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铸造涂料的传热与传质

1涂料在干燥过程中的传热与传质

1.1水基涂料的烘干

一般水基涂料的烘干是在烘干窑中进行。老式的密闭间歇式烘干窑，干燥效率很低，往往在200℃以上的高温下烘干2-3个小时砂型芯也干不透。而新式热风红外干燥窑干燥效率则高得多，100℃-180℃下25-40分钟即可干燥。

水基涂料的干燥过程是一个复杂的传热传质过程。这个过程中水分要从涂料及砂芯表层传递到空气中，水分即传质的对象，传热则是传质的手段。烘干效率的高低取决于烘干设备的换热方式及传质方式。水基涂料的干燥过程中强对流对于提高传热及传质效率非常关键。热风产生的强对流不仅可以加强高效率的对流换热，同时可使涂料表面高浓度的湿蒸汽快速扩散到空气中，增大涂料表面和内部的水分浓度差，而浓度差是一切传质的推动力。这会大大加快水分从内部迁移到表面及空气中过程，最终实现水基涂料的快速干燥。

水基涂料的干燥效率还和烘干窑的发热元器件的种类的布置有很大关系。这关系到干燥过程中的辐射换热效率。发热元件产生的红外线（波长为0.75～1000μm）越多、波长越大，换热的效率就越高。

红外线干燥是利用辐射传热干燥的一种方法。红外线辐射器所产生的电磁波，以光的速度直线传播到达被干燥的物料，当红外线的发射频率和被干燥物料中分子运动的固有频率相匹配时，引起物料内的分子强烈振动及分子之间的碰撞，产生自热效应，部分分子挣脱了原来物质对它的束缚，水分或有机溶剂脱离原来的物质，从而快速有效地加热物质。

在红外线干燥中，由于被干燥的物料中表面水分不断蒸发吸热，使物料表面温度降低，造成物料内部温度比表面温度高，这样使物料的热扩散方向是由内往外的。同时，由于物料内存在水分梯度而引起水分移动，总是由水分较多的内部向水分含量较小的外部进行湿扩散。所以，物料内部水分的湿扩散与热扩散方向是一致的，从而也就加速了水分内扩散的过程，也即加速了干燥的进程。

红外线分为近红外线，波长为0.75～1.50μm之间；中红外线，波长为1.50～6.0μm之间；远红外线，波长为6.0～l000μm之间。由于辐射线穿透物体的深度（透热深度）约等于波长，而远红外线比近红外线波长，也就是说用远红外线干燥比近红外线干燥好。特别是由于远红外线的发射频率与水的固有频率相匹配，引起水分子激烈共振。这样，远红外线即能穿透到这些被加热干燥的物体内部，并且容易被这些物质所吸收，所以两者相比，远红外线干燥更好些。

涂料烘干窑的传热方式对涂料的烘干效率及砂芯质量有很大影响。弱对流的烘干窑效率最低，工作温度最高，可达200℃以上，烘干效果最差，砂芯的温度可达180℃以上，对砂芯的质量影响最大。强对流的烘干窑烘干效率有很大提升，工作温度在180℃左右,但砂芯温度还是比较高,可达160℃左右。红外辐射+对流复合换热的烘干效率最高，工作温度最低，约140℃，砂芯温度很快达到120℃，并保持此温度不变，对砂芯的质量（如变形、强度等）影响最小，是最佳的传热方式。不同换热方式对涂料烘干过程的影响见图1。[3]

实例：某汽车刹车盘铸造生产线，采用冷芯盒生产砂芯，浸涂水基涂料。由于冷芯盒砂芯细小复杂的结构，使用得砂芯在烘干过程中极易变形。如果烘干温度过高或时间过长都会加剧砂芯的变形，高效率的烘干是该砂芯的生产关键技术之一。烘干窑采用对流+红外复合传热方式，窑内温度在120℃，烘干时间30分，可以较好地满足刹车盘砂芯及涂料的烘干。

1.2.醇基涂料点火干燥：

点火干燥过程中涂料中的溶剂在燃烧过程中大部分被烧掉，另一少部分则在热的驱动下更深地渗入到砂芯内部。因为涂料点火后，燃烧的热量通过涂料传导到砂型芯表面，砂型芯表面的温度高于砂型芯内部，砂型芯表层的溶剂及水分会扩散迁移到砂型芯的内部。残存在砂型芯内部的溶剂或水分在浇注时可能会引起气孔缺陷。醇基涂料的点火燃烧性能的好坏会影响到涂料是否彻底干燥。当醇基涂料中水分含量较高时会影响涂料的点火及燃烧性能。目前常用的悬浮剂如锂土、凹凸棒土、硅酸镁铝等醇基涂料悬浮剂在使用时需要用水引发，这会增加涂料中水分含量，所以一般会加入少量的助燃剂如溶剂汽油、异丙醇、或芳烃类溶剂以改善涂料的点火燃烧性能。另一些悬浮剂如有机土属于无水悬浮剂则没有这个缺点。醇基涂料如果燃烧时间过长或火焰过大可能导致砂型、砂芯局部温度过高，造成砂型砂芯过烧或开裂。如冷芯盒砂芯浸涂醇基涂料时会出现这种情况。通常采用自干可以解决过烧的问题。也可以推迟点火，以减少燃烧产生的热量。

2浇注过程中的传热与传质

铸造涂料在浇注过程中存在复杂的传热传质，对铸件的质量、铸造缺陷的形成有很大的关系。浇注初期辐射换热占主导地位。浇注时长时间强烈的辐射换热，可导致涂层急骤热膨胀而隆起，造成涂层剥落。因此要从浇注系统的设计及涂层本身避免这种情况的发生。大型铸件生产中这