熱模法離心鑄造用珍珠巖基隔熱涂料

梅燕娜，暴延強(qiáng)，林雪川，宋 斌，董小宏，孔少華

（1.新興河北工程技術(shù)有限公司，河北 邯鄲 056000；2.廣東新興鑄管有限公司，廣東 陽(yáng)春 529600）

管模是離心鑄造中熱態(tài)工作的模具，連續(xù)生產(chǎn)中承受急劇的熱交變負(fù)荷，當(dāng)殘余應(yīng)力的積累超過(guò)材料的極限強(qiáng)度后會(huì)產(chǎn)生熱裂紋網(wǎng)格，超過(guò)一定程度管模會(huì)報(bào)廢[1]。管模價(jià)格昂貴，為降低生產(chǎn)成本，改善管模生產(chǎn)條件，延長(zhǎng)管模壽命，目前保護(hù)管模有效方法有兩種：涂覆硅藻土涂料和布樹(shù)脂砂。由于樹(shù)脂砂法所生產(chǎn)的鑄管表面質(zhì)量比較差，且生產(chǎn)中產(chǎn)生有害氣體對(duì)環(huán)境有污染，已被涂料法所淘汰。

1 熱模離心鑄造用隔熱涂料的組成

離心鑄管涂料一般由基料（耐火絕熱料）、粘結(jié)劑和懸浮劑、載體等組成。由于高溫鐵水直接作用于涂層表面，因此在澆注的瞬間，涂層表面溫度將達(dá)到1200℃～1300℃，在此狀態(tài)下涂料性能保持穩(wěn)定，不得出現(xiàn)熔融、分解、軟化等現(xiàn)象。

2 涂料的要求

根據(jù)熱模法離心鑄造球鐵管要求：

（1）涂料應(yīng)具有較高的耐火度，使涂料不被高溫金屬融化。

（2）涂料應(yīng)具有較高的內(nèi)聚強(qiáng)度和附著強(qiáng)度，是為了防止涂層在澆注時(shí)因鐵液的沖刷而脫落，同時(shí)在鑄管凝固后，涂層又能附著在管壁上并隨鑄管一起從鑄型中被拉出，且易清理[2]。

（3）涂料應(yīng)具有較小的發(fā)氣量，為了防止鑄管產(chǎn)生氣孔、針孔等缺陷。

（4）涂料應(yīng)具有適當(dāng)?shù)恼扯?、足夠的流?dòng)性和均勻性。

3 硅藻土基隔熱涂料和珍珠巖基隔熱涂料對(duì)比

硅藻土是一種生物成因的硅質(zhì)沉積巖，主要含硅藻質(zhì)的二氧化硅[3]。硅藻土為多孔結(jié)構(gòu)，通常呈淺黃色或者淺灰色，具有質(zhì)軟、能隔熱、吸附性強(qiáng)、熔點(diǎn)高、熱穩(wěn)定性好的特點(diǎn)。硅藻土的多孔性對(duì)鑄管的外觀質(zhì)量起著重要的作用。在高溫鐵水的作用下，從涂料原料中釋放、來(lái)不及從未凝固鐵水中析出的氣體可以?xún)?chǔ)存在多孔質(zhì)的涂料內(nèi)，防止鑄管外表面形成氣坑、針孔等缺陷[1]。

珍珠巖是一種酸性火山玻璃質(zhì)熔巖，在高溫條件下可獲得膨脹珍珠巖，其體積是原體積的10～25倍，內(nèi)部呈微孔狀結(jié)構(gòu)。膨脹珍珠巖受其結(jié)構(gòu)影響，具有較大的親水性，易吸附周?chē)h(huán)境中的水，吸水率一般為自重的4～9倍[4]。

廣東新興鑄管有限公司現(xiàn)采用基料為硅藻土涂料，硅藻土選用長(zhǎng)白山硅藻土粘結(jié)劑和懸浮劑采用膨潤(rùn)土，載體為水，涂料配置參數(shù)見(jiàn)表1，澆注鑄管前要將管模預(yù)熱至一定溫度（180℃～200℃），利用壓縮空氣及噴嘴使涂料霧化來(lái)進(jìn)行噴涂，主要通過(guò)調(diào)整輸送涂料壓力（罐壓），噴涂風(fēng)壓，以及噴嘴間隙等參數(shù)來(lái)調(diào)整霧化效果，在管模內(nèi)經(jīng)多次噴涂后形成一定厚度的涂層。

表1 涂料配制參數(shù)

圖1 涂料制備工藝流程圖

由于硅藻土資源問(wèn)題，同時(shí)要降低球鐵管生產(chǎn)成本，提出了一種種新配方的隔熱涂料，將原基料由硅藻土更換為珍珠巖助濾劑，具有較高的抗沖蝕性能、耐火強(qiáng)度和脫模性，以及較低的發(fā)氣量、滲透性和吸濕性和長(zhǎng)時(shí)間的儲(chǔ)存穩(wěn)定性能。

珍珠巖較硅藻土而言，具有低的吸水性和發(fā)氣性，高的耐熱性，以及更為低廉的成本，選擇珍珠巖作為耐火骨料的主要成分，配合鈉基膨潤(rùn)土能夠制備得到性能優(yōu)異、表面質(zhì)量更高的管模涂層。

表2 珍珠巖基料性能指標(biāo)

4 珍珠巖基隔熱涂料制備方法

4.1 珍珠巖基隔熱涂料制備

（1）泥漿的配制過(guò)程。先向泥漿罐中加入水180公斤，再將15公斤鈉基膨潤(rùn)土逐漸加入，邊加邊攪拌，攪拌6小時(shí)以上，泥漿方可使用。

（2）涂料的配制過(guò)程。按照涂料配比，計(jì)算水、泥漿、珍珠巖助濾劑的加入量。先向攪拌罐中加入水，再加入泥漿，攪拌約3分鐘再加入珍珠巖助濾劑。珍珠巖助濾劑要緩慢加入，防止珍珠巖沉入罐底，攪拌10分鐘后，用刮板將罐周?chē)掣降恼渲閹r助濾劑刮下，再重新攪拌，涂料攪拌半小時(shí)后，加水調(diào)其粘度以備使用。

4.2 珍珠巖基隔熱涂料性能測(cè)試

對(duì)制備好的珍珠巖基隔熱涂料進(jìn)行懸浮性測(cè)試、發(fā)氣性測(cè)試、滲透性測(cè)試、高溫抗裂性測(cè)試、粘度測(cè)試、吸濕性測(cè)試，具體方法介紹如下。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 珍珠巖基隔熱涂料測(cè)試結(jié)果

（1）懸浮性測(cè)試。測(cè)懸浮性的方法采用靜置法，將配置好的涂料放置于100ml量筒中，將其靜置24h后，觀測(cè)清澈液的體積與整個(gè)涂料懸浮液體積的百分比。

（2）發(fā)氣性測(cè)試。涂料的發(fā)氣量是單位質(zhì)量分?jǐn)?shù)的涂料在高溫下涂料揮發(fā)的氣體體積，單位是 ml/g，采用智能發(fā)氣性測(cè)試儀測(cè)試，測(cè)試溫度為1200℃，測(cè)試時(shí)間2min。

（3）滲透性測(cè)試。通常考察涂料的滲透深度，將標(biāo)準(zhǔn)型砂試樣在涂料中浸泡3 s并烘干后，鋸開(kāi)試樣，用卡尺測(cè)量試樣斷面上涂料的滲透深度。

（4）高溫抗裂性測(cè)試。將均勻涂上涂料并經(jīng)烘干的砂樣置于1200℃的箱式爐中急熱保溫 2 min，迅速打開(kāi)爐門(mén)觀察是否有裂紋以及裂紋的大小和數(shù)量 對(duì)涂層的裂紋情況，可以按以下4 級(jí)評(píng)定。

I級(jí)：表面光滑沒(méi)有裂紋，或者只有特別細(xì)的裂紋，基體和涂料之間沒(méi)有剝離的現(xiàn)象。

II級(jí)：涂層上有細(xì)小的網(wǎng)狀或者樹(shù)枝狀裂紋，裂紋寬度＜0.5 mm，基體和涂料之間沒(méi)有剝離的現(xiàn)象。

III級(jí)：涂層有網(wǎng)狀或者樹(shù)枝狀裂紋，寬度＜1mm，裂痕比較深，沒(méi)有貫通的粗裂紋， 基體和涂料之間沒(méi)有剝離的現(xiàn)象。

IV級(jí)：涂層上有網(wǎng)狀或者樹(shù)枝狀的裂紋，寬度＞1 mm，有貫通的裂紋，基體和涂料間有剝離的現(xiàn)象。

粘度測(cè)試，采用T6杯測(cè)試涂料粘度。

（5）吸濕性測(cè)試。采用稱(chēng)重法測(cè)量，將稱(chēng)重后質(zhì)量為M0的鑄造涂料涂層試樣，放在恒濕箱中保持溫度為23±1℃，相對(duì)濕度95±1%，放置24h后，測(cè)試試樣質(zhì)量為M1，則鑄造涂料涂層的吸濕率為（M1-M0）/M0×100%。

5 珍珠巖基隔熱涂料噴涂方法和使用效果

（1）將管模清洗干凈，升溫至160℃～200℃，軸向溫差≤30℃，備用。

（2）向管模噴涂大口徑球墨鑄鐵管模涂料，噴嘴5mm，噴嘴數(shù)量8個(gè)，噴嘴，距管模距離為200mm～400mm，管模轉(zhuǎn)速為40r/min～60r/min，噴涂風(fēng)壓為0.4Mpa～0.6Mpa，噴涂管道壓力為0.25Mpa～0.4Mpa，噴涂罐罐壓0.45Mpa～0.55MPa，噴涂涂層厚度為0.8mm～1.2mm，噴涂小車(chē)走速0.2m/秒，噴涂次數(shù)3次。噴涂效果見(jiàn)圖2。噴涂涂層減薄后和增加噴嘴后，機(jī)時(shí)產(chǎn)量提高，DN1600和DN1800機(jī)時(shí)產(chǎn)量增加2根/時(shí)。

圖2 管模噴涂后狀態(tài)

將珍珠巖基隔熱涂料按照上述施工方法進(jìn)行噴涂，用于制備大口徑球墨鑄鐵管DN 2200，制備得到的鐵管具有≥430Mpa的抗拉強(qiáng)度，和≥9%的最小延伸率，以及球化等級(jí)3，石墨大小等級(jí)≥6級(jí)，滲碳體含量≤1%和珠光體≤25%的金相組織，見(jiàn)圖3。

圖3 DN2200熱模離心球墨鑄鐵管制備（涂層均勻，無(wú)螺旋線）

6 結(jié)論

（1）珍珠巖具有多孔性能，配合鈉基膨潤(rùn)土能夠制備得到性能優(yōu)異、表面質(zhì)量更高的管模涂層。

（2）珍珠巖基隔熱涂料噴涂到管模內(nèi)壁上涂層均勻，無(wú)裸線線。

噴涂工藝方法：噴嘴5mm，噴嘴數(shù)量8個(gè)，噴嘴，距管模距離為200mm～400mm，管模轉(zhuǎn)速為40r/min～60r/min，噴涂風(fēng)壓為0.4Mpa～0.6Mpa，噴涂管道壓力為0.25Mpa～0.4Mpa，噴涂罐罐壓0.45Mpa～0.55MPa，噴涂涂層厚度為0.8mm～1.2mm，噴涂小車(chē)走速0.2m/秒，噴涂次數(shù)3次。噴涂涂層減薄后和增加噴嘴后，機(jī)時(shí)產(chǎn)量提高，DN1600和DN1800機(jī)時(shí)產(chǎn)量增加2根/時(shí)。

（3）制備大口徑球墨鑄鐵管DN 2200，制備得到的鐵管具有≥430Mpa的抗拉強(qiáng)度，和≥9%的最小延伸率，以及球化等級(jí)3，石墨大小等級(jí)≥6級(jí)，滲碳體含量≤1%和珠光體≤25%的金相組織，生產(chǎn)產(chǎn)品合格。