鑄造涂料的傳熱與傳質1 涂料在干燥過程中的傳熱與傳質1.1 水基涂料的烘干一般水基涂料的烘干是在烘干窯中進行老式的密閉間歇式烘干窯，干燥效率很低，往往在200℃以上的高溫下烘干2-3個小時砂型芯也干不透而新式熱風紅外干燥窯干燥效率則高得多，100℃ -180℃下25-40分鐘即可干燥水基涂料的干燥過程是一個復雜的傳熱傳質過程這個過程中水分要從涂料及砂芯表層傳遞到空氣中，水分即傳質的對象，傳熱則是傳質的手段烘干效率的高低取決于烘干設備的換熱方式及傳質方式水基涂料的干燥過程中強對流對于提高傳熱及傳質效率非常關鍵熱風產生的強對流不僅可以加強高效率的對流換熱，同時可使涂料表面高濃度的濕蒸汽快速擴散到空氣中，增大涂料表面和內部的水分濃度差，而濃度差是一切傳質的推動力這會大大加快水分從內部遷移到表面及空氣中過程，最終實現(xiàn)水基涂料的快速干燥水基涂料的干燥效率還和烘干窯的發(fā)熱元器件的種類的布置有很大關系這關系到干燥過程中的輻射換熱效率發(fā)熱元件產生的紅外線（波長為0.75～1000μm）越多、波長越大，換熱的效率就越高紅外線干燥是利用輻射傳熱干燥的一種方法紅外線輻射器所產生的電磁波，以光的速度直線傳播到達被干燥的物料，當紅外線的發(fā)射頻率和被干燥物料中分子運動的固有頻率相匹配時，引起物料內的分子強烈振動及分子之間的碰撞，產生自熱效應，部分分子掙脫了原來物質對它的束縛，水分或有機溶劑脫離原來的物質，從而快速有效地加熱物質。

在紅外線干燥中，由于被干燥的物料中表面水分不斷蒸發(fā)吸熱，使物料表面溫度降低，造成物料內部溫度比表面溫度高，這樣使物料的熱擴散方向是由內往外的同時，由于物料內存在水分梯度而引起水分移動，總是由水分較多的內部向水分含量較小的外部進行濕擴散所以，物料內部水分的濕擴散與熱擴散方向是一致的，從而也就加速了水分內擴散的過程，也即加速了干燥的進程紅外線分為近紅外線，波長為0.75～1.50μm 之間；中紅外線，波長為1.50～6.0μm 之間；遠紅外線，波長為6.0～l000μm 之間由于輻射線穿透物體的深度（透熱深度）約等于波長，而遠紅外線比近紅外線波長，也就是說用遠紅外線干燥比近紅外線干燥好特別是由于遠紅外線的發(fā)射頻率與水的固有頻率相匹配，引起水分子激烈共振這樣，遠紅外線即能穿透到這些被加熱干燥的物體內部，并且容易被這些物質所吸收，所以兩者相比，遠紅外線干燥更好些涂料烘干窯的傳熱方式對涂料的烘干效率及砂芯質量有很大影響弱對流的烘干窯效率最低，工作溫度最高，可達200℃以上，烘干效果最差，砂芯的溫度可達180℃以上，對砂芯的質量影響最大強對流的烘干窯烘干效率有很大提升，工作溫度在180℃左右, 但砂芯溫度還是比較高, 可達160℃左右。

紅外輻射+對流復合換熱的烘干效率最高，工作溫度最低，約140℃，砂芯溫度很快達到120℃，并保持此溫度不變，對砂芯的質量（如變形、強度等）影響最小，是最佳的傳熱方式不同換熱方式對涂料烘干過程的影響見圖1[3]實例：某汽車剎車盤鑄造生產線，采用冷芯盒生產砂芯，浸涂水基涂料由于冷芯盒砂芯細小復雜的結構，使用得砂芯在烘干過程中極易變形如果烘干溫度過高或時間過長都會加劇砂芯的變形，高效率的烘干是該砂芯的生產關鍵技術之一烘干窯采用對流+紅外復合傳熱方式，窯內溫度在120℃，烘干時間30分，可以較好地滿足剎車盤砂芯及涂料的烘干1.2. 醇基涂料點火干燥：點火干燥過程中涂料中的溶劑在燃燒過程中大部分被燒掉，另一少部分則在熱的驅動下更深地滲入到砂芯內部因為涂料點火后，燃燒的熱量通過涂料傳導到砂型芯表面，砂型芯表面的溫度高于砂型芯內部，砂型芯表層的溶劑及水分會擴散遷移到砂型芯的內部殘存在砂型芯內部的溶劑或水分在澆注時可能會引起氣孔缺陷醇基涂料的點火燃燒性能的好壞會影響到涂料是否徹底干燥當醇基涂料中水分含量較高時會影響涂料的點火及燃燒性能目前常用的懸浮劑如鋰土、凹凸棒土、硅酸鎂鋁等醇基涂料懸浮劑在使用時需要用水引發(fā)，這會增加涂料中水分含量，所以一般會加入少量的助燃劑如溶劑汽油、異丙醇、或芳烴類溶劑以改善涂料的點火燃燒性能。

另一些懸浮劑如有機土屬于無水懸浮劑則沒有這個缺點醇基涂料如果燃燒時間過長或火焰過大可能導致砂型、砂芯局部溫度過高，造成砂型砂芯過燒或開裂如冷芯盒砂芯浸涂醇基涂料時會出現(xiàn)這種情況通常采用自干可以解決過燒的問題也可以推遲點火，以減少燃燒產生的熱量2 澆注過程中的傳熱與傳質鑄造涂料在澆注過程中存在復雜的傳熱傳質，對鑄件的質量、鑄造缺陷的形成有很大的關系澆注初期輻射換熱占主導地位澆注時長時間強烈的輻射換熱，可導致涂層急驟熱膨脹而隆起，造成涂層剝落因此要從澆注系統(tǒng)的設計及涂層本身避免這種情況的發(fā)生大型鑄件生產中這種情況比較突出當涂料與鐵水接觸后則主要以熱傳導為主當然澆注過程中型腔內也存在對流換熱涂料的傳熱傳質特性對鑄件的凝固過程有重要的影響例如，涂料的導熱性影響鑄件的凝固，也影響砂型芯粘結劑的熱分解、砂型芯的高溫退讓性、熱膨脹或相變膨脹，進而影響鑄件粘砂、氣孔、脈紋、結疤等鑄造缺陷的形成例如，鋯英粉涂料不僅有很高的耐火度，還具有很好的導熱性和蓄熱能力，有利于鑄件快速凝固、減少粘砂石墨涂料除具有良好的對鐵水不潤濕性，還具有良好的導熱性，可加速鑄件凝固，因而具有良好的抗粘砂性而具有一定隔熱性的涂料對于防止脈紋和燒結有較好的效果。

在金屬型鑄造中更加重視涂料的導熱性能通過選擇特定的導熱性能的涂料有利于實現(xiàn)金屬型鑄造的順序凝固，獲得健全的鑄件實例：防脈紋涂料[4]在發(fā)動機缸體、缸蓋的生產中，廣泛采用冷芯盒工藝由于不同粘結劑耐熱性的區(qū)別，冷芯的脈紋傾向明顯高于熱芯（覆膜砂）采用冷芯時水套內腔的脈紋缺陷非常普遍，給清理工作帶來很大困難研究發(fā)現(xiàn)，隔熱性能較好的涂料對防止脈紋缺陷有較好的效果根據(jù)這一原理，通過優(yōu)選配方已研制出性能優(yōu)良的防脈紋涂料脈紋是一種典型的膨脹缺陷，即石英砂在573℃發(fā)生相變膨脹而引起砂芯開裂，鐵水滲入裂縫形成脈紋防脈紋涂料的原理在于，具有隔熱性能的涂料層可推遲和減輕砂芯的相變膨脹具有一定隔熱性能的涂層還可以推遲砂芯有機粘結劑的分解、潰散，使砂芯強度保持更長的時間，這也有利于防止砂芯的開裂實例：防炸裂、變形涂料防炸裂、變形涂料的原理與防脈紋涂料相似隔熱性能較好的涂料不僅能夠推遲砂芯粘結劑的分解，使砂芯在更長的時間內保持一定強度，還可以對砂芯的溫升具有較強的緩沖作用，使砂芯內部溫升速度減慢，同時也使砂芯內部的溫差變小，從而有效地減小砂芯內的熱應力，防止砂芯炸裂及變形涂層處于砂型（芯）和鐵水之間，在傳熱的同時也存在復雜的傳質過程，對于鑄鐵件表面石墨衰退及鑄鋼件表面微裂紋等鑄造缺陷的形成有重要的影響。

一般的石墨涂料含有一定量的硫，在與鐵水接觸時，硫元素會擴散到鐵水的表面并進入鐵水表層引起鑄件表面石墨衰退呋喃樹脂砂生產球鐵件時，致密的涂料可阻止含硫氣體從砂型芯內部進入型腔或通過涂料與鐵水接觸，從而可防止鑄件表面石墨衰退的產生圖3 是涂料界面相互作用模型涂料界面模型中包括涂料-金屬液（涂金界面）、涂料-砂型（芯）（涂砂界面）、涂料-型腔氣體（涂氣界面）、金屬液-型腔氣體（金氣界面）四個界面這四個界面存在復雜的傳熱傳質過程而涂料處在這四個界面的核心，無論在傳熱還是傳質方面起著非常關鍵的作用鐵水中巨大熱量通過輻射、對流及熱傳導首先將涂料加熱到很高的溫度，再通過涂料傳導到砂型芯表層及內部傳熱的結果是砂型芯被快速加熱，樹脂粘結劑及固化劑開始慢慢分解，這又導致一系列的結果：一是砂型芯慢慢失去強度，發(fā)生潰散；二是分解產生的氣體使砂芯內部的氣體壓力不斷積聚砂芯內部壓力積聚至某一臨界值后可能導致涂層局部脫落，造成結疤、渣孔或氣孔呋喃樹脂的固化劑加熱分解還會產生有害的硫、氮等氣體含硫氣體又通過涂料擴散至涂料-鐵水界面以及型腔內，型腔內的氣體與鐵水接觸，硫又會從氣液界面進入到鐵水內，導致鐵水增硫，進而引起石墨衰退。

傳熱的第三個結果是石英砂被加熱到573℃以上時會發(fā)生相變膨脹，引起砂芯開裂，鐵水滲入裂縫形成脈紋或燒結傳熱的第四個結果是砂芯內部由于溫差而引起的熱應力，熱應力達到一定數(shù)值后可引起砂芯變形甚至炸裂傳熱的第五個結果是砂型芯吸收熱量使鑄件降溫、凝固這一進程也會受到涂料導熱性的影響，當然也受到砂型芯導熱蓄熱能力的影響所有這些結果都會受到涂料傳熱進程的影響，有意識地利用涂料的這一作用可以減少鑄造缺陷這正是防脈紋涂料、防炸裂涂料、防硫涂料、激冷涂料、保溫涂料的出發(fā)點和依據(jù)[5,6]實例：防硫涂料防硫涂料的原理如下：1) 良好的燒結性能和低透氣性（高的致密性）2) 涂料中的堿性氧化物如CaO或MgO與含硫氣體發(fā)生反應，起到化學吸收的作用，減少了型腔中含硫氣體濃度3) 涂料與鐵水接觸后，涂料中的堿性組份也會在兩者的界面與鐵水中的硫發(fā)生反應，起到一定的脫硫作用4) 優(yōu)良的防硫涂料往往具備吸收和隔離雙重作用使防硫的效果達到最佳目前防硫涂料在高鐵軸箱、風電輪轂、工程機械等重要球鐵件的生產中已獲得廣泛的應用3 結束語1) 鑄造涂料在干燥及澆注過程中存在著復雜的傳熱與傳質過程， 對涂料的使用、干燥及抗粘砂、抗脈紋、防硫等作用有重要的影響。

2) 對流+紅外輻射換熱具有較高的烘干效率，可以降低砂芯及涂料烘干溫度，縮短烘干時間，有效避免因長時間高溫烘干引起的砂芯變形3) 涂料的導熱性影響砂芯的高溫強度及保持時間、硅砂相變膨脹、熱應力、溫差，進而影響到鑄件脈紋、石墨衰退、結疤、粘砂等一系列缺陷4) 通過特殊設計的涂料成分可以控制涂料的傳熱和傳質過程，使涂料具有防止某種缺陷的功能，如防脈紋涂料、防炸裂涂料、防硫涂料等。