1、铸钢冒口的设计须遵守 2 个基本原则：一是冒口中钢液凝固时间比铸件凝固时间长；二是冒口应有足够钢液补给铸件。而这 2 个原则都是与冒口钢液热能散失速度密切相关。因此，如何加强冒口钢液保温，尽可能地降低散热速度，使钢液维持时间延长，是铸造工作者追求的目标。 为了减缓冒口的散热速度，最常用而且最有效的手段是采用冒口覆盖剂和保温冒口套。保温冒口套是用来减小冒口侧面散热速度；冒口覆盖剂则是用来减小冒口顶面散热速度。后者比前者更重要(本文中有详细论述)。因此，弄清冒口覆盖剂的作用机理有着现实的经济意义。 1 冒口顶面散热方式 一般来说，冒口中钢液的热能散失主要以 3 种方式进行，即：热传导、热对流和热辐
2、射。热传导主要发生在冒口侧面，由钢液向砂型内传热；热对流和热辐射则发生在冒口顶面，以高温钢液辐射传热和表面钢液与空气产生对流传热方式进行。本文中仅讨论冒口顶面的散热方式。 1.1 冒口辐射传热 单位的时间内冒口所反射的辐射能 Q 辐可用如下公式表示： Q 辐=bAT4 (1) 式中 A冒口钢液暴露表面积； T钢液表面温度； b斯蒂芬波尔茨曼常数。 从(1)式可知，冒口顶面钢液辐射热能损失与钢液温度的四次方成正比，其热能散失速度非常快。同时钢液暴露的面积越大，辐射热能损失也越大。试验也证明，由于钢液表面温度高，辐射热能总的损失占整个冒口在凝固时间内的比例很大，冒口越大，辐射热能损失占总热能损失的
3、比例也越大。例如：100 mm100 mm 明冒口辐射热损失相当于总热损失的 42%；200 mm200 mm明冒口辐射热损失占总热损失的 55%1 。 1.2 冒口对流传热 冒口对流传热可用下式表示： Q 流=A(Tw-Tf) (2) 式中 Q 流冒口对流散热量； A冒口钢液表面面积； 对流换热系数； Tw 钢液表面温度； Tf 空气温度。 由(2)式可知，冒口对流传热的驱动力是钢液与空气的温度差。显然，这种差值是巨大的。被钢液加热了的空气不断上升，冷空气又不断补充，形成空气对流。钢液中大量热能就这样被对流的空气带走。另外，钢液暴露的面积越大，对流散热量也越大。 2 冒口覆盖剂保温作用机理
4、试验表明，在普通冒口上覆盖保温剂，可使冒口凝固时间延长 1 倍多。在保温冒口上覆盖保温剂，则可使凝固时间延长 4 倍多。由此可见，为了获得优良的冒口补缩状态，不但要考虑冒口侧面的保温，而且，更应重视冒口顶面的覆盖保温。冒口覆盖剂的主要功能是减小 或“杜绝”冒口顶面辐射和对流的热能散失，其作用机理表现在如下 2 个方面： 2.1 保温 覆盖剂中的保温材料能使冒口顶面近似于绝热，可以大大地减小辐射和对流传热，降低钢液散热速度，延长凝固时间。 2.2 补偿 覆盖剂中的发热材料所产生的热能能够补偿冒口钢液的热能损失，维持钢液温度不下降。 为了实现上述目的，理想的冒口覆盖剂应具备 3 个条件： (1)
5、良好的覆盖性 覆盖剂的加入冒口后，能在钢液表面迅速地铺展开来，形成均匀的覆盖层。在与钢液表面接触处形成 1 层导热性极差、适当粘度和低熔点渣液，并能随钢液面下降而下降，不结成硬渣壳。 (2)强的保温绝热性 在渣液液面上，形成厚厚的固态多孔、轻质、粒状保温绝热层，既杜绝辐射热损失，又阻止对流热损失。 (3)缓慢发热性 覆盖剂中的 http:/ 满足以上 3 个条件，冒口中钢液的凝固是从侧面开始，逐渐向中心推进。在推进过程中，冒口顶面处的金属始终处于液态，直到凝固层推至中心为止。 3 冒口覆盖剂材料选择 冒口覆盖剂主要由 3 大部分组成：保温材料、发热材料、渣液形成材料。 3.1 保温材料 保温材
6、料主要有膨胀珍珠岩、漂珠、蛭石、低碳石墨、稻壳等。 3.2 发热材料 发热材料主要有 http:/ 3.3 渣液形成材料 渣液形成材料主要是中、低碳石墨。这类石墨除含碳外，还含有大量的SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3 等。外加少量萤石和苏打调整渣液的粘度和熔点。 4 冒口覆盖剂的配方及应用 4.1 覆盖剂配方 本文推荐为冒口覆盖剂配方，见表 1。 表 1 冒口覆盖剂配方 Tab.1 Ingredient of riser covering flux % 各种材料的主要特点： (1)稻壳： 发热时间长，氧化燃烧后仍能保持完整的颗粒形状、不渣化、呈蓬松状，具有良好的保温性能； (2)漂珠：
7、 电厂灰中浮选出来的空心玻璃珠，珠径0.5 mm；密度 440 kg/m3，导热系数(1 000 )0.21W/(m2.K),耐火度 1 540 ，是优良的耐高温保温材料； (3)低碳石墨： 呈黑灰色鳞片状，熔点 1 250 ，具有形成渣液、发热、保温 3 种功能2 。 3 种主要材料化学成分，见表 2。 表 2 化学成分 Tab.2 Chemical composition of riser covering flux % 稻壳 漂珠 低碳石墨 CaF+Na2CO3 4060 2040 2040 510 名称 C SiO2 Al2O3 CaO Fe2O3 MgO 表观状态 稻壳 5560 2
8、530 颗粒状 漂珠 5060 3040 0.53 25 0.52 细小球状 低碳石墨 1920 4850 89 1014 5 粉末状 4.2 生产验证 例 1 铸件名称：大齿轮，材质：ZG42SiMn；轮缘厚度：190 mm；毛坯质量：11 000 kg；总质量 16 000 kg；工艺出品率： 75%；设置 4 个 420 mm500 mm 明冒口，覆盖剂加入量占冒口钢液质量的 1.2%；冒口补缩效率为30%。铸件浇注后，http:/ 每隔 5 min 用6 mm 铁条插入冒口中钢液 1 次，直到粘不到钢液为止。测得凝固时间为 165 min。冒口缩孔形状，见图 1(a)。 例 2 铸件名
9、称：推力头；材质 ZG20SiMn；属厚壁环形件，最大热节圆直径：D=430 mm；http:/ 毛坯质量：9 200 kg；总质量：12 500 kg；工艺出品率 75.4%。此铸件采用 2 个 B540 mm840 mm800 mm 陶粒保温冒口，冒口几何模数 11 cm，铸件模数 13 cm。覆盖剂加入量占冒口钢液质量的 14%；冒口补缩效率为 28%，冒口缩孔形状，见图 1(b)。 图 1 冒口缩孔形状 Fig.1 Shape of riser shrinkage. 生产验证表明，这种冒口覆盖剂完全可以使冒口顶面绝热，冒口顶面钢液不过早结壳，有效地延长了冒口中钢液的维持时间，直接地提高了冒口补缩效率和铸件工艺出品率，节约了钢液和电能，其经济效益十分显著。 作者：季德明
