涂层烧结状态对离心铸钢管表面质量的影响.pdf

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1994.03.003 第16辔第3期北京科技大学学报 Vol.16 No.3 1994年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jume 1994 涂层烧结状态对离心铸钢管表面质量的影响+ 蔡震升)戎豫) 缪荣斌2) 1)北京科技大学冶金系，北京1000832)上海第五钢铁厂情要对各种不同耐火填料组成的耐火涂层进行电镜扫描分析，研究了涂层烧结状况与，管表面质量的关系，特别是对，管表面气孔形成的机理进行了深人分析，结果表明耐火涂层的导热性、烧结温度、烧结速度和金属液的冷凝速度将直接影响气孔缺陷的产生，降低涂层的热传导性能、控制涂层的烧结程度可有效地避免铸管产生气孔缺陷· 关镛词离心造，钢管，耐火涂料，烧结，铸件缺陷中图分类号TG249.4,TQ175.71 The Effects of Sintering of Coating Layers on Surface Quality of the Centrifugal Casting Steel Pipes Cai Zhensheng)Rong Yu)Miao Rongbing?) 1)Department of Metallurgy USTB,Beijing 100083,PRC 2)Shanghai No.5 Steel and Iron Works ABSTRACT In this paper,the sintering layers of the coating compounded by different refractories were observed with SEM,and the relation between the state of the coating layers and the surface quality of the casting steel pipes have been studied.It is put forward that the thermal conductivity,the sintering degree of coating can effect the surface quality of the cast- ing pipes directly.Reducing the thermal conductivity and the sintering degree of coating can avoid the pinholes. KEY WORDS centrifugal casting,steel pipe,refractory coating,sintering of coating layer,cast- ing defects 在离心铸钢管生产过程中，为了保护金属模简免受金属液的热冲击和热侵蚀，防止铸管粘附在模筒上，通常必须在金属模简内喷涂料·这不仅能延长模简寿命、控制铸管冷却速度，而且能直接影响铸管的表面质量，优质涂料能有效防止铸管表面产生气孔、冷隔、粘砂等缺陷，提高铸管表面光洁度·但在我国离心铸钢管生产过程中涂料问题一直没得到很好地解决，管子因铸造缺陷时常报废，特别是表面气孔缺陷成为影响铸管质量的主要问题.为牛石化包公司可资的课照第-作者男6岁散投 1993-07-02收稿

第 16 . 第 3 期 1 9 9 4 年 6 月北京科技大学学报 oJ unr a l o f U ni ve sr iyt o f S d ne ec a n d T ec h no of g y Be ij ni g V o l . 16 N 0 . 3 J. 想 19 9 4 涂层烧结状态对离心铸钢管表面质量的影响 + 蔡震升 ’ ) 戎豫 ’ ) )l 北京科技大学冶金系 , 北京 1(众 )8 3 缪荣斌 “ ) 2) 上海第五钢铁厂摘要对各种不同耐火填料组成的耐火涂层进行电镜扫描分析 , 研究了涂层烧结状况与铸管表面质t 的关系 , 特别是对铸管表面气孔形成的机理进行了深人分析 . 结果表明耐火涂层的导热性、烧结温度、烧结速度和金属液的冷凝速度将直接影响气孔缺陷的产生 . 降低涂层的热传导性能、控制涂层的烧结程度可有效地避免铸管产生气孔缺陷 . 关扭词离心铸造 , 钢管 , 耐火涂料 , 烧结 , 铸件缺陷中圈分类号 I U 249 . 4 , T Q 175 . 71 T h e E 伟戈 ts o f S i nte r ign o f C o a t ign aL ye rs o n S u r af ce Qau lit y o f t he C e n t ir gfu a l C a s t ign S te l P i娜 + aC i hZ 例hs gen 1) R on g l ) D e P a rt m e n t o f M e t a ll u r g y U S T B , B e i j i n g 10 0 0 8 3 , uY l ) P R C M ia o R o n gb i n g ’ ) 2 ) S h a n g h a i N o . 5 S t e e l a n d I r o W O r k S AB S T R A C T I n ht is P a P e r , ht e s in et irn g h y esr o f het co a t in g co m P o u n d记 b y d流咖t 肥n Z cot ir 巴讹er 。忱e vr ed iw ht 5 E M , a dn ht e er 恤it o n be t w 戊泊 ht e s at et of ht e co a 血g 恤ye sr a n d t h e s u而沈 q ua il yt o f ht e ca st in g st e l P IPo ha ve b 沈n s ut d ied . I t 15 Pu t fo war dr ht a t ht e ht e n m以 1 co n d u ict vi yt , t h e s in 伽如9 d e g代笼 o f co a it gn ca n e 爪众 ht e s u 而 ce q ua il yt o f ht e ca s t - in g P IP巴 d派双 ly . R ed u icn g ht e ht e an l co dn u ict vi yt a n d ht e s in et irn g d eg er o f co a itn g ca n a vo id ht e Pin h o l es . KE Y w 0 R 6D cen itr fu g a l cas itn g , s州 Pip e , 比加cot 斗 co a t in g , s in et ir n g o f co a t in g la y e r , ca s t - in g d e角=tS 在离心铸钢管生产过程中 , 为了保护金属模筒免受金属液的热冲击和热侵蚀 , 防止铸管粘附在模筒上 , 通常必须在金属模筒内喷涂料 . 这不仅能延长模筒寿命、控制铸管冷却速度 , 而且能直接影响铸管的表面质量 . 优质涂料能有效防止铸管表面产生气孔、冷隔、粘砂等缺陷 , 提高铸管表面光洁度 . 但在我国离心铸钢管生产过程中涂料问题一直没得到很好地解决 , 管子因铸造缺陷时常报废 . 特别是表面气孔缺陷成为影响铸管质量的主要间题 . 为 l卯3 一 07 一胜收稿 + 石化总公司资助课题第一作者男 56 岁教授 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1994. 03. 003

Vol.16 No.3 蔡震升等：涂层烧结状态对离心，钢管表面质量的影响 213· 了消除表面气孔等缺陷，我们在配制低发气性涂料的基础上，对耐火涂层烧结特性和涂层对铸管表面质量的影响机理进行了探讨， 1 实验方法和实验结果本实验在确定粘结剂和悬浮剂的基础上，选用不同耐火填料来配制涂料.选用的粘结剂为硅溶胶和PVA,悬浮剂为膨润土和CMC,耐火填料选用皓英石粉、石英粉、刚玉粉和高铝粉，浇注试验后，用扫描电子显微镜(SEM)观察涂料烧结层试样径向断口自然形貌，浇注实验用的铸管材质为ZG4Cr28Ni48W5,铸管内径为127mm,外径为145mm, 长为1657mm.每种涂料试验5根铸管，综合5根铸管的表面质量加以评述.表1列出了各种涂料的浇注试验结果，表1各种涂料的浇注试验结果 Table 1 Experimental results of various refractory coatings 耐火填料含量/% 浇注结果序号皓英石英刚玉高铝涂料烧铸管表面铸管涂层模简涂石粉将粉结情况质量剥高层剥离 C 100 烧结良好光洁，有气孔易易 C 70 30 部分烧结较光，有气孔 C 50 50 部分烧结较光，无气孔易易 100 未烧结较光，无气孔粘砂较易 C 100 部分烧结光消，无气孔 $ 易 C 而 0 部分烧结不光，无气孔粘砂较易 C 100 部分烧结不光，无气孔粘砂较易由表1可见，C、C,涂料的铸管表面虽然光洁，但有气孔.C6、C,铸管表面虽无气孔，但表面不光，有的地方呈桔皮状，局部地方有凹坑.C、C、C铸管表面无气孔，光洁程度较好，但其中C,涂料由于未烧结，铸管表面有粘砂，难于清理，因此从浇注结果来看，最理想的涂料是能够部分烧结的高铝粉涂料和英石粉与石英粉复合涂料， 2实验结果分析 2.1涂层的烧结状态对涂料烧结层进行径向自然断口的形貌扫描观察后可将烧结状态分为3类【： (1)高烧结类（玻璃态）：如C,皓英石粉涂料，断口扫描发现无论近铸管内侧还是靠近模筒的外侧均呈良好烧结状态，相当多的耐火填料外层被熔化，玻璃相占10%~15%以上.C 高铝粉涂料近铸件内侧也属此类，如图1(a)所示， (2)低烧结类：如C2CC6C,锆英石粉与石英粉复合涂料的内侧属这种情况，耐火填料被烧结成陶瓷态，由于导热性的差异，这些涂料烧结层在径向上致密度存在很大差异，如图2所示，从图2可以发现，涂层近模筒一侧比近铸管一侧明显地要疏松得多.对C,石英粉涂层外侧基本上未烧结，耐火填料呈明显的颗粒状态，内侧则烧结较好，C,涂料的外侧也属这种类型，如图1

Vb l . 16 N b . 3 蔡展升等: 涂层烧结状态对离心铸钢管表面质童的影响了消除表面气孔等缺陷 , 我们在配制低发气性涂料的基础上 , 对耐火涂层烧结特性和涂层对铸管表面质量的影响机理进行了探讨 . 1 实验方法和实验结果本实验在确定粘结剂和悬浮剂的基础上 , 选用不同耐火填料来配制涂料 [ ’ ] . 选用的粘结剂为硅溶胶和 P V A , 悬浮剂为膨润土和 C M C , 耐火填料选用错英石粉、石英粉、刚玉粉和高铝粉 . 浇注试验后 , 用扫描电子显微镜 ( SE M ) 观察涂料烧结层试样径向断口自然形貌 . 浇注实验用的铸管材质为 Z G 4 C r2 8 iN 48 W S , 铸管内径为 127 m m , 外径为 145 111111 , 长为 1 6 57 111111 . 每种涂料试验 5 根铸管 , 综合 5 根铸管的表面质量加以评述 . 表 l 列出了各种涂料的浇注试验结果 . 裹 1 各种涂料的浇注试脸结果 1妞b她 1 E x eP ir m e n at l r es ul st of v a ir o us r e far tC o yr e o a it n g s 耐火坟料含 t / % 浇注结果序号错英石英刚玉高铝涂料烧铸管表面铸管涂层模筒涂石粉粉粉粉结情况质 t 剥离层剥离 C , 1的烧结良好光洁 , 有气孔易易 q 70 30 部分烧结较光 . 有气孔易易 C , 印印部分烧结较光 , 无气孔易易 C ; 1的未烧结较光 , 无气孔粘砂较易 C 5 1的部分烧结光洁 , 无气孔易易 c 。 30 70 部分烧结不光 . 无气孔粘砂较易 C : 1的部分烧结不光 , 无气孔粘砂较易由表 1 可见 , C , 、 C : 涂料的铸管表面虽然光洁 , 但有气孔 . C 6 、 C : 铸管表面虽无气孔 , 但表面不光 , 有的地方呈桔皮状 , 局部地方有凹坑 . C 3 、 C 4 、 C S 铸管表面无气孔 , 光洁程度较好 , 但其中 C ; 涂料由于未烧结 , 铸管表面有粘砂 , 难于清理 . 因此从浇注结果来看 , 最理想的涂料是能够部分烧结的高铝粉涂料和错英石粉与石英粉复合涂料 . 实验结果分析涂层的烧结状态对涂料烧结层进行径向自然断口的形貌扫描观察后可将烧结状态分为 3 类 ! 2 :] ( l) 高烧结类 (玻璃态:) 如 C , 错英石粉涂料 , 断口扫描发现无论近铸管内侧还是靠近模筒的外侧均呈良好烧结状态 , 相当多的耐火填料外层被熔化 , 玻璃相占 10 % 一 15 % 以上 . C S 高铝粉涂料近铸件内侧也属此类 , 如图 1 (a) 所示 . ( 2) 低烧结类 : 如 C Z 、 C 3 、 C 6 、 C : 错英石粉与石英粉复合涂料的内侧属这种情况 , 耐火填料被烧结成陶瓷态 . 由于导热性的差异 , 这些涂料烧结层在径向上致密度存在很大差异 , 如图 2 所示 . 从图 2 可以发现 , 涂层近模筒一侧比近铸管一侧明显地要疏松得多 . 对 C ? 石英粉涂层外侧基本上未烧结 , 耐火填料呈明显的颗粒状态 , 内侧则烧结较好 . C 。涂料的外侧也属这种类型 , 如图 1

Vol.16 No.3 蔡震升等：涂层烧结状态对离心铸钢管表面质量的影响 215, 由图4可见，孔洞内壁比较光滑，是涂层内气体贮存的场所，形成烧结层内的气孔· 烧结层内气孔的形成原因主要有两个：(1)涂料层的烧结.烧结后颗粒总表面积减少，体系由此降低表面能以达到稳定平衡状态，正是体系内部的烧结，使填料颗粒之间聚结、长大，长大过程中填料颗粒的蠕动为孔洞的形成提供了条件，(2)涂层在高温作用下，会产生一定量的气体·当气体达到一定压力后便可能进人金属液内，如果在金属液凝固过程中来不及通过浮力作用排出这种气体，则可能在铸件内产生气孔·气体向金属液表面渗人的同时，也会由涂层内侧向外侧传渗，由于烧结层较致密，传渗很困难，这样气体仍在填料颗粒之间的细小空隙中聚集起来，随着气体的不断聚集，气体压力越来越大，加上填料颗粒之间有高温蠕动，使得气孔不断长大·气孔的形状与烧结程度有关，烧结得越好，气孔形状越圆整.总之，烧结层中的气孔是涂层发气和填料颗粒高温蠕动、烧结的结果， 2.3涂层烧结状态与铸管表面气孔形成的关系涂层在高温下都有一定发气量，涂层发出的气体形成-一定压力后，有向铸管表面和涂层内传渗两个方向，使铸管表面产生气孔缺陷的主要因素是涂层的导热能力、烧结温度、烧结速度、金属液的冷凝速度· 涂层的导热能力好，金属液冷凝速度大，同时烧结层厚度也大；烧结温度低，则烧结程度高，烧结层致密；烧结速度快则涂层致密度会过早地提高·这些都不利于气体通过烧结层向外侧传渗·气体对金属液的侵人也是有条件的，即气体必须达到一定临界压力后，才能侵入到铸管内部，因此比较理想的情况是，在铸管未完全凝固之前，涂层烧结层很薄.涂层发出的气体很容易通过涂层传到近模筒一侧，贮存在比较疏松的涂层耐火填料颗粒之间·这样近铸管处气体的压力就相应地减小，使气体达不到侵人铸管表面的临界压力，从而可有效地阻止铸管表面产生气孔· 下面就C,至C,涂层烧结状况与铸管表面质量之间作一对比分析· C、C,涂层为锆英石粉为主的涂层，锆英石粉导热性能好、烧结温度低、烧结速度快，使致密的烧结层迅速形成，加上涂层导热快后，金属液冷凝速度快.这些都不利于气体的排出，故C、C,铸管表面有细小针孔出现，但C、C,铸管因金属液冷凝快而表面比较光洁、无粘砂现象· C。,C,涂层为石英粉为主的涂层，石英粉导热性能差、不容易烧结，故烧结层厚度大为减薄，气体通过薄薄的烧结层逸出的阻力很小·气体达到一定压力后便通过烧结层朝模筒方向逸出并贮存在烧结层的孔洞之中.烧结层中气孔的存在图4已经观察到了，这样铸管表面不会出现气孔·又由于C。、C,涂层的导热性差，金属液冷凝慢，生产出的铸管表面不光洁，粗糙度大· C,C涂层则介于C、C,和C6、C,之间，此时涂层的导热性能、烧结程度和金属液冷速均较适中，生产出的铸管表面无气孔、光洁度好· C,涂层为刚玉粉涂层，刚玉粉导热性能虽较好，但烧结温度高，涂层内外侧均不烧结、不致密，有利于气体由铸管一侧向模简方向排逸·生产出的铸管表面无气孔，比较光洁，但由于烧结不好，涂层从铸管表面剥离时，有薄薄的粘砂层存在· (下转234页)

Vo l . 16 N o . 3 蔡震升等 : 涂层烧结状态对离心铸钢管表面质量的影响 · 2巧由图 4 可见 , 孔洞内壁比较光滑 , 是涂层内气体贮存的场所 , 形成烧结层内的气孔 . 烧结层内气孔的形成原因主要有两个 : ( l) 涂料层的烧结 . 烧结后颗粒总表面积减少 , 体系由此降低表面能以达到稳定平衡状态 . 正是体系内部的烧结 , 使填料颗粒之间聚结、长大 , 长大过程中填料颗粒的蠕动为孔洞的形成提供了条件 . (2) 涂层在高温作用下 , 会产生一定量的气体 . 当气体达到一定压力后便可能进人金属液内 , 如果在金属液凝固过程中来不及通过浮力作用排出这种气体 , 则可能在铸件内产生气孔 . 气体向金属液表面渗人的同时 , 也会由涂层内侧向外侧传渗 . 由于烧结层较致密 , 传渗很困难 , 这样气体仍在填料颗粒之间的细小空隙中聚集起来 . 随着气体的不断聚集 , 气体压力越来越大 , 加上填料颗粒之间有高温蠕动 , 使得气孔不断长大 . 气孔的形状与烧结程度有关 , 烧结得越好 , 气孔形状越圆整 . 总之 , 烧结层中的气孔是涂层发气和填料颗粒高温蠕动、烧结的结果 . 2 . 3 涂层烧结状态与铸管表面气孔形成的关系涂层在高温下都有一定发气量 , 涂层发出的气体形成一定压力后 , 有向铸管表面和涂层内传渗两个方向 . 使铸管表面产生气孔缺陷的主要因素是涂层的导热能力、烧结温度、烧结速度、金属液的冷凝速度 . 涂层的导热能力好 , 金属液冷凝速度大 , 同时烧结层厚度也大 ; 烧结温度低 , 则烧结程度高 , 烧结层致密 ; 烧结速度快则涂层致密度会过早地提高 . 这些都不利于气体通过烧结层向外侧传渗 . 气体对金属液的侵人也是有条件的 , 即气体必须达到一定临界压力后 , 才能侵人到铸管内部 . 因此比较理想的情况是 , 在铸管未完全凝固之前 , 涂层烧结层很薄 . 涂层发出的气体很容易通过涂层传到近模筒一侧 , 贮存在比较疏松的涂层耐火填料颗粒之间 . 这样近铸管处气体的压力就相应地减小 , 使气体达不到侵入铸管表面的临界压力 , 从而可有效地阻止铸管表面产生气孔 . 下面就 C : 至 C 7 涂层烧结状况与铸管表面质量之间作一对比分析 . C I 、 C Z 涂层为错英石粉为主的涂层 . 错英石粉导热性能好、烧结温度低、烧结速度快 , 使致密的烧结层迅速形成 . 加上涂层导热快后 , 金属液冷凝速度快 . 这些都不利于气体的排出 , 故 C l 、 C Z 铸管表面有细小针孔出现 , 但 C l 、 C Z 铸管因金属液冷凝快而表面比较光洁、无粘砂现象 . C 6 、 C 7 涂层为石英粉为主的涂层 . 石英粉导热性能差、不容易烧结 , 故烧结层厚度大为减薄 , 气体通过薄薄的烧结层逸出的阻力很小 . 气体达到一定压力后便通过烧结层朝模筒方向逸出并贮存在烧结层的孔洞之中 . 烧结层中气孔的存在图 4 已经观察到了 , 这样铸管表面不会出现气孔 . 又由于 C 6 、 C : 涂层的导热性差 , 金属液冷凝慢 , 生产出的铸管表面不光洁 , 粗糙度大 . C 3 、 C S 涂层则介于 C l 、 C : 和 C 6 、 C 7 之间 , 此时涂层的导热性能、烧结程度和金属液冷速均较适中 , 生产出的铸管表面无气孔、光洁度好 . C 4 涂层为刚玉粉涂层 , 刚玉粉导热性能虽较好 , 但烧结温度高 , 涂层内外侧均不烧结、不致密 , 有利于气体由铸管一侧向模筒方向排逸 . 生产出的铸管表面无气孔 , 比较光洁 . 但由于烧结不好 , 涂层从铸管表面剥离时 , 有薄薄的粘砂层存在 . (下转 234 页 )