CN101423900B - 镁合金大型连续熔炼系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于一种镁合金熔炼设备，尤其属于镁合金大型连续熔炼系统，用于满足连续铸轧、连铸、铸造等生产对镁合金液的大量需要。系统把固体预阶段热和液体高温阶段分开，固体预热在简单的大气条件下采用感应加热快速进行，高温阶段按熔化、精炼和沉淀净化不同环节分开，强化单个功能环节。这样不仅能改善劳动条件、也可以使生产过程连续化和降低生产费用，还能提高冶金质量。

Description

镁合金大型连续熔炼系统

技术领域

本发明涉及一种镁合金熔炼设备，尤其涉及提供镁合金液的大型连续熔炼系统。

发明背景

目前镁合金熔炼设备包括地坑炉、双联炉、三联炉、群炉、反射炉和多室炉等。地坑炉的优点是生产灵活性强，能生产出各种成分控制准确，质量很高的镁合金液。地坑炉的缺点很多，生产条件恶劣、劳动强度高、人为因素对质量的影响强烈、产品质量稳定性差，热能消耗高。双联炉是采用虹吸管把两个坩埚炉理解组成一个系统，一个炉子负责熔化、合金化，另一个炉子负责调整温度、沉淀静置精炼；基本实现了熔炼过程的连续化，但需要特殊的启动方法、生产能力较小，目前主要用于诸如压铸的生产。三联炉是目前应用相对成熟的大批量生产镁合金的连续生产工业化设备，最典型的是采用两台并行的工频熔化炉，交替向一台保温炉提供已经快速熔化和合金化的镁合金液体，在保温炉中调整温度、沉淀静置精炼。金属液的在炉子间的转移采用倾倒的方法。工频炉组基本实现了熔炼过程的连续化，生产能力较大，目前是一种可靠的的生产铸锭和牺牲阳极的技术，但设备费用高、运行成本高。多室炉的结构是把一个大的耐火材料砌筑的空间分割成若干个室，各个室的底部和中部通过大的孔洞连通，最底部加热电极、每个室的最上部有加料、观察空或出料口等。底部是熔剂层，深度将各个室的底部的孔洞淹没，熔剂层和底部加热电极项连接，电极接通电时，即能在底部是熔剂层产生电流并产生电阻热，该热是炉子的热源。当在多室炉的加料端把固体的或液体的金属炉料加入，由于各个室的连通，熔化后的金属液便同熔剂充分混合，熔剂变把金属液体中非金属杂质吸附、聚集，而后在随后的几个室中依次沉淀，金属越来越洁净，到最后的时时，金属液已经很干净，便可以通过侧墙的出液口流出或采用金属液泵从上部抽出。多室炉的的优点是连续生产、生产率高、镁合金液的质量高且稳定、劳动条件好、能源消耗较低，但多室炉的启动困难、灵和性差，仅适用于不需要改变合金品种的生产。火焰反射炉金属损耗高、电热反射炉耗电大和不允许使用熔剂，一般很少采用。

镁合金在坩埚间、设备间的转移也是一件困难的工序。虽然流体包括铝等金属液的转移已经有许多成熟的技术，但由于镁合金的特殊性，传统的金属液转移方法，如流槽、离心泵、压力泵、电磁泵、虹吸管、底部滑动水口等在应用于镁合金是都存在不同程度的问题。目前镁熔炼后的金属液体转移、输送采用的方法主要是人工，包括各种人工操作如浇包舀取或从炉子中吊出坩埚再倾倒、炉子翻转倾倒等多种方式。镁的熔炼现场处于高温、被有害气体包围，使得劳动条件非常差。在此种环境下通常要求短时间内完成数以吨计的镁熔炼和浇注，劳动强度太大，实难靠人工在保证高稳定质量的前提下完成。从炉子中吊出坩埚再倾倒的转移和输送方式，一般只适用于不大的坩埚。这是因为坩埚从炉子中吊出后散热剧烈，金属液的温度无法在整个浇注过程严格控制，从而影响产品质量。当坩埚从炉子中吊出也因温度变化剧烈及坩埚外壁和大气接触氧化，引起氧化层脱落，使坩埚寿命大大缩短。坩埚的造价通常很高，不连续生产造成坩埚使用次数减少必然增加生产成本。炉子整体翻转倾倒式实现金属液转移时，由于炉子通常都很高，翻转时液体在很大的落差下倾倒，操作危险性大。而镁熔炼的不安全性是镁工业生产最大的问题。同时镁液在落差是很大的情况下翻腾，氧化十分剧烈。该方式一般要求过程不能很长，不适用于要求流量不大的铸造生产。提高金属液质量是镁合金熔炼的基本目标。大型炉人工操作困难，采用电磁搅拌或机械搅拌、长时间静置沉淀是合金净化的有效方法，但长时间静置时大量散热和节能相矛盾。

目前对于传统工艺进行镁合金熔炼，最有效的精炼方法是采用以卤化物盐化合物的熔剂。在高温熔炼过程，卤化物盐化合物熔剂不断的挥发、分解成腐蚀性很强的物质，对熔炼环境和设备造成极大的腐蚀损害。目前还没有十分有效的方法防止熔炼时挥发熔剂对生产设备造成的严重损害。

由此可见，镁合金熔炼存在许多需要解决的问题，包括占地大、工艺复杂、生产率低、生产条件差、对环境腐蚀严重和能量利用率不高等。许多镁工业生产企业要求合金液的质量必须达到高的技术标准并能实现连续化，尤其是镁合金板材连续铸轧和坯料水平连铸的生产，也包括铸锭、连铸、牺牲阳极、连续铸轧、连续铸轧-热轧、连续铸轧-热连轧、连续铸造生产等。对生产过程金属液的供应速率有不同的要求，因此，目前尚没有一种熔炼方法能满足上述要求。此外，劳动条件好、安全、节能，也是镁合工业的发展方向。

发明内容

镁和镁合金液体的特性是极为活泼，镁液的爆炸在镁工业生产中时有发生，并往往伴随着厂房和设备的破坏，间或有人员的伤亡，因此安全问题优为突出。为避免镁的氧化和燃烧和净化金属液，需要使用熔剂。氧化夹杂和熔剂夹杂是镁合金中常常存在的缺陷，对镁合金是有害的。镁和镁合金的熔炼的生产环境恶劣、劳动强度大、产品质量控制困难、能量损耗大、设备腐蚀严重。

本发明的目的是开发出生产率高、金属液质量高、连续化程度高、劳动条件好、安全、节能的镁合金连续熔炼技术，以适应连续铸锭、半连铸、连铸、水平连铸、连铸连轧生产发展的熔炼系统。

本申请认为镁合金熔炼时的能源消耗、冶金质量、劳动条件和安全环境、生产能力以及连续性主要取决于能否快速熔化、充分搅拌精炼和足够的静置时间等环节。传统熔炼方法很难兼顾列出的指标，例如延长沉淀时间是从金属液中分离夹杂的非常有效的方法，但延长时间，必然导致钢质坩埚的铁在镁合金液体中溶解、热量大量散失、劳动条件恶化等。节能途径主要是降低熔炼时的散热，例如把镁的温度从20℃升温到典型的镁合金生产需要的温度760℃，理论需要的热能包括升温加热、熔化、过热总共约为316度电/吨镁，而目前实际需要的热量为650-700度电/吨镁，热效率约为48％，其余热大部分以辐射散失，部分对流散失消耗。

本申请首先从理论上分析了镁合金熔炼时的问题和形成的原因。

一般在金属坩埚中加入固体炉料开始加热，固体加热时的传热通过炉料间隙空气的热传导和坩埚壁的热辐射，由于气体的导热率低、低温时的辐射热小，因此，此阶段的加热过程是一个时间漫长的过程和热利用率低的过程。同时，此阶段炉料的温度极度不均匀，在底部和坩埚壁接触的温度超过500℃，处于氧化燃烧的温度范围，须采用熔剂加以保护。因此即使整体处于低温，氧化燃烧依然存在，坩埚炉，冷炉料加入，传热慢、接触红热坩埚的金属温度高，需要熔剂保护，生产过程仍然复杂。这一缓慢过程只是在坩埚底部出现一定深度的金属液时，过程才开始加快。但如果在已经处于熔化状态的金属液中，加入初步预热除水的料锭，金属液依然会迅速凝固。这说明传统上的加入初步预热除水的料锭，仍然是熔化速度缓慢的原因。

长期的生产实践表明，镁合金在500℃以下的温度范围加热，由于不存在明显氧化和镁锭强度较高，因此，锭的单纯预热可以采用更简单的方法。如果将预热到高温的镁锭浸泡于金属液，则镁锭会迅速熔化，而且浸泡状态的氧化问题不突出。基于此，如果把镁合金熔炼时在近500℃以下的温度范围加热和超过此温×度加热和熔炼加区分，必然造成镁合金熔炼的全过程简化。采用感应加热把镁合金锭预热到500℃，仅仅需要几秒钟，该过程即使在空气中进行，随后再把感应预热的镁锭浸泡于金属液，金属液具备的流动性，也使传热速度快，熔化速度快。

从合金熔化热学理论耗能量对过程定量计算：固体镁(20～650℃)的平均比热为0.238卡/克.度，室温预热至500℃，须要的热量为0.238卡/克.度×500＝119卡/克；熔化热(熔点为650℃)为86.419卡/克；液态比热(650℃以上)为0.341卡/克.度，预热500至650℃，须热量为0.238卡/克.度×500＝119卡/克；镁熔化后过热至760℃，须热量为0.341卡/克.度×110＝37.51卡/克。可以计算出感应预热的热量占整个熔化过程的热量为42％。基于此处的理论计算的结果证明，把镁合金熔炼过程分割成两个温度范围并以不同加热或熔炼，500℃以下的快速非保护简单加热，500℃以上快速熔化和功能化金属液净化处理。由于感应加热过程时间消耗和散失占的比例都几乎可以忽略不计，因此，可以使熔炼过程缩短接近一半、热能散失减小一半。

本申请把镁合金熔炼的明显氧化以前的固体加热和此后的高温过程分开，固体加热在简单的大气条件下采用感应加热快速进行，高温过程按熔化精炼和沉淀净化也分开，阶段明确、强化单个功能环节，不仅能改善劳动条件好、也可以使生产过程连续化和降低生产费用低，还能提高冶金质量高。

为了完成两阶段生产，本申请发明一种用于镁合金液熔炼系统，系统由工频感应预热器、滚道、熔炼炉、多室净化保温坩埚、输出热流道组成。工频感应预热器是水冷感应线圈，线圈内有陶瓷滚道。镁锭能沿滑道自动通过线圈并被快速加热，从室温快速均匀加热到接近500℃的过程可以在几秒钟完成，预热过程不需要防护氧化，基本不存在大量的散热损失，由于不需要防护氧化，可以简化生产过程、热效率和生产率大幅度提高。预热后的镁锭经过滚道自动进入熔炼炉。熔炼炉的坩埚始终有一定量的镁合金液和熔剂，预热到近500℃的热料浸入后立即熔化并和熔剂充分混合接触并在通过熔剂层被渣洗精炼，精炼后的金属液流到多室净化保温坩埚熔剂层，过程连续进行，需要的时间也明显缩短、氧化问题减小。熔化并经精炼后输出的金属液依次进入其分割成多室空间的多室净化保温坩埚，在不同的室依次氩气吹炼、静置沉淀、过滤可以采用泡沫陶瓷过滤和多孔金属板过滤，最后成为符合规定的洁净镁合金液后输出。多室净化保温坩埚采用优质的保温材料，减少热量散失，由于保温性能好，允许把静置沉淀时间大幅度延长，为夹杂沉到坩埚底部创造足够的条件。此外多室净化保温坩埚金属液过热度不大，延长静置时间回引起铁的溶入的问题很小，从而冶金质量显著提高。在较长时间静止过程中，金属液层中微细夹杂、熔剂通过聚集，随后沉淀，镁合金得到充分的净化。输出热流道是一种起始端有阀的热虹吸管，通过管道直接通低压电流直热或管道外部饶电热丝加热，保持金属液输出间歇期间管道不凝固。整个生产工程可以连续进行，也可以间歇进行。

因此，基于理论分析的本申请新技术可以将镁合金的熔炼速度提高一倍，散热量大幅度减小，此时保证金属液质量的搅拌、静置同时得到强化，由于操作容易实现机械化，可以减小工人劳动强度和改善工作环境。

系统中工频感应预热器1是有感应电源供电的内水冷线圈组，线圈内部有斜坡滚道2，当炉料锭放进入口处后会在重力作用下自动在线圈内滚动，滚动速度可以通过调整斜坡斜度改变，以符合生产节拍要求。熔炼炉3中的钢质熔炼坩埚4底部有精炼熔剂6，中间被隔板5分割，隔板下端距坩埚底有一定距离并被熔剂浸没，液体金属通过熔剂层时被熔剂洗涤精炼。经过熔剂洗涤后的镁合金液通过虹吸管自动被输送到多室净化保温坩埚8。多室净化保温坩埚8是一个被分割并相互连通的大坩埚，当镁合金液依次通过各个室时，先被氩气精炼管9浮游精炼，再进入隔板10和过滤器11隔出的区域缓慢流动并静置沉淀澄清，然后在通过过滤器11时被深度过滤净化。最后成分合格的洁净镁合金液体在阀12的控制下，经过输出热流道13被引出。输出热流道是一种起始端有阀的热虹吸管，通过管道直接通低压电流直热或管道外部饶电热丝加热，保持管道内金属液不凝固。整个过程有温度控制、保护气体、保温盖16等保证温度在设计的控制范围、金属的氧化被严格限制。

附图说明

图1为本发明的镁合金大型连续熔炼系统图示说明。

1-工频感应预热器

2-斜坡滚道

3-熔炼炉3

4-钢质熔炼坩埚4

5-隔板

6-精炼熔剂6

8-多室净化保温坩埚

9-氩气精炼管

10-隔板10

11-过滤器

12-阀

13-输出热流道

16-保温盖

具体实施例

年生产能力为1万吨镁合金液的大型连续熔炼系统，按全年熔炼时间利用率为60％计算，每小时的熔炼速率为2吨。以每小时2吨的基点设计大型连续熔炼系统。

由于镁合金在大气中长时间在480℃加热，氧化也不明显，快速加热时甚至温度允许更高一些。预热炉需要连续的把2吨镁合金铸锭从室温快速均匀加热到接近500℃，同时要求温度内外均匀，感应加热的频率低时，趋肤效应低和镁的导热性良好，因此选择工频感应加热。根据镁的热容计算。考虑理论输出功率为和热效率等因素，选择工频感应加热的输出功率为500千瓦。感应线圈有效加热程度3米，镁锭通过时间为9秒。感应线圈内设置非金属耐火材料斜槽滚道，斜度可以调节，保证需要的通过时间。工频感应线圈为紫铜管，内部通冷却水。感应线圈内部设置有带斜坡的陶瓷滚道，镁锭在重力作用下自动滑动。滚道是连接工频感应和熔炼炉坩埚的镁锭通道，预热的镁合金锭块沿此槽平稳的被引入金属液。为了减少热损失，滚道周围有陶瓷棉保温材料。

熔炼炉是一种煤气或电加热的金属坩埚炉，为了满足熔炼速度的要求，熔化炉有较大的功率。熔炼坩埚容量为1-2吨，其坩埚底部常态有镁合金液和熔剂，熔剂由于比重较大而处于坩埚底部并将中间的隔板下端淹没。将预热到近500℃的热料浸入后能快速熔化，溶化后的液体金属在不断有固体炉料加入时，从坩埚底的熔剂层被排到坩埚的右侧。金属液通过熔剂层时，两者充分混合、接触，从而金属液被熔剂净化。为了保证预热的镁合金锭块首先被加热熔化并与精炼熔剂充分混合、接触净化，坩埚内的金属液按一定速度被置换排出被引入多室炉。多室净化保温坩埚是电热坩埚炉，其功能是进一步净化金属液和调节金属液的温度。坩埚被隔板分割成多室，多室坩埚炉容量为3吨左右。熔炼炉输出的金属液依次进入其分割成多室的坩埚，分室依次氩气吹炼、静置、泡沫陶瓷过滤，最后成为成分符合规定的洁净镁合金液经过输出热流道13后输出。输出热流道13是一种起始端带阀的虹吸管，具备输出镁液可控制性，金属液输出间歇期间流道不凝固，将金属液运输设备中和容器中，运往需要金属液的镁合金连铸连轧生产车间，镁合金连铸连轧生产车间的生产率为每小时为1-2吨。

Claims (1)

1.一种用于镁合金液熔炼系统，能连续大量供应经过精炼的镁合金液，其特征在于：系统由工频感应预热器(1)、滚道(2)、熔炼炉(3)、熔炼坩埚(4)、隔板(5)、熔剂层(6)、虹吸管、多室净化保温坩埚(8)、氩气精炼管(9)、隔板(10)、过滤器(11)、阀(12)、输出热流道(13)、温度控制、保护气体、保温盖(16)组成，系统中工频感应预热器(1)是有感应电源供电的内水冷线圈组，线圈内部有斜坡滚道(2)，熔炼炉(3)中的钢质熔炼坩埚(4)底部有精炼熔剂(6)，中间被隔板(5)分割，隔板下端距坩埚底有一定距离并被熔剂浸没，液体金属通过熔剂层时被熔剂洗涤精炼，经过熔剂洗涤后的镁合金液通过虹吸管自动被输送到多室净化保温坩埚(8)，多室净化保温坩埚(8)是一个被分割并相互连通的大坩埚，当镁合金液依次通过各个室时，先被氩气精炼管(9)浮游精炼，再进入隔板(10)和过滤器(11)隔出的区域缓慢流动并静置沉淀澄清，然后在通过过滤器(11)时被深度过滤净化，最后成分合格的洁净镁合金液体在阀(12)的控制下，经过输出热流道(13)被引出，输出热流道是一种起始端有阀的热虹吸管，通过管道直接通低压电流直热或管道外部绕电热丝加热，保持管道内金属液不凝固，整个过程有温度控制、保护气体、保温盖(16)保证温度在设计的控制范围，金属的氧化被严格限制。 

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