鎂合金真空密封熔煉爐及防止鎂合金氧化燃燒的方法
2023-05-30 10:21:16 1
專利名稱：鎂合金真空密封熔煉爐及防止鎂合金氧化燃燒的方法
技術領域：
本發明涉及一種鎂合金真空密封熔煉爐及其相應的防止鎂合金氧化燃燒的方法，屬於金屬材料及冶金類技術領域。
背景技術：
鎂及鎂合金具有比重低、比強度和比剛度高以及原材料價格較低等顯著優點，近二十年來鎂合金的研究和應用日益受到材料學界和工業界的重視。當前，我國鎂工業界在熔煉鎂和鎂合金時在開放或半開放爐中進行，採用連續不斷通入含SF6或類似物等氣體做保護氣體。這曾經是鎂工業界最大的進步，因為它消除了以前使用SO2和熔劑熔煉的大多數問題。但是大量使用，不僅浪費，而且增加對環境、設備和人體的危害。研究探索一種更為清潔、節約、高效、健康、環保的工藝裝備，具有現實的實踐意義和學術價值。
另一方面，由於鎂的化學活性很強，在空氣中，液態鎂及其合金迅速氧化、燃燒。其生成的氧化膜是疏鬆的，不能起保護作用，特別是高溫情況下，氧化反應放出的熱量若不能及時散發，則很容易燃燒。另外鎂合金在熔煉溫度下，蒸汽壓高。因此在熔煉鎂合金時防止鎂合金蒸發、燃燒、減少熔鍊氣氛對鎂合金的氧化具有重要意義。不僅減少了對鎂液的汙染，而且增加金屬的回收率。
目前的鎂合金熔煉坩堝多為低碳鋼，在開放或半開放爐中使用氣體保護熔煉鎂合金，由於空氣中氧或通入保護氣氛中氧等與高溫熔煉爐內壁反應，造成爐壁氧化，不僅降低坩堝的使用壽命，而且容易汙染鎂液，不利於獲得高品質的鎂液。當前，為了減少對低碳鋼熔煉坩堝的腐蝕，多採用噴塗料的方法，但效果多不理想，而且增加了一個新的汙染源。因此，減少對爐壁的氧化，以及產物對鎂液的汙染是提高熔煉坩堝使用壽命、獲得高品質鎂合金的重要環節。
發明內容
為了解決當前我國鎂工業界使用保護氣體量大，浪費並且增加對環境、設備和人體的危害；熔煉坩堝氧化嚴重，汙染鎂液、壽命短；以及保護氣體與鎂液形成氧化膜厚，降低金屬回收率、汙染鎂液等問題，本發明提出了一種鎂合金真空密封熔煉爐，包括熔煉坩堝、用於加熱熔煉坩堝的加熱爐、通過熔煉坩堝上的充氣口充入保護氣體的保護氣體輸入裝置，以及設置在熔煉坩堝蓋上的壓力表和超壓放氣閥，其特徵在於所述熔煉坩堝包括位於加熱爐爐膛內用來熔煉鎂合金的坩堝下部和位於加熱爐外用來容納保護氣體的坩堝上部，坩堝上部的圓筒容積與坩堝下部的圓筒截面面積之比大於等於1；所述熔煉爐還包括與坩堝上部連通的用於排出熔煉坩堝內氣體的真空系統和設置在坩堝上部的用於檢測熔煉坩堝內各種氣體濃度的氣體濃度分析儀；所述熔煉坩堝與其坩堝蓋以及其他所有與熔煉坩堝連接部分真空密封，以達到爐內氣密性要求壓升率小於等於20000Pa/小時。
為了實現本發明的目的，本發明還提出了一種利用上述鎂合金真空密封熔煉爐防止鎂合金氧化燃燒的方法，其特徵在於，所述防止鎂合金氧化燃燒的方法包括如下步驟起始過程將烘乾過的爐料加入所述熔煉爐的坩堝下部，然後利用真空系統排除熔煉坩堝內的空氣，當坩堝內氣體壓力小於1Pa時，打開充氣口，利用保護氣體輸入裝置通過充氣口向熔煉坩堝內充入保護氣體，所述保護氣體是在熔煉條件下與鎂液反應的氧化性氣體，或者由作為載氣的在熔煉條件下不與鎂液反應的氣體和與鎂液反應的氧化性氣體組成的混和氣體；當熔煉坩堝內壓力為103～105Pa時，關閉充氣口，打開加熱爐電源，開始熔煉鎂合金；熔煉過程利用壓力表和氣體濃度分析儀實時檢測坩堝內的壓力和各種氣體的濃度，當熔煉坩堝氣密性差，即熔煉坩堝壓升率為20～20000Pa/小時，坩堝內首次充入保護氣體壓力控制在7×104～105Pa或1大氣壓之間，加熱升溫過程中熔煉坩堝內壓力將大於1大氣壓，那麼此後熔煉過程中熔煉坩堝內壓力降至等於1大氣壓，則向熔煉坩堝內再次充入所述的保護氣體至熔煉坩堝內壓力為1.5大氣壓，如果熔煉坩堝內所述氧化性氣體的濃度低於極限值，則向熔煉坩堝內充入氧化性氣體至其濃度到預定的標準濃度，從而防止鎂合金蒸發或氧化燃燒，如此操作，循環往復；當熔煉坩堝氣密性好，即熔煉坩堝壓升率小於20Pa/小時，坩堝內充入保護氣體壓力控制在103～7×104Pa，加熱升溫過程中熔煉坩堝內壓力始終小於1大氣壓，那麼如果熔煉坩堝內所述氧化性氣體的濃度低於極限值，則向熔煉坩堝內充入氧化性氣體至其濃度到預定的標準濃度，從而防止鎂合金蒸發或氧化燃燒，如此操作，循環往復。
在上述步驟中，所述打開加熱電源的步驟在真空系統抽氣或保護氣體輸入裝置充氣過程中進行。
上述氧化性氣體包括N2、CO2、SO2、SF6或含氟氣體。上述述載氣包括CO2、N2、Ar、He、Ne或Xe。
需要大批量熔煉鎂合金時，可以採用雙爐或多爐聯合方式進行熔煉。
本發明依據不同熔煉要求，通過充氣口向爐內充入相應最經濟環保的保護氣體。整個熔煉過程不需要連續充入保護氣體。具有對熔煉坩堝密封要求較低、節約經濟環保，鎂合金、熔煉爐內壁氧化量小，爐體與外界環境對鎂液汙染小，可有效防止鎂合金氧化燃燒，操作界面友好的特點，單爐或多爐聯合可滿足各種熔煉鎂合金要求。極有推廣應用價值。
圖1為鎂合金真空密封熔煉爐的整體結構示意圖。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明做進一步詳細說明。
圖1顯示了本發明的一個具體實施例，所述的鎂合金真空密封熔煉爐，包括熔煉坩堝1、用於加熱熔煉坩堝的加熱爐12、通過熔煉坩堝1上的充氣口10充入保護氣體的保護氣體輸入裝置(圖中未顯示)，設置在熔煉坩堝蓋9上的壓力表8和超壓放氣閥5，與坩堝上部通過排氣口11連通的用於排出熔煉坩堝內氣體的真空系統(圖中未顯示)和設置在坩堝上部的用於檢測熔煉坩堝內各種氣體濃度的氣體濃度分析儀6。
熔煉坩堝1分為坩堝下部1b和坩堝上部1a，坩堝下部1b位於加熱爐12爐膛內，起熔煉鎂合金的作用；坩堝上部1a位於加熱爐12外，容納熔煉過程中形成保護膜所需的保護氣體。坩堝上部1a的圓筒容積與坩堝下部1b的圓筒截面面積之比大於等於1，從而保證了鎂合金液表面形成保護膜所需反應氣體的量，又能滿足反應氣體僅與鎂液反應，不與熔煉坩堝內壁反應的濃度要求。
熔煉坩堝1與其坩堝蓋9以及其他所有與熔煉坩堝連接部分真空密封(例如連接部分採用矽橡膠圈真空密封方式)，以達到爐內氣密性要求壓升率小於等於20000Pa/小時。這使整個熔煉過程在不連續通入保護氣體情況下，爐內各氣體濃度在安全熔煉的範圍內。
加熱爐的爐體一般採用圓形結構，碳化矽內襯，外加耐火磚和巖棉保溫，熔煉爐通常採用電阻絲在熔煉坩堝外加熱。測溫熱電偶7通過坩堝蓋上的小孔插入熔煉坩堝下部1b內的鎂液中。
所述真空系統用於排除熔煉坩堝內初始狀態空氣，由極限真空度低於1Pa的真空泵、隔斷真空閥門和真空管路組成；保護氣體輸入裝置包括流量計、壓力表、儲氣鋼瓶和氣路組成，用於向熔煉坩堝內充入最經濟環保的保護氣體(如氧化性氣體，或氧化性氣體與載氣的混和氣體)，防止鎂液熔煉過程中氧化、燃燒。其中，氧化性氣體是指N2、CO2、SO2、SF6、其他含氟氣體等；載氣是指CO2、N2、Ar、He、Ne或Xe等氣體。
各氣體濃度分析儀6用於在線檢測熔煉坩堝內各種氣體濃度，為保持爐內各氣體濃度在安全熔煉的範圍內提供安全指示，其為普通冷態測量爐內氣體濃度的氣體濃度分析儀。壓力表8，監測整個熔煉過程爐內壓力變化；超壓放氣閥5，調節熔煉過程中異常壓力變化。
壓力表8、超壓放氣閥5、氣體濃度分析儀6裝在坩堝蓋上，也可以裝在熔煉坩堝上部。與熔煉坩堝連接的保護氣體充入口10，和排氣口11位於熔煉坩堝上部1a，當然也可以根據需要位於坩堝蓋9上。
下面詳細說明利用本發明所述的熔煉爐熔煉鎂合金的操作流程。
熔煉開始前，先將坩堝蓋9移開，將烘乾過的爐料加入坩堝下部1b，之後蓋上隔熱屏3和熔煉坩堝蓋9。然後打開真空系統，排除熔煉坩堝1內的空氣；當坩堝1內壓力小於1Pa時，關閉與熔煉坩堝1相連的真空系統隔斷閥門。打開充氣口，利用保護氣體輸入裝置通過充氣口10向熔煉坩堝1內充入能與鎂液反應生成保護膜的保護氣體，以防止鎂液熔煉過程中蒸發、氧化、燃燒，當熔煉坩堝內壓力為103～105或1大氣壓時，關閉充氣口，打開加熱爐電源，開始熔煉鎂合金；打開加熱電源也可以在抽氣或充氣過程中進行。如果充氣管路內有空氣，應在充入保護氣體的同時，繼續抽氣一段時間(例如大於3分鐘)，然後關閉充氣閥口；常溫下充入保護氣體後，熔煉坩堝內壓力為103～105或1大氣壓，其選擇依據是熔煉坩堝壓升率大小，當熔煉坩堝壓升率小於20Pa/小時，坩堝內充入保護氣體壓力控制在103～7×104Pa；當熔煉坩堝壓升率為20～20000Pa/小時，坩堝內充入保護氣體壓力控制在7×104～105Pa或1大氣壓之間。
熔煉過程中，利用壓力表和氣體濃度分析儀實時檢測坩堝內的壓力和各種氣體的濃度，當熔煉坩堝氣密性差，即熔煉坩堝壓升率為20～20000Pa/小時，坩堝內首次充入保護氣體壓力高(例如在7×104～105Pa或1大氣壓之間)，加熱升溫過程中熔煉坩堝內壓力將大於1大氣壓，那麼此後熔煉過程中熔煉坩堝內壓力降至等於1大氣壓，則向熔煉坩堝內再次充入所述的保護氣體至熔煉坩堝內壓力為1.5大氣壓，如果熔煉坩堝內所述氧化性氣體的濃度低於極限值，則向熔煉坩堝內充入氧化性氣體至其濃度到預定的標準濃度，從而防止鎂合金蒸發或氧化燃燒，如此操作，循環往復；當熔煉坩堝氣密性好，即當熔煉坩堝壓升率小於20Pa/小時，坩堝內充入保護氣體壓力低(例如在103～7×104Pa之間)，加熱升溫過程中熔煉坩堝內壓力始終小於1大氣壓，那麼如果熔煉坩堝內所述氧化性氣體的濃度低於極限值，則向熔煉坩堝內充入氧化性氣體至其濃度到預定的標準濃度，從而防止鎂合金蒸發或氧化燃燒，如此操作，循環往復。
下面以保護氣體(載氣N2、氧化性氣體SF6)為例，說明防止鎂合金氧化燃燒的方法，採用的裝置為本發明所述的鎂合金真空密封熔煉爐。
例1、熔化鎂合金AZ91D，熔煉溫度720℃，熔煉坩堝壓升率20000Pa/小時，首次連接好保護氣體輸入管路將坩堝蓋9移開，將烘乾過的鎂合金AZ91D加入坩堝下部1b，之後蓋上隔熱屏3和熔煉坩堝蓋9。然後打開真空系統，排除熔煉坩堝1內的空氣；當坩堝1內壓力小於1Pa時，打開充氣口，繼續抽氣3分鐘，同時利用保護氣體輸入裝置通過充氣口10向熔煉坩堝1內充入保護氣體，99.9％N2+0.1％SF6，以防止鎂液熔煉過程中蒸發、氧化、燃燒，當熔煉坩堝內壓力為1大氣壓時，關閉充氣口，打開加熱爐電源，開始熔煉鎂合金。
熔煉過程中，利用壓力表和氣體濃度分析儀實時檢測坩堝內的壓力和各種氣體的濃度，如果熔煉坩堝內壓力小於等於1大氣壓，向熔煉坩堝內再次充入所述的保護氣體99.9％N2+0.1％SF6；如果熔煉坩堝內氧化性氣體SF6濃度低於極限值0.01％，向熔煉坩堝內充入氧化性氣體，至爐內氧化性氣體濃度到預定的標準濃度0.1％。此後，如此操作，循環往復。
例2、熔化鎂合金AZ91D，熔煉溫度720℃，熔煉坩堝壓升率200Pa/小時，保護氣體輸入管路中無空氣將坩堝蓋9移開，將烘乾過的鎂合金AZ91D加入坩堝下部1b，之後蓋上隔熱屏3和熔煉坩堝蓋9。然後打開真空系統，排除熔煉坩堝1內的空氣；當坩堝1內壓力小於1Pa時，關閉與熔煉坩堝1相連的真空系統隔斷閥門。打開充氣口，利用保護氣體輸入裝置通過充氣口10向熔煉坩堝1內充入保護氣體，99.9％N2+0.1％SF6，以防止鎂液熔煉過程中蒸發、氧化、燃燒，當熔煉坩堝內壓力為80000Pa時，關閉充氣口，打開加熱爐電源，開始熔煉鎂合金。
熔煉過程中，利用壓力表和氣體濃度分析儀實時檢測坩堝內的壓力和各種氣體的濃度，加熱升溫保溫過程中，熔煉坩堝內壓力將達到一個最大值(大於1大氣壓)，然後逐漸下降。此後如果熔煉坩堝內壓力小於等於1大氣壓，向熔煉坩堝內再次充入所述的保護氣體99.9％N2+0.1％SF6；如果熔煉坩堝內氧化性氣體SF6濃度低於極限值0.01％，向熔煉坩堝內充入氧化性氣體，至爐內氧化性氣體濃度到預定的標準濃度0.1％。此後，如此操作，循環往復。
例3、熔化鎂合金AZ91D，熔煉溫度720℃，熔煉坩堝壓升率0.2Pa/小時，保護氣體輸入管路中無空氣將坩堝蓋9移開，將烘乾過的鎂合金AZ91D加入坩堝下部1b，之後蓋上隔熱屏3和熔煉坩堝蓋9。然後打開真空系統，排除熔煉坩堝1內的空氣；當坩堝1內壓力小於1Pa時，關閉與熔煉坩堝1相連的真空系統隔斷閥門。打開充氣口，利用保護氣體輸入裝置通過充氣口10向熔煉坩堝1內充入保護氣體，99.5％N2+0.5％SF6，以防止鎂液熔煉過程中蒸發、氧化、燃燒，當熔煉坩堝內壓力為20000Pa時，關閉充氣口，打開加熱爐電源，開始熔煉鎂合金。
熔煉過程中，利用壓力表和氣體濃度分析儀實時檢測坩堝內的壓力和各種氣體的濃度，熔煉坩堝內壓力將始終小於1大氣壓。如果熔煉坩堝內氧化性氣體SF6濃度低於極限值0.01％，向熔煉坩堝內充入氧化性氣體，至爐內氧化性氣體濃度到預定的標準濃度0.1％。此後，如此操作，循環往復。
熔煉過程中保護氣體種類的選擇。依據熔煉材料和溫度要求選擇保護氣體，通常熔煉材料決定熔煉溫度。如果熔煉溫度低於600℃，可選擇N2、CO2、SO2、SF6、其他含氟氣體做氧化性氣體；如果熔煉溫度較高600～760℃，可選擇SO2、SF6、其他含氟氣體做氧化性氣體；如果熔煉溫度高於760℃，可選擇SF6或其他含氟氣體做氧化性氣體。載氣不變，包括CO2、N2、Ar、He、Ne或Xe。
氧化性氣體的標準濃度和極限濃度的選定。對於確定的氧化性氣體，熔煉溫度越高，氧化性氣體的標準濃度和極限濃度值越高。對於含氟類氣體，一般以其中單位分子中F原子數的多少確定其標準濃度和極限濃度值，單位分子中F原子數越多，其標準濃度和極限濃度值越低。
利用本發明提出的防止鎂合金氧化燃燒的方法，在整個鎂合金的熔煉過程不需要連續充入保護氣體，一般只需要一次充入爐內。充入的保護氣體與熔煉坩堝內壁反應甚微，與鎂合金液形成的保護膜很薄，能實現低氧化、低汙染、低危害地熔煉鎂合金。
權利要求
1.鎂合金真空密封熔煉爐，包括熔煉坩堝、用於加熱熔煉坩堝的加熱爐、通過熔煉坩堝上的充氣口充入保護氣體的保護氣體輸入裝置，以及設置在熔煉坩堝蓋上的壓力表和超壓放氣閥，其特徵在於所述熔煉坩堝包括位於加熱爐爐膛內用來熔煉鎂合金的坩堝下部和位於加熱爐外用來容納保護氣體的坩堝上部，坩堝上部的圓筒容積與坩堝下部的圓筒截面面積之比大於等於1；所述熔煉爐還包括與坩堝上部連通的用於排出熔煉坩堝內氣體的真空系統和設置在坩堝上部的用於檢測熔煉坩堝內各種氣體濃度的氣體濃度分析儀；所述熔煉坩堝與其坩堝蓋以及其他所有與熔煉坩堝連接部分真空密封，以達到爐內氣密性要求壓升率小於等於20000Pa/小時。
2.利用權利要求1所述鎂合金真空密封熔煉爐防止鎂合金氧化燃燒的方法，其特徵在於，所述防止鎂合金氧化燃燒的方法包括如下步驟起始過程將烘乾過的爐料加入所述熔煉爐的坩堝下部，然後利用真空系統排除熔煉坩堝內的空氣，當坩堝內氣體壓力小於1Pa時，打開充氣口，利用保護氣體輸入裝置通過充氣口向熔煉坩堝內充入保護氣體，所述保護氣體是在熔煉條件下與鎂液反應的氧化性氣體，或者由作為載氣的在熔煉條件下不與鎂液反應的氣體和與鎂液反應的氧化性氣體組成的混和氣體；當熔煉坩堝內壓力為103～105Pa時，關閉充氣口，打開加熱爐電源，開始熔煉鎂合金；熔煉過程利用壓力表和氣體濃度分析儀實時檢測坩堝內的壓力和各種氣體的濃度，當熔煉坩堝氣密性差，即熔煉坩堝壓升率為20～20000Pa/小時，坩堝內首次充入保護氣體壓力控制在7×104～105Pa或1大氣壓之間，加熱升溫過程中熔煉坩堝內壓力將大於1大氣壓，那麼此後熔煉過程中熔煉坩堝內壓力降至等於1大氣壓，則向熔煉坩堝內再次充入所述的保護氣體至熔煉坩堝內壓力為1.5大氣壓，如果熔煉坩堝內所述氧化性氣體的濃度低於極限值，則向熔煉坩堝內充入氧化性氣體至其濃度到預定的標準濃度，從而防止鎂合金蒸發或氧化燃燒，如此操作，循環往復；當熔煉坩堝氣密性好，即熔煉坩堝壓升率小於20Pa/小時，坩堝內充入保護氣體壓力控制在103～7×104Pa，加熱升溫過程中熔煉坩堝內壓力始終小於1大氣壓，那麼如果熔煉坩堝內所述氧化性氣體的濃度低於極限值，則向熔煉坩堝內充入氧化性氣體至其濃度到預定的標準濃度，從而防止鎂合金蒸發或氧化燃燒，如此操作，循環往復。
3.根據權利要求2所述的防止鎂合金氧化燃燒的方法，其特徵在於所述打開加熱電源的步驟在真空系統抽氣或保護氣體輸入裝置充氣過程中進行。
4.根據權利要求2或3所述的防止鎂合金氧化燃燒的方法，其特徵在於所述氧化性氣體包括N2、CO2、SO2、SF6或含氟氣體。
5.根據權利要求2或3所述的防止鎂合金氧化燃燒的方法，其特徵在於所述載氣包括CO2、N2、Ar、He、Ne或Xe。
6.根據權利要求2或3所述的防止鎂合金氧化燃燒的方法，其特徵在於需要大批量熔煉鎂合金時，採用雙爐或多爐聯合方式進行熔煉。
全文摘要
鎂合金真空密封熔煉爐及防止鎂合金氧化燃燒的方法，屬於金屬材料及冶金類技術領域。本發明提出了一種鎂合金真空密封熔煉爐，包括熔煉坩堝、加熱爐、保護氣體輸入裝置，真空系統和氣體濃度分析儀，所述熔煉坩堝包括用來熔煉鎂合金的坩堝下部和用來容納保護氣體的坩堝上部，坩堝上部的圓筒容積與坩堝下部的圓筒截面面積之比大於等於1。本發明所述防止鎂合金氧化燃燒的方法是利用保護氣體輸入裝置向坩堝內充入保護氣體，並實時檢測坩堝內的壓力和各種氣體的濃度，根據需要向坩堝內再次充入保護氣體或其中的氧化性氣體。本發明具有節約經濟環保，鎂合金、熔煉爐內壁氧化量小，爐體與外界環境對鎂液汙染小等特點。
文檔編號F27B14/20GK1651840SQ200510059000
公開日2005年8月10日 申請日期2005年3月29日 優先權日2005年3月29日
發明者聶書紅, 柳百成, 熊守美 申請人:清華大學