華建社，杜金星，楊浩秦，張 嬌，張 焱，陳佳宜

（西安建筑科技大學冶金工程學院，西安710055）

粉煤灰鑄造涂料的性能及優(yōu)化工藝的研究

華建社，杜金星，楊浩秦，張 嬌，張 焱，陳佳宜

（西安建筑科技大學冶金工程學院，西安710055）

為了研究不同攪拌葉片對鑄造涂料的懸浮性及涂層的表面質(zhì)量的影響規(guī)律，本文通過正交實驗得到了鑄造涂料的合適配方，并在合適配方的基礎上，對涂料的機械攪拌過程進行了模擬.結(jié)果表明，粉煤灰鑄造涂料助劑的合適配比為：酚醛樹脂3.0%，羧甲基纖維素鈉（CMC）0.4%，聚乙烯醇縮丁醛（PVB）1.0%，乙基纖維素（EC）0.9%，可再分散乳膠粉0.6%，通過對已優(yōu)化配方的攪拌過程研究，發(fā)現(xiàn)雙螺帶葉片比六直葉葉片的攪拌效果好，釜內(nèi)湍動能比較大，粉料和助劑之間混合效果較好，在涂料中加入此助劑，攪拌過程采用雙螺帶葉片，涂料各項性能最優(yōu).

正交試驗；鑄造涂料；攪拌；懸浮性；粘結(jié)性

鑄造涂料是用來涂敷到砂型的型腔、型芯的表面上的，用來改善鑄件的抗金屬液的沖刷性、表面的耐火性、化學穩(wěn)定性、抵抗粘砂的性能和抗粘型性等性能，是鑄造時必不可少的輔助材料，它主要是由骨料、懸浮劑、載液、粘結(jié)劑與特殊的添加劑等組成的［1］.在鑄件的生產(chǎn)中，鑄造涂料對鑄造過程有著極其重要的作用，鑄件在澆注之前，在型腔表面用刷子涂刷一層涂料，就可以有效地預防鑄件砂眼、粘砂和夾砂等一些缺陷，能夠有效的提高鑄件的表面質(zhì)量，降低鑄件的成本.目前在鑄鐵、鑄鋼件中，常用的鑄造涂料有石墨粉涂料、鋯英粉涂料和剛玉粉涂料，但這些涂料往往懸浮性與儲存能力不強，長時間放置容易引起發(fā)霉，結(jié)塊.但如果一味追求較高懸浮率，添加一些提高懸浮率的助劑，容易導致粘度過大造成涂料涂覆困難，鑄件表面質(zhì)量難以保證［2］.所以，本文主要對粉煤灰涂料的配方進行優(yōu)化和模擬涂料的攪拌過程，優(yōu)化攪拌釜內(nèi)的速度云場，壓力云場來改善鑄造涂料的使用性能，使涂料在合適的粘度范圍內(nèi)具有較高的懸浮性.

1 實 驗

1.1 性能測試

1.1.1 涂料的懸浮性

涂料的懸浮性是涂料抵抗固體耐火骨料在載液中的分層和沉淀的能力，懸浮性的大小用懸浮率（%）來表示［3］.懸浮率的測試方法是：將攪拌均勻的涂料緩緩倒入量程 100 mL的量筒中至100 mL刻度處，將量筒上部用橡皮塞密封好避免酒精揮發(fā)，靜置2 h之后，測量上部澄清液體的體積V，懸浮率的計算公式為：η＝［（100－V）／100］× 100%，其中，η代表涂料的懸浮率.

1.1.2 涂料的粘度

涂料的粘度（Pa·s）是表示涂料流淌時粘稠程度的物理量，它表示的是微觀程度上流體流動時內(nèi)摩擦力的大小［4］.涂料的粘度一般采用四號流杯粘度計進行測量，將多于100 mL的鑄造涂料倒入流杯中，直至涂料溢出到流杯周圍的環(huán)形通道，再用直尺刮掉流杯上部溢出的涂料，使液體涂料與流杯上沿保持水平一致，此時打開流杯下面的閥門，同時按動秒表，當流嘴處的涂料流動不再連續(xù)，變成滴狀時，停止計時，秒表記錄的時間即為鑄造涂料的粘度.

1.2 涂料的基本配方

鑄造涂料的配方是以粉煤灰和高鋁礬土為骨料，以有機土和鋰基土復合液為懸浮劑，以酚醛樹脂為粘結(jié)劑，以酒精為載液，加入一定量的羧甲基纖維素鈉（CMC），聚乙烯醇縮丁醛（PVB），乙基纖維素（EC）和可再分散乳膠粉制備涂料.表1為鑄造涂料的基本配方，其中耐火粉料和復合懸浮劑的量是固定的，其它五種助劑的含量是在一個合適的范圍內(nèi)波動，設計正交實驗來確定五種助劑合適的量值，使粉煤灰鑄造涂料的各項指標達到最優(yōu).

表1 涂料配方Table1 Coating formulation （wt.%）

1.3 正交實驗設計

本文主要分析酚醛樹脂，CMC，PVB，EC和可再分散乳膠粉這些助劑的含量對涂料性能的影響規(guī)律.本實驗分析的因素為酚醛樹脂的含量ω（因素A），CMC的含量ω（因素B），PVB的含量ω（因素C），EC的含量ω（因素D）和可再分散乳膠粉的含量ω（因素E）共五個因素，因素A、B、C、D、E均為四水平.表2為正交設計因素水平表.

表2 正交設計因素水平表Table 2 The factor level table of orthogonal design %

2 正交實驗的結(jié)果分析

本正交實驗得到的懸浮率和黏度值均是采用六直葉葉片在釜里攪拌涂料流體2 h后得到的實驗值.懸浮率是涂料靜置72 h后測量的值，粘度是采用4號流杯粘度計測量的值.

2.1 正交試驗的直觀分析

由表3可知：通過比較R值的大小可以看出，對于懸浮性而言，因素的主次順序為D＞C＞B＞E＞A，即各因素對鑄造涂料的懸浮性影響的順序為EC＞PVB＞CMC＞可再分散乳膠粉＞酚醛樹脂；對于粘結(jié)性而言，因素的主次順序為A＞B＞D＞C＞E，即各因素對鑄造涂料的粘結(jié)性影響的順序為酚醛樹脂＞CMC＞EC＞PVB＞可再分散乳膠粉.綜合以上來看，同時具有較高懸浮性和合適粘度的優(yōu)組合為A3B1C3D4E2，即酚醛樹脂的含量為3.0%，CMC的含量為0.4%，PVB的含量為1.0%，EC的含量為0.9%，可再分散乳膠粉的含量為0.6%.以下攪拌釜均化的涂料配方采用正交優(yōu)化后的實驗配方.

3 攪拌釜中流體流動模擬

3.1 旋轉(zhuǎn)攪拌葉輪的參數(shù)

攪拌罐直徑T＝1 100 mm，攪拌罐高度H＝1 200 mm，涂料液體高度H1＝900 mm，鑄造涂料的密度1.48 g／cm3，黏度14.8 s.平擋板個數(shù)4，擋板高度1 200 mm，擋板厚度50 mm，擋板距罐部距離100 mm.選用六直葉葉片和雙螺帶葉片兩種攪拌槳結(jié)構(gòu)對攪拌釜內(nèi)的流場和壓力場進行模擬.圖1是六直葉攪拌槳示意圖，圖2是雙螺帶攪拌槳示意圖，其中，葉輪寬度為500 mm，葉輪厚度為5 mm，葉輪離底安裝距離為350 mm.

表3 L16（45）正交實驗直觀分析表Table 3 The visual analysis table of L16（45）orthogonal test

圖1 六直葉槳型結(jié)構(gòu)Fig.1 Six straight bladed paddle structure

圖2 雙螺帶槳型結(jié)構(gòu)Fig.2 Double helical ribbon paddle structure

3.2 流體力學模型與CFD計算方法

CFD分析的控制方程包括：連續(xù)性方程，動量方程與RNGk－?湍流模型方程.不可壓縮流體的通用表達式為

本文研究的是帶擋板的攪拌罐內(nèi)的流場狀況，選擇動參考系法（MRF），將流動區(qū)域內(nèi)的流場設定為以攪拌葉片相同的轉(zhuǎn)速進行旋轉(zhuǎn)，靜止區(qū)域的流體則為靜止的，利用動參考系求解出來的攪拌流場是一個充分發(fā)展的流場，這個流場以一定的角速度進行旋轉(zhuǎn)，就可以得到實際的攪拌流場.

3.3 計算域及邊界條件

分別計算了六直葉葉片和雙螺帶葉片兩種攪拌釜內(nèi)的速度流場和壓力流場，攪拌釜網(wǎng)格劃分如下圖3所示.假定攪拌過程中自由液面始終保持水平，設定為自由液面，所有攪拌釜壁、軸及葉片均采用無滑移壁面邊界條件.采用Mixsim軟件設置攪拌槽的槽體，擋板，軸，槳葉和流體的性質(zhì)參數(shù)以此建立攪拌槽模型［7］.選取RNGk－?模型，收斂判據(jù)為所有變量的的殘差值小于10－5.

圖3 六直葉和雙螺帶槳型式攪拌釜的網(wǎng)絡示意圖Fig.3 The agitator network diagram of Six straight blade and Double helical ribbon paddle type

4 攪拌模擬結(jié)果及分析

鑄造涂料的懸浮性與涂刷在砂型上涂層表面質(zhì)量有很大的關系，若攪拌槳的混合效果較好，就能保證鑄造涂料的耐火粉料與助劑之間進行充分混合，即能夠完全保證粉煤灰和高鋁礬土的粉料顆粒粘附在酚醛樹脂、CMC等的大分子鏈上，保證鑄造涂料長時間保持較高懸浮率，并且粉料不會產(chǎn)生無規(guī)律結(jié)團現(xiàn)象.

4.1 不同轉(zhuǎn)速下軸切面上的全釜流體速度分析

當攪拌速度大于骨料完全離底懸浮臨界轉(zhuǎn)速時，攪拌釜底部不會出現(xiàn)固體顆粒堆積現(xiàn)象，可以充分實現(xiàn)攪拌的目的.從圖4可以看出：隨著攪拌槳葉片速度的增加，流體的速度也會越來越大，當攪拌槳葉片速度為400 r／min時，槳葉邊緣處最大的流體速度為10.9 m／s，當攪拌槳葉片速度為1 000 r／min時，槳葉邊緣處最大的流體速度為28.6 m／s，當攪拌槳葉片速度為1 900 r／min時，槳葉邊緣處最大的流體速度為55.2 m／s.雖然隨著槳葉轉(zhuǎn)速的提高，流場內(nèi)對應點的流速也會相應提高，但對于攪拌流場的速度分布影響不明顯，也就是說槳葉轉(zhuǎn)速的增加對攪拌流場的形式影響不明顯.

圖4 六直葉槳型結(jié)構(gòu)在不同攪拌轉(zhuǎn)速下X＝0的YOZ垂直面釜內(nèi)的速度云圖Fig.4X＝0，YOZThe stirred kettle velocity cloud of Six straight blade type under different stirring speed：（a）400 r／min；（b）700 r／min；（c）1 000 r／min；（d）1 300 r／min；（e）1 600 r／min；（f）1 900 r／min

通常情況下，提高轉(zhuǎn)速時必須要考慮槳葉強度和耐久度的使用極限，同時須考慮到轉(zhuǎn)速的提高會使電機攪拌功率急劇增大，電機、葉片等各方面損耗都非常大，所以要慎重提高攪拌槳的轉(zhuǎn)速.六直葉攪拌槳頭正下方區(qū)域涂料流體速度較小，容易出現(xiàn)“攪拌死區(qū)”.攪拌器葉端以及相鄰攪拌葉之間的流體流動速度最大，沿著葉片到釜壁的水平方向速度逐漸降低，可見釜壁附近流體速度較小，也容易出現(xiàn)流動死區(qū).隨著轉(zhuǎn)速的增大，湍動能增大，死區(qū)減小，但不能完全消除“攪拌死區(qū)”的存在，這也是六直葉攪拌槳天然的缺陷所在，因此本文選擇攪拌轉(zhuǎn)速為400 r／min.

4.2 不同轉(zhuǎn)速下軸切面上的全釜流體壓力分析

從圖5可以看出：由于六直葉葉片的軸吸作用，涂料從葉輪的軸向吸入并向水平方向排出，流體碰到釜壁后產(chǎn)生回流現(xiàn)象，所以釜壁附近產(chǎn)生很大壓力.攪拌槳葉片由于旋轉(zhuǎn)時有流體給予阻力，葉片背面的流體受到相互間的吸力形成尾流，在此處受到的壓力最小.隨著攪拌槳葉輪速度的增加，攪拌槳葉片處的負壓值越來越小，釜壁附近的正壓值越來越大.釜壁與葉片之間的壓差越大，湍流作用越強烈.湍動能是衡量湍流發(fā)展或衰退的重要指標，葉片速度越大，流體的湍流作用也越大，湍動能值越大，可以促進湍流導熱和湍流擴散，物料混合進程越劇烈.

圖5 六直葉槳型結(jié)構(gòu)在不同攪拌轉(zhuǎn)速下X＝0的YOZ垂直面釜內(nèi)的壓力云圖Fig.5X＝0，YOZThe stirred kettle pressure cloud of Six straight blade type under different stirring speed：（a）400 r／min；（b）700 r／min；（c）1 000 r／min；（d）1 300 r／min；（e）1 600 r／min；（f）1 900 r／min

圖6 六直葉和雙螺帶槳型結(jié)構(gòu)的速度云圖Fig.6 The velocity cloud of Six straight blade and Double helical ribbon paddle type

4.3 六直葉和雙螺帶槳葉上的速度云圖

如圖6所示，（a）和（b）分別為六直葉和雙螺帶槳葉上的速度云圖，對于六直葉攪拌槳和雙螺帶攪拌槳，最大速度均是出現(xiàn)在槳葉上，達到10.1 m／s，這與計算出的最大線速度（10.46 m／s）相差不大，最小速度均出現(xiàn)在攪拌軸附近，值都非常小，這與理論相符合，可見模型可靠有效.

4.4 相鄰兩檔板之間的軸切面上的全釜流體速度云圖

如圖7所示，（a）和（b）分別為六直葉和雙螺帶槳型結(jié)構(gòu)在相鄰兩檔板之間的軸切面上的全釜流體速度云圖.

圖7 六直葉和雙螺帶槳型結(jié)構(gòu)攪拌釜內(nèi)的速度云圖Fig.7 The stirred kettle velocity cloud of Six straight blade and Double helical ribbon paddle type

從圖7中可以看出，具有六直葉葉片的釜內(nèi)上部流動較弱，速度較小，對于具有一定粘度的鑄造涂料來說，攪拌罐的上部會出現(xiàn)粘釜現(xiàn)象，導致攪拌罐內(nèi)整體攪拌不均勻；具有雙螺帶葉片的釜內(nèi)整體流動較好，基本不存在“攪拌死角”的現(xiàn)象.攪拌釜內(nèi)的中間速度最大，這主要是因為涂料這種中粘度流體的速度主要來自葉片的轉(zhuǎn)動，全釜的流動屬于層流流動，釜壁附近流體的流動主要由中心流體間的帶動，所以攪拌釜附近的流體流速逐漸變小.攪拌槳最大速度出現(xiàn)螺旋槳附近，達到10.5 m／s，與轉(zhuǎn)速為400 r／min時的最大線速度的計算值（10.46 m／s）相差不大，可見模擬值非?？煽?

4.5 相鄰兩檔板之間的軸切面上的全釜流體速度矢量分析

如圖8所示，（a）和（b）分別為六直葉和雙螺帶槳型結(jié)構(gòu)在相鄰兩檔板之間的軸切面上的全釜速度矢量圖，對于六直葉攪拌槳，六直葉攪拌槳旋轉(zhuǎn)起來把涂料從軸向方向吸入進來而向與軸垂直的方向排出，從槳葉排除的流體遇到攪拌釜的壁面后沿釜的壁面一部分向上流動，一部分向下流動，在葉片的周圍形成了兩個較小的環(huán)流區(qū)域，這部分的涂料攪拌的比較充分，漩渦上的流速可以達到4.3 m／s左右，而離葉輪較遠的攪拌釜的上部流速較小，僅僅在1.21×10－2m／s左右，整體攪拌的不是很充分，攪拌釜上部區(qū)域的流線比較稀疏，說明此區(qū)域混合速度較小，混合效果較差.對于雙螺帶攪拌槳，在釜體的中部有向下的軸向流動，而貼近釜壁處有向上的流動，在整個攪拌釜內(nèi)有兩個明顯的環(huán)流現(xiàn)象，分別處于攪拌釜的上部和下部，環(huán)流處的流動速度可達到3.62 m／s，全釜攪拌充分，基本不存在攪拌死角.

圖8 六直葉和雙螺帶槳型結(jié)構(gòu)攪拌釜內(nèi)的速度矢量圖Fig.8 The stirred kettle velocity vector of Six straight blade and Double helical ribbon paddle type

4.6 相鄰兩檔板之間的軸切面上的全釜流體壓力云圖分析

圖9（a）和（b）分別為六直葉和雙螺帶槳型結(jié)構(gòu)攪拌釜內(nèi)的壓力云圖.對于六直葉葉片，攪拌釜內(nèi)的最大負壓出現(xiàn)在攪拌槳葉輪上，可以達到－1.96×104Pa，而正壓出現(xiàn)在與槳葉同一水平的壁面上，最大正壓8.89×103Pa，隨著槳葉向外擴張，負壓絕對值逐漸減小，正壓值逐漸增大.由此可以看出，受六直葉槳葉軸吸作用最強的是槳葉與釜壁之間的流體，即在這個區(qū)域內(nèi)湍流作用最強，但在攪拌釜上部壓力基本保持在3.35×102Pa左右，這個區(qū)域內(nèi)基本沒有壓差，湍流作用最弱.對于雙螺帶槳葉，攪拌釜中的負壓出現(xiàn)在雙螺帶攪拌槳包圍的區(qū)域內(nèi)，正壓出現(xiàn)在攪拌釜的壁面及釜底部分，并且離攪拌槳越遠，負壓絕對值逐漸變小，正壓逐漸增大，并且整個攪拌釜內(nèi)有負壓逐漸向正壓轉(zhuǎn)變的過程，可見釜內(nèi)整體具有較大湍動能，對于鑄造涂料的混合作用非常強烈.

圖9 六直葉和雙螺帶槳型結(jié)構(gòu)攪拌釜內(nèi)的壓力云圖Fig.9 The stirred kettle pressure cloud of Six straight blade and Double helical ribbon paddle type

4.7 兩種槳型結(jié)構(gòu)攪拌釜均化的鑄造涂料的懸浮率變化規(guī)律

如圖10所示，是用兩種不同的槳型結(jié)構(gòu)對前面優(yōu)化的配方經(jīng)過2 h的攪拌后，放置不同時間得到的懸浮率變化的曲線圖.從圖中可以明確看出，雙螺帶槳型結(jié)構(gòu)攪拌釜生產(chǎn)出的涂料放置3 h，懸浮率可以達到98.5%，而在相同條件下用六直葉槳型結(jié)構(gòu)攪拌釜生產(chǎn)出的涂料懸浮率僅僅為94.5%，而且隨著時間的推移，采用兩種槳型結(jié)構(gòu)攪拌的涂料懸浮率都會出現(xiàn)下降現(xiàn)象，但用雙螺帶攪拌的涂料懸浮率下降的較為緩慢，72 h后，懸浮性可以穩(wěn)定在94.4%左右，性能很好.但對于六直葉攪拌的鑄造涂料，在3 h到30 h之間懸浮率下降非常迅速，經(jīng)過72 h的放置，懸浮率已經(jīng)低于89.5%，涂料性能出現(xiàn)惡化.

圖10 兩種槳型結(jié)構(gòu)攪拌的涂料懸浮率變化趨勢Fig.10 The stirring coating suspension rate trend of two pad?dle?type structure

4.8 兩種槳型結(jié)構(gòu)攪拌釜均化的鑄造涂料的表面形貌

如圖11所示，是用兩種不同的槳型結(jié)構(gòu)攪拌的鑄造涂料涂刷在砂型上的SEM圖片，從圖中可以看出，用雙螺帶攪拌出的鑄造涂料骨料大小分布比較均勻，這也是由于雙螺帶葉片攪拌的湍流強度比較大，骨料混合比較均勻，不會被粘結(jié)劑大塊地包在一起.相反對于六直葉槳型結(jié)構(gòu)來說，由于上面分析的攪拌釜上部湍流強度很小，當骨料和粘結(jié)劑同時加入到攪拌釜中時，不能充分攪拌起來，導致骨料不能很均勻的附著在粘結(jié)劑上，在涂刷時會出現(xiàn)塊狀凸出物質(zhì)，影響鑄件的表面光滑性.

圖11 六直葉和雙螺帶槳型結(jié)構(gòu)攪拌的涂層的SEM圖Fig.11 The coating SEM of Six straight blade and Double helical ribbon paddle type

5 結(jié) 論

1）通過對粉煤灰鑄造涂料的配方進行優(yōu)化，確定出了合適的配方，對于相同的骨料和復合懸浮劑，酚醛樹脂的含量為3.0%，CMC的含量為0.4%，PVB的含量為1.0%，EC的含量為0.9%，可再分散乳膠粉的含量為0.6%，這個助劑配方配制的涂料各項性能最佳.并且得出結(jié)論EC的含量對涂料懸浮性的影響明顯，而酚醛樹脂的含量對涂料粘度的影響顯著.

2）在優(yōu)化配方的基礎上，將涂料在兩種不同槳型結(jié)構(gòu)的攪拌釜中進行均化，發(fā)現(xiàn)六直葉攪拌葉片存在天然的缺陷，攪拌釜上部的湍流強度很小，造成鑄造涂料的懸浮率不高，并且由于混合不均勻，導致涂刷的涂層表面不平整，影響鑄件的表面質(zhì)量.

3）不同槳型結(jié)構(gòu)均化的鑄造涂料的懸浮率隨著時間的推移均會出現(xiàn)下降現(xiàn)象，72h之后，用六直葉槳型結(jié)構(gòu)均化的涂料懸浮率下降到89.5%，雙螺帶槳型結(jié)構(gòu)均化的涂料懸浮率可以穩(wěn)穩(wěn)保持在94.4%左右，說明涂料中的組分已經(jīng)完全融合，各項性能最優(yōu).

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（編輯 張積賓）

The performance and optimization process of fly ash casting coating

HUA Jianshe，DU Jinxing，YANG Haoqin，ZHANG Jiao，ZHANG Yan，CHEN Jiayi
（School of Metallurgical Engineering，Xi′an University of Architecture and Technology，Xi′an 710055，China）

In this paper，the proper formula of casting coating is obtained by orthogonal experiment，and the mechanical stirring process of the coating is simulated on the basis of proper formula.The influence of different mixing blades on the suspension properties and surface quality of casting coatings was investigated.The results show that reasonable additives proportion of casting coating is Phenolic Resin 3%，Sodium carboxymethyl cellulose（CMC）0.4%，Polyvinyl butyral（PVB）1.0%，Ehtyl cellulose（EC）0.9%，Dispersible polymer powder 0.6%.Founding that stirring effect of Double helical ribbon blades is better than Six straight leaf blades，the turbulent kinetic energy is relatively large of kettle，the powder and additives is founded that mixing better with the study on the stirring process of optimized formulation.Adding the assistant in the paint，the mixing process adopts double spiral blade，and the performance of the coating is the best.

orthogonal experiment；casting coating；mixing；suspension；adhesion

TQ630.6

A

1005－0299（2017）03－0077－08

2016－08－22.< class="emphasis_bold">網(wǎng)絡出版時間：

時間：2017－06－08.

華建設（1960—），男，教授.

杜金星，E?mail：whjj82＠163.com.

10.11951／j.issn.1005－0299.20160279