空心微珠保溫冒口在鑄鋼超大齒輪上的研究與應用

張志

1.概述

在鑄造工藝設計中，設計冒口是一個非常重要組成部分，通常使用的普通冒口與鑄型都是同一種造型材料，這種冒口在補縮過程中主要由以下三個部分組成。

第一，用于補充鑄件收縮的處于液態部分。

第二，為了保持一定的壓頭和防止縮孔或臟物進入鑄件而留的余量部分。

第三，冒口內尚處于液態和已凝固的金屬隨時間的變化部分。

其中，第二、第三部分占的比例最大，但這部分金屬對于補縮鑄件不直接發生作用。可是，為了有足夠的鋼液補縮給鑄件，就得相應地增大冒口的體積或數量，但同時也相應地增加了對鑄件不直接發生作用的那部分鋼液的用量。這樣，對澆注大件就提出了新的課題。為了能夠解決這個課題，我們選用了保溫冒口和加覆蓋劑的方法。保溫冒口是用保溫材料制成的冒口套來代替冒口周圍的型砂，其作用是可以在一定程度上縮小冒口的體積，延緩冒口的凝固時間，使不直接發生補縮作用的金屬消耗減少到最低限度，相應地提高鑄鋼件的工藝出品率，并且降低生產同等重量鑄件的鋼液用量。

為此，研究試制保溫冒口并且應用于大型鑄鋼件上，以此來彌補鋼液不足的缺陷。

2.對保溫冒口材料的要求及選擇

（1）材料的要求 研制保溫冒口的關鍵是選擇合適的保溫材料。保溫材料首先要有好的保溫性能，其次有良好的耐火性，同時還要價格低廉，來源廣泛，無環境污染等。

（2）選擇保溫材料 保溫材料的種類很多，但是不同材料的性能不同。經過對珍珠巖、爐灰、空心微珠等保溫材料進行綜合性能的比較，最終選用空心微珠保溫材料，其既能滿足上述要求，又能符合鋼件鑄造時金屬液溫度高達1600℃以上的特點，同時也符合實際生產的具體情況。

空心微珠是從火力發電廠的煤灰中經篩選而得到的，是一種微小的薄壁中空珠體，具有耐高溫、熱穩定性好、熱導率及密度小等一系列特點。其主要化學成分見表1。

其熱物理性能為：密度ρ＝250～350kg/m3，熱導率λ＝0.08～0.09W/m·K，比熱C＝0.76～0.78kJ/K。

3.試制保溫冒口的工藝

因空心微珠具有親水性差的特性，使得空心微珠相互間的附著力小，這就需要制作保溫冒口時加入一定數量的輔助材料與之相配比，即干、濕粘結劑如水玻璃、耐火粘土，以及增加其強度的石英砂，以確定其保溫冒口配比成分、強度。對冒口的強度要求，以適合搬運，體積輕便，在放入型砂中緊實后不會因擠壓變形、開裂即可。這樣保證加入足夠空心微珠的情況下，通過了試驗確定如下試制工藝。

（1）保溫冒口材料配比 見表2。

（2）混料工藝 由于空心微珠是薄壁中空珠體，所以不能碾壓，故采用攪拌器混制。加料順序為：空心微珠＋水攪拌2min＋1/2水玻璃攪拌2min＋耐火粘土、硅砂攪拌4min（耐火粘土、硅砂在地面混制好）＋1/2水玻璃攪拌2min后出料。

上述加料順序的優點是：微珠加入適量的水，可以使微珠表面濕潤，有利于與水玻璃的結合。加入水玻璃總量的1/2，可以附著微珠的表面，以便將隨后加入的耐火粘土和硅砂均勻地包裹在空心微珠的表面。形成堅固的耐火骨架。最后加入余下的1/2水玻璃，使包裹了耐火粘土和硅砂的空心微珠粘結在一起，這樣保溫冒口成形后有較高的強度。

（3）烘干工藝 保溫冒口的干燥有幾種方法，但是通過試驗選用的是低溫烘干。溫度控制在200℃左右，烘干1.5～2h。溫度高，冒口易開裂；溫度低，冒口干燥不徹底，影響保溫效果。

根據以上工藝，研制出保溫冒口，在幾種鑄鋼大件（5t以上）上應用，均取得了良好的效果，工藝出品率均提高10%以上。由于在以往生產中沒有經驗，在冒口大小及數量上比較保守，在實際應用中，都略大于理論值。

4.保溫冒口在超大齒輪上的應用

超大齒輪鑄件毛重為7t，鋼液重為12.5t，材質為ZG35CrMnSi，采用保溫冒口進行試驗應用。

齒輪的零件結構如圖1所示。

其中重點結構做局部放大，如圖2所示。

（1）普通冒口的確定 根據齒輪鑄件結構，試驗選定腰圓形明冒口。

熱節圓直徑T：根據公式

T＝a+（b/2＋R）/（a＋2R）

T＝171.5＋（70/2＋15）/（171.5＋2×15）＝188（mm）

冒口尺寸計算如下。

表1 空心微珠的化學成分（質量分數） （﹪）

表2 相對空心微珠的配比 （%）

圓整到H＝550mm

冒口數量：

取冒口數量N＝6（個）

冒口重量：

W=0.8×407.5×597.5×550×7.8×6=5（t）kg

工藝出品率：根據公式

A＝毛重/鋼液重×100﹪＝7÷12.5×100%＝56%

符合齒輪的工藝出品率53%～56%企業管理要求。

（2）保溫冒口的確定 計算如下。

保溫冒口的幾何模數：根據公式

M冒＝1.2M鑄件/b鑄件/b冒型

式中

H＝鑄件高度（mm）；

b鑄件——鑄型的蓄熱系數，對水玻璃砂型為

b冒型——冒口的蓄熱系數，對空心微珠型為（1000～1250）

保溫冒口尺寸確定如下。

冒口寬度：B1=290mm

冒口長度：L1=435mm

冒口高度：H1=550mm

冒口套的厚度：δ=35mm

冒口重量：

W1=398×6=2388kgkg

工藝出品率：

（3）冒口比較 見表3。

從上述超大齒輪鑄鋼件的生產試驗中可以看到，應用保溫冒口的冒口體積為普通冒口體積的58%，并且工藝出品率提高14%。經校核，保溫冒口加覆蓋劑，完全符合齒輪外圓的補縮量要求。

5.結語

保溫冒口在鑄鋼件中的應用，不僅可以有效地保證鑄件質量，而且可以大量降低鋼液的用量，進而可使冒口體積縮小50%左右，工藝出品率可提高10%以上，提高了鋼液的利用率，降低了成本，增加了效益。

圖1 齒輪的零件結構

圖2

表3 冒口比較