يعتمد صنع مرشح سيراميك عالي الأداء بشكل أساسي على تقنية استنساخ الإسفنج البوليمري. تنطوي هذه العملية الصناعية على تشريب رغوة البولي يوريثان ذات الخلايا المفتوحة الشبكية بملاط خزفي متغير الانسيابية (عادةً كربيد السيليكون أو الألومينا أو الزركونيا). بعد طلاء الرغوة بالكامل وإزالة المواد الزائدة لمنع الانسداد، تخضع الوحدة للتجفيف والحرق الخاضع للتحكم الصارم. أثناء مرحلة التلبيد، تحترق رغوة البوليمر الداخلية تمامًا، تاركةً وراءها نسخة خزفية متماثلة مع شبكة دقيقة من الفراغات المترابطة. يسمح هذا الهيكل للمعدن المنصهر بالمرور من خلاله بينما يحبس الشوائب فيزيائياً ويسهّل اضطراب التدفق.
الهندسة الكامنة وراء فلاتر رغوة السيراميك
إن تصنيع السيراميك المسامي لترشيح المعادن المنصهرة لا يتعلق فقط بتشكيل الطين. إنه تحدٍ هندسي كيميائي وحراري دقيق. في ADtech, ، ننظر إلى إنتاج المرشحات الخزفية على أنه توازن بين الريولوجيا (تدفق المادة) والديناميكا الحرارية.
والهدف من ذلك هو إنشاء هيكل يمكنه تحمل الصدمات الحرارية الشديدة - غالبًا ما ترتفع درجة حرارته من درجة حرارة الغرفة إلى أكثر من 1500 درجة مئوية في ثوانٍ - دون حدوث تشقق. ولتحقيق ذلك، يجب أن يتحكم خط التصنيع في المتغيرات حتى مستوى الميكرون.
لماذا تهيمن طريقة التكرار الإسفنجي
في حين أن هناك طرق أخرى مثل الرغوة المباشرة أو إضافة عوامل تشكيل المسام إلى مزيج صلب، تظل طريقة النسخ الإسفنجي هي المعيار الصناعي. فهي توفر التحكم الأكثر اتساقًا في حجم المسام (تقاس بـ PPI أو المسام لكل بوصة) والمسامية الكلية. تضمن هذه الطريقة تمتع المنتج النهائي بالقوة الميكانيكية لمقاومة الضغط الحديدي الساكن للمعدن المنصهر.
الخطوة 1: اختيار المواد الخام وتحضيرها
أساس أي فلتر عالي الجودة هو المسحوق. لا يمكننا ببساطة استخدام مسحوق سيراميك عام. يجب حساب توزيع حجم الجسيمات (PSD) لضمان إحكام التعبئة أثناء التلبيد.
المجاميع
يحدد اختيار المجمّع تطبيق المرشح.
-
كربيد السيليكون (SiC): يستخدم في المقام الأول لسبائك الحديد والنحاس. يتميز بمقاومة ممتازة للصدمات الحرارية.
-
أكسيد الألومنيوم (Al2O3): مثالي لترشيح الألومنيوم. وهو مستقر كيميائياً ويقاوم التآكل من الألومنيوم المصهور.
-
زركونيا (ZrO2): ضروري لتطبيقات الصلب حيث تتجاوز درجات الحرارة 1600 درجة مئوية.
المواد الرابطة والعوامل الريولوجية
يعد “الغراء” الذي يثبت جزيئات السيراميك معًا قبل الحرق أمرًا بالغ الأهمية. نحن نستخدم مزيجًا من المواد اللاصقة الفوسفاتية أو السيليكا الغروية. ومع ذلك، فإن سر الطلاء المثالي يكمن في معدِّلات الانسيابية. تتحكم هذه الإضافات في لزوجة الملاط. إذا كان الملاط سميكًا جدًا، فإنه يسد المسام الداخلية. وإذا كان رقيقًا جدًا، فإنه يسيل من الإسفنج، مما يؤدي إلى ضعف هيكل المرشح الذي ينهار تحت ضغط المعدن المنصهر.
الجدول 1: تركيبة المواد ومصفوفة التطبيق
| المادة الأساسية | المكوّن الرئيسي | درجة حرارة الحرق (درجة مئوية) | التطبيق الأساسي | مقاومة الصدمات الحرارية |
| الألومينا | Al₂O₃ (>85%) | 1100 – 1350 | سبائك الألومنيوم | جيد |
| كربيد السيليكون | SiC (>70%) | 1150 – 1450 | حديد، حديد رمادي، برونز | ممتاز |
| زركونيا | ZrO₂ (>95%) | 1600 – 1700 | فولاذ كربوني، فولاذ مقاوم للصدأ | عالية |
| موليت | 3Al₂O₃-2SiO₂ | 1300 – 1500 | مكواة بدرجة حرارة منخفضة | معتدل |
الخطوة 2: إعداد الطين الحرج
تميز هذه المرحلة المرشح المتوسط عن مرشح ADtech المتميز. إعداد الملاط هو عملية خلط متعددة المراحل.
بروتوكولات الخلط
-
الخلط الجاف: يتم تقليب مساحيق السيراميك والمواد المضافة الصلبة لضمان توزيع متجانس لأحجام الجسيمات.
-
الإضافة السائلة: نادراً ما يستخدم الماء وحده. نحن نستخدم مزيجًا من الماء ومزيلات الرغوة ومشتتات الرغوة. يُضاف السائل ببطء إلى المسحوق أثناء الخلط عالي القص.
-
إزالة الهواء: فقاعات الهواء في الملاط قاتلة. إذا شكلت فقاعة الهواء جيبًا في طلاء السيراميك، فإنها تخلق نقطة ضعف تتشقق عندما يصطدم بها المعدن المنصهر. نحن نستخدم غرف إزالة الهواء بالتفريغ لإزالة الغاز المحبوس من الملاط قبل أن يلمس الإسفنج.
التحكم في الانسيابية المتغيرة الانسيابية
يجب أن يكون الطين ثيكسوتروبيك. وهذا يعني أنها تصبح سائلة عند تحريكها (أثناء عملية الطلاء) ولكنها تتصلب بسرعة عندما تكون في حالة السكون. تضمن هذه الخاصية أنه بمجرد طلاء الإسفنج، يبقى السيراميك على خيوط الرغوة ولا يتساقط ليتجمع في قاع المرشح.
الخطوة 3: تحضير الناقل (الإسفنج)
تعمل رغوة البولي يوريثان (PU) كقالب مضحٍ. وهي تحدد PPI للمنتج النهائي.
القطع والفحص
يتم تقطيع الكعك الكبير من رغوة البولي يوريثان إلى شرائح بالأبعاد المحددة التي يطلبها المسبك، مثل 7×7 بوصة أو 23×23 بوصة.
فحص حاسم: يجب أن تكون الرغوة “شبكية”. وهذا يعني أن أغشية الخلايا (النوافذ) بين دعامات الرغوة يجب أن تكون مفتوحة تمامًا. إذا كانت الرغوة تحتوي على نوافذ مغلقة (أسطح لامعة)، لا يمكن لطين السيراميك اختراقها، مما يؤدي إلى انسداد المرشح. نحن نستخدم غرف الشبك الحراري لتفجير أي أغشية خلايا متبقية في الرغوة الخام.
الخطوة 4: التشريب وإزالة الزوائد
هذا هو القلب المادي لعملية “كيفية صنع مرشح السيراميك”.
الانغماس
يتم غمر قطع الرغوة المقطوعة في الملاط المحضر. في خط آلي، تقوم الغطاسات بضغط الرغوة عدة مرات أثناء غمرها. هذا الضغط والاسترخاء المتكرر يجبر الهواء على الخروج من الإسفنج ويمتص ملاط السيراميك الثقيل في كل فراغ.
الكبس باللف (ضبط المسامية مسبقاً)
الإسفنجة المنقوعة هي في الأساس كتلة من الطين. لا تحتوي على أي مسامية. لاستعادة البنية المفتوحة، تمر الرغوة المبللة من خلال بكرات معدة مسبقاً.
-
مسافة الفجوة: تحدد المسافة بين البكرات مقدار الطين المتبقي على الدعامات.
-
الضغط يؤدي الضغط الزائد إلى إتلاف الأربطة الرغوية الرقيقة. ويؤدي الضغط القليل جداً إلى انسداد المسام.
-
تفجير الهواء: بالنسبة للمرشحات عالية PPI (مثل 50 أو 60 PPI)، فإن البكرات وحدها غير كافية. نحن نستخدم فوهات هواء دقيقة تنفخ الهواء المضغوط من خلال المرشح الرطب لتنظيف أصغر المسارات دون تجريد الطلاء من الدعامات.
الخطوة 5: التجفيف المضبوط
لا يمكنك رمي مرشح مبلل في الفرن. يجب أن يتبخر الماء ببطء. إذا تحوّل الماء إلى بخار داخل طلاء السيراميك بسرعة، فسوف ينفجر الطلاء من الداخل إلى الخارج (التشظّي).
-
المجففات النفقية: تنتقل المرشحات عبر أنفاق يتم التحكم في رطوبتها.
-
تدرج درجة الحرارة: نبدأ بدرجات حرارة منخفضة (40 درجة مئوية) ورطوبة عالية، ثم نبدأ بدرجات حرارة منخفضة (40 درجة مئوية) ورطوبة عالية، ثم نزيد الحرارة تدريجياً ونخفض الرطوبة. يؤدي ذلك إلى سحب الرطوبة من مركز الفلتر إلى السطح.
-
المدة الزمنية: تستغرق هذه العملية عادةً من 12 إلى 24 ساعة حسب سُمك الفلتر.
الخطوة 6: التلبيد ومرحلة الحرق والإطفاء
تُنشئ عملية الحرق الرابطة الخزفية النهائية. يحدث ذلك في الأفران النفقية ذات درجة الحرارة العالية أو الأفران المكوكية.
المرحلة أ: التطاير (مرحلة الدخان)
ما بين 300 درجة مئوية و600 درجة مئوية، تبدأ إسفنجة البولي يوريثان الموجودة داخل طلاء السيراميك في التحلل. هذه لحظة حساسة. يجب أن يتحول الإسفنج إلى غاز ويتسرب من خلال الطلاء الخزفي المسامي دون أن يتمدد كثيراً لدرجة أنه يشق الغلاف غير المشتعل. تستخدم أفران ADtech جوًا غنيًا بالأكسجين في هذه المنطقة لضمان احتراق نظيف للبوليمر.
المرحلة ب: تشكيل الرابطة الخزفية
ومع ارتفاع درجة الحرارة إلى ما بعد 1000 درجة مئوية، تنشط مساعدات التلبيد في الملاط. تبدأ جزيئات المسحوق الفردية في الاندماج.
-
بالنسبة لكربيد السيليكون: تُنشئ مادة السيليكا الرابطة الزجاجية (الزجاجية) التي تحبس جزيئات السيليكا معًا.
-
بالنسبة للألومينا: يحدث تلبيد الحالة الصلبة، حيث تندمج حدود الحبيبات.
المرحلة C: التبريد
يجب أن يكون التبريد بطيئًا مثل التسخين. يؤدي التبريد السريع إلى حدوث إجهاد حراري. يتم خفض درجة حرارة المرشحات إلى درجة حرارة الغرفة على مدار عدة ساعات للحفاظ على سلامتها الهيكلية.
القسم 7: مراقبة الجودة ومقاييس الأداء
صنع الفلتر هو نصف المعركة فقط. فالتحقق من أدائه إلزامي قبل الشحن إلى المسبك.
الفحص البدني
تفحص أنظمة الرؤية الآلية كل مرشح. يبحثون عن
-
المسام المسدودة: المناطق التي سدّ فيها الطين الفجوة ولم يتم تنظيفها.
-
الشقوق: الكسور الشعرية الناتجة عن الجفاف.
-
الأبعاد: التأكد من أن الفلتر يناسب بوابة الصب بشكل مثالي.
الاختبار التدميري
نقوم بسحب عينات عشوائية من كل دفعة لتدميرها.
-
قوة التكسير البارد: نقوم بسحق المرشح لقياس مقدار الوزن الذي يمكن أن يتحمله. يجب أن يتحمل الفلتر القياسي مقاس 50 × 50 × 50 × 22 مم ضغطًا كبيرًا.
-
اختبار الصدمة الحرارية: نقوم بتسخين الفلتر إلى 1200 درجة مئوية ونضعه في الماء البارد. يجب أن تظل سليمة. إذا تحطمت، يتم رفض الدفعة.
الجدول 2: العيوب الشائعة وأسباب التصنيع
| نوع العيب | المظهر | السبب الجذري في التصنيع |
| المسام العمياء | سيراميك صلب يحجب تدفق الهواء | لزوجة الطين عالية جدًا؛ نفخ الهواء غير كافٍ |
| تشققات الويب | شقوق صغيرة على الدعامات | تجفيف سريع للغاية؛ مشاكل في ترحيل المواد الرابطة |
| قوة منخفضة | يتفتت بسهولة | درجة حرارة التلبيد منخفضة للغاية؛ ضعف نسبة المادة الرابطة |
| اسوداد القلب | المركز الداكن بعد إطلاق النار | احتراق الإسفنج غير الكامل (تجويع الأكسجين في الفرن) |
دراسة حالة: حل مشاكل الخردة في فيتنام
العميل: مسبك ألومنيوم متوسط الحجم
الموقع: هاي فونغ، فيتنام
التاريخ: مارس 2023
التحدي:
كان المسبك ينتج مكونات محركات الدراجات النارية المعقدة. وكانوا يعانون من معدل خردة 22% بسبب الشوائب غير المعدنية وأغشية الأكسيد في المسبوكات. كانوا يستخدمون شبكة من الألياف الزجاجية الأساسية للترشيح، والتي كانت تذوب وتتعطل تحت حرارة الصب الأكبر.
حل ADtech:
قمنا بتحليل درجة حرارة الصب (720 درجة مئوية) ومتطلبات معدل التدفق. قمنا بتحويلها من الشبكة إلى مرشحات رغوة سيراميك الألومينا ADtech (40 PPI).
-
التنسيب: قمنا بإعادة تصميم نظام البوابات لاستيعاب وسائط الترشيح الخزفية الصلبة.
-
الاختيار: اخترنا 40 PPI لالتقاط الأكاسيد الدقيقة دون تقييد سرعة التدفق المطلوبة لملء القالب قبل التصلب.
النتيجة:
في غضون 30 يومًا من التنفيذ، انخفض معدل الخردة من 22% إلى 7%. قام الهيكل الخزفي بتنعيم تدفق المعدن، مما قلل من الاضطراب (الذي يسبب المزيد من الأكاسيد). أفاد العميل بأن أسطح الماكينات أنظف وأقل تآكلًا للأدوات في نهاية الماكينة.
لماذا تفشل الفلاتر “محلية الصنع”
غالبًا ما تسأل استعلامات البحث عن صنع مرشحات السيراميك في المنزل. في حين أن الهواة يمكنهم تجربة ذلك، إلا أن النتائج نادراً ما تصمد أمام المعدن المنصهر.
-
حدود الفرن: لا تتمتع معظم أفران الهوايات بالتحكم الدقيق في الغلاف الجوي اللازم لحرق رغوة البولي يوريثان دون تكسير القشرة.
-
كيمياء الطين: وبدون المشتتات الصناعية، تنفصل الملاط المصنوع منزليًا. تغرق الجسيمات الثقيلة، تاركة طبقة ضعيفة في الجزء العلوي من المرشح.
-
خطر على السلامة: إذا فشل مرشح محلي الصنع أثناء عملية الصب، يمكن أن يتسبب ذلك في فيضان القالب أو انفجاره بسبب احتباس الرطوبة. بالنسبة للسلامة الصناعية، فإن مرشحات ADtech المعتمدة هي الخيار الوحيد القابل للتطبيق.
المواصفات الفنية لمرشحات ADtech
عند طلب الفلاتر أو تصنيعها، يساعد فهم المواصفات القياسية في اختيار الآلات أو المنتج المناسب.
الجدول 3: مواصفات الإنتاج القياسية ل ADtech
| الممتلكات | الألومينا (Al2O3) | كربيد السيليكون (SiC) | زركونيا (ZrO2) |
| كثافة المسام (PPI) | 10, 20, 30, 40, 50, 60 | 10, 20, 30, 40 | 10, 20, 30 |
| المسامية (%) | 80 – 90% | 80 – 85% | 75 – 85% |
| الكثافة السائبة (جم/سم مكعب) | 0.35 – 0.55 | 0.35 – 0.50 | 0.80 – 1.0 |
| قوة الانضغاط | > 1.0 ميجا باسكال | > 1.2 ميجا باسكال | > 1.5 ميجا باسكال |
| درجة حرارة العمل القصوى | 1200°C | 1500°C | 1700°C |
الاعتبارات المتقدمة: التصنيع البيئي
يتطلب التصنيع الحديث الاهتمام بالأثر البيئي. ونحن في ADtech، نركز على:
-
إعادة تدوير الطين الزائد: يتم تجميع التنقيط من مرحلة التشريب ومراقبة كثافته وإعادة إدخاله في الخلاط.
-
أنظمة التنظيف: تطلق مرحلة الحرق الإيزوسيانات من رغوة البولي يوريثان. نستخدم أجهزة الحرق اللاحق عالية الحرارة وأجهزة تنقية الغازات لتحييد هذه الغازات قبل خروجها من مداخن المصنع.
الأسئلة الشائعة (FAQs)
فيما يلي الأسئلة الأكثر شيوعًا فيما يتعلق بإنتاج واستخدام مرشحات السيراميك.
1. ما هي المادة الأساسية المستخدمة في صنع “الإسفنج” داخل الفلتر؟
الإسفنج الداخلي مصنوع من رغوة البولي يوريثان الشبكية (PU). وقد تم اختيارها لأنها تحترق بشكل نظيف (تتطاير) في درجات الحرارة العالية، تاركةً بقايا رماد قليلة جدًا داخل الهيكل الخزفي.
2. كيف تتحكم في حجم مسام المرشح الخزفي؟
يتم تحديد حجم المسام بالكامل من خلال PPI (المسام لكل بوصة) لرغوة البولي يوريثان المستخدمة كقاعدة. إذا بدأنا بإسفنجة 30 PPI، فسيكون المرشح الخزفي النهائي 30 PPI تقريبًا، على الرغم من أن سمك الطلاء يقلل قليلاً من حجم الفتحة.
3. هل يمكنني استخدام هذه الفلاتر لتصفية المياه؟
في حين أن الآلية متشابهة، فإن المرشحات المعدنية مصممة للمعادن المنصهرة. وتكون مسامها كبيرة جدًا لالتقاط البكتيريا أو الرواسب الدقيقة في الماء. وعادةً ما تستخدم مرشحات المياه سيراميك دقيق المسام بفتحات دون الميكرون، مصنوعة من خلال عملية ضغط مختلفة.
4. ماذا يحدث إذا كانت درجة حرارة التلبيد منخفضة للغاية؟
إذا كانت درجة الحرارة منخفضة للغاية، فلن تتشكل الرابطة الخزفية بالكامل. سيبدو المرشح صحيحًا ولكن ستكون قوته الميكانيكية منخفضة. ومن المحتمل أن يتفتت أو ينجرف بعيدًا عندما يصطدم بتيار ثقيل من المعدن المنصهر.
5. لماذا تكون بعض المرشحات باللون الوردي والبعض الآخر باللون الرمادي؟
يشير اللون إلى المادة. يشير اللون الوردي أو الأبيض عادةً إلى الألومينا (للألومنيوم). الرمادي أو الأسود يشير عادةً إلى كربيد السيليكون (للحديد/النحاس). يشير اللون الأصفر أو الأسمر عادةً إلى الزركونيا (للصلب).
6. كم تستغرق عملية التصنيع؟
من خلط الملاط إلى فحص الجودة النهائي، تستغرق الدورة من 3 إلى 4 أيام تقريبًا. ويأخذ ذلك في الاعتبار أوقات الراحة اللازمة للطين ومنحنيات التجفيف البطيئة ودورة الحرق الطويلة.
7. ما هو العمر الافتراضي لمرشح رغوة السيراميك؟
إذا تم تخزينها في بيئة جافة، يمكن أن تدوم لسنوات. ولكن، نظراً لأن السيراميك مسترطب (يمتص الرطوبة من الهواء)، فإننا نوصي باستخدامه في غضون سنة إلى سنتين أو تجفيفه في الفرن قبل استخدامه إذا كان في ظروف رطبة.
8. هل يمكن إعادة استخدام الفلتر الخزفي؟
بمجرد استخدامه في صب المعادن، يمتلئ المرشح بالمعدن المتصلب والشوائب المحتجزة. ويصبح جزءًا من خردة المسبك (نظام البوابات) وعادةً ما يتم إعادة صهره (مع وجود السيراميك الطافي إلى الأعلى كخبث) أو يتم التخلص منه.
9. ما هي “الصدمة الحرارية” في هذا السياق؟
تشير الصدمة الحرارية إلى التمدد السريع الناجم عن الفرق في درجة الحرارة بين المرشح البارد (25 درجة مئوية) والمعدن المنصهر (700 درجة مئوية - 1500 درجة مئوية). يجب أن تضمن عملية التصنيع أن يكون للسيراميك معامل تمدد حراري منخفض لتجاوز هذا الارتفاع الفوري.
10. لماذا تختار فلاتر ADtech على منافسيها الأرخص ثمناً؟
وغالبًا ما تعاني المرشحات الرخيصة من “المسام العمياء” (انسدادات داخلية) أو الهياكل العظمية الضعيفة التي تتكسر وتلوث الصب. تستخدم تقنية ADtech التشريب الآلي ومنحنيات الحرق الصارمة لضمان أن كل مرشح يتمتع بمعدلات تدفق متسقة وسلامة هيكلية.
الخاتمة
الإتقان كيفية صنع فلتر سيراميك هو تقارب بين علم المواد والدقة الميكانيكية. فهو يتطلب انسيابية دقيقة للطين لتغليف الرغوة دون انسدادها، والتنميط الحراري الدقيق لتلبيد السيراميك دون تكسيره. بالنسبة للمسابك، تحدد جودة المرشح جودة الصب النهائي.
في ADtech, لقد قمنا بتحسين هذه العملية لتقديم حلول ترشيح تعمل على تحسين الإنتاجية وتقليل الخردة. سواء كنت تقوم بصب الألومنيوم الفضائي أو ماكينات الحديد الثقيل، فإن الاعتماد على مرشح مصنوع باحترافية هو الطريق الأكثر أمانًا للجودة.