Spiekane porowate filtry metalowe: porowatość zaprojektowana jako produkt

Elementy filtracyjne z otwartoporowatego brązu, stali nierdzewnej 316L, niklu, tytanu i nadstopów o kontrolowanej porowatości, z klasą filtracji w mikronach od około 0,2 do 100 µm, charakteryzowane przepuszczalnością (ISO 4022) i punktem pęcherzykowym (ISO 4003), nadające się do płukania wstecznego i ponownego użycia, przeznaczone do wysokich temperatur i agresywnych mediów.

Filtracja porowatym metalem w Hydroforce

Hydroforce Engineering produkuje spiekane porowate metalowe elementy filtracyjne według specyfikacji klienta: krążki, kubki, cylindry, świece i bełkotki z brązu, stali nierdzewnej, stopów niklu i tytanu. To ugruntowana gałąź naszych prac z zakresu metalurgii proszków i spiekania: te same piece i ten sam rygor procesowy, które wytwarzają nasze gęste, wysokowytrzymałe komponenty spiekane i MIM, są tu wykorzystywane do przeciwstawnego celu metalurgicznego.

To odwrócenie jest zamierzone. W naszych częściach MIM i z metalurgii proszków do zamków porowatość jest wadą, którą trzeba wyeliminować: celem jest 95 do 99,9 % gęstości teoretycznej, ponieważ resztkowe pory obniżają wytrzymałość i trwałość zmęczeniową. W porowatym filtrze metalowym porowatość jest produktem. Pory nie są tym, co zostaje; one są tą częścią. Element filtracyjny jest specyfikowany, wytwarzany i certyfikowany według wielkości, udziału i wzajemnego połączenia jego porów, a nie według tego, jak niewiele ich pozostało.

Te elementy schodzą z tej samej linii co nasze spiekane części do zamków i części z metalurgii proszków: te same proszki, te same piece, prowadzone do przeciwnego końca skali gęstości. Różnica tkwi wyłącznie w celu: każdy etap jest tak ustawiony, aby utworzyć i utrzymać otwartą, połączoną sieć porów, a nie ją zamknąć.

Przegląd

Spiekany porowaty filtr metalowy to sztywne, monolityczne ciało metalowe z kontrolowaną siecią połączonych ze sobą otwartych porów przebiegających przez całą jego ściankę. W odróżnieniu od siatki tkanej, która filtruje na pojedynczej płaszczyźnie powierzchni, albo membrany, która jest cienką powłoką na podłożu, element spiekany filtruje na całej swojej grubości: jest to trójwymiarowy labirynt kanałów porowych powstały w wyniku połączenia cząstek proszku metalowego (lub włókna metalowego) w wysokiej temperaturze bez stopienia do pełnej gęstości.

Ponieważ struktura jest litym metalem, element zachowuje się jak część obrabiana, a nie jak element zużywalny: można go nagwintować, przyspawać, kołnierzować, czyścić i ponownie wprowadzać do eksploatacji. Tym, co dostarczamy, jest zdefiniowana porowatość, zwykle 30 do 50 % objętości pustek dla gatunków proszkowych, a do około 90 % dla mediów z włókna metalowego, przełożona na gwarantowaną klasę filtracji w mikronach oraz znaną krzywą spadku ciśnienia w funkcji przepływu.

Spiekany porowaty metalowy element filtracyjny: matowoszare ciało to medium porowate, czyli część robocza, a polerowany kołnierz to lity element montażowy spawany lub uszczelniany w obudowie.

Rys. — filtracja objętościowa: pracuje cała ścianka. Nieoczyszczony płyn (szare strzałki, z lewej) wnosi cząstki do porowatej ścianki; przefiltrowany płyn (niebieskie strzałki) opuszcza ją prawą stroną.

• Duże cząstki są zatrzymywane na powierzchni wlotowej.
• Drobniejsze cząstki są wychwytywane głębiej w sieci porów.
• Siatka tkana zatrzymuje cząstki na pojedynczej płaszczyźnie, a element spiekany filtruje na całej swojej grubości.

Media filtracyjne

Medium dobiera się według chemii i temperatury płynu, a nie według geometrii części. Hydroforce obsługuje pełny zakres przemysłowy:

Brąz to ekonomiczny wybór domyślny do pracy z powietrzem i gazem obojętnym, ale jest ograniczony chemicznie. Stal nierdzewna 316L obejmuje większość zastosowań filtracji cieczy i gazów. Stopy niklu, tytan i nadstopy specyfikuje się, gdy chemia procesu lub temperatura wykluczają wszystko inne: ta sama geometria elementu, inny proszek.

Formy i geometrie

Kontrolowaną porowatość można nadać niemal każdemu kształtowi, jaki da się wypełnić lub uformować z proszku:

• Krążki i frytki – podstawowy płaski element do obudów, odpowietrzników i małych filtrów liniowych
• Kubki, naparstki i świece – cylindry z dnem do filtracji ślepej oraz z płukaniem wstecznym
• Cylindry i rury – bezszwowa rura porowata o długości do ~1500 mm i średnicy zewnętrznej do ~320 mm
• Arkusze i płyty – w tym płyty rozdzielające do złóż fluidalnych (fluidyzacji)
• Spargery i dyfuzory – do dyspersji gazu i napowietrzania cieczy
• Zespoły niestandardowe – ciała porowate wykończone spawanymi dennicami, gwintowanymi przyłączami lub kołnierzami ze stali 316L lub tytanu

Spiekane porowate metalowe elementy filtracyjne o różnych średnicach i długościach, tu z sanitarnymi kołnierzami zaciskowymi: ta sama kontrolowana porowatość w kubkach, cylindrach i świecach.

Struktura porów może być również gradientowa: grubsza warstwa nośna o wysokiej przepuszczalności dźwiga drobniejszą warstwę powierzchniową, dzięki czemu element zapewnia ścisłą klasę filtracji w mikronach bez ponoszenia pełnej kary w postaci spadku ciśnienia na całej grubości ścianki.

Rys. — gradientowa struktura porów. Płyn wpływa od strony drobnej (z lewej), a wypływa od strony grubej (z prawej).

• Drobna warstwa powierzchniowa (małe pory) ustala klasę filtracji w mikronach.
• Gruba warstwa nośna (duże pory) zapewnia wysoką przepuszczalność i wytrzymałość mechaniczną.
• Efektem jest ścisła klasa filtracji bez spadku ciśnienia, jaki dawałaby ścianka w całości drobna.

Parametry filtracji i przepływu

Element jest specyfikowany przez jego zachowanie przepływowe, a nie tylko przez nominalną „drobność”. Liczą się następujące parametry:

Dwa decydujące badania to przepuszczalność (ISO 4022, czyli ile płynu przechodzi przy danym spadku ciśnienia, wyrażona współczynnikiem lepkościowym α i współczynnikiem bezwładnościowym β) oraz punkt pęcherzykowy (ISO 4003, czyli ciśnienie, przy którym pierwszy pęcherzyk gazu przeciska się przez największy por, co wskazuje na największy por, a zatem na dokładność bezwzględną). Razem przekładają „porowaty metal” na liczbowo określoną, powtarzalną specyfikację.

Rys. — dwa badania kwalifikacyjne.

• Z lewej — punkt pęcherzykowy (ISO 4003): ciśnienie gazu podnosi się, aż z największego poru wydostanie się pierwszy pęcherzyk; to ciśnienie ustala dokładność bezwzględną.
• Z prawej — przepuszczalność (ISO 4022): spadek ciśnienia (Δp, oś pionowa) rośnie wraz z natężeniem przepływu (oś pozioma), charakteryzowany współczynnikami lepkościowym (α) i bezwładnościowym (β).

Projektowanie według płynu

Dobór elementu porowatego jest najpierw zagadnieniem płynu, a dopiero potem zagadnieniem części. Klasa filtracji w mikronach, porowatość i geometria są równoważone względem czterech rzeczy: wielkości cząstek do usunięcia, dopuszczalnego spadku ciśnienia, wymaganego natężenia przepływu oraz trwałości eksploatacyjnej między czyszczeniami. Drobniejsza klasa zatrzymuje mniejsze cząstki, ale podnosi czysty Δp i szybciej się zatyka; bardziej otwarta porowatość daje zdolność gromadzenia zanieczyszczeń i dłuższe cykle pracy; większa powierzchnia (więcej świec, dłuższe rury, struktura gradientowa) odzyskuje przepływ bez utraty drobności.

Tam, gdzie priorytetem jest zdolność gromadzenia zanieczyszczeń (długie cykle między czyszczeniami, wysokie obciążenie cząstkami stałymi), przechodzimy wyżej w zakresie, do spiekanych mediów z włókna metalowego. Zbudowane z drobnych włókien metalowych, a nie z kulistego proszku, osiągają porowatość rzędu 90 %, gromadząc znacznie więcej zanieczyszczeń, zanim Δp wzrośnie, przy zachowaniu wysokiej wytrzymałości na rozerwanie gatunków proszkowych i pełnej zdolności do płukania wstecznego. To opcja o maksymalnej pojemności w obrębie tej samej rodziny, a nie odrębna technologia.

Decydującą przewagą handlową nad mediami jednorazowymi jest regeneracja. Ponieważ element jest z litego metalu, zaślepiony filtr jest czyszczony i przywracany do eksploatacji, a nie złomowany: przez płukanie wsteczne przeciwprądowe, kąpiel ultradźwiękową, mycie chemiczne lub wypalanie termiczne substancji organicznych. Pojedynczy element spiekany rutynowo przeżywa wiele cykli wymiany membrany lub wkładu, które zastępuje.

Jak powstaje rozmiar porów

Porowatość jest projektowana, a nie przypadkowa. Trasa produkcyjna jest celowo odmienna od procesów dla części gęstych:

1. Dobór proszku lub włókna. Największą dźwignią wpływu na rozmiar porów jest frakcja granulometryczna proszku wyjściowego (lub średnica włókna dla mediów z włókna metalowego). Wąska, gruba frakcja daje duże pory i wysoką przepuszczalność; drobna frakcja daje ścisłą klasę filtracji w mikronach.
2. Formowanie. Proszek jest albo wsypywany grawitacyjnie / sypko do formy o danym kształcie (co zachowuje maksymalną, niemal jednorodną porowatość), albo prasowany w matrycy pod kontrolowanym ciśnieniem zagęszczania (co poświęca część porowatości na rzecz wytrzymałości wypraski i dokładności wymiarowej). To zamiar przeciwny do MIM, gdzie celem jest upakowanie, a następnie skurcz do pełnej gęstości.
3. Spiekanie. Wypraskę nagrzewa się w kontrolowanej atmosferze tuż poniżej temperatury topnienia. Cząstki łączą się w punktach styku, tworząc szyjki spiekania, podczas gdy sieć porów między nimi jest celowo zachowywana. Czas i temperatura dostrajają końcowy rozmiar porów i wytrzymałość.
4. Kalibracja i wykończenie. Elementy są wymiarowane, w razie potrzeby obrabiane oraz wyposażane w dennice, gwinty lub kołnierze przez spawanie, a następnie badane na integralność.

Kontrast z MIM jest najjaśniejszym sposobem zrozumienia tego procesu: MIM odlepiszczowuje i spieka właśnie po to, aby usunąć porowatość i skurczyć się izotropowo do gęstości bliskiej pełnej; spiekanie filtrów porowatych działa odwrotnie: precyzyjnie kontroluje frakcję proszku i profil spiekania właśnie po to, aby zachować połączoną sieć porów o docelowym rozmiarze.

Metal spiekany a membrana, siatka i media nawijane

Mówiąc uczciwie: metal spiekany nie jest odpowiedzią na wszystko. Do bezwzględnej sterylnej filtracji poniżej 0,1 µm membrana polimerowa jest zwykle lepszym narzędziem, cienka membrana daje niższy spadek ciśnienia na czystym, a elementy z brązu są ograniczone chemicznie. Tam, gdzie metal spiekany wygrywa, jest trwałość pod ciśnieniem, w temperaturze i w środowisku chemicznym, brak migracji medium oraz ekonomika elementu, który się czyści zamiast wymieniać.

Zastosowania

• Filtracja cieczy i gazów — strumienie procesowe, hydraulika, gazy pomiarowe i analityczne
• Bełkotanie i napowietrzanie gazem — dyspersja drobnych pęcherzyków w cieczach (fermentacja, flotacja, uzdatnianie wody)
• Bezpieczniki płomieniowe — porowaty metal gasi front płomienia, przepuszczając gaz
• Tłumiki pneumatyczne — rozpraszanie powietrza wylotowego w celu obniżenia hałasu
• Dławiki i tłumiki pulsacji przepływu — skalibrowana przepuszczalność jako element regulacji przepływu / ciśnienia
• Płyty fluidyzacyjne — równomierny rozdział gazu w złożach fluidalnych i przenośnikach pneumatycznych
• Oprzyrządowanie próżniowe — porowate płyty ssące, które wytwarzają próżnię równomiernie na całej powierzchni
• Filtracja stopionego polimeru — ochrona dysz przędzalniczych i matryc, w przybliżeniu 1–60 µm (abs.)

Kontrola jakości

Każdy element jest weryfikowany względem swojej specyfikacji:

• Badanie punktu pęcherzykowego (ISO 4003) — potwierdza największy por / dokładność bezwzględną
• Badanie przepuszczalności (ISO 4022) — potwierdza charakterystykę przepływu w funkcji ciśnienia
• Kontrola integralności / szczelności spoin i przyłączy końcowych
• Kontrola wymiarowa zgodnie z rysunkiem
• Atest materiałowy dla partii proszku (EN 10204 typ 3.1 na życzenie)
• Kontrola wizualna pod kątem wad powierzchni i równomierności spiekania

Galeria

Wykaz norm

Ugruntowana kompetencja — filtracja porowatym metalem stanowi część regularnej produkcji spiekalniczej i z metalurgii proszków w Hydroforce.

Zamów u producenta

Jako producent wytwarzamy każdy element u siebie: od doboru proszku i włókna, przez spiekanie, kalibrację, aż po badania integralności na naszych własnych stanowiskach do punktu pęcherzykowego i przepuszczalności. Prześlij rysunek lub specyfikację — medium, klasę filtracji w mikronach, natężenie przepływu i warunki pracy — na adres office@hydroforce.ee, a my odpowiemy rekomendowanym gatunkiem, klasą filtracji w mikronach i formą elementu oraz wyceną za sztukę. Zapraszamy ze sztukami pilotażowymi i prototypami: ta sama certyfikacja materiałowa i te same badania własne obowiązują od pierwszej sztuki aż po produkcję seryjną.