CN103540777B - 一种连续自动生产镁-稀土中间合金的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种连续自动铸锭生产镁‑钕中间合金等16种镁‑稀土中间合金的方法。镁锭原料经过精炼炉熔化后，加入稀土金属料，人上除渣，系统自动搅拌均匀化，抽样测定合金成分合格，再由定量泵将合金液定量浇注到铸锭机铸锭模中，形成连续自动铸锭，合金液冷却形成标准镁‑稀土中间合金锭。本发明的关键点在于能适应镁‑钕中间合金等16种镁‑稀土中间合金的连续自动铸锭生产，降低了生产劳动强度，无水环境生产大大提高了生产安全性。生产的产品具有一致性且收率高，无镍高温合金钢板制造的坩埚使生产过程中不带入碳含量，生产效率高，适应大批量连续生产，无环境污染，废渣可回收利用，真正实现了镁一稀土中间合金的安全高效大批量生产。

Description

一种连续自动生产镁-稀土中间合金的方法

技术领域

本发明涉及一种镁-稀土中间合金的方法，具体涉及一种连续自动生产镁-钕合金等16种镁-稀土中间合金的方法及其产品，属于金属材料领域。

背景技术

在镁合金领域特别是在高温镁合金领域，稀土优异的净化、强化性能不断被人们认识和掌握。目前，已开发出一系列含稀土的镁合金，它们具有特有的高强、耐热、耐蚀等性能，使得稀土在镁合金中的应用得到进一步发展，拓展了镁合金的应用领域。特种镁-稀土合金被广泛应用于电子工业、汽车工业、军事和航空航天等领域。在各种稀土镁合金的制备中，考虑到稀土元素熔点高、活性大的特点，故应以中间合金的形式加入。目前，国内外开发镁-稀土中间合金的生产工艺归纳起来主要有熔盐电解法、熔融热还原法以及熔配法。

熔盐电解法生产镁-稀土中间合金生产工艺中所采用的熔盐，主要有氯盐体系和氟化物混合盐体系。长春应用化学研究所最早对RECl-KCl-NaCl电解体系生产镁稀土中间合金进行了研究，研制了Mg-Y、Mg-Nd、Mg-Ce、Mg-富Y、Mg-富Nd、Mg-富Ce等一系列中间合金，并发明了下沉液态阴极电解生产镁-稀土中间合金的先进工艺。国外报道，采用NdCl₃-KCl(CaCl₂)体系电解共析法生产Mg-Nd合金，工艺简单，易于批量生产，有利于降低产品成本。

熔融热还原法生产镁-稀土中间合金主要是采用镁还原氯化稀土熔盐制得镁-稀土中间合金，生产的合金需要采用特别熔盐进行净化。

采用熔配法在非真空中频感应电炉中熔炼镁-稀土中间合金的生产工艺过程为：将金属镁和稀土金属按比例配好，先将镁锭一次性加入石墨坩埚中，待镁锭全部熔化后，分批逐步加入稀土金属，边加边用搅拌杆搅拌，直至稀土金属加完熔化完全。然后用搅拌耙上下搅动使合金均匀化，确认无块状料、合金温度达到要求即可出炉，出炉后浇铸于自制的铸铁型中制得镁稀土中间合金锭。

1.现有技术的缺点。

熔盐电解法生产镁-稀土中间合金生产工艺中所采用的熔盐易吸水形成氯氧化物，从而影响电流效率，情况严重时甚至使电解过程中断，且产品因系统不稳定，或操作失误，易产生严重夹杂，因采用石墨坩埚做阴极产品中碳含量不稳定(C：300～1500ppm)，影响产品质量。由于所用熔盐具有吸湿性而带入水分，高温镁熔体遇水极易发生燃烧爆炸，生产安全性不高，人工间歇铸锭，不能实现连续自动铸锭生产，高温操作环境、人工劳动强度大。熔盐易挥发，环境差。

熔融热还原法生产的镁-稀土中间合金需要采用特别熔盐进行净化，合金产品与熔盐分离困难，且熔盐极易吸水，存在带入水分的安全隐患，生产安全性不高，人工间歇铸锭，不能实现连续自动铸锭生产，人工劳动强度大。

中频炉熔配法生产镁-稀土中间合金生产过程中需开通循环冷却水，冷却水管接头脱落、线圈漏水或上部抽烟系统冷凝水下落入炉中，均可使操作人员随时面临高温镁熔体剧烈燃烧、爆炸而灼伤的危险，危险性大，安全系数低。采用人工间歇铸锭，不能实现连续自动铸锭生产，人工劳动强度大。产品收率低，碳含量高(C：1000～2000ppm)。非真空敞开式熔炼无气体保护时镁和稀土易燃烧使生产环境中烟生大，污染严重。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的第一目的在于提供一种连熔连铸自动铸锭生产镁-钕中间合金等16种镁-稀土中间合金的柔性生产工艺，所述的方法包括如下步骤：

(1)对稀土金属料和镁锭分别进行预处理；

(2)将镁锭投入坩埚，当坩埚内温度达到340-360℃时自动通入保护气体，并持续加热至660℃-680℃；待镁锭全部熔化后加入稀土金属料，加热到700℃～780℃；加热至熔化，搅拌均匀；

(3)对合金液进行抽样测定；

(4)由定量泵定量浇注，连续自动铸锭，冷却成型；

(5)收集镁-稀土中间合金锭，抛光，包装，入库。

优选所述的步骤1中，将稀土金属料破碎至5-10mm；镁锭表面用气流沙抛光预处理，去氧化皮和表面污染物，在连铸炉炉盖上预热至80-100℃。

优选所述步骤2中，将坩埚加热至镁锭的熔化温度为660-680℃，优选680℃；投入稀土金属料后，加热至700-760℃，以28-35Hz的搅拌频率搅拌30-45分钟。

优选所述步骤3对合金液进行抽样检测，控制合金成分含量偏差在0.5％以内。同时使其符合产品标准：HB7264-96、湘QYB155-80或产品的特定要求。具体的检测标准为本领域技术人员所掌握。

优选所述步骤4中，由定量泵定量浇注，连续自动铸锭，浇注传输管加热温度为530-570℃，浇注频率为30-60Hz，浇注延时1-3秒，铸锭机频率10-28Hz，延时10-20秒。

优选所述的保护气体为Ar气，总流量设定为10-20L/分钟；每次铸锭前开通Ar气并将泵室熔体搅拌10-15秒。。

优选所述的生产方法采用特种镁合金连续自动铸锭系统装置，所述的坩埚为无镍高温合金钢板坩埚。

更优选的，所述的方法包括如下步骤：

(1)将稀土金属料在油压机上破碎至5-10mm的小块，将至少部分镁锭切成10-30cm的小段便于配料，并将镁锭表面处理干净后放置于连铸炉的炉盖上预热至80-100℃；

(2)提前启动连续铸锭机预热30分钟，按比例称重进行配料，设定好程序，温度达到350℃时自动启动气体保护，将配好的镁锭先加入无镍高温合金钢板坩埚内，加热至660℃-680℃，待镁锭全部熔化后加入纯稀土金属合金材料，加热到740℃-780℃；启动搅拌程序，以30Hz的搅拌频率搅拌45分钟；每次铸锭前开通Ar气并将泵室熔体搅拌12秒；

(3)对合金液进行抽样测定；

(4)由定量泵定量浇注，连续自动铸锭，浇注传输管加热温度为550℃，浇注频率为45Hz，浇注延时2秒，铸锭机频率为18Hz，铸锭延时15秒，合金液在锭模中冷却成型；

(5)收集镁-稀土合金锭，冷却后抛光，真空单锭包装，按照客户要求再整件充Ar气或者蜡封入库。

此外，本发明的第二目的在于保护上述生产方法所得的镁-稀土中间合金，所述的镁-稀土中间合金含有1％-30％的稀土。生产中带入碳含量为0，产品中碳含量仅由原料带入，产品中C≤300ppm。

其中优选所述的稀土为镧、富镧、铈、富铈、镨、镨钕、钐、钆、铽、镝、钬、铒、镱、钇或富钇中的一种或几种。所述的镁-稀土中间合金熔点为600℃-780℃、比重为1.79g/cm³-4.67g/cm³

更优选所述的镁-稀土中间合金为镁-钕中间合金，按金属钕含量不同，其熔点为560℃-750℃、比重为1.793g/cm³-3.05g/cm³。

以下对本发明作进一步详细介绍：

本发明通过采用一种能适应镁-钕中间合金等16种镁-稀土中间合金锭生产的镁合金专用气氛保护自动连熔连铸系统，所解决的主要技术问题是能实现在专用气氛保护下镁-稀土中间合金的连续自动铸锭生产，劳动强度低，生产安全性高，收率高，生产过程中不带入碳含量，有利于后续材料的加工和使用性能，生产环境几乎无污染，改进了中频炉熔配法人工间歇铸锭，不能实现连续自动铸锭，劳动强度大，生产不安全，产品收率低，生产过程中带入高碳含量和生产环境污染严重的问题。

本发明是在中频炉熔配法生产镁-稀土中间合金工艺的基础上进行的技术改进。采用的生产设备是镁合金专用气氛保护下连铸炉系统，这种镁-稀土中间合金的熔炼、自动铸锭工艺适应镁-钕中间合金等16种镁-稀土中间合金锭的连熔连铸生产。目前在国内外是唯一生产工艺及生产设备系统。

其中熔炼坩埚采用的是耐温达1100℃RQTA122无镍高温合金钢板制造，能有效防止坩埚烧蚀及镁液污染，生产过程中不会带入碳含量；350℃坩埚内保护气自动供给，确保镁液不会因人为因素产生氧化；熔化炉、静止保温炉泵室有自动搅拌可防止偏析，使合金成分均匀；铸锭机系统配备了气体保护装置，可有效防止锭模内镁合金的氧化，锭模采用电加热预热装置，保证了锭模表面预热均匀及铸锭时不会产生夹杂物和气体，铸锭模内镁液液位自动探测、控制及铸锭泵传输自动控制，铸锭过程安全可靠；定量泵输料口配有气体保护装置，大大较少了金属液氧化，保证了产品质量。本发明采用的生产设备为湖南稀土金属材料研究院参与深圳亚美联合压铸设备有限公司联合设计的镁合金专用气氛保护下的连铸炉系统作为镁-稀土中间合金连续自动铸锭生产设备。该设备的具体结构为现有技术公开，包括6各部分：镁精炼熔化合金化炉系统；保温净化炉系统；铸锭机铸锭系统；定量泵、传输管系统；气体保护及电控系统；其他辅助系统。

本发明可实现熔点在600℃-780℃、比重在1.79g/cm³-4.67g/cm³的镁-钕合金等16种镁-稀土中间合金在镁合金专用气氛保护下的连续自动铸锭，生产安全性高，劳动强度低，产品收率高，生产过程中不带入碳含量，工艺简单，易操作，废渣可回收利用，便于连续大批量生产。

生产过程：本工艺通过镁合金专用气氛保护下连铸炉自动铸锭系统实现镁-钕合金等16种镁-稀土中间合金的连续自动铸锭生产。镁原料及合金料经过一个150KG镁精炼炉熔化后，加入稀土合金材料，自动搅拌均匀，抽样测定合金成分合格，再由定量泵将合金液定量浇注到铸锭机铸锭模中，形成连续自动铸锭，合金液冷却形成标准镁-稀土中间合金锭。

本发明的关键点在于能适应镁-钕合金等16镁-稀土中间合金的连续自动铸锭大批量生产，降低了生产劳动强度，无水环境生产大大提高了生产安全性。生产的产品具有一致性且收率高，无镍高温合金钢板制造的坩埚使生产过程中不带入碳含量，生产效率高，适应批量连续生产，无环境污染，废渣可回收利用，真正实现了镁-稀土中间合金的安全高效生产。

本发明可以适用于多种镁-稀土中间合金的连熔连铸柔性生产工艺，不同种类镁-稀土中间合金生产时只需更换坩埚即可，大大减少了设备投资。具体坩埚的选择为本领域技术人员所掌握。所述的镁-稀土中间合金优选为以下16种镁-稀土中间合金(含不同规格)：

采用上述技术方案，本发明在以下方面获得了意想不到的效果：

成分检测分析：连续自动铸锭生产技术生产的产品取样分析测试合金成分含量，经检验合金成分均匀，产品具有一致性，不同取样合金成分含量偏差在±0.5％以内；生产过程中不带入碳含量；而现有技术中，中频炉生产的产品由于熔炼过程中采用的是人工搅拌、浇注，不同生产批次的产品一致性不高，熔炼坩埚为石墨坩埚也为产品中带入了部分碳含量。

产品收率：采用连续自动铸锭生产技术生产产品收率可达99％；中频炉生产的产品收率为92-95％。因稀土价值昂贵，产品收率提高，既充分利用了资源，又提高了经济效益。

劳动强度：连续自动铸锭生产技术因为采用的是特种镁合金连续自动铸锭系统装置，生产同一种稀土中间合金无需更换坩埚，无需重新筑炉洗炉，重要工序如搅拌、铸锭、气体保护均由电脑控制自动执行；中频炉生产用石墨坩埚，新筑炉或更换坩埚都需重新拆炉、筑炉、烘炉、洗炉，准备工作繁琐，熔炼过程中需要人工搅拌，浇铸时也需要人工进行，工作劳动强度增大。

生产安全性：镁合金生产一定要实现无水生产，生产时有点滴水气就即易引发高温镁熔体剧烈燃烧甚至爆炸而引发安全事故，镁合金生产企业均有过因此安全事故而造成操作员工严重烧伤甚至死亡的案例，镁合金生产的安全性一直是各企业面临的难题。采用连续自动铸锭生产技术生产时，生产过程中原料、坩埚、模具以及操作工具等均在连铸炉上自动控温烘干，实现了无水操作环境，操作人员面临的危险系数低，真正实现了安全生产；中频炉生产时，操作过程中由于中频炉需循环水，冷却，冷却水管接头脱落、线圈漏水或上部抽烟系统冷凝水下落入炉中，均可使操作人员随时面临高温镁熔体剧烈燃烧、爆炸而灼伤的危险，危险性大，安全系数低。

环境污染程度：采用连续自动铸锭生产技术生产时，因有气体保护，镁及稀土不易氧化燃烧，环境中基本无烟尘；中频炉生产时由于非真空敞开式熔炼时，因无气体保护镁和稀土易燃烧，生产环境中烟尘大。

附图说明

图1本发明工艺生产流程图

具体实施方式

实施例1

采用镁合金连续自动铸锭系统装置生产镁-稀土中间合金锭，实现镁-稀土中间合金的连熔连铸自动铸锭的柔性生产工艺，具体实施方式如下(见图1所示的工艺流程图)：

1)备料：将稀土金属破碎至5-10mm不规则小块，镁锭表面用气流沙抛光预处理，去氧化皮和表面污染物，部分镁锭切成小段至10-30cm便于配料，并将预处理后的镁锭放在连铸炉的炉盖上预热至80-100℃。

2)配料：根据产品要求和车间工艺指令，按比例称重进行配料。

3)精炼：通电设定好程序(根据不同镁-稀土中间合金产品来设定工艺参数，参数一经设定，均由电脑控制自动进行)。提前启动连续铸锭机预热30分钟。将配好的镁锭先加入炉内，加热至660℃-680℃，待镁锭全部熔化后再加入稀土金属料，加热到700-740℃；启动搅拌程序，以30Hz的搅拌频率搅拌35分钟；人工除渣，系统自动搅拌均匀化，抽样测定合金成分合格。每次铸锭前开通Ar气将泵室熔体搅拌10-15秒钟，同时确保整个系统的气体保护情况正常，再由定量泵将合金液定量浇注到铸锭机铸锭模中，形成连续自动铸锭。添加料原则：根据合金总量出多少添加多少的原则进行加料。

4)取锭：合金液冷却形成标准镁-稀土中间合金锭，在连续铸锭机的出锭端收集锭子。

5)包装：镁-稀土合金锭抛光后真空单锭包装，按照客户要求整件充Ar气包装或者蜡封入库保存。

本实施例所述的镁-稀土中间合金为Mg-Ce合金，Ce含量为1wt.％-30wt.％。

实施例2

采用镁合金连续自动铸锭系统装置生产镁-稀土中间合金锭，实现镁-稀土中间合金的连熔连铸自动铸锭的柔性生产工艺，具体实施方式如下：

(1)将稀土金属料在油压机上破碎至5-10mm的小块，将至少部分镁锭切成10-30cm的小段便于配料，并将镁锭表面处理干净后放置于连铸炉的炉盖上预热至80-100℃；

(2)提前启动连续铸锭机预热30分钟，按比例称重进行配料，设定好程序，温度达到350℃时自动启动气体保护，将配好的镁锭先加入无镍高温合金钢板坩埚内，加热至660℃-680℃，待镁锭全部熔化后加入纯稀土金属料，加热到720～760℃；启动搅拌程序，以30Hz的搅拌频率搅拌40分钟；每次铸锭前开通Ar气并将泵室熔体搅拌15秒；

(3)对合金液进行抽样测定；

(4)由定量泵定量浇注，连续自动铸锭，浇注传输管加热温度为550℃，浇注频率为45Hz，浇注延时2秒，铸锭机频率为18Hz，铸锭延时15秒，合金液在锭模中冷却成型；

(5)收集镁-稀土中间合金锭，冷却后抛光，真空单锭包装，按照客户要求再整件充Ar气或者蜡封入库保存。

本实施例所述的镁-稀土中间合金为Mg-Nd合金，Nd含量为1wt.％-30wt.％。

实施例3

采用镁合金连续自动铸锭系统装置生产镁-稀土中间合金锭，实现镁-稀土中间合金的连熔连铸自动铸锭的柔性生产工艺，具体实施方式如下：

(1)将稀土金属料在油压机上破碎至5-10mm的小块，将至少部分镁锭切成10-30cm的小段便于配料，并将镁锭表面处理干净后放置于连铸炉的炉盖上预热至80-100℃；

(2)提前启动连续铸锭机预热30分钟，按比例称重进行配料，设定好程序，温度达到350℃时自动启动气体保护，将配好的镁锭先加入无镍高温合金钢板坩埚内，加热至680℃，待镁锭全部熔化后加入纯稀土金属合金材料，加热到780℃；启动搅拌程序，以35Hz的搅拌频率搅拌45分钟；每次铸锭前开通Ar气并将泵室熔体搅拌15秒；

(3)对合金液进行抽样测定；

(4)由定量泵定量浇注，连续自动铸锭，浇注传输管加热温度为550℃，浇注频率为30Hz，浇注延时3秒，铸锭机频率28Hz，延时10秒；合金液在锭模中冷却成型；

(5)收集镁-稀土合金锭，冷却后抛光，真空单锭包装，按照客户要求再整件充Ar气或者蜡封入库。

本实施例所述的镁-稀土中间合金为Mg-Y30合金，Y含量为28wt.％-30wt.％。

上述实施例中的实施方案可以进一步组合或者替换，且实施例仅仅是对本发明的优选实施例进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域中专业技术人员对本发明的技术方案作出的各种变化和改进，均属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种连续自动生产镁-稀土中间合金的方法，包括以下常规步骤：预处理-加热搅拌-抽样-铸锭成型-包装入库，其特征在于：所述的方法包括如下步骤：

(1)将稀土金属料在油压机上破碎至5-10mm的小块，将至少部分镁锭切成10-30cm的小段便于配料，并将镁锭表面处理干净后放置于连铸炉的炉盖上预热至80-100℃；

(2)提前启动连续铸锭机预热30分钟，按比例称重进行配料，设定好程序，温度达到350℃时自动启动气体保护，将配好的镁锭先加入无镍高温合金钢板坩埚内，加热至660℃-680℃，待镁锭全部熔化后加入纯稀土金属料，加热到700℃-780℃；启动搅拌程序，以30Hz的搅拌频率搅拌40分钟；每次铸锭前开通Ar气并将泵室熔体搅拌12秒；

(3)对合金液进行抽样测定；

(4)由定量泵定量浇注，连续自动铸锭，浇注传输管加热温度为530-570℃，浇注频率为30-60Hz，浇注延时1-3秒，铸锭机频率10-28Hz，铸锭延时10-20秒，合金液在锭模中冷却成型；

(5)收集镁-稀土合金锭，冷却后抛光，真空单锭包装，再整件充Ar气或者蜡封入库。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤4由定量泵定量浇注，连续自动铸锭，浇注传输管加热温度为550℃，浇注频率为45Hz，浇注延时2秒，铸锭机频率18Hz，铸锭延时15秒。