铸钢冒口覆盖剂保温原理探讨及应用.doc

铸钢冒口的设计须遵守2个基本原则：一是冒口中钢液凝固时间比铸件凝固时间长；二是冒口应有足够钢液补给铸件。而这2个原则都是与冒口钢液热能散失速度密切相关。因此，如何加强冒口钢液保温，尽可能地降低散热速度，使钢液维持时间延长，是铸造工作者追求的目标。
　　为了减缓冒口的散热速度，最常用而且最有效的手段是采用冒口覆盖剂和保温冒口套。保温冒口套是用来减小冒口侧面散热速度；冒口覆盖剂则是用来减小冒口顶面散热速度。后者比前者更重要(本文中有详细论述)。因此，弄清冒口覆盖剂的作用机理有着现实的经济意义。

1　冒口顶面散热方式

　　一般来说，冒口中钢液的热能散失主要以3种方式进行，即：热传导、热对流和热辐射。热传导主要发生在冒口侧面，由钢液向砂型内传热；热对流和热辐射则发生在冒口顶面，以高温钢液辐射传热和表面钢液与空气产生对流传热方式进行。本文中仅讨论冒口顶面的散热方式。
1.1　冒口辐射传热
　　单位的时间内冒口所反射的辐射能Q辐可用如下公式表示：

Q辐=σbAT4　(1)

式中　A——冒口钢液暴露表面积；
　　　T——钢液表面温度；
　　　σb——斯蒂芬——波尔茨曼常数。
　　从(1)式可知，冒口顶面钢液辐射热能损失与钢液温度的四次方成正比，其热能散失速度非常快。同时钢液暴露的面积越大，辐射热能损失也越大。试验也证明，由于钢液表面温度高，辐射热能总的损失占整个冒口在凝固时间内的比例很大，冒口越大，辐射热能损失占总热能损失的比例也越大。例如：Ø100 mm×100 mm明冒口辐射热损失相当于总热损失的42%；Ø200 mm×200 mm明冒口辐射热损失占总热损失的55%［1］。
1.2　冒口对流传热
　　冒口对流传热可用下式表示：

Q流=αA(Tw-Tf)　(2)

式中　Q流——冒口对流散热量；
　　　A——冒口钢液表面面积；
　　　α——对流换热系数；
　　　Tw——钢液表面温度；
　　　Tf——空气温度。
　　由(2)式可知，冒口对流传热的驱动力是钢液与空气的温度差。显然，这种差值是巨大的。被钢液加热了的空气不断上升，冷空气又不断补充，形成空气对流。钢液中大量热能就这样被对流的空气带走。另外，钢液暴露的面积越大，对流散热量也越大。

2　冒口覆盖剂保温作用机理

　　试验表明，在普通冒口上覆盖保温剂，可使冒口凝固时间延长1倍多。在保温冒口上覆盖保温剂，则可使凝固时间延长4倍多。由此可见，为了获得优良的冒口补缩状态，不但要考虑冒口侧面的保温，而且，更应重视冒口顶面的覆盖保温。冒口覆盖剂的主要功能是减小或“杜绝”冒口顶面辐射和对流的热能散失，其作用机理表现在如下2个方面：
2.1　保温
　　覆盖剂中的保温材料能使冒口顶面近似于绝热，可以大大地减小辐射和对流传热，降低钢液散热速度，延长凝固时间。
2.2　补偿
　　覆盖剂中的发热材料所产生的热能能够补偿冒口钢液的热能损失，维持钢液温度不下降。为了实现上述目的，理想的冒口覆盖剂应具备3个条件：
　　(1)良好的覆盖性
　　覆盖剂的加入冒口后，能在钢液表面迅速地铺展开来，形成均匀的覆盖层。在与钢液表面接触处形成1层导热性极差、适当粘度和低熔点渣液，并能随钢液面下降而下降，不结成硬渣壳。
　　(2)强的保温绝热性
　　在渣液液面上，形成厚厚的固态多孔、轻质、粒状保温绝热层，既杜绝辐射热损失，又阻止对流热损失。
　　(3)缓慢发热性
　　覆盖剂中的
　　满足以上3个条件，冒口中钢液的凝固是从侧面开始，逐渐向中心推进。在推进过程中，冒口顶面处的金属始终处于液态，直到凝固层推至中心为止。

3　冒口覆盖剂材料选择

　　冒口覆盖剂主要由3大部分组成：保温材料、发热材料、渣液形成材料。
3.1　保温材料
　　保温材料主要有膨胀珍珠岩、漂珠、蛭石、低碳石墨、稻壳等。
3.2　发热材料
　　发热材料主要有
3.3　渣液形成材料
　　渣液形成材料主要是中、低碳石墨。这类石墨除含碳外，还含有大量的SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3等。外加少量萤石和苏打调整渣液的粘度和熔点。

4　冒口覆盖剂的配方及应用

4.1　覆盖剂配方
　　本文推荐为冒口覆盖剂配方，见表1。

表1　冒口覆盖剂配方
Tab.1　Ingredient of riser covering flux　　%

各种材料的主要特点：
　　(1)稻壳： 发热时间长，氧化燃烧后仍能保持完整的颗粒形状、不渣化、呈蓬松状，具有良好的保温性能；
　　(2)漂珠： 电厂灰中浮选出来的空心玻璃珠，珠径≤0.5 mm；密度440 kg/m3，导热系数(1 000 ℃)0.21W/(m2.K),耐火度1 540 ℃，是优良的耐高温保温材料；
　　(3)低碳石墨： 呈黑灰色鳞片状，熔点1 250 ℃，具有形成渣液、发热、保温3种功能［2］。
　　3种主要材料化学成分，见表2。
表2　化学成分
Tab.2　Chemical composition of riser covering flux　%

稻壳 漂珠 低碳石墨 CaF+Na2CO3
40～60 20～40 20～40 5～10

名称 C SiO2 Al2O3 CaO Fe2O3 MgO 表观状态
稻壳 55～60 25～30 　 　 　 　 颗粒状
漂珠 　 50～60 30～40 0.5～3 2～5 0.5～2 细小球状
低碳石墨 19～20 48～50 8～9 10～14 ＜5 　 粉末状

4.2　生产验证
　　例1　铸件名称：大齿轮，材质：ZG42SiMn；轮缘厚度：190 mm；毛坯质量：11 000 kg；总质量16 000 kg；工艺出品率：75%；设置4个420 mm×500 mm明冒口，覆盖剂加入量占冒口钢液质量的1.2%；冒口补缩效率为30%。铸件浇注后， min用6 mm铁条插入冒口中钢液1次，直到粘不到钢液为止。测得凝固时间为165 min。冒口缩孔形状，见图1(a)。
　　例2　铸件名称：推力头；材质ZG20SiMn；属厚壁环形件，最大热节圆直径：D=430 mm； 200 kg；总质量：12 500 kg；工艺出品率75.4%。此铸件采用2个B540 mm×840 mm×800 mm陶粒保温冒口，冒口几何模数11 cm，铸件模数13 cm。覆盖剂加入量占冒口钢液质量的14%；冒口补缩效率为28%，冒口缩孔形状，见图1(b)。

图1　冒口缩孔形状
Fig.1　Shape of riser shrinkage.

　　生产验证表明，这种冒口覆盖剂完全可以使冒口顶面绝热，冒口顶面钢液不过早结壳，有效地延长了冒口中钢液的维持时间，直接地提高了冒口补缩效率和铸件工艺出品率，节约了钢液和电能，其经济效益十分显著。 作者：季德明