发热保温冒口在铸件补缩工艺上的应用.pdf

收稿日期 2008205201 修订日期 2008206220 作者简介 魏 兵 19402 河北平泉人 教授 研究方向 铸造工艺及 铸件质量控制 Email zzjs 263 Vol 29 No 7 Jul 2008 铸造技术 FOUNDRY TECHNOLOGY 发热保温冒口在铸件补缩工艺上的应用 魏 兵1 唐一林2 祝建勋2 朱能山2 张科峰2 龙礼贤3 1 西安理工大学 陕西 西安710048 2 圣泉集团股份有限公司 山东 济南250204 3 铸造技术杂志社 陕西 西安710048 中图分类号 TG244 4 文献标识码 A 文章编号 100028365 2008 0720971204 Application of Exothermic and Ins ulating Ris er on the Casting Feeding Technology WEI Bing1 TANGYi2lin2 ZHU Jian2xun2 ZHU Neng2shan2 ZHANG Ke2feng2 LONGLi2xian3 1 Xi an University of Technology Xi an 710048 China 2 Jinan Shengquan Group Co Ltd Jinan 250204 China 3 Foundry Technology Jounal Agency Xi an 710048 China 强化冒口补缩是防止铸件产生收缩类缺陷的重要 工艺措施 统计表明 铸件凝固后 普通冒口的缩孔体 积仅占冒口体积的10 14 真正用于补缩铸件的只 占6 10 1 保温冒口可将冒口的补缩效率提高至 20 25 1 2 集保温与发热于一体 构成发热保温 冒口 可将冒口的补缩效率提高至45 1 铸钢件的金 属补贴工艺也广泛采用保温补贴和发热保温补贴 并且 随着保温 发热材料的开发 保温补贴和发热保温补贴 逐步取代了金属补贴 这样不仅提高铸件的工艺出品 率和成品率 而且省去了切割金属补贴工序 降低能耗 避免因切割补贴可能产生的裂纹 以及凹凸不平的切痕 对后序加工的影响 本文介绍保温冒口 发热保温冒口 及铸钢件的保温补贴和发热保温补贴的应用情况 1 保温冒口 我国从20世纪70年代开始研究保温冒口 2 目 前已有空心微珠 3 空心微珠2膨胀珍珠岩 4 以及由 无机耐火纤维 有机耐火纤维 耐火骨料组成的复合 型 5 等多种类型保温冒口在生产中应用 1 1 保温冒口的应用实例 1 在消失模铸钢件海轮艉套上的应用 海轮艉套 材质ZG4002450 主要壁厚120 mm 铸 件重1 700 kg 要求致密性好 试制采用消失模铸造 负压0 04 MPa 立注工艺 铸件顶端设280 mm 420 mm 360 mm的Y型保温冒口1只 直浇道为内 径 60 mm耐火材料浇注管 上下内浇道截面积均为 40 mm 30 mm 其中上内浇道向上倾30 如图 1 浇注后保压10 min 6 h后打箱 浇冒口切割后 冒口 根部未发现缩孔 铸件经加工后未发现任何缺陷 工艺 出品率85 6 6 图1 艉套消失模铸造工艺图 2 在大型球铁件450 m2烧结台车体上的应用 450 m2烧结机台车体 材质QT50027 重4 480 kg 轮廓尺寸5 018 mm 1 486 mm 465 mm 原工艺采用 普通顶冒口补缩 由于冒口顶部首先凝固结壳 造成上 冷下热的不合理温度分布 使冒口内的物理热节点下降 到冒口根部 增大了铸件的实际热节 7 由于冒口先于 铸件凝固 使最后凝固的热节部位得不到很好地补缩 并且气体迁移其中 使铸件生产缩松 缩孔 气孔缺陷 用微珠保温材料制作保温冒口 代替原普通冒口 消除 了铸件在冒口根部的上述缺陷 工艺出品提高8 8 3 在铸钢轧辊上的应用 用空心微珠保温冒口套代替普通冒口生产铸钢轧 辊 如图2 9 冒口直径减小20 mm 高度减小20 工 179 FOUNDRY TECHNOLOGY Vol 29 No 7 Jul 2008 艺出品率提高10 12下辊颈 22辊身 32上辊颈 42冒口 52浇注系统 6 8 92砂 箱 72中圈 102微珠保温套 112耐火砖 图2 保温冒口生产钢轧辊工艺图 4 在150升高锰钢挖金斗铸件上的应用 材质为ZGMn13 重670 kg 采用膨胀珍珠岩2空心 微珠复合型保温冒口 在前轴孔部设置2只尺寸为 180 mm 160 mm 300 mm保温冒口 在斗唇部设2只 尺寸为150 mm 90 mm 300 mm保温冒口 如图3 保 温冒口尺寸是普通冒口三维空间尺寸的80 体积是普 通冒口的1 2 工艺出品率由原来的61 6 提高到 75 补缩效率由原来的12 提高到20 25 4 图3 高锰钢挖金斗保温冒 1 2 保温冒口使用中的注意事项 文献 10 报导 在铸造生产R48T船用柴油机轴 承座时 采用直浇道 横浇道 内浇道组合的浇注系统 内浇道上部放置1只直径300 mm的保温冒口 如图4 所示 由于金属液进入型腔时的高温气流使保温冒口 物质分解剥落 回落到金属液中 随液流流至铸件本体 的某些部位而形成夹杂 甚至气孔 其模拟状态如图 5 经试验验证了模拟状态的真实性 因此 在铸造工 艺设计时应尽可能避免浇注系统的液流直接冲击保温 冒口 对保温暗冒口加强排气措施 减轻液态气流 热 辐射对保温冒口的侵蚀 对浇注速度较慢 所需浇注时 间较长的铸件 也可以采用保温冒口或保温冒口刷涂 料的工艺措施 图4 铸件浇注系统图 图5 底注浇道对保温冒口形成的热冲击状态模拟 2 冒口的保温覆盖剂及发热覆盖剂 保温冒口套用来减少冒口侧面的散热速度 冒口覆 盖剂用来减少冒口顶面的散热速度 研究表明 在普通 冒口上覆盖保温剂 可使冒口凝固时间延长1倍 在保 温冒口上覆盖保温剂可使凝固时间延长4倍 11 冒口 覆盖的主要功能是减小顶面辐射和对流的热量散失 研 究并经生产实践证明 冒口在凝固期间 总热量的55 是由冒口顶面辐射损失的 12 显然 保温冒口覆盖材 料中再加入发热材料 即构成保温冒口的发热覆盖 2 1 发热覆盖剂的应用 1 在大型铸钢件船舶挂舵臂上的应用 大型船舶挂舵臂重50 157 t 铸件壁厚变化大 几乎所有面都为曲面 形状为流线型 每个断面尺寸均 不相同 在铸造生产中容易产生缩松 使用覆盖剂生 产4件重在80 t以上的挂舵臂铸钢件 表面光滑 经 超声波探伤和磁粉探伤全部合格 达到了技术要求 减 小了冒口尺寸 工艺出品率提高3 12 2 在合金钢大齿轮铸件上的应用 材质为ZG42SiMn的大齿轮 轮缘厚度19 mm 铸件重1 100 kg 设置4只 420 mm 500 mm明冒 口 用冒口发热覆盖剂 加入量占冒口钢液重的1 2 冒口补缩效率为30 工艺出品率75 钢液浇注后 每隔5 min用 6 mm铁条插入冒口 中 直到粘不到钢液为止 测得的凝固时间为165 min 解剖冒口 冒口缩孔形状如图6所示 11 3 发热保温冒口 3 1 发热保温冒口的先进性 发热保温冒口依靠发热材料的燃烧提高冒口金属 液的温度 并使化学反应的持续时间尽可能贯穿于整 个凝固过程 依靠保温材料的保温性能 使冒口中的热 279 铸造技术 07 2008 魏 兵等 发热保温冒口在铸件补缩工艺上的应用 图6 冒口缩孔形状 量不易散出 从而达到延长冒口凝固时间 提高补缩效 率的目的 发热保温冒口 其发热材料在保温套内 不与铸型 接触 这使发热反应放出的热量 可以在保温的状态下 向金属液传导 外泄相对减少 这进一步体现了发热保 温冒口的技术先进性 3 2 发热保温冒口的应用 1 在铁路货车转向架铸件上的应用 在铸造生产铁路货车转向架上的关键铸钢件摇枕 和侧架时 原采用自制的漂珠保温冒口 浇注试验中发 现如下问题 摇枕两端冒口根部有直径约300 mm 高 约20 mm的缩孔 对清理后的摇枕进行探伤 发现靠 近冒口部位有裂纹 侧架冒口根部也有不同程度的缩 孔 改进保温冒口 增大其模数 但补缩效果没有多大 改善 在随后的产品试制中改用发热保温冒口 完全消 除了上述缺陷 与自制的普通保温冒口相比补缩效率 提高15 20 工艺出品率提高0 5 1 0 12 2 在ZG1Cr13高压阀体上的应用 采油 采气井口装置用高压阀体 材质为ZG1Cr13 技术要求不得有裂纹 缩孔和夹杂等缺陷 经70 MPa 水压试验 不允许有渗漏现象 非加工表面要进行荧光 粉探伤 不允许有裂纹 加工面需进行湿磁粉探伤 不 允许有夹杂 气孔 裂纹 型芯为呋喃树脂砂 原工艺 在边法兰及阀座上部均设保温冒口 阀座部位常产生 气缩孔使铸件报废 将发热冒口用于该阀体 型芯仍采用呋喃树脂砂 在中法兰及边法兰顶部设置发热暗冒口 阀座底部采 用冷铁激冷 尾部也用冷铁激冷 如图7 成功的生产 了ZG1Cr13高压阀体 铸件经解剖和着色检查 组织 致密 达到技术要求 工艺出品率达78 80 正品 率达96 以上 14 4 铸钢件的保温补贴及发热保温补贴 4 1 铸钢件的保温补贴 研究和生产实践证明 利用研制的保温补贴材料 补贴处可达到砂型铸造表面质量 铸件致密 保温补贴 可以取代金属液补贴用于大型和高压铸钢件 例如重1 980 kg 材质ZG45梳形板 重53 t 材质ZG25Mn下横 梁 重480 kg 材质ZG40Mn2大齿轮 重168 kg 材质 ZG35CrMnSi矿车轮等 均取得了显著技术经济效果 13 图7 阀体冒口冷铁设置图 决定补贴块的b2 b1 h和a 工艺示意图如图8 图9 文献 16 在作了必要的假设后 利用傅立叶导热 微分方程 对保温效果好 补贴强度高 补贴效果稳定 的硅酸铝质纤维型保温补贴块得出 图8 板状铸件补贴工艺 图9 T形铸件补贴工艺 a 对于圆筒形或板状铸件 h H 2 3 T b1 1 9 T T2 50 b2 25 mm 379 FOUNDRY TECHNOLOGY Vol 29 No 7 Jul 2008 b 对于T型铸件 H1 7 10 D 15 h H1 D 3 b1 1 9T T2 50 b2 D T c 校核验证补贴设计 b1 b2 h 100 10 3T 40 4 2 铸钢件的发热保温补贴 20世纪80年代 我国引进了发热补贴的铸造材 料技术 17 国内的研究和生产应用表明 18 用微珠作 保温材料 高铝钒土熟料作耐火骨料 用含Al 97 的铝银浆作发热材料 用含Fe2O3 95 工业纯氧化 铁及硝酸钠 NaNO3 作氧化剂 水玻璃及改性聚乙烯 醇 PVA 作粘结剂 配制的保温材料 B 低发热保温 材料 DFB 和高发热保温材料 GFB 做成的补贴块进 行对比试验 并现场浇注具有圆筒和T形结构的 ZG45齿轮铸件得出 B DFB GFB三种补贴块 其湿 压强度 干压强度 密度 耐火度和点火温度均能满足 铸钢件保温或发热保温补贴的要求 从综合效果看 DFB效果较佳 5 结语 1 保温及发热保温冒口是铸造工艺设计人员在 工艺设计中要用到的工艺措施之一 本文列举了其在 几种铸件中的成功运用 以提高铸造企业产品品质及 节能减排工作的深入开展 2 从提高我国铸造工艺水平和节能 降耗角度 出发 建议铸造企业 铸造材料企业和院校 科研单位 密切合作 加大这方面应用研究 3 加快研究制定保温及发热保温冒口套 补贴 块的质量标准 及标准的质量检测方法 参考文献 1 何 源 马敏团 新型发热保温冒口的研制 J 机械工 人 热加工 2000 12 9210 2 萧泽新 表干型保温冒口的研究及应用 J 铸造 1998 6 46 3 张怀伟 保温冒口在铝合金金属型铸造上的应用 J 特 种铸造及有色合金 2003 3 54 4 于永智 复合型保温冒口在高锰钢挖金斗上的应用 J 铸造 1994 9 31233 5 李淑英 敦聚山 纤维复合型保温冒口套在铸钢生产中的 应用 J 铸造 1990 4 28232 6 李京隆 保温冒口在消失模铸钢件海轮艉套上的应用 J 铸造技术 2007 2 2872288 7 魏 兵 袁 森 张卫华 铸件均衡凝固技术及应用 M 北京 机械工业出版社 1998 8 阮灼光 保温冒口在大型球铁件生产中的应用 J 铸造 1994 4 21223 9 关润浩 空心微珠保温冒口在轧辊上的应用 J 铸造 1987 7 33236 10 宋嘉国 吴化伟 谨防保温冒口在铸造设计使用中的负 面效果 J 机械工人 热加工 1999 3 10 11 李德铭 黄 晋 铸钢冒口覆盖剂保温原理探讨及应用 J 铸造技术 1999 4 17219 12 张慧敏 谢敬佩 王爱琴 等 持舵臂铸钢件冒口覆盖剂 保温机理研究 J 铸造技术 2006 6 5982600 13 樊安国 徐家颖 Kalminex xp发热保温冒口在铁路货车 转向架铸钢件上的应用 J 铸造 2005 6 6172619 14 孙先龙 发热冒口在ZG1Cr13高压阀门铸件上的应用 J 机械工人 热加工 2007 2 64 66 15 李格利 韩玉成 张心春 等 保温补贴在铸钢件上的应 用 J 铸造 1993 3 38240 16 李元熔 铸钢件保温补贴工艺 J 铸造 1996 2 172 20 17 张心春 发热补贴应用技术介绍 J 铸造 1987 11 30233 18 赵占西 贾天敏 石亚文 铸钢用发热保温补贴的研究 J 铸造 2000 2 1022105 收录 铸造技术 的19 家数据库 网站 中文核心期刊数据库 中国学术期刊 光盘版 中国科学引文数据库 中国学术期刊综合评