CN107289782B - 一种生产高洁净度镁或镁合金的多炉联合式熔铸设备和工艺 - Google Patents

一种生产高洁净度镁或镁合金的多炉联合式熔铸设备和工艺 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多炉联合式熔铸设备和工艺，属于金属冶炼技术领域。该设备采用多台熔炉及配套坩埚联合作业，所述多台熔炉由熔化炉、净化炉和保温静置炉组成；熔化炉及其坩埚的作用为熔化镁或镁合金之用；镁或镁合金熔体通过保温管路被移送到净化炉及其坩埚内，穿过浸没在熔融熔剂内的筛网结构和熔剂层，其中的夹杂物被去除干净；净化后的熔体通过保温管路移送到保温静置炉及其坩埚内进行后续作业。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多炉联合式熔铸设备和工艺
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多炉联合式熔铸设备和工艺。
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，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。
目前的镁合金熔铸设备根据熔体处理工艺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制备。其坩埚通常为多室结构，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液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工艺及设备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多炉联合式熔铸设备和工艺。
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多炉联合式熔铸设备，该设备包括熔化炉、净化炉和保温静置炉；所述熔化炉用于镁或镁合金的熔化及合金化，熔化炉内的镁或镁合金熔体(可通过保温管路Ⅰ)移送到净化炉内进行净化处理，净化后的熔体(可通过保温管路Ⅱ)移送到保温静置炉内进行后续浇注作业。
所述熔化炉、净化炉和保温静置炉内均设置相应的配套坩埚，各步操作均在相应的坩埚内进行。
所述净化炉内的坩埚中放置熔融的液态熔剂和筛网结构，筛网结构位于净化炉内坩埚的下部空间并浸没在熔融的液态熔剂中；所述液态熔剂的密度大于镁或镁合金的密度。
所述熔铸设备中的熔体通过外加压力或移液泵的方式移送；保温管路Ⅰ的一端连接熔化炉内坩埚中的升液管Ⅰ，升液管Ⅰ的下部开口位于熔化炉内坩埚的下部空间；保温管路Ⅰ的另一端连接净化炉内坩埚中的降液管Ⅰ，降液管Ⅰ用于将熔体引入净化炉内坩埚底部，降液管Ⅰ内也可设置筛网结构；保温管路Ⅱ的一端连接净化炉内坩埚中的升液管Ⅱ，升液管Ⅱ的下部开口位于坩埚的上部空间，保温管路Ⅱ的另一端与保温静置炉内坩埚中的降液管Ⅱ相连接；完成高洁净化的熔体通过升液管Ⅲ送至后续工序。
所述熔化炉内的镁或镁合金熔体通过保温管路Ⅰ移送到净化炉中，穿过熔融熔剂和筛网结构，熔体在熔融熔剂中被强制弥散分布而得到净化。
利用上述多炉联合式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)原材料清理干净，预热至100～200℃备用；
(2)熔化炉内坩埚设定温度控制范围在600～850℃，升温，当熔化炉内坩埚呈现暗红色时，在坩埚底部撒入不超过镁或镁合金质量1％的熔剂，将镁锭由投料孔加入，在镁锭上再覆盖一层不超过镁或镁合金质量1％的熔剂，加盖熔化；镁锭熔化完毕后，加入其它配料进行合金化，搅拌均匀，取成分样送检；
(3)将净化炉内坩埚设定温度控制范围在600～850℃，升温，当坩埚呈现暗红色时，加入净化用熔剂，熔剂到达设定温度后放入筛网结构，合盖密封；
(4)将保温静置炉内坩埚设定温度控制范围在600～850℃，升温，当坩埚到设定温度后将其合盖密封，并在坩埚中制造用于防止镁或镁合金燃烧的保护性气氛；
(5)用保温管路Ⅰ连接升液管Ⅰ和降液管Ⅰ，用保温管路Ⅱ连接升液管Ⅱ和降液管Ⅱ，控制管路温度在室温～850℃；通过外加压力(使熔化炉或其坩埚内的气压增加)或移液泵的方式将镁合金熔体从熔化炉内坩埚经过净化炉内坩埚移送至保温静置坩埚；熔体移送完后断开移送管路；对保温静置坩埚加盖密封，启动后续浇注作业。
本发明设备中所述的熔化炉及其坩埚，因为相比传统熔炼炉及其坩埚在功能上取消了精炼操作，工人作业简单的同时可以在坩埚上部采用加盖的准密封式结构(冶炼过程中仅通过在盖子上预留的小口进行投料及搅拌操作)，从而可大幅降低熔剂用量，减少烟气对环境的污染，并最大限度地利用熔炉热能。
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为本发明的多炉联合式熔铸设备结构示意图。
图中：1-熔化炉；2-净化炉；3-保温静置炉；4-保温管路Ⅰ；5-保温管路Ⅱ；6-升液管Ⅰ；7-降液管Ⅰ；8-升液管Ⅱ；9-降液管Ⅱ；10-升液管Ⅲ；11-熔融熔剂；12-筛网结构。
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，本发明用于制备高洁净度镁或镁合金的多炉联合式熔铸设备采用多台熔炉及配套坩埚联合作业，各炉之间采用保温管路连接；熔体在各炉之间的移送可以采用外加压力或者采用移液泵的方式进行。
该熔铸设备具体包括：熔化炉1、净化炉2和保温静置炉3，各炉内均设置相应的配套坩埚，各步操作均在相配套坩埚内进行。
所述熔化炉1用于熔化镁或镁合金，熔化后的镁或镁合金熔体通过保温管路Ⅰ4移送到净化炉2中，镁或镁合金熔体穿过熔融熔剂11和筛网结构12时，熔体得到强制弥散分布，熔体中的夹杂物被熔剂包裹吸附而滞留在熔剂层从而熔体得到净化。净化后的熔体通过保温管路Ⅱ5移送到保温静置炉3内进行后续作业。
保温管路Ⅰ4的一端连接熔化炉内坩埚中的升液管Ⅰ6，升液管Ⅰ6的下部开口位于熔化炉1内坩埚的下部空间；保温管路Ⅰ4的另一端连接净化炉2内坩埚中的降液管Ⅰ7和筛网结构12，筛网结构12位于净化炉2内坩埚的下部空间；保温管路Ⅱ5的一端连接净化炉2内坩埚中的升液管Ⅱ8，升液管Ⅱ8的下部开口位于坩埚的上部空间，保温管路Ⅱ5的另一端与保温静置炉3内坩埚中的降液管Ⅱ9相连接；完成高洁净化的熔体通过升液管Ⅲ10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
利用本发明的多炉联合式熔铸设备和工艺，获得了高洁净度的实施例1镁合金，其制备过程包括如下步骤：
(1)原材料清理干净后预热至120℃；
(2)熔化坩埚设定温度700℃开始升温，当熔化坩埚呈现暗红色时，在坩埚底部撒入不超过纯镁质量1％的RJ-2熔剂，将镁锭由投料孔加入，在镁锭上再覆盖一层不超过纯镁质量1％的RJ-2熔剂，加盖熔化；纯镁锭熔化完毕后，加入其它的合金配料，搅拌均匀，取成分样送检。
(3)在熔化坩埚到达设定温度后，将净化坩埚设定温度控制范围在700℃开始升温，当净化坩埚呈现暗红色时，加入净化用RJ-5熔剂，熔剂到达设定温度后放入筛网结构，合盖密封。
(4)当熔化坩埚内全部原材料熔化完毕后，将保温静置坩埚设定700℃开始升温，当保温静置坩埚到设定温度后将其合盖密封，并在坩埚中内制造可以防止镁或其合金燃烧的保护性气氛(用氩气吹入硫磺粉末)；
(5)用保温管路连接熔化坩埚、净化坩埚和保温静置坩埚，控制管路温度在650℃；通过增加熔化坩埚内气压将镁合金熔体从熔化坩埚传送至净化坩埚内，然后进入后续保温静置坩埚；熔体移送完毕后断开移送管路；启动后续浇注作业。
本实施例得到的拉力试棒，样品拉伸断裂后的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，送检样品的强度和延伸率指标100％合格；其抗拉强度均值可稳定达到260MPa以上，屈服强度均值可稳定达到130MPa以上，延伸率均值可稳定达到3.0％，均高出航标HB7780-2005中关于ZM5合金的规定值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，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ZM5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
利用本发明的多炉联合式熔铸工艺和设备，获得了高洁净度的实施例2镁合金，其制备过程包括如下步骤：
(1)原材料清理干净后预热至180℃；
(2)熔化炉内坩埚设定温度780℃开始升温，当熔化炉内坩埚呈现暗红色时，在坩埚底部撒入不超过纯镁质量1％的RJ-6熔剂，将镁锭由投料孔加入，在镁锭上再覆盖一层不超过纯镁质量1％的RJ-6熔剂，加盖熔化；纯镁锭熔化完毕后，加入其它的合金配料，搅拌均匀，取成分样送检。
(3)在熔化炉内坩埚到达设定温度后，将净化炉内坩埚设定温度控制范围在780℃开始升温，当净化炉内坩埚呈现暗红色时，加入净化用(92wt.％RJ-6+5wt.％GdCl3+3％w.YCl3)复合熔剂，熔剂到达设定温度后放入筛网结构，合盖密封。
(4)当熔化炉内坩埚内全部原材料熔化完毕后，将保温静置炉内坩埚设定780℃开始升温，当保温静置炉内坩埚到设定温度后将其合盖密封，并在坩埚中内制造可以防止镁或其合金燃烧的保护性气氛(通入98％N2+2％SF6混合气体)；
(5)用保温管路连接熔化炉、净化炉和保温静置炉，控制管路温度在700℃；通过增加熔化炉内坩埚内的气压的方式将镁合金熔体从熔化坩埚传送至净化坩埚内，然后进入后续保温静置炉内坩埚；熔体移送完毕后断开移送管路；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315MPa以上，屈服强度均值可稳定达到215MPa以上，延伸率均值稳定可达到5％。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295MPa以上，屈服强度均值约203MPa，延伸率均值约2.9％。
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 (7)

1.一种生产高洁净度镁或镁合金的工艺，其特征在于：该工艺是利用多炉联合式熔铸设备进行，所述多炉联合式熔铸设备包括熔化炉、净化炉和保温静置炉；所述熔化炉用于镁或镁合金的熔化及合金化，熔化炉内的镁或镁合金熔体被移送到净化炉中；所述净化炉用于对镁或镁合金熔体的净化处理；净化后的熔体在净化炉内上浮汇聚后，被移送到保温静置炉内进行后续浇注作业；
所述生产高洁净度镁或镁合金的工艺，包括如下步骤：
(1)原材料清理干净，预热至100～200℃备用；
(2)熔化炉内坩埚设定温度控制范围在600～850℃，升温，当熔化炉内坩埚呈现暗红色时，在坩埚底部撒入不超过镁或镁合金质量1％的熔剂，将镁锭由投料孔加入，在镁锭上再覆盖一层不超过镁或镁合金质量1％的熔剂，加盖熔化；镁锭熔化完毕后，加入其它配料进行合金化，搅拌均匀，取成分样送检；
(3)在净化炉中放入坩埚和筛网结构，设定温度控制范围在600～850℃，加入净化用熔剂，升温，然后合盖密封；
(4)将保温静置炉内坩埚设定温度控制范围在600～850℃，升温，当坩埚到设定温度后将其合盖密封，并在坩埚中制造用于防止镁或镁合金燃烧的保护性气氛；
(5)用保温管路Ⅰ连接升液管Ⅰ和降液管Ⅰ，用保温管路Ⅱ连接升液管Ⅱ和降液管Ⅱ，控制管路温度在室温～850℃；通过使熔化炉内的气压增加的方式或移液泵将镁合金熔体从熔化炉内坩埚经过净化炉内坩埚传送至保温静置坩埚；熔体移送完毕后断开移送管路；对保温静置炉内坩埚加盖密封，启动后续作业。
2.根据权利要求1所述的生产高洁净度镁或镁合金的工艺，其特征在于：所述熔化炉内的熔体通过保温管路Ⅰ被移送到净化炉中，净化炉中的熔体通过保温管路Ⅱ被移送到保温静置炉内；所述熔化炉、净化炉和保温静置炉内均设置相应的配套坩埚，各步操作均在相应的坩埚内进行。
3.根据权利要求2所述的生产高洁净度镁或镁合金的工艺，其特征在于：所述净化炉内的坩埚中放置熔融的液态熔剂和筛网结构，所述筛网结构浸没在熔融的液态熔剂中；所述液态熔剂的密度大于镁或镁合金的密度。
4.根据权利要求3所述的生产高洁净度镁或镁合金的工艺，其特征在于：所述熔铸设备中的熔体通过外加压力或移液泵的方式移送；保温管路Ⅰ的一端连接熔化炉内坩埚中的升液管Ⅰ，升液管Ⅰ的下部开口位于熔化炉内坩埚的下部空间；保温管路Ⅰ的另一端连接净化炉内坩埚中的降液管Ⅰ，筛网结构位于净化炉内坩埚的下部空间；保温管路Ⅱ的一端连接净化炉内坩埚中的升液管Ⅱ，升液管Ⅱ的下部开口位于坩埚的上部空间，保温管路Ⅱ的另一端与保温静置炉内坩埚中的降液管Ⅱ相连接；完成高洁净化的熔体通过升液管Ⅲ送至后续工序。
5.根据权利要求4所述的生产高洁净度镁或镁合金的工艺，其特征在于：靠近所述降液管Ⅰ的下部设有筛网结构。
6.根据权利要求3或4所述的生产高洁净度镁或镁合金的工艺，其特征在于：所述熔化炉内的镁或镁合金熔体通过保温管路Ⅰ移送到净化炉中，穿过熔融熔剂和筛网结构，熔体在熔融熔剂中被强制弥散分布而得到净化。
7.根据权利要求1所述的生产高洁净度镁或镁合金的工艺，其特征在于：步骤(4)中，在保温静置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粉末或者通入含硫或含氟的的气体。
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