Le filtre en mousse céramique permet de retenir efficacement les inclusions métalliques liquides et de purifier le métal en fusion. En ce qui concerne les recherches sur le mécanisme de filtration et de purification des métaux, on distingue principalement les points de vue suivants : le mécanisme de filtration par tamisage, par gâteau filtrant et par lit profond ; le mécanisme de séparation par flottation ; le mécanisme d'adsorption et le mécanisme de rectification.
Mécanisme de filtration par tamisage, formation d'un gâteau de filtration et filtration en lit profond
Le filtre en mousse céramique sépare les inclusions de la masse fondue grâce à trois mécanismes : le tamisage, la couche de gâteau et la filtration en lit profond.
1. Filtration. En suivant le principe traditionnel de filtration des mailles en fibre de verre, à l'instar d'un tamis, ce système empêche le passage des particules et de leurs agglomérats dont la taille est supérieure à celle des pores de la surface filtrante.
2. Gâteau de filtration. Après le tamisage, de nombreuses impuretés plus grosses que les mailles du filtre sont retenues à l’entrée de celui-ci. À mesure que le nombre d’impuretés retenues augmente, un “ gâteau de filtration ” composé de grosses impuretés se forme à la surface de l’extrémité d’entrée du filtre. Le “ gâteau de filtration ” rend le liquide plus fluide, de sorte que les inclusions plus petites que la taille des pores du filtre sont également partiellement retenues sur le “ gâteau de filtration ”. Le tamisage et la filtration sur gâteau constituent les deux étapes d’un même mécanisme. La durée de ce processus dépend de la quantité d’inclusions présentes dans la masse fondue et de la taille des pores du filtre.
3. Filtration en lit profond. À l'intérieur du filtre en mousse céramique, le parcours suivi par la masse fondue est sinueux, et on observe même une inversion du flux transversal dans une petite zone locale.
Mécanisme de séparation flottant
Une fois le filtre en mousse céramique correctement conçu et placé dans le système de coulée, la résistance à l'écoulement du métal en fusion augmente, et le métal en fusion remplit entièrement le système de coulée, permettant ainsi à la fonction de blocage des scories de ce dernier de jouer pleinement son rôle. Dans le même temps, le flux de métal en fusion injecté par la canalisation d’alimentation est étranglé par le filtre ; le métal en fusion reste ainsi brièvement dans la canalisation d’alimentation, ce qui permet aux scories, de faible densité, de remonter à la surface et de se séparer, offrant ainsi les avantages d’un système de coulée à injection par le fond. Lorsque le métal en fusion continue d’être coulé à travers le filtre en mousse céramique, les scories de faible densité superficielle remontent à la surface, ce qui permet d’une part de réduire efficacement, voire d’éliminer, les courants de Foucault.
Mécanisme d'adsorption
Le filtre est placé dans la canalisation transversale ou la canalisation interne de la cavité, et lorsque le premier flux de liquide atteint la surface de l'extrémité d'entrée du filtre pendant le coulage, un phénomène d'adsorption se produit entre le flux de liquide et la structure en mousse. Ce type d’adsorption repose principalement sur une adsorption physique multicouche non sélective, et les inclusions sont adsorbées couche par couche dans la structure du filtre jusqu’à ce que celle-ci soit obstruée.
Mécanisme de rectification
Les trois théories susmentionnées relatives aux mécanismes de filtration et de purification ne permettent pas d'expliquer certains phénomènes, tels que la filtration sur treillis métallique. Le principe de purification est généralement expliqué comme une interception mécanique (criblage), mais en versant de l'acier fondu et du fer fondu sur des treillis métalliques en molybdène et en acier inoxydable, l'expérience dans laquelle le liquide a traversé complètement le tamis a montré qu'aucune inclusion n'avait été interceptée par le tamis.
L'important effet de purification obtenu grâce au filtrage et à la purification des métaux à l'aide de filtres nous incite à étudier le mécanisme de purification à partir du comportement d'écoulement du métal en fusion. Au cours du processus de coulée, dans la plupart des cas, le métal en fusion est versé dans la cavité dans un état turbulent ; en particulier au début de la coulée, le métal en fusion pénètre dans la cavité depuis une certaine hauteur.
D'après l'analyse expérimentale fondée sur les principes de la mécanique des fluides, grâce aux méandres présents dans le canal d'écoulement du filtre en mousse céramique, celui-ci présente une très grande capacité à transformer l'écoulement turbulent du métal liquide en un écoulement laminaire.
Grâce à l'action rectificatrice du filtre, le métal en fusion, qui présentait à l'origine un écoulement fortement turbulent, devient laminaire lorsqu'il traverse le filtre. Après avoir traversé le filtre, il doit parcourir une zone de transition plus longue pour retrouver son état turbulent d'origine. Dans cette zone de transition, l'écoulement du liquide est trop lent pour se transformer en turbulence ou en turbulence de moindre ampleur, ce qui permet d'éviter une oxydation secondaire du métal.