CN108994266A - 一种镁锂合金铸锭制备装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种镁锂合金铸锭制备装置及方法，属于镁锂合金铸锭制备领域。该装置包括方炉、坩埚、坩埚盖和熔体流道装置；所述的方炉为密闭结构，坩埚设置于方炉内，坩埚盖和坩埚相配合，熔体流道装置设置在坩埚的出流口处；装置还包括加锂装置，加锂装置设置在坩埚盖上。该方法通过气氛保护，将金属锂放入坩埚中，熔炼、精炼、铸造，得到镁锂合金铸锭。该铸锭制备方法可实现镁锂合金大体积熔体的熔炼与铸造，获得高洁净度的镁合金铸锭，同时具有生产效率高、安全性较高、易实现工业化生产等特点。
Description
技术领域
本发明涉及镁锂合金铸锭制备技术领域，特别涉及一种镁锂合金铸锭制备装置及方法。
背景技术
镁锂合金是迄今最轻的金属结构材料，具有很高的比强度、比刚度，同时具有较高的弹性模量、良好的减振性能和抗高能粒子穿透能力，且在低温下具有高强度和高断裂韧性，因而受到航空航天及兵器工业部门的广泛关注。
镁锂合金在铸锭制备过程中，熔体保护非常困难，构成镁锂合金的金属镁和锂在熔融状态均易与空气中的氧气发生化学反应而导致金属剧烈氧化与燃烧，且金属锂与炉衬材料在高温下易发生置换反应而导致熔体纯净度降低。同时，镁锂合金熔体易与水蒸气发生反应而导致熔体爆炸，在铸锭制备时也非常危险。由于熔体表面张力小，铸造时熔体表面的氧化膜在结晶器壁与结晶凝壳之间易产生塞积或漏流而无法连续铸造。因此，为保证熔铸过程的顺利进行，镁锂合金一般均采用真空熔炼与铸造，但真空条件下难以实现大体积熔体的熔炼和大规格铸锭的铸造，而大气条件下熔铸镁锂合金往往通过熔剂保护方式隔离空气，但目前的LiCl+LiF+LiBr体系熔剂保护效果不理想，且导致随之而来的熔剂分离与熔体净化问题。因此，大规格、高质量镁锂合金铸造坯料的制备新方法与新装置的开发是降低镁锂合金制备成本以及实现工业化规模应用的重要前提。
发明内容
针对现在镁锂合金铸锭制备存在的上述问题，本发明提供一种镁锂合金铸锭制备装置及方法，尤其涉及镁锂合金铸锭熔铸装置与方法，本发明通过设计的加锂装置使金属锂安全无烧损地送入熔体当中；通过实时观测测压表与电偶表可随时调控氩气流量和熔体加热温度；通过设计的熔体流道装置可实时控制熔体流速与温度。该铸锭制备方法可实现镁锂合金从加料、熔炼、精炼和铸造全过程在正压保护气氛下进行。通过上述技术特点可实现镁锂合金熔体的大体积熔炼与铸造，获得高洁净度的镁合金铸锭，同时具有生产效率高、安全性较高、易实现工业化生产等特点。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种镁锂合金铸锭制备装置，包括方炉、坩埚、坩埚盖和熔体流道装置；
所述的方炉为密闭结构，坩埚设置于方炉内，坩埚盖和坩埚相配合，熔体流道装置设置在坩埚的出流口处；
所述的熔体流道装置包括出流管、出流管加热套、热电偶、氩气包、塞棒和塞棒压把；
所述的出流管加热套套装在出流管外侧、热电偶设置在出流管出口外侧，所述的氩气包设置在出流管出口一端，塞棒设置在出流管内，塞棒一端与坩埚的出流口相配合，塞棒另一端穿过氩气包和塞棒压把相连接。
所述的熔体流道装置还包括接口压套、出流管压紧杆和压把限位杆；熔体流道装置的出流管压紧杆和方炉的炉体相连接，出流管压紧杆通过接口压套固定在坩埚的出流口两侧，塞棒压把一端和设置在出流管外的压把限位杆一端相连接，压把限位杆另一端和出流管压紧杆配合。
所述的熔体流道装置中，所述的热电偶用于实时观测出料温度，所述的出流管加热套用于调控流道内熔体温度，所述的氩气包用于保护流道内熔体，所述的塞棒用于控制出流口中熔体流量大小，所述的压把限位杆和出流管压紧杆相互配合，用于对塞棒进行限位，所述的塞棒压把用于控制塞棒与出流口的配合程度。
所述的镁锂合金铸锭制备装置还包括加锂装置，所述的加锂装置设置在坩埚盖上，所述的加锂装置包括加锂室、压罩器和排气杆；所述的加锂室的侧壁上设置有加锂观察窗和加锂口，加锂室上方设置有固定杆，所述的压罩器设置在加锂室内腔，压罩器的压杆穿过固定杆，固定杆上设置有排气杆。
所述的坩埚盖上设置有熔体观察窗、摇门、氩气口、测压表和电偶表；所述的熔体观察窗用于观察坩埚内金属熔化及熔体表面保护状况，所述的摇门用于控制坩埚盖加料口的开闭，所述的氩气口用于熔炼过程中通入氩气，所述的测压表用于观测坩埚中氩气流量，所述的电偶表用于实时观测熔体温度，进而调控坩埚内熔体温度。
所述的坩埚优选为铁坩埚或石墨坩埚，所述的坩埚的横截面为矩形、圆形或椭圆形中的一种。
所述的熔体流道装置中，出流管下方设置有结晶器观察口，通过结晶器观察口观察熔体凝固情况，从而调整塞棒，进而控制熔体流量大小。
所述的熔体流道装置的熔体出流管末端通过结晶器保护罩中心孔伸入结晶器中。
一种镁锂合金铸锭制备方法，采用上述装置，包括以下步骤：
步骤1：气氛保护
(1)根据配制的镁锂合金铸锭成分，按配比，将金属镁锭放入坩埚中，盖上坩埚盖，并向坩埚内通入氩气；
(2)通过观察坩埚内金属熔化和熔体表面保护状况，当金属镁完全熔化后，准备加入金属锂；
步骤2：加锂
(1)打开加锂口，按镁锂合金铸锭成分配比，将金属锂或镁锂中间合金放入压罩器中，然后关闭加锂口，同时通入氩气；
(2)打开摇门，将盛有金属锂或镁锂中间合金的压罩器缓慢压入熔体下方，待金属锂或镁锂中间合金完全熔化后，将压罩器提至加锂室中，并关闭摇门，同时观测测压表，调整氩气流量，保持坩埚内腔压力平衡；
步骤3：熔炼
加热，镁锂合金原料全部熔化后，通过电偶表监控熔体温度，使熔体温度保持在700～720℃；
步骤4：精炼
向熔体底部通氩气精炼3～5min，精炼结束后，通过坩埚盖上设置的测压表示数实时控制氩气流量，通过坩埚盖上设置的电偶表示数调控熔体温度，所述的熔体温度为690-710℃，到温后，静置10～15min；
步骤5：铸造
熔炼结束后，进行出料浇铸，拨动塞棒压把使熔体缓慢从出流口流入出流管，通过出流管上的热电偶，实时观测出料温度，出料温度为690-710℃，当超出范围，出流管加热套开始加热，调控流道内熔体温度，观察熔体凝固速度，进而指导塞棒压把，从而控制熔体流量，得到镁锂合金铸锭。
所述的步骤1(1)中，所述的氩气，通过坩埚盖上的氩气口通入坩埚中。
所述的步骤1(2)中，所述的观察坩埚内金属熔化和熔体表面保护状况，为通过设置在坩埚盖上的熔体观察窗观察。
所述的步骤2(1)中，所述的将金属锂或镁锂中间合金放入压罩器中，通过加锂装置的加锂口加入。
所述的步骤2(1)中，所述的镁锂中间合金中，锂的质量百分比为10～50％，余量为镁，加入镁锂中间合金的作用可以提高熔炼过程中的安全性。
所述的步骤2(2)中，所述的将压罩器提至加锂室，其通过控制坩埚盖上的摇门对坩埚进行密闭环境的保护。
所述的步骤2(2)中，所述的测压表，为设置在坩埚盖上的测压表。
所述的步骤3中，所述的电偶表，为设置在坩埚盖上方的电偶表。
所述的步骤5中，所述的观察熔体凝固速度，通过设置在出流管下方的结晶器观察口监视。
本发明的一种镁锂合金铸锭制备装置及方法，相比于传统镁锂合金铸锭制备装置，本发明装置有益效果如下：
通过设计的加锂装置使金属锂安全无烧损地送入熔体当中，同时在坩埚盖上配有摇门与测压表，通过摇门实现加锂室与坩埚的隔离，保证加锂操作过程坩埚内熔体保持良好的气氛保护，通过实时观测测压表与电偶表可随时调控氩气流量和熔体加热温度。采用特殊熔体流道装置可实时控制熔体流速与温度、避免熔体烧损与卷气卷渣、易控制流量以及具有保护熔体作用，使出料熔体更加洁净。该发明装置具有操作简单、生产效率高、易大规模生产、结构设计科学、密封性高等优点。
该方法通过熔化空间的半密闭化，同时用保护气氛驱赶熔炼区域中的空气并持续保持保护气氛在微正压状态，实现镁锂合金熔化与精炼过程均在与大气隔离状态下进行；通过区域分割方式，实现加料过程基本维持熔化空间的良好气氛保护；通过与铸造结晶器保护罩之间良好连接，实现铸造熔体的气氛保护铸造。
附图说明
图1是镁锂合金铸锭制备装置的立体结构示意图；
图2是镁锂合金铸锭制备装置的俯视图；
图3是镁锂合金铸锭制备装置坩埚和熔体流道装置中塞杆部分分解结构示意图；
图4是镁锂合金铸锭制备装置坩埚和熔体流道装置中塞杆部分配合的结构示意图；
图5是镁锂合金铸锭装置中压罩器的结构示意图。
图中：1、压罩器的压杆；2、排气杆；3、加锂室；4、加锂观察窗；5、熔体观察窗；6、坩埚盖；7、固定杆；8、加锂口；9、坩埚；10、电偶表；11、方炉；12、出流管加热套；13、热电偶；14、氩气包；15、塞棒压把；16、出流管；17、结晶器观察口；18、压把限位杆；19、氩气口；20、测压表；21、摇门；22、出流口；23、接口压套；24、出流管压紧杆；25、塞棒；26、压罩器。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。
实施例1
一种镁锂合金铸锭制备装置，其立体结构示意图见图1，该镁锂合金铸锭制备装置包括方炉11、坩埚9、坩埚盖6和熔体流道装置；
所述的方炉11为密闭结构，坩埚9设置于方炉11内，坩埚盖6和坩埚9相配合，熔体流道装置设置在坩埚9的出流口22处；
所述的熔体流道装置包括出流管16、出流管加热套12、热电偶13、氩气包14、塞棒25和塞棒压把15；
所述的出流管加热套12套装在出流管16外侧、热电偶13设置在出流管16出口外侧、氩气包14设置在出流管16出口末端，塞棒25设置在出流管16内，塞棒带有塞子的一端与坩埚9的出流口22相配合，塞棒25另一端穿过氩气包14和塞棒压把15相连接。
所述的熔体流道装置还包括接口压套23、出流管压紧杆24和压把限位杆18；熔体流道装置与方炉11的炉体之间通过出流管压紧杆24相连接，出流管压紧杆24通过接口压套23固定在坩埚9的出流口22两侧，塞棒25一端穿过接口压套23与出流口22相连，塞棒25另一端穿过氩气包14和塞棒压把15相连接。塞棒压把15一端和设置在出流管16外的压把限位杆18一端相连接，压把限位杆18另一端和出流管压紧杆24相配合，其分解结构示意图见图3，配合结构示意图见图4。
所述的熔体流道装置中，所述的热电偶13用于实时观测出料温度，所述的出流管加热套12用于调控流道内熔体温度，所述的氩气包14用于保护流道内熔体，所述的塞棒25用于控制出流口22中熔体流量大小，所述的压把限位杆18和出流管压紧杆24相互配合，用于对塞棒25进行限位，所述的塞棒压把15用于控制塞棒25与坩埚9的出流口22的配合程度。
所述的镁锂合金铸锭制备装置还包括加锂装置，所述的加锂装置设置在坩埚盖6上，所述的加锂装置包括加锂室3、压罩器26和排气杆2；所述的加锂室3的侧壁上设置有加锂观察窗4和加锂口8，加锂室3上方设置有固定杆7，所述的压罩器26设置在加锂室3内腔，压罩器26的压杆1穿过固定杆7，固定杆7上设置有排气杆2，固定杆7用于固定密封压罩器的压杆1，压罩器26的结构示意图见图5。
所述的坩埚盖6上设置有熔体观察窗5、摇门21、氩气口19、测压表20和电偶表10；其俯视图见图2；
其中，所述的熔体观察窗5用于观察坩埚内金属熔化及熔体表面保护状况，所述的摇门21用于控制坩埚盖加料口的开闭，所述的氩气口19用于熔炼过程中通入氩气，所述的测压表20用于观测坩埚中氩气的流量，所述的电偶表10用于实时观测熔体温度，进而调控坩埚内熔体温度。
所述的坩埚9的横截面为矩形。
所述的熔体流道装置中，出流管16下方设置有结晶器观察口17，通过结晶器观察口17观察熔体凝固情况，从而调整塞棒，进而控制熔体流量大小。
所述的熔体流道装置的出流管末端通过结晶器保护罩中心孔伸入结晶器中。
一种镁锂合金铸锭制备方法，采用上述装置，包括以下步骤：
步骤1：气氛保护
(1)根据配制的镁锂合金铸锭成分，按配比，将准备好的金属镁锭放入坩埚9中，盖上坩埚盖6，之后向坩埚内通入氩气；
(2)通过设置在坩埚盖6上的熔体观察窗5，观察坩埚内金属熔化和熔体表面保护状况，当金属镁完全熔化后，得到镁熔体，准备加入金属锂；
步骤2：加锂
(1)打开加锂装置的加锂口8，按镁锂合金铸锭成分配比，将金属锂放入压罩器26中，关闭加锂口8，同时通入氩气；
(2)打开坩埚盖6上的摇门21，将盛有金属锂的压罩器26缓慢压入熔体下方，待金属锂完全熔化后，将压罩器26提至加锂室3中，关闭坩埚盖6上的摇门21，通过坩埚盖6的氩气口19，向坩埚9内再通入氩气用于保护熔体，观测坩埚盖6上的测压表20，调整氩气流量，保持坩埚内腔压力平衡；
步骤3：熔炼
加热，镁锂合金原料全部熔化后，通过坩埚盖6上方的电偶表10监控熔体温度，使熔体温度保持在700～720℃；
步骤4：精炼
向熔体底部通氩气精炼3～5min，精炼结束后，通过坩埚盖6上设置的测压表20示数实时控制氩气流量，通过坩埚盖6上设置的电偶表10示数调控熔体温度，所述的熔体温度为690-710℃，到温后静置10～15min；
步骤5：铸造
熔炼结束后，进行出料浇铸，拨动塞棒压把15使熔体缓慢流入出流管16，通过出流管16上的热电偶13，实时观测出料温度，出料温度为690-710℃，当超出范围，出流管加热套12开始加热，调控出流管16内熔体温度，通过设置在出流管16下方的结晶器观察口17，观察熔体凝固情况，进而调整塞棒压把15，进而控制熔体流量大小，最后获得镁锂合金铸锭。
对本实施例制备的镁锂合金铸锭进行成分检测，其中，铸锭中的杂质总含量低于0.2％，杂质元素包括Ca、Fe和Ni。
实施例2
一种镁锂合金铸锭制备装置，同实施例1。
一种镁锂合金铸锭制备方法，采用上述装置，包括以下步骤：
步骤1：气氛保护
(1)根据配制的镁锂合金铸锭成分，按配比，将准备好的金属镁锭放入坩埚9中，盖上坩埚盖6，通过坩埚盖6上的氩气口19，向坩埚内通入氩气；
(2)通过设置在坩埚盖6上的熔体观察窗5，观察坩埚内金属熔化和熔体表面保护状况，当金属镁完全熔化后，得到镁熔体，准备加入金属锂；
步骤2：加锂
(1)通过加锂装置的加锂口8，按镁锂合金铸锭成分配比，将镁锂中间合金放入压罩器26中，关闭加锂口8，同时通入氩气；
(2)打开坩埚盖6上的摇门21，将盛有镁锂中间合金的压罩器26缓慢压入熔体下方，待镁锂中间合金完全熔化后，将压罩器26提至加锂室3中，关闭坩埚盖6上的摇门21，通过坩埚盖6的氩气口19，向坩埚9内再通入氩气用于保护熔体，观测坩埚盖6上的测压表20，调整保护气流量，保持坩埚内腔压力平衡；
所述的镁锂中间合金中，锂的质量百分含量为50％，余量为镁。
步骤3：熔炼
加热，镁锂合金原料全部熔化后，通过坩埚盖6上方的电偶表10，监控熔体温度，使熔体温度保持在710℃；
步骤4：精炼
采用氩气精炼5min，精炼结束后静置10min，通过坩埚盖6上设置的测压表20示数实时控制氩气流量，通过坩埚盖6上设置的电偶表10示数调控熔体温度，所述的熔体温度为690-710℃；
步骤5：铸造
熔炼结束后，进行出料浇铸，拨动塞棒压把15使熔体缓慢从出流口22流入出流管16，通过出流管16上的热电偶13，实时观测出料温度，出料温度为690-710℃，当超出范围，出流管加热套12开始加热，调控流道内熔体温度，通过设置在出流管16下方的结晶器观察口17，观察熔体凝固速度，进而指导塞棒压把15，从而控制熔体流量大小，得到镁锂合金铸锭。
对本实施例制备的镁锂合金铸锭进行分析，其中，制备的镁锂合金铸锭包括的成分及各个成分的质量百分比为：锂为12％，余量为镁和不可避免的杂质，杂质总含量低于0.2％，杂质为Ca、Fe和Ni，本实施例制备的镁锂合金铸锭经检测，不含氧。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，并不是对本发明的限制，该领域技术人员在阅读本发明说明书后可以对本发明做出没有创造性的修改，但只要在本发明权利要求范围内都应受到法律保护。
Claims (10)
1.一种镁锂合金铸锭制备装置，其特征在于，该镁锂合金铸锭制备装置包括方炉、坩埚、坩埚盖和熔体流道装置；
所述的方炉为密闭结构，坩埚设置于方炉内，坩埚盖和坩埚相配合，熔体流道装置设置在坩埚的出流口处；
所述的熔体流道装置包括出流管、出流管加热套、热电偶、氩气包、塞棒和塞棒压把；
所述的出流管加热套套装在出流管外侧、热电偶设置在出流管出口外侧，所述的氩气包设置在出流管出口一端，塞棒设置在出流管内，塞棒一端与坩埚的出流口相配合，塞棒另一端穿过氩气包和塞棒压把相连接。
2.如权利要求1所述的镁锂合金铸锭制备装置，其特征在于，所述的镁锂合金铸锭制备装置还包括加锂装置，所述的加锂装置设置在坩埚盖上，所述的加锂装置包括加锂室、压罩器和排气杆；所述的加锂室的侧壁上设置有加锂观察窗和加锂口，加锂室上方设置有固定杆，所述的压罩器设置在加锂室内腔，压罩器的压杆穿过固定杆，固定杆上设置有排气杆。
3.如权利要求1或2所述的镁锂合金铸锭制备装置，其特征在于，所述的熔体流道装置还包括接口压套、出流管压紧杆和压把限位杆；熔体流道装置的出流管压紧杆和方炉的炉体相连接，出流管压紧杆通过接口压套固定在坩埚的出流口两侧，塞棒压把一端和设置在出流管外的压把限位杆一端相连接，压把限位杆另一端和出流管压紧杆配合。
4.如权利要求1或2所述的镁锂合金铸锭制备装置，其特征在于，所述的熔体流道装置中，所述的热电偶用于实时观测出料温度，所述的出流管加热套用于调控流道内熔体温度，所述的氩气包用于保护流道内熔体，所述的塞棒用于控制出流口中熔体流量大小，所述的压把限位杆和出流管压紧杆相互配合，用于对塞棒进行限位，所述的塞棒压把用于控制塞棒与出流口的配合程度。
5.如权利要求1或2所述的镁锂合金铸锭制备装置，其特征在于，所述的坩埚盖上设置有熔体观察窗、摇门、氩气口、测压表和电偶表；所述的熔体观察窗用于观察坩埚内金属熔化及熔体表面保护状况，所述的摇门用于控制坩埚盖加料口的开闭，所述的氩气口用于熔炼过程中通入氩气，所述的测压表用于观测坩埚中氩气流量，所述的电偶表用于实时观测熔体温度，进而调控坩埚内熔体温度。
6.如权利要求1或2所述的镁锂合金铸锭制备装置，其特征在于，所述的坩埚为铁坩埚或石墨坩埚，所述的坩埚的横截面为矩形、圆形或椭圆形中的一种。
7.如权利要求1或2所述的镁锂合金铸锭制备装置，其特征在于，所述的熔体流道装置中，出流管下方设置有结晶器观察口，通过结晶器观察口观察熔体凝固情况；
所述的熔体流道装置的熔体出流管末端通过结晶器保护罩中心孔伸入结晶器中。
8.一种镁锂合金铸锭制备方法，其特征在于，采用权利要求1-2任意一项所述的镁锂合金铸锭制备装置，包括以下步骤：
步骤1：气氛保护
(1)根据配制的镁锂合金铸锭成分，按配比，将金属镁锭放入坩埚中，盖上坩埚盖，并向坩埚内通入氩气；
(2)通过观察坩埚内金属熔化和熔体表面保护状况，当金属镁完全熔化后，准备加入金属锂；
步骤2：加锂
(1)打开加锂口，按镁锂合金铸锭成分配比，将金属锂或镁锂中间合金放入压罩器中，然后关闭加锂口，同时通入氩气；
(2)打开摇门，将盛有金属锂或镁锂中间合金的压罩器缓慢压入熔体下方，待金属锂或镁锂中间合金完全熔化后，将压罩器提至加锂室中，并关闭摇门，同时观测测压表，调整氩气流量，保持坩埚内腔压力平衡；
步骤3：熔炼
加热，镁锂合金原料全部熔化后，通过电偶表监控熔体温度，使熔体温度保持在700～720℃；
步骤4：精炼
向熔体底部通氩气精炼3～5min，精炼结束后，通过坩埚盖上设置的测压表示数实时控制氩气流量，通过坩埚盖上设置的电偶表示数调控熔体温度，所述的熔体温度为690-710℃，到温后，静置10～15min；
步骤5：铸造
熔炼结束后，进行出料浇铸，拨动塞棒压把使熔体缓慢从出流口流入出流管，通过出流管上的热电偶，实时观测出料温度，出料温度为690-710℃，当超出范围，出流管加热套开始加热，调控流道内熔体温度，观察熔体凝固速度，进而指导塞棒压把，从而控制熔体流量，得到镁锂合金铸锭。
9.如权利要求8所述的镁锂合金铸锭制备方法，其特征在于，所述的步骤2(1)中，所述的将金属锂或镁锂中间合金放入压罩器中，通过加锂装置的加锂口加入。
10.如权利要求8所述的镁锂合金铸锭制备方法，其特征在于，所述的步骤2(1)中，所述的镁锂中间合金中，锂的质量百分比为10～50％，余量为镁。
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