Keramischer Schaumfilter zur Filtration von geschmolzenen Metallen, mit einer offenzelligen Schaumstruktur mit einer Vielzahl von untereinander verbundenen Durchgängen, die mit einem Netzwerk aus Keramik umgeben sind, wobei die Keramik aus einem Siliciumcarbid enthaltenden Schlicker gebildet wurde, sowie ein Verfahren zur Herstellung derselben. Im besonderen bezieht sich vorliegende Erfindung auf einen- ke- ramischen Schaumfilter mit verbesserten Eigenschaften, spe¬ ziell zur Filtration von Eisen und Legierungen auf Eisen- basis.

Es ist zum Stand der Technik bekannt, poröse keramische Schaummaterialien zum Filtrieren von geschmolzenem- Metall, speziell Aluminium, zu verwenden, wie beispielsweise in den US-Patenten 3,893,917, 3,947,363, 3,962,081, 4,024,056, 4,024,212, 4,075,303, 4,265,659, 4,342,644 und 4,343,704. Die Ausgangsmaterialien für diese Filter umfassen in erster Linie ein phosphatgebundenes, feuerfestes Material mit ver¬ schiedenen weiteren Zusätzen, welche bei Temperaturen von rund 1000°C gebrannt werden, um die Bindung zu verfestigen. Während dieser Typ eines Feuerfestmaterials für die Anwen¬ dung in der Aluminiumindustrie geeignet ist und leicht den meisten Aluminiumlegierungen widersteht, die normalerweise bei etwa 704°C vergossen werden, ist dieser für viele ande¬ re potentielle Anwendungen wegen zu geringer Festigkeit, des begrenzten chemischen Widerstandes und der bescheidenen Hochtemperaturfestigkeit ungeeignet. Es war deshalb erstre- benswert, ein Material zu finden, welches die vorteilhaften Eigenschaften des bisher bekannten Schaummaterials beibe¬ hält, besonders die hohe Porosität, den geringen Druckab¬ fall, die hohe geometrische Oberfläche und die gewundenen Fliesswege, das aber die Mängel bezüglich der Festigkeit, der chemischen Beständigkeit und der Temperaturbeständig¬ keit überwindet. Zusätzlich war es sehr erstrebenswert, ein Material und dessen Herstellungsverfahren zu finden, das

für eine Reihe von Anwendungen, insbesondere Hochtempera¬ turanwendungen, wie die Filtration von Eisenmetall, ange¬ wendet werden kann.

Die US-PS 4,610,832 beschreibt einen verbesserten kerami¬ schen Schaumfilter und ein Verfahren zur Herstellung des¬ selben, der besonders für Hochtemperaturanwendungen wie die Eisen- oder Stahlfiltration geeignet ist, und auf der An¬ wendung eines wässrigen Schlickers einer thixotropen" ^" kera- mischen Zusammensetzung, mitumfassend einen gelierten Alu- iniumoxid-hydrat Binder, basiert. Es wurde gefunden, dass für bestimmte Anwendungen spezielle Fliess- und Sperrsyste¬ me notwendig sind, um das Angiessen dieser Filter zu ge¬ währleisten, wobei dieser Filter an sich schon eine bedeutsame Verbesserung darstellt.

Es ist deshalb Hauptgegenstand und Aufgabe vorliegender Er¬ findung, einen verbesserten keramischen Filter zur Verfü¬ gung zu stellen und ein Verfahren, um denselben herzustel- len.

Es ist ein weiterer Gegenstand vorliegender Erfindung, ei¬ nen verbesserten keramischen Schaumfilter zur Verfügung zu stellen und ein Verfahren wie vorbeschrieben, welches bil- lig und leicht auszuführen ist und welches in einem Filter mit dem gewünschten und selbstverständlich verbesserten Ei¬ genschaften resultiert.

Ein weiterer Gegenstand vorliegender Erfindung ist noch, einen verbesserten Filter und ein Verfahren wie vorbe¬ schrieben bereitzustellen, der die Unzulänglichkeiten von Phosphatbindern überwindet und einen Filter liefert, der leicht anzugiessen und anzuwenden ist und verbesserte ther¬ mische Eigenschaften aufweist. ______ _

Erfindungsgemäss wurde das dadurch erreicht, dass der kera¬ mische Schaumfilter einen Gehalt von mindestens 50 Gew.-%

Siliciumcarbid und mindestens 3 Gew.-% Siliciumdioxid als Glühprodukt, aus einem im Schlicker enthaltenen kolloidalen Siliciumdioxid-Binder, aufweist.

Die vorliegende Erfindung führt zu einem verbesserten kera¬ mischen Schaumfilter und vermittelt ein Verfahren, um den¬ selben herzustellen. Der Filter zeigt ausgezeichnete physi¬ kalische Eigenschaften, speziell eine hohe Wärmeleitfähig¬ keit,und ermöglicht ein schnelles Angiessen und "Benetzen durch Eisen und Legierungen auf Eisenbasis. Die Unzuläng¬ lichkeiten der Phosphatbinder, speziell deren thermisch¬ chemische Instabilität, resultierend aus der Phosphatauf¬ nahme durch das geschmolzene Metall, werden damit elimi¬ niert.

Der verbesserte keramische Schaumfilter nach vorliegender Erfindung wird derart hergestellt, dass ein retikulierter organischer Polymerschaum mit einem wässrigen Schlicker ei¬ ner thixotropen Zusammensetzung, enthaltend Siliciumcarbid, imprägniert und der überschüssige Schlicker entfernt wird und dem anschliessenden Trocknen und Aufheizen des behan¬ delten polymerischen Schaumes, um die organischen Komponen¬ ten daraus zu entfernen und durch Brennen bei erhöhten Tem¬ peraturen, um den keramischen Schaumfilter zu bilden. Nach der Erfindung wird der Polymerschaum mit einem Schlicker, enthaltend einen kolloidalen Siliciumdioxid-3inder, impräg¬ niert, und im Schliσker sind mindestens 50 Gew.-% Silicium¬ carbid und mindestens 3 Gew.-% Siliciumdioxid, bezogen auf die Feststoffe, enthalten. Vorzugsweise beträgt der Gehalt an Siliciumdioxid, bezogen auf die Feststoffe, 3 - 15 Gew.-%.

Das Verfahren und der Filter vorliegender Erfindung weisen signifikante Vorteile auf, besonders in bezug auf die Fil- tration von Eisen und von Legierungen auf Eisenbasis. Es wurde gefunden, dass das kolloidaie ^~" Siliciumdioxid einen benetzenden Einfluss auf das Endprodukt in bezug auf Eisen

und Legierungen auf Eisenbasis hat und deshalb ein schnel¬ les Angiessen bei der Filtration von Eisen oder Legierungen auf Eisenbasis bewirkt. Dies stellt einen bedeutenden Fort¬ schritt gegenüber dem Stande der Technik dar.

Weiters ist vorliegende Erfindung nicht durch die Unzuläng¬ lichkeiten der bekannten Phosphatbinder charakterisiert. Die Anwendung von Phosphatbindern fügt der Schmelze durch die leichte Löslichkeit der Phosphatverbindungen bei -der Filtration von Eisen und Legierungen auf Eisenbasis •uner¬ wünschte Verunreinigungen zu. Dagegen ist das Siliciumdi¬ oxid aus dem kolloidalen Siliciumdioxid-Binder nach vorlie¬ gender Erfindung nicht leicht in Eisen und in den Legierun¬ gen auf Eisenbasis löslich. Ferner sind Schmelzen von Eisen und von Legierungen auf Eisenbasis gegenüber Silicium tole¬ ranter als gegenüber Phosphaten. Dies ist ein besonderer Fortschritt, wenn Metall aus dem gebrauchten Filter durch plazieren des gebrauchten Filters in der Schmelze, welches ein in der Praxis übliches Verfahren darstellt, zurückge- wonnen wird. Weiters ist der Filter nach vorliegender Er¬ findung ökonomisch und hat ausgezeichnete physikalische Ei¬ genschaften, insbesondere eine hohe thermische Leitfähig¬ keit, welche eine gute Wärmeschockbeständigkeit gibt und ein thermisch-mechanisches Versagen des Filters verhindert.

Weitere Eigenheiten vorliegender Erfindung werden nachste¬ hend beschrieben.

In Uebereinstimmung mit vorliegender Erfindung wird der ke- ra ische Schaumfilter aus einem offenzelligen, vorzugsweise hydrophoben, flexiblen Schaummaterial enthaltend eine Viel¬ zahl von untereinander verbundenen Durchgängen, umgeben durch ein Netzwerk aus diesem flexiblen Schaummaterial, hergestellt. Typische Materialien, welche angewendet werden können, umfassen polymerische Schäume wie der bevorzugte Polyurethanschaum und cellulosische Schäume. Generell kön¬ nen irgendwelche brennbaren, organischen Kunststoffschäume

verwendet werden, die eine Rückformkraft und die Fähigkeit zur ursprünglichen Form zurückzukommen, aufweisen. Der Schaum muss unter der Brenntemperatur des angewendeten ke¬ ramischen Materials ausbrennen oder verdampfen können.

Der wässerige keramische Schlicker, welcher angewendet wird, sollte thixotrop sein, einen relativ hohen Grad an Fliessfähigkeit aufweisen und eine Suspension des gewünsch¬ ten keramischen Materials enthalten.

Die Siliciumcarbid-Komponente hat vorzugsweise eine Korn- grösse von -325 mesh oder weniger als 45 Mikron, wobei man aber ohne weiteres ein Siliciumcarbid mit einer Korngrösse von -100 mesh oder weniger als 150 Mikron anwenden kann. Die Möglichkeit, feinkörniges keramisches Material wie Pro¬ zessfeinheiten von 10 Mikron und weniger anwenden zu kön¬ nen, stellt einen signifikanten Fortschritt, besonders im Hinblick auf Kostenerwägungen, dar. Der Gehalt an Feststof¬ fen in der keramischen Zusammensetzung muss wenigstens 50 % Siliciumcarbid mit einem Maximum von 97 % Siliciumcarbid sein.

Man kann ohne weiteres zusätzliche keramische Materialien in Kombination mit dem Siliciumcarbid verwenden. Aluminium- oxid ist ein besonders bevorzugtes Additiv und wenn dieses angewendet, sollte es mit einer Korngrösse von -325 mesh oder weniger als 45 Mikron eingesetzt werden. Selbstver¬ ständlich können andere keramische Materialien wie Zirkon- oxid, Zirkonsand, Chromoxid, Cordierit, Mullit etc. ohne weiteres angewendet werden.

Es ist ein Fortschritt, dass die Anwendung eines störenden Phosphatbinders in Uebereinstimmung mit vorliegender Erfin¬ dung unterbleiben kann. Durch das Weglassen der störenden Phosphatkomponente im Filter wird die Tendenz, dass sich unerwünschte Verunreinigungen zu Eisen- und auf Eisen ba¬ sierenden Legierungen zu addieren, vermieden. Der Binder

vorliegender Erfindung ist ein kolloidaler Siliciumdioxid- Binder, welcher in Form einer w ssrigen Dispersion von Teilchen in 10 bis 50 % Wasser angewendet werden kann. Die kolloidale Dispersion ist eine stabile, nicht absitzende Suspension mit einer Partikelgrδsse von 1 Mikron oder weni¬ ger. Die kolloidale Siliciumdioxidkomponente stellt den Binder dar, und auf Grund der kolloidalen Natur der Disper¬ sion wohnt ihr die erwünschte Thixotropie inne.

Selbstverständlich können andere Additive" ¹ angewendeti ^~ wer¬ den, entweder als zusätzlicher Binder oder aus anderen er¬ wünschten Gründen. Vorzugsweise kann ^" man ^' zum Beispiel ohne weiteres Montmorillonit, Aquathix (Markenname der "Tenneco Chemicals" für ein wasserlösliches Polysaccharid) , Bento- nit, Kaolin und dergleichen verwenden.

In Uebereinstimmung mit dem Verfahren vorliegender Erfin¬ dung stellt man ^' einen retikulierten organischen Poymer- schaum bereit und imprägniert den Schaum mit dem wassrigen Schlicker. Ausführliche Verfahren, den keramischen Schaum für Filter für geschmolzenes Metall herzustellen, sind in den US-PS 3,962,081, 4,075,303 und 4,024,212 beschrieben, auf deren Lehre hiermit Bezug genommen wird.

Das flexible Schaumstoffmaterial wird mit dem wassrigen ke¬ ramischen Schlicker imprägniert, so dass das faserähnliche Netzwerk oder die Filamente damit beschichtet sind und auch die Durchgänge damit gefüllt sind. Normalerweise wird das einfache Eintauchen des Schaumes in den Schlicker für einen kurzen Zeitintervall, der ausreicht, um eine nahezu voll¬ ständige Sättigung des Schaumes zu gewährleisten, bevor¬ zugt. Die Porengrδsse des polymerischen Materials kann praktischerweise 1,2 Poren je laufenden cm oder grδsser sein. Die Porengrδsse im Bereich von 1,2 - 10 Poren je lau- fenden cm wurde als besonders vorteilhaft für die Filtra¬ tion von Eisen und Legierungen auf Eisenbasis, im Hinblick auf den höheren totalen Materialdurchsatz, befunden, obwohl

man auch ohne weiteres kleinere Porengrössen, beispielswei¬ se bis zu 20 Poren je cm, verwenden kann.

Der imprägnierte Schaum wird dann zusammengedrückt, um ei- nen Teil des Schlickers auszupressen und das faserfδrmige Netzwerk oder die Filamente mit dem restlichen Schlicker beschichtet zu belassen und auch eine Anzahl von blockier¬ ten Poren durch den Körper hindurch zu erzeugen, um die Ge¬ wundenheit der Fliesswege zu erhöhen und um lange gerade Durchlässe zu vermeiden, wobei- die blockierten Poren homo¬ gen durch den keramischen Körper verteilt sein müssen und nicht in Gruppen zusammenliegen dürfen.

Für diejenigen Fälle, in welchen maximale Durchsätze mit einem geringeren Filtrationsgrad wünschenswert sind, wird eine relativ weite Porengrδsse mit sehr wenigen blockierten Poren bevorzugt. In einem kontinuierlichen Verfahren bei¬ spielsweise, kann man den imprägnierten Schaum durch vor¬ eingestellte Walzen passieren lassen, um das gewünschte Austreiben des Schlickers aus dem Schaum zu erreichen und die gewünschte Restmenge darin zu belassen. Selbstverständ¬ lich kann dieses Austreiben auch von Hand geschehen durch einfaches ausquetschen des flexiblen Schaummaterials bis zum gewünschten Mass. Zu diesem Zeitpunkt ist der Schaum immer noch flexibel und kann, falls gewünscht, in Formen entsprechend den Filterzielen, z.B. in gebogene Platten, hohle Zylinder etc., geformt werden. Es ist notwendig, dem geformten Schaum auf übliche Weise in der geformten Stel¬ lung zu halten, bis das organische Material im Rahmen der nachfolgenden Prozesse zersetzt ist. Der imprägnierte Schaum wird dann durch eine an sich bekannte Vorrichtung getrocknet, beispielsweise durch Lufttrocknung, durch be¬ schleunigte Trocknung bei einer Temperatur von 100 bis 700°C für 15 Min. bis 6 Std. oder durch Mikrowellentrock- nung. Eine Lufttrocknung kann in 8 bis 24 Std. erreicht werden. Nach dem Trocknen wird das Material bei erhöhter Temperatur von über 1093°C gebrannt, um den keramischen

Schaumfilter zu bilden, wobei Temperaturen bis zu 1371 °C angewendet werden können. Nach dem Brennen ist das resul¬ tierende Produkt gekennzeichnet durch eine Anzahl von gleichmässig verteilten, blockierten Poren, wie oben be- schrieben. Die Brennzeit auf oder nahe der Spitzentempera¬ tur beträgt wenigstens 15 Min. und dauert generell minde¬ stens 1 Std. und weniger als 10 Std.. Die totale Brennzeit, umfassend aufheizen zur Spitzentemperatur und abkühlen las¬ sen, kann selbstverständlich in weitem Masse variieren, je- weils abhängig vom verwendeten Ofentyp.

Das resultierende Produkt hat die beschriebenen Eigenschaf¬ ten und weist die genannten Fortschritte auf.

Selbstverständlich können zusätzliche anorganische Zusätze, wie zum Beispiel Sinterhilfen, Kornwachstumsinhibitoren oder anorganische rheologische Hilfsmittel, ohne weiteres angewendet werden, um besonders bevorzugte Eigenschaften zu erhalten. Andere organische Additive können ebenso vorteil- haft verwendet werden, zum Beispiel temporäre Binder und rheologische Hilfsmittel.

BEISPIEL 1

Ein thixotroper keramischer Schliσker wurde nach folgender Angabe hergestellt: 35,71 kg Siliciumcarbid (ungefähr 50,94 %) 4,37 kg Wasser (ungefähr 6,23 %) 13,10 kg Aluminiumoxid (ungefähr 18,68 %)

16,20 kg kolloidales Siliσumdioxid in wässriger Suspension (ungefähr 23,11 %) 0,67 kg Montmorillonit (ungefähr 0,96 %) 0,05 kg Aquathix (ungefähr 0,08 %)

Die genannte Zusammensetzung weist einen Gehalt an Fest¬ stoffen wie nachfolgend auf:

Siliciumcarbid - Feststoffe 35,75 kg - 65,65 %

Aluminiumoxid - Feststoffe 13,10 kg - 24,08 % kolloidales

Siliciumdioxid - Feststoffe 4,86 kg - 8,94 % Montmorillonit - Feststoffe 0,67 kg - 1,23 %

Aquathix - Feststoffe 0,05 kg - 0,10 %

Der vorstehend beschriebene thixotrope Schlicker wurde zum Imprägnieren eines nominal 4 Poren je laufenden cm aufwei- senden, offenzelligen, flexiblen Polyurethanschaumes mit einer Grossen von 7/62 x 7,62 cm*-* gebraucht, derart, dass das faserähnliche Netzwerk damit beschichtet war und die Durchgänge damit gefüllt waren. Die Imprägnation wurde durch Eintauchen der Schaummuster in den Schlicker vervoll- ständigt, und durch Anwendung von voreingestellten Walzen wurde der Schaum zusammengedrückt und ein Teil des Schlik- kers ausgepresst, während das faserähnliche Netzwerk mit dem restlichen Schlicker beschichtet blieb und eine Anzahl von blockierten Poren durch den Körper hindurch gleichmäs- sig verteilt, gebildet- wurden und sich damit die Gewunden¬ heit der Fliesswege erhöhte.

Die resultierenden, imprägnierten Schäume wurden getrocknet und aufgeheizt, um die organische Komponente daraus zu ent¬ fernen und bei 11 9°C während 1 Std. gebrannt. Die resul¬ tierenden keramischen Schaummuster waren gekennzeichnet durch eine offenzellige Struktur mit einer Vielzahl von un¬ tereinander verbundenen Durchlässen, umgeben von einem Netzwerk aus Keramik.

BEISPIEL 2

Die keramischen Schaumfilter, hergestellt nach Beispiel 1, wurden für die Filtration von duktilem Eisen durch Plazie¬ ren der Muster im Einguss-Syste einer Giessvorrichtung an¬ gewendet. Die Muster waren 7,62 x 7,62 cm^ gross, und ver- schiedene Versuche wurden in jedem Falle mit 67,95 kg duk¬ tilem Eisen je Durchlauf ausgeführt. Die Temperatur der Le¬ gierung in den Versuchen lag zwischen 1427°C - 1482°C. In allen Versuchen waren die GiessZeiten weniger als 20 Sekun¬ den, alle Filter benetzten schnell mit keiner offensichtli- chen Reduktion in der Durchflussrate, und die resultieren¬ den Gussprodukte waren im wesentlichen frei von sichtbaren Fehlern, besonders auch verglichen mit unfiltrierten Giess- produkten.