CN115229163B - 一种镁合金无溶剂熔铸一体化装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种镁合金无溶剂熔铸一体化装置及方法，包含中控柜、混气柜、储气柜、熔铸炉、压力罐、转接座、铸型和合金锭生产线。中控柜控制混气柜将单质气体混和成多种混合气增压后送入储气柜进行储存，在镁合金熔炼阶段，浇注准备阶段、反重力铸造阶段、回炉料锭浇注阶段分别向合金液面、铸型直浇口或罐底、熔铸炉内、气体保护箱中针对性输送不同气体组成的混合保护气。本发明涉及的装置和方法无需使用溶剂，消除铸件熔剂夹渣和氧化夹渣缺陷，改善了镁合金生产环境，减少了镁合金熔炼‑铸造‑回炉循环生产过程合金氧化，无需转运、倾倒、保温、二次处理等中间环节，保障铸件内部质量，大幅提高生产效率，实现镁合金铸件快速循环生产。

Description

一种镁合金无溶剂熔铸一体化装置及方法

技术领域

本发明涉及铸造技术领域，具体涉及一种镁合金无溶剂熔铸一体化装置及方法,具体是指：利用多种不同混合保护气实现镁合金熔炼铸造一体化操作，且全流程无需溶剂保护的装置及方法。

背景技术

随着航空航天和轨道交通等领域的快速发展，轻量化要求逐步提高，镁合金铸件具有高比强度、高比模量、良好的电磁屏蔽能力以及高阻尼性能等优良特性。可广泛应用于航空航天、军事、轨道交通等领域。

国内镁合金铸件生产主流工艺为压铸和低压铸造，合金熔炼过程采用熔剂保护，通过向镁合金液面铺撒熔剂，阻止镁合金氧化燃烧。镁合金熔剂熔炼过程产生大量酸性刺鼻气体，熔剂铺展不及时会导致镁液氧化产生大量浓烟，严重污染环境，危害人体健康，同时会在合金液中形成大量氧化物，导致合金熔体纯净度下降，铸件出现氧化夹渣缺陷，此外，采用熔剂熔炼的镁合金熔体铸造过程极易将熔剂引入铸件内部，形成熔剂夹渣，氧化夹渣和熔剂夹渣均为国内航空航天高端镁合金铸件难以解决的关键问题。

国内外研究机构正在研发镁合金无溶剂条件下的熔炼保护技术，但对镁合金铸件生产全流程保护未予以全面考虑：（1）在铸造过程中，镁合金液与低压炉内、铸型型腔内或压铸设备料筒、模具型腔中空气直接接触出现氧化；（2）剩余镁合金液重力浇注原材料锭的过程中也会形成大量氧化渣，再次使用时会降低熔体纯净度；上述不足之处严重的降低了镁液质量，影响镁合金铸件内部质量。

镁合金铸件在航空航天、军事装备和轨道交通领域市场正在迅速扩张，开发一种镁合金无溶剂熔铸一体化装置及方法，不仅消除了国内熔剂熔炼产生的夹杂和污染问题，还能够解决国外现有气体保护存在的型腔氧化和回炉料纯净度问题，且采用本发明的装置和方法，还可以实现镁合金熔炼-铸造-回炉料浇注连续一体化操作，循环往复快速生产。无需进行转运、倾倒、保温、二次处理等任何其他中间环节。对于镁合金铸件内部质量、综合性能以及生产效率提升具有重要意义。

发明内容

针对现有技术的不足，为解决镁合金生产过程中环境污染大，合金易氧化以及熔剂夹渣等问题，提高镁合金产品的内部质量和综合性能，本发明提供了一种镁合金无溶剂熔铸一体化装置及方法。针对镁合金铸件生产全流程的各个阶段采用针对性的保护气氛进行保护，在熔炼阶段，大大减少环境污染，保障人体健康，提高了保护效果，减少了合金元素烧损，降低生产成本，提高合金纯净度。在铸造阶段，采用型内通保护气-罐外抽气-氧气浓度监测对比等方式，保障了铸型型腔内的保护气氛浓度，降低了型腔内的氧气含量，防止镁合金熔体在充型过程氧化。在回炉料浇注合金锭阶段能够有效减少铸锭内氧化夹渣形成，提高铸锭质量，保障连续生产过程中合金纯净度。采用本发明的装置和方法，还可以实现镁合金熔炼-铸造-回炉料浇注连续一体化操作，循环往复快速生产。无需进行转运、倾倒、保温、二次处理等任何其他中间环节，提高生产效率。

为实现上述目的，本发明提供了一种镁合金无溶剂熔铸一体化装置及方法，所述装置包括中控柜1、混气柜2、储气柜3、熔铸炉4、压力罐5、转接座6、铸型7和合金锭生产线8；

其中，所述中控柜1主体为中控电脑11，内部集成PLC，混气柜2、储气柜3、熔铸炉4进行实时通讯控制；

所述混气柜2柜体内部集成Ar、CO2、SF6、N2等4种保护气的气瓶、电磁减压阀、混气罐和增压泵，外联压缩空气管道21，并通过增压混合气输入管道22及循环气管道23与储气柜3连接；

所述储气柜3内部集成4种不同混合保护气的储气罐、气体流量电控阀、气压传感器及真空泵，并通过炉内保护气输入管道31、炉内保护气排气管道32与熔铸炉4连接，通过罐体抽气管道33与压力罐5连接，能够抽出罐体内部空气，通过信号传输管道34与罐内氧气浓度检测传感器51、型内氧气浓度检测传感器71连接，通过型内保护气通气管道35可以与压力罐5及转接座6连接。

所述熔铸炉4由炉盖41、升液管42、坩埚43以及电阻炉44组成，电阻炉44设置进气口441与排气口442；

本发明所述装置，所述混气柜2能够对压缩空气和多种单质保护气体的压力进行平衡，并按设定比例和气体种类对两种以上气体进行混合后增压输送至储气柜3内，还能够将储气柜3内长时间静置的混合气重新混合均匀；

本发明所述装置，储气柜3能够储存SF6+CO2、SF6+N2或SF6+Ar 等不同的混合气，并可以将不同保护气通过不同管道输送至熔铸炉4、铸型7以及气体保护箱81等不同位置，并针对不同位置、不同生产环节选取相应混合气，还能同时抽出压力罐5内空气，直至压力罐5和铸型7内均充满保护气，此时检测氧气浓度降低至0.1%~0.5%之间，且两者差氧浓度差不超过0.2%；

本发明所述装置，熔铸炉4炉内可以通入混合保护气进行镁合金熔炼过程保护，熔炼完成后通入加压保护气直接反重力铸造；

本发明所述装置，所述转接座6材质为砂型或石墨型，中间设置有转接座进气管61与型内保护气通气管道35采用单向阀联通，能够向铸型型腔和升液管内部通入保护气，并阻止气体和合金液回流，或者不连接型内保护气通气管道35，直接向罐内底部输入保护气；

本发明所述装置，所述铸型7为砂型，型顶上方不与型腔连接位置装有型内氧气浓度检测传感器71；所述压力罐5顶部安装罐内氧气检测传感器51；能够同时监控压力罐顶部及铸型顶部氧气浓度，反馈给中控柜1，从而自动调节储气柜3罐体抽气管道33中的抽气流量以及型内保护气通气管道35中的进气流量和时间。本发明所述装置，所述合金锭生产线8由气体保护箱81、锭模82以及自动输送平台83组成；合锭时中控柜1控制储气柜3向气体保护箱81输送保护气氛，同时控制自动输送平台83将锭模82逐个送入气体保护箱81内，倒入熔铸炉4坩埚内剩余镁合金液，凝固成回炉料锭后输送至气体保护箱81外。

本发明还提供了采用所述装置完成镁合金无溶剂熔炼铸造的方法，应用镁合金无溶剂熔铸一体化装置，全程采用针对性的保护气氛对镁合金生产各个阶段进行保护：合金熔炼阶段，向合金液面铺散SF6+CO2保护气进行保护，在浇注准备阶段向铸型直浇口内或直接向罐内底部注入SF6+Ar混合保护气，同时抽出压力罐内原有空气，在反重力浇注阶段向熔铸炉内通入输送SF6+N2混合气作为加压保护气，在将炉内余料浇注回炉料锭阶段向气体保护箱中输送SF6+CO2混合气作合金液面保护气。，通过上述方式，实现镁合金无溶剂熔炼和反重力铸造。具体步骤如下：

1）混合保护气制备与存储： 在中控电脑11输入混气指令，设定需要制备的混合保护气种类为SF6+CO2、SF6+Ar、SF6+N2，中控电脑11向混气柜2发送指令，调节各单质气体压力平衡，按设定流量比将各种单质气体输送至内部混气罐完成混气，再输送入增压罐，采用压缩空气完成混合气增压后输送到储气柜3内部储气罐中。按固定顺序依次完成各混合保护气的混合及分罐储存后，在后续使用过程中，当储气柜3内存储的各类混合保护气放置一定时间后不使用，会再次回流至混气柜2内进行混气增压，保证混合气均匀性。

2）镁合金无溶剂熔炼：储气柜3内混合保护气储气罐压力达到设定值后，即可进行镁合金无溶剂熔炼，储气柜3按照设定的流量通过炉内保护气输入管道31向电阻炉44上方进气口441向坩埚43内合金液面喷吹混合保护气，进行合金无溶剂熔炼；

3）无溶剂反重力铸造；合金熔炼完成后，依次安装炉盖41、升液管42、放置转接座6、铸型7后，放置压力罐5，并将型内氧气浓度检测传感器71与压力罐接头连接，将转接座进气管61与型内保护气通气管道35连接，此时储气柜3通过转接座进气管61向铸型7内或直接向罐内底部输送SF6+Ar保护气，同时将压力罐5内气体通过罐体抽气管道33抽出，并实时监控罐顶和铸型顶部氧气浓度，当两者浓度均在0.1%~1%之间且差值不大于0.2%，停止输送保护气及抽取罐内气体。此时储气柜3通过进气口441向炉内输送SF6+N2保护气进行反重力铸造，铸造完成后，炉内保护气从排气口442排出；

4）浇注铸锭：无溶剂反重力铸造完成后，中控电脑11控制储气柜3向气体保护箱81输送保护气氛，同时控制自动输送平台83将锭模82逐个送入气体保护箱81内，倒入熔铸炉4坩埚内剩余镁合金液，凝固后输送至气体保护箱81外，完成无溶剂条件下镁合金回炉料合锭。

本发明的有益效果体现在：

通过上述方案可以对镁合金熔铸全流程各个环节采取针对性的保护方案，且无需使用溶剂，极大的改善了镁合金生产环境，减少熔炼、铸造过程合金元素氧化，降低镁合金铸件生产成本，且铸件和铸锭内部不会形成熔剂夹渣和氧化夹渣，保障了镁合金铸件内部质量和综合性能。

本发明的装置及方法可以在熔炼阶段采用CO2+SF6保护气对坩埚内熔体液面进行保护，通过与Mg液发生化学反应在液面形成致密保护膜，提升熔体保护效果。

本发明的装置及方法可以使充型前铸型型腔和压力罐内部充满Ar气惰性气体，O2浓度在0.5%以下，充型过程中高纯净镁合金熔体几乎不会与型腔内气体反应形成氧化物，以此提高铸件内部质量。

本发明的装置及方法可以在反重力铸造过程中采用N2+SF6保护气进行加压同时对坩埚内熔体液面进行保护，降低成本同时减少CO2温室气体排放；

本发明的装置及方法能将坩埚内剩余镁合金熔体浇注铸锭回收再利用，由于过程中采用CO2+SF6进行保护，提高铸锭内部质量，可以保障合金循环使用过程中镁合金熔体纯净度。

本发明的装置及方法能实现优质镁合金铸件短流程熔铸一体化生产，在熔铸炉内，镁合金原料锭在CO2+SF6保护条件下熔炼完成后，无需转运，直接进行反重力铸造，既提高了生产效率，同时避免转运过程合金氧化。

本发明对熔炼和铸造设备无任何特殊要求，常规熔炼、铸造设备即可满足要求，具有高质量、高集成度、短流程、低成本、无污染等优点，能够实现完全自动化或人机一体化生产。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍， 应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是一种镁合金无溶剂熔炼铸造一体化装置整体结构示意图；

图2是混气柜2结构示意图；

图3是储气柜3结构示意图；

图4 是熔铸炉4、压力罐5、转接座6和铸型7安装结构示意图；

图5是铸锭浇注线8结构示意图；

附图标记：中控柜1、混气柜2、储气柜3、熔铸炉4、压力罐5、转接座6、铸型7、合金锭生产线8、中控电脑11、压缩空气管道21、增压混合气输入管道22、循环气管道23、炉内保护气输入管道31、炉内保护气排气管道32、罐体抽气管道33、信号传输管道34、型内保护气通气管道35、炉盖41、升液管42、坩埚43、电阻炉44、罐内氧气浓度检测传感器51、转接座进气管61、型内氧气浓度检测传感器71、气体保护箱81、锭模82、自动输送平台83。

具体实施方式

下面结合实例对本发明的结果及实施效果做进一步说明：

实施例1

本实施例为低压铸造生产镁合金舱体的过程，铸件材质为ZM2。

具体过程如下：

1）设定需要制备的混合保护气种类为SF6+CO2、SF6+Ar、SF6+N2，中控电脑（11）向混气柜（2）发送指令完成混气再输送入增压罐，采用压缩空气完成混合气增压后输送到储气柜（3）内部储气罐中，当储气罐压力达到7.0bar时混气停止。

2）开启熔炼气体保护按钮，向熔炼炉中通入SF6+CO2保护气10min，设定保护气流量为1m3/h，将ZM2原料锭投入低压铸造炉中，储气柜（3）按照0.2L/min的流速向坩埚（43）内合金液面喷吹混合保护气，进行合金无溶剂熔炼；

3）合金熔炼完成后，依次安装炉盖（41）、升液管（42）、放置转接座（6）、铸型（7）后，放置压力罐（5），并将型内氧气浓度检测传感器（71）与压力罐接头连接，将转接座进气管（61）与型内保护气通气管道（35）连接，此时储气柜（3）通过转接座进气管（61）向罐内底部，同时将压力罐（5）内气体通过罐体抽气管道（33）抽出，并实时监控罐顶和铸型顶部氧气浓度，当两者浓度均在0.3~0.5%之间且差值不大于0.2%，停止输送保护气及抽取罐内气体。此时储气柜（3）通过进气口（441）向炉内输送SF6+N2保护气进行反重力铸造，铸造完成后，炉内保护气从排气口（442）排出；

4）浇注铸锭：无溶剂反重力铸造完成后，中控电脑（11）控制储气柜（3）向气体保护箱（81）输送保护气氛，同时控制自动输送平台（83）将锭模（82）逐个送入气体保护箱（81）内，将熔铸炉（4）坩埚内剩余ZM2合金液倒入锭模中，凝固成原料锭后入库以备后续使用。

实施例2

本实施例为低压铸造生产镁合金机匣的过程，铸件材质为WE43。

具体过程如下：

1）设定需要制备的混合保护气种类为SF6+CO2、SF6+Ar、SF6+N2，中控电脑（11）向混气柜（2）发送指令完成混气再输送入增压罐，采用压缩空气完成混合气增压后输送到储气柜（3）内部储气罐中，当储气罐压力达到7.0bar时混气停止。

2）开启熔炼气体保护按钮，向熔炼炉中通入SF6+CO2保护气10min，设定保护气流量为1m3/h，将WE43原料锭投入低压铸造炉中，储气柜（3）按照0.5L/min的流速向坩埚（43）内合金液面喷吹混合保护气，进行合金无溶剂熔炼；

3）合金熔炼完成后，依次安装炉盖（41）、升液管（42）、放置转接座（6）、铸型（7）后，放置压力罐（5），并将型内氧气浓度检测传感器（71）与压力罐接头连接，将转接座进气管（61）与型内保护气通气管道（35）连接，此时储气柜（3）通过转接座进气管（61）向铸型（7）内输送SF6+Ar保护气，同时将压力罐（5）内气体通过罐体抽气管道（33）抽出，并实时监控罐顶和铸型顶部氧气浓度，当两者浓度均在0.1%~0.3%之间且差值不大于0.2%，停止输送保护气及抽取罐内气体。此时储气柜（3）通过进气口（441）向炉内输送SF6+N2保护气进行反重力铸造，铸造完成后，炉内保护气从排气口（442）排出；

4）浇注铸锭：无溶剂反重力铸造完成后，中控电脑（11）控制储气柜（3）向气体保护箱（81）输送保护气氛，同时控制自动输送平台（83）将锭模（82）逐个送入气体保护箱（81）内，将熔铸炉（4）坩埚内剩余WE43合金液倒入锭模中，凝固成原料锭后入库以备后续使用。

尽管这里己详细列出并说明了优选实施实例，但是本领域技术人员可知，可在不脱离本发明精髓的情况下进行各种结构调整和控制参数搭配，这些内容都被认为处于权利要求所限定的本发明的范围之内。

Claims (7)

1.一种镁合金无溶剂熔铸一体化装置，其特征在于：所述装置包括中控柜（1）、混气柜（2）、储气柜（3）、熔铸炉（4）、压力罐（5）、转接座（6）、铸型（7）和合金锭生产线（8）；

其中，所述中控柜（1）主体为中控电脑（11），与混气柜（2）、储气柜（3）、熔铸炉（4）设备能够进行实时通讯和控制；

所述混气柜（2）柜体外部连接压缩空气管道（21），并通过增压混合气输入管道（22）及循环气管道（23）与储气柜（3）连接；

所述储气柜（3）通过罐体抽气管道（33）与压力罐（5）连接，能够抽出罐体内部空气，通过型内保护气通气管道（35）与压力罐（5）、转接座（6）连接，通过炉内保护气输入管道（31）、炉内保护气排气管道（32）与熔铸炉（4）连接，通过信号传输管道（34）与罐内氧气浓度检测传感器（51）、型内氧气浓度检测传感器（71）连接；

所述熔铸炉（4）由炉盖（41）、升液管（42）、坩埚（43）以及电阻炉（44）组成，电阻炉（44）设置进气口（441）与排气口（442）；

全程采用针对性的保护气氛对镁合金生产各个阶段进行保护：合金熔炼阶段，向合金液面铺散SF₆+CO₂保护气进行保护，在浇注准备阶段向铸型直浇口内或直接向罐内底部注入SF₆+Ar混合保护气，同时抽出压力罐内原有空气，在反重力浇注阶段向熔铸炉内通入输送SF₆+N₂混合气作为加压保护气，在将炉内余料浇注回炉料锭阶段向气体保护箱中输送SF₆+CO₂混合气作合金液面保护气。

2.根据权利要求1所述的一种镁合金无溶剂熔铸一体化装置，其特征在于：混气柜（2）中储存Ar，N₂，SF₆，CO₂ 4种单质气体，储气柜（3）储存SF₆+CO₂、SF₆+N₂或SF₆+Ar 3种不同的混合气。

3.根据权利要求1所述的一种镁合金无溶剂熔铸一体化装置，其特征在于：所述转接座（6）材质为砂型或石墨型，中间设置有转接座进气管（61），与型内保护气通气管道（35）采用单向阀联通；转接座进气管（61）也可不连接型内保护气通气管道（35），直接向罐内底部通入保护气。

4.根据权利要求1所述的一种镁合金无溶剂熔铸一体化装置，其特征在于：所述铸型（7）为砂型，型顶上方装有型内氧气浓度检测传感器（71）；所述压力罐（5）顶部也安装罐内氧气浓度检测传感器（51）。

5.根据权利要求1所述的一种镁合金无溶剂熔铸一体化装置，其特征在于：所述合金锭生产线（8）由气体保护箱（81）、锭模（82）以及自动输送平台（83）组成。

6.一种基于权利要求1-5任一所述装置完成镁合金无溶剂熔炼铸造一体化的方法，其特征在于，应用镁合金无溶剂熔铸一体化装置，全程采用针对性的保护气氛对镁合金生产各个阶段进行保护：合金熔炼阶段，向合金液面铺散SF₆+CO₂保护气进行保护，在浇注准备阶段向铸型直浇口内或直接向罐内底部注入SF₆+Ar混合保护气，同时抽出压力罐内原有空气，在反重力浇注阶段向熔铸炉内通入输送SF₆+N₂混合气作为加压保护气，在将炉内余料浇注回炉料锭阶段向气体保护箱中输送SF₆+CO₂混合气作合金液面保护气；通过上述方式，实现镁合金无溶剂熔炼和反重力铸造。

7.根据权利要求6所述的镁合金无溶剂熔炼铸造一体化的方法，其特征在于：该方法具体步骤如下：

步骤一、混合保护气制备与存储： 在中控电脑（11）输入混气指令，设定需要制备的混合保护气种类，中控电脑（11）向混气柜（2）发送指令，调节各单质气体压力平衡，并按比例完成单质气体混合，采用压缩空气完成混合气增压后输送到储气柜（3）内部储气罐中；当储气柜（3）内存储的各类混合保护气放置一定时间后不使用，会再次回流至混气柜（2）内进行混气增压，保证混合气均匀性；

步骤二、无溶剂熔炼：储气柜（3）内混合保护气储气罐压力达到设定值后，即可进行镁合金无溶剂熔炼，储气柜（3）按照设定的流量通过炉内保护气输入管道（31）向电阻炉（44）上方进气口（441）向坩埚（43）内合金液面喷吹混合保护气，进行合金无溶剂熔炼；

步骤三、砂型铸造；合金熔炼完成后，依次安装炉盖（41）、升液管（42）、放置转接座（6）、铸型（7）后，放置压力罐（5），并将型内氧气浓度检测传感器（71）与压力罐接头连接，将转接座进气管（61）与型内保护气通气管道（35）连接，此时储气柜（3）通过转接座进气管（61）向铸型（7）内或罐内底部直接输送SF₆+Ar保护气，同时从罐顶将压力罐（5）内气体通过罐体抽气管道（33）抽出，并实时监控罐顶和铸型顶部氧气浓度，当浓度均在0.1%~0.5%之间且差值不大于0.2%，停止输送保护气及抽取罐内气体；此时储气柜（3）通过进气口（441）向炉内输送SF₆+N₂保护气进行反重力铸造，铸造完成后，炉内保护气从排气口（442）排出；

步骤四、浇注铸锭：反重力铸造完成后，储气柜（3）向气体保护箱（81）输送SF₆+CO₂保护气氛，同时控制自动输送平台（83）将锭模（82）逐个送入气体保护箱（81）内，倒入熔铸炉（4）坩埚内剩余镁合金液，凝固后输送至气体保护箱（81）外，完成无溶剂条件下镁合金回炉料合锭。