Теоретичне дослідження фізико-хімічних та кінетичних аспектів процесу фільтрації розплавів алюмінію з використанням керамічних фільтрів - Єфімова, В. Г.; Скоробагатько, Ю. П.; Смірнов, О. М.; Семенко, А. Ю.; Горюк, М. С.; Карпухін, Є. В. (Фізико-технологічний інститут металів і сплавів НАН України, 2023)
Відомо, що алюміній та його сплави мають багато переваг та є одним з основних конструкційних матеріалів. При цьому існують численні проблеми в досягненні високої чистоти розплавів алюмінію. У даній роботі висвітлено, що одним з основних способів рафінування розплавів алюмінію є їх фільтрація крізь керамічні фільтри. Результати попередніх наукових досліджень показали високу ефективність фільтрації розплаву алюмінію від неметалевих включень через керамічні фільтри, що обґрунтовано їх суттєвим осадженням на стінках даного виробу. Однак фізико-хімічний механізм та кінетичні закономірності видалення неметалевих включень з розплаву алюмінію при його фільтрації вивчено недостатньо. Отже, метою дослідження стало встановлення фізико-хімічних закономірностей, а також створення кінетичної моделі видалення неметалевих включень з розплавів алюмінію. На першому етапі досліджень було проведено термодинамічний аналіз видалення неметалевих включень з розплаву алюмінію за рахунок дії поверхневих та динамічних сил. Детально розглянуто механізм утримання поверхнею фільтра включень різного агрегатного стану та розмірів. В результаті досліджень встановлено, що включення будь-якого агрегатного стану (тверді, рідкі) розміром до 30 мкм утримуються на поверхні фільтра за рахунок дії поверхневих сил, рідкі включення розміром більше 30 мкм підкоряються таким же закономірностям; тверді включення розміром більше 30 мкм утримуються силами захоплення. В цьому випадку, включення, що злилися між собою, надалі виконують роль нових фільтруючих поверхонь. Проведений кінетичний аналіз гетерогенного процесу видалення неметалевих включень поверхнею фільтра показав, що процес лімітується кінетичною областю та перебігає за першим порядком. Для підтвердження достовірності кінетичної моделі, а також для визначення впливу швидкості розливання металу на якість фільтрації, було проведено розливання розплаву алюмінію через керамічний фільтр у лабораторних умовах з використанням індикаторів фільтрації. Проведені дослідження підтвердили лімітуючу область перебігу гетерогенного процесу фільтрування розплаву алюмінію через керамічні фільтри, а також дозволили встановити, що ефективність видалення включень зменшується зі зменшенням швидкості розливання.

It is known that aluminum and its alloys have many advantages and are one of the main structural materials. At the same time, there are numerous problems in achieving high purity of aluminum melts. In this paper it is shown that one of the main ways of refining aluminum melts is their filtration through ceramic filters. The results of previous scientific studies have shown the high efficiency of filtering aluminum melt from non-metallic inclusions through ceramic filters, which is justified by their substantial deposition on the walls of this product. However, the physico-chemical mechanism and kinetic patterns of removal of non-metallic inclusions from aluminum melt during its filtration have not been studied enough. Therefore, the goal of the research was to establish the physico-chemical regularities, as well as creating the kinetic model of the removal of non-metallic inclusions from aluminum melts. At the first stage of our research, a thermodynamic analysis of the removal of non-metallic inclusions from molten aluminum due to the action of surface and dynamic forces was conducted. The mechanism of retention of inclusions of different aggregate state and sizes by the filter surface has been considered in detail. As a result of the research, it was found that inclusions of any aggregate state (solid, liquid) up to 30 μm in size are held on the filter surface due to surface forces, liquid inclusions larger than 30 μm obey the same laws; solid inclusions larger than 30 µm are held by the gripping forces. In this case, the inclusions that have merged with each other will further act as new filter surfaces. The conducted kinetic analysis of the heterogeneous process of removal of non-metallic inclusions by the filter surface showed that the process is limited by the kinetic region and proceeds according to the first order. To confirm the reliability of the kinetic model, as well as to determine the influence of the metal pouring speed on the quality of filtration, aluminum melt was poured through a ceramic filter in laboratory conditions using filtration indicators. The conducted studies confirmed the limiting area of the heterogeneous process of filtering molten aluminum through ceramic filters, and also allowed us to establish that the efficiency of removing inclusions decreases with a decrease in the pouring speed.
Theoretical study of physico-chemical and kinetic aspects of the process of filtration of aluminum melts using ceramic filters
Keywords: керамічний фільтр; розплав алюмінію; фільтрація; неметалеві включення; крайовий кут змочування; кінетика гетерогенних процесів; поверхнева енергія; Ceramic filter; aluminum melt; filtration; non-metallic inclusions; wetting edge angle; kinetics of heterogeneous processes; surface energy