Keramische Filter in Schaumstruktur Schaumkeramikfilter für Eisen- und Stahlguss

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1 Keramische Filter in Schaumstruktur Schaumkeramikfilter für Eisen- und Stahlguss INHALT 1 Geltungsbereich S.1 2 Allgemeines S.1 3 Definitionen S.2 4 Qualitätsprüfungen, Toleranzen und Dokumentation S.3 5 Filterporosität S.7 6 Literatur S.7 Anhang A Impingementtest S.8 1 Geltungsbereich Diese Richtlinie definiert Mindestanforderungen, Prüfkriterien und Prüfverfahren zur Überwachung der Qualität von Schaumkeramikfiltern auf Basis von SiC, ZrO 2 oder anderen Materialien, die den Anforderungen der Richtlinie genügen und in Eisen- oder Stahlgießereien zur Anwendung kommen. Weiterführende Vereinbarungen sind bilateral zwischen Kunde und Lieferant zu treffen. Bei SiC-Filtern muss der SiC-Gehalt mindestens 50 % betragen. Bei ZrO 2 -Filtern muss der ZrO 2 -Gehalt mindestens 90 % betragen. 2 Allgemeines Schaumkeramikfilter werden zur Abscheidung von Schlacken und anderen Verunreinigungen im Gießsystem und zur Strömungsberuhigung eingesetzt. Je nach Gusswerkstoff kommen unterschiedliche Filtermaterialien und Filterporositäten zur Anwendung. Die Schaumkeramikfilter sind nach Porositätsklassen eingeteilt. Als feuerfeste Filtermaterialien kommen jene in Frage, die bestimmte mechanische, thermische, chemische und funktionstechnische Eigenschaften besitzen. Sie müssen gegenüber den abzuscheidenden Verunreinigungen und der Schmelze chemisch beständig sein, benötigen eine Mindestfestigkeit und eine gute Thermoschockbeständigkeit. [Lit. 1] Die Anzahl, Größe und Type der Filter werden für jedes Gießsystem und Gießverfahren individuell ausgewählt. Seite 1 von 9

2 3 Definitionen Filter-NennmaSSe in Rechteckfilter: Breite Länge Höhe Rundfilter: Durchmesser Ø Höhe Sonderformen nach Vereinbarung. Filtervolumen in [cm³] Tatsächliches Volumen eines Filters bestimmt aus Länge, Breite und Höhe bzw. Durchmesser und Höhe. Mittleres Filtervolumen in [cm 3 ] Volumen eines Filters einer bestimmten Größe ermittelt als Mittelwert aus dem minimalen und dem maximalen Volumen, das dieser aufgrund der zulässigen Toleranzen der Nennabmessungen annehmen kann. Filtergewicht in [g] Tatsächliches Gewicht eines Filters. Raumgewicht in [g/cm³] Quotient aus dem Filtergewicht und dem Filtervolumen. Filterporosität in [ppi] Die Anzahl der Poren pro Längeneinheit dient zur Klassifizierung der Schaumkeramiken in verschiedene Porositätsklassen. Diese wird in der Einheit ppi (pores per linear inch; 1 inch = 25,4 mm) angegeben. Durchflusskapazität (Filterkapazität) in [kg] Aufgrund von Praxiserfahrungen vom Hersteller empfohlene maximale Schmelzemenge bis zum Bruch oder zur Blockade für einen Filter bestimmter Größe unter der Beachtung der Querschnittsverhältnisse des Gießsystems und des Gusswerkstoffes. Spezifische Durchflusskapazität (spezifische Filterkapazität) in [kg/cm 2 ] Auf die Fläche des Filters bezogene Filterkapazität. Kaltdruckfestigkeit in [N/mm² bzw. MPa] Höchstkraft je Flächeneinheit, der ein Schaumkeramikfilter bei Raumtemperatur widersteht bevor er bricht [Lit. 2]. Krümelanteil in [ ] Relativer Gewichtsanteil von losen Filterfragmenten bezogen auf das Gewicht intakter Filter in einer Verpackungseinheit. Seite 2 von 9

3 4 Qualitätsprüfungen, Toleranzen und Dokumentation 4.1 Abmessungen Die Abmessungen von Schaumkeramikfiltern sind mit Messmitteln zu überprüfen, die der Oberflächenstruktur des Filters Rechnung tragen. Dafür eigenen sich beispielsweise Messschieber mit breiten Messschenkeln bzw. Lehren. In den Produktspezifikationen sind neben den en auch die dazugehörigen Toleranzen anzugeben. Die spezifizierte Toleranzbreite für Rechteck- und Rundfilter muss sich dabei in folgenden Bereichen bewegen: SiC-Filter: Länge und Breite von rechteckigen Filtern Min 33,7 38,3 48,3 53,3 58,3 63,3 73,3 97,2 146,2 Max 35,9 41,3 51,3 56,3 61,3 66,3 76,3 100,8 150,8 Durchmesser von runden Filtern Min 38,2 49,2 59,2 69,2 79,2 89,2 99,2 124,2 Max 41,5 52,5 62,5 72,5 82,5 92,5 102,5 127,5 Höhe von rechteckigen und runden Filtern Min 13,8 19,8 27,8 Max 16,0 22,0 30,0 ZrO 2 -Filter: Länge und Breite von rechteckigen Filtern Min ,5 147,5 197 Max Seite 3 von 9

4 Durchmesser von runden Filtern Min ,5 147, Max Höhe von rechteckigen und runden Filtern Min Max Mittleres Volumen in [cm³] Die Bestimmung des mittleren Volumens erfolgt auf Basis der für die Nenndimensionen aufgeführten Grenzwerte (vergl. 4.1). Das Mittlere Filtervolumen ist in [cm³] anzugeben. 4.3 Filtergewicht in [g] Die Gewichtsüberprüfung des Filters erfolgt durch Wiegen des Filters im Anlieferungszustand auf 0,1 g genau. Seite 4 von 9

5 4.4 Raumgewicht in [g/cm³] In den Produktspezifikationen sind neben einem Nennraumgewicht die dazugehörigen Toleranzen anzugeben. Die spezifizierte Toleranzbreite muss sich in folgenden Bereichen bewegen: Relative Toleranz des Raumgewichtes von SiC-Filtern in Abhängigkeit vom mittleren Filtervolumen: Mittleres Filtervolumen [cm³] Relative Toleranz (+/-) bzgl. des Nennraum gewichtes [%] Beispiele < x40x15 (23,8cm³) > x50x22 (52,0 cm³) 50x75x15 (55,7 cm³) 50x75x22 (78,1 cm³) > x75x22 (117,2 cm³) > x100x22 (205,3 cm³) Relative Toleranz des Raumgewichtes von ZrO 2 -Filtern in Abhängigkeit vom mittleren Filtervolumen: Mittleres Filtervolumen [cm³] Relative Toleranz (+/-) bzgl. des Nennraumgewichtes [%] Beispiele < > ,5 > ,5 > ,5 > rdx20 (36,7 cm³) 70rdx25 (90,0 cm³) 75x75x25 (135,4 cm³) 100rdx25 (181,4 cm³) 100x100x25 (235,7 cm³) 125rdx30 (355,0 cm³) 125x125x30 (452,0 cm³) 150x150x30 (651,1 cm³) 175rdx35 (818,9 cm³) 200rdx35 (1069,3 cm³) Seite 5 von 9

6 4.5 Kaltdruckfestigkeit in [N/mm² bzw. MPa] Die Kaltdruckfestigkeitsprüfung dient der Beurteilung der Druckbelastbarkeit der Filterstruktur bei Raumtemperatur und ist ein Maß für die Transport- und Handhabungseigenschaften der Filter. Die Kaltdruckfestigkeit eignet sich nicht zur Beurteilung des Verhaltens des Filters während des Gießens. Die Bestimmung der Kaltdruckfestigkeit erfolgt in Anlehnung an die DIN EN und wird mit einem handelsüblichen Druckfestigkeitsmessgerät durchgeführt. Dabei wird der auf einem Aufnahmelager liegende Filter durch einen Stempel mit definiertem Durchmesser, der mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit parallel zum Aufnahmelager verfahren wird, bis zum Bruch belastet. Aus der gemessenen Maximalkraft ist die Kaltdruckfestigkeit zu bestimmen. Versuchsparameter: Stempeldurchmesser: 25 mm Durchmesser des Aufnahmelagers: 25 mm Verfahrgeschwindigkeit: 20 mm/min 4.6 Krümelanteil in [ ] Die Bestimmung des Krümelanteils erfolgt ohne zusätzliche Manipulation an Filtern im Anlieferungszustand. Dabei ist das Verhältnis des Gewichtes der Krümel und der intakten Filter einer Verpackungseinheit nach der folgenden Gleichung zu bestimmen: Bei SiC-Filtern darf der Krümelanteil nach dem Transport vom Hersteller zum Anwender einen Wert von 0,4 nicht überschreiten. 4.7 Filterauflage und Einbau Für SiC-Filter wird eine umlaufende Auflage mit einer Fläche von mindestens 40 % der gesamten, 90 zum Schmelzefluss ausgerichteten, Filterfläche empfohlen; für ZrO 2 -Filter mindestens 30 %. Um die Kapazität des Filters vollständig nutzen zu können, ist die Eingangsseite des Filters vollflächig zu nutzen. Darüber hinaus ist vom Filterhersteller in Abhängigkeit von der Filtergröße eine zulässige maximale Fallhöhe für direkten vertikalen Guss auf den Filter anzugeben. Seite 6 von 9

7 5 Filterporosität Die Filter sind über optische Grenzmuster durch jeden Lieferanten in Porositätsklassen eingeteilt. Darüber hinaus kann die Filterporosität individuell zwischen Lieferant und Anwender anhand von Grenzmustern vereinbart werden. 6 Literatur [Lit. 1] Salmang; Scholze: KERAMIK, 7., vollständig neubearbeitete und erweiterte Auflage, Springer-Verlag, 2007, S. 719 ff [Lit. 2] EN 993-5: Prüfverfahren für dichte geformte feuerfeste Erzeugnisse - Teil 5: Bestimmung der Kaltdruckfestigkeit; Deutsche Fassung EN 993-5:1998 [Lit. 3] Giebing, S.; Baier, A.: SEDEX - Prozesssicherheit durch sachgemäße Qualitätskontrolle. Foundry Practice 254, 2011, S [Lit. 4] Rietzscher, R.: Qualitatsmerkmale bei keramischen Gießfiltern. Giesserei 78, 1991, Nr. 17, S Seite 7 von 9

8 Anhang A (informativ) Impingementtest Prüfmethode zur Bestimmung der Temperaturschockbeständigkeit bei Gießtemperatur Im gießereitechnischen Einsatz von keramischen Filtern ist der erste Moment des Gießens, bei dem das flüssige Metall auf den noch kalten Filter trifft, besonders kritisch. Dieser Vorgang wird im Englischen treffender Weise als impingement bezeichnet, was übersetzt Aufprall, Beaufschlagung oder auch Zusammenstoß bedeutet. Beim Impingementtest handelt es sich um eine Prüfung, bei der die Filter mit flüssigem Metall unter ungünstigsten Voraussetzungen getestet werden [Lit. 3]. Die Grundlagen des Impingementtests wurden bereits 1991 veröffentlicht und in Fachgremien vorgestellt [Lit. 4]. Es wird empfohlen, diese Prüfung an Filtern durchzuführen, die ein Gewicht nahe der unteren Spezifikationsgrenze aufweisen. A.1 Prüfung von für den Eisenguss geeigneten keramischen GieSSfiltern in Schaumstruktur Beim Impingementtest für Eisenfilter wird ein 50 kg fassender Gießtümpel, der mit einem Stopfen verschlossen ist, mit einer Schmelze des Werkstoffs GJL 250 gefüllt. Durch Ziehen des Stopfens wird der Gießtümpel über einem im Abstand von 450 mm darunter befindlichen Filter der Größe (50 x 50 x 22) mm entleert (direkter Draufguss, Abbildung 1) [Lit. 3]. Gießtümpel Stopfen Filterauflage Filter Abb. 1: Schematische Darstellung der Prüfeinrichtung des Impingementtests für Eisenfilter Seite 8 von 9

9 Die Gießtemperatur beträgt 1510 C und wurde damit bewusst deutlich oberhalb praxisüblicher Einsatztemperaturen gewählt. Im Gegensatz zu den Einsatzbedingungen in der Gießereipraxis (vierseitige Auflage), wird der Filter hier nur zweiseitig unterstützt, so dass während der Prüfung ein erheblich größeres Biegemoment hervorgerufen wird [Lit. 3]. A.2 Prüfung von für den Stahlguss geeigneten keramischen GieSSfiltern in Schaumstruktur Der Impingementtest für Stahlfilter erfolgt an Filtern der Größe Ø150 mm x 30 mm mit einer Stopfenpfanne, die mit einem Ausguss mit 45 mm Durchmesser ausgerüstet ist. Die Pfanne wird vor Durchführung der Prüfung mit 700 kg Schmelze des Werkstoffs GX5CrNi19-10 (1.4308) gefüllt. Die Füllhöhe der Pfanne beträgt zu diesem Zeitpunkt 600 mm. Unmittelbar vor dem Gießen wird die Gießtemperatur ermittelt. Diese sollte zwischen 1610 C und 1620 C liegen. Anschließend wird die Pfanne so über dem Filter positioniert, dass die Schmelze aus einer Fallhöhe von 540 mm mittig auf den Filter trifft (Abbildung 2). Durch Öffnen des Ausguss werden 600 kg der Schmelze direkt auf den Filter gegossen. Stopfenpfanne Filterauflage Filter Abb. 2: Schematische Darstellung der Prüfeinrichtung des Impingementtests für Stahlfilter Seite 9 von 9