紙塑澆管在鑄造應用中的一些細節(jié)

耿曉明，徐永青，郎 旗（.成都淏泰金屬制品有限公司，四川成都 60036：.德州愛可森高壓紙模科技有限公司，山東德州 53034）

鑄造行業(yè)內(nèi)隨著客戶對產(chǎn)品質(zhì)量要求的提升和鑄造企業(yè)降低生產(chǎn)成本的迫切要求，尋找更優(yōu)的工藝和使用更廉價且可靠的原材料成為每個鑄造企業(yè)所面臨的迫切的實際問題。就澆注系統(tǒng)而言，高效、簡潔而綜合成本較低的紙塑澆管逐漸擴大了其應用范圍，有逐步取代耐火陶瓷澆管的趨勢。目前紙塑澆管的應用已從汽車車身覆蓋件模具逐漸擴展到機床鑄件、工程機械鑄件等領域。

紙塑澆管是由回收紙漿、耐火纖維添加樹脂等黏結劑在高溫下壓制而成，具有輕便，安裝方便及產(chǎn)生固體垃圾少等特點，越來越受到鑄造工廠的歡迎。但紙塑澆管畢竟是一項近幾年新興的事物，業(yè)內(nèi)很多企業(yè)和人員并沒有完全掌握其使用工藝。在此淺談一下紙塑澆管在實際用中的一些細節(jié)。

消失模鑄造工藝在應用初期澆注系統(tǒng)是使用泡沫（EPS 料）切割制作，都是實心的。這種實心泡沫澆注系統(tǒng)的缺點是發(fā)氣量大。根據(jù)實際測算的數(shù)據(jù)，鐵水澆注時單位體積的泡沫（EPS 料）極短時間可產(chǎn)生5～6 倍體積的氣體，澆注鑄鋼時則產(chǎn)生6～8倍體積的氣體。這么大的發(fā)氣量在澆注初始階段極易發(fā)生鐵水“反噴”現(xiàn)象甚至造成操作人員燙傷等事故。在澆注初期澆口杯內(nèi)的少量金屬液并不能完全將產(chǎn)生的氣體壓住，氣體反而從直澆管中溢出，這種現(xiàn)象就是“反噴”，不僅嚴重威脅操作人員的人身安全，同時也易導致澆注中斷造成鑄件澆不足，冷隔等缺陷[1]。

若鑄件澆注系統(tǒng)全部使用紙塑澆管則可以避免這一問題，因為整個澆注系統(tǒng)都是空心的幾乎不產(chǎn)生氣體，而且澆注初期澆口杯及澆注系統(tǒng)內(nèi)的，金屬液足以將整個澆管封閉住，所以不會出現(xiàn)反噴現(xiàn)象。

根據(jù)金屬傳熱學[2]及實型鑄造的充型原理，在澆注充型過程中泡沫制作的澆注系統(tǒng)并不是金屬液進去就立即氣化消失，而是隨著接觸金屬液面積的增大而逐步氣化，金屬液逐步占據(jù)原來的泡沫澆道空間。在金屬液未完全充滿澆注系統(tǒng)之前，澆注系統(tǒng)本身的氣化產(chǎn)物隨著金屬液進入鑄件本體內(nèi)易造成夾渣缺陷，而且泡沫澆道涂料層較容易被鐵水沖破造成鑄件沖砂。而紙塑澆管由于是以子母扣形式連接的中空紙管故連接好之后形成密閉中空管道，加上紙塑澆管的耐火耐高溫鐵水沖刷的特性則可以避免鑄件產(chǎn)生沖砂、夾渣等缺陷。

1 紙塑澆管的認知

紙塑澆管整套的工藝源于日本的木村鑄造和花王化工，隨后引入國內(nèi)。筆者最早接觸紙塑澆管是在2014 年，小批量使用了進口的一些紙塑澆管進行工藝試驗。期間綜合了業(yè)內(nèi)人員對紙塑澆管的看法，發(fā)現(xiàn)很多人把紙塑澆管看做是陶瓷管一類的東西，其實將其看做一種特殊的涂料層更為恰當。

紙塑澆管需要砂型為其提供支撐力，以保證其能承受高溫金屬液的沖刷。傳統(tǒng)的砂型鑄造工藝中，采用砂型澆道表面刷涂一層醇基涂料后，也可以承受短時間（60 s～120 s）的高溫金屬液沖刷。由于紙塑澆管需要砂型為其提供支撐力，所以型砂的緊實程度需要重點關注，但也不能因為過度緊實而損壞紙塑澆管。紙塑澆管與傳統(tǒng)的砂型表面刷耐火涂料的工藝同樣是把金屬液與型砂隔開，從這點來看，紙塑澆管可以看做是一種成型的涂料層。采用砂型澆道涂刷3 mm～5 mm 厚的涂料，尚且不能完全阻止沖砂缺陷的產(chǎn)生，而使用紙塑澆管則完全避免了這一缺陷。在整個生產(chǎn)過程中也未曾發(fā)現(xiàn)有紙塑澆管破損的情況。

紙塑澆管具有很多優(yōu)點：1）采用榫卯方式連接，連接頭一大一小，對接時插入即可，使用很方便。2）是紙塑澆管質(zhì)量小，運輸方便。3）由于其是紙質(zhì)材料，在使用過程中可以用剪刀、小鋼鋸等工具任意截取所需要的長度，方便快捷。4）其使用過程中經(jīng)過與高溫鐵水接觸在近真空環(huán)境下（鐵水進入澆注系統(tǒng)封閉了其內(nèi)部空間造成真空環(huán)境）碳化，形成質(zhì)量很輕的碳灰，碳灰在砂處理系統(tǒng)中直接被當做粉塵而被處理掉，不會對再生砂產(chǎn)生任何影響。5）其制作原材料來源廣且廉價。

鑄造行業(yè)所使用的用于做澆注系統(tǒng)的紙塑澆管目前只有一種，不同廠家的添加成分配比不同而已，相信未來隨著技術的進步會有更廉價更方便可靠的紙塑澆管被生產(chǎn)出來。

2 紙塑澆管的連接方式

2.1 紙塑澆管的連接方式

目前市場上的紙塑澆管都是采用的榫卯口結構，使用時直接將各個組元拼插起來即可，而如需切割時，使用手工鋸切割相應的長度后，使用紙膠帶粘接即可，使用起來非常簡單方便。在拼插的時候，需要注意紙塑澆管的拼接方向和金屬液的流動方向要匹配。如圖1 所示為紙塑澆管的連接方式。

圖1 紙塑澆管的連接方式

2.2 紙塑澆管連接的優(yōu)化

根據(jù)動態(tài)傳熱學的基本原理[3]：液態(tài)金屬流經(jīng)的途徑越長，熱量損失就越多越快；流經(jīng)的截面越小，散熱也越多越快；流動的速度越慢，熱量損失也越多越快。澆注系統(tǒng)設置越復雜，液態(tài)金屬在流動過程中損失的熱量也越多。大量熱量的無謂損失恰恰是實型鑄造產(chǎn)生各種缺陷的關鍵原因。

根據(jù)我公司的工藝，內(nèi)澆道使用φ50 mm 的紙管，而橫澆道和直澆道使用φ70 mm 的紙管。按照上述原則，應盡量縮短φ50 mm 紙管的長度。圖2 所示為實際生產(chǎn)時紙管連接方式實例。藍色線條為優(yōu)化后的選擇。如果采取優(yōu)化后的連接方式，φ50 mm的紙管可以減少2 m，相應增加φ70 mm 的紙管1.5 m.無論從工藝角度還是生產(chǎn)成本節(jié)約方面都是較優(yōu)的選擇。不過由于紙塑澆管工藝的靈活性好，工藝寬容度高，使用未優(yōu)化的連接方式，鑄件也沒有出現(xiàn)問題。公司前期試驗生產(chǎn)階段，其中重要一點是為了讓工人熟悉紙塑澆管的操作使用，澆道連接的優(yōu)化工作應在后續(xù)的生產(chǎn)中慢慢實行。

圖2 紙管連接的優(yōu)化

2.3 紙塑澆管澆注系統(tǒng)

圖3 為紙管澆注系統(tǒng)簡圖，其組元組成包括：φ50 mm 內(nèi)澆口，φ50 mm 內(nèi)澆道，φ50 mm 彎頭，φ70 mm～φ50 mm 變徑三通，φ70 mm 橫澆道和直澆道，φ70 mm 彎頭，規(guī)格如表1 所示。

表1 紙管澆注系統(tǒng)組元組成

圖3 紙管澆注系統(tǒng)簡圖

通過計算和實踐生產(chǎn)驗證，可以發(fā)現(xiàn)φ70 mm的澆管截面積恰恰等于兩根φ50 mm 的澆管。這樣直澆道、橫澆道和內(nèi)澆口的截面比例就是恒定。澆注系統(tǒng)截面比例為：F直∶F橫∶F內(nèi)=1∶1∶1.02.按照流量連續(xù)性方程[4]：

恒定的澆注系統(tǒng)截面比例，意味著在金屬液在進入型腔的速度是穩(wěn)定的，很少出現(xiàn)紊流等情況，這樣就可以避免卷渣、卷氣等問題，對產(chǎn)品質(zhì)量的提升是一個利好因素。

3 過濾系統(tǒng)的設置與安放

目前過濾器盒的安裝采用的是對半式拼接，如圖4a）所示，用兩個規(guī)格相同的過濾器盒蓋將過濾片夾在中間，四周使用紙膠帶纏繞使其牢固另外為了防止型砂進入。目前與紙塑澆管配合的這種過濾器盒采用的是和紙塑澆管相同材質(zhì)，這種結構簡易，廠家不用開發(fā)復雜的成型模具。圖4b）為一種專利產(chǎn)品[5]，采用大小蓋子母扣式，使用時將過濾片放入，上下蓋一扣合即可，扣好之后在使用時其接頭依然和紙塑澆管的直管接頭相同，插入即可，使用非常的方便只是制作廠家需要開發(fā)上下蓋專用的模具，成本較高。

圖4 過濾器組合示意圖

無論采取何種形式，安裝過濾器必須要校核過濾片的有效使用面積，即過濾片的過流系數(shù)。必須要保證足夠的過流面積，以免出現(xiàn)過濾片阻流導致鑄件澆不足或氣化不良等缺陷。一般的過濾片，針對灰鐵而言，其過流能力約為4 kg/cm2～6 kg/cm2；針對球鐵而言，其過流能力約為2 kg/cm2～4 kg/cm2.過濾片的有效過流面積要達到內(nèi)澆口截面積的2～4倍才能保證不出現(xiàn)阻流現(xiàn)象。過濾片總的有效過流面積約為7 200 mm2，約為內(nèi)澆口截面的3.6 倍，完全符合預期設計。在生產(chǎn)中也極少發(fā)生因過濾器過流能力不足而造成堵塞進而引起的澆不足現(xiàn)象。

4 結論

簡述了紙塑澆管工藝的起源和本公司使用紙塑澆管的一些經(jīng)驗。據(jù)統(tǒng)計用紙塑澆管生產(chǎn)的鑄鐵鑄件其澆注系統(tǒng)成本在45 元/噸～47 元/噸，雖然目前陶瓷澆注系統(tǒng)的成本也基本與之持平，但陶瓷澆注系統(tǒng)的制作成本在目前原材料價格上漲的大形勢下并不具備優(yōu)勢。此外陶瓷澆道的重量、易碎、不易切割以及產(chǎn)生的固體垃圾多等缺點也比較突出，紙塑澆管在相當程度上取代陶瓷澆道成為趨勢。在此需要強調(diào)的是，前期在紙塑澆管使用時一定要由技術人員現(xiàn)場指導，澆注系統(tǒng)和過濾片的過濾金屬液量提前計算好。員工操作過程中應注意第一避免用硬物損壞紙塑澆管，第二放砂過程中避免腳踩紙塑澆管。掌握好以上幾個要素，紙塑澆管的經(jīng)濟性、可靠性、便捷性決定其將來在鑄造行業(yè)內(nèi)使用范圍會越來越廣。