CN107287433A - 一种生产高洁净度镁或镁合金的单炉一体式坩埚熔铸设备和工艺 - Google Patents

一种生产高洁净度镁或镁合金的单炉一体式坩埚熔铸设备和工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种生产高洁净度镁或镁合金的单炉一体式坩埚熔铸设备和工艺，属于金属冶炼技术领域。该设备由加热炉以及由隔板分为三个腔室的一体式坩埚组成，各腔室按功能分为熔化室、净化室、保温静置室，各腔室之间有开口相连通；熔化室的作用为熔化镁或镁合金，或者导入镁或镁合金液态熔体；净化室则使熔体穿过浸没在熔融液态熔剂内的筛网Ⅰ和筛网Ⅱ，使熔体与熔剂充分接触，从而达去除熔体中夹杂物的目的；净化后的熔体上浮汇聚后进入保温静置室内以进行后续浇注作业。本发明对镁或镁合金熔体净化彻底，降低了操作工人的操作难度，可连续自动生产，生产效率高，对环境的污染比传统工艺小。

Description

一种生产高洁净度镁或镁合金的单炉一体式坩埚熔铸设备和工艺
技术领域
本发明涉及金属冶炼技术领域，具体涉及一种生产高洁净度镁或镁合金的单炉一体式坩埚熔铸设备和工艺。
背景技术
镁或镁合金因具有密度小、比强度高、电磁屏蔽性强、阻尼和减震性能高、导热性能优良、尺寸稳定性高、优良的铸造性能、良好的加工性能、储量丰富等一系列优良特性，自上世纪九十年代以来在电子产品、交通运输、航空航天及武器制造等工业中得到快速发展。
目前的镁或镁合金熔铸设备可分为无熔剂冶炼型和熔剂精炼净化型。无熔剂冶炼型通常用于镁合金压铸件生产的熔体生产。其坩埚结构通常为多室结构，根据功能可分为熔化室、沉降室(或过滤净化室)、保温静置室等。其特点有：在熔化室内添加预制好的母合金锭重熔，无合金化及精炼等搅拌操作，液面可保持静止无扰动；整个坩埚的阻燃防护通常采用含六氟化硫的混合气体来实现；简单的压铸坩埚其结构仅仅利用镁或镁合金熔体中夹杂物密度与镁熔体有差异的特点，依靠夹杂物的重力自然沉降或上浮来净化熔体；复杂的压铸坩埚除了这种净化方式外，还设计了过滤板进行过滤净化；熔化坩埚结构接近准密闭，环境污染较轻；工人无需特殊冶炼技能及专门培训。目前的无熔剂冶炼型设备其缺点是：熔体中悬浮的夹杂物较多且与熔体的密度差不大，仅仅依靠重力自然沉降、上浮或过滤等手段，尺寸细小的夹杂物去除不彻底，故压铸件产品内的夹杂物也较多，只能用于不承力的非结构民品件。
对于内部质量要求较高的承力结构铸件(例如航空航天零部件)，其熔铸设备通常采用熔剂精炼净化型。熔剂精炼净化型的基本工艺过程是：用熔炼炉完成原料熔化、合金化以及精炼作业；精炼操作时，一边对熔体进行搅拌，一边向熔体表面撒入主要有卤盐组成的固体粉末熔剂。熔剂遇高温镁熔体熔化，熔融的熔剂与非金属夹杂物充分接触并被捕获。熔体精炼完毕后将进入保温静置过程。保温静置过程可以在精炼坩埚(坩埚可以在原来的熔化炉内，也可以吊转到另外的保温静置炉内)，也可以将精炼后的熔体利用泵体或其它方式输送到另外的保温静置坩埚内进行。在保温静置过程中，熔剂包裹的非金属夹杂物密度大于镁合金熔体，会慢慢沉降到熔体下部，这个沉降过程通常至少需要三十分钟左右。保温静置完毕后进入浇注过程。目前的浇注过程分为将坩埚倾转式浇注和保温管路输送式浇注两种。其中，倾转式浇注的缺点为：熔体内仍然有悬浮细小夹杂残留会随镁液浇注流出；坩埚晃动可能导致表面熔剂保护层破损而致使熔体氧化；坩埚底沉积的夹杂也可能随液流浇注进入铸件，工艺控制有一定难度；工人需长期培训，精心操作；有一定危险性和烟气造成的环境污染。相对而言，保温管路输送式浇注比较先进，但是受到精炼方法的限制，依然无法彻底清除镁或镁合金熔体中残留的悬浮细小夹杂物。
由上可见，目前工业上采用的两种镁或镁合金熔铸设备及工艺均无法生产高洁净化镁或镁合金熔体，需要开发更先进的设备和工艺。
发明内容
针对目前工业生产实际，本发明提供了一种生产高洁净度镁或镁合金的单炉一体式坩埚熔铸设备和工艺。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种生产高洁净度镁或镁合金的单炉一体式坩埚熔铸设备，该设备由加热炉和一体式坩埚组成，所述加热炉用于给坩埚提供加热，所述一体式坩埚具有三个腔室，按功能分别为熔化室、净化室和保温静置室，其中：所述熔化室用于导入熔体或熔化镁及镁合金，所述净化室用于使熔体在熔剂内强制弥散分布，强化熔剂吸附捕获夹杂物的作用，净化后的熔体在净化室内上浮汇聚后进入保温静置室内进行后续作业。
所述熔化室的顶部设有加料口，加料口上设有盖体；
所述熔化室和净化室由隔板Ⅰ分隔，隔板Ⅰ的下部具有开口，用于使熔化室和净化室相连通。所述熔化室和净化室的下部还分别设置筛网Ⅰ或筛网Ⅱ；其设置位置均高于将熔化室和净化室分隔的隔板Ⅰ上的开口位置。
所述熔化室和净化室的下部放置液态熔剂使其淹没筛网，且液态熔剂的比重大于镁或镁合金的比重；熔体穿过浸没在熔剂内的筛网被强制弥散化，使得熔体与熔剂充分接触，从而达去除熔体中夹杂物的目的。
所述净化室和保温静置室由隔板Ⅱ分隔，其上部开设通道，用于镁或镁合金熔体从净化室流入保温静置室中。
所述保温静置室的顶部设有制造保护性气氛的气体管道；保温静置室内的熔体通过移液泵、加压或其它方式移送至后续工序。
利用本发明上述单炉一体式坩埚熔铸设备生产高洁净度镁或镁合金的工艺包括如下步骤：
(1)原材料的准备：镁或镁合金重熔用铸锭清理干净后预热至100～200℃，或者在另外设备内制备液态的镁或镁合金备用；
(2)设备的准备：将加热炉设定目标温度600～850℃，开始升温；在一体式坩埚内制造用于保护镁或镁合金的保护性气氛；制造保护性气氛的方式为吹入硫磺或者通入SF6气体。
(3)熔剂的准备：在净化室内导入液态熔剂，或加入固体粉末状的熔剂(需增加将其熔化为液态的时间)，所用熔剂的量要保证液态熔剂淹没筛网Ⅰ和筛网Ⅱ。
(4)净化过程的实施：向熔化室内导入液态镁或镁合金熔体，或将重熔用铸锭投入熔化室(需增加将其熔化为液态的时间)；熔化室内的镁或镁合金熔体在重力作用下将穿过筛网Ⅰ、筛网Ⅱ和熔剂层，在净化室上部汇聚，其液位到达隔板Ⅱ上通道位置后在重力作用下溢流到保温静置室内；
(5)保温静置室内的镁或镁合金熔体到达工艺液位后启动后续浇注作业。
本发明具有以下优点及有益效果：
1、本发明对熔体净化彻底，生产的镁或镁合金产品冶金质量优，夹杂少；
2、本发明可实现自动化作业，对操作工人的技术水平的依赖性低；
3、本发明易于实现密闭操作，相比传统工艺对环境的负面影响小；
附图说明
图1为本发明的一体式坩埚结构示意图。
图2为利用本发明设备及工艺得到的高洁净度ZM6样品在标准高温高湿腐蚀条件下的检测结果，无腐蚀斑点。
图3为常规熔剂精炼净化的ZM6样品在标准高温高湿腐蚀条件下的检测结果，出现腐蚀斑点。
图中：1-熔化室；2-净化室；3-保温静置室；41-隔板Ⅰ；42-隔板Ⅱ；51-筛网Ⅰ；52-筛网Ⅱ；6-加料口；7-保护气体管道；8-熔体出料口。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明进一步详细说明。
如图1所示，本发明用于生产高洁净度镁或镁合金的单炉一体式坩埚结构的熔铸设备由加热炉和一体式坩埚组成，一体式坩埚具有熔化室1、净化室2和保温静置室3三个腔室。所述熔化室1和净化室2由隔板Ⅰ41分隔，隔板Ⅰ41的下部开口，使熔化室1和净化室2相连通；熔化室1和净化室2的下部还分别设置筛网Ⅰ51或筛网Ⅱ52，其设置位置均高于隔板Ⅰ41上的开口位置。所述熔化室1和净化室2的下部放置液态熔剂，并使其淹没筛网Ⅰ51或筛网Ⅱ52，液态熔剂的比重大于镁或镁合金的比重；熔体穿过浸没在熔剂内的筛网Ⅰ51和筛网Ⅱ52被强制弥散化，使得熔体与熔剂充分接触，从而达去除熔体中夹杂物的目的。
所述净化室2和保温静置室3由隔板Ⅱ42分隔，隔板Ⅱ42上部开设通道，用于镁或镁合金熔体从净化室2流入保温静置室3中。所述熔化室1的顶部设有加料口6，加料口6上设有盖体；所述保温静置室3的顶部设有制造保护性气氛的保护气体管道7。保温静置室上还设有熔体出料口8。
保温静置室内的熔体通过移液泵、加压或其它方式移送至后续工序。
实施例1
本实施例的镁合金成分如表1所示：
表1
利用本发明的单炉一体式坩埚结构的熔铸设备和工艺，获得了高洁净度的实施例1镁合金，其生产过程包括如下步骤：
(1)原材料的准备：在另外设备内将150℃预热好的原材料合金化，制成740℃的液态实施例1镁合金备用；在另外设备内制成740℃的液态RJ-6熔剂备用。
(2)设备的准备：熔炉设定控制温度740℃，升温；在保温静置室内通入SF6混合气体(98％体积比氮气+2％体积比SF6)以制造保护熔体的保护性气氛；
(3)熔剂的准备：熔炉温度到达设定温度后，在净化室内导入740℃的液态RJ-6熔剂，熔剂用量控制在淹没筛网约30mm的液位；
(4)净化过程的实施：将熔融的液态镁合金熔体导入熔化室，熔体在重力作用下穿过筛网Ⅰ、筛网Ⅱ和熔剂层，在净化室上部汇聚，到达一定液位后在重力作用下溢流到保温静置室内；
(5)保温静置室内的镁合金熔体到达工艺液位后启动后续浇注作业。
本实施例得到的拉力试棒样品断裂后其断口均没有发现夹杂物；参考航标HB7738-2004生产的熔剂夹杂检验样品，其高温高湿检测结果表明没有熔剂夹杂(图2)；其力学性能稳定性高，典型力学性能指标的标准偏差在5％以内，送检样品合格率达100％；T6态拉力试棒的抗拉强度均值可稳定达到250MPa以上，屈服强度均值可稳定达到150MPa以上，延伸率均值稳定可达到3.5％，均高出航标HB7780-2005中关于ZM6的规定值10％以上。而同种合金成分采用行业内常用熔剂精炼净化工艺得到的拉伸样品，其断口常存在肉眼可见的夹杂物；参考航标HB 7738-2004生产的熔剂夹杂检验样品，其高温高湿检测结果表明局部存在熔剂夹杂(图3)；其力学性能稳定性差，典型力学性能的标准偏差达到20％以上，T6态送检样品经常出现三根样品中，仅有两根或仅有一根的强度和延伸率达到航标HB7780-2005中关于ZM6合金规定值的现象。
实施例2
本实施例的镁合金成分如表2所示：
表2
利用本发明的单炉一体式坩埚结构的熔铸设备和工艺，获得了高洁净度的实施例2镁合金，其生产过程包括如下步骤：
(1)原材料的准备：在另外设备内制备好成分为实施例1的重熔用镁合金铸锭，将这些重熔用铸锭清理干净后预热至180℃备用；在另外设备内制成780℃的液态复合熔剂(92wt.％RJ-6+5wt.％GdCl3+3％w.YCl3)备用。
(2)设备的准备：熔炉设定控制温度780℃，升温；在保温静置室内用氩气断续吹入硫磺粉末，以制造保护熔体的保护性气氛；
(3)熔剂的准备：熔炉温度到达设定温度后，通过加料口向净化室内导入780℃的液态复合熔剂，复合熔剂用量控制在淹没筛网约50mm的液位；
(4)净化过程的实施：将预热好的重熔用镁合金铸锭放入熔化室的筛网上，一段时间后熔化的镁合金熔体在重力作用下穿过筛网Ⅰ、筛网Ⅱ和熔剂层，在净化室上部汇聚，到达一定液位后在重力作用下溢流到保温静置室内；
(5)保温静置室内的镁合金熔体到达工艺液位后启动后续浇注作业。
本实施例得到的拉力试棒样品断裂后其断口均没有发现夹杂物；其力学性能稳定性高，典型力学性能指标的标准偏差在5％以内；T6态的拉力试棒的抗拉强度均值可稳定达到335MPa以上，屈服强度均值可稳定达到235MPa以上，延伸率均值稳定可达到3％。而同种合金成分采用行业内常用熔剂精炼净化工艺得到的拉伸样品，送检样品的断口通常存在肉眼可见的夹杂物；其力学性能稳定性差，典型力学性能的标准偏差达到20％以上；T6态的拉力试棒的抗拉强度均值约309MPa以上，屈服强度均值约235MPa，延伸率均值约0.7％。
上述实施例是对本发明进行具体描述，只是对本发明进行进一步说明，而并非将本发明局限于这些特定实施方式。对本领域的技术人员来说，在本发明原理及思路的框架下及权利要求范围内做出的其它变化和改进都应属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种生产高洁净度镁或镁合金的单炉一体式坩埚熔铸设备，其特征在于：该设备由加热炉和一体式坩埚组成，所述加热炉用于给一体式坩埚提供加热，所述一体式坩埚具有三个腔室，按功能分别为熔化室、净化室和保温静置室，其中：所述熔化室用于导入熔体或熔化镁及镁合金；所述净化室用于使熔体在熔剂内强制弥散分布，强化熔剂吸附捕获夹杂物的作用；净化后的熔体在净化室内上浮汇聚后进入保温静置室内进行后续作业。
2.根据权利要求1所述的生产高洁净度镁或镁合金的单炉一体式坩埚熔铸设备，其特征在于：所述熔化室和净化室由隔板Ⅰ分隔，隔板Ⅰ的下部具有开口，用于使熔化室和净化室相连通。
3.根据权利要求2所述的生产高洁净度镁或镁合金的单炉一体式坩埚熔铸设备，其特征在于：所述熔化室和净化室的下部还分别设置筛网Ⅰ或筛网Ⅱ，其设置位置均高于将熔化室和净化室分隔的隔板Ⅰ上的开口位置。
4.根据权利要求1所述的生产高洁净度镁或镁合金的单炉一体式坩埚熔铸设备，其特征在于：所述熔化室和净化室的下部放置液态熔剂，并使其淹没筛网，液态熔剂的比重大于镁或镁合金的比重；熔体穿过浸没在熔剂内的筛网被强制弥散化，使得熔体与熔剂充分接触，从而达去除熔体中夹杂物的目的。
5.根据权利要求1所述的生产高洁净度镁或镁合金的单炉一体式坩埚熔铸设备，其特征在于：所述净化室和保温静置室由隔板Ⅱ分隔，其上部开设通道，用于镁或镁合金熔体从净化室流入保温静置室中。
6.根据权利要求1所述的生产高洁净度镁或镁合金的单炉一体式坩埚熔铸设备，其特征在于：所述熔化室的顶部设有加料口，加料口上设有盖体；所述保温静置室的顶部设有制造保护性气氛的气体管道。
7.根据权利要求1所述的生产高洁净度镁或镁合金的单炉一体式坩埚熔铸设备，其特征在于：保温静置室内的熔体通过移液泵、加压或其它方式移送至后续工序。
8.利用权利要求1所述设备生产高洁净度镁或镁合金的工艺，其特征在于：该工艺包括如下步骤：
(1)原材料的准备：镁或镁合金重熔用铸锭清理干净后预热至100～200℃，或者在另外设备内制备液态的镁或镁合金备用；
(2)净化设备的准备：将加热炉设定目标温度600～850℃，开始升温；在一体式坩埚内制造用于保护镁或镁合金的保护性气氛；
(3)熔剂的准备：在净化室内导入液态熔剂，或加入固体粉末状的熔剂(需增加将其熔化为液态的时间)，所用熔剂的量要保证液态熔剂淹没筛网Ⅰ和筛网Ⅱ；
(4)熔体净化过程的实施：向熔化室内导入液态镁或镁合金熔体，或将重熔用铸锭投入熔化室(需增加将其熔化为液态的时间)；熔化室内的镁或镁合金熔体在重力作用下将穿过筛网Ⅰ、筛网Ⅱ和熔剂层，在净化室上部汇聚，当其液位到达净化室和保温静置室之间的隔板Ⅱ上通道后，在重力作用下溢流到保温静置室内；
(5)保温静置室内的镁或镁合金熔体到达工艺液位后启动后续浇注作业。
9.根据权利要求8所述的生产高洁净度镁或镁合金的工艺，其特征在于：步骤(1)中，在一体式坩埚内制造用于保护镁或镁合金的保护性气氛的方式为吹入硫磺或者通入SF6等含硫或氟元素的保护性气体。
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