纸塑浇管在铸造应用中的一些细节
时间：2022-12-07 18:50:03 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
耿晓明，徐永青，郎 旗（.成都淏泰金属制品有限公司，四川成都 60036：.德州爱可森高压纸模科技有限公司，山东德州 53034）
铸造行业内随着客户对产品质量要求的提升和铸造企业降低生产成本的迫切要求，寻找更优的工艺和使用更廉价且可靠的原材料成为每个铸造企业所面临的迫切的实际问题。就浇注系统而言，高效、简洁而综合成本较低的纸塑浇管逐渐扩大了其应用范围，有逐步取代耐火陶瓷浇管的趋势。目前纸塑浇管的应用已从汽车车身覆盖件模具逐渐扩展到机床铸件、工程机械铸件等领域。
纸塑浇管是由回收纸浆、耐火纤维添加树脂等黏结剂在高温下压制而成，具有轻便，安装方便及产生固体垃圾少等特点，越来越受到铸造工厂的欢迎。但纸塑浇管毕竟是一项近几年新兴的事物，业内很多企业和人员并没有完全掌握其使用工艺。在此浅谈一下纸塑浇管在实际用中的一些细节。
消失模铸造工艺在应用初期浇注系统是使用泡沫（EPS 料）切割制作，都是实心的。这种实心泡沫浇注系统的缺点是发气量大。根据实际测算的数据，铁水浇注时单位体积的泡沫（EPS 料）极短时间可产生5～6 倍体积的气体，浇注铸钢时则产生6～8倍体积的气体。这么大的发气量在浇注初始阶段极易发生铁水“反喷”现象甚至造成操作人员烫伤等事故。在浇注初期浇口杯内的少量金属液并不能完全将产生的气体压住，气体反而从直浇管中溢出，这种现象就是“反喷”，不仅严重威胁操作人员的人身安全，同时也易导致浇注中断造成铸件浇不足，冷隔等缺陷[1]。
若铸件浇注系统全部使用纸塑浇管则可以避免这一问题，因为整个浇注系统都是空心的几乎不产生气体，而且浇注初期浇口杯及浇注系统内的，金属液足以将整个浇管封闭住，所以不会出现反喷现象。
根据金属传热学[2]及实型铸造的充型原理，在浇注充型过程中泡沫制作的浇注系统并不是金属液进去就立即气化消失，而是随着接触金属液面积的增大而逐步气化，金属液逐步占据原来的泡沫浇道空间。在金属液未完全充满浇注系统之前，浇注系统本身的气化产物随着金属液进入铸件本体内易造成夹渣缺陷，而且泡沫浇道涂料层较容易被铁水冲破造成铸件冲砂。而纸塑浇管由于是以子母扣形式连接的中空纸管故连接好之后形成密闭中空管道，加上纸塑浇管的耐火耐高温铁水冲刷的特性则可以避免铸件产生冲砂、夹渣等缺陷。
纸塑浇管整套的工艺源于日本的木村铸造和花王化工，随后引入国内。笔者最早接触纸塑浇管是在2014 年，小批量使用了进口的一些纸塑浇管进行工艺试验。期间综合了业内人员对纸塑浇管的看法，发现很多人把纸塑浇管看做是陶瓷管一类的东西，其实将其看做一种特殊的涂料层更为恰当。
纸塑浇管需要砂型为其提供支撑力，以保证其能承受高温金属液的冲刷。传统的砂型铸造工艺中，采用砂型浇道表面刷涂一层醇基涂料后，也可以承受短时间（60 s～120 s）的高温金属液冲刷。由于纸塑浇管需要砂型为其提供支撑力，所以型砂的紧实程度需要重点关注，但也不能因为过度紧实而损坏纸塑浇管。纸塑浇管与传统的砂型表面刷耐火涂料的工艺同样是把金属液与型砂隔开，从这点来看，纸塑浇管可以看做是一种成型的涂料层。采用砂型浇道涂刷3 mm～5 mm 厚的涂料，尚且不能完全阻止冲砂缺陷的产生，而使用纸塑浇管则完全避免了这一缺陷。在整个生产过程中也未曾发现有纸塑浇管破损的情况。
纸塑浇管具有很多优点：1）采用榫卯方式连接，连接头一大一小，对接时插入即可，使用很方便。2）是纸塑浇管质量小，运输方便。3）由于其是纸质材料，在使用过程中可以用剪刀、小钢锯等工具任意截取所需要的长度，方便快捷。4）其使用过程中经过与高温铁水接触在近真空环境下（铁水进入浇注系统封闭了其内部空间造成真空环境）碳化，形成质量很轻的碳灰，碳灰在砂处理系统中直接被当做粉尘而被处理掉，不会对再生砂产生任何影响。5）其制作原材料来源广且廉价。
铸造行业所使用的用于做浇注系统的纸塑浇管目前只有一种，不同厂家的添加成分配比不同而已，相信未来随着技术的进步会有更廉价更方便可靠的纸塑浇管被生产出来。
2.1 纸塑浇管的连接方式
目前市场上的纸塑浇管都是采用的榫卯口结构，使用时直接将各个组元拼插起来即可，而如需切割时，使用手工锯切割相应的长度后，使用纸胶带粘接即可，使用起来非常简单方便。在拼插的时候，需要注意纸塑浇管的拼接方向和金属液的流动方向要匹配。如图1 所示为纸塑浇管的连接方式。
图1 纸塑浇管的连接方式
2.2 纸塑浇管连接的优化
根据动态传热学的基本原理[3]：液态金属流经的途径越长，热量损失就越多越快；
流经的截面越小，散热也越多越快；
流动的速度越慢，热量损失也越多越快。浇注系统设置越复杂，液态金属在流动过程中损失的热量也越多。大量热量的无谓损失恰恰是实型铸造产生各种缺陷的关键原因。
根据我公司的工艺，内浇道使用φ50 mm 的纸管，而横浇道和直浇道使用φ70 mm 的纸管。按照上述原则，应尽量缩短φ50 mm 纸管的长度。图2 所示为实际生产时纸管连接方式实例。蓝色线条为优化后的选择。如果采取优化后的连接方式，φ50 mm的纸管可以减少2 m，相应增加φ70 mm 的纸管1.5 m.无论从工艺角度还是生产成本节约方面都是较优的选择。不过由于纸塑浇管工艺的灵活性好，工艺宽容度高，使用未优化的连接方式，铸件也没有出现问题。公司前期试验生产阶段，其中重要一点是为了让工人熟悉纸塑浇管的操作使用，浇道连接的优化工作应在后续的生产中慢慢实行。
图2 纸管连接的优化
2.3 纸塑浇管浇注系统
图3 为纸管浇注系统简图，其组元组成包括：φ50 mm 内浇口，φ50 mm 内浇道，φ50 mm 弯头，φ70 mm～φ50 mm 变径三通，φ70 mm 横浇道和直浇道，φ70 mm 弯头，规格如表1 所示。
表1 纸管浇注系统组元组成
图3 纸管浇注系统简图
通过计算和实践生产验证，可以发现φ70 mm的浇管截面积恰恰等于两根φ50 mm 的浇管。这样直浇道、横浇道和内浇口的截面比例就是恒定。浇注系统截面比例为：F直∶F横∶F内=1∶1∶1.02.按照流量连续性方程[4]：
恒定的浇注系统截面比例，意味着在金属液在进入型腔的速度是稳定的，很少出现紊流等情况，这样就可以避免卷渣、卷气等问题，对产品质量的提升是一个利好因素。
目前过滤器盒的安装采用的是对半式拼接，如图4a）所示，用两个规格相同的过滤器盒盖将过滤片夹在中间，四周使用纸胶带缠绕使其牢固另外为了防止型砂进入。目前与纸塑浇管配合的这种过滤器盒采用的是和纸塑浇管相同材质，这种结构简易，厂家不用开发复杂的成型模具。图4b）为一种专利产品[5]，采用大小盖子母扣式，使用时将过滤片放入，上下盖一扣合即可，扣好之后在使用时其接头依然和纸塑浇管的直管接头相同，插入即可，使用非常的方便只是制作厂家需要开发上下盖专用的模具，成本较高。
图4 过滤器组合示意图
无论采取何种形式，安装过滤器必须要校核过滤片的有效使用面积，即过滤片的过流系数。必须要保证足够的过流面积，以免出现过滤片阻流导致铸件浇不足或气化不良等缺陷。一般的过滤片，针对灰铁而言，其过流能力约为4 kg/cm2～6 kg/cm2；
针对球铁而言，其过流能力约为2 kg/cm2～4 kg/cm2.过滤片的有效过流面积要达到内浇口截面积的2～4倍才能保证不出现阻流现象。过滤片总的有效过流面积约为7 200 mm2，约为内浇口截面的3.6 倍，完全符合预期设计。在生产中也极少发生因过滤器过流能力不足而造成堵塞进而引起的浇不足现象。
简述了纸塑浇管工艺的起源和本公司使用纸塑浇管的一些经验。据统计用纸塑浇管生产的铸铁铸件其浇注系统成本在45 元/吨～47 元/吨，虽然目前陶瓷浇注系统的成本也基本与之持平，但陶瓷浇注系统的制作成本在目前原材料价格上涨的大形势下并不具备优势。此外陶瓷浇道的重量、易碎、不易切割以及产生的固体垃圾多等缺点也比较突出，纸塑浇管在相当程度上取代陶瓷浇道成为趋势。在此需要强调的是，前期在纸塑浇管使用时一定要由技术人员现场指导，浇注系统和过滤片的过滤金属液量提前计算好。员工操作过程中应注意第一避免用硬物损坏纸塑浇管，第二放砂过程中避免脚踩纸塑浇管。掌握好以上几个要素，纸塑浇管的经济性、可靠性、便捷性决定其将来在铸造行业内使用范围会越来越广。
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