保溫與發(fā)熱冒口在鑄造中的應(yīng)用

保溫與發(fā)熱冒口在鑄造中的應(yīng)用

隨著鑄造內(nèi)部質(zhì)量要求的提高，我們可以降低鑄造產(chǎn)量，降低單位質(zhì)量橢圓的能耗，減少殘余材料的排放，采用合理的鑄造工藝和輔助材料，提高鑄造質(zhì)量，減少鑄造成本和環(huán)保，已成為國內(nèi)外的一個重點。鑄件生產(chǎn)廠家及相關(guān)研究機構(gòu)于上世紀(jì)70年代開始對保溫冒口、發(fā)熱冒口進行研究,并于80年代開始推廣使用。大批量使用保溫冒口、發(fā)熱冒口是近幾年由于國外商品化的保溫冒口與發(fā)熱冒口進入我國后才開始的。目前保溫冒口在鑄鋼件中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用,僅Foseco(福士科)一家在東北地區(qū)保溫冒口的年銷售額就達(dá)到一千多萬元,應(yīng)用的廠家目前主要以高速鐵路上的鑄鋼件生產(chǎn)廠家為主。國內(nèi)商品化的保溫冒口與發(fā)熱冒口主要的生產(chǎn)廠家有圣泉、南化紅山膨潤土有限公司、蘇州興業(yè)三家,但產(chǎn)品性能與福士科相比有較大差距,主要以保溫為主。本文所要報道的是本課題組通過多年研究而開發(fā)出的一種具有自主知識產(chǎn)權(quán),集保溫與發(fā)熱于一體的環(huán)保型新型發(fā)熱保溫板,本產(chǎn)品在原材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計、制作工藝及使用性能方面都具有一系列特點。1發(fā)熱冒口與鋁的熱反應(yīng)國內(nèi)已有產(chǎn)品存在的問題:低發(fā)熱劑、普通助燃劑、水玻璃粘結(jié)劑、保溫與發(fā)熱不能兼顧等問題,導(dǎo)致反應(yīng)溫度高(一般大于1300℃)、反應(yīng)不完全、有些理論上的發(fā)熱成分(如木炭)幾乎不燃燒、發(fā)熱劑燃燒不充分等。為解決這些問題,本項目通過大量理論分析與實驗研究,在材料的選擇上有如下特點:(1)增加發(fā)熱劑含量,調(diào)整發(fā)熱劑配比發(fā)熱保溫板的發(fā)熱原理是材料中的發(fā)熱劑(鋁熱劑),在高溫下發(fā)生鋁熱反應(yīng):利用反應(yīng)中所生成的熱加熱冒口內(nèi)的金屬液體,但目前國內(nèi)同類產(chǎn)品多為低鋁熱劑型(3wt%～6wt%),按此常規(guī)配比制作的發(fā)熱冒口中Al所占的比例很小,分散在保溫劑與粘結(jié)劑之中,Al與助燃劑Fe2O3之間進行化學(xué)反應(yīng)比較困難,故燃燒不完全。(2)含有一定數(shù)量(3wt%～5wt%)的鎂上述化學(xué)反應(yīng)(1)得以進行,首先是Fe2O3的分解。隨著溫度升高,氧化物的分解逐漸增大,當(dāng)溫度<1300℃時,Fe2O3分解壓小于空氣中氧的分壓,Fe2O3的分解是很緩慢的,要使鋁熱反應(yīng)順利進行,必須使溫度達(dá)到1300℃,而且溫度愈高,反應(yīng)進行愈快。發(fā)熱冒口澆注后,僅發(fā)熱冒口內(nèi)壁表層可達(dá)到1300℃以上,而其中部、外壁的溫度分別為1260℃和800℃。故常規(guī)發(fā)熱冒口中大部分鋁熱劑未起到發(fā)熱反應(yīng)。本產(chǎn)品中添加低燃點的鎂,可在較低溫度下起助燃作用。通過從使用后的冒口套不同部位(內(nèi)、中、外層)取樣分析,鋁、鎂殘余量均很少,可知發(fā)熱反應(yīng)進行較完全。(3)以高鋁棉、硅纖維棉作保溫材料常規(guī)保溫冒口、發(fā)熱冒口性能單一,往往是保溫與發(fā)熱兩種性能主要以一種為主,本產(chǎn)品通過兩類成分合理復(fù)合使其兩種性能兼顧。通過合理的工藝使含有高鋁棉、硅纖維棉等無機纖維的產(chǎn)品內(nèi)部含有大量微孔,有效地阻止了對流的熱損失,達(dá)到了保溫的目的,同時微孔中的空氣有利于溫度較低時(此時Fe2O3的分解很緩慢)鎂與鋁的燃燒反應(yīng),由此又促進了正常鋁熱反應(yīng)的進行,導(dǎo)致發(fā)熱保溫冒口的熱損失率明顯低于其它冒口,具有良好補縮效果。(4)以酚醛樹脂、糊精等代替水玻璃常規(guī)保溫冒口與發(fā)熱冒口是以水玻璃為粘結(jié)劑,水玻璃有惰性物質(zhì)的作用,它以硅酸凝膠薄膜覆蓋于發(fā)熱材料顆粒表面,阻礙了反物質(zhì)的相互接觸,降低了擴散速度,使得反應(yīng)遲緩,甚至難以進行。而本產(chǎn)品是以酚醛樹脂與糊精為粘結(jié)劑,酚醛樹脂在燃燒時會緩慢分解產(chǎn)生氫氣、碳?xì)浠衔?、水蒸氣和碳氧化?既無毒無害,也不阻礙反應(yīng)物質(zhì)接觸。2計與制作工藝要成為能被企業(yè)接受的好產(chǎn)品,發(fā)熱保溫板不只是在成分上應(yīng)具有發(fā)熱、保溫的基本性能,還應(yīng)使材料具有好的耐火度,成型、使用方便,成本低等性能。常規(guī)保溫冒口、發(fā)熱冒口多為成型冒口,運輸不便,通用性較差,給用戶在管理與使用上帶來不便。本課題組研發(fā)的該產(chǎn)品,在結(jié)構(gòu)設(shè)計與制作工藝有如下特點:(1)采用板式結(jié)構(gòu)(現(xiàn)有兩種規(guī)格KMP-1:1400mm×450mm×30/50/60mm,KMP-2:1200mm×450mm×30mm)。如圖1。(2)內(nèi)部加鋼絲網(wǎng)作為增強體,是典型的復(fù)合材料結(jié)構(gòu),使材料具有合適的強度,滿足成型要求。(3)開設(shè)相互平行的適當(dāng)厚度的槽形結(jié)構(gòu),使卷曲成型容易。(4)采用有機粘結(jié)劑制漿、吸濾、壓制,再加一定溫度的烘烤工藝代替常規(guī)的干料混碾壓制法,使產(chǎn)品在保證良好的微孔量的同時,具用好的強度、韌性,不污染型砂,同時落砂清理方便。有了上述結(jié)構(gòu)與工藝上的特點,使得該產(chǎn)品運輸方便,使用時可卷曲,可連接,可切斷,根據(jù)需要形成各種大小的腰圓、圓形或方形冒口套,通用性非常強,如圖2。造型時使用與鑄件設(shè)計冒口的同等尺寸的芯棒將保溫板圍上、裝沙、將芯棒取出、釘上釘子烘干即可,工藝簡單、快捷。圖3為現(xiàn)場造型。3發(fā)熱、保溫、充放電工藝特點自產(chǎn)品開發(fā)成功后,先后在桂林冶金機械總廠、東方電機股份有限公司、大連重工、樂山斯堪納機械制造有限公司、酒鋼等大型企業(yè)的大型鑄鋼件中使用,該發(fā)熱保溫板具有良好的發(fā)熱、保溫性能,從而使冒口具有很好的補縮效果,冒口上部呈明顯的碟型收縮,鑄件無縮孔、縮松現(xiàn)象,工藝出品率提高6%以上,產(chǎn)品性能完全可與福士科產(chǎn)品相媲美,而價格低、環(huán)保。在鑄鋼與球鐵件生產(chǎn)中如使用本項目研發(fā)的發(fā)熱保溫板來形成補縮冒口,雖然增加了造型材料成本,但會使鑄件質(zhì)量更加穩(wěn)定,出品率提高6%以上,節(jié)約大量金屬液體與能源。一個年產(chǎn)量在10000t鑄鋼件的生產(chǎn)廠家,每年可節(jié)約300～550萬元左右,根據(jù)我國目前鑄造行業(yè)的產(chǎn)能情況,每年可節(jié)約600億元。4高鋁棉與硅纖維棉的使用(1)由于成分上的合理選擇,用該發(fā)熱保溫板所做的冒口套從里至外發(fā)熱反應(yīng)進行完全,發(fā)熱量大。(2)由于高鋁棉與硅纖維棉的使用,本產(chǎn)品保溫性能良好。(3)制作