保温冒口的设计方案优化

保温冒口通常分为两种：一种是明冒口顶面撒保温覆盖剂，另一种是在冒口侧壁设置保温冒口套。本节中的计算与设计主要是指后一种情况，但是使用中往往结合前一种方法两者并用。

1.保温冒口套材料

根据目前的使用情况，保温冒口套材料主要有两大类：空心类保温材料和纤维类保温材料。空心类保温材料包括：膨胀珍珠岩、粉煤灰空心微珠、蛭石、大孔陶粒等。纤维类保温材料包括：矿渣棉、石棉、岩棉和陶瓷棉等。

膨胀珍珠岩是由含硅土的酸性火成岩经粉碎后在880～1100℃焙烧而成的。粉煤灰空心微珠是由煤灰经高温熔融后急冷形成的玻璃质球。

保温冒口一般由采购获得，但是有时在生产中无现成保温冒口的情况下，往往采取自制来解决。自制方法一：大孔陶粒100质量份，钒土水泥15质量份，水适量制成；自制方法二：电厂烟道灰微珠38～40质量份，膨胀珍珠岩8～10质量份，铝矾土27～28质量份，矾土水泥23～25质量份，水适量制成。制成后置干燥环境中存储，使用前烘干。

保温冒口的形状与普通冒口相同，可参照选取。保温套的厚度一般取保温冒口模数的1～1.5倍，即δ=（1～1.5）M。

2.保温冒口的计算

根据模数的定义，使用保温冒口相当于延迟了冒口的凝固时间，也就是使冒口的模数增大，设计中往往以此进行设计与计算。

（1）比例法 与传统的设计方法相同，即冒口直径与所补缩处热节呈比例关系，表达式为d=kD₀，其中d为冒口直径，k为比例系数，D₀为热节圆直径。k的取值范围见表5⁃46。保温冒口的补缩效率为25%～45%。冒口的保温能力越强，补缩效率就越大。

表5⁃46 比例法保温冒口比例系数k的取值范围

（2）简易计算法 根据实践经验，相同尺寸的保温冒口与普通冒口相比，模数是后者的1.3～1.4倍。当保温冒口直径与高度相等时，模数增大系数约为1.4。在本简易计算法中，引用到了周界商的概念。冒口的补缩效率同比例法，由上述数量关系，有：

（2）简易计算法 根据实践经验，相同尺寸的保温冒口与普通冒口相比，模数是后者的1.3～1.4倍。当保温冒口直径与高度相等时，模数增大系数约为1.4。在本简易计算法中，引用到了周界商的概念。冒口的补缩效率同比例法，由上述数量关系，有：

式中 M_RI——保温冒口的模数（cm）；

E——保温冒口的模数扩大系数；

M_R——同尺寸普通冒口的模数（cm）；

M_C——被补缩部位铸件的模数（cm）。

根据液量补缩法原理以及式（5⁃32）有：

式中 M_RI——保温冒口的模数（cm）；

E——保温冒口的模数扩大系数；

M_R——同尺寸普通冒口的模数（cm）；

M_C——被补缩部位铸件的模数（cm）。

根据液量补缩法原理以及式（5⁃32）有：

式中 V_C——保温冒口所补缩的铸件体积（dm³）；

V_RI——保温冒口的体积（dm³）。

在冒口设计中，需要同时满足式（5⁃33）和式（5⁃34），才能设计出通过校核的冒口。式中冒口的补缩效率可根据铸件的周界商来估算，见表5⁃47。

表5⁃47 冒口的补缩效率

式中 V_C——保温冒口所补缩的铸件体积（dm³）；

V_RI——保温冒口的体积（dm³）。

在冒口设计中，需要同时满足式（5⁃33）和式（5⁃34），才能设计出通过校核的冒口。式中冒口的补缩效率可根据铸件的周界商来估算，见表5⁃47。

表5⁃47 冒口的补缩效率

例 如图5⁃36所示，立方体铸件的尺寸为260mm×260mm×260mm，ε=5%，则冒口尺寸的计算过程如下：

经计算M_C=4.3cm，铸件体积V_C=17.6dm³，所需补缩量V_缩=17.6dm³×5%=0.88dm³，由式（5⁃33）有M_RI=0.85M_C=0.85×4.3cm=3.65cm。根据铸件的结构特点，取冒口形状为圆柱形明冒口，无斜度，h=d。根据该冒口的结构，经计算求出冒口的尺寸为：ϕ220mm×220mm。冒口的M_RI=M_R/0.85=3.65cm/0.85=4.31cm，该计算值已经大于对冒口模数的要求值3.65cm，冒口凝固时间大于铸件凝固时间，并具有一定的梯度，满足要求。

例 如图5⁃36所示，立方体铸件的尺寸为260mm×260mm×260mm，ε=5%，则冒口尺寸的计算过程如下：

经计算M_C=4.3cm，铸件体积V_C=17.6dm³，所需补缩量V_缩=17.6dm³×5%=0.88dm³，由式（5⁃33）有M_RI=0.85M_C=0.85×4.3cm=3.65cm。根据铸件的结构特点，取冒口形状为圆柱形明冒口，无斜度，h=d。根据该冒口的结构，经计算求出冒口的尺寸为：ϕ220mm×220mm。冒口的M_RI=M_R/0.85=3.65cm/0.85=4.31cm，该计算值已经大于对冒口模数的要求值3.65cm，冒口凝固时间大于铸件凝固时间，并具有一定的梯度，满足要求。

下面来看式（5⁃34），铸件的Q_C值为216，查表5⁃47，得η≈30%。V_RI=8.36dm³。由式（5⁃34）有，而实际上铸件体积为17.6dm³。因此，冒口所能补缩的体积远大于实际铸件的体积，冒口适用。

下面来看式（5⁃34），铸件的Q_C值为216，查表5⁃47，得η≈30%。V_RI=8.36dm³。由式（5⁃34）有，而实际上铸件体积为17.6dm³。因此，冒口所能补缩的体积远大于实际铸件的体积，冒口适用。

图5⁃36 保温冒口对铸件的补缩

1—保温冒口套 2—铸件(www.xing528.com)

（3）三次方程法 与普通冒口计算一样，采用动态三次方程法，能反映出M_RI与M_C，V_RI与V_C之间变化的动态特征，最终铸件与冒口的残余模数转变为

图5⁃36 保温冒口对铸件的补缩

1—保温冒口套 2—铸件

（3）三次方程法 与普通冒口计算一样，采用动态三次方程法，能反映出M_RI与M_C，V_RI与V_C之间变化的动态特征，最终铸件与冒口的残余模数转变为

式中 M_CE——铸件的残余模数（cm）；

V_C——铸件的体积（dm³）；

A_C——铸件的散热表面积（dm²）；

ε——合金的凝固收缩率（%）；

M_RIE——冒口的残余模数（cm）；

V_RI——冒口的体积（dm³）；

A_RIE——冒口的残余散热表面积（dm²）；

E——保温冒口模数放大系数，同前面简易计算法。

只有当M_RIE=M_CE时，所选用的冒口是最小的，但是从理论上看，两者之间应该有一个扩大系数，也就冒口与铸件模数之间的关系式应为M_RIE=fM_CE，式中f为保险系数，因此有下式：

式中 M_CE——铸件的残余模数（cm）；

V_C——铸件的体积（dm³）；

A_C——铸件的散热表面积（dm²）；

ε——合金的凝固收缩率（%）；

M_RIE——冒口的残余模数（cm）；

V_RI——冒口的体积（dm³）；

A_RIE——冒口的残余散热表面积（dm²）；

E——保温冒口模数放大系数，同前面简易计算法。

只有当M_RIE=M_CE时，所选用的冒口是最小的，但是从理论上看，两者之间应该有一个扩大系数，也就冒口与铸件模数之间的关系式应为M_RIE=fM_CE，式中f为保险系数，因此有下式：

式（5⁃37）经整理后如下：

V_RI-fE（1+ε）M_CA_RI-εM_C=0 （5⁃38）

式（5⁃38）中V_RI和A_RI属于变量，可由表5⁃15进行处理，处理后有下式：

x³-k₁fEM_Cx²-k₂V_C=0 （5⁃39）

式中 x——冒口尺寸变量，对于圆柱形或球形冒口，x=d，对于腰形冒口，x=a；

k₁和k₂——与冒口形状和类别相关的系数，见表5⁃25。

可根据前文动态模数法的处理方法求解式（5⁃39），从而求解出冒口尺寸。处理中应注意系数f和E的取值，可根据冒口的保温效果、铸件的结构等因素在取值范围内调整。

式（5⁃37）经整理后如下：

V_RI-fE（1+ε）M_CA_RI-εM_C=0 （5⁃38）

式（5⁃38）中V_RI和A_RI属于变量，可由表5⁃15进行处理，处理后有下式：

x³-k₁fEM_Cx²-k₂V_C=0 （5⁃39）

式中 x——冒口尺寸变量，对于圆柱形或球形冒口，x=d，对于腰形冒口，x=a；

k₁和k₂——与冒口形状和类别相关的系数，见表5⁃25。

可根据前文动态模数法的处理方法求解式（5⁃39），从而求解出冒口尺寸。处理中应注意系数f和E的取值，可根据冒口的保温效果、铸件的结构等因素在取值范围内调整。