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铸造涂料的传热与传质
1 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℃以上的高温下烘干2-3个小时砂型芯也干不透。而新式热风红外干燥窑干燥效率则高得多，100℃ -180℃下25-40分钟即可干燥。
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的布置有很大关系。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0.75～1000μm）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相匹配时，引起物料内的分子强烈振动及分子之间的碰撞，产生自热效应，部分分子挣脱了原来物质对它的束缚，水分或有机溶剂脱离原来的物质，从而快速有效地加热物质。
在红外线干燥中，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，也即加速了干燥的进程。
红外线分为近红外线，波长为0.75～1.50μm 之间；中红外线，波长为1.50～6.0μm 之间；远红外线，波长为6.0～l000μm 之间。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℃以上，烘干效果最差，砂芯的温度可达180℃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℃左右, 但砂芯温度还是比较高, 可达160℃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℃，砂芯温度很快达到120℃，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见图1。[3]
实例：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，使用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，窑内温度在120℃，烘干时间30分，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。醇基涂料的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，所以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 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，可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。
当涂料与铁水接触后则主要以热传导为主。当然浇注过程中型腔内也存在对流换热。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。石墨涂料除具有良好的对铁水不润湿性，还具有良好的导热性，可加速铸件凝固，因而具有良好的抗粘砂性。而具有一定隔热性的涂料对于防止脉纹和烧结有较好的效果。在金属型铸造中更加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。
实例：防脉纹涂料[4]
在发动机缸体、缸盖的生产中，广泛采用冷芯盒工艺。由于不同粘结剂耐热性的区别，冷芯的脉纹倾向明显高于热芯（覆膜砂）。采用冷芯时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，隔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℃发生相变膨胀而引起砂芯开裂，铁水渗入裂缝形成脉纹。防脉纹涂料的原理在于，具有隔热性能的涂料层可推迟和减轻砂芯的相变膨胀。具有一定隔热性能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。
实例：防炸裂、变形涂料
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，还可以对砂芯的温升具有较强的缓冲作用，使砂芯内部温升速度减慢，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）和铁水之间，在传热的同时也存在复杂的传质过程，对于铸铁件表面石墨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，在与铁水接触时，硫元素会扩散到铁水的表面并进入铁水表层引起铸件表面石墨衰退。呋喃树脂砂生产球铁件时，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水接触，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）四个界面。这四个界面存在复杂的传热传质过程。而涂料处在这四个界面的核心，无论在传热还是传质方面起着非常关键的作用。铁水中巨大热量通过辐射、对流及热传导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，这又导致一系列的结果：一是砂型芯慢慢失去强度，发生溃散；二是分解产生的气体使砂芯内部的气体压力不断积聚。砂芯内部压力积聚至某一临界值后可能导致涂层局部脱落，造成结疤、渣孔或气孔。呋喃树脂的固化剂加热分解还会产生有害的硫、氮等气体。含硫气体又通过涂料扩散至涂料-铁水界面以及型腔内，型腔内的气体与铁水接触，硫又会从气液界面进入到铁水内，导致铁水增硫，进而引起石墨衰退。传热的第三个结果是石英砂被加热到573℃以上时会发生相变膨胀，引起砂芯开裂，铁水渗入裂缝形成脉纹或烧结。传热的第四个结果是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。传热的第五个结果是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，当然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。[5,6]
实例：防硫涂料
防硫涂料的原理如下：
1) 良好的烧结性能和低透气性（高的致密性）
2) 涂料中的碱性氧化物如CaO或MgO与含硫气体发生反应，起到化学吸收的作用，减少了型腔中含硫气体浓度。
3) 涂料与铁水接触后，涂料中的碱性组份也会在两者的界面与铁水中的硫发生反应，起到一定的脱硫作用。
4) 优良的防硫涂料往往具备吸收和隔离双重作用。使防硫的效果达到最佳。目前防硫涂料在高铁轴箱、风电轮毂、工程机械等重要球铁件的生产中已获得广泛的应用。
3 结束语
1) 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。
2) 对流+红外辐射换热具有较高的烘干效率，可以降低砂芯及涂料烘干温度，缩短烘干时间，有效避免因长时间高温烘干引起的砂芯变形。
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。