专利名称：镁质高强度功能型过滤装置及其制造工艺的制作方法
技术领域：
该产品用于冶炼特殊钢的生产工艺中，是帮助钢水进行脱出S、P、Si、Al等有害成份，提高钢水洁净度的一种高强度功能型过滤装置。具体是钢水浇注时，先由过滤装置将钢水中的有害元素和非金属夹杂物，进行物理和化学方法处理，为生产高纯金属材料提供更加经济有效的技术方法使用的装置。
背景技术：
目前，世界冶金制造领域生产的金属材料的趋势，是向高纯度和超高纯度钢发展。各国都把研究、开发洁净钢作为金属材料的发展方向。国内外冶金界一致认为单靠先进的炼钢工艺和严格的操作技术是不够的，为了提高钢材质量，各国一直在不断地研究、开发和提高冶炼及后处理净化技术。如普遍采用真空处理、吹惰性气体、喷粉状材料(如脱硫剂)，电磁搅拌、电弧或感应加热等近代技术的各种炉外精炼法和用合成渣保护浇铸等方法。有些特殊钢质量要求比较高，还需在盛钢桶内精炼加上真空感应熔炼或采用电子轰击熔炼和电渣重熔等方法。不管采用何种方法，钢水的质量都未能达到理想的效果。至今，各国还没有找到一种能满足特殊钢模铸和连铸生产上需要的净化技术与设备。净化处理技术只能在铸造领域里使用各种类型的陶瓷网、陶瓷片过滤一些小件产品，取得了一定的成果。
发明内容
本发明的目的是提供一种由功能性新材料和镁质材料复合构成的独特组织结构，能够实现钢水净化过滤的功能装置。它能使钢水在浇铸瞬间，让钢水中的有害元素和非金属夹杂物与装置内的活性材料发生化学反应，生成各种化合物被滤出，提高钢水的洁净度。
为了实现上述目的，设计了一种以氧化镁为基体材料，其上覆着一层氧化钙材料做为内层工作面——即反应层，这两种主要材料制成装置右半部做为盛钢槽(13)的复合右箱体(14)，装置中间是由右复合多孔板(3)、氧化钙多孔等径球体滤介(5)，左侧镁质多孔板(6)和镁质压板(4)组成的多孔过滤屏蔽；左半部外层为高气孔、低密度的氧化镁材料，内层——即工作层为低气孔、高密度的氧化镁材料，两种材料复合制成承载高纯度钢水净钢室(9)的左箱体，这三部分连成的整体——就是设计的高强度功能型过滤装置。
结构和制作方法如下把80重量份的氧化钙和20重量份的碳酸钙，与适量的二氧化锆、氧化钛均匀混练成混合料，并与做基体的粗中细电熔镁砂混合料依据内层、外层配方分别加入到过滤装置箱体模具的右半部；再将致密的电熔镁砂混合料100重量份与80重量份的电熔镁砂和20重量份的碳酸镁均匀混练成的混合料。依据内外层分别加入箱体模具的左半部，一起加压成型制出整块复合箱体。混练时加入的结合剂是磷酸盐过饱和溶液。按上述右半部混合料的方法成型一块复合多孔板(3)，再用电熔镁砂成型一块单一均质镁质多孔板(6)和一块镁质挡渣板(8)。用含量90～99％的氧化钙80重量份的烧结熟料和20重量份的碳酸钙，与适量的二氧化锆、二氧化钛均匀混练成混合料，成型一块氧化钙质挡渣板(2)和等径球体滤介(5)。将覆着CaO面的右复合多孔板(3)镶在多孔过滤屏蔽的右侧——盛钢槽(13)的一边；另一块镁质多孔板(6)镶在多孔过混屏蔽的左侧——高纯度钢水净钢室(9)的一边，两块多孔板中间装入等径球体滤介(5)，上面用镁质压板(4)卡在两块多孔板上部定位壳台上，这种组合就构成了装置的中间部分——多孔过滤屏蔽。氧化钙质挡渣板(2)镶在复合右箱体(14)的盛钢槽(13)的入口端处，镁质挡渣板(8)镶在复合左箱体(10)的净钢室(9)一侧两壁上部予留的凹槽内，镁质挡渣堰(12)是整体成型时压出的一道凸棱，再在底端处安装一个镁质出钢口管形砖做为净钢水出口(11)。顶部安装一个镁质管形排气口(7)，成型、干燥后经高温烧结，整体过滤装置就制造出来了。
烧结的作用，碳酸盐分解，CO2逸出后，留下大量分布均匀的微气孔，也就形成了多孔等径球体滤介和高气孔、高表面积反应层；而净钢室内层表面致密光滑，外层密度低，气孔高，变成了两种密度不同的镁质材料构成的复合体结构。
本产品具有的显著效果和优点1、由于过滤装置组合结构优越，相互配置合理，具有强度高、抗冲刷、功能性新材料与钢水中非金属接触易反应等特点，解决了以往陶瓷过滤网只能过滤小零件、强度低、不耐冲刷，与钢水中非金属碰撞不反应等缺点。所以，此种过滤装置适用于大通钢量的特殊钢模铸或连铸生产上。
2、钢水流入盛钢槽内，首先与底部和四壁相碰撞，钢水中的有害元素S、P、Si、Al等和非金属夹杂与内层CaO发生化学反应生成铝酸盐、硅酸盐、磷酸盐、硫化物等产物靠分子间力被吸附在壁上，随着钢水不断流入产生了紊流搅动力，将反应产物从内工作表面上冲掉，成渣上浮，被挡渣板阻挡，内工作表面上的CaO又重新裸露出来，继续与其它物质反应。这种现象是连续反复发生的。被钢水裹带而没有和CaO材料发生，化学反应有害元素和非金属夹杂，又被多孔屏蔽阻挡和屏蔽表面与多孔等径球体滤介相撞，与表面的CaO发生化学反应生成各种化合物，靠分子间力和范德华力吸附于氧化钙材料表面和微孔内，对多孔等径球体滤介有序排列堆积形成三维孔隙通道，增加了钢水中微米和纳米级的非金属质点通过的路程；多孔等径球体的表面积增大，增强了非金属与CaO材料之间发生化学反应的机会，进一步起到了化学方法的净化作用。其二，滤介三维孔隙通道把钢水均匀分流，清除了钢水中残留的微气量，减少气体夹杂。
3、采用镁质高强度功能型过滤装置，可滤出钢水中的非金属夹杂物60～90％以上。能降低金属中的MnO、O、N、H等氧化物和非金属的含量。可使钢水中的有害元素[S]以0.01％以上降至0.001％以下，甚至更低达1PPm。真正改善了钢材的脆性，提高了机械性能和物理性能。可以看出镁质高强度功能型过滤装置同时具备液气分离、过滤净化、吸附、分解、化合反应等功能，帮助钢水提纯和过滤净化作用是目前任何方法都无法与之相比的。
下面结合附图对本发明进一步说明。
附图为本发明结构示意图1-钢水入口 2-氧化钙质挡渣板 3-右复合多孔板 4-镁质压板5-等径球体滤介 6-镁质多孔板 7-排气口 8-镁质挡渣板9-净钢室 10-复合左箱体 11-钢水出口 12-镁质挡渣堰13-盛钢槽 14-复合右箱体具体实施方式
镁质高强度功能型过滤装置为箱体结构。由复合右箱体(14)、复合左箱体(10)和二者中间的多孔屏蔽组成。由基体材料和功能材料构成的右箱体(14)的内腔为具有钢水入口(1)和氧化钙挡渣板(2)的盛钢槽(13)。盛钢槽(13)左立面板即多孔屏蔽的右复合多孔板(3)。右复合多孔板(3)左面是镁质多孔板(6)、二多孔板之间填装氧化钙等径球体滤介(5)。上部用镁质压板(4)卡在二多孔板上部定位壳台上，上述部件组合构成多孔屏蔽。
由基体材料和功能材料构成的左箱体(10)内腔为净钢室(9)，其上部具有排气口(7)和镁质挡渣板(8)，底面具有镁质挡渣堰(12)和钢水出口(1)，其右立面板即多孔屏蔽的左镁质多孔板(6)。
过滤装置的制造工艺，以电熔镁砂为基体材料，氧化钙、碳酸钙、碳酸镁、二氧化锆、二氧化钛为功能材料，以磷酸盐过饱和溶液为结合剂，在对应的模具中加压成型。
复合右箱体(14)的加压成型将80重量份的氧化钙4～6分结合剂，20重量份的碳酸钙与适量二氧化锆、二氧化钛均匀混练成混合料，与粗、中、细粒度的电熔镁砂混合料，基体材料为外层、功能材料为内层，按上述重量份比，分别加入至过滤装置本模具的右半部；复合左箱体的加压成型将100重量份的致密电熔镁砂混合料、80重量份电熔镁砂、20重量份碳酸镁4～6重量份结合剂均匀混炼成混合料，按内外层要求分别加入至过滤装置箱体模具的左半部。
左右一起加压成型，制出整块复合箱体。
用右箱体(14)的原料配方和压制方法在右复合多孔板模具中加压成型一块右复合多孔板(3)。
用电熔镁砂在相应模具中加压成型单一均质镁多孔板(6)和镁质挡渣板(8)。
用80重量份氧化钙含量90～99％的烧结熟料20重量份碳酸钙与适量二氧化锆、二氧化钛4～6重量份结合剂混炼成混合料，加压成型氧化钙挡渣板(2)和等径球体滤介(5)，多孔过滤屏蔽的组装将表面覆着氧化钙的右复合多孔板(3)镶嵌在盛钢槽(13)左部，多孔镁质板(6)镶嵌在净钢室(9)的右部，二多孔板之间填装等径球体滤介(5)、上部用镁质压板(4)卡在二多孔板上部定位壳台上。
氧化钙挡渣板(2)倒镶在复合右箱体(14)内腔盛钢槽(13)入口处，镁质挡渣板(8)倒镶在复合左箱体(10)内控净钢室(9)上盖内壁予留的凹槽中。净钢室(9)上盖有管形排气口(7)，底部装有管形洁净钢水出口(11)，镁质挡渣堰(12)为与净钢室(9)底一体的一个凸棱。
整个复合箱体，干燥后再经高温烧结即为镁质高强度功能型过滤装置。
实施例如下下列配方所使用的原料是碳酸镁、碳酸钙与MgO含量96％的电熔镁砂及烧结的氧化钙熟料，它依CaO含量分为90％、95％、99％三种，和ZrO2含量99％的高纯二氧化锆、TiO2含量98.5～99％的高纯二氧化钛，加入的结合剂是磷酸盐过饱和溶液。
配料中，基体原料是电熔镁砂、反应层和多孔等径球体滤介是烧结氧化钙熟料，每次采用的方法如下实施1右箱体、复合多孔板的反应层，与氧化钙挡渣板、球体滤介采用的原料配方是含CaO90％的烧结氧化钙熟料80重量份，碳酸钙20重量份和适量二氧化锆与二氧化钛、磷酸盐过饱和溶液结合剂加入4～6重量份一起混练成混合料，经压制成型、干燥、烧结。不同的是右箱体外层和复合多孔板的另一侧采用含MgO96％的电熔镁砂100份，加入4～5重量份的磷酸盐过饱和溶液进行混合，按上述制作方法制造成为右箱体和复合多孔板的基体。
作为盛净钢室使用的左箱体采用的原料是外层为含MgO96％的电熔镁砂80重量份、碳酸镁20重量份，内层含MgO96％的电熔镁砂100重量份，分别加入4～5重量份的磷酸盐过饱和溶液结合剂，分别混炼，再按上述制作方法制造。
根据各种混合料的配方，分别加至模具内的指定位置一起加压成型。按生产工艺要求制成高强度功能型过滤装置，其对冶炼的45号钢水进行过滤净化处理，其结果如下过滤前后球体滤介材料中非金属成分变化
过滤前后钢锭金相高倍检测
过滤前后钢锭气相分析
实施例2过滤装置制作方法与实施1相同。不同之处在右箱体、复合多孔板的反应层和氧化钙挡渣板、球体滤介所采用的原料是CaO含量为95％的烧结氧化钙熟料80重量份、碳酸钙20重量份和适量二氧化锆与二氧化钛，磷酸盐过饱和溶液结合剂加入4～6重量份，一起混炼成混合料；而右箱体的外层和复合多孔板的另一侧采用的原料和制作方法不变。
作为盛钢室使用的左箱体采用的原料和制作方法仍不变。根据各种混合料配方和生产工艺要求制成高强度功能型过滤装置，对冶炼的气阀钢和轴承钢的钢水进行过滤净化处理，冷凝后的钢锭洁净度显著提高，钢中非金属夹杂明显减少，可从钢锭切取样块，通过扫描电镜X射线能谱检测分析看出，滤后非金属在金属中存在的形态和数量减少，使其级别降低，表示钢材纯度大幅度提高，成为高纯度洁净钢。其结果如下金属过滤前后非金属夹杂物的级别变化 实施3过滤装置制作方法与实施1、2相同。不同之处在右箱体、复合多孔板的反应层和氧化钙挡渣板、球体滤介所采用的原料是CaO含量为99％的烧结氧化钙熟料80重量份、碳酸钙20重量份和适量二氧化锆与二氧化钛、磷酸盐过饱和溶液结合剂加入4～6重量份一起混炼成混合料；而右箱体的外层和复合多孔板的另一侧采用的原料和制作方法不变。
作为盛钢室使用的左箱体采用的原料和制作方法仍不变。根据各种混合料配方和生产工艺要求制成高强度功能型过滤装置，对熔炼后合金金属液进行过滤净化处理，通过金属滤前、滤后取样相分析和金属中非金属夹杂物含量与粒度、形态检测，其结果如下滤前合金中非金属夹杂物总量为100PPm；滤后合金中非金属夹杂物总量小于1～2PPm。此合金达到超高纯程度，属世界先进水平。
权利要求
1.镁质高强度功能型过滤装置，为箱体结构，其特征在于由由复合右箱体(14)、复合左箱体(10)和二者中间的多孔屏蔽组成，由基体材料和功能材料构成的右箱体(14)的内腔为具有钢水入口(1)和氧化钙质挡渣板(2)的盛钢槽(13)，盛钢槽(13)左立面板即多孔屏蔽的右复合多孔板(3)，左面是镁质多孔板(6)，二多孔板之间填装氧化钙等径球体滤介(5)，上部用镁质压板(4)卡在二多孔板上部定位壳台上，上述部件组合构成多孔屏蔽，由基体材料和功能材料构成的左箱体(10)内腔为净钢室(9)、其上部具有排气口(7)和镁质挡渣板(8)，底面具有镁质挡渣堰(12)和钢水出口(11)右立面板即多孔屏蔽的左镁质多孔板(6)。
2.镁质高强度功能型过滤装置的制造工艺，其特征在于以电熔镁砂为基体材料，氧化钙、碳酸钙、氧化锆、氧化钛为功能材料，以磷酸盐过饱和溶液为结合剂，以对应的模具中加压成型，复合右箱体(14)的加压成型将80重量份的氧化钙4～6重量份结合剂、20重量份的碳酸钙与适量二氧化锆、二氧化钛均匀混练成混合料，与粗、中、细的电熔镁砂混合料，基体材料为外层、功能材料为内层，按上述重量份比，分别加入至过滤装置箱体模具的右半部；复合左箱体的加压成型将100重量份的致密电熔镁砂混合料、80重量份电熔镁砂、20重量份碳酸镁4～6重量份结合剂均匀混练成混合料，按内外层要求分别加入至过滤装置箱体模具的左半部，左右一起加压成型，制出整个复合箱体用右箱体(14)的原料配方和压制方法在右复合多孔板模具中加压成型一块右复合多孔板(3)，用电熔镁砂在相应模具中加压成型单一均质镁多板(6)和镁质挡渣板(8)，用80重量份氧化钙含量90～99％的烧结熟料、20重量份碳酸钙与适量二氧化锆、二氧化钛、4～6重量份结合剂混练成混合料，用其加压成型氧化钙挡渣板(2)和等径球体滤介(5)，多孔过滤屏蔽的组装将表面覆着氧化钙的右复合多孔板(3)镶嵌盛钢槽(13)左部，多孔镁质板(6)镶嵌在净钢室(9)的右部，二多孔板之间填装等径球体滤介(5)、上部用镁质压板(4)卡在二多孔板上部定位壳台上，氧化钙挡渣板(2)倒镶在复合右箱体(14)内腔盛钢槽(13)入口处，镁质挡渣板(8)倒镶在复合左箱体(10)内腔净钢室(9)上盖内壁予留的凹槽中，净钢室(9)上盖有管形排气口(7)，底部装有管形洁净钢水出口(11)，镁质挡渣堰(12)为与净钢室(9)底一体的一个凸棱，整个复合箱体，干燥后再经高温烧结即为镁质高强度功能型过滤装置。
3.根据权利要求2所述的过滤装置的制造工艺，其特征在于所用的电熔镁砂MgO含量96％、氧化钙烧结熟料的CaO含量为95％，碳酸钙的氧化钙含量90～99％，二氧化锆ZrO2含量99％，二氧化钛TiO2含量98.5～99％。
全文摘要
镁质高强度功能型过滤装置，为箱体式结构。由复合左、右箱体及其中间的多孔屏蔽组成。右箱体内腔为具有钢水入口和氧化钙质挡渣板的盛钢槽。多孔屏蔽由右复合多孔板、镁质多孔板、其间填充的氧化钙等径球体和上部镁质压板组成。左箱体内腔为净钢室，其上部有排气口和镁质挡渣板，底面有镁质挡渣堰和钢水出口。制造工艺以氧化镁(电熔镁砂)为基体材料，以氧化钙、碳酸钙、二氧化锆、二氧化钛为功能材料。箱体和部件在模具中加压成型，经组装、干燥、高温烧结即可。其优点是强度高、抗冲击、功能性材料与钢水中非金属接触易反应，可滤出钢水中杂质60～90％。
文档编号B22D11/11GK1546256SQ200310105280
公开日2004年11月17日 申请日期2003年12月4日 优先权日2003年12月4日
发明者金毓林, 金姿, 金兰, 金伟健, 王帅 申请人:金毓林