CN101914696A - 一种镁合金熔炼及反重力浇注过程中的防燃防氧化方法及混气系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种镁合金熔炼及反重力浇注过程中的防燃防氧化方法及混气系统，技术特征在于：根据炉膛温度自动控制保护气通入及断开时间，并根据不同的炉膛温度自动调节混合气体配比，建立了不同温度保护气配比及通断时间方案。智能混气装置采用触摸屏及可编程控制器作为控制核心，实时采集熔化炉炉膛温度，控制电磁阀通断，同时利用质量流量控制器与PLC进行数据通信，实现对空气、CO₂及SF₆气体流量实时调整。混气气路采用直动减压联合先导减压的控制方式保证反重力铸造过程中保护性气体通入坩埚。该发明能提供对镁合金熔体的有效保护，并使混合气体得到有效利用，最大程度降低了SF₆对环境的负面影响。

Description

一种镁合金熔炼及反重力浇注过程中的防燃防氧化方法及混气系统

技术领域

本发明涉及一种镁合金熔炼及反重力浇注过程中的防燃防氧化方法及混气系统，适用于镁合金熔炼及反重力浇注过程中的防燃防氧化保护。

背景技术

镁合金优点突出，但镁比较活泼，镁熔体易与周围介质如氧、氮、水汽等发生反应，镁熔体与空气发生反应时形成的氧化膜致密度小，不能阻止氧化膜下方的熔体继续氧化，氧化产生的热量会加剧镁液的燃烧。镁液的易燃特性使镁合金熔炼及热加工成型受到限制，在镁合金熔炼及浇注过程中必须有效地对熔体进行防燃防氧化保护，目前常用的两种方式为熔剂保护和气体保护。

熔剂保护是传统的保护方式，需要在生产过程中不断的施放氯盐化合物，这种方法简单易行，但产品中易出现熔剂夹杂，导致材料力学性能及耐蚀性能下降，而且产物Cl₂，HCl，HF具有化学腐蚀性，对设备造成破环，生成的气体还会恶化生产环境，在国外已经停止使用。

气体保护技术在镁合金表面覆盖一层惰性气体或者能与镁反应生成致密氧化膜的气体，常用空气及SF₆混合作为保护气，通入到熔体表面，在混合气体中，通入干燥的CO₂气体，可以改善和加强SF₆的保护效果。混合气体对SF₆含量有严格要求，SF₆体积分数过小，则表面膜不致密，而SF₆的体积分数过大，则表面膜变厚发脆，易发生裂纹，反而使保护作用减弱，而且SF₆浓度气氛过高时对设备还具有严重的腐蚀作用，通常SF₆的浓度应控制在0.1％～1％(体积分数)之间。尽管SF₆具有较好的保护作用，但是其温室效应是CO₂的24000倍，世界上许多国家都开始限制了对其的使用，在积极寻找SF₆的替代物同时，也要在生产过程中尽量减少SF₆的排放。

上世纪九十年代以前，我国一直采用熔剂保护进行镁合金熔炼过程保护，由于气体保护下生产的镁合金产品质量高，阻燃效果好，近年来，气体保护技术在逐步推广。 已有一些关于气体保护的方法及装置的专利，概括一下可以分以下两类，第一类利用简单的机械装置如减压阀、转子流量计控制混合气体通入，如中国专利200610040525.3，题为镁合金熔炼的气体保护方法及气体混合装置，保护气路设有压力控制装置及调节器，混合了空气、SF₆及CO₂三种气体，在500度以上时通入保护气，使用简单，具有低廉的硬件成本优势，但这种装置控制精度不高，影响其保护效果。第二类是在混合气体出口处进行设计，增加气体混合后的均匀程度。如中国专利200810162091.3，题为镁合金浇注熔炼的保护气氛装置，在混气支路出口处安装了螺旋结构。中国专利200810063778.1，题为用于镁合金高效气体混合装置，在混合气罐内通过改进进气接头形状及安装梳妆网。

上述的几种保护方法及装置基本满足了使用要求，但是在镁合金保护过程中仍存在以下问题：

(1)混合气体过饱和通入的问题。在镁合金熔炼过程中，适量的保护气能保证熔体在一定时间内不发生氧化燃烧现象，持续通入保护气体会造成SF₆的浪费并加剧其环境的的负面影响。

(2)空气、SF₆、CO₂三种气体配比不能达到最佳保护效果。镁合金熔炼温度在750℃左右，从500℃开始，随着熔化炉温度提高，只有提高SF₆、CO₂的体积百分比才能达到良好的保护效果。传统保护装置采用人工定量调节SF₆、CO₂等混合气体配比，该方法控制下的保护气体不能主动根据熔炉温度自动调节保护气体配比，需要操作人员随时根据保护效果调节保护气体配比，操作繁琐，极易影响铸造生产质量和安全。

(3)现有的保护装置不能应用于镁合金反重力浇注过程。反重力铸造如低压铸造，差压铸造等，是一种生产镁合金复杂薄壁铸件的精密铸造方法，广泛应用于汽车制造及航空航天领域。反重力铸造是在密闭的坩埚或罐体内内建立气压，将压缩空气作用于金属液表面，利用气体压力使合金液沿升液管进入到铸型内。反重力铸造方法结合气体保护技术可以实现对镁合金的连续浇注生产，但是由于在浇注过程中坩埚内存在 较大的气体压力，所以传统保护装置无法使保护性气体正常通入到坩埚内部实现对熔体的保护。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种镁合金熔炼及反重力浇注过程中的防燃防氧化方法及混气系统，根据不同的炉膛温度调整空气、SF₆及CO₂的配比及通断时间

技术方案

一种镁合金熔炼及反重力浇注过程中的防燃防氧化方法，采用坩锅炉进行熔炼，其特征在于步骤如下：

步骤1：当炉膛温度达到350℃，小于550℃时，按照通入20s停止80s的控制率循环通入保护气体；本次循环所述的保护气体的体积百分比为：98.4空气∶0.1SF₆∶1.5CO₂；

步骤2：当炉膛温度达到550℃，小于600℃时，按照通入20s停止60s的控制率循环通入保护气体；本次循环所述的保护气体的体积百分比为：98.35空气∶0.15SF₆∶1.5CO₂；

步骤3：当炉膛温度达到600℃，小于650℃时，按照通入25s停止70s的控制率循环通入保护气体；本次循环所述的保护气体的体积百分比为：98.3空气∶0.2SF₆∶1.5CO₂；

步骤4：当炉膛温度达到650℃，小于680℃时，按照通入25s停止60s的控制率循环通入保护气体；本次循环所述的保护气体的体积百分比为：98.1空气∶0.4SF₆∶1.5CO₂；

步骤5：当炉膛温度达到680℃，小于710℃时，按照通入30s停止60s的控制率循环通入保护气体；本次循环所述的保护气体的体积百分比为：91.6空气∶0.4SF₆∶8CO₂；

步骤6：当炉膛温度达到710℃，小于730℃时，按照通入30s停止50s的控制率循环通入保护气体；本次循环所述的保护气体的体积百分比为：84.55空气∶0.45SF₆∶25CO₂；

步骤7：当炉膛温度达到730℃，小于750℃时，按照通入30s停止40s的控制率循环通入保护气体；本次循环所述的保护气体的体积百分比为：74.55空气∶0.45SF₆∶25CO₂；

步骤8：当炉膛温度达到750℃，直至反重力浇注过程结束，按照通入30s停止30s的控制率循环通入保护气体；本次循环所述的保护气体的体积百分比为：74.5空气∶0.5SF₆∶25CO₂。

一种实现上述的镁合金熔炼及反重力浇注过程中的防燃防氧化方法的混气系统，其特征在于包括空气支路、SF₆支路、CO₂支路、混合气罐6、直动减压阀27、低压保护支路，泄漏保护支路和备用保护支路；所述空气支路为空气的入口连接过滤减压阀1后顺序连接空气压力开关2、空气先导减压阀3、空气单向阀4和空气质量流量控制器5；所述SF₆支路为SF₆的入口连接SF₆压力开关11后顺序连接SF₆先导减压阀12、SF₆单向阀13和SF₆质量流量控制器14；所述CO₂支路为CO₂的入口连接加热器19后顺序连接CO₂压力开关20、CO₂先导减压阀21、CO₂单向阀22和CO₂质量流量控制器23；空气质量流量控制器5、SF₆质量流量控制器14和CO₂质量流量控制器23的出口连接混合气罐6的入口，混合气罐6的出口分别连接低压保护支路，泄漏保护支路和备用保护支路；所述低压保护支路为低压电磁阀7的入口连接混合气罐6的出口后顺序连接低压调速阀8和低压单向阀9；所述泄漏保护支路为泄漏电磁阀15的入口连接混合气罐6的出口后顺序连接泄漏调速阀16和泄漏单向阀17；所述直动减压阀27入口连接空气支路过滤减压阀1的出口，直动减压阀27的出口分别连接空气先导减压阀3、SF₆先导减压阀12和CO₂先导减压阀21的的顶部进气口。

在混合气罐6的出口连接备用电磁阀24的入口后顺序连接备用调速阀25和备用单向阀26。

所述的空气质量流量控制器5、SF₆质量流量控制器14和CO₂质量流量控制器23的通信口通过接线端子排30与数据控制器29的一个通信口联接，数据控制器29的另一个通信口联接数据输入端28。

有益效果

本发明提出的镁合金熔炼及反重力浇注过程中的防燃防氧化方法，以及混合气体系统用来实现镁合金熔炼及反重力铸造过程的防燃防氧化保护方法。通过在不同的温度范围内，采用不同的通入保护气体控制率，同时根据不同温度段选择是与该温度段合适的空气、SF₆、CO₂三种气体配比

(1)能够解决混合气体过饱和通入的问题。在镁合金熔炼过程中，适量的保护气能保证熔体在一定时间内不发生氧化燃烧现象，通过断续通入保护气体减少SF₆的浪费和对环境的的负面影响。

(2)能够达到最佳保护效果。镁合金熔炼温度在750℃左右，从500℃开始，随着熔化炉温度提高，只有提高SF₆、CO₂的体积百分比才能达到良好的保护效果。传统保护装置采用人工定量调节SF₆、CO₂等混合气体配比。本发法及系统能根据熔炉温度自动调节保护气体配比，随时根据保护效果调节保护气体配比，较少操作繁琐，保证铸造生产质量和安全。

本方法和系统实现保护性气体正常通入到坩埚内部实现对熔体的保护。

附图说明

图1：为混气系统气路原理图

1-过滤减压阀，2-空气压力开关，3-空气先导减压阀，4-空气单向阀，5-空气质量流量控制器，6-混合气罐，7-低压电磁阀，8-低压调速阀，9-低压单向阀，10-SF₆气瓶，11-SF₆压力开关，12-SF₆先导减压阀，13-SF₆单向阀，14-SF₆质量流量控制器，15-泄漏电磁阀，16-泄漏调速阀，17-泄漏单向阀，18CO₂气瓶，19-加热器，20-CO₂压力开关，21-CO₂先导减压阀，22-CO₂单向阀，23-CO₂质量流量控制器，24-备用电磁阀，25-备用调速阀，26-备用单向阀，27-直动减压阀，28-数据输入端，29-数据控制器， 30-接线端子排。

图2：实施例控制系统结构图：28触摸屏29可编程控制器30端子排

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明的混合气体系统包括电控系统与气路系统，气路系统为空气的入口连接过滤减压阀1后顺序连接空气压力开关2、空气先导减压阀3、空气单向阀4和空气质量流量控制器5；SF₆支路为SF₆的入口连接SF₆压力开关11后顺序连接SF₆先导减压阀12、SF₆单向阀13和SF₆质量流量控制器14；CO₂支路为CO₂的入口连接加热器19后顺序连接CO₂压力开关20、CO₂先导减压阀21、CO₂单向阀22和CO₂质量流量控制器23；空气质量流量控制器5、SF₆质量流量控制器14和CO₂质量流量控制器23的出口连接混合气罐6的入口；混合气罐6的出口其一连接低压电磁阀7、低压调速阀8和低压单向阀9；其二连接泄漏电磁阀15、泄漏调速阀16和泄漏单向阀17；其三连接备用电磁阀24备用调速阀25和备用单向阀26。直动减压阀27分别控制空气先导减压阀3、SF₆先导减压阀12和CO₂先导减压阀21。

空气质量流量控制器5、SF₆质量流量控制器14和CO₂质量流量控制器23的通信口联接电控系统，通过接线端子排30联接数据控制器29的一个通信口联接，数据控制器29的另一个通信口联接数据输入端28。数据控制器29采用可编程控制器(PLC)，数据输入端28采用触摸屏进行数据输入。

系统气路工作过程：

气路系统工作时，SF₆、CO₂和空气三种气体同时从各自气源出发，空气经过滤减压阀1、压力开关2、先导减压阀3、单向阀4、质量流量控制器5、进入混合气罐6，SF₆经过压力开关11、先导减压阀12、单向阀13、质量流量控制器14、进入混合气罐6，CO₂经过加热器19、压力开关20、先导减压阀21、单向阀22、质量流量控制器23、进入混合气罐6，三种气体在混合气罐6内充分混合。气体混合后经由三条输出支路通入到熔体表面，作为镁合金反重力铸造保护装置，将输出支路分别为低压保护支路，泄漏保护支路及备用保护支路，在熔炼及反重力浇注过程中，混合气体在低 压保护支路经过电磁阀7、调速阀8、单向阀9通入熔体表面；当镁液泄漏时，混合气体在泄漏保护支路经过电磁阀16、调速阀17、单向阀18通入熔体表面；在备用保护支路经过电磁阀24、调速阀25、单向阀26通入熔体表面。

在反重力铸造过程中要保证保护性气体正常通入到坩埚内，必须保证混合气体的出口压力大于坩埚内的气压。将各支路气体的减压阀使用同一压力减压，通过直动调压旋钮26，可以同时调高先导减压阀3，先导减压阀12，先导减压阀21的出口压力。这种连接能保证各支路气体在减压阀出口处压力相等，这样在气瓶及气源的使用过程中可以避免因为不同气源压力下降引起的气体流量比例变化。输入及输出支路安装单向阀，单向阀是保证气流只能沿一个方向流动而不能反向流动的方向控制阀，在各输入支路安装单向阀4、13、22能够防止混气缓冲罐内的混合气体倒流回气瓶，在输出支路安装单向阀9、17、26保证坩埚内的混合气体不倒流回缓冲罐。三条供气支路的通断可通过电磁阀控制，每路电磁阀出口处都安装了调速阀，可以调节旋钮控制流量大小。可以将泄漏保护支路流量开度调至最大，以便燃烧时迅速阻燃。

本发明镁合金熔炼及反重力浇注过程混合方法的实施例：

将输出支路接口接入到坩埚盖处的保护气输入口，打开各支路气源，将空气减压到0.4MPa，CO₂加热装置上电，通过压力开关设定各气体压力低限为0.3MPa。当气瓶中压力低于0.3MPa时，压力开关动作，提供信号给控制系统，系统会发出声光报警提醒操作人员更换气瓶。

首先将流量配方与通断时间配方输入到混气系统中，流量配方的计算按照下述方法进行：

(1)计算坩埚体积

坩埚镁液熔化量为300Kg，半径＝275mm，高H＝900mm，坩埚密封容积约为210L

(2)根据总流量＝密封容积×6％，求得不同温度下混合气体的总流量约为13L/min根据某组分气体流量＝总流量×气体体积百分比，求得各个气体的流量，得到的结 果如表1所示

表1流量设定配方

(3)将表1中的流量配方通过触摸屏输入到混气系统中。

(4)将表2中的通断时间配方通过触摸屏输入到混气系统。

表2通断时间设定配方

(5)按下自动保护按钮，混气系统会按照设定的表1及表2中的配方对镁合金熔体进行保护气通入。

(6)达到熔炼温度后，准备开始反重力浇注，调节直动减压阀旋钮，使保护气出口压力为0.2MPa，保证出口压力大于反重力铸造过程中的坩埚内气体压力。

反重力浇注过程中保护气顺利通入，完成整个过程的自动保护。

Claims (4)

1.一种镁合金熔炼及反重力浇注过程中的防燃防氧化方法，采用坩锅炉进行熔炼，其特征在于步骤如下：

步骤1：当炉膛温度达到350℃，小于550℃时，按照通入20s停止80s的控制率循环通入保护气体；本次循环所述的保护气体的体积百分比为：98.4空气∶0.1SF₆∶1.5CO₂；

步骤2：当炉膛温度达到550℃，小于600℃时，按照通入20s停止60s的控制率循环通入保护气体；本次循环所述的保护气体的体积百分比为：98.35空气∶0.15SF₆∶1.5CO₂；

步骤3：当炉膛温度达到600℃，小于650℃时，按照通入25s停止70s的控制率循环通入保护气体；本次循环所述的保护气体的体积百分比为：98.3空气∶0.2SF₆∶1.5CO₂；

步骤4：当炉膛温度达到650℃，小于680℃时，按照通入25s停止60s的控制率循环通入保护气体；本次循环所述的保护气体的体积百分比为：98.1空气∶0.4SF₆∶1.5CO₂；

步骤5：当炉膛温度达到680℃，小于710℃时，按照通入30s停止60s的控制率循环通入保护气体；本次循环所述的保护气体的体积百分比为：91.6空气∶0.4SF₆∶8CO₂；

步骤6：当炉膛温度达到710℃，小于730℃时，按照通入30s停止50s的控制率循环通入保护气体；本次循环所述的保护气体的体积百分比为：84.55空气∶0.45SF₆∶25CO₂；

步骤7：当炉膛温度达到730℃，小于750℃时，按照通入30s停止40s的控制率循环通入保护气体；本次循环所述的保护气体的体积百分比为：74.55空气∶0.45SF₆∶25CO₂；

步骤8：当炉膛温度达到750℃，直至反重力浇注过程结束，按照通入30s停止30s的控制率循环通入保护气体；本次循环所述的保护气体的体积百分比为：74.5空气∶0.5SF₆∶25CO₂。

2.一种实现权利要求1所述的镁合金熔炼及反重力浇注过程中的防燃防氧化方法的混气系统，其特征在于包括空气支路、SF₆支路、CO₂支路、混合气罐(6)、直动减压阀(27)、低压保护支路，泄漏保护支路和备用保护支路；所述空气支路为空气的入口连接过滤减压阀(1)后顺序连接空气压力开关(2)、空气先导减压阀(3)、空气单向阀(4)和空气质量流量控制器(5)；所述SF₆支路为SF₆的入口连接SF₆压力开关(11)后顺序连接SF₆先导减压阀(12)、SF₆单向阀(13)和SF₆质量流量控制器(14)；所述CO₂支路为CO₂的入口连接加热器(19)后顺序连接CO₂压力开关(20)、CO₂先导减压阀(21)、CO₂单向阀(22)和CO₂质量流量控制器(23)；空气质量流量控制器(5)、SF₆质量流量控制器(14)和CO₂质量流量控制器(23)的出口连接混合气罐(6)的入口，混合气罐(6)的出口分别连接低压保护支路，泄漏保护支路和备用保护支路；所述低压保护支路为低压电磁阀(7)的入口连接混合气罐(6)的出口后顺序连接低压调速阀(8)和低压单向阀(9)；所述泄漏保护支路为泄漏电磁阀(15)的入口连接混合气罐(6)的出口后顺序连接泄漏调速阀(16)和泄漏单向阀(17)；所述直动减压阀(27)入口连接空气支路过滤减压阀(1)的出口，直动减压阀(27)的出口分别连接空气先导减压阀(3)、SF₆先导减压阀(12)和CO₂先导减压阀(21)的的顶部进气口。

3.根据权利要求2所述的混气系统，其特征在于：在混合气罐(6)的出口连接备用电磁阀(24)的入口后顺序连接备用调速阀(25)和备用单向阀(26)。

4.根据权利要求2所述的混气系统，其特征在于：所述的空气质量流量控制器(5)、SF₆质量流量控制器(14)和CO₂质量流量控制器(23)的通信口通过接线端子排(30)与数据控制器(29)的一个通信口联接，数据控制器(29)的另一个通信口联接数据输入端(28)。

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