摘要：着重探讨了铸钢冒口覆盖剂的作用机理，提出了冒口覆盖剂的设计原理，推荐了其基本原材料和工艺配方。
关键词：铸钢件；冒口保温；覆盖剂

Research and Application on Thermal Insulation Mechanism of Covering Flux for Steel Casting Risers

Abstract：The working mechanism of thermal insulation covering flux for steel casting risers is investigated,the design principle of the covering flux is provided,main raw materials of the covering flux and technological ingredient used in the product are recommended in this paper.
Key Words：Steel casting; Thermal insulation of steel casting risers;Covering flux

　　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，常用而且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=σ_bAT⁴(1)

式中　A——冒口钢液暴露表面积；
　　　T——钢液表面温度；
　　　σ_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比例也越大。例如：Ø100 mm×100 mm明冒口辐射热损失相当于总热损失的42%；Ø200 mm×200 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=αA(T_w-T_f)　(2)

式中　Q_流——冒口对流散热量；
　　　A——冒口钢液表面面积；
　　　α——对流换热系数；
　　　T_w——钢液表面温度；
　　　T_f——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

　　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)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
　　覆盖剂中的发热材料能够在冒口凝固期间均匀缓慢地氧化发热，以弥补冒口热能的损失。
　　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
　　发热材料主要有铝粉、硅铁粉、烟道灰、木炭、稻壳等。铝粉和硅铁粉发热剧烈、速度快、作用时间短，且成本高，不宜选用。其余材料发热均匀、缓慢、成本低，适合做发热材料。
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　　%

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 mm×500 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，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　铸件名称：推力头；材质ZG20SiMn；属厚壁环形件，热节圆直径：D=430 mm；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 mm×840 mm×800 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。