涂料传热、传质过程与铸件缺陷控制.pdf

圆园24/2现代铸铁参考文献1曹德水，裴泽辉，潘红，等.硅固溶强化球墨铸铁的生产工艺及应用J.现代铸铁，2023（2）：5-8.2李鹏明，孔祥玲，王光玉，等.球墨铸铁真空泵腔体铸件的生产工艺J.现代铸铁，2023（2）：1-5.3轩世成，程可飞，何帅伟，等.球墨铸铁重型辅板的消失模试制工艺J.现代铸铁，2023（3）：1-4，29.（编辑：吕姗姗，E-mail：xdzt_）收稿日期：2023-11-23修订日期：2024-03-20作者简介：宋会宗（1963.8），男，河北人，博士，研究员，主要从事铸造涂料、粘结剂、型砂等造型材料的研发、生产及应用工作。涂料传热、传质过程与铸件缺陷控制宋会宗（苏州兴业材料科技股份有限公司，江苏苏州215151）摘要：介绍了涂料在干燥和浇注过程中的传热、传质过程，分析了传热、传质过程对涂料的干燥、抗脉纹、防硫等作用的重要影响，指出：（1）对流+红外辐射换热具有最佳的烘干效率，对砂芯质量的影响最小；（2）涂料的导热性影响砂芯的高温强度及保持时间、硅砂相变膨胀、热应力、温差，进而影响到铸件脉纹、石墨衰退、结疤、粘砂等一系列缺陷；（3）通过特殊设计的涂料成分可以控制涂料的传热和传质过程，使涂料具有防止某种缺陷的功能。关键词：涂料；传热；传质；缺陷中图分类号：TG221文献标志码：A文章编号：员园园猿原愿猿源缘（圆园24）园2原园园51原04Heat Transfer，Mass Transfer Process of Coating and Casting Defect ControlSONG Hui-zong（Suzhou Xingye Material Technology Co.,Ltd.，Suzhou215151，China）Abstract：The heat and mass transfer processes of coating during drying and pouring were introduced.The important effects ofheat and mass transfer processes on the drying，anti-veining，and anti-sulfur functions of coatings were analyzed.It waspointed out：（1）Convection+infrared radiation heat exchange had the best drying efficiency and the least impact on the qualityof the sand core.（2）The thermal conductivity of the coating affects the high-temperature strength and retention time of thesand core，the phase change expansion of silica sand，thermal stress and temperature difference.It would in turn affect a seriesof defects such as casting veins，graphite decay，scarring and sand sticking.（3）The heat and mass transfer processes of thecoating could be controlled through specially designed coating components to make coating had the ability to prevent certaindefective function.Key words：coating；heat transfer；mass transfer；defects传热是材料或介质中由温差引起的温度由高到低的热量传递，传热的过程主要受传热面积、温差大小、传热系数这 3 个因素影响，传热系数取决于传热介质的性质。传质是物质在浓度差的作用下由高浓度向低浓度方向转移的过程，传质过程主要受浓度差、温度、介质等因素的影响。铸造过程中传热与传质同时存在、相互影响。传热、传质的过程及结果对铸件质量影响极大。铸造涂料在干燥及浇注过程中存在着复杂的传热与传质过程，对涂料的使用、干燥及抗粘砂、抗脉纹、防硫等作用有重要的影响。Moulding Materials51现代铸铁 圆园24/2砂芯温度空气温度空气温度基本恒定在 180 益砂芯在烘窑中停留时间=24 min砂芯温度逐渐升高至 160 益左右0242016128404080120160200时间/min（a）纯对流烘窑0408012016002420161284时间/min砂芯在烘窑中停留时间=24 min大约 8 min 达到砂芯最高温度 120 益空气和砂芯的温度不变砂芯温度空气温度（b）对流+红外线烘窑图 1换热方式对涂料烘干过程的影响Fig.1The influence of heat exchange method onthe coating drying process1涂料在干燥过程中的传热与传质1.1水基涂料的烘干一般情况下，水基涂料的烘干是在烘干窑中进行。老式的密闭间歇式烘干窑干燥效率很低，往往在 200 益以上的高温下烘干 23 h，砂型（芯）也干不透。而新式热风红外干燥窑干燥效率则高得多，在 100180 益 下烘干 2540 min 即可干燥。水基涂料的干燥过程是一个复杂的传热传质过程。这个过程中水分要从涂料及砂芯表层传递到空气中，水分即传质的对象，传热则是传质的手段。烘干效率的高低取决于烘干设备的换热方式及传质方式。水基涂料的干燥过程中强对流对于提高传热及传质效率非常关键。热风产生的强对流不仅可以加强高效率的对流换热，同时，可使涂料表面高浓度的湿蒸汽快速扩散到空气中，增大涂料表面和内部的水分浓度差，而浓度差是一切传质的推动力。这会大大加快水分从内部迁移到表面及空气中过程，最终实现水基涂料的快速干燥。水基涂料的干燥效率还和烘干窑的发热元器件的种类布置有关，这关系到干燥过程中的辐射换热效率。发热元件产生的红外线（波长为0.75耀1 000 滋m）越多，波长越大，换热的效率就越高。红外线干燥是利用辐射传热干燥的一种方法。红外线辐射器所产生的电磁波，以光的速度直线传播到达被干燥的物料，当红外线的发射频率和被干燥物料中分子运动的固有频率（也就是红外线的发射波长和被干燥物料的吸收波长）相匹配时，引起物料中的分子强烈振动，在物料的内部发生激烈摩擦产生热而达到干燥的目的。在红外线干燥过程中，由于被干燥的物料中表面水分不断蒸发吸热，使物料表面温度降低，造成物料内部温度比表面温度高，这样使物料的热扩散方向是由内往外的。同时，由于物料内存在水分梯度而引起水分移动，总是由水分较多的内部向水分含量较小的外部进行湿扩散。所以，物料内部水分的湿扩散与热扩散方向是一致的，从而也就加速了水分内扩散的过程，也就加速了干燥的进程。红外线分为近红外线，波长为 0.75耀1.50 滋m；中红外线，波长为 1.50耀6.0 滋m；远红外线，波长为 6.0耀1 000 滋m。由于辐射线穿透物体的深度（透热深度）约等于波长，而远红外线比近红外线波长，也就是说用远红外线干燥比近红外线干燥好。特别是由于远红外线的发射频率与水的固有频率相匹配，引起水分子激烈共振。这样，远红外线即能穿透到这些被加热干燥的物体内部，并且容易被这些物质所吸收，所以两者相比，远红外线干燥更好些。涂料烘干窑的传热方式对涂料的烘干效率及砂芯质量有很大影响。弱对流的烘干窑效率最低，工作温度最高，可达 200 益以上，烘干效果最差，砂芯的温度可达 180 益以上，对砂芯的质量影响最大。强对流的烘干窑烘干效率有很大提升，工作温度在 180 益左右，但砂芯温度还是比较高，可达 160 益左右。红外辐射+对流复合换热的烘干效率最高，工作温度最低，约 140 益，砂芯温度很快达到 120 益，并保持此温度不变。对砂芯的质量（如变形、强度等）影响最小，是最佳的传热方式。不同换热方式对涂料烘干过程的影响如图 1 所示。造型材料Moulding Materials52圆园24/2现代铸铁图 2砂芯烘干设备Fig.2Sand core drying equipment某汽车刹车盘铸造生产线，采用冷芯盒生产砂芯，浸涂水基涂料。由于冷芯盒砂芯细小复杂的结构，使得砂芯在烘干过程中极易变形。如果烘干温度过高或时间过长都会加剧砂芯的变形，高效率的烘干是该砂芯的生产关键技术之一。烘干窑采用对流+红外复合传热方式（如图 2 所示），窑内温度控制在 120 益，烘干时间 30 min，可以较好地满足刹车盘砂芯及涂料的烘干。1.2醇基涂料点火干燥点火干燥过程中涂料中的溶剂在燃烧过程中大部分被烧掉，另一少部分则在热的驱动下更深地渗入到砂芯内部。因为涂料点火后，燃烧的热量通过涂料传导到砂型芯表面，砂型芯表面的温度高于砂型芯内部，砂型芯表层的溶剂及水分会扩散迁移到砂型芯的内部。残存在砂型芯内部的溶剂或水分在浇注时可能会引起气孔缺陷。醇基涂料点火燃烧性能的好坏会影响到涂料是否彻底干燥。当醇基涂料中水分含量较高时会影响涂料的点火或及燃烧性能。目前，常用的悬浮剂如锂土、凹凸棒土、硅酸镁铝等醇基涂料悬浮剂在使用时需要用水引发，这会增加涂料中水分含量，一般会加入少量的助燃剂如溶剂汽油、异丙醇或芳烃类溶剂以改善涂料的点火燃烧性能。另一些悬浮剂（如有机土）属于无水悬浮剂则没有这个缺点。醇基涂料如果燃烧时间过长或火焰过大可能导致砂型、砂芯局部温度过高，造成砂型砂芯过烧或开裂。如冷芯盒砂芯浸涂醇基涂料时会出现这种情况。通常采用自干可以解决过烧的问题，也可以推迟点火，以减少燃烧产生的热量。2涂料在浇注过程中的传热与传质铸造涂料在浇注过程中存在复杂的传热传质，对铸件的质量、铸造缺陷的形成有很大的关系。浇注初期辐射换热占主导地位。浇注时长时间强烈的辐射换热，会导致涂层急骤热膨胀而隆起，造成涂层剥落。因此，要从浇注系统的设计及涂层本身避免这种情况的发生，大型铸件生产中这种情况比较突出。当涂料与铁液接触后则主要以热传导为主，浇注过程中也在型腔内对流换热。涂料的传热传质特性对铸件的凝固过程有重要的影响。例如，涂料的导热性影响铸件的凝固，也影响砂型芯粘结剂的热分解、砂型（芯）的高温退让性、热膨胀或相变膨胀，进而影响铸件粘砂、气孔、脉纹、结疤等铸造缺陷的形成。例如，锆英粉涂料不仅有很高的耐火度，还具有很好的导热性和蓄热能力，有利于铸件快速凝固、减少粘砂。石墨涂料具有良好的导热性和对铁液不润湿性，因而具有良好的抗粘砂性及渗透性，可加速铸件凝固，而具有一定绝热性的涂料对于防止脉纹和烧结有较好的效果。在金属型铸造中更需重视涂料的导热性能，通过选择特定的导热性能的涂料有利于实现金属型铸造的顺序凝固，获得健全的铸件。防脉纹涂料在汽车缸体、缸盖的生产中，特别是冷芯盒的广泛使用，水套内腔的脉纹缺陷非常普遍，给清理工作带来很大困难。研究发现，绝热性能较好的涂料对防止脉纹缺陷有较好的效果。根据这一原理，通过优选配方已研制出性能优良的防脉纹涂料。脉纹是一种典型的膨胀缺陷，即石英砂在 573 益 发生相变膨胀而引起砂芯开裂，铁液渗入裂缝形成脉纹。防脉纹涂料的原理在于具有绝热性能的涂料层可推迟和减轻砂芯的相变膨胀。绝热的涂层还可以推迟砂芯有机粘结剂的分解溃散，使砂芯强度保持更长的时间，这也有利于防止砂芯的开裂。防炸裂、变形涂料的原理与防脉纹涂料相似。隔热性能较好的涂料不仅能够推迟砂芯粘结剂的分解，使砂芯在更长的时间内保持一定强度，（下转第 59 页）Moulding Materials53圆园24/2现代铸铁图 3涂料界面相互作用模型Fig.3Coating interface interaction modelSO2O2H2ONH3CO2N2Mg铁液RECaMnAl涂层NS砂型还可以对砂芯的升温具有较强的缓冲作用，使砂芯内部升温速度减慢，同时也使砂芯内部的温差变小，从而有效地减小砂芯内的热应力，防止砂芯炸裂及变形。涂层处于砂型（芯）和铁液之间，在传热的同时也存在复杂的传质过程，对于铸件表面石墨球化衰退及铸钢件表面微裂纹等铸造缺陷的形成有重要的影响。一般的石墨涂料含有一定量的硫，在与铁液接触时，硫元素会扩散到铁液的表面导致铸件表面石墨球化衰退。呋喃树脂砂生产球墨铸铁件时，致密的涂料可阻止含硫气体从砂型芯内部进入型腔或通过涂料与铁液接触，从而可防止铸件表面石墨衰退的产生。图 3 是涂料界面相互作用模型，涂料界面模型中包括涂料-金属液（涂金界面）、涂料-砂型（芯）（涂砂界面）、涂料-型腔气体（涂气界面）、金属液-型腔气体（金气界面）4 个界面。这 4 个界面存在复杂的传热、传质过程，而涂料处在这 4 个界面的核心，无论在传热还是传质方面起着非常关键的作用。铁液中巨大热量通过热传导及辐射首先将涂料加热到很高的温度，再通过涂料传导到砂型芯表层及内部。传热的结果是砂型芯被快速加热，树脂粘结剂及固化剂开始慢慢分解，这又导致一系列的不同结果：（1）砂型芯慢慢失去强度，发生溃散。（2）分解产生的气体，气体的压力会积聚。呋喃树脂的固化剂还会产生有害的硫、氮等气体。压力的积聚可能导致涂层局部脱落造成结疤或渣气孔，也可能造成气孔。含硫气体又通过涂料扩散至涂料-铁液界面以及型腔内，型腔内的气体与铁液接触，硫又会从界面进入到铁液内，导致铁液增硫，进而引起石墨衰退。（3）石英砂被加热到 573 益以上时会发生相变膨胀，导致砂芯开裂，铁液渗入裂缝形成脉纹或烧结。（4）砂芯内部由于温差而引起的热应力，热应力达到一定数值后可引起砂芯变形甚至炸裂。（5）砂型芯吸收热量使铸件降温、凝固。这一进程也会受到涂料导热性的影响，也受到砂型芯导热蓄热能力的影响。所有这些结果都会受到涂料传热进程的影响，有意识地利用涂料的这一作用可以减少铸造缺陷，这正是防脉纹涂料、防炸裂涂料、防硫涂料、激冷涂料、保温涂料的出发点和依据。目前，防硫涂料在高铁轴箱、风电轮毂、工程机械等重要球墨铸铁件的生产中已获得广泛应用。3结论（1）涂料在铸造过程中同时存在传热和传质的过程。（2）对流+红外辐射换热具有最佳的烘干效率，对砂芯质量的影响最小。（3）涂料的导热性影响砂芯的高温强度及保持时间、硅砂相变膨胀、热应力、温差，进而影响到铸件脉纹、石墨衰退、结疤、粘砂等一系列缺陷。（4）通过特殊设计的涂料成分可以控制涂料的传热和传质过程，使涂料具有防止某种缺陷的功能，如防脉纹涂料、防炸裂涂料、防硫涂料等。（编辑：吕姗姗，E-mail：xdzt_）（上接第 53 页）4结束语冲天炉是一种经过人们长期使用并具有节能特点的优秀铸铁熔化设备，按我国工业炉窑尾气污染物处理技术，其污染物排放达到要求不会存在问题。参考文献1张明，何光新，殷黎丽，等.冲天炉及其熔炼M.北京：中国电力出版社，2010.Others59