鑄鋼冒口覆蓋劑保溫原理探討及應(yīng)用

1、鑄鋼冒口的設(shè)計(jì)須遵守2 個(gè)基本原則：一是冒口中鋼液凝固時(shí)間比鑄件凝固時(shí)間長(zhǎng)；二是冒口應(yīng)有足夠鋼液補(bǔ)給鑄件。而這2 個(gè)原則都是與冒口鋼液熱能散失速度密切相關(guān)。因此，如何加強(qiáng)冒口鋼液保溫，盡可能地降低散熱速度，使鋼液維持時(shí)間延長(zhǎng)，是鑄造作者追求的目標(biāo)為了減緩冒口的散熱速度，最常用而且最有效的手段是采用冒口覆蓋劑和保溫冒口套。保溫冒口套是用來(lái)減小冒口側(cè)面散熱速度；冒口覆蓋劑則是用來(lái)減小冒口頂面散熱速度。后者比前者更重要( 本文中有詳細(xì)論述) 。因此，弄清冒口覆蓋劑的作用機(jī)理有著現(xiàn)實(shí)的經(jīng)濟(jì)意義。1 冒口頂面散熱方式一般來(lái)說(shuō)，冒口中鋼液的熱能散失主要以3 種方式進(jìn)行，即：熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射。熱傳導(dǎo)主

2、要發(fā)生在冒口側(cè)面，由鋼液向砂型內(nèi)傳熱；熱對(duì)流和熱輻射則發(fā)生在冒口頂面，以高溫鋼液輻射傳熱和表面鋼液與空氣產(chǎn)生對(duì)流傳熱方式進(jìn)行。本文中僅討論冒口頂面的散熱方式。冒口輻射傳熱單位的時(shí)間內(nèi)冒口所反射的輻射能 Q輻可用如下公式表示：Q輻=(t bAT4 式中 A冒口鋼液暴露表面積；T鋼液表面溫度；6b斯蒂芬一一波爾茨曼常數(shù)。從 (1) 式可知，冒口頂面鋼液輻射熱能損失與鋼液溫度的四次方成正比，其熱能散失速度非常快。同時(shí)鋼液暴露的面積越大，輻射熱能損失也越大。試驗(yàn)也證明，由于鋼液表面溫度高，輻射熱能總的損失占整個(gè)冒口在凝固時(shí)間內(nèi)的比例很大，冒口越大，輻射熱能損失占總熱能損失的比例也越大。例如：100 m

3、m< 100 mm明冒口輻射熱損失相當(dāng)于總熱損失的42% 200 mmx 200 mm明冒口輻射熱損失占總熱損失的 55%1。冒口對(duì)流傳熱冒口對(duì)流傳熱可用下式表示：Q流 = a A(Tw-Tf) (2)式中 Q冒口對(duì)流散熱量；A冒口鋼液表面面積； 對(duì)流換熱系數(shù)；Tw鋼液表面溫度；Tf 空氣溫度。由 (2) 式可知，冒口對(duì)流傳熱的驅(qū)動(dòng)力是鋼液與空氣的溫度差。顯然，這種差值是巨大的。被鋼液加熱了的空氣不斷上升，冷空氣又不斷補(bǔ)充，形成空氣對(duì)流。鋼液中大量熱能就這樣被對(duì)流的空氣帶走。另外，鋼液暴露的面積越大，對(duì)流散熱量也越大。2 冒口覆蓋劑保溫作用機(jī)理試驗(yàn)表明，在普通冒口上覆蓋保溫劑，可使冒口凝

4、固時(shí)間延長(zhǎng)1 倍多。在保溫冒口上覆蓋保溫劑，則可使凝固時(shí)間延長(zhǎng)4 倍多。由此可見，為了獲得優(yōu)良的冒口補(bǔ)縮狀態(tài)，不但要考慮冒口側(cè)面的保溫，而且，更應(yīng)重視冒口頂面的覆蓋保溫。冒口覆蓋劑的主要功能是減小或“杜絕”冒口頂面輻射和對(duì)流的熱能散失，其作用機(jī)理表現(xiàn)在如下 2 個(gè)方面：保溫覆蓋劑中的保溫材料能使冒口頂面近似于絕熱，可以大大地減小輻射和對(duì)流傳熱，降低鋼液散熱速度，延長(zhǎng)凝固時(shí)間。補(bǔ)償覆蓋劑中的發(fā)熱材料所產(chǎn)生的熱能能夠補(bǔ)償冒口鋼液的熱能損失，維持鋼液溫度不下降。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，理想的冒口覆蓋劑應(yīng)具備3 個(gè)條件：(1) 良好的覆蓋性覆蓋劑的加入冒口后，能在鋼液表面迅速地鋪展開來(lái)，形成均勻的覆蓋層。在

5、與鋼液表面接觸處形成1 層導(dǎo)熱性極差、適當(dāng)粘度和低熔點(diǎn)渣液，并能隨鋼液面下降而下降，不結(jié)成硬渣殼。(2) 強(qiáng)的保溫絕熱性在渣液液面上，形成厚厚的固態(tài)多孔、輕質(zhì)、粒狀保溫絕熱層，既杜絕輻射熱損失，又阻止對(duì)流熱損失。(3) 緩慢發(fā)熱性覆蓋劑中的發(fā)熱材料能夠在冒口凝固期間均勻緩慢地氧化發(fā)熱，以彌補(bǔ)冒口熱能的損失。滿足以上3 個(gè)條件，冒口中鋼液的凝固是從側(cè)面開始，逐漸向中心推進(jìn)。在推進(jìn)過(guò)程中，冒口頂面處的金屬始終處于液態(tài)，直到凝固層推至中心為止。3 冒口覆蓋劑材料選擇冒口覆蓋劑主要由3 大部分組成：保溫材料、發(fā)熱材料、渣液形成材料。保溫材料保溫材料主要有膨脹珍珠巖、漂珠、蛭石、低碳石墨、稻殼等。發(fā)熱材

6、料發(fā)熱材料主要有鋁粉、硅鐵粉、煙道灰、木炭、稻殼等。鋁粉和硅鐵粉發(fā)熱劇烈、速度快、作用時(shí)間短，且成本高，不宜選用。其余材料發(fā)熱均勻、緩慢、成本低，適合做發(fā)熱材料。渣液形成材料渣液形成材料主要是中、低碳石墨。這類石墨除含碳外，還含有大量的SiO2、 Al2O3、CaO Fe2O3o外加少量螢石和蘇打調(diào)整渣液的粘度和熔點(diǎn)。4 冒口覆蓋劑的配方及應(yīng)用覆蓋劑配方本文推薦為冒口覆蓋劑配方，見表1。表 1 冒口覆蓋劑配方Ingredient of riser covering flux%各種材料的主要特點(diǎn)：(1) 稻殼： 發(fā)熱時(shí)間長(zhǎng)，氧化燃燒后仍能保持完整的顆粒形狀、不渣化、呈蓬松狀，具有良好的保溫性能；

7、(2)漂珠：電廠灰中浮選出來(lái)的空心玻璃珠，珠徑& mm密度440 kg/m3,導(dǎo)熱系 數(shù) (1 000 ), 耐火度 1 540 ，是優(yōu)良的耐高溫保溫材料；(3) 低碳石墨：呈黑灰色鱗片狀，熔點(diǎn)1 250 ，具有形成渣液、發(fā)熱、保溫3 種功能2 。3 種主要材料化學(xué)成分，見表2。表 2 化學(xué)成分Chemical composition of riser covering flux%稻殼 漂珠 低碳石墨CaF+Na2CO340 60 20 40 20 40 5 10名稱 C SiO2 Al2O3 CaO Fe2O3 MgO 表觀狀態(tài)稻殼5560 2530顆粒狀漂珠 5060 30403

8、252細(xì)小球狀低碳石墨1920 4850 89 1014 <5 粉末狀生產(chǎn)驗(yàn)證例1鑄件名稱：大齒輪，材質(zhì)：ZG42SiMn輪緣厚度：190 mm毛坯質(zhì)量：11 000 kg;總質(zhì)量16 000 kg;工藝出品率：75% 設(shè)置4個(gè)420 mm< 500 mm)f冒口，覆蓋劑加 入量占冒口鋼液質(zhì)量的先冒口補(bǔ)縮效率為30%鑄件澆注后，每隔5 min用6 mmt條插 入冒口中鋼液1次，直到粘不到鋼液為止。測(cè)得凝固時(shí)間為165 min。冒口縮孔形狀，見圖 1(a) 。例2鑄件名稱：推力頭；材質(zhì)ZG20SiMn屬厚壁環(huán)形件，最大熱節(jié)圓直徑：D=430 mm毛坯質(zhì)量：9 200 kg ;總質(zhì)量：12 500 kg ;工藝出品率 % 此鑄件采用2個(gè)B540 mm X 840 mm< 800 mm匍粒保溫冒口，冒口幾何模數(shù) 11 cm,鑄件模數(shù)13 cm。覆蓋劑加入量 占冒口鋼液質(zhì)量的14%；冒口補(bǔ)縮效率為28%，冒口縮孔形狀，見圖1(b) 。圖 1