세라믹 필터

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배경

많은 산업 공정에서 불순물을 제거하고 최종 제품의 품질을 향상시키기 위해 여과 단계가 필요할 수 있습니다. 공정에 따라 필터는 고온 및 부식성 환경에 노출될 수 있습니다. 따라서 온도와 내화학성이 좋은 필터 재료가 필요합니다.

세라믹 필터는 이러한 요구 사항을 충족하며 다양한 응용 분야에서 사용되고 있습니다. 한 가지 주요 응용 분야는 다양한 구성 요소를 주조하는 동안 용융 금속을 여과하는 것입니다. 다른 하나는 디젤 엔진 배기 필터입니다. 용융 금속 필터의 세계 시장은 연간 2억 달러를 초과합니다.

금속 주조 산업은 북미에서 6번째로 큰 산업으로 미국 경제에 200억 달러 이상을 기여합니다. 매년 약 1,300만 톤의 금속 주조물이 출하되며 이중 85%가 철(철) 금속으로 만들어집니다. 주물은 모든 내구재의 80% 이상에 사용됩니다.

주조 공정에서 고체 금속을 녹이고 적절한 온도로 가열한 다음(때로는 화학 조성을 수정하도록 처리) 캐비티나 몰드에 붓고 응고 중에 적절한 모양으로 금속을 포함합니다. 따라서 단일 단계에서 녹을 수 있는 모든 금속으로 단순하거나 복잡한 모양을 만들 수 있습니다. 주조 부품의 크기는 1인치 및 1온스(예:지퍼의 개별 이빨)에서 30피트(9.14m) 이상 및 수 톤(예:바다의 거대한 프로펠러 및 스템 프레임)에 이르기까지 다양합니다. 라이너).

다양한 주조 공정이 있지만 다이 주조는 모든 금속 주조의 1/3 이상에 사용되며 매년 미국 경제에 73억 달러 이상을 기여합니다. 이 공정에는 용융 금속을 고압으로 강철 다이에 주입하는 과정이 포함됩니다. 알루미늄, 아연, 마그네슘, 때로는 구리와 같은 금속은 원하는 모양으로 응고될 때까지 압력을 가합니다. 부품 범위는 자동차 엔진 및 변속기 부품입니다. 컴퓨터 및 의료 기기의 복잡한 구성 요소; 또는 간단한 책상 스테이플러에.

다양한 주조 공정은 주로 주형 재료(모래, 금속 또는 기타 재료)와 붓는 방법(중력, 진공, 저압 또는 고압)에서 다릅니다. 모든 공정은 수축 공극, 가스 다공성 및 갇힌 개재물과 같은 잠재적인 결함을 동시에 방지하면서 특성을 최대화하는 방식으로 재료가 응고된다는 요구 사항을 공유합니다.

이러한 개재물은 금형으로 이어지는 게이팅 시스템에 세라믹 필터를 배치하여 제거할 수 있습니다. 이러한 필터는 고온에서 다양한 용융 금속의 공격에 저항해야 합니다. 이러한 금속은 알루미늄, 티타늄, 하프늄 및 탄소와 같은 반응성 원소를 포함할 수 있습니다. 이러한 필터를 사용하면 철 합금, 스테인리스강, 초합금, 알루미늄 또는 기타 비철 합금으로 만들어진 광범위한 부품을 제조할 때 스크랩 비율을 40% 줄이고 수율을 10% 높일 수 있습니다.

용융 금속 필터는 일반적으로 방향이나 단면이 다양한 상호 연결된 기공이 있는 다공성 폼과 같은 구조 또는 다양한 모양(정사각형 또는 삼각형)과 일정한 단면의 셀이 있는 압출된 다공성 셀 또는 벌집 구조의 두 가지 형태로 제공됩니다. 전 세계적으로 가장 인기 있는 필터 유형은 폼이지만 셀룰러 필터는 북미 애플리케이션의 75%에서 사용됩니다.

필터에는 열린 셀 또는 닫힌 셀이 있을 수 있습니다. 개방형 셀(망상) 필터는 세라믹 웹으로 둘러싸인 상호 연결된 공극 네트워크로 구성되며 용융 금속 여과에 널리 사용됩니다. 폐쇄형 셀 필터(거품)는 유사한 네트워크로 구성되지만 빔은 개별 셀을 분리하는 얇은 면으로 연결됩니다. 개방형 셀 구조의 개방형 다공성은 필터 응용 분야에서 매우 중요합니다. 필터의 속성은 셀 구조(밀도, 셀 크기)와 재료의 속성에 따라 달라집니다. 장점은 높은 온도 안정성과 낮은 무게를 포함합니다.

이러한 필터의 기공 크기는 선형 인치당 세포 또는 기공(ppi)으로 정의됩니다. 벌집형 필터의 경우 이 범위는 64-121ppi 또는 240ppi입니다. 폼 필터의 경우 기공 크기는 측정하기가 훨씬 더 어렵지만 일반적으로 10-30ppi 범위입니다.

20여 년 전에 비철 주조용으로 처음 도입된 폼 필터는 강철 주조용 직접 주입 장치에도 사용됩니다. 0.125-2인치(0.3175-5.1cm) 범위의 포함. 길이가 0.635cm(0.25인치) 이상이고 깊이가 최대 0.635cm인 경우 제거할 수 있습니다. 이러한 내포물은 주형 재료, 국자 내화물 및 주입 과정 중 재산화로 인해 발생합니다.

여과는 기계적 간섭에 의해 발생하며, 필터 면에서 큰 개재물이 분리되고 필터 내에 갇힌 작은 개재물이 있습니다. 폼 필터는 열린 기공 영역보다 훨씬 작은 개재물을 걸러낼 수 있으며 액체 개재물도 제거할 수 있습니다.

폼 필터의 열 충격 거동(급격한 온도 변화에 대한 저항)은 셀 크기에 따라 달라지며 셀이 커질수록 증가합니다. 강도는 열 충격 후에 처음에 유지되다가 급랭 온도가 증가함에 따라 점차 감소합니다. 밀도가 높을수록 열 충격 저항도 향상될 수 있습니다.

원자재

필터 재료는 일반적으로 다양한 조성의 금속 산화물 분말입니다. 여기에는 산화알루미늄, 산화지르코늄, 스피넬(마그네슘과 산화알루미늄의 조합), 멀라이트(알루미늄과 산화규소의 조합), 탄화규소 및 이들의 조합이 포함됩니다. 특정 특성을 개선하기 위해 다양한 조성의 세라믹 섬유를 첨가할 수도 있습니다. 기타 첨가제에는 결합제(알루미나 수화물, 규산나트륨), 소포제(실리콘 또는 알코올) 및 슬러리 특성을 개선하기 위한 기타 화학물질이 포함됩니다. 물은 일반적으로 세라믹 슬러리를 만드는 데 사용됩니다.

디자인

최적의 필터 성능을 위해 필터는 특정 용도에 맞는 적절한 구성, 기공 크기 및 특성으로 설계되어야 합니다. 크기와 모양은 주조되는 부품의 금형 시스템에 맞게 조정되어야 합니다. 필터가 여과 중에 게이팅 시스템을 질식시키지 않도록 충분한 포트 영역이 허용되어야 합니다. 필터 면적은 필터가 공급하는 총 초크 면적의 3~5배 사이여야 합니다.

필터를 설계할 때 주요 성능 기준은 유량, 여과 효율, 열간/냉간 강도, 슬래그 내성, 내열충격성, 품질 수준 및 비용입니다. 각 디자인은 많은 경우에 상당한 디자인 절충안이 요구되는 다른 디자인보다 일부에서 더 우수합니다.

제조
프로세스

세라믹 필터를 만드는 데 사용되는 몇 가지 방법이 있습니다. 여기에서 더 자세히 설명할 고분자 스폰지 방법은 고분자 스펀지에 세라믹 슬러리를 함침시킨 다음 소각하여 다공성 세라믹을 남김으로써 개방 셀 구조를 생성합니다. 직접 발포 방법은 개방 기포 및 폐쇄 기포 구조를 모두 생성할 수 있으며 발포 구조가 더 일반적입니다. 이 방법에서는 원하는 세라믹 성분과 유기 물질을 포함하는 화학 혼합물을 처리하여 가스를 발생시킵니다. 그러면 재료에 거품이 발생하여 거품이 발생합니다. 생성된 다공성 세라믹 재료는 건조되고 소성됩니다. 벌집 모양 또는 다공질 구조의 경우 압출이라고 하는 플라스틱 성형 방법이 사용되며, 여기서 세라믹 분말과 첨가제의 혼합물이 성형된 다이(예:플레이 반죽)를 통해 강제로 통과됩니다. 세포 구조 세라믹 필터는 여러 가지 방법으로 제조됩니다. 폴리머 스폰지 방법은 폴리머 스펀지에 세라믹 슬러리를 함침시킨 다음 소각하여 다공성 세라믹을 남김으로써 개방 셀 구조를 생성합니다. 벌집 모양 또는 다공질 구조를 만들기 위해 압출이라고 하는 플라스틱 성형 방법이 사용됩니다. 이 방법에서는 세라믹 분말과 첨가제의 혼합물이 성형된 다이(예:플레이 반죽)를 통해 강제로 통과됩니다. 프레스 방식을 사용하여 생산할 수도 있습니다.

스펀지 선택

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1 먼저, 적절한 물성을 가진 고분자 스펀지를 선택해야 합니다. 스펀지의 기공 크기는 소성 후 최종 세라믹의 기공 크기를 결정합니다. 또한 세라믹을 소성하는 데 필요한 온도보다 낮은 온도에서 원래 모양을 회복하고 가스로 전환할 수 있어야 합니다. 이러한 요구 사항을 충족할 수 있는 폴리머에는 폴리우레탄, 셀룰로오스, 폴리염화비닐, 폴리스티렌 및 라텍스가 있습니다. 일반적인 고분자 스폰지의 크기는 너비가 10-100cm(3.94-39.4인치)이고 두께가 1-10cm(0.394-3.94인치)입니다.

슬러리 준비

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2 스펀지를 선택한 후 세라믹 분말과 첨가제를 물에 섞어 슬러리를 만든다. 세라믹 분말은 일반적으로 크기가 45미크론 미만인 입자로 구성됩니다. 물의 양은 총 슬러리 중량의 10-40% 범위일 수 있습니다.

스펀지 담그기

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3 침지 전에 스펀지를 압축하여 공기를 제거하는 경우가 많으며 때로는 기계식 플런저를 여러 번 사용하기도 합니다. 일단 슬러리에 담그면 스펀지가 팽창하고 슬러리가 열린 셀을 채웁니다. 압축/팽창 단계는 원하는 밀도를 달성하기 위해 반복될 수 있습니다.

과잉 슬러리 제거

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4 침투 후 스펀지에서 슬러리의 25-75%를 제거해야 합니다. 이것은 나무 판자 사이에 스폰지를 압축하거나 원심 분리하거나 미리 설정된 롤러를 통과하여 수행됩니다. 롤러 사이의 간격은 제거되는 양을 결정합니다. 때때로 함침된 폼은 여전히 ​​유연하기 때문에 또 다른 성형 단계를 거칩니다.

건조

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5 침투된 스펀지는 공기 건조, 오븐 건조 또는 전자레인지 가열과 같은 여러 방법 중 하나를 사용하여 건조됩니다. 공기 건조에는 8시간에서 24시간이 걸립니다. 오븐 건조는 100-700°C(212-1,292°F) 사이에서 이루어지며 15분에서 6시간 내에 완료됩니다.

스펀지 태우기

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6 슬러리에서 유기물을 제거하고 스펀지를 태우려면 또 다른 가열 단계가 필요합니다. 이것은 공기 또는 불활성 분위기에서 350-800°C(662-1,472°F) 사이에서 15분에서 6시간 동안 느리고 제어된 가열 속도로 발생하여 세라믹 구조가 날아가는 것을 방지합니다. 온도는 스펀지 재료가 분해되는 온도에 따라 다릅니다.

세라믹 소성

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7 세라믹 구조는 1,832-3,092°F(1,000-1,700°C) 사이의 온도로 가열되어 손상을 방지하기 위해 제어된 속도로 재료를 조밀화해야 합니다. 소성 주기는 특정 세라믹 조성과 원하는 최종 속성에 따라 다릅니다. 예를 들어, 산화알루미늄 재료는 5시간 동안 2,462°F(1,350°C)에서 소성을 요구할 수 있습니다.

품질 관리

원료는 일반적으로 구성, 순도, 입자 크기 및 기타 특성에 관한 요구 사항을 충족해야 합니다. 제조 중 모니터링 및 제어되는 속성은 일반적으로 치수 및 설계에 따라 다릅니다. 폼 필터의 경우 코팅 효율을 결정하기 위해 필터의 무게를 측정해야 합니다. 압출 필터는 밀도를 측정합니다. 두 매개변수 모두 강도 속성과 관련이 있습니다.

부산물/폐기물

제조 공정은 폐기물을 최소화하기 위해 세심하게 관리됩니다. 일반적으로 과량의 슬러리는 원래 슬러리의 순도와 고체 로딩을 변경하여 최종 특성에 영향을 줄 수 있으므로 재활용할 수 없습니다.

미래

금속 주조 시장은 주로 세계 경제 약화로 인해 1999년에 2.7% 감소할 것으로 예상되며 총 출하량은 1,450만 톤에 이를 것으로 예상됩니다. 매출은 288억 달러로 소폭 증가할 것이다. 주조 출하량은 2000년과 2001년에 계속 약간 감소할 것이지만 장기적으로는 출하량이 2008년에 거의 1,800만 톤에 도달하고 매출은 450억 달러에 이를 것으로 예상됩니다. 출하 및 판매는 10년 동안 각각 1.7% 및 4.75%의 성장률을 보일 것입니다.

알루미늄 다이캐스팅과 같은 경량 금속 부품의 사용 증가는 자동차 부문의 성장에 박차를 가했습니다. 오늘날 차량 한 대당 평균 150파운드(68.1kg)의 알루미늄 주물이 사용되며 2000년에는 연간 200파운드(90.8kg)로 증가할 것으로 예상됩니다.

세라믹 필터는 고품질 주물을 생산하는 데 계속 중요한 역할을 할 것이며 주물 시장의 성장을 따라갈 것입니다. 지속적인 가격 인하로 인해 달러 거래량이 감소할 수 있습니다. 금속 주물에 대한 품질 및 생산성 요구는 우수한 주물을 얻을 수 있는 빠르고 안정적인 방법을 제공하기 때문에 필터의 필요성을 증가시키고 있습니다. 따라서 캐스팅 구매자는 점점 더 자주 "필터링"을 지정하고 있습니다.