O filtro de espuma cerâmica é capaz de reter com eficácia as inclusões de metal líquido e purificar o metal fundido. No que diz respeito à pesquisa sobre o mecanismo de filtragem e purificação de metais, destacam-se principalmente os seguintes pontos de vista: mecanismo de filtragem por peneiramento-bolo-leito profundo; mecanismo de separação por flutuação; mecanismo de adsorção e mecanismo de retificação.
Mecanismo de filtração por peneiramento, bolo de filtro e leito profundo
O filtro de espuma cerâmica separa as inclusões da massa fundida por meio de três mecanismos: peneiramento, camada de torta e filtração em leito profundo.
1. Filtragem. Seguindo o mecanismo tradicional de filtragem da malha de fibra de vidro, semelhante a uma peneira, ela impede a passagem de partículas e seus aglomerados cujo tamanho seja maior do que o tamanho dos poros da superfície do filtro.
2. Bolo de filtração. Após a peneiração, muitas inclusões maiores que o orifício do filtro são retidas na entrada do filtro. À medida que o número de inclusões retidas aumenta, forma-se um “bolo de filtração” composto por inclusões grandes na superfície da extremidade de entrada do filtro. O “bolo de filtração” torna o líquido mais ralo, de modo que as impurezas menores que o tamanho dos poros do filtro também são parcialmente retidas no “bolo de filtração”. A peneiração e a filtração por bolo são duas etapas de um mesmo mecanismo. A duração desse processo depende da quantidade de impurezas na massa fundida e do tamanho dos poros do filtro.
3. Filtragem em leito profundo. No interior do filtro de espuma cerâmica, o trajeto percorrido pela massa fundida é sinuoso, e há até mesmo uma inversão do fluxo cruzado em uma pequena área local.
Mecanismo de separação flutuante
Após projetar e posicionar corretamente o filtro de espuma cerâmica no sistema de canais de alimentação, a resistência ao fluxo do metal fundido aumenta, e o metal fundido preenche todo o sistema de canais de alimentação, permitindo que a função de bloqueio de escória do sistema seja plenamente aproveitada. Ao mesmo tempo, o fluxo de metal líquido injetado pelo canal de alimentação é restringido pelo filtro, e o metal fundido permanece no canal de alimentação por um breve período; a escória, de baixa densidade, flutua e se separa, o que permite aproveitar as vantagens do sistema de alimentação por injeção inferior. Quando o metal fundido continua a ser vertido através do filtro de espuma cerâmica, a escória com baixa densidade superficial flutua para cima e, por outro lado, isso reduz ou elimina efetivamente as correntes parasitas.
Mecanismo de adsorção
O filtro é colocado no canal transversal ou no canal interno da cavidade e, quando a primeira corrente de líquido atinge a superfície da extremidade de entrada do filtro durante o vazamento, ocorre o fenômeno de adsorção entre a corrente de líquido e a estrutura de malha de espuma. Esse tipo de adsorção baseia-se principalmente na adsorção física multicamadas não seletiva, e as inclusões são adsorvidas camada por camada na estrutura do filtro até que este fique obstruído.
Mecanismo de retificação
As três teorias acima sobre os mecanismos de filtragem e purificação não conseguem explicar alguns fenômenos, como a filtragem por tela metálica. O princípio da purificação é geralmente explicado como interceptação mecânica (peneiramento), mas, ao derramar aço fundido e ferro fundido sobre a tela de arame de molibdênio e a tela de aço inoxidável, o experimento em que o líquido passou completamente pela tela do filtro constatou que não havia inclusões interceptadas pelo mecanismo na tela do filtro.
O enorme efeito de purificação alcançado pela filtragem e purificação de metais com filtros nos leva a estudar o mecanismo de purificação a partir do padrão de fluxo do metal fundido. Durante o processo de vazamento, na maioria dos casos, o metal fundido é introduzido na cavidade em estado turbulento; especialmente na fase inicial do vazamento, o metal fundido entra na cavidade a partir de uma certa altura.
De acordo com a análise experimental baseada no princípio da mecânica dos fluidos, devido às curvas e voltas no canal de fluxo do filtro de espuma cerâmica, sua capacidade de regularizar o fluxo do metal líquido, transformando-o de turbulento em laminar, é muito elevada.
Devido à retificação do filtro, o metal fundido, que originalmente apresentava um forte fluxo turbulento, torna-se laminar ao passar pelo filtro. Após passar pelo filtro, ele precisa percorrer uma zona de transição mais longa para restaurar o estado turbulento original. Nessa zona de transição, o fluxo do líquido já não tem tempo suficiente para se transformar em turbulência ou em turbulência de menor intensidade, evitando assim a oxidação secundária do metal.