鑄造用珍珠巖：鑄鋼冒口覆蓋劑保溫原理探討及應用
摘要：著重探討了鑄鋼冒口覆蓋劑的作用機理，提出了冒口覆蓋劑的設計原理，推薦了其基本原材料和工藝配方。
關鍵詞：鑄鋼件；冒口保溫；覆蓋劑
Research and Application on Thermal Insulation Mechanism of Covering Flux for Steel Casting Risers
Abstract：The working mechanism of thermal insulation covering flux for steel casting risers is investigated,the design principle of the covering flux is provided,main raw materials of the covering flux and technological ingredient used in the product are recommended in this paper.
Key Words：Steel casting; Thermal insulation of steel casting risers;Covering flux
鑄鋼冒口的設計須遵守2個基本原則：一是冒口中鋼液凝固時間比鑄件凝固時間長；二是冒口應有足夠鋼液補給鑄件。而這2個原則都是與冒口鋼液熱能散失速度密切相關。因此，如何加強冒口鋼液保溫，盡可能地降低散熱速度，使鋼液維持時間延長，是鑄造工作者追求的目標。
為了減緩冒口的散熱速度，常用而且有效的手段是采用冒口覆蓋劑和保溫冒口套。保溫冒口套是用來減小冒口側面散熱速度；冒口覆蓋劑則是用來減小冒口頂面散熱速度。后者比前者更重要(本文中有詳細論述)。因此，弄清冒口覆蓋劑的作用機理有著現實的經濟意義。
1 冒口頂面散熱方式
一般來說，冒口中鋼液的熱能散失主要以3種方式進行，即：熱傳導、熱對流和熱輻射。熱傳導主要發生在冒口側面，由鋼液向砂型內傳熱；熱對流和熱輻射則發生在冒口頂面，以高溫鋼液輻射傳熱和表面鋼液與空氣產生對流傳熱方式進行。本文中僅討論冒口頂面的散熱方式。
1.1 冒口輻射傳熱
單位的時間內冒口所反射的輻射能Q輻可用如下公式表示：
Q輻=σbAT4 (1)
式中 A——冒口鋼液暴露表面積；
T——鋼液表面溫度；
σb——斯蒂芬——波爾茨曼常數。
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。同時鋼液暴露的面積越大，輻射熱能損失也越大。試驗也證明，由于鋼液表面溫度高，輻射熱能總的損失占整個冒口在凝固時間內的比例很大，冒口越大，輻射熱能損失占總熱能損失的比例也越大。例如：Ø100 mm×100 mm明冒口輻射熱損失相當于總熱損失的42%；Ø200 mm×200 mm明冒口輻射熱損失占總熱損失的55%［1］。
1.2 冒口對流傳熱
冒口對流傳熱可用下式表示：
Q流=αA(Tw-Tf) (2)
式中 Q流——冒口對流散熱量；
A——冒口鋼液表面面積；
α——對流換熱系數；
Tw——鋼液表面溫度；
Tf——空氣溫度。
由(2)式可知，冒口對流傳熱的驅動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，冷空氣又不斷補充，形成空氣對流。鋼液中大量熱能就這樣被對流的空氣帶走。另外，鋼液暴露的面積越大，對流散熱量也越大。
2 冒口覆蓋劑保溫作用機理
試驗表明，在普通冒口上覆蓋保溫劑，可使冒口凝固時間延長1倍多。在保溫冒口上覆蓋保溫劑，則可使凝固時間延長4倍多。由此可見，為了獲得優良的冒口補縮狀態，不但要考慮冒口側面的保溫，而且，更應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”冒口頂面輻射和對流的熱能散失，其作用機理表現在如下2個方面：
2.1 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流傳熱，降低鋼液散熱速度，延長凝固時間。
2.2 補償
覆蓋劑中的發熱材料所產生的熱能能夠補償冒口鋼液的熱能損失，維持鋼液溫度不下降。為了實現上述目的，理想的冒口覆蓋劑應具備3個條件：
(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，形成均勻的覆蓋層。在與鋼液表面接觸處形成1層導熱性極差、適當粘度和低熔點渣液，并能隨鋼液面下降而下降，不結成硬渣殼。
(2)強的保溫絕熱性
在渣液液面上，形成厚厚的固態多孔、輕質、粒狀保溫絕熱層，既杜絕輻射熱損失，又阻止對流熱損失。
(3)緩慢發熱性
覆蓋劑中的發熱材料能夠在冒口凝固期間均勻緩慢地氧化發熱，以彌補冒口熱能的損失。
滿足以上3個條件，冒口中鋼液的凝固是從側面開始，逐漸向中心推進。在推進過程中，冒口頂面處的金屬始終處于液態，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、發熱材料、渣液形成材料。
3.1 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。
3.2 發熱材料
發熱材料主要有鋁粉、硅鐵粉、煙道灰、木炭、稻殼等。鋁粉和硅鐵粉發熱劇烈、速度快、作用時間短，且成本高，不宜選用。其余材料發熱均勻、緩慢、成本低，適合做發熱材料。
3.3 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、Fe2O3等。外加少量螢石和蘇打調整渣液的粘度和熔點。
4 冒口覆蓋劑的配方及應用
4.1 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
Tab.1 Ingredient of riser covering flux %
| 稻殼 | 漂珠 | 低碳石墨 | CaF+Na2CO3 |
| 40～60 | 20～40 | 20～40 | 5～10 |
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各種材料的主要特點： (1)稻殼： 發熱時間長，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； (2)漂珠： 電廠灰中浮選出來的空心玻璃珠，珠徑≤0.5 mm；密度440 kg/m3，導熱系數(1 000 ℃)0.21W/(m2.K),耐火度1 540 ℃，是優良的耐高溫保溫材料； (3)低碳石墨： 呈黑灰色鱗片狀，熔點1 250 ℃，具有形成渣液、發熱、保溫3種功能［2］。 3種主要材料化學成分，見表2。
表2 化學成分 |
| 名稱 | C | SiO2 | Al2O3 | CaO | Fe2O3 | MgO | 表觀狀態 |
| 稻殼 | 55～60 | 25～30 | 顆粒狀 | ||||
| 漂珠 | 50～60 | 30～40 | 0.5～3 | 2～5 | 0.5～2 | 細小球狀 | |
| 低碳石墨 | 19～20 | 48～50 | 8～9 | 10～14 | ＜5 | 粉末狀 |
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4.2 生產驗證 例1 鑄件名稱：大齒輪，材質：ZG42SiMn；輪緣厚度：190 mm；毛坯質量：11 000 kg；總質量16 000 kg；工藝出品率：75%；設置4個  420 mm×500 mm明冒口，覆蓋劑加入量占冒口鋼液質量的1.2%；冒口補縮效率為30%。鑄件澆注后，每隔5 min用6 mm鐵條插入冒口中鋼液1次，直到粘不到鋼液為止。測得凝固時間為165 min。冒口縮孔形狀，見圖1(a)。例2 鑄件名稱：推力頭；材質ZG20SiMn；屬厚壁環形件，熱節圓直徑：D= 430 mm；毛坯質量：9 200 kg；總質量：12 500 kg；工藝出品率75.4%。此鑄件采用2個B540 mm×840 mm×800 mm陶粒保溫冒口，冒口幾何模數11 cm，鑄件模數13 cm。覆蓋劑加入量占冒口鋼液質量的14%；冒口補縮效率為28%，冒口縮孔形狀，見圖1(b)。 |
圖1 冒口縮孔形狀
Fig.1 Shape of riser shrinkage.
生產驗證表明，這種冒口覆蓋劑完全可以使冒口頂面絕熱，冒口頂面鋼液不過早結殼，有效地延長了冒口中鋼液的維持時間，直接地提高了冒口補縮效率和鑄件工藝出品率，節約了鋼液和電能，其經濟效益十分顯著。
