發(fā)熱保溫冒口在大型礦山機(jī)械球鐵鑄件上的應(yīng)用

陳洪濤，徐國強(qiáng)，張守全，林艷茹，安少妮

（寧夏共享裝備有限公司，寧夏銀川 750021）

近年來，鑄造原輔材料市場上出現(xiàn)了很多生產(chǎn)發(fā)熱保溫冒口的公司，如福士科鑄造材料（中國）有限公司、中福鑄造材料有限公司、濟(jì)南圣泉公司等，都能夠提供成品發(fā)熱保溫冒口。根據(jù)廠家提供的資料，發(fā)熱保溫冒口是一種高效率補(bǔ)縮冒口，補(bǔ)縮效率可達(dá)33%～40%，鐵水在冒口內(nèi)保持液態(tài)的時(shí)間長，具有可補(bǔ)縮時(shí)間長，冒口頸斷面好等特點(diǎn)。

國內(nèi)已經(jīng)有很多鑄造公司在研究發(fā)熱冒口的應(yīng)用，如，李金鋒[1]等人成功將發(fā)熱保溫冒口用于汽車鑄件上；李中魁[2]等人研究過發(fā)熱保溫冒口在鑄鋼件上的應(yīng)用，但是還沒有將發(fā)熱保溫冒口用于30 t以上礦山機(jī)械球墨鑄鐵件上的研究和應(yīng)用。

1 發(fā)熱保溫冒口的工作原理

發(fā)熱保溫冒口的工作原理是通過發(fā)熱材料在高溫鐵水的作用下，放出大量的熱，用于減少鐵水的熱量損失，同時(shí)冒口套本身起到保溫作用，使得鐵水保持較長時(shí)間的液體狀態(tài)，從而達(dá)到長時(shí)間補(bǔ)縮的效果。目前，常用的發(fā)熱劑是鋁粉，通過鋁熱反應(yīng)達(dá)到獲得大量熱能的目的，而氧化劑的選擇比較廣泛，如 Fe2O3，F(xiàn)e3O4，MnO2等，也包括補(bǔ)縮某些低熔點(diǎn)的金屬凝固過程中所需要的強(qiáng)氧化劑，如KNO3，KMNO4等[3]。

發(fā)熱保溫冒口的發(fā)熱原理一般可用兩個(gè)化學(xué)方程式來描述：

根據(jù)李俊儒、張明[4]等對30%左右高鋁熱劑發(fā)熱保溫冒口進(jìn)行的研究表明：發(fā)熱保溫冒口本身產(chǎn)生的熱量不足以將冒口內(nèi)的金屬液體加熱并使之溫度升高，之所以能夠提高補(bǔ)縮效果，是因?yàn)槊翱趦?nèi)的發(fā)熱劑放出的熱量將冒口加熱，減少了冒口與金屬液的溫度差，從而減少了金屬液的能量損失，延長了金屬的凝固時(shí)間從而達(dá)到提高冒口補(bǔ)縮的效果。

通過前面的論述可知，發(fā)熱保溫冒口內(nèi)的液態(tài)鐵水能夠獲得更長的凝固時(shí)間，關(guān)于這一點(diǎn)，一汽劉文輝[5]曾經(jīng)專門研究過這個(gè)問題（圖1，圖2）.

圖1 發(fā)熱保溫冒口鐵水冷卻曲線

圖2 砂（保溫）冒口鐵水冷卻曲線

圖1 、圖2曲線通過測試砂（保溫）冒口和發(fā)熱保溫冒口中液態(tài)鐵水的凝固曲線證實(shí)了發(fā)熱保溫冒口中液態(tài)鐵水具有比保溫冒口中的鐵水更長的凝固時(shí)間，該曲線也進(jìn)一步論證了前面提及的發(fā)熱保溫冒口中的發(fā)熱劑發(fā)出的熱量不足以使得液態(tài)鐵水溫度升高的觀點(diǎn)。

2 實(shí)施過程

2.1 冒口選擇

研究對象：礦山機(jī)械類鑄件，耳軸出料端，鑄件重量：37400 kg，最大壁厚 249 mm，最小壁厚 103 mm，材料：G G G 50，輪廓尺寸 5906mm×1607mm，經(jīng)過計(jì)算，鑄件采用4個(gè) 510mm×900 mm的發(fā)熱冒口，并經(jīng)計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果如圖3和圖4所示。

通過計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果圖3顯示：發(fā)熱冒口的補(bǔ)縮效果明顯，鑄件上沒有出現(xiàn)縮松，而通過圖4對于冒口的剖面圖，顯示冒口的頂面出現(xiàn)明顯孔洞，孔洞下面有明顯的縮松，縮松深度約是整個(gè)冒口高度的4/5，由此可以判定發(fā)熱冒口起到了明顯的補(bǔ)縮作用。最終按此工藝進(jìn)行生產(chǎn)，如圖5所示，鑄件經(jīng)過檢測，符合客戶規(guī)范，且和模擬結(jié)果吻合。

2.2 實(shí)體金相對比

圖3 鑄件3D工藝圖

圖4 模擬冒口解剖圖

對耳軸出料端的冒口進(jìn)行解剖，如圖6所示，并按照圖中所標(biāo)識的各點(diǎn)檢測實(shí)體金相，選擇具有代表性的金相如圖7所示；為了對比冒口中的鐵水凝固時(shí)間與鑄件中鐵水凝固時(shí)間的關(guān)系，同時(shí)對冒口下方鑄件頂面加工面的位置做實(shí)體金相，選取有代表性的金相如圖8所示。

由圖6觀察到，發(fā)熱冒口頂部有凹陷，冒口剖面上有目視縮松出現(xiàn)，這表明發(fā)熱冒口進(jìn)行了有效補(bǔ)縮。同時(shí)，通過對比冒口剖面金相圖7和鑄件實(shí)體金相圖8可以得到：由圖7觀察到視場中只有數(shù)量很少的石墨，數(shù)量約在20多個(gè)，呈現(xiàn)團(tuán)絮狀，石墨尺寸大，分布不均勻；而圖8視場中的石墨球則很圓整、石墨球的數(shù)量非常多，達(dá)到90多個(gè)，根據(jù)GB9441-88評估，圖7的石墨可以評為3級，圖8的石墨可以評為2級，由此可知：相比鑄件實(shí)體，發(fā)熱冒口內(nèi)的鐵水保持了更長的液態(tài)時(shí)間，冒口內(nèi)的鐵水發(fā)生了嚴(yán)重球化衰退。

圖5 鑄件實(shí)物圖

圖6 發(fā)熱冒口實(shí)體剖面

圖7 冒口剖面金相

圖8 鑄件實(shí)體金相

3 結(jié)論

通過前面的研究表明，發(fā)熱保溫冒口具有較好的補(bǔ)縮特性，其冒口內(nèi)的鐵水具有比鑄件更長的凝固時(shí)間。這些發(fā)熱保溫冒口成功在礦山機(jī)械類鑄件耳軸出料端上獲得了應(yīng)用，之后按照相同的方法，在多種礦山機(jī)械類鑄件上進(jìn)行了應(yīng)用，都取得了成功，連續(xù)生產(chǎn)20多件，滿足了客戶要求。

［1］李金峰.發(fā)熱保溫冒口在汽車鑄件生產(chǎn)中的應(yīng)用［J］.現(xiàn)代鑄鐵，2011（2）：40-42.

［2］李中魁.發(fā)熱保溫冒口在鑄鋼件上的應(yīng)用［J］.鑄造工程，2013（1）：33-35.

［3］張林，官軍勝，陳繼志.發(fā)熱保溫冒口的性能的研究進(jìn)展［J］.材料開發(fā)與應(yīng)用，2009（4）：77-79.

［4］李俊儒，張明.發(fā)熱冒口的實(shí)驗(yàn)研究［J］.山西機(jī)械，1994（1）：25-28.

［5］劉文輝.保溫冒口與發(fā)熱冒口在鑄造生產(chǎn)中的應(yīng)用［G］//2008中國鑄造活動(dòng)周論文集，2008：333-338.