空心微珠保温冒口在铸钢超大齿轮上的研究与应用

张志

1.概述

在铸造工艺设计中，设计冒口是一个非常重要组成部分，通常使用的普通冒口与铸型都是同一种造型材料，这种冒口在补缩过程中主要由以下三个部分组成。

第一，用于补充铸件收缩的处于液态部分。

第二，为了保持一定的压头和防止缩孔或脏物进入铸件而留的余量部分。

第三，冒口内尚处于液态和已凝固的金属随时间的变化部分。

其中，第二、第三部分占的比例最大，但这部分金属对于补缩铸件不直接发生作用。可是，为了有足够的钢液补缩给铸件，就得相应地增大冒口的体积或数量，但同时也相应地增加了对铸件不直接发生作用的那部分钢液的用量。这样，对浇注大件就提出了新的课题。为了能够解决这个课题，我们选用了保温冒口和加覆盖剂的方法。保温冒口是用保温材料制成的冒口套来代替冒口周围的型砂，其作用是可以在一定程度上缩小冒口的体积，延缓冒口的凝固时间，使不直接发生补缩作用的金属消耗减少到最低限度，相应地提高铸钢件的工艺出品率，并且降低生产同等重量铸件的钢液用量。

为此，研究试制保温冒口并且应用于大型铸钢件上，以此来弥补钢液不足的缺陷。

2.对保温冒口材料的要求及选择

（1）材料的要求 研制保温冒口的关键是选择合适的保温材料。保温材料首先要有好的保温性能，其次有良好的耐火性，同时还要价格低廉，来源广泛，无环境污染等。

（2）选择保温材料 保温材料的种类很多，但是不同材料的性能不同。经过对珍珠岩、炉灰、空心微珠等保温材料进行综合性能的比较，最终选用空心微珠保温材料，其既能满足上述要求，又能符合钢件铸造时金属液温度高达1600℃以上的特点，同时也符合实际生产的具体情况。

空心微珠是从火力发电厂的煤灰中经筛选而得到的，是一种微小的薄壁中空珠体，具有耐高温、热稳定性好、热导率及密度小等一系列特点。其主要化学成分见表1。

其热物理性能为：密度ρ＝250～350kg/m3，热导率λ＝0.08～0.09W/m·K，比热C＝0.76～0.78kJ/K。

3.试制保温冒口的工艺

因空心微珠具有亲水性差的特性，使得空心微珠相互间的附着力小，这就需要制作保温冒口时加入一定数量的辅助材料与之相配比，即干、湿粘结剂如水玻璃、耐火粘土，以及增加其强度的石英砂，以确定其保温冒口配比成分、强度。对冒口的强度要求，以适合搬运，体积轻便，在放入型砂中紧实后不会因挤压变形、开裂即可。这样保证加入足够空心微珠的情况下，通过了试验确定如下试制工艺。

（1）保温冒口材料配比 见表2。

（2）混料工艺 由于空心微珠是薄壁中空珠体，所以不能碾压，故采用搅拌器混制。加料顺序为：空心微珠＋水搅拌2min＋1/2水玻璃搅拌2min＋耐火粘土、硅砂搅拌4min（耐火粘土、硅砂在地面混制好）＋1/2水玻璃搅拌2min后出料。

上述加料顺序的优点是：微珠加入适量的水，可以使微珠表面湿润，有利于与水玻璃的结合。加入水玻璃总量的1/2，可以附着微珠的表面，以便将随后加入的耐火粘土和硅砂均匀地包裹在空心微珠的表面。形成坚固的耐火骨架。最后加入余下的1/2水玻璃，使包裹了耐火粘土和硅砂的空心微珠粘结在一起，这样保温冒口成形后有较高的强度。

（3）烘干工艺 保温冒口的干燥有几种方法，但是通过试验选用的是低温烘干。温度控制在200℃左右，烘干1.5～2h。温度高，冒口易开裂；温度低，冒口干燥不彻底，影响保温效果。

根据以上工艺，研制出保温冒口，在几种铸钢大件（5t以上）上应用，均取得了良好的效果，工艺出品率均提高10%以上。由于在以往生产中没有经验，在冒口大小及数量上比较保守，在实际应用中，都略大于理论值。

4.保温冒口在超大齿轮上的应用

超大齿轮铸件毛重为7t，钢液重为12.5t，材质为ZG35CrMnSi，采用保温冒口进行试验应用。

齿轮的零件结构如图1所示。

其中重点结构做局部放大，如图2所示。

（1）普通冒口的确定 根据齿轮铸件结构，试验选定腰圆形明冒口。

热节圆直径T：根据公式

T＝a+（b/2＋R）/（a＋2R）

T＝171.5＋（70/2＋15）/（171.5＋2×15）＝188（mm）

冒口尺寸计算如下。

表1 空心微珠的化学成分（质量分数） （﹪）

表2 相对空心微珠的配比 （%）

圆整到H＝550mm

冒口数量：

取冒口数量N＝6（个）

冒口重量：

W=0.8×407.5×597.5×550×7.8×6=5（t）kg

工艺出品率：根据公式

A＝毛重/钢液重×100﹪＝7÷12.5×100%＝56%

符合齿轮的工艺出品率53%～56%企业管理要求。

（2）保温冒口的确定 计算如下。

保温冒口的几何模数：根据公式

M冒＝1.2M铸件/b铸件/b冒型

式中

H＝铸件高度（mm）；

b铸件——铸型的蓄热系数，对水玻璃砂型为

b冒型——冒口的蓄热系数，对空心微珠型为（1000～1250）

保温冒口尺寸确定如下。

冒口宽度：B1=290mm

冒口长度：L1=435mm

冒口高度：H1=550mm

冒口套的厚度：δ=35mm

冒口重量：

W1=398×6=2388kgkg

工艺出品率：

（3）冒口比较 见表3。

从上述超大齿轮铸钢件的生产试验中可以看到，应用保温冒口的冒口体积为普通冒口体积的58%，并且工艺出品率提高14%。经校核，保温冒口加覆盖剂，完全符合齿轮外圆的补缩量要求。

5.结语

保温冒口在铸钢件中的应用，不仅可以有效地保证铸件质量，而且可以大量降低钢液的用量，进而可使冒口体积缩小50%左右，工艺出品率可提高10%以上，提高了钢液的利用率，降低了成本，增加了效益。

图1 齿轮的零件结构

图2

表3 冒口比较