保證鑄鐵質(zhì)量的前提是鐵液質(zhì)量

布丁貝貝

鐵液是鑄鐵質(zhì)量之本

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% q0 _5 v5 Q; [6 o) f# I& a9 V" |: d在鑄造合金家族中,，各類鑄造合金的發(fā)展取決于其優(yōu)勢(shì)的發(fā)揚(yáng)和劣勢(shì)的抑制。鑄鐵與鑄鋼,、有色合金相比，鑄造性能較好，容易鑄出形狀復(fù)雜、壁厚不勻的鑄件而較少產(chǎn)生鑄造缺陷,。因此，鐵液的利用率高,，產(chǎn)品的適用面廣。此外,，石墨鑄鐵還有一些與生俱來的,，諸如減摩性,、緩震性、切削性,、疲勞斷裂性等方面的良好特性,。
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在材質(zhì)競(jìng)爭(zhēng)中，提高鑄鐵的比強(qiáng)度,、增加強(qiáng)韌性,、消除內(nèi)在缺陷，對(duì)于減輕鑄件重量,，延長(zhǎng)服役期,，節(jié)約材料是非常重要的。為了保證鑄鐵性能的可靠性和穩(wěn)定性,，首先必需有良好的鐵液質(zhì)量,。


8 U5 S, \! e$ P" ^) g) r, N% `一鐵液質(zhì)量的內(nèi)涵


- G) G$ m& v! Z# z6 _鐵液質(zhì)量包括：溫度、成分及成分精度,，有害元素含量,，非金屬夾雜物數(shù)量、氣體溶量和爐外可造性等,。
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鐵液質(zhì)量的控制分為熔煉,，爐前處理和過濾三個(gè)環(huán)節(jié)。以下?lián)褚��?jiǎn)述之,。
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% ]+ L" @) B  W  W二熔煉


1.沖天爐要上新臺(tái)階

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  ]' K' G# P, }- W2 C$ {6 H. v①獲得高溫鐵液
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盡管鑄鐵件澆注的工藝溫度并不高,，不同鑄鐵大多在1260℃~1400℃之間。但從獲得優(yōu)質(zhì)鐵液的觀點(diǎn)看,，應(yīng)有較高的熔煉溫度,。高溫熔煉保證了高的出鐵溫度，F(xiàn)e,、Si,、Mn燒損少，爐況穩(wěn)定,，化學(xué)成分波動(dòng)小,。以發(fā)達(dá)國(guó)家為例，沖天爐內(nèi)C的波動(dòng)可控制在±0.05%,，Si的波動(dòng)可控制在±0.1%,。高溫熔煉，鐵液中的S,、O,、H、N及夾雜物都會(huì)減少，爐料的不良遺傳性將會(huì)減弱,。
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7 y) ~$ ~; O2 x. ~沖天爐獲得高溫鐵液有三種方法：一是好的爐型,，如兩排大間距，冷風(fēng)+固定碳在85%以上的優(yōu)質(zhì)焦炭,，出鐵溫度可在1480℃以上,。二是富氧送風(fēng)，此法簡(jiǎn)便,，調(diào)溫迅速及時(shí),，但受供氧條件的制約，局限性很大,。三是熱送風(fēng),，不同熱風(fēng)裝置風(fēng)溫由150℃至600℃不等，適于開爐時(shí)間較長(zhǎng)的工廠使用,。
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我國(guó)鑄造廠多數(shù)生產(chǎn)規(guī)模較小,，因此在相當(dāng)時(shí)期內(nèi)，“方法一”將是主要的措施,。冷風(fēng)作業(yè),，沖天爐的熱利用率低，從可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略考慮,，熱風(fēng)沖天爐符合節(jié)能的國(guó)策,，而且可結(jié)合著解決環(huán)境污染，滿足社會(huì)生態(tài)要求,。隨著世界經(jīng)濟(jì)一體化進(jìn)程的發(fā)展,，鑄造業(yè)必將重組、兼并,，擴(kuò)大規(guī)模,，實(shí)行集約化生產(chǎn)，熱風(fēng)作業(yè)將逐步擴(kuò)大其應(yīng)用范圍,。采用熱風(fēng)與否必須考慮的兩個(gè)問題是,，是否有足夠的連續(xù)作業(yè)時(shí)間，以及一次性投入的多少和投資的回收期,。
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利用爐氣物理熱的爐膽熱風(fēng),，風(fēng)溫在150℃~250℃，穩(wěn)定在300℃以上的尚少,。這種爐子配合中等以上品質(zhì)(固定碳>80%)的焦炭,，可得到1450℃~1500℃的鐵液。同時(shí)利用物理熱和化學(xué)熱的沖天爐,，風(fēng)溫在400℃~600℃,，出爐溫度可超過1500℃,。風(fēng)溫在350℃以上，沖天爐有明顯的冶金效果,，爐內(nèi)氧化氣氛大為改善,，爐渣活躍，渣中FeO<3%,鐵液S低,，爐內(nèi)元素?zé)龘p減少，濕底作業(yè)時(shí)[Si]有所增加,。從我國(guó)工廠經(jīng)濟(jì)實(shí)力考慮,，應(yīng)該著力開發(fā)高效、實(shí)用,、經(jīng)濟(jì)型的熱風(fēng)沖天爐,。

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: Y6 o# g) P7 G1 E$ l! R除了優(yōu)質(zhì)焦和熱風(fēng)外，含有CaO的鑄造電石和特種碳化硅壓鐵加入爐內(nèi)都有提溫的輔助作用,。鑄造電石還是一種強(qiáng)脫硫劑,；特種碳化硅壓塊作為爐料兼有增硅增碳和促進(jìn)爐渣脫硫的功用。

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續(xù):
9 `/ E. k2 d, W8 Q6 T$ y②穩(wěn)定爐膛尺寸
低質(zhì)爐襯材料會(huì)帶來一系列不良的影響：爐襯侵蝕物污染鐵液,；侵蝕物改變爐渣的物理化學(xué)性狀,，從而影響爐子的順行和去硫效果；爐膛擴(kuò)大,，破壞熔煉的穩(wěn)定性,，開爐時(shí)間一長(zhǎng)，后期會(huì)出現(xiàn)鐵液溫度下降,，燒損增多,，鐵液氧化的現(xiàn)象。
開爐在8–12h時(shí),，應(yīng)重視爐襯材料的品質(zhì),，敷搗料濕度要小，搗打密度要大,。封爐連續(xù)作業(yè)時(shí),，爐體與風(fēng)口應(yīng)進(jìn)行水冷，爐身,、爐缸采用高鋁磚,、ASC磚和ASC搗打料。該類爐子的連續(xù)工作時(shí)間,，視系統(tǒng)設(shè)計(jì),、爐襯質(zhì)量和管理水平的不同，變動(dòng)于1~6周。目前國(guó)內(nèi)已有生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)爐襯材料的廠家和經(jīng)銷國(guó)外產(chǎn)品的公司,。
2.使用中頻感應(yīng)爐
近年來,，作者走訪了長(zhǎng)江三角洲、珠江三角洲和膠東地區(qū),，發(fā)現(xiàn)采用感應(yīng)爐或與沖天爐雙聯(lián)的工廠不少,。感應(yīng)爐鐵液的質(zhì)量高，常是國(guó)外采購(gòu)商和國(guó)內(nèi)主機(jī)廠指定的供貨條件,。
進(jìn)入二十世紀(jì)九十年代,，第三代晶體管模塊中頻爐取第二代傳統(tǒng)可控硅中頻爐而代之。這種爐子的特點(diǎn)是節(jié)電,、熔化速度快,、升溫迅速、操作簡(jiǎn)便,、工作可靠,、對(duì)電網(wǎng)無干擾、功率因素高,。有的還可以實(shí)現(xiàn)一臺(tái)熔化,，另一臺(tái)保溫或預(yù)熱的一拖二操作。
* o! ?( Y, H" ~1 y+ w變頻中頻爐可滿足不同熔煉階段的不同工藝要求,。當(dāng)熔料時(shí),，用較高的頻率實(shí)現(xiàn)快速熔化；當(dāng)增碳時(shí),，改用較低的頻率,，增加鐵液攪拌力，加快增碳過程,，從而達(dá)到縮短時(shí)間,、節(jié)省電力的目的。有的爐子還能隨液面高度的不同自動(dòng)調(diào)節(jié)功率,。近期國(guó)外推出的寬爐體感應(yīng)爐,，可實(shí)現(xiàn)大料直接裝爐。
3.不可忽視生鐵中的微量元素
+ D! a/ ^6 ~0 U生鐵出廠一般只規(guī)定Si,、Mn,、P、S,，對(duì)C無限量,，微量元素則隨礦源而任其自然，不作檢測(cè),，底碼不清,。我國(guó)生鐵中的微量元素有Cu,、Cr、Mo,、V,、Ni、Ti,、Sn,、Al、Pb,、Bi,、Zn、As,、Sb等。其中Cu,、Cr,、Mo、V,、Ni,、并無害處，Al視為中性,，As,、Zn、Pb有害,，Ti,、Sb、Bi,、Sn為敏感元素,，低于一定值有利，超過則有弊,。
一般而言,，生鐵中的微量元素對(duì)普通鑄鐵件無關(guān)緊要，但對(duì)球鐵件和重要灰鐵件不可輕視,。德國(guó)規(guī)定球鐵用生鐵微量元素總量ΣT≤0.0745%,，日本為ΣT≤0.089%，要求Ti不大于總量的50%,。國(guó)內(nèi)有資料提出球鐵用生鐵ΣT≤0.1%,，其中Ti<0.045%。
有的外商,，對(duì)鑄鐵中的Ti有明文規(guī)定,，鑄造廠應(yīng)根據(jù)爐料配比情況,，反算出對(duì)生鐵中Ti量的相應(yīng)要求。
( U/ L9 [9 ?  K$ u以前,，有些工廠用某些生鐵時(shí),，出現(xiàn)過一些金相組織和鑄造缺陷的異常現(xiàn)象,，這與生鐵的遺傳性不無關(guān)系,。
4.感應(yīng)爐增碳
感應(yīng)爐若以廢鋼為主爐料，在爐內(nèi)增碳生產(chǎn)合成鑄鐵,，可得到鋼一般純凈的鐵液,。由于沒有生鐵粗大石墨的遺傳和受孕能力優(yōu)良，鑄鐵組織中的石墨具有細(xì)小和分布均勻的特點(diǎn),，球鐵的球化率高,，低碳灰鐵易于得到A型石墨和珠光體基體，且壁厚敏感性減小,。因?yàn)榱缀艿�,，大大降低了發(fā)動(dòng)機(jī)件縮松滲漏的缺陷。
增碳劑常用的有石墨質(zhì)增碳劑(電極塊或優(yōu)質(zhì)天然石墨,、類石墨)和碳質(zhì)增碳劑(如冶金焦),。電極質(zhì)地純，灰分<0.5%,，S,、N含量只有0.1%。選用天然石墨和碳質(zhì)增碳劑時(shí),，應(yīng)特別關(guān)注其灰分,，S和N量，并防止受潮,。增碳劑的吸收率,，爐底加入(裝料)時(shí)為65~70%，鏡面加入時(shí)為75~80%,。在一定程度上,，回收率隨處理溫度的提高而增加，但高于平衡溫度后,，因部分碳消耗于反應(yīng)(SiO2)+2C=[Si]+2CO,，反而降低回收率。
碳的熔點(diǎn)為3727℃,，碳原子是通過溶解和擴(kuò)散方式進(jìn)入鐵液的,，因此增碳劑的粒度和熔池的攪拌對(duì)于增碳過程十分重要。
三爐前處理
& y: R" _3 p& n& I, R& ^1.脫硫
+ W5 T9 u6 i" g( A, j鐵液脫硫可減少球化劑用量和鑄件中硫化物夾渣的數(shù)量,。發(fā)達(dá)國(guó)家球鐵生產(chǎn)幾乎全部采用脫硫工藝,，要求脫硫后S≤0.01%,，我國(guó)條件下，目標(biāo)位為S≤0.02%,，錫柴和常柴可達(dá)到S≤0.015%,。
包底Na2CO3沖入法處理，方法簡(jiǎn)便但脫硫率低,，效果不穩(wěn)定,，處理時(shí)煙塵污染環(huán)境，對(duì)咽喉有刺激性,。在規(guī)模生產(chǎn)的球鐵車間,，宜將脫硫劑置于液面，采用機(jī)械攪拌法,、搖包法或氣動(dòng)攪拌法進(jìn)行脫硫,。其中氣動(dòng)法較為簡(jiǎn)單，動(dòng)力消耗少,，最為流行,。氣動(dòng)脫硫裝置可設(shè)于前爐上游，進(jìn)行連續(xù)脫硫,，亦可在爐前單包間斷脫硫。氣動(dòng)源多為N2,。
5 G$ z: ^- |6 M脫硫劑分CaC2系和CaO兩大類,。CaC2脫硫效果好，可將硫由0.04~0.06%降至0.01%以下,，浮渣呈顆粒狀易于去除,，只是它的價(jià)格貴、熔點(diǎn)高,，又礙于運(yùn)輸和保管,，故限于近點(diǎn)供應(yīng)。CaO系使用較為普遍,。無論是那一系脫硫劑,，都應(yīng)具有抗潮、防爆的特性,�,；钚訡aO經(jīng)表面成膜處理，并加添加劑制成的復(fù)合脫硫劑,，不受潮,，去硫效率高，氣動(dòng)法脫硫,，脫硫率在60~90%,。產(chǎn)量不大的工廠,，單包沖入法脫硫應(yīng)采用低熔點(diǎn)復(fù)合脫硫劑，脫硫率為30~50%,，此時(shí)脫硫渣呈熔融狀,。
9 N0 W/ x, h, h  Z$ W$ N! y氣動(dòng)脫硫后，鐵液進(jìn)入感應(yīng)爐提溫,。
2.除渣
除渣過程可在包中或感應(yīng)爐內(nèi)進(jìn)行,。將除渣劑(聚渣劑)撒于液面即時(shí)形成一熔融層，起覆蓋和聚渣作用,。除渣劑受熱膨化,，在熔融層中產(chǎn)生許多小孔，起良好的保溫作用,。
除渣劑分低,、中、高三檔,。由原礦經(jīng)簡(jiǎn)單破碎,、過篩的產(chǎn)品屬于低檔，各省均產(chǎn)�,，F(xiàn)已不被鑄造廠看好,。中檔除渣劑對(duì)原礦有所選擇，增加了水洗等工序,，能滿足鑄件的基本要求,，為多數(shù)工廠接受。進(jìn)口的高檔除渣劑,，選優(yōu)質(zhì)礦源,，加工工序有別于一般。該產(chǎn)品撒于液面即迅速散布,，覆蓋整個(gè)液面,，除渣能力超卓，用量少,，不粘爐襯與澆包,，用棍即可將熔融渣層整體挑起，清渣方便徹底,，近三年來已開始受國(guó)內(nèi)業(yè)界的重視,。

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續(xù):
3.球化
' J' p7 \3 c5 L球化處理仍以包內(nèi)沖入法為主。選用球化劑需視熔爐,、出鐵溫度,，脫硫與否和球鐵類型等而定。一般而言，沖天爐鐵液選用Mg7~9%,，RE3~7%的球化劑,，感應(yīng)爐鐵液選用低Mg(5~6%)，低RE(1.5~2.5%)球化劑,，亦有的廠仍用Mg8RE3球化劑,。JB/T9228-1999標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)Mg和RE的成分范圍偏差規(guī)定為±1%,，有些廠標(biāo)已縮小為±0.5%,，對(duì)Ca、Al等亦有明確規(guī)定,。球化劑質(zhì)量中,，應(yīng)重視MgO含量、成分的偏析程度以及粒度的集中度,。凡是粒度不勻,，粉末多，色澤發(fā)暗的球化劑不宜選用,。
; }' t0 X7 f; G2 i1 Y原則上,，只要掌握好鐵液的化學(xué)成分和孕育環(huán)節(jié)，采用上述球化劑即可生產(chǎn)鑄態(tài)球鐵,。但亦有工廠采用鑄態(tài)球鐵用球化劑,。一般，在鑄態(tài)鐵素體球化劑中含有Ba和Bi,，在鑄態(tài)珠光體球化劑中含有Ba和Sb,，但對(duì)于QT700-2以上的重要曲軸類鑄件，不推薦使用含Sb球化劑,，此時(shí)應(yīng)通過調(diào)整Cu、Mo等的含量來控制基體,。必須指出,，不管是否采用鑄態(tài)球化劑，孕育永遠(yuǎn)是不可忽視的重要環(huán)節(jié),。
, S0 b- J; H7 Y9 T& O5 b$ k重稀土含鎂球化劑用于厚壁球鐵件,，為了防止球化衰退和石墨畸變，還應(yīng)當(dāng)調(diào)低Si量,，采取增加石墨球數(shù),，細(xì)化石墨球徑的工藝手段。
- Y9 X, _5 t4 f/ {4 f3 a- _蓋包處理法大大減少了處理時(shí)的煙光污染,，是一種節(jié)省球化劑,、保證球化質(zhì)量的簡(jiǎn)便工藝，值得推廣,。在鋼液喂絲技術(shù)的啟發(fā)下,，喂絲球化經(jīng)過試驗(yàn)已成功用于新興鑄管公司等企業(yè),。喂絲球化是由喂絲機(jī)將合金包芯線連續(xù)不斷地向澆包底部送進(jìn)，進(jìn)行球化處理的一種工藝,。該工藝可精確控制殘余鎂量,，具有一高三少即球化質(zhì)量高、渣量少,、溫降少,、污染少的特點(diǎn)。包芯線外皮為0.3mm厚的冷軋鋼皮,，芯材一般為含Mg25~30%,，并有Ca、Ba,、(RE)等的復(fù)合成分,。喂絲法成本比沖入法低20~40%，對(duì)大批量生產(chǎn)的鑄管廠,、汽車鑄造廠等很有吸引力,。目前，國(guó)內(nèi)已有多家單位能成套供應(yīng)喂絲機(jī)和包芯線,，包芯線分球化,、蠕化、孕育,、脫硫,、增碳和合金化等多個(gè)品種。
& q. S3 f$ S* r( ^+ ~型內(nèi)球化是在澆道內(nèi)設(shè)一反應(yīng)室,，鐵液邊流過邊發(fā)生球化反應(yīng),。型內(nèi)球化勞動(dòng)條件好，氧化損失少,，Mg吸收率高達(dá)80%,，克服了球化衰退與孕育衰退，提高了球鐵性能,。型內(nèi)球化對(duì)鐵液硫量要求嚴(yán)格,，鑄件的工藝出品率低。七十年代國(guó)內(nèi)曾有應(yīng)用,，現(xiàn)已不見于生產(chǎn),。
4.孕育
  z8 y; \' B: C3 S9 B孕育是提升鑄鐵質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。經(jīng)過十多年的努力,，我國(guó)孕育劑基本實(shí)現(xiàn)了系列化和商品化,。
( I2 \+ G3 t9 ], @& t2 s時(shí)下，國(guó)內(nèi)孕育劑主要是硅系和碳硅系。
; o' @5 w& J) n! }: Q硅系孕育劑熔點(diǎn)低,，適合于碳高碳低,，硫高硫低的各種鐵液，應(yīng)用最廣,。特殊硅鐵的孕育作用強(qiáng),，用量少，引起鐵液化學(xué)成分的波動(dòng)小,，鑄鐵質(zhì)量穩(wěn)定,。覆蓋面大的首推FeSi-Ba-Ca，它明顯增加共晶團(tuán)數(shù),，抑制灰鐵中的D,、E型石墨而促進(jìn)A型石墨的形成，提高球化級(jí)別,，Ba,，尤其是Ba、Ca共存時(shí),，抗衰退性好,。FeSi-Sr是薄壁發(fā)動(dòng)機(jī)零件適用的孕育劑，有很優(yōu)秀的防白口能力,，而不明顯增加共晶團(tuán)數(shù),，因此可根除因縮松而招致滲漏的弊病。球鐵生產(chǎn)中,，由于Ce的存在,，Sr的孕育效果受到削弱。含Zr硅鐵有類似于含Ba硅鐵的作用,，而表現(xiàn)得較弱,。但Zr有除氣功能和微合金化作用，對(duì)鑄鐵的力學(xué)性能起穩(wěn)定作用,。含Zr硅鐵的熔點(diǎn)高,，故常Zr-Mn共存，以降低其熔點(diǎn),。高Ca的孕育劑，如CaSi,，兼有脫硫脫氧和防白口及增加石墨核的作用,，在二十世紀(jì)五、六十年代多有使用,，后來由于焦碳和鐵液質(zhì)量的改善,，CaSi已很少單獨(dú)使用，偶見于與FeSi或FeSiRE復(fù)合使用。碳硅孕育劑中的碳(石墨)使這種孕育劑有十分優(yōu)秀的防止白口能力,。對(duì)由高溫鐵液生產(chǎn)邊角多,、壁厚較薄的灰鐵件時(shí)，較為適用,。水壓薄壁件,，有防滲漏要求時(shí)，亦可作為選項(xiàng),。球鐵生產(chǎn)中,，碳硅孕育劑不應(yīng)使用。
: r  Y1 ~6 K/ U$ c6 i- |出鐵槽大劑量孕育由各種形式的后孕育所替代是孕育方法發(fā)展的大趨勢(shì),。后孕育要講究孕育劑的粒度大小和粒度均勻性,，特別是包口隨流孕育和澆注流噴射孕育時(shí)，粒度偏大,，熔吸不良將在鑄件中產(chǎn)生硬點(diǎn),、晶間夾雜物等缺陷。當(dāng)采用高效孕育劑時(shí),，切忌孕育過量,、以防縮孔、氣孔和石墨偏聚現(xiàn)象的發(fā)生,。
1 W) {; G' {! p+ K型內(nèi)孕育有多種方法,，目前大多采用的是將塊狀孕育劑放在直澆道底部進(jìn)行過流孕育，這種方法抓住了孕育的形核峰機(jī),，理論上可獲得最佳的孕育效果,。
8 ?2 r5 j) P' P- J( @4 g$ f3 L' C5.合金化
9 d- l9 v! ^" w" u/ Y; B' G3 W# X鑄鐵常用的合金元素有Si、Mn,、Cu,、Cr、Mo,、Ni,、Sn、Sb,、V,、Ti、P等,。其中Si,、Mn、Cr,、Mo,、P以鐵合金形式加入,，Cu、Ni,、Sb,、Sn以金屬形式加入，V,、Ti以鐵合金或VTi生鐵形式加入,。加入時(shí)機(jī)在爐后(沖天爐)、爐內(nèi)(感應(yīng)爐)還是爐前,，需視它們的熔點(diǎn),、氧化性和密度等而定。為了便于高熔點(diǎn)鐵合金的熔吸,，除控制粒度外,，采用發(fā)熱合金劑或喂絲加入法是比較理想的措施。
實(shí)踐表明,，將一部分FeMn,、FeCr與硅系孕育劑一起加入，對(duì)孕育有加權(quán)作用,。在可能的情況下,，推遲低合金化元素的加入時(shí)機(jī)，對(duì)性能影響有利,。
$ e3 n, l+ S5 r2 T4 y- q7 B- {, d四過濾
金屬過濾技術(shù)在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家應(yīng)用較為普遍,。實(shí)踐證明，關(guān)鍵機(jī)件的失效不完全在于試棒力學(xué)性能的高低,，而是鑄件內(nèi)部的健全程度,。因此，單純追求金相組織的完美是不全面的,。作者走訪過的工廠,，其品牌產(chǎn)品無不重視過濾的最后一關(guān)。一般小件采用纖維過濾網(wǎng),，過流量大或重要件采用蜂窩陶瓷過濾片或泡沫陶瓷過濾片,。過濾片與過濾網(wǎng)相比，檔渣能力更強(qiáng)(泡沫陶瓷過濾片可去掉幾微米至幾十微米的細(xì)小夾雜),，還有明顯的消氣作用,。作為探索，集球化–孕育–過濾于一體的多功能過濾器正在試驗(yàn)中