CN104593612B - 一种利用温度梯度纯化镁熔体的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用温度梯度纯化镁熔体的工艺方法，采用三段式熔炼炉，以常规商业纯镁为原料，在保护气体下，设定熔化温度为740℃，熔融得到混合均匀的镁熔体；然后，对熔炼炉上、中、下三部分设定温差为30‑60℃的温度梯度，利用风冷适度加快熔体下部的冷速，使其快速达到设定的温度；当镁熔体上、中、下三部分温度达到预设温度时，保温静置50‑70分钟；对电阻炉断电，使熔体空冷凝固获得纯化的镁锭。该工艺是在现有的镁熔体静置处理基础上，不添加其他的除杂剂，只通过设定不同的静置处理温度梯度，镁锭的铁杂质含量大幅度降低、品质显著提高，达到纯化镁熔体的目的。本发明纯化效果良好，操作简单，生产成本低，工业生产易于实现。

Description

一种利用温度梯度纯化镁熔体的方法

技术领域

本发明属于镁熔炼和铸造技术领域，具体涉及利用温度梯度纯化商业用纯镁熔体，在镁熔炼过程中除铁的纯化工艺。

背景技术

镁合金具有较低的密度、高的比强度和比刚度、优良的阻尼性能、良好的减震性能等一系列优良特性，是目前工业应用中最轻的金属结构材料，在汽车、电子、电器、交通、航空航天和国防、军工领域具有极其重要的应用价值和广阔的应用前景。同时，金属镁在地壳中储量丰富，且镁合金产品便于二次使用，环保性好。因此，镁合金被誉为21世纪的绿色结构材料。虽然我国镁资源储量丰富，生产量居世界首位，但是生产的镁锭大多以比国外产品低的价格出口到国外，原因之一就是我国镁合金纯度相对比较低，用现有方法生产的镁铸锭中杂质的含量远远高于国际先进水平。

在原镁生产、镁合金熔炼及加工过程中，不可避免引入许多有害杂质，从而降低镁合金铸件的品质和使用性能。镁合金中金属杂质以Fe、Ni、Cu等为主。这些物质—般以薄膜状、粒子状或簇状的形态残留在镁合金的基体或晶界上。Fe是镁合金中最有害的金属杂质元素，对镁合金产生许多恶劣的影响，尤其严重降低镁合金的耐腐蚀性能。对镁合金进行盐雾实验和中性氯化钠浸泡腐蚀后实验发现，合金耐蚀性受Fe、Ni、Cu元素的影响大致相同：合金的腐蚀速率随Fe元素的加入而逐渐增大，当Fe含量>69×10^-6时，合金的腐蚀速率增加加快，当Fe含量在(100～230) ×10^-6之间时，由于铁锰比很小，合金的腐蚀速率增加缓慢，当Fe含量>230×10^-6时，合金腐蚀速率又急剧增加；随着Ni元素少量增加，合金的腐蚀速率也会迅速增大。Fe含量在0.005%以下的镁合金才有可能是高性能的镁合金，一般要求铁含量更低。在材料的制备、生产和后续加工过程中，Fe杂质不可避免地被引入合金中。有效地去除镁熔体中的Fe 是提高镁合金耐蚀性能的关键因素。

综上所述，在现存的镁熔体纯化工艺基础上发展一种新型的、成本低廉、生产工艺简单的纯化工艺，对于提高镁合金的质量和节约成本具有重要意义。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是在镁熔体纯化工艺基础提供一种成本低廉、生产工艺简单的纯化工艺，不添加任何除杂剂，有效解决除杂的问题。

实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种利用温度梯度纯化镁熔体的方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）采用三段式熔炼炉，采用常规商业纯镁为原料，在保护气体（CO₂:SF₆=99:1）的保护下，设定熔化温度为740℃，熔融得到混合均匀的镁熔体；

2）对熔炼炉上、中、下三部分设定温差为30-60℃的温度梯度，利用风冷适度加快熔体下部的冷速，使其快速达到设定的温度；

3）当镁熔体上、中、下三部分温度达到预设温度时，保温静置50-70分钟；

4）对电阻炉断电，使熔体空冷凝固获得纯化的镁锭；

进一步，所述步骤2）所设定的温度梯度为镁熔体的上、中、下三部分温度差别为45℃；上部730℃，中部685℃，下部640℃。

所述步骤2）熔体在融化均匀后，需要10-15分钟达到设定的温度梯度，此过程采取风冷方式适度加快下部熔体的降温速度，熔体的降温速度为5-6℃/min。

本发明还提供一种三段式熔炼炉，包括熔炼器、桶状的炉膛和设于炉膛外的环形加热器；所述加热器为独立的三段式结构，分别独立进行温度控制；还设有环形隔板将炉膛和熔炼器之间空隙隔成三段封闭空腔；所述三段封闭空腔分别设有连接鼓风机的进气口和用于排风的出气口。所述三段封闭空腔分别设有1个进气口和2-3个出气口。

相比现有的纯化工艺，本发明具有如下有益效果：

1、纯化效果良好：本发明通过设计不同的静置温度梯度工艺参数，能够显著降低镁合金中Fe的杂质含量；另外此方法不用添加其他除杂剂，不会引入新的其他夹杂物和杂质，避免了二次污染，可在镁熔体纯化工艺中取得良好的效果。

2、易于操作、成本较低：本发明利用常规的静置处理工艺，只需改变熔体上、中、下三部分的静置温度，结合一定的静置保温时间，即可达到降低杂质含量的目的。

3、应用面较广：本发明不仅针对商业纯镁具有良好的除杂效果，同时还可适用于其他不同的镁合金体系，如AZ、ZK和AM系列等。

4、采用新型的三段式加热熔炼炉镁合金熔炼设备，此设备易于设定不同的温度梯度，工艺操作简单易行，生产成本低，在工业生产中易于实现。

附图说明

图1是三段式电阻熔炼炉的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

一种利用温度梯度纯化镁熔体的方法，包括如下步骤：

1）采用三段式熔炼炉，采用常规商业纯镁为原料，在保护气体（CO₂:SF₆=99:1）的保护下，设定熔化温度为740℃，熔融得到混合均匀的镁熔体；

2）对熔炼炉上、中、下三部分设定温差为30-60℃的温度梯度，利用风冷适度加快熔体下部的冷速，使其快速达到设定的温度；

3）当镁熔体上、中、下三部分温度达到预设温度时，保温静置50-70分钟；

4）对电阻炉断电，使熔体空冷凝固获得纯化的镁锭；

参见图1，所述三段式熔炼炉，包括熔炼器4、桶状的炉膛1和设于炉膛1外的环形加热器2；所述加热器2为独立的三段式结构，分别独立进行温度控制；还设有环形隔板3将炉膛1和熔炼器（熔腔体）4之间空隙隔成三段封闭空腔5；所述三段封闭空腔5分别设有连接鼓风机6的进气口和用于排风的出气口7，每段加热炉的封闭空腔5均设有1个进气口和2-3个出气口。

实施例1：利用温度梯度纯化镁熔体的方法，包括如下步骤：

1）采用三段式熔炼炉，原材料采用杂质含量高（杂质铁含量为0.031wt%）的商业纯镁；在电阻熔炼炉坩埚中将纯镁熔化，熔化温度为740℃，获得各部均匀的纯镁熔体；

2）设定熔体上、中、下各部温度分别为720℃、690℃、660℃，即各部位的温差为30℃，在温度到达设定要求时，开始对镁熔体保温静置，静置时间为50-70min；

3）在保温静置后，断开电阻熔炼炉电源，采取空冷方式冷却熔体，获得纯化的镁铸锭。

检测：在距离铸锭顶部15cm处取样，用电感耦合等离子体发射谱仪（ICP-AES）测定样品的杂质含量，如表1所示。可以看出，镁锭的整体纯度大幅度提高，处理后Fe元素含量为0.0033wt%。

实施例2：利用温度梯度纯化镁熔体的方法，包括如下步骤：

1）采用三段式熔炼炉，原材料采用杂质含量高（杂质铁含量为0.031wt%）的商业纯镁；在电阻熔炼炉坩埚中将纯镁熔化，熔化温度为740℃，获得各部均匀的纯镁熔体；

2）设定熔体上、中、下各部温度分别为730℃、685℃、640℃，即各部位的温差为45℃，在温度到达设定要求时，开始保温静置，静置时间为50-70min；

3）在保温静置后，断开电阻熔炼炉电源，采取空冷方式冷却熔体，获得纯化的镁铸锭。

检测：在距离铸锭顶部15cm处取样，用电感耦合等离子体发射谱仪（ICP-AES）测定样品的杂质含量，如表1所示。可以看出，镁锭的整体纯度大幅度提高，处理后Fe元素含量仅为0.0024 wt%。

实施例3：利用温度梯度纯化镁熔体的方法，包括如下步骤：

1）采用三段式熔炼炉，原材料采用杂质含量高（杂质铁含量为0.032wt%）的商业纯镁；在电阻熔炼炉坩埚中将纯镁熔化，熔化温度为740℃，获得各部均匀的纯镁熔体；

2）设定熔体上、中、下各部温度分别为740℃、680℃、620℃，即各部位的温差为60℃，在温度到达设定要求时，开始保温静置，静置时间为50-70min；

3）在保温静置后，断开电阻熔炼炉电源，采取空冷方式冷却熔体，获得纯化的镁铸锭。

检测：在距离铸锭顶部15cm处取样，用电感耦合等离子体发射谱仪（ICP-AES）测定样品的杂质含量，如表1所示。可以看出，镁锭的整体纯度大幅度提高，静置后Fe元素含量仅为0.0041wt%。

比较例1：采用传统静置工艺方法纯化镁熔体。

1）原材料采用杂质含量高（杂质铁含量为0.031wt%）的商业纯镁；在电阻熔炼炉中将纯镁熔化，温度为740℃，获得各部均匀的纯镁熔体；

2）对镁熔体进行降温，温度达到720℃时，开始保温静置，静置时间为50-70min；

3）在保温静置后，断开电阻熔炼炉电源，采取空冷方式冷却熔体，获得镁铸锭。

检测：在距离铸锭顶部15cm处取样，用电感耦合等离子体发射谱仪（ICP-AES）测定样品的杂质含量，如表1所示。可以看出，杂质元素含量很高，熔体并未得到有效纯化，静置后Fe元素高达0.0293wt%。

表1 温度梯度纯化处理后镁锭的杂质含量（wt%）

根据上述3个实施例和1个比较例，可以形成表1。可以看出，不采用温度梯度纯化处理的镁锭Fe元素含量很高，采用温度梯度纯化处理可明显降低Fe元素含量。仔细观察发现，镁熔体的杂质Fe含并不是随温度梯度增大而单调降低。当温度梯度为45℃时，纯化效果最好，杂质Fe含量达到最低，仅为0.0024wt%。但是，随着温度梯度的进一步加大，杂质含量又开始增加，当温度梯度为60℃时，杂质Fe反而增加到0.0041%。对比传统的静置处理工艺，温度梯度的作用是有效地降低了熔体上下部分的热量对流，阻止了已经沉降的杂质重新回流到熔体上部。温度梯度应设定在合适的范围内，当温差过大时，镁熔体粘度大，反而不利于杂质元素的沉降。

本发明在现有的镁熔体纯化工艺的基础上，采用的创新的熔炼设备，通过设置不同的熔体静置温度梯度，并结合合理的保温时间从而达到有效去除杂质元素Fe的目的。和传统的纯化工艺比较，熔体上、中、下三个部位温度梯度的设定大大降低了镁熔体上、中、下的热量对流，同时上部温度大于下部温度，这样又不至于过度增加熔体的粘度，在增加高密度杂质Fe的沉降速度同时，又有效降低了已沉降的杂质Fe通过对流再次回到熔体上部，从而显著提高镁熔体的纯度，大幅度改善了镁锭的整体品质。具有成本较低，操作简单，工业生产易于实现的特点。

通过上述的实施例可知：通过设定不同的温度梯度，使熔体的上下对流得到抑制，对镁熔体的纯化效果显著。利用本发明的工艺方法处理后，镁锭的铁杂质含量大幅度降低、品质显著提高。此方法工艺简单，操作性强，生产成本低，在工业生产中易于实现，这对镁锭的生产和高纯化具有实际的参考价值，对提升我国镁产品品质具有重要意义。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种利用温度梯度纯化镁熔体的方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）采用三段式熔炼炉，采用常规商业纯镁为原料，在保护气体的保护下，设定熔化温度为740℃，熔融得到混合均匀的镁熔体；所述保护气体为CO₂:SF₆=99:1；

2）对熔炼炉上、中、下三部分设定温差为30-60℃的温度梯度，利用风冷适度加快熔体下部的冷速，使其快速达到设定的温度；

当镁熔体上、中、下三部分温度达到预设温度时，保温静置50-70分钟；

对电阻炉断电，使熔体空冷凝固获得纯化的镁锭。

2.根据权利要求1所述利用温度梯度纯化镁熔体的方法，其特征在于，所述步骤2）所设定的温度梯度为镁熔体的上、中、下三部分温度差别为45℃；

具体的温度设定为：上部730℃，中部685℃，下部640℃。

3.根据权利要求1所述利用温度梯度纯化镁熔体的方法，其特征在于，所述步骤2）熔体在融化均匀后，需要10-15分钟达到设定的温度梯度，此过程采取风冷方式适度加快下部熔体的降温速度，熔体的降温速度为5-6℃/min。