Gussteile aus Stahl für Kernkraftwerke unterliegen hohen Anforderungen an Sicherheit, Oberflächenqualität, innere Festigkeit und mechanische Eigenschaften. Beim Schmelzen, Umfüllen und Gießen gelangen jedoch unweigerlich Verunreinigungen wie Stahlschlacke, feuerfeste Materialien aus der Gießpfanne und Oxideinschlüsse in den flüssigen Stahl. Durch den Einsatz von Schaumkeramikfiltern lässt sich die Menge an Stahlschlacke und Einschlüssen im flüssigen Metall effektiv entfernen oder reduzieren, wodurch die Reinheit der Gusslegierung verbessert wird. Dies führt zu Gussteilen mit glatten Oberflächen, gleichmäßiger und zuverlässiger innerer Festigkeit, stabiler Leistung, geringen Ausschussquoten, reduzierten Nachbearbeitungskosten und kürzeren Produktionszyklen.

Beim Sandguss, bei dem die Anguss- und Steigertechnik bereits festgelegt ist, hängt die Gussqualität maßgeblich von der Qualität des in die Form gegossenen flüssigen Stahls ab. Dieser enthält jedoch zwangsläufig Schlacke aus dem Schmelzprozess sowie feuerfeste Bestandteile aus der Gießpfanne und Oxideinschlüsse, die beim Abstich und Gießen entstehen. All diese Bestandteile können Gussfehler verursachen und somit die mechanischen Eigenschaften, die Bearbeitbarkeit und das Aussehen beeinträchtigen, was letztendlich Nacharbeit oder Ausschuss zur Folge haben kann. Der Einsatz von Schaumkeramikfiltern zur Reinigung der Schmelze und zur Reduzierung oder Beseitigung dieser Einschlüsse ist daher eine entscheidende Technik zur Herstellung hochwertiger Gussteile.

Dieser Anwendungsfall stammt von einem langjährigen Kunden von Xinda. Die hergestellten Gussteile bestehen aus austenitischem Edelstahl und zeichnen sich durch hohes Angussgewicht, hohe Gießtemperatur und die leichte Oxidationsneigung der Legierung aus. Aufgrund dieser umfassenden Betriebsanforderungen wurden Schaumkeramikfilter von Xinda ausgewählt. Dieser Schaumkeramikfilter verfügt über eine einzigartige dreidimensionale, vernetzte Maschenstruktur mit gekrümmten Poren, die eine offene Porosität von 80–90 % ergibt. Er nutzt drei Filtrations- und Reinigungsmechanismen: Erstens die mechanische Abscheidung, die verhindert, dass größere Einschlüsse als die Maschenweite in den Formhohlraum gelangen; zweitens die Schlackenrektifizierung, bei der die Rektifizierungswirkung des Filters das vorgelagerte Anguss-System gefüllt hält und so eine stabile laminare Strömung des gefilterten flüssigen Stahls gewährleistet. Dadurch werden Oxidations- und Ausspülungsreaktionen reduziert, was das Aufschwimmen und Auffangen von Einschlüssen erleichtert und die Menge an Sekundäreinschlüssen nach dem Filter verringert. Drittens findet eine Tiefenadsorption statt, bei der feine Einschlüsse, die in den Filter gelangen, aufgrund des vollständigen Kontakts mit dem komplexen dreidimensionalen Keramiknetzwerk an das Gerüst adsorbiert oder in Totzonen eingeschlossen werden. Durch diese drei Filtrations- und Reinigungsmechanismen lassen sich große Einschlüsse und ein Großteil winziger, suspendierter Einschlüsse mit einer Größe von nur wenigen zehn Mikrometern effizient aus geschmolzenen Gusslegierungen entfernen, wodurch die Gussqualität deutlich verbessert wird.

Das in dieser Anwendung verwendete Ventilgehäuse-Gussteil unterliegt extrem hohen Qualitätsprüfungsanforderungen, mit folgenden spezifischen Indikatoren:

Gussbezeichnung: Ventilkörper;

Material: CF8M;

Gewicht des flüssigen Stahls: 1000 kg;

Anforderungen an die zerstörungsfreie Prüfung: 100%ige volumetrische Röntgenprüfung (RT) des Gussteils, Stufe 1 für Schweißenden, Stufe 2 für den Rest;

Die Prüfung der äußeren und zugänglichen inneren Oberflächen des Gussteils mittels PT (100% Flüssigkeitsdurchdringung) muss folgende Anforderungen erfüllen:

Jede lineare Einbuchtung von höchstens 2 mm;

Die Größe einer einzelnen kreisförmigen Vertiefung darf nicht größer als 4 mm sein;

Dichte Vertiefungen von höchstens 2 mm innerhalb eines beliebigen Bereichs von 100 mm x 100 mm.

Basierend auf der Durchflussrate pro Quadratzentimeter des Schaumkeramikfilters wurden schließlich zwei 125 × 125 × 30 mm große Schaumkeramikfilter von Xinda ausgewählt und in den horizontalen Angusskanal eingesetzt. Um die Prozessrationalität sicherzustellen, wurde das fertige Prozessdesign mithilfe der Simulationssoftware MAGMA hinsichtlich Erstarrung, Formfüllanalyse sowie gekoppelter Strömungs- und Wärmeübertragungsberechnungen analysiert. Die Simulationsergebnisse zeigten einen gleichmäßigen Einlauf des flüssigen Stahls ohne Spritzer beim Eintritt in das Gussteil.

Die Überprüfung in der Produktion zeigt, dass der Einsatz eines Gießsystems mit Filter die Gusslegierungsschmelze effektiv filtern und reinigen, Einschlüsse in der Gusslegierungsschmelze entfernen oder reduzieren, die Reinheit der Gusslegierungsschmelze verbessern, Gussteile mit klaren Konturen und gleichmäßiger Struktur herstellen, die Ausschussquote senken, die innere und Oberflächenqualität der Gussteile verbessern, die Nachbearbeitungskosten reduzieren und die Qualität der Gussteile deutlich steigern kann.