يمكن لمرشح الرغوة الخزفية أن يحجز شوائب المعادن السائلة بفعالية ويقوم بتنقية المعدن المنصهر. وفيما يتعلق بالبحوث المتعلقة بآلية ترشيح المعادن وتنقيتها، توجد بشكل أساسي وجهات النظر التالية: آلية الترشيح عبر الغربلة-الكتلة-الطبقة العميقة؛ وآلية الفصل العائم؛ وآلية الامتصاص؛ وآلية التصحيح.
آلية الترشيح بالفلترة - كعكة الترشيح - الترشيح بالطبقة العميقة
الـ مرشح رغوي خزفي يفصل الشوائب عن المادة المنصهرة من خلال ثلاث آليات: الغربلة، وطبقة الكيك، والترشيح في طبقة عميقة.
1. الغربلة. وفقًا لآلية الترشيح التقليدية لشبكة الألياف الزجاجية، التي تعمل كالمنخل، فإنها تمنع دخول الجسيمات وتكتلاتها التي يزيد حجمها عن حجم مسام سطح المرشح.
2. كعكة الترشيح. بعد الغربلة، يتم احتجاز العديد من الشوائب التي يزيد حجمها عن فتحة المرشح عند مدخل المرشح. ومع تزايد عدد الشوائب المحتجزة، تتشكل “كعكة الترشيح” المكونة من الشوائب الكبيرة على سطح الطرف المدخل للمرشح. يؤدي “كعكة الترشيح” إلى تخفيف السائل، بحيث يتم احتجاز الشوائب الأصغر من حجم مسام المرشح جزئيًا على “كعكة الترشيح” أيضًا. يعد الغربلة والترشيح بالكعكة مرحلتين من آلية واحدة. ويعتمد طول هذه العملية على كمية الشوائب الموجودة في المادة المنصهرة وحجم مسام المرشح.
3. الترشيح بالطبقة العميقة. داخل مرشح الرغوة الخزفية، يكون المسار الذي يتدفق عبره السائل المنصهر متعرجًا، بل ويحدث انعكاس في اتجاه التدفق المتقاطع في منطقة محلية صغيرة.
آلية الفصل العائم
بعد تصميم مرشح الرغوة الخزفية ووضعه بشكل صحيح في نظام القنوات، تزداد مقاومة تدفق المعدن السائل، فيمتلئ نظام القنوات بالمعدن السائل، مما يتيح الاستفادة الكاملة من وظيفة حجب الخبث التي يتمتع بها نظام القنوات. وفي الوقت نفسه، يتم تقييد تدفق السائل الذي يتم حقنه من قناة الصب بواسطة المرشح، ويبقى المعدن المنصهر في قناة الصب لفترة قصيرة، بينما تطفو الخبث ذات الكثافة المنخفضة وتنفصل، مما يتيح الاستفادة من مزايا نظام قنوات الحقن السفلي. وعندما يستمر صب المعدن المنصهر عبر مرشح الرغوة الخزفية، تطفو الخبث ذات الكثافة السطحية المنخفضة إلى الأعلى، ومن ناحية أخرى، يقلل ذلك بشكل فعال من التيار الدوامي أو يقضي عليه تمامًا.
آلية الامتصاص
يُوضع المرشح في القناة العرضية أو القناة الداخلية للتجويف، وعندما يصل تيار السائل الأول إلى سطح الطرف المدخل للمرشح أثناء الصب، تحدث ظاهرة الامتصاص بين تيار السائل وإطار شبكة الرغوة. ويستند هذا النوع من الامتصاص بشكل أساسي إلى الامتصاص الفيزيائي متعدد الطبقات غير الانتقائي، حيث يتم امتصاص الشوائب طبقةً تلو الأخرى في إطار المرشح حتى يتم سده.
آلية التصحيح
لا تستطيع النظريات الثلاث المذكورة أعلاه المتعلقة بآليات الترشيح والتنقية تفسير بعض الظواهر، مثل الترشيح عبر الشبكات المعدنية. يُفسَّر مبدأ التنقية عمومًا على أنه اعتراض ميكانيكي (غربلة)، ولكن عند صب الفولاذ المنصهر والحديد المنصهر على شبكة سلكية من الموليبدينوم وشبكة من الفولاذ المقاوم للصدأ، أظهرت التجربة التي مر فيها السائل بالكامل عبر شبكة الترشيح أنه لم تكن هناك شوائب اعترضتها الآلة على شبكة الترشيح.
إن تأثير التنقية الهائل الذي يتحقق من خلال ترشيح وتنقية المعادن باستخدام المرشحات يحثنا على دراسة آلية التنقية انطلاقًا من نمط تدفق المعدن المنصهر. وأثناء عملية الصب، يتم في معظم الحالات صب المعدن المنصهر في التجويف في حالة من الاضطراب، لا سيما في المرحلة الأولية من عملية الصب، حيث يدخل المعدن المنصهر إلى التجويف من ارتفاع معين.
وفقًا للتحليل التجريبي القائم على مبدأ ميكانيكا الموائع، وبسبب الانحناءات والانعطافات الموجودة في قناة التدفق بمرشح الرغوة الخزفية، فإن قدرته على تحويل تدفق المعدن السائل من تدفق مضطرب إلى تدفق طبقي قوية جدًّا.
بفضل تصحيح عمل المرشح، يتحول المعدن المنصهر — الذي كان يتسم في الأصل بتدفق مضطرب قوي — إلى تدفق طبقي عند مروره عبر المرشح. وبعد مروره عبر المرشح، يتعين عليه أن يمر عبر منطقة انتقالية أطول لاستعادة حالته المضطربة الأصلية. وفي هذه المنطقة الانتقالية، يكون تدفق السائل قد تأخر عن التطور إلى حالة اضطراب أو اضطراب أصغر، مما يمنع حدوث أكسدة ثانوية للمعدن.