铸铁用发热保温冒口的开发研究.pdf

工学硕士学位论文 铸铁用发热保温冒口的开发研究 王常玖 哈尔滨理工大学 2 0 1 4 年6 月 万方数据 国内图书分类号 t g 2 4 4 4 工学硕士学位论文 铸铁用发热保温冒口的开发研究 硕士研究生 王常玖 导师 石德全教授 申请学位级别 工学硕士 学科 专业 材料学 所在单位 材料科学与工程学院 答辩日期 2 0 1 4 年6 月 授予学位单位 哈尔滨理工大学 万方数据 c l a s s i f i e di n d e x t g 2 4 4 4 d i s s e r t a t i o nf o rt h em a s t e r d e g r e ei ne n g i n e e r i n g d e v e l o p m e n to fe x o t h e r m i ci n s u l a t i n gr i s e ru s e di n c a n d i d a t e s u p e r v i s o r c a s ti r o n d e q u a ns h i c h a n g i uw a n g a c a d e m i cd e g r e e a p p l i e d f o r m a s t e ro fe n g i n e e r i n g s p e c i a l i t y m a t e r i a ls c i e n c e d a t eo f0 r a le x a m i n a t i o n j u n e 2 0 14 u n i v e r s i t y h a r b i nu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n d t e c h n o l o g y 万方数据 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明 此处所提交的硕士学位论文 铸铁用发热保温冒口的开发 研究 是本人在导师指导下 在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间独立进行研 究工作所取得的成果 据本人所知 论文中除已注明部分外不包含他人已发表 或撰写过的研究成果 对本文研究工作做出贡献的个人和集体 均己在文中以 明确方式注明 本声明的法律结果将完全由本人承担 作者签名 觥日期 2 0 1 4 年6 月方0 日 丫 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 铸铁用发热保温冒口的开发研究 系本人在哈尔滨理工大学攻读硕士学 位期间在导师指导下完成的硕士学位论文 本论文的研究成果归哈尔滨理工大 学所有 本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表 本人完全了解哈尔滨 理工大学关于保存 使用学位论文的规定 同意学校保留并向有关部门提交论 文和电子版本 允许论文被查阅和借阅 本人授权哈尔滨理工大学可以采用影 印 缩印或其他复制手段保存论文 可以公布论文的全部或部分内容 本学位论文属于 保密口 在年解密后适用授权书 不保密彤 请在以上相应方框内打 作者签名 导师签名 专彤酿 i 劢够 日期 2 0 1 4 年6 月弓 日 日期 2 0 1 4 年6 月e 1 万方数据 哈尔滨理工人学工学硕士学位论文 铸铁用发热保温冒口的开发研究 摘要 本文在利用x r d 衍射 s e m 和化学分析等方法对进口发热保温冒口套的 主要物质组成及配比进行了分析 在此基础上 初步确定了自制发热保温冒口 以铝粉和氧化铁粉为主要发热材料 以石墨粉为辅助发热原料 以硝酸钾为钾 盐氧化剂 以氟铝酸钠为助熔剂 以蛭石为保温材料 以水玻璃为粘结剂 并 加入石英砂等辅助原料 进行了进口发热保温冒口的国产化开发 试验过程中 采用固定其他配比 改变单一参数的方法 分别研究了铝粉 加入量 氧化铁加入量 硝酸钾加入量 氟铝酸钠加入量 石墨粉加入量对冒 口体系点火时间和二次点火后发热反应持续时间的影响 所用测试试样在锤击 式制样机上制得 其尺寸为 5 0 1 5 试样放在6 8 0 的恒温电阻炉中加热 由 秒表测试点火时间和二次发热持续时间 并以测得的进口冒口的点火时间和二 次发热持续时间为参考 确定了较适宜的每个参数的加入量范围 即 铝粉 2 8 3 2 氧化铁粉4 6 钾盐 硝酸钾 3 5 氟铝酸钠3 一5 石 墨粉1 2 0 旷1 6 保温材料3 0 5 0 其他辅料o 5 分别在加入不同含量的水玻璃粘结剂时制作标准 8 字形试样 并测得抗 拉强度 试样的抗拉强度随水玻璃加入量的增加而逐渐增大 但考虑水玻璃加 入量增大时 会阻碍发热反应的进行 最终确定水玻璃加入量为1 6 吸潮性 测试表明 前1 5 天的吸潮速度较快 达到0 3 7 9 之后吸潮速度变慢 1 5 天时 的抗拉强度已降到1 0 m p a 左右 因此 冒口使用前有必要进行烘干处理 根据确定的组分和配比 自制与进口冒口相同尺寸的冒口 并对其进行放 热功和现场浇注对比分析 差热分析结果表明 自制冒口的发热功与进口冒口 相差无几 获得的白温度 时间曲线表明 虽然两种冒口在不同的时间点表现出 不同的发热速度 但两条变化曲线的形状基本相同 自制的发热保温冒口套在 性能上能够达到进口冒口的性能 最后 从分层式设计 安放易割片和防止气扑现象三方面分析了自制发热 保温冒口套的结构优化问题 关键词发热保温冒口 点火时间 二次发热时间 铸铁 万方数据 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 d e v e l o p m e n t o fe x o t h e r m i c i n s u l a t i n gr i s e ru s e d i n c a s t i r o n a b s t r a c t o nt h eb a s i so fr e a d i n gal a r g ea m o u n to fr e f e r e n c e sa n da n a l y z i n gt h em a i n c o m p o n e n ta n dc o m p o s i t i o no fi m p o r t e de x o t h e r m i c i n s u l a t i n gr i s e rs l e e v eb y x r d s e ma n dc h e m i c a la n a l y s i s t h ef o l l o w i n gp a r a m e t e r so fs e l f d e v e l o p e dr i s e r w e r ep r i m a r i l yd e t e r m i n e d n a m e l y t h ea l u m i n u mp o w d e ra n di r o no x i d ep o w d e ra s t h em a i nh e a t i n gm a t e r i a l s c a r b o n a c e o u sm a t e r i a l sa st h ea u x i l i a r yh e a t i n gm a t e r i a l s k n 0 3a st h eo x i d a n t n a 3 a 1 f 6a sf l u x i n ga g e n t v e r m i c u l i t ea sh e a ti n s u l a t i n g m a t e r i a l s o d i u ms i l i c a t ea st h eb i n d e r a n dq u a r t zs a n da so t h e ra u x i l i a r ym a t e r i a l s a n dt h ei m p o r t e de x o t h e r m i c i n s u l a t i n gr i s e rw a ss t u d i e da sl o c a l i z a t i o n i ne x p e r i m e n t s e a c hp a r a m e t e rw a sc h a n g e du n d e rt h ec o n d i t i o no fk e e p i n g o t h e rp a r a m e t e r si n v a r i a b l e t h ee f f e c t so fa lc o n t e n t f e 2 0 3c o n t e n t k n 0 3c o n t e n t n a 3 a 1 f 6c o n t e n t c a r b o nc o n t e n to nt h ei g n i t i o nt i m ea n dt h ed u r a t i o nt i m ea f t e r s e c o n di g n i t i o nw e r er e s e a r c h e dr e s p e c t i v e l y t h er i s e rs a m p l eo f0 5 0 xl5p r e p a r e d b yh a m m e rt y p es y s t e mp r o t o t y p ew a sh e a t e di nt h ec o n s t a n tt e m p e r a t u r er e s i s t a n c e f u r n a c ea t6 8 0 a n dt h ei g n i t i o nt i m ea n dd u r a t i o nt i m ew a sm e a s u r e db y s t o p w a t c h t a k e nt h ei g n i t i o nt i m ea n dd u r a t i o nt i m eo fi m p o r t e dr i s e ra sr e f e r e n c e t h eo p t i m a lp a r a m e t e r sw e r eo b t a i n e d n a m e l y a i 2 8 3 2 f e 2 0 3 4 6 k n 0 3 3 一5 n a 3 m f r 3 一5 c 1 2 一1 6 v e r m i c u l i t e 3 0 一5 0 q u a r t zs a n d 0 5 t h e 8 s h a p es a m p l ew a sp r e p a r e du n d e rd i f f e r e n ts o d i u ms i l i c a t ec o n t e n t a n d t h et e n s i l es t r e n g t hw a sm e a s u r e d 1 1 1 et e n s i l es t r e n g t hw i l li n c r e a s eg r a d u a l l yw i t h t h ei n c r e a s eo ft h es o d i u ms i l i c a t e h o w e v e r w h e nt h es o d i u ms i l i c a t eb e c o m eb i g g e r i tw i l lw e a k e nt h ee x o t h e r m i cr e a c t i o n s o t h ef i n a ls o d i u ms i l i c a t ec o n t e n ti s16 t h ee x p e r i m e n to fm o i s t u r ea b s o r p t i o ns h o w e dt h es p e e do fa b s o r b i n gt h em o i s t u r e i sb i g g e rb e f o r e15d a y s r e a c h i n gu pt oo 37 9w h i l et h es p e e db e c a m es l o w e ra f t e r 15d a y s t h et e n s i l es t r e n g t ha t15d a y sd r o p p e da b o u t1 0 m p a t h e r e f o r e t h er i s e r n e e d e dt ob ed r i e db e f o r eu s i n g 1 1 万方数据 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 t h er i s e rw i t ht h es a m ed i m e n s i o no fi m p o r t e do n ew a sm a d e a c c o r d i n gt ot h e c o m p o s i t i o na n dr a t i o a n dt h eh e a t r e l e a s i n gp o w e rw a sm e a s u r e db yd t aa n d t e m p e r a t u r e t i m ec u r v ew a so b t a i n e db yad a t aa c q u i s i t i o ns v s t e mo ns i t e t h ed t a r e s u l ts h o w e dt h a tt h eh e a t r e l e a s i n gp o w e ro f s e l f d e v e l o p e da n di m p o r t e dr i s e r sh a d s m a l ld i f f e r e n c e t h e t e m p e r a t u r e t i m e c u r v es h o w e dt h e yh a ds i m i l a r s h a p e a l t h o u g ht h eh e a t r e l e a s i n gs p e e da td i f f e r e n tt i m ed i f f e r e d w h i c hi n d i c a t e d t h e s e l f d e v e l o p e dd s e rc a na c h i e v et h ep e r f o r m a n c e so fi m p o r t e do n e f i n a l l y t h es t r u c t u r eo fs e l f d e v e l o p e dr i s e rw a so p t i m i z e df r o mt h eh i e r a r c h i c a l d e s i g n c u t e a s ys l i c ei n s t a l l m e n ta n da v o i d i n g g a sf l u t t e rp h e n o m e n o n k e y w o r d sc x o t h e r m i c i n s u l a t i n gr i s e r i g n i t i o nt i m e t h et i m ea f t e rs e c o n di g n i t i o n c a s ti r o n i i i 万方数据 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 目旱 日刊k 摘要 i a b s t r a c t i i 第1 章绪论 1 1 1 课题来源及意义 1 1 2 国内外发热保温冒口套研究应用现状 l 1 2 1 发热保温冒口套的材料组成 2 1 2 2 国外对发热保温冒口套的研究 5 1 2 3 国内对保温冒口和发热保温冒口套的研究 5 1 2 4 国内冒u 套存在的问题分析 6 1 3 课题主要的研究内容 7 第2 章试验材料和方法 8 2 1 试验材料 8 2 2 试验设备 8 2 3 试验设计及方法 8 2 3 1 进口发热保温冒口成分分析试验设计 8 2 3 2 自制发热保温冒口组元配比优化试验设计 8 2 3 3 自制发热保温冒口的性能检测试验设计 一10 2 4 本章小结 1 0 第3 章自制发热保温冒口组元确定和配比优化 一1 2 3 1 引言 一1 2 3 2 进口发热保温冒口的成分分析 12 3 2 1 进口发热保温冒口x r d 分析 1 2 3 2 2 进口发热保温冒口s e m 分析 1 3 3 2 3 进口发热保温冒口化学分析 一l7 3 3 自制发热保温冒口基本组元确定 1 8 3 4 自制发热保温冒口的成分优化研究 1 9 3 4 1 发热材料配比优化试验研究 1 9 3 4 2 氧化剂配比优化试验研究 一2 2 万方数据 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 3 4 3 氟化物配比优化试验研究 一2 4 3 4 4 石墨粉配比优化实验研究 一2 5 3 5 自制发热保温冒口粘结剂选用和优化 2 6 3 6 本章小结 2 8 第4 章自制发热保温冒口的性能测试和分析 2 9 4 1 引言 2 9 4 2 自制发热保温冒口的吸潮性测试 2 9 4 3 自制与进口发热保温冒口套使用效果测试 3l 4 3 1 自制与进口发热保温冒口的发热功对比测试 一3 1 4 3 2 实验室下浇注试验对比 一3 2 4 4 自制发热保温冒口套的结构优化设计 3 3 4 4 1 采用分层式设计 一3 3 4 4 2 安放易割片 一3 4 4 4 3 发热保温冒口的尺寸计算 3 5 4 4 4 防止气扑现象 一3 6 4 5 本章小结 3 6 结论 3 8 参考文献 3 9 攻读硕士期间发表的专利 4 2 致谢 4 3 万方数据 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 1 1 课题来源及意义 第1 章绪论 本课题是为一汽第一铸造厂使用的某进口发热保温冒口套进行国产化研 究 在铸造生产中 部分铸件凝固后会产生缩孔和缩松 究其原因是在浇铸过 程中 铸件的冷却时问相对较长 铸型中的金属件产生收缩 而且没有足够的 金属液去补收缩产生的空间 l 产生的缩松缩孔严重影响了铸件的致密性 导致 铸件的成品率有所下降 传统的砂型冒口体积大 在浇铸过程中 冒口中的金属液和铸件中的金属 液同时凝固 冒口中用于补缩的金属液只占冒口中全部金属液的1 0 1 4 利 用效率低 补缩效果差 为了提高铸件的成品率 只能增大冒口套的尺寸 增 加冒口套中的金属液 既浪费了资源 并且增加成本 如何在不增加成本的前提下 尽可能的提高冒口的补缩效率 延长冒口套 中金属液的凝固时间 成为了现在研究的首要任务 为了解决这个问题 铸造 工作者从两方面考虑 一是冒口具有保温作用 从而延缓金属液的凝固时间 二是利用化学药品反应或者其他方式产生热量来使冒口中金属液的温度降低缓 慢 起到补缩作用 这两种方法虽然都能有效的延缓冒口中的金属液的凝固时 间 但是效果单一 如此发热保温冒口作为新类型的冒口进入工作者的视线 并在实际生产中取得了良好的效果 因为发热保温冒口套兼有发热和保温的作 用 所达到的效果与单一的功能的冒口补缩效果相比也有很大的提高 1 2 国内外发热保温冒口套研究应用现状 7 0 年代初 我国已经开始研究保温冒口套 现在已有1 0 余种保温冒口制品 膨胀珍珠岩冒口和复合纤维冒口是最典型的保温冒口 但是它们有缺点 膨胀 珍珠岩强度低 使用不方便 纤维制品太过繁杂的工艺过程也限制了它的使用 在六十年代末 国外为了提高冒口套的补缩效率就已经开始使用发热保温冒口 国内仍然把保温冒口套作为主要研究对象 而对于发热保温冒口套的研究相对 国外就少了很多 应用也比较少 4 1 对发热保温冒口套的研究我国还处于初级阶 万方数据 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 段 但各大企业已经开始重视对发热保温冒口的研究 1 2 1 发热保温冒口套的材料组成 发热保温冒口一般由发热材料 保温材料 耐火骨料 粘结剂 覆盖剂等 材料组成 考虑到发热保温冒口的性能 必须保证其具有良好的发热性能 保 温性能 耐火性能 湿强度和干强度性能 不污染环境 价格低廉 最重要的 一点就是不能污染钢水的化学成分 所以在选用各种材料时 必须考虑达到发 热保温冒口的性能要求 1 发热材料 发热材料是由发热剂 氧化剂 助熔剂 阻燃剂组成 7 0 年代初 发热剂 主要是碳粉和三氧化二铁粉组成 这样的发热剂发热缓慢并且效率低 不能保 证冒口中金属液的温度 经过改进主要运用铝粉和三氧化二铁粉或者铝硅粉和 三氧化二铁粉作为新型发热剂 铝粉作为新型发热剂的组成比碳粉的活性更高 其中铝硅热剂主要运用于大型铸件 5 1 国内现在还有用硅钡钙粉 钛铁粉作为发 热剂的组成 效果比7 0 年代的碳粉有所加强 氧化剂主要是一些钾盐和二氧化 锰等组成 德国的一些发热保温冒口利用氧化铜作为氧化剂 利用硅粉作为还 原剂 铜和硅的摩尔比为1 2 1 0 5 1 6 1 助熔剂主要选用氟化物和卤化物 氟化 物现在主要运用无机氟化物 而无机氟化物在发热剂氧化反应的过程中 产生 的氟元素会对金属液和铸型产生污染 国外已经用有机氟化物来替代无机氟化 物 并取得良好的效果 卤化物在冒口中很少应用 但是卤化物对铝热反应中 铝表面产生的氧化铝薄膜有活化的作用机理 研究表明 氯化钠 氯化锂 氯 化镁 氯化钙 氯化钡在加入适量的条件下 均有不同程度提高铝热反应的反 应速度 7 1 0 阻燃剂主要是由碳粉组成 在铝热反应中 如果反应速度过快的话 在冒口中金属液还未发生降温时 铝热反应完成 导致冒口中的金属液的凝固 时问和铸件中的金属液凝固时间一致 达不到冒口的补缩效果 而加入碳粉会 在一定程度上降低化学反应速率 并且在碳粉燃烧结束时 会产生许多小空隙 不仅起到了发热的作用 还有一定的保温效果 但是在碳粉的选择上 一般选 择 无定型 1 1 1 碳作为阻燃剂 因为这种碳的表面自由焓相对较大 热力学不稳 定 放出的热量相对较多 z 所以碳作为阻燃剂加入冒口中的作用是阻止铝热 剂反应太快 延长铝热反应的时间 使铝热剂的二次点火时问有所加强 提高 补缩效率 万方数据 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 铝热反应原理如下化学方程式 1 1 e 1 3 8 a i f e 2 0 3 a 1 2 0 3 2 f e 8 38 k j 1 1 2 保温材料 冒口套来自侧壁的热损失占全部热损失损失的6 0 侧壁的热损失一般是 通过热传导的方式进行 热传导的传热方式是通过分子问的互相碰撞完成的 所以在选择保温材料的时候要选择空隙大容积密度小的材料 下面几种材料是 比较常用的保温材料 硅酸铝纤维 膨胀珍珠岩 保温蛭石 空心微珠 烟道 灰 发泡石膏等 硅酸铝纤维是6 0 年代初期发展起来的一种纤维状的轻质耐火材料 按其结 构形态来说它属于非晶质 玻璃态 纤维 它是以硬质粘土熟料或工业氧化铝 粉与硅石粉合成料为原料 采用电弧炉或电阻炉熔融 经压缩空气喷吹 或甩 丝法 成纤而制成的 其化学组成主要为三氧化二铝 3 0 5 5 和二氧化硅 膨胀珍珠岩是由酸性火山玻璃质熔岩 珍珠岩 经破碎 筛分至一定粒度 再经预热 瞬间高温焙烧而制成的一种白色或浅色的优质绝热材料 j 4 珍珠岩 具有膨胀性能的内在因素 是它的玻璃质结构和内部含有足以引起玻璃质膨胀 的结合酌1 5 空心微珠的颜色为灰色 形态是球状 这些球外部白色的环就是空心玻璃 微珠的球壁 而球的内部为黑色 则是微珠的中空部分 实质上是薄壁 密封 的球壳体 由于其内部是真空或者是n 2 c 0 2 气体 因此使空心微珠具有隔音 隔热 绝缘的特性 通常使用的粒度为1 0 1 0 0 p m 它们的密度和强度均正比于 微珠的壁厚 1 6 1 7 1 发泡石膏是由石膏 水泥 合成洗涤剂 钾矾构成的 t s 他们的含量如表 1 1 所示 表1 一i 发泡石膏的含量 t a b l e1 1f o a m e dg y p s u mc o n t e n t 组成石膏水泥合成洗涤剂钾矾 含量 7 92 00 2 50 5 石膏在经过发泡处理后内部会产生大气泡 大气泡之间产生间隙 降低了 热量通过热传导方式的损失 达到了良好的保温效果 表l 一2 是几种保温冒口和 湿砂型的热系数对l l t g l 万方数据 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 表1 2 保温材料和湿砂型的热系数对比 t a b l e1 2i n s u l a t i o na n dt h e r m a lc o e f h c i e n to fw e ts a n dc o n t r a s t a 2 b 2c 22 2 y 2 材料 m 2 l l k c a l m 2 h l n k c a l k g k c a l m h k g m 3 珍珠岩 0 0 0 1 8 0 0 0 2 13 8 4 20 3 6 旬 3 80 1 每旬 1 82 3 0 2 5 0 石膏 0 0 0 1 0 0 0 0 1 7 6 0 6 6 0 3 0 0 3 6 0 2l 0 2 85 1 0 5 5 0 微珠 0 0 0 1 3 o 0 0 1 73 0 3 50 3 7 0 4 00 1 l 0 1 42 l o 之3 0 湿砂型0 0 0 0 7 0 0 0131 8 2 2o 3 6 o 5 20 5 6 0 7l8 9 0 9 6 0 在这些材料中 空心微珠相对其他几种材料具有良好的保温性能 它的蓄 热系数为湿砂型的六分之一 珍珠岩和发泡石膏分别为五分之一和三分之一 几种材料的比热相差不大 因而容重和导热系数是决定蓄热系数的主要因素 3 耐火骨料 耐火骨料是在冒口的力度组成中起骨架作用的耐火颗粒料 它们是用各种 耐火原料经过煅烧 破碎加工或人工合成而制成的 粒度大于0 0 8 8 m l n 的粒状 材料 骨料是不定型耐火材料的主要材料 一般占总组成的6 0 7 5 因此 不定型耐火材料的材质一般是以所采用的骨料材质而命名的 如以高铝矾土熟 料做骨料的耐火浇注料或耐火捣打料 称为高铝质浇注料或高铝质捣打料 在冒口生产中 冒口的组成材料不但要具有一定的耐火度 而且要另冒口 的侧壁经受住金属液的动态压力 因此在冒口中要加入一定量的耐火骨料 来 达到冒口所需要的强度 为了不影响发热保温的发热和保温作用 要把加入耐 火骨料的量控制在最低 地壳中的岩石经过长时期的风化和地质变迁的作用形成粘土 它是一种含 水铝硅酸盐产物 粘土雨水适量的混合 可塑性很好 经过烧结后 得到耐火 粘土 耐火粘土具有高温下体积稳定性 具有抗渣性 对急冷急热的抵抗能力 并且具有一定的机械性b 匕 2 0 1 4 粘结剂 粘结剂按照种类分为有机粘结剂和无机粘结剂 有机粘结剂包括合脂 脲 醛树脂 酚醛树脂 z l 2 2 呋喃树脂 糊精粘结剂等等z l 无机粘结剂包括水泥 粘土 水玻璃等 现在国内一般都使用水玻璃作为粘结剂 水玻璃作为粘结剂的优点是价格 便宜 硬化简单易操作 粘结效果达到要求 但是水玻璃的加入量要有一定的 万方数据 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 限制 试验研究得出水玻璃的加入量达到一定量时会对铝热反应起到抑制的作 用 树脂粘结剂作为新型粘结剂虽然粘结效果相对水玻璃较好 但是树脂粘结 剂的成本相对较高 在硬化的过程中 需要添加固化剂和硬化剂 操作复杂 产生污染环境和对人体健康有危害并且有毒的游离酚 因此应该尽量少用树脂 粘结剂 2 4 5 覆盖剂 从热力学角度上看 热量损失来源分为热传导 热辐射 热对流三种方式 在保温材料中介绍了热传导是通过侧壁传热的方式进行的 而冒口侧壁中存在 保温材料 热辐射和热对流成为冒口中热量损失的主要来源 所以为了保证钢 液的温度 提高铸件的出品率 而覆盖剂的使用可以降低热辐射和热对流所造 成的热量损失 覆盖剂一般选用酸性石墨 粉煤灰 鳞片石墨 膨胀珍珠岩等 这些材料 的共同的特点是具有很好的铺展性 在受热的时候会发生膨胀 膨胀密度就会 变小 之间孔隙变大 导热系数变小 形成一个绝热层从而达到降低热量损失 的目的 2 5 1 2 2 国外对发热保温冒口套的研究 国外在2 0 世纪6 0 年代初就已经开始研究发热保温冒口了 并取得了相应 的成果 例如德国采用的配方为 2 2 2 8 的铝粉 2 7 的镁粉 1 0 1 3 的氧化铁 8 1 3 的活性氧化铝 1 7 2 2 的水玻璃 2 9 q 3 的硅砂 在浇铸过程中铝粉和氧化铁发生反应 活性氧化铝降低反应温度 水玻璃可以 把这些材料混合成所需要的形状 英国公司采用铝粉 氧化铁 木炭 木屑 膨润土 水玻璃 水作为配方 并在浇铸实验中取得良好的效果 到了2 0 世纪7 0 年代 国外一些研究人员在水玻璃的基础上 利用有机粘 结剂代替无机粘结剂 脲醛树脂作为新型粘结剂出现在发热保温冒口中 虽然 效果相对水玻璃较好 但是成本相对较高 产生刺激性气味 影响健康 所以 树脂粘结剂只利用在要求出品率特别高的铸件中 2 6 2 8 1 1 2 3 国内对保温冒口和发热保温冒口套的研究 国内研究和应用最广泛的仍然是保温冒口套 根据国外保温冒口的一些设 计原则的文献 2 9 3 7 现在已有十余种保温冒口正式运用在实际生产中 具体类型 万方数据 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 如f 1 空心微珠型保温冒口 灰渣是空心微珠型保温冒口的主要原材料 它主 要来源是火力发电厂 这种灰渣是一种强度高 微小 耐高温 轻质材料 导 热系数相对不高的球形颗粒 2 复合纤维型保温冒口 冒口原材料主要是由无机耐火纤维 有机耐火纤 维 耐火骨料及多种粘结剂组成 3 8 3 9 3 硅酸铝纤维型保温冒口 硅酸铝纤维又称陶瓷纤维 是一种新型轻质耐 火材料 该材料具有容重轻 耐高温 热稳定性好 热传导率低 热容小 抗 机械振动好等优前 o 4 膨胀珍珠岩保温冒口 膨胀珍珠岩是一种由酸性火山玻璃熔岩经破碎 预热 焙烧而制成的颗粒状轻质物料 4 1 1 5 烟道灰型保温冒口 4 2 用烟道灰 铝钒土 珍珠岩为主料 以钒土水 泥为粘结剂 该型冒口套主要是利用烟道灰中的微孔及膨胀珍珠岩来达到保温 目的 在保温冒口研究的基础上 国内是从2 0 世纪7 0 年代末开始研究发热保温 冒口 相对国外 文献和资料也相对较少 但是也相继出现了几种发热保温冒 口的配方 表1 3 是国内采用的几种发热保温冒口的配方 表1 3 国内采用发热保温冒口材料配方m t a b l e1 3m a t e r i a l so f d o m e s t i ch e a tr i s e r 材料 a ls i f e f e 2 0 3木炭焦炭锯末石英砂膨润土水玻璃 a642 03 25 4 撑1 052 2 b 4 62 85 0682 5 c62 45 01 4 1 5 1 8 d341 05 3 5l l2 52 0 备注 a 一上海八一铸钢厂 b 一克拉玛依石油 c 抚顺重机厂 d 一上海矿上机械厂 1 2 4 国内冒口套存在的问题分析 虽然国内现在也开始研究和开发一些发热保温冒口 但是应用程度并不是 很高 总结存在以下几点原因 1 冒口中发热剂的燃烧不完全 发热效果微小 在发热材料发热反应不完 全的条件下 一部分保温材料又被发热材料取代 保温作用也有所降低 最后 所达到的效果不如单一的发热或者保温冒口 万方数据 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 2 冒口中发热材料中无机氟化物在反应中产生的氟元素对金属液和型砂 有严重的污染 3 冒口的设计原则存在不安全因素 产生的气体不能及时排出 发生气扑 现象 对工作人员造成不必要的人身危险 4 冒口套中部分发热剂反应不完全 浪费材料 增加成本 1 3 课题主要的研究内容 1 在分析研究进口发热保温冒口套组成的基础上 初步确定国产化冒口的 基本组成 2 固定其他参数 研究单一参数对点火时间和二次点火后发热反应持续时 间的影响 并确定最佳的组分加入量 3 对自制发热保温冒口的性能进行测试 包括抗拉强度 吸潮性 自制与 进口冒口发热保温效果对比 4 对发热保温冒口的结构进行改进分析 万方数据 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 第2 章试验材料和方法 2 1 试验材料 铝粉 氧化铁粉 硝酸钾 氟铝酸钠 石墨粉 保温蛭石 水玻璃 石英 砂 其他辅料和镍铬 镍硅热电偶等 2 2 试验设备 y 5 0 0x 射线衍射 f e i 公司的场发射s i r i o n 扫描电镜 化学分析仪 c r y 1 型差热分析仪 7 5 k w 电阻炉 锤击式制样机 精度0 0 1 9 的电子天平 型砂万 能强度试验机 0 2 4 0 0 n 小型碾轮式混砂机 热电偶温度采集与处理系统 秒表等 2 3 试验设计及方法 2 3 1 进口发热保温冒口成分分析试验设计 1 利用x 射线衍射仪分析冒口的化合物和单质 定性确定冒f i 中的化合 物和单质组成 2 利用f e i 场发射s i r i o n 扫描电镜测定点成分 能谱分析和冒口微观的形 貌 通过试验来确定冒口中主要组成及元素的质量分数和摩尔分数 3 确定化合物和元素后 利用化学分析确定各元素的含量 与扫描电镜测 定的化合物 元素范围对比 初步确定自制发热保温冒口的组元和配比范围 2 3 2 自制发热保温冒口组元配比优化试验设计 2 3 2 1 测试试样制备首先 试验用所有原料经过破碎 筛选 粒度不大于2 0 0 目 将事先准备好的各组分材料按照一定顺序放入混料机混匀 按照工序制作 发热保温冒口测试试样 工艺流程图如图2 1 所示 万方数据 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 固一 图2 1 制作发热保温冒口测试试样的工艺流程图 f i g 2 1p r o c e s sf l o wd i a g r a mo f m a k i n gh e a ti n s u l a t i n gr i s e rs a m p l e 在混料过程中 首先用水将水玻璃稀释 因为所有材料的粒度细小 表面 积大 水玻璃不能完全有效的覆盖材料的表面 造成冒口的各点强度不同 为了使发热保温冒口达到最好的效果 实验的加料顺序为 首先保温蛭石 要与5 0 的稀释水玻璃进行混合 保温蛭石的表面覆盖水玻璃并且湿润 后加 入的其他混料就依附在保温蛭石上 最后再加入5 0 的稀释水玻璃 这样就可 以使发热材料和保温材料完全的粘结在一起 并且混合料充分的混匀 使冒口 具有较高的强度 试验中使用锤击式制样机来制作样品 样品尺寸 5 0 1 5 试验制得的测 试试样实物图如图2 2 所示 图2 2 制备的测试试样实物图 f i g 2 2t h ep i c t u r eo fp r e p a r e de x p e r i m e n t a ls a m p l e s 固囤田围曰 万方数据 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 2 3 2 2 冒口成分优化试验设计根据初步确定的自制发热保温冒口组元和配 比范围 在固定其它组元配比的条件下 改变其中一个组元的含量 分别制备 尺寸完全相同的测试试样 将试样置于6 8 0 的恒温电阻炉中 观察试样变化 并分别测定点火时间及二次点火后放热反应持续的时间 在这里 分别研究铝 粉含量 氧化铁粉含量 氧化剂含量 氟化物含量和石墨粉含量对点火时间及 二次点火后放热反应持续时间的影响 然后 根据试验结果最终确定组元的加 入量 2 3 2 2 冒口粘结剂选择和抗拉强度测试选定粘结剂后 改变粘结剂含量的多 少 分别制备标准的 8 字形试样 并测定其抗拉强度 每个粘结剂含量下测试 三次 取其平均值作为试样的抗拉强度 并确定最佳的粘结剂含量 2 3 3 自制发热保温冒口的性能检测试验设计 根据发热保温冒口的各性能指标对其进行测试 1 测试试样受潮性检测 发热保温冒口要想长期使用 一定会长时间裸露在空气中 如果以水玻璃 作为粘结剂 水玻璃具有吸水性 因此设计试验在最佳粘结剂含量下 制备吸 潮性测试试样和抗拉强度试样 并放置在湿度固定的环境中 每隔5 天测试试 样的增重和抗拉强度值 2 自制冒口与进口冒口使用效果对比试验 该试验包括两部分 1 对自制冒口和进口冒口粉末进行差热分析测量 对l l 者放热功的差 异 2 试制一个尺 r 与进口发热保温冒口相同的自制冒口套 在实验室条件 下 分别利用热电偶测量两个冒口内金属液的冷却曲线 进行对比试验 3 冒口套的结构优化设计 从分层方式 安放易割片 冒口尺寸计算 防止气扑等方面 优化冒口套 的结构 2 4 本章小结 本章主要介绍了课题研究所用的试验材料 实验设备和试验方法 设计了 万方数据 进口发热保温冒口成分分析试验 自制发热保温冒口组元配比优化试验和自制 发热保温冒口的性能检测试验 万方数据 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 第3 章自制发热保温冒口组元确定和配比优化 3 1 引言 发热保温冒口一般由发热材料 保温材料 粘结剂 耐火骨料 覆盖剂等 材料组成 发热材料是由发热剂 氧化剂 助熔剂 阻燃剂组成 不同的组元 或组元的含量不同 将会严重的影响冒口的发热保温性能 因此 本章首先在 简要分析现有进口冒口的基础上 初步确定自制冒口含有的组元和组元的大体 配比 然后 采用单因素试验法研究发热剂 氧化剂 助熔剂 阻燃剂对冒口 发热保温性能的影响 同时研究水玻璃粘结剂对冒口抗拉强度的影响 并确定 最佳的粘结剂含量 试验过程中 通过测定点火时间和二次点火后放热反应持续的时间两个指 标 并参照现有冒口的发热参数来确定组元的成分范围 点火时间为测试试样从放入电阻炉到升温变红的时间 其时间的长短代表 开始反应的延迟程度 二次点火后放热反应持续的时间是指测试试样变红后会 有一段猛烈的反应燃烧时间 记录这一时间 其长短表明试样发热效率的高低 这两个时间都用秒表来测量 3 2 进口发热保温冒口的成分分析 3 2 1 进口发热保温冒口x r d 分析 利用x r d 衍射仪做x 射线衍射分析 通过s e a r c h m a t c h 软件 将获得的衍 射峰图与软件中的元素 化合物比对卡片进行比对和分析 如图3 1 所示 根据图3 1 初步确定进口发热保温冒口的主要成分含有 硝酸钾 铝和三 氧化二铁 其中三个峰分别为硝酸钾 铝和三氧化二铁的衍射峰 相对其他衍 射峰对应的元素 这是本次试验需要的最主要的三种原材料 但是x r d 衍射分 析只能做到定性分析 不能做到定量分析 为了确定冒口中元素的含量 需要 进行扫描分析和化学分析 万方数据 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 藿 量 重 豸 胃 图3 1x r d 衍射峰图 f i g 3 1x r d d i f f r a c t i o np e a k s 3 2 2 进口发热保温冒口s e m 分析 用f e i 公司的场发射s i r i o n 扫描电镜 可以观察固体样品的微观形貌 结 构 样品的微区元素成分及线分布 面分布 本实验通过观察冒口套的微观形 貌和能谱分析进一步确定进口发热保温冒口的成分 本实验选取四个不同的区域做环境扫描 图3 2 为进口发热保温冒口的微 观外貌形态 从图3 2 中可以看出有许多微小的球状物质 根据此大致判断为 夹杂在骨料中的保温物质空心微珠 除了空心微珠还有一些有棱角的物质存在 所以判断进i s l 发热保温冒口中可能存在不止空心微珠一种的多种保温材料 a a 区域微观外貌b b 区域微观外貌 万方数据 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 c c 区域微观外貌d d 区域微观外貌 图3 2 进口发热保温冒口套的微观外貌 f i g 3 2i m p o r t e dh e a t i n gr i s e rp o w d e ra p p e a r a n c e 图3 3 分别为a b c d 区域对应的e d a x 能谱曲线图 相应的元素质量 百分比 州 和原子百分比 a t 见表3 一l 从a b c d 区域元素含量来看 各元素在冒口中各部分的含量有很大的 差别 碳元素在d 区域的含量明显多于其他点 由此判断碳元素可能在冒口中 一部分以单质的形式存在 氟元素的分布不均匀 各区域都不尽相同 这是因 为氟元素会对铸型和金属液造成污染 所以越是靠近铸型的位置含量也相应的 会降低 镁元素的含量极少 可能以镁的单质形式存在冒口中 其中硅 铁元 素的含量正好满足硅铁粉的百分含量 氯和钠的含量相差不多 可能是以氯化 钠的形式存在 辅助氟元素作为新型助剂 铝元素的含量分布比较均匀 k 元素 基本上是以钾盐的形式存在 钾盐在冒口中主要以氧化剂的形式存在 根据这些区域的平均值计算 就可以计算各个元素的含量范围 铝 钾 铁的百分含量为3 0 4 巧 5 1 0 只是大概确定他们以单质或者化合 物的形式存在 但是仍不能准确确定各元素的含量 通过使用场发射s i r i o n 扫描电镜对进口发热保温冒口的观察分析 确定各 元素在冒口中含量范围 及各元素以单质或者化合物的形式存在于发热保温冒 口中 与x r d 衍射分析的结果进行比对可以确定化合物和单质的存在性 万方数据 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 a a 区域能谱图 c c 区域能谱图 b b 区域能谱图 d d 区域能谱图 图3 3 四个区域e d a x 能谱曲线图 f i g 3 3e d a xs p e c t r u mg r a p ho ff o u rr e g i o n s 表3 l 各点和区域元素含量质量百分l e w t 和摩尔分数 a t t a b l e3 1t h ee l e m e n t so f v a r i o u sp o i n t sa n dt h er e g i o n a lm a s sp e r c e n t a g e w t a n da t o m i cp e r c e n t a g e a t 元素质量分数和摩尔分数 a 区域 b 区域c 区域d 区域 w t 3 1 3 6 2 9 2 73 7 5 95 4 0 8 c a t 4 4 7 l4 3 0 l5 4 3 07 1 3 6 万方数据 续表 3 1 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 w t 3 2 1 63 0 0 l 2 3 7 71 3 5 5 o a t 3 4 4 23 3 1 0 2 5 7 8 1 3 4 3 w t 0 3 9 70 4 8 80 2 4 80 1 3 2 f a t 0 3 5 80 4 5 30 2 2 70 1 1 0 w t 0 0 5 70 0 3 60 0 1 60 0 2 2 n a a t 0 0 4 20 0 2 80 0 1 20 0 1 5 w t 0 0 9 20 1 1 2 o o 1 3 0 0 2 0 m g a t 0 0 6 50 0 8 l0 0 0 90 0 1 3 w