und einen vorstehenden Rahmen (5, 5a) aufweist, die unter Bildung eines Zwischenraums oder einer Speicherkammer am vorstehenden Rahmen miteinander verbunden sind.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der sich gegenüberliegenden Oberflächen (6, 6a) der Siebplatten (2, 4) eine Oberflächenwelligkeit im Bereich von 0,1 mm bis 10 mm, insbesondere 1 mm bis 5 mm aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchgangsöffnungen (3, 3a) der jeweiligen Siebplatten (2, 4) in seitlichem Abstand voneinander angeordnet sind.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Durchgangsöffnungen (3, 3a) der jeweiligen Siebplatten (2, 4) im Bereich von 1 bis 10 mm, insbesondere 2 bis 5 mm, liegt.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Geometrie der Durchgangsöffnungen (3, 3a) der Siebplatten (2, 4) kreisförmig, elliptisch, dreieckig, quadratisch, rechteckig, fünfeckig oder sechseckig ist.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Geometrie von jeder der Siebplatten (2, 4) gleich ist.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Filter aus Keramikrohmaterial hergestellt ist, insbesondere aus Keramikmaterial hergestellt ist, das ein Netzwerk von graphitisiertem Kohlenstoff und wahlweise Verstärkungsfasern umfasst.
Verfahren zum Erzeugen einer Filtervorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, umfassend die Schritte: a) Pressen einer halbfeuchten Mischung, umfassend Keramikpulver und einen Vorläufer für eine graphitisierbare Bindung, Fasern und andere Additive in einer hydraulischen Presse, um eine erste und eine zweite perforierte Siebplatte (2, 4) in Form einer Scheibe mit einem vorstehenden Rahmen (5, 5a), mit einer gewellten Oberfläche (6, 6a) (Erhebungen und Mulden) von mindestens einer der Innenseiten (6, 6a) der Siebplatte (2, 4) zu erhalten, b) Verbinden der zwei Siebplatten (2, 4) miteinander mittels des vorstehenden Rahmens (5, 5a) unter Verwendung eines Keramik- oder Kohlenstoffbindemittels, so dass zwischen den beiden Platten (2, 4) ein Zwischenraum oder eine Speicherkammer (7) gebildet wird, und c) Brennen der zusammengesetzten Filtervorrichtung (1) in reduzierender oder nicht-oxidierender Atmosphäre bei einer Temperatur bis zu 1000°C, vorzugsweise zwischen 600°C und 700°C.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (6, 6a) in einem weiteren Schritt vor oder nach dem Brennen der Siebplatte (2, 4) aufgeraut wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die halbfeuchte Mischung einen Vorläufer mit graphitisierbarer Kohlenstoffbindung, Keramikpulver und andere Additive enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorläufer bei einer Temperatur im Bereich von 500 bis 2000°C, insbesondere 500 bis 1000°C gebrannt wird.