发热保温冒口在大型矿山机械球铁铸件上的应用

2013-11-20陈洪涛徐国强张守全林艳茹安少妮

铸造设备与工艺 2013年4期

陈洪涛，徐国强，张守全，林艳茹，安少妮

（宁夏共享装备有限公司，宁夏银川 750021）

近年来，铸造原辅材料市场上出现了很多生产发热保温冒口的公司，如福士科铸造材料（中国）有限公司、中福铸造材料有限公司、济南圣泉公司等，都能够提供成品发热保温冒口。根据厂家提供的资料，发热保温冒口是一种高效率补缩冒口，补缩效率可达33%～40%，铁水在冒口内保持液态的时间长，具有可补缩时间长，冒口颈断面好等特点。

国内已经有很多铸造公司在研究发热冒口的应用，如，李金锋[1]等人成功将发热保温冒口用于汽车铸件上；李中魁[2]等人研究过发热保温冒口在铸钢件上的应用，但是还没有将发热保温冒口用于30 t以上矿山机械球墨铸铁件上的研究和应用。

1 发热保温冒口的工作原理

发热保温冒口的工作原理是通过发热材料在高温铁水的作用下，放出大量的热，用于减少铁水的热量损失，同时冒口套本身起到保温作用，使得铁水保持较长时间的液体状态，从而达到长时间补缩的效果。目前，常用的发热剂是铝粉，通过铝热反应达到获得大量热能的目的，而氧化剂的选择比较广泛，如 Fe2O3，Fe3O4，MnO2等，也包括补缩某些低熔点的金属凝固过程中所需要的强氧化剂，如KNO3，KMNO4等[3]。

发热保温冒口的发热原理一般可用两个化学方程式来描述：

根据李俊儒、张明[4]等对30%左右高铝热剂发热保温冒口进行的研究表明：发热保温冒口本身产生的热量不足以将冒口内的金属液体加热并使之温度升高，之所以能够提高补缩效果，是因为冒口内的发热剂放出的热量将冒口加热，减少了冒口与金属液的温度差，从而减少了金属液的能量损失，延长了金属的凝固时间从而达到提高冒口补缩的效果。

通过前面的论述可知，发热保温冒口内的液态铁水能够获得更长的凝固时间，关于这一点，一汽刘文辉[5]曾经专门研究过这个问题（图1，图2）.

图1 发热保温冒口铁水冷却曲线

图2 砂（保温）冒口铁水冷却曲线

图1 、图2曲线通过测试砂（保温）冒口和发热保温冒口中液态铁水的凝固曲线证实了发热保温冒口中液态铁水具有比保温冒口中的铁水更长的凝固时间，该曲线也进一步论证了前面提及的发热保温冒口中的发热剂发出的热量不足以使得液态铁水温度升高的观点。

2 实施过程

2.1 冒口选择

研究对象：矿山机械类铸件，耳轴出料端，铸件重量：37400 kg，最大壁厚 249 mm，最小壁厚 103 mm，材料：G G G 50，轮廓尺寸 5906mm×1607mm，经过计算，铸件采用4个 510mm×900 mm的发热冒口，并经计算机模拟结果如图3和图4所示。

通过计算机模拟结果图3显示：发热冒口的补缩效果明显，铸件上没有出现缩松，而通过图4对于冒口的剖面图，显示冒口的顶面出现明显孔洞，孔洞下面有明显的缩松，缩松深度约是整个冒口高度的4/5，由此可以判定发热冒口起到了明显的补缩作用。最终按此工艺进行生产，如图5所示，铸件经过检测，符合客户规范，且和模拟结果吻合。

2.2 实体金相对比

图3 铸件3D工艺图

图4 模拟冒口解剖图

对耳轴出料端的冒口进行解剖，如图6所示，并按照图中所标识的各点检测实体金相，选择具有代表性的金相如图7所示；为了对比冒口中的铁水凝固时间与铸件中铁水凝固时间的关系，同时对冒口下方铸件顶面加工面的位置做实体金相，选取有代表性的金相如图8所示。

由图6观察到，发热冒口顶部有凹陷，冒口剖面上有目视缩松出现，这表明发热冒口进行了有效补缩。同时，通过对比冒口剖面金相图7和铸件实体金相图8可以得到：由图7观察到视场中只有数量很少的石墨，数量约在20多个，呈现团絮状，石墨尺寸大，分布不均匀；而图8视场中的石墨球则很圆整、石墨球的数量非常多，达到90多个，根据GB9441-88评估，图7的石墨可以评为3级，图8的石墨可以评为2级，由此可知：相比铸件实体，发热冒口内的铁水保持了更长的液态时间，冒口内的铁水发生了严重球化衰退。