Теоретичне дослідження фізико-хімічних та кінетичних аспектів процесу фільтрації розплавів алюмінію з використанням керамічних фільтрів
DOI:
https://doi.org/10.15407/steelcast2023.03.056Ключові слова:
керамічний фільтр, розплав алюмінію, фільтрація, неметалеві включення, крайовий кут змочування, кінетика гетерогенних процесів, поверхнева енергіяАнотація
Відомо, що алюміній та його сплави мають багато переваг та є одним з основних конструкційних матеріалів. При цьому існують численні проблеми в досягненні високої чистоти розплавів алюмінію. У даній роботі висвітлено, що одним з основних способів рафінування розплавів алюмінію є їх фільтрація крізь керамічні фільтри.
Результати попередніх наукових досліджень показали високу ефективність фільтрації розплаву алюмінію від неметалевих включень через керамічні фільтри, що обґрунтовано їх суттєвим осадженням на стінках даного виробу. Однак фізико-хімічний механізм та кінетичні закономірності видалення неметалевих включень з розплаву алюмінію при його фільтрації вивчено недостатньо.
Отже, метою дослідження стало встановлення фізико-хімічних закономірностей, а також створення кінетичної моделі видалення неметалевих включень з розплавів алюмінію.
На першому етапі досліджень було проведено термодинамічний аналіз видалення неметалевих включень з розплаву алюмінію за рахунок дії поверхневих та динамічних сил. Детально розглянуто механізм утримання поверхнею фільтра включень різного агрегатного стану та розмірів.
В результаті досліджень встановлено, що включення будь-якого агрегатного стану (тверді, рідкі) розміром до 30 мкм утримуються на поверхні фільтра за рахунок дії поверхневих сил, рідкі включення розміром більше 30 мкм підкоряються таким же закономірностям; тверді включення розміром більше 30 мкм утримуються силами захоплення. В цьому випадку, включення, що злилися між собою, надалі виконують роль нових фільтруючих поверхонь.
Проведений кінетичний аналіз гетерогенного процесу видалення неметалевих включень поверхнею фільтра показав, що процес лімітується кінетичною областю та перебігає за першим порядком.
Для підтвердження достовірності кінетичної моделі, а також для визначення впливу швидкості розливання металу на якість фільтрації, було проведено розливання розплаву алюмінію через керамічний фільтр у лабораторних умовах з використанням індикаторів фільтрації.
Проведені дослідження підтвердили лімітуючу область перебігу гетерогенного процесу фільтрування розплаву алюмінію через керамічні фільтри, а також дозволили встановити, що ефективність видалення включень зменшується зі зменшенням швидкості розливання.
Завантажити
Посилання
Apelian, D., Mutharasan, R., Ali, S. (1985). Removal of inclusions from steel melts by filtration. J Mater Sci, 20, 3501—3514. https://doi.org/10.1007/BF01113756
Sun, N., Wang, Zh., Sun, B., Li, Yu., Guo, Zh. (2022). Purification of primary aluminum liquid through supergravityinduced filtration. Chemical Engineering and Processing – Process Intensification, 182, 109199. https://doi.org/10.1016/j.cep.2022.109199
Hassanabadi, M., Berto, T., Akhtar, S., Aune, R.E. (2023). Hydraulic Characterization of Ceramic Foam Filters Used in Aluminum Filtration. Materials, 16(7), 2805. https://doi.org/10.3390/ma16072805
Gehre, P., Firouzeh, S.T., Schmidt, G., Dudczig, S., Kiefer, B., Aneziris, C.G. (2023). Flame-sprayed alumina molten metal filters for dead-mould casting application. Open Ceramics, 15, 100373. https://doi.org/10.1016/j.oceram.2023.100373
Voigt, C., Hubálková, J., Zienert, T., Fankhänel, B., Stelter, M., Charitos, A., Aneziris, C.G. (2020). Aluminum Melt Filtration with Carbon Bonded Alumina Filters. Materials, 13, 3962. https://doi.org/10.3390/ma13183962
Salomon, A., Zienert, T., Voigt, C., Jäckel, E., Fabrichnaya, O., Rafaja, D., Aneziris, C.G. (2013). Comparison of interfacial reactions between AlSi7Mg and alumina filter after casting and spark plasma sintering. Advanced Engineering Materials, 15(12), 1206—1215. https://doi.org/10.1002/adem.201300114
Gehre, P., Schmidt, A., Hubálková, J., Aneziris, C.G., Child, N., Delaney, I., Rancoule, G., DeBastiani, D. (2018). Interaction of slip- and flame-spray coated carbon-bonded alumina filters with steel melts. Journal of the American Ceramic Society, 101(7), 3222—3233. https://doi.org/10.1111/jace.15431
Voigt, C., Ditscherlein, L., Werzner, E., Zienert, T., Nowak, R., Peuker, U., Sobczak, N., Aneziris, C.G. (2018). Wettability of AlSi7Mg alloy on alumina, spinel, mullite and rutile and its influence on the aluminum melt filtration efficiency. Materials & Design, 150, 75—85. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2018.04.026
Luchini, B., Hubálková, J., Wetzig, T., Grabenhorst, J., Fruhstorfer, J., Pandolfelli, V.C., Aneziris, C.G. (2018). Carbon-bonded alumina foam filters produced by centrifugation: A route towards improved homogeneity. Ceramics International, 44(12), 13832—13840. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2018.04.228
Voigt, C., Jäckel, E., Taina, F., Zienert, T., Salomon, A., Wolf, G., Aneziris, C.G., Le Brun, P. (2017). Filtration Efficiency of Functionalized Ceramic Foam Filters for Aluminum Melt Filtration. Metallurgical and Materials Transactions B, 48, 497—505. https://doi.org/10.1007/s11663-016-0869-5
Voigt, C., Dietrich, B., Badowski, M., Gorshunova, M., Wolf, G., Aneziris, C.G. (2019). Impact of the Filter Roughness on the Filtration Efficiency for Aluminum Melt Filtration. In C. Chesonis (Ed.), Light Metals 2019. The Minerals, Metals & Materials Series. Springer, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-030-05864-7_130
Ali, S., Apelian, D., Mutharasan, R. (2013). Refining of Aluminum and Steel Melts by the Use of Multi-Cellular Extruded Ceramic Filters. Canadian Metallurgical Quarterly, 4, 311—318. https://doi.org/10.1179/cmq.1985.24.4.311
Emmel, M., Aneziris, C.G. (2012). Development of novel carbon bonded filter compositions for steel melt filtration. Ceramics International, 38(6), 5165—5173. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2012.03.022
Damoah, L.N.W., Zhang, L. (2010). Removal of Inclusions from Aluminum Through Filtration. Metallurgical and Materials Transactions B, 41, 886—907. https://doi.org/10.1007/s11663-010-9367-3
Lyakhter, V.M. (1994). Hydraulic modeling. Moscow: Energoatomizdat, 392 p. [in Russian].
Gelfman, M.I., Kovalevich, O.V., Yustratov, V.P. (2004). Colloidal chemistry. St. Petersburg: Lan Publishing House, 336 p. [in Russian].
Sivukhin, D.V. (2005). General physics course. Vol. 1. Mechanics. Moscow: FIZMATLIT, 560 p. [in Russian].
Roach, P. (1980). Computational fluid dynamics. Moscow: Mir, 616 p. [in Russian].
Fankhänel, B., Stelter, M., Voigt, C., Aneziris, C.G. (2017). Interaction of AlSi7Mg with Oxide Ceramics. Advanced Engineering Materials, 19(9), 1700084. https://doi.org/10.1002/adem.201700084
Завантаження
Опубліковано
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2023 В.Г. Єфімова, Ю.П. Скоробагатько, О.М. Смірнов, А.Ю. Семенко, М.С. Горюк, Є.В. Карпухін
Ця робота ліцензується відповідно до ліцензії Creative Commons Attribution 4.0 International License.
