高档合金的过滤选择-深床过滤器

图 6 大型过滤器（流量达 100 吨/小时），底部装有 3 个小型加热器
在保温阶段，利用两套加热系统可以确保铝 液温度维持在设定的范围内。这样可以避免表层 过热，最大限度减少氧化造渣。特别是铸造高镁 合金或者硬合金，这一点尤为重要。
如果只采用上部加热盖加热，6 个小时以后测 量，发现过滤床底部和顶部温差大约 60℃，当铸 造难度较大、有开裂倾向的合金时，这样的温差 是不可接受的，有些铸造线不得不在铸造前一道 工序再加一套加热装置。
2009 年第 07/08 期（总第 127/128 期）
高档合金的过滤选择-深床过滤器
法国机械设备服务公司 胡洪全
摘要： Novelis PAE 在市场上提供一种新型过滤设备，称作深床过滤器（PDBF）。这种过滤技术经 过 20 多年的开发和完善，在美铝、力拓加铝等大型铝业公司的高纯铝、双零箔、硬合金、PS 版等生产 领域都得到广泛应用。中国高纯铝行业从 2005 年开始引进第一台深床过滤器；2006 年引进第二台用于 硬合金生产；双零箔行业 2007 年也引进了第一台深床过滤器，都得到了很好的使用效果，目前中国铝 行业引进的这种深床过滤器已经接近 10 台。
表 1 过滤后平均的 LIMCA 值，过滤器出口测得
LIMCA N20（K/kg）
5182 合金
双级陶瓷板过滤器过滤后数值
2.8
深床过滤器过滤后数值
0.5
3XXX 合金 1.9 0.0
另一个好处就是在过滤箱前面稳定且微弱的 金属静力集结将减少床的堵塞。这就带来了过滤 器较长的使用寿命（图 14），一些情况下可过滤高 达 9000 吨的金属，这也取决于导入金属的清洁程
度以及合金更换的频率。说明了 PDBF 适用于大规 模生产（长时间铸造），特别是罐料和铝箔料。
对于大多数易起反应的合金，可能需要使中性 气体覆盖在熔体表面，通过盖子冲入，如 N2 或 CO2。
图 13 LIMCA 对 3104 罐料合金所测得的 PDBF 效率
图 14 采用 PODFA 技术测试的深床过滤 器的过滤效果（原料是废的 3004 合金）
平均寿命或消耗量
典型成本（欧元）
氧化铝球和砂砾 过滤 6000 吨
57500
栅格 栅格支撑 排干塞密封
过滤 6000 吨 一年 过滤 6000 吨
34250 1200 350
预热时所需电能 保温时所需电能 启动时所需电能 铸造时所需电能
滤床），过滤介质的性能也有所区别，设备操作程 序也不尽相同。这种深层过滤技术在铸造领域已 经得到认可，可以满足质量要求较高的高端产品 的需要。
长期以来，Novelis PAE 一直与研发中心和铝 加工厂一起合作，开发并完善自己的深床过滤系 统，使之具备了诸多独到的优点。
1 基本描述和原理
图 1 深床过滤器原理示意图（注意床体的相对厚度）
图 7 填充室，三个小型加热器上边有支撑栅 格和铝液出口导管
图 8 大型过滤器，配有预热盖。风机安装在顶部， 同时可看到自我倾动机构（架子+液压缸） 和底部放流装置（底部左边）
图 9 盖子辐射管，3 到 9 个，用于加热气体， 预热过滤床
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目前市场对高档铝合金的需求越来越大，终 端客户对质量要求越来越高。一般来说，这种对 高档铝合金的需求正朝着薄壁化、高强度、易加 工的趋势发展。这种需求对铸造前铝合金的干净 程度要求越来越高。
目前最常用的过滤技术是陶瓷泡沫过滤技 术，这种技术的过滤效果随着过滤板孔隙度的提 高而提高。尽管如此，其过滤效果比起深床过滤 器还相差甚远，后者的过滤介质比较厚（深层过
模型和实践都表明，杂质被保留在过滤床体 上，尽管杂质的尺寸比床体孔隙的尺寸小得多。 过滤床最终会堵塞也证明了这一点。
图 4 深床过滤原理
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图 5 四种主要杂质捕获机理
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我们不过多地探讨模型杂质拦截细节，粗略 总结一下，杂质捕获的方式大概有四种，见示意 图 5。如果铝液流速合适，避免机械碰撞或搅拌（这 一点，在铸造车间很容易实现），杂质就会被过滤 介质吸收，过滤床慢慢堵塞。
当采用大型过滤器时(图 6)，温度均匀性（温 差不超过 10 度）对铸造启动是至关重要的。在连 续铸造过程中，这套高效加热系统能够有效提高 铝液温度。
2 如何操作 Novelis PAE 深床过滤器 长期的生产实践和模型试验，我们总结出一
套操作规律，这套规律可以让过滤介质得到最大 限度利用，不会对铝液质量带来风险。我们将操 作过程简单化，如：
图 11 过滤床预热曲线， 装有热空气风机循环系统
如果安装风机循环系统，预热温升会很快， 如图 11，预热时间不到 3 天。 2.3 过滤床填充
过滤床填充是指向过滤器里以适当的温度、 合适的流速初次填充液态铝液。填充的程序是： 将铝液从过滤器的出口注入（图 7），铝液从过滤 床的底部上升，慢慢流到过滤床的顶部，这样整 个过滤床会全部浸入到铝液中（均匀浸泡）。铸造 过程中，铝液从过滤床的顶部向下流（图 1）。 2.4 更换合金
深床过滤器的过滤效果与其它过滤技术进行比 较。
模型试验的计算结果是基于特定尺寸和密度 的杂质运行轨迹进行计算的（这里选择的密度是 4.5g/cm3），同时也考虑到其它各种过滤参数，特 别是铝液流速[2;3]。每一种过滤器的过滤效率都是 根据其理想的过滤条件、适当的流速范围，进行 评估的（图 12[5]）。
表 2 的计算清楚地表明：某客户的铸造线按 照实际过滤量 6000 吨进行测算，深床过滤器的过 滤成本只有 0.91 欧元/吨。
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部件 过滤介质 耐材
公辅设施
耗材成本 加热器 箱体 其他
维护成本
表 2 过滤 3004 合金的运行成本，产能 150 000 吨/年
这种新技术最近又有以下方面的新发展： ● 优化过滤床堆垛方式和程序以实现最佳过滤效果； ● 具有双级加热系统，可以精确控制温度； ● 拓宽了过滤床的尺寸范围，向大流量发展，可达 100 吨/小时 本文对深床过滤器的特色，以及一些工业生产的结果进行了描述，内容还涉及到该设备运行成本的 分析。 关键词：铝液质量；过滤；高档合金；长寿命；程序
测试证明：就总体而言，过滤效果≥95%，而 且稳定性很好，这对过滤细小的杂质非常重要。
特别是生产较薄的铝箔产品；另外，氧化铝球和 砂砾层的等级对确保过滤质量也非常重要。
表 1 比较了 PDBF 与双级 CFF 的过滤效果，列 出了对一些杂质≥20 微米粒子的合金系列的除渣 效果，都是来源于不同工厂的工业数据，如图 13。
2.1 过滤床堆垛 通过模型试验和工业实践，我们认为过滤床
的结构组成必须满足这些要求：不同的过滤床选 择不同尺寸的氧化铝球和氧化铝沙砾层，这些高 质量的过滤介质在市场上都可买到；用不同尺寸 的介质堆垛过滤床（每层厚度不同）。我们对操作 人员进行培训，教给他们如何堆垛正确的过滤床， 如何在填充室支起过滤栅格，如何将过滤介质成 袋按顺序倒入过滤床。 2.2 过滤床预热
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深床过滤器拥有隔热效果极好的箱体（图 1 和图 2），液态铝液在箱体内流过深层床体（500mm 厚）。箱体顶部是加热盖，盖子可以对箱体进行密 封，并具有加热功能，同时可以对过滤床进行预
热。箱体有两个腔：过滤床位于靠近入口的处理 室，由栅格支撑；立式导管部分用于填充过滤床， 在铸造过程中，作为铝液出口。
深床过滤介质的孔隙尺寸比其所过滤的杂质 的尺寸大 100 倍，如果过滤速率维持在 0.1 到 0.4cm/s，过滤效果会达到最大值。
模型也表明：与陶瓷泡沫过滤器相反，深床 过滤器不会受过滤杂质密度的影响。
1.2 双级加热系统 在填充、保温过程中，或者仅仅在铸造开始
前，深床过滤器的温度控制至关重要，某些温度 较低区域容易引起铝液凝固，这样会影响过滤效 果。深床过滤器除了良好的绝热设计，还配备了 双级加热系统：盖子里装有辐射加热管，同时也 用于预热过滤床；氧化铝球支撑栅格的下面水平 插入一个或几个小型加热器， 该加热器直径较小 （大约 28 毫米），由 Sialon 材料制成，抗热冲击 和腐蚀性能十分优异。
过滤床的寿命与合金更换的频次以及过滤床 自身的寿命有关。简化的更换合金程序为：在两 次铸造之间采用铝液冲刷，通过底部放流孔进行 放流；采用预热站离线预热备用箱体，这样不需
要浪费过多的停产时间就可更换过滤床。
3 过滤效果 过滤床的设计原理（图 1）以及相关的操作程
序决定着过滤效率。 我们可以采用模型试验和生产实践的结果对
正因为深床过滤器可以过滤掉很小的杂质， 所以在生产一些高端产品，如：印刷版、电容箔、 罐料、超薄铝箔、及航空铝材等，都适于选择深 床过滤器。
4 运行成本 深床过滤器的运行成本相当低，过滤床内部
材料都可以承受铝液的长期浸泡，如果合金更换 得不是很频繁或者生产管理较好，寿命会更长。 一般情况下，深床过滤器的运行成本大约只有陶 瓷泡沫过滤器的一半。

预热过程通过 5 个热电偶监控，热电偶分别 在这种情况下，整个床体的温度要高于设定温度 插在床体的不同位置，中间一个，四个角各一个。 650℃，预热过程见图 10。
Temperature (°C) Temperature (°C)
900 800 700 600 500 400 300 200 100
采用 PLC 控制（如果需要，PLC 功能一般被整 合到铸造线的自动化系统里），操作台有图像显示 和报警功能；
与其它技术不同，过滤床里不需要充入气体； 箱体自我倾动，不必采用天车或其它附加装 置来倾倒氧化铝球（图 8）； 使用寿命长，不需要过多人员参与； 更换过滤床所需时间短。