Filtro reforzado con fibras para la filtración de metal fundido y método para producir dichos filtros.

Un filtro cerámico adecuado para la filtración de metal fundido que comprende un polvo cerámico y fibras aglomeradas por una red de carbono grafitizado,

en el que se obtiene el aglomerado con carbono mediante la pirólisis de un precursor del carbono a una temperatura en un intervalo de entre 500°C y 1000°C en la ausencia de aire, en el que el carbono grafitizado constituye hasta el 15% en peso del filtro.

La presente invención se refiere a un filtro de cerámica reforzado con fibras para la filtración de metal fundido que comprende una red aglomerada de carbono grafitizado y un método para producir dichos filtros.

Para el procesamiento de metales fundidos es deseable extraer las inclusiones intermetálicas exógenas tales como las impurezas de las materias primas, de la escoria, las matas y los óxidos que se forman en la superficie de la masa fundida y de los pequeños fragmentos de materiales refractarios que son usados para crear la cámara o recipiente en la que el metal fundido se forma.

La extracción de dichas inclusiones forma una masa fundida homogénea que asegura una gran calidad en los productos, especialmente en el moldeo del acero, hierro y metales de aluminio. En la actualidad el uso de filtros de cerámica está muy extendido debido a su gran capacidad para resistir choques térmicos extremos a causa de su resistencia a la corrosión química y su capacidad para resistir tensiones mecánicas.

La producción de dichos filtros cerámicos generalmente implica la mezcla de polvo cerámico con aglutinantes orgánicos adecuados y agua a fin de preparar una pasta o lodo. El lodo es utilizado para impregnar una espuma de poliuretano que posteriormente es secada y cocida a una temperatura en un intervalo de entre 1000 y 1700°C. Mediante este tratamiento las materias combustibles son quemadas durante la sinterización para producir un cuerpo poroso. Los documentos US-A-2, 360, 929 y US-A-2, 752, 258 pueden servir como ejemplos del procedimiento habitual.

Además, un filtro de poro abierto que en lugar de una distribución aleatoria de canales irregulares de interconexión consiste en una serie de conductos paralelos que atraviesan el material está generalmente formado mediante la presión hidráulica de polvo cerámico húmedo y un aglutinante orgánico en el interior de un molde conteniendo espigas perpendiculares. Se obtiene así una estructura perforada que puede tener forma de disco o bloque. El artículo perforado es a continuación cocido a una temperatura en un intervalo de entre 1000 y 1700°C dependiendo de la aplicación final con objeto de producir un disco perforado. Durante el cocido se produce una unión cerámica y/o vítrea.

El documento WO 01/40414 A describe el uso de un molde presurizado. La base de esta patente es la regulación de la presión en el interior del molde para así obtener una estructura porosa. Además, la porosidad en este caso no está totalmente abierta. La pretensión del uso de la filtración supone uno de sus muchos usos y no hay pruebas de que el filtro fuera realmente utilizado para la filtración de metales. Además, sólo se menciona el aluminio con fines filtrantes ya que este filtro es demasiado frágil para la filtración de acero. La patente describe únicamente un filtro de carbono exento de cerámica. El proceso de crear el filtro se basa en la regulación de la presión en el interior del molde. Este proceso es difícil de controlar.

El documento US-A-4, 514, 346 usa resina fenólica para su reacción con silicona a alta temperatura a fin de formar carburo de silicio. No interviene la unión del carbono. Esta patente tiene la única función de crear carburo de silicio poroso. La temperatura que supera los 1600°C es utilizada para obtener carburo de silicio. El proceso es no acuoso. La porosidad obtenida a partir de este proceso es una porosidad cerrada, la cual no tiene ninguna función filtrante ya que para ésta se requiere una porosidad abierta.

El documento GB-A 970 591 trata de la fabricación de artículos de grafito de baja permeabilidad y alta densidad. Utiliza un solvente orgánico, a saber, alcohol furfurílico, como solvente y no agua. El aglutinante en forma de pez es usado al 25% sin nada de cerámica. El calentamiento final es a una temperatura superior a los 2700 °C. La porosidad es una porosidad cerrada en lugar de abierta.

El documento US-A-3, 309, 433 describe un método para fabricar grafito de alta densidad. Utiliza el moldeo en caliente como medio para obtener artículos de grafito de alta densidad para aplicaciones nucleares. En él se utilizaba un material especial llamado dibenzantraceno para unir el grafito. No tiene aplicaciones útiles en el campo de la filtración de metal. No utiliza nada de cerámica en el proceso. Utiliza altas temperaturas de hasta 2700°C.

El documento EP 0 251 634 B1 describe un proceso idóneo para crear cuerpos definidos de cerámica porosa provistos de células de paredes lisas formadas por matrices de poros, y poros con bordes redondos que interconectan las células.

El documento US-A-5, 520, 823 se refiere únicamente a filtros para aluminio. La unión se obtiene utilizando vidrio de borosilicato. La cocción se lleva a cabo en el aire y se pierde una considerable cantidad de grafito debido a la oxidación producida por el aire. Los filtros usados para la filtración del aluminio son normalmente cocidos a aproximadamente 1200°C, mientras que aquellos destinados para el uso con el hierro son cocidos a temperaturas de 1450°C y aquellos para el acero a más de 1600°C.

El documento EP 0 388 010 A1 divulga un filtro para metales ligeros que comprende un cuerpo celular formado por una composición que contiene al menos un agente fundente para el metal ligero. Los filtros preferiblemente poseen un punto de fusión de 800 - 1000°C. Cuando los filtros usados son añadidos a un horno con metal ligero que ha de ser refundido y el metal es fundido en la presencia de un fundente exotérmico, los filtros se desintegran permitiendo que el metal contenido en ellos sea recuperado. Son aglutinantes adecuados para el filtro los fosfatos de monoaluminio, el silicato de sodio, la sílice, el silicofosfato y un cemento como el cemento aluminoso.

El documento US 5, 045, 511 divulga cuerpos cerámicos formados a partir de circonia-alúmina estabilizada con itrio. Los filtros formados a partir de circonia-alúmina estabilizada con itrio pueden comprender fibras para aumentar la estabilidad mecánica del filtro.

El documento US 3, 574, 646 divulga espumas inorgánicas que son resistentes al calor, inertes químicamente y poseen una baja conductividad térmica y que pueden ser adaptadas para proteger sustratos de metal. La espuma inorgánica está fabricada de una mezcla espumosa que comprende un aglutinante orgánico de resina de poliéster no saturado, un agente esponjante y además un material inorgánico pulverulento relativamente refractario, y un fundente para dicho material refractario. Tras aplicar la espuma sobre una superficie de sustrato, la espuma es calentada hasta alcanzar una temperatura lo suficientemente alta como para carbonizar el material orgánico con lo que la resina de poliéster no saturada queda convertida en una carbonilla carbonosa que mantiene, por lo menos en gran medida, la estructura celular original de la espuma inicial. Mediante un mayor aumento de la temperatura, el material orgánico es extraído y el material inorgánico se aglomera. La fuerza de la espuma puede incrementarse mediante la incorporación de fibras orgánicas o inorgánicas junto con el material inorgánico pulverulento.

A pesar de su uso extendido para la filtración de metal, los tipos de filtros cerámicos anteriormente mencionados presentan diversas desventajas que limitan su aplicabilidad:

1. Los filtros cerámicos, aunque hayan sido precalentados, tienden a obstruirse con partículasa baja temperatura tras el primer contacto con el material fundido. Para este propósito habitualmente se utiliza metal fundido sobrecalentado, que esmetal a una temperatura de aproximadamente 100°C sobre la temperatura líquida, para el moldeo y evitar así la obstrucción de los filtros. Esta práctica es muy poco económica desde el punto de vista del gasto de energía y coste y cualquier mejora que reduzca la temperatura de procesado del metal fundido resulta muy beneficiosa. Se han aplicado los revestimientos de carbono en latécnica anterior sobre la superficie de los filtros cerámicos para reducir la masa térmica de la parte que entra en contacto directo con el material fundido.

También se ha propuesto en el documento EP 0 463 234 B1 un material termita de reacción exotérmica para su aplicación sobre una superficie recubierta con carbono del filtro cerámico. Esta última solución, aunque reduce la temperatura necesaria para el flujo del metal fundido, eleva el coste de producción de los filtros y limita en gran medida la aplicabilidad ya que el revestimiento con termita... [Seguir leyendo]

1. Un filtro cerámico adecuado para la filtración de metal fundido que comprende un polvo cerámico y fibras aglomeradas por una red de carbono grafitizado, en el que se obtiene el aglomerado con carbono mediante la pirólisis de un precursor del carbono a una temperatura en un intervalo de entre 500°C y 1000°C en la ausencia de aire, en el que el carbono grafitizado constituye hasta el 15% en peso del filtro.

2. El filtro de la reivindicación 1, en el que el polvo cerámico contiene o especialmente consiste en circonia, sílice, alúmina, alúmina fundida marrón, magnesio, cualquier tipo de arcilla, talco, mica, carburo de silicio, nitruro de silicio y similares o cualquier mezcla de los mismos, o grafito.

3. El filtro de las reivindicaciones 1 ó 2, en el que el carbono grafitizado constituye hasta el 10% en peso, más concretamente el 5% en peso.

4. El filtro de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que las fibras son seleccionadas del grupo consistente en fibras cerámicas, fibras de vidrio, fibras orgánicas, fibras de carbono, fibras de metal y mezclas de las mismas.

5. El filtro de la reivindicación 4, en el que las fibras cerámicas son seleccionadas del grupo formado por fibras de alúmina, fibras de sílice, fibras de aluminosilicato y mezclas de las mismas.

6. El filtro de la reivindicación 4, en el que las fibras orgánicas son seleccionadas del grupo formado por fibras de poliéster, fibras de poliacrilonitrilo, fibras de polietileno, fibras de poliamida, fibras de viscosa, fibras de aramida, y mezclas de las mismas.

7. El filtro de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque contiene una cantidad de 0, 1 a 20, especialmente 1 a 10% en peso de dichas fibras.

8. El filtro de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque la longitud de las fibras se encuentra en el intervalo de entre 0.1 mm y 5 mm.

9. Un método para producir filtros cerámicos adecuados para la filtración de metal fundido según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, comprendiendo dicho filtro polvo cerámico y fibras aglomeradas por una red de carbono grafitizado, en el que el carbono grafitizado constituye hasta el 15% en peso del filtro, comprendiendo las etapas de

a) impregnar una espuma hecha de material termoplástico con un lodo que contiene fibras, un precursor del aglomerado del carbono grafitizable, polvo cerámico, y opcionalmente otros aditivos,

b) secado, opcionalmente seguido por una o dos capas del mismo lodo a fin de incrementar la masa, seguido por un secado final,

c) cocer la espuma impregnada en una atmósfera no-oxidante y/o reductora a una temperatura en el intervalo de entre 500 y 1000 °C, especialmente de entre 600°C y 700°C,

en el que el precursor del aglomerado del carbono es transformado al menos parcial o totalmente en una red de aglomerado de carbono grafitizado y las fibras orgánicas experimentan una pirólisis.

10. El método de la reivindicación 9 que utiliza una espuma termoplástica que contiene poliuretano.

11. El método de las reivindicaciones 9 ó 10 en el que el precursor del aglomerado del carbono es mezclado con fibras, polvo cerámico, agua, aglutinante orgánico, y aditivos para controlar la reología, con anterioridad a la impregnación de la espuma.

12. Un método para producir los filtros cerámicos adecuados para la filtración de metal fundido según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, comprendiendo dicho filtro polvo cerámico y fibras aglomeradas por una red de carbono grafitizado, en el que el carbono grafitizado constituye hasta el 15% en peso del filtro, comprendiendo las etapas de

a) presionar una mezcla semihúmeda compuesta de fibras, polvo cerámico y un precursor del aglomerado grafitizable, y opcionalmente otros aditivos en una prensa hidráulica,

b) presionar para obtener un artículo perforado en forma de disco o bloque,

c) cocer el artículo perforado en una atmósfera no oxidante y/o reductora a una temperatura en un intervalo de entre 500°C y 1000°C, especialmente entre 600°C y 700°C,

en el que el precursor del aglomerado del carbono es transformado parcial o totalmente en una red aglomerada de carbono grafitizado.

13. El método de cualquiera de las reivindicaciones 9 a 12 en el que se utiliza pez de alta fusión (HMP) como precursor del aglomerado del carbono grafitizable.

14. El método de cualquiera de las reivindicaciones 9 a 13 en el que se utiliza un lodo de mezcla semihúmeda compuesto de -fibras en el intervalo de entre 0, 1 y 20 partes en peso, -precursor del aglomerado del carbono grafitizable en un intervalo de entre 2 a 15 partes en peso.

5. polvo cerámico en un intervalo de entre 0 y 95 partes en peso, -un material antioxidante en un intervalo de entre 0 y 80 partes en peso, -grafito en un intervalo de entre 0 y 90 partes en peso, -aglutinante orgánico en un intervalo de entre 0 y 10, especialmente entre 0.2 y 2 partes en peso y, -agente dispersante en un intervalo de entre 0 y 4, especialmente entre 0.1 y 2 partes en peso.

15. El método de la reivindicación 14 en el que se utilizan polvos metálicos tales como el acero, hierro, bronce, sílice, magnesio, aluminio, boro, boruro de circonio, boruro de calcio, boruro de titanio y similares, y/o fritas de vidrio con un contenido de un 20 a un 30% en peso de óxido bórico como material antioxidante.

16. El método de la reivindicación 14 ó 15 en el que se utiliza un aglutinante verde tal como el PVA, almidón, gomas, azúcar o similares o una combinación de los mismos como aglutinante orgánico.

17. El método de cualquiera de las reivindicaciones 14 a 16 en el que se utiliza el lignosulfonato como agente dispersante.

18. El método de cualquiera de las reivindicaciones 14 a 17 en el que se utiliza un lodo o mezcla semihúmeda, la cual además está compuesta de

- un plastificante tal como el glicol de polietileno (peso molecular: 500 a 10000) en el intervalo de entre 0 y 2 20 partes en peso,

- un agente antiespumante tal como el antiespumante de sílice en un intervalo de entre 0 y 1 partes en peso.