El filtro de espuma cerámica puede retener eficazmente las inclusiones de metal líquido y purificar el metal fundido. En cuanto a la investigación sobre el mecanismo de filtración y purificación de metales, existen principalmente los siguientes puntos de vista: el mecanismo de filtración por tamiz, torta y lecho profundo; el mecanismo de separación por flotación; el mecanismo de adsorción y el mecanismo de rectificación.
Mecanismo de filtración por cribado, torta de filtro y lecho profundo
El filtro de espuma cerámica Separa las inclusiones del material fundido mediante tres mecanismos: cribado, capa de torta y filtración en lecho profundo.
1. Filtración. Siguiendo el mecanismo tradicional de filtración de la malla de fibra de vidrio, al igual que un tamiz, impide el paso de partículas y sus aglomerados cuyo tamaño sea mayor que el tamaño de los poros de la superficie del filtro.
2. Torta de filtración. Tras el cribado, muchas impurezas de tamaño superior al de los poros del filtro quedan retenidas en la entrada del mismo. A medida que aumenta el número de impurezas retenidas, se forma una “torta de filtración” compuesta por impurezas de gran tamaño en la superficie del extremo de entrada del filtro. La “torta de filtración” diluye el líquido, de modo que las impurezas más pequeñas que el tamaño de los poros del filtro también quedan parcialmente retenidas en la “torta de filtración”. El tamizado y la filtración por torta son dos etapas de un mismo proceso. La duración de este proceso depende de la cantidad de impurezas presentes en la masa fundida y del tamaño de los poros del filtro.
3. Filtración en lecho profundo. En el interior del filtro de espuma cerámica, el recorrido que sigue el material fundido es sinuoso, e incluso se produce una inversión del flujo transversal en una pequeña zona local.
Mecanismo de separación por flotación
Tras diseñar y colocar correctamente el filtro de espuma cerámica en el sistema de colada, aumenta la resistencia al flujo del metal fundido, y este llena por completo el sistema de colada, lo que permite aprovechar al máximo la función de bloqueo de escorias de dicho sistema. Al mismo tiempo, el flujo de metal líquido inyectado desde el canal de colada es estrangulado por el filtro, y el metal fundido permanece en el canal de colada durante un breve periodo de tiempo, lo que permite que la escoria, al tener una baja densidad, flote y se separe, lo que aporta las ventajas del sistema de colada por inyección inferior. Cuando el metal fundido continúa vertiéndose a través del filtro de espuma cerámica, la escoria con baja densidad superficial flota hacia arriba y, por otra parte, se reducen o eliminan eficazmente las corrientes parásitas.
Mecanismo de adsorción
El filtro se coloca en el canal transversal o en el canal interior de la cavidad, y cuando la primera corriente de líquido alcanza la superficie del extremo de entrada del filtro durante el vertido, se produce el fenómeno de adsorción entre la corriente de líquido y la estructura de malla de espuma. Este tipo de adsorción se basa principalmente en la adsorción física multicapa no selectiva, y las inclusiones se adsorben capa por capa en el marco del filtro hasta que este queda obstruido.
Mecanismo de rectificación
Las tres teorías anteriores sobre los mecanismos de filtración y purificación no pueden explicar algunos fenómenos, como la filtración mediante malla metálica. El principio de purificación se explica generalmente como interceptación mecánica (cribado), pero al verter acero fundido y hierro fundido sobre la malla de alambre de molibdeno y la malla de acero inoxidable, el metal... El experimento, en el que el líquido atravesó completamente la malla filtrante, reveló que no había inclusiones interceptadas por la máquina en la malla filtrante.
El enorme efecto purificador que se consigue al filtrar y purificar metales mediante filtros nos anima a estudiar el mecanismo de purificación a partir del patrón de flujo del metal fundido. Durante el proceso de colada, en la mayoría de los casos, el metal fundido se vierte en la cavidad en estado turbulento; especialmente en la fase inicial de la colada, el metal fundido entra en la cavidad desde una cierta altura.
Según el análisis experimental basado en los principios de la mecánica de fluidos, debido a los giros y curvas del canal de flujo del filtro de espuma cerámica, su capacidad para rectificar el flujo del metal líquido, pasando de un flujo turbulento a uno laminar, es muy elevada.
Debido a la rectificación del filtro, el metal fundido, que inicialmente presentaba un fuerte flujo turbulento, pasa a ser laminar al atravesar el filtro. Una vez que ha atravesado el filtro, debe recorrer una zona de transición más larga para recuperar su estado turbulento original. En esta zona de transición, el flujo del líquido llega demasiado tarde para desarrollar turbulencias o, en todo caso, estas son de menor intensidad, lo que evita la oxidación secundaria del metal.