泡沫陶瓷過濾器在風電鑄件上的應用

何忠偉

摘 要：闡述泡沫陶瓷過濾器的應用現狀及存在問題，分析泡沫陶瓷過濾器凈化金屬液原理，避免應用不合理導致過濾器損壞、影響到鑄件缺陷的增加;解決大鑄件夾渣，降低鑄件廢品率，滿足客戶要求。

關鍵詞：泡沫陶瓷過濾器;澆注系統過濾器應用;鑄件夾渣缺陷

1 概 述

隨著環境污染加劇，傳統能源和資源日益短缺，人類對清潔、可再生能源的強烈要求促使可再生能源產業得到了前所未有的發展挑戰。風電是我國的重要能源資源。當前已建成并網的海洋風電項目主要分布于江蘇、上海，最近幾年廣東、福建、浙江等地，海洋風電開發建設進度加快顯著。但目前我國各大風電場所使用的風電機組絕大部分依賴進口，成本居高不下，制約了我國風電行業的迅速發展;這幾年為了滿足我國風電行業的需求，自主生產及加工日益增多。

我國自上世紀80年代末對金屬液的過濾技術展開研究，泡沫陶瓷過濾器對灰鐵、球墨鑄鐵、鑄鋼件化學成分和性能影響。通過過濾作用，能夠獲得純凈鐵水，鑄件性能得到明顯提升，夾雜物明顯減少。近些年隨著鑄造技術的發展，很多鑄造廠廣泛采用泡沫陶瓷過濾器，消除夾渣效果明顯，降低廢品率5%左右。

風電大型鑄件，客戶明確要求夾渣級別為B1（執行ASTMA802），對于不符合要求的鑄件需要進行打磨或者報廢。根據廢品統計，由于夾渣缺陷造成的鑄件廢品約占總廢品量的30%～40%，采用泡沫陶瓷過濾技術工藝可以凈化鐵水，從而有效減少夾渣的產生。在應用泡沫陶瓷過濾器的過程中，應根據鑄件的結構特點，選擇其在澆注系統中合適的位置，并配置相應的數量，才能使過濾器更好地發揮作用。

2 泡沫陶瓷過濾器原理

它具有獨特的三維連通曲孔網狀骨架結構以及80%～90%開口氣孔率。具有四種過濾凈化機制，即：篩分-濾餅-深床過濾機制、飄浮分離機制、深層過濾（物理吸附）和整流機制。泡沫陶瓷過濾器通過篩分、濾餅、深床過濾的機制如圖1所示。

篩分：把夾雜物從熔體中分離出來，對于直徑大于過濾器孔徑的夾雜物進行篩分，夾雜物留在過濾器表面，形成濾餅;

濾餅：使得通過的液體變細，更小的夾渣物會被捕獲在濾餅上;

深床：經過篩分-濾餅后，鐵水在流經過濾器過程中會出現折返現象：增加捕獲夾渣機會，鐵水的流速和方向變換頻繁，更加細小的夾渣物更容易在其碰撞過濾器后殘留于某個位置。

3 泡沫陶瓷過濾器應用過程異常解析

泡沫陶瓷過濾器的使用目的，是提升鑄件品質，改善鑄件表面缺陷;但是，使用不合理或過濾器質量有異常，會導致鑄件缺陷更加惡化。

●過濾器的損壞原因有：①在澆注過程中受強力熱沖擊;②澆注溫度超出過濾器極限范圍; ③澆注重量過載;④澆注時間過長而導致過載;⑤網孔被堵。

●過濾器損壞表現：整片破碎，破碎有裂紋;發生軟化變形或出現熔洞，如圖2。

●過濾器損壞隨著金屬液流到型腔內，就會影響到鑄件報廢，通常會看到鑄件表面經打磨處理后，明顯發現有過濾器形狀的無機氧化物灰白色碎片。

4 泡沫陶瓷過濾器選型

（1） 泡沫陶瓷過濾器采用聚氨酯泡沫塑料為前驅體，浸掛耐火漿料成型工藝，經高溫燒結的具有三維立體網狀結構的特種陶瓷制品，過濾效果好，過濾能力強。

鑄造用泡沫陶瓷按材質分類：氧化鋁質、氧化鎂質、碳化硅質、氧化鋯質、碳復合材料質等。

（2） 碳化硅質和氧化鋯質泡沫陶瓷過濾器物理性能參數如表1所示。

（3） 按ppi分類：網孔密度10ppi、15ppi、20ppi、25ppi、30ppi、40ppi、50ppi。風電鑄件澆注重量較重，澆注溫度低，金屬液流動性較差，需要滿足過濾能力，通常選用泡沫陶瓷過濾器的網孔為10ppi。

（4） 泡沫陶瓷過濾器過濾量，只要計算出過濾器的有效使用面積，再乘以單位面積過濾能力，即可得出每片過濾器過濾金屬液的總量范圍。碳化硅質和氧化鋯質泡沫陶瓷過濾器過濾量參數見表2。

風電鑄件澆注重量較重，澆注時間長，考慮到泡沫陶瓷過濾器安全系數，提升過濾器耐久性，通常過濾器厚度選用40mm，常用規格150mm×150mm×40mm-10ppi，同時過濾器厚度由25mm加至40mm，可提升耐久性及抗沖擊強度。如球鐵150mm×150mm×25mm-10ppi，單位面積過濾能力1.0～2.0kg/cm2，厚度變更后150mm×150mm×40mm-10ppi單位面積過濾能力為2.0～3.0kg/cm2;相同尺寸規格150mm×150mm，25mm厚的最大過濾量是450kg，40mm厚的最大過濾量是675kg。

5 泡沫陶瓷過濾器在風電鑄件應用案例介紹

通常一般有風電過濾器安放方式常見有三種：①垂直安放方式，過濾器獨立單片安放;②水平并排安放過濾器;③水平獨立安放過濾器。

案例1：某客戶生產400kg的球鐵鑄件，澆注溫度1400℃，使用10ppi的泡沫陶瓷過濾器，單位過濾能力為1.0～2.0kg/cm2。由于400kg鑄件重量屬于小件，取限2.0 kg/cm2，選用150mm×150mm×25mm單片過濾器單片重量450kg?？紤]到過濾器的整體面積要比有效面積大，故選用150mm×150mm×25mm單片泡沫陶瓷過濾器。

案例2：某客戶生產10000kg的球鐵鑄件，澆注溫度1380℃，使用10ppi的泡沫陶瓷過濾器，單位過濾能力為1.0～2.0kg/cm2。由于10000kg風電鑄件重量屬于大件，重量大，澆注時間長，考慮到安全系數，過濾器選用厚度40mm，取限2.8kg/cm2，選用150mm×150mm×40mm單片過濾器單片重量630kg。考慮到過濾器的整體面積要比有效面積大，故選用150mm×150mm×40mm規格16片泡沫陶瓷過濾器。

5.1 風電鑄件澆注系統設計及應用案例

（1）熱節點部位，受到金屬液熱沖擊最大，受高溫時間最長，泡沫過濾器最容易產生損壞而破碎。 案例：某鑄造廠，采用以上第一種澆注系統設計，澆注重量為2T的球墨鑄鐵，放置4片150mm×150mm×25mm-10ppi的過濾片，每片過濾量為500kg，鑄件加工后出現30%澆注破碎。

（2）鑄件缺陷SEM EDS表面分析及鑄件打磨檢驗

小結：①SEM EDS表面分析結果：Al成分較多，截面耐火度高，Si元素成分比例高 ;②鑄件表面打磨后發現有形狀灰白色碎片，明顯夾有過濾器碎渣，雙項檢驗明顯屬于泡沫陶瓷濾器澆注破碎。

（3）解決方案：澆注系統不變化，陶瓷過濾器厚度從25mm增加至40mm，基本可以解決澆注破碎出現。

5.2 風電鑄件過濾器應用常見澆注系統設計

5.3 風電常見鑄件

6 總 結

（1）泡沫陶瓷過濾器具有較強的過濾雜質的性能，能夠提高金屬液純凈度，還起到整流作用，提升鑄件成品率;

（2）泡沫陶瓷過濾器物理性能及過濾器材質，要根據鑄件溫度合理選用;

（3）根據應用條件，澆注溫度、重量、澆注時間選擇合理的過濾器尺寸規格、型號，才能確保過濾器產品應用安全性，一般在澆注時間太長、澆注重量過重時，要適當加厚;

（4）過濾器座與澆注系統設計合理化，設計最佳澆注通道，才能發揮過濾器過濾效果及金屬液紊流，才能更好提升鑄件成品率。