鑄造涂料的傳熱與傳質(zhì)

鑄造涂料的傳熱與傳質(zhì)1涂料在干燥過程中的傳熱與傳質(zhì)1.1水基涂料的烘干一般水基涂料的烘干是在烘干窯中進(jìn)行。老式的密閉間歇式烘干窯，干燥效率很低，往往在200℃以上的高溫下烘干2-3個(gè)小時(shí)砂型芯也干不透。而新式熱風(fēng)紅外干燥窯干燥效率則高得多，100℃-180℃下25-40分鐘即可干燥。水基涂料的干燥過程是一個(gè)復(fù)雜的傳熱傳質(zhì)過程。這個(gè)過程中水分要從涂料及砂芯表層傳遞到空氣中，水分即傳質(zhì)的對(duì)象，傳熱則是傳質(zhì)的手段。烘干效率的高低取決于烘干設(shè)備的換熱方式及傳質(zhì)方式。水基涂料的干燥過程中強(qiáng)對(duì)流對(duì)于提高傳熱及傳質(zhì)效率非常關(guān)鍵。熱風(fēng)產(chǎn)生的強(qiáng)對(duì)流不僅可以加強(qiáng)高效率的對(duì)流換熱，同時(shí)可使涂料表面高濃度的濕蒸汽快速擴(kuò)散到空氣中，增大涂料表面和內(nèi)部的水分濃度差，而濃度差是一切傳質(zhì)的推動(dòng)力。這會(huì)大大加快水分從內(nèi)部遷移到表面及空氣中過程，最終實(shí)現(xiàn)水基涂料的快速干燥。水基涂料的干燥效率還和烘干窯的發(fā)熱元器件的種類的布置有很大關(guān)系。這關(guān)系到干燥過程中的輻射換熱效率。發(fā)熱元件產(chǎn)生的紅外線（波長為0.75～1000μm）越多、波長越大，換熱的效率就越高。紅外線干燥是利用輻射傳熱干燥的一種方法。紅外線輻射器所產(chǎn)生的電磁波，以光的速度直線傳播到達(dá)被干燥的物料，當(dāng)紅外線的發(fā)射頻率和被干燥物料中分子運(yùn)動(dòng)的固有頻率相匹配時(shí)，引起物料內(nèi)的分子強(qiáng)烈振動(dòng)及分子之間的碰撞，產(chǎn)生自熱效應(yīng)，部分分子掙脫了原來物質(zhì)對(duì)它的束縛，水分或有機(jī)溶劑脫離原來的物質(zhì)，從而快速有效地加熱物質(zhì)。在紅外線干燥中，由于被干燥的物料中表面水分不斷蒸發(fā)吸熱，使物料表面溫度降低，造成物料內(nèi)部溫度比表面溫度高，這樣使物料的熱擴(kuò)散方向是由內(nèi)往外的。同時(shí)，由于物料內(nèi)存在水分梯度而引起水分移動(dòng)，總是由水分較多的內(nèi)部向水分含量較小的外部進(jìn)行濕擴(kuò)散。所以，物料內(nèi)部水分的濕擴(kuò)散與熱擴(kuò)散方向是一致的，從而也就加速了水分內(nèi)擴(kuò)散的過程，也即加速了干燥的進(jìn)程。紅外線分為近紅外線，波長為0.75～1.50μm之間；中紅外線，波長為1.50～6.0μm之間；遠(yuǎn)紅外線，波長為6.0～l000μm之間。由于輻射線穿透物體的深度（透熱深度）約等于波長，而遠(yuǎn)紅外線比近紅外線波長，也就是說用遠(yuǎn)紅外線干燥比近紅外線干燥好。特別是由于遠(yuǎn)紅外線的發(fā)射頻率與水的固有頻率相匹配，引起水分子激烈共振。這樣，遠(yuǎn)紅外線即能穿透到這些被加熱干燥的物體內(nèi)部，并且容易被這些物質(zhì)所吸收，所以兩者相比，遠(yuǎn)紅外線干燥更好些。涂料烘干窯的傳熱方式對(duì)涂料的烘干效率及砂芯質(zhì)量有很大影響。弱對(duì)流的烘干窯效率最低，工作溫度最高，可達(dá)200℃以上，烘干效果最差，砂芯的溫度可達(dá)180℃以上，對(duì)砂芯的質(zhì)量影響最大。強(qiáng)對(duì)流的烘干窯烘干效率有很大提升，工作溫度在180℃左右,但砂芯溫度還是比較高,可達(dá)160℃左右。紅外輻射+對(duì)流復(fù)合換熱的烘干效率最高，工作溫度最低，約140℃，砂芯溫度很快達(dá)到120℃，并保持此溫度不變，對(duì)砂芯的質(zhì)量（如變形、強(qiáng)度等）影響最小，是最佳的傳熱方式。不同換熱方式對(duì)涂料烘干過程的影響見圖1。[3]實(shí)例：某汽車剎車盤鑄造生產(chǎn)線，采用冷芯盒生產(chǎn)砂芯，浸涂水基涂料。由于冷芯盒砂芯細(xì)小復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，使用得砂芯在烘干過程中極易變形。如果烘干溫度過高或時(shí)間過長都會(huì)加劇砂芯的變形，高效率的烘干是該砂芯的生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)之一。烘干窯采用對(duì)流+紅外復(fù)合傳熱方式，窯內(nèi)溫度在120℃，烘干時(shí)間30分，可以較好地滿足剎車盤砂芯及涂料的烘干。1.2.醇基涂料點(diǎn)火干燥：點(diǎn)火干燥過程中涂料中的溶劑在燃燒過程中大部分被燒掉，另一少部分則在熱的驅(qū)動(dòng)下更深地滲入到砂芯內(nèi)部。因?yàn)橥苛宵c(diǎn)火后，燃燒的熱量通過涂料傳導(dǎo)到砂型芯表面，砂型芯表面的溫度高于砂型芯內(nèi)部，砂型芯表層的溶劑及水分會(huì)擴(kuò)散遷移到砂型芯的內(nèi)部。殘存在砂型芯內(nèi)部的溶劑或水分在澆注時(shí)可能會(huì)引起氣孔缺陷。醇基涂料的點(diǎn)火燃燒性能的好壞會(huì)影響到涂料是否徹底干燥。當(dāng)醇基涂料中水分含量較高時(shí)會(huì)影響涂料的點(diǎn)火及燃燒性能。目前常用的懸浮劑如鋰土、凹凸棒土、硅酸鎂鋁等醇基涂料懸浮劑在使用時(shí)需要用水引發(fā)，這會(huì)增加涂料中水分含量，所以一般會(huì)加入少量的助燃劑如溶劑汽油、異丙醇、或芳烴類溶劑以改善涂料的點(diǎn)火燃燒性能。另一些懸浮劑如有機(jī)土屬于無水懸浮劑則沒有這個(gè)缺點(diǎn)。醇基涂料如果燃燒時(shí)間過長或火焰過大可能導(dǎo)致砂型、砂芯局部溫度過高，造成砂型砂芯過燒或開裂。如冷芯盒砂芯浸涂醇基涂料時(shí)會(huì)出現(xiàn)這種情況。通常采用自干可以解決過燒的問題。也可以推遲點(diǎn)火，以減少燃燒產(chǎn)生的熱量。2澆注過程中的傳熱與傳質(zhì)鑄造涂料在澆注過程中存在復(fù)雜的傳熱傳質(zhì)，對(duì)鑄件的質(zhì)量、鑄造缺陷的形成有很大的關(guān)系。澆注初期輻射換熱占主導(dǎo)地位。澆注時(shí)長時(shí)間強(qiáng)烈的輻射換熱，可導(dǎo)致涂層急驟熱膨脹而隆起，造成涂層剝落。因此要從澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及涂層本身避免這種情況的發(fā)生。大型鑄件生產(chǎn)中這種情況比較突出。當(dāng)涂料與鐵水接觸后則主要以熱傳導(dǎo)為主。當(dāng)然澆注過程中型腔內(nèi)也存在對(duì)流換熱。涂料的傳熱傳質(zhì)特性對(duì)鑄件的凝固過程有重要的影響。例如，涂料的導(dǎo)熱性影響鑄件的凝固，也影響砂型芯粘結(jié)劑的熱分解、砂型芯的高溫退讓性、熱膨脹或相變膨脹，進(jìn)而影響鑄件粘砂、氣孔、脈紋、結(jié)疤等鑄造缺陷的形成。例如，鋯英粉涂料不僅有很高的耐火度，還具有很好的導(dǎo)熱性和蓄熱能力，有利于鑄件快速凝固、減少粘砂。石墨涂料除具有良好的對(duì)鐵水不潤濕性，還具有良好的導(dǎo)熱性，可加速鑄件凝固，因而具有良好的抗粘砂性。而具有一定隔熱性的涂料對(duì)于防止脈紋和燒結(jié)有較好的效果。在金屬型鑄造中更加重視涂料的導(dǎo)熱性能。通過選擇特定的導(dǎo)熱性能的涂料有利于實(shí)現(xiàn)金屬型鑄造的順序凝固，獲得健全的鑄件。實(shí)例：防脈紋涂料[4]在發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、缸蓋的生產(chǎn)中，廣泛采用冷芯盒工藝。由于不同粘結(jié)劑耐熱性的區(qū)別，冷芯的脈紋傾向明顯高于熱芯（覆膜砂）。采用冷芯時(shí)水套內(nèi)腔的脈紋缺陷非常普遍，給清理工作帶來很大困難。研究發(fā)現(xiàn)，隔熱性能較好的涂料對(duì)防止脈紋缺陷有較好的效果。根據(jù)這一原理，通過優(yōu)選配方已研制出性能優(yōu)良的防脈紋涂料。脈紋是一種典型的膨脹缺陷，即石英砂在573℃發(fā)生相變膨脹而引起砂芯開裂，鐵水滲入裂縫形成脈紋。防脈紋涂料的原理在于，具有隔熱性能的涂料層可推遲和減輕砂芯的相變膨脹。具有一定隔熱性能的涂層還可以推遲砂芯有機(jī)粘結(jié)劑的分解、潰散，使砂芯強(qiáng)度保持更長的時(shí)間，這也有利于防止砂芯的開裂。實(shí)例：防炸裂、變形涂料防炸裂、變形涂料的原理與防脈紋涂料相似。隔熱性能較好的涂料不僅能夠推遲砂芯粘結(jié)劑的分解，使砂芯在更長的時(shí)間內(nèi)保持一定強(qiáng)度，還可以對(duì)砂芯的溫升具有較強(qiáng)的緩沖作用，使砂芯內(nèi)部溫升速度減慢，同時(shí)也使砂芯內(nèi)部的溫差變小，從而有效地減小砂芯內(nèi)的熱應(yīng)力，防止砂芯炸裂及變形。涂層處于砂型（芯）和鐵水之間，在傳熱的同時(shí)也存在復(fù)雜的傳質(zhì)過程，對(duì)于鑄鐵件表面石墨衰退及鑄鋼件表面微裂紋等鑄造缺陷的形成有重要的影響。一般的石墨涂料含有一定量的硫，在與鐵水接觸時(shí)，硫元素會(huì)擴(kuò)散到鐵水的表面并進(jìn)入鐵水表層引起鑄件表面石墨衰退。呋喃樹脂砂生產(chǎn)球鐵件時(shí)，致密的涂料可阻止含硫氣體從砂型芯內(nèi)部進(jìn)入型腔或通過涂料與鐵水接觸，從而可防止鑄件表面石墨衰退的產(chǎn)生。圖3是涂料界面相互作用模型。涂料界面模型中包括涂料-金屬液（涂金界面）、涂料-砂型（芯）（涂砂界面）、涂料-型腔氣體（涂氣界面）、金屬液-型腔氣體（金氣界面）四個(gè)界面。這四個(gè)界面存在復(fù)雜的傳熱傳質(zhì)過程。而涂料處在這四個(gè)界面的核心，無論在傳熱還是傳質(zhì)方面起著非常關(guān)鍵的作用。鐵水中巨大熱量通過輻射、對(duì)流及熱傳導(dǎo)首先將涂料加熱到很高的溫度，再通過涂料傳導(dǎo)到砂型芯表層及內(nèi)部。傳熱的結(jié)果是砂型芯被快速加熱，樹脂粘結(jié)劑及固化劑開始慢慢分解，這又導(dǎo)致一系列的結(jié)果：一是砂型芯慢慢失去強(qiáng)度，發(fā)生潰散；二是分解產(chǎn)生的氣體使砂芯內(nèi)部的氣體壓力不斷積聚。砂芯內(nèi)部壓力積聚至某一臨界值后可能導(dǎo)致涂層局部脫落，造成結(jié)疤、渣孔或氣孔。呋喃樹脂的固化劑加熱分解還會(huì)產(chǎn)生有害的硫、氮等氣體。含硫氣體又通過涂料擴(kuò)散至涂料-鐵水界面以及型腔內(nèi)，型腔內(nèi)的氣體與鐵水接觸，硫又會(huì)從氣液界面進(jìn)入到鐵水內(nèi)，導(dǎo)致鐵水增硫，進(jìn)而引起石墨衰退。傳熱的第三個(gè)結(jié)果是石英砂被加熱到573℃以上時(shí)會(huì)發(fā)生相變膨脹，引起砂芯開裂，鐵水滲入裂縫形成脈紋或燒結(jié)。傳熱的第四個(gè)結(jié)果是砂芯內(nèi)部由于溫差而引起的熱應(yīng)力，熱應(yīng)力達(dá)到一定數(shù)值后可引起砂芯變形甚至炸裂。傳熱的第五個(gè)結(jié)果是砂型芯吸收熱量使鑄件降溫、凝固。這一進(jìn)程也會(huì)受到涂料導(dǎo)熱性的影響，當(dāng)然也受到砂型芯導(dǎo)熱蓄熱能力的影響。所有這些結(jié)果都會(huì)受到涂料傳熱進(jìn)程的影響，有意識(shí)地利用涂料的這一作用可以減少鑄造缺陷。這正是防脈紋涂料、防炸裂涂料、防硫涂料、激冷涂料、保溫涂料的出發(fā)點(diǎn)和依據(jù)。[5,6]實(shí)例：防硫涂料防硫涂料的原理如下：1)良好的燒結(jié)性能和低透氣性（高的致密性）2)涂料中的堿性氧化物如CaO或MgO與含硫氣體發(fā)生反應(yīng)，起到化學(xué)吸收的作用，減少了型腔中含硫氣體濃度。3)涂料與鐵水接觸后，涂料中的堿性組份也會(huì)在兩者的界面與鐵水中的硫發(fā)生反應(yīng)，起到一定的脫硫作用。4)優(yōu)良的防硫涂料往往具備吸收和隔離雙重作用。使防硫的效果達(dá)到最佳。目前防硫涂料在高鐵軸箱、風(fēng)電輪轂、工程機(jī)械等重要球鐵件的生產(chǎn)中已獲得廣泛的應(yīng)用。3結(jié)束語1)鑄造涂料在干燥及澆注過程中存在著復(fù)雜的傳熱與傳質(zhì)過程，對(duì)涂料的使用、干燥及抗粘砂、抗脈紋、防