專利名稱：一種鎂合金熔煉及反重力澆注過程中的防燃防氧化方法及混氣系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種鎂合金熔煉及反重力澆注過程中的防燃防氧化方法及混氣系統(tǒng)， 適用于鎂合金熔煉及反重力澆注過程中的防燃防氧化保護。
背景技術：
鎂合金優(yōu)點突出，但鎂比較活潑，鎂熔體易與周圍介質如氧、氮、水汽等發(fā)生反應， 鎂熔體與空氣發(fā)生反應時形成的氧化膜致密度小，不能阻止氧化膜下方的熔體繼續(xù)氧化， 氧化產(chǎn)生的熱量會加劇鎂液的燃燒。鎂液的易燃特性使鎂合金熔煉及熱加工成型受到限 制，在鎂合金熔煉及澆注過程中必須有效地對熔體進行防燃防氧化保護，目前常用的兩種 方式為熔劑保護和氣體保護。熔劑保護是傳統(tǒng)的保護方式，需要在生產(chǎn)過程中不斷的施放氯鹽化合物，這種方 法簡單易行，但產(chǎn)品中易出現(xiàn)熔劑夾雜，導致材料力學性能及耐蝕性能下降，而且產(chǎn)物Cl2, HC1，HF具有化學腐蝕性，對設備造成破環(huán)，生成的氣體還會惡化生產(chǎn)環(huán)境，在國外已經(jīng)停止 使用。氣體保護技術在鎂合金表面覆蓋一層惰性氣體或者能與鎂反應生成致密氧化膜 的氣體，常用空氣及SF6混合作為保護氣，通入到熔體表面，在混合氣體中，通入干燥的CO2 氣體，可以改善和加強SF6的保護效果?；旌蠚怏w對SF6含量有嚴格要求，SF6體積分數(shù)過 小，則表面膜不致密，而SF6的體積分數(shù)過大，則表面膜變厚發(fā)脆，易發(fā)生裂紋，反而使保護 作用減弱，而且SF6濃度氣氛過高時對設備還具有嚴重的腐蝕作用，通常SF6的濃度應控制 在0. (體積分數(shù))之間。盡管SF6具有較好的保護作用，但是其溫室效應是CO2 的24000倍，世界上許多國家都開始限制了對其的使用，在積極尋找SF6的替代物同時，也 要在生產(chǎn)過程中盡量減少SF6的排放。上世紀九十年代以前，我國一直采用熔劑保護進行鎂合金熔煉過程保護，由于氣 體保護下生產(chǎn)的鎂合金產(chǎn)品質量高，阻燃效果好，近年來，氣體保護技術在逐步推廣。已有 一些關于氣體保護的方法及裝置的專利，概括一下可以分以下兩類，第一類利用簡單的機 械裝置如減壓閥、轉子流量計控制混合氣體通入，如中國專利200610040525. 3，題為鎂合金 熔煉的氣體保護方法及氣體混合裝置，保護氣路設有壓力控制裝置及調節(jié)器，混合了空氣、 SF6及CO2三種氣體，在500度以上時通入保護氣，使用簡單，具有低廉的硬件成本優(yōu)勢，但 這種裝置控制精度不高，影響其保護效果。第二類是在混合氣體出口處進行設計，增加氣體 混合后的均勻程度。如中國專利200810162091. 3，題為鎂合金澆注熔煉的保護氣氛裝置，在 混氣支路出口處安裝了螺旋結構。中國專利200810063778. 1，題為用于鎂合金高效氣體混 合裝置，在混合氣罐內通過改進進氣接頭形狀及安裝梳妝網(wǎng)。上述的幾種保護方法及裝置基本滿足了使用要求，但是在鎂合金保護過程中仍存 在以下問題(1)混合氣體過飽和通入的問題。在鎂合金熔煉過程中，適量的保護氣能保證熔體
3在一定時間內不發(fā)生氧化燃燒現(xiàn)象，持續(xù)通入保護氣體會造成SF6的浪費并加劇其環(huán)境的 的負面影響。(2)空氣、SF6、C02三種氣體配比不能達到最佳保護效果。鎂合金熔煉溫度在750°C 左右，從500°C開始，隨著熔化爐溫度提高，只有提高SF6、C02的體積百分比才能達到良好的 保護效果。傳統(tǒng)保護裝置采用人工定量調節(jié)SF6、CO2等混合氣體配比，該方法控制下的保護 氣體不能主動根據(jù)熔爐溫度自動調節(jié)保護氣體配比，需要操作人員隨時根據(jù)保護效果調節(jié) 保護氣體配比，操作繁瑣，極易影響鑄造生產(chǎn)質量和安全。(3)現(xiàn)有的保護裝置不能應用于鎂合金反重力澆注過程。反重力鑄造如低壓鑄造， 差壓鑄造等，是一種生產(chǎn)鎂合金復雜薄壁鑄件的精密鑄造方法，廣泛應用于汽車制造及航 空航天領域。反重力鑄造是在密閉的坩堝或罐體內內建立氣壓，將壓縮空氣作用于金屬液 表面，利用氣體壓力使合金液沿升液管進入到鑄型內。反重力鑄造方法結合氣體保護技術 可以實現(xiàn)對鎂合金的連續(xù)澆注生產(chǎn)，但是由于在澆注過程中坩堝內存在較大的氣體壓力， 所以傳統(tǒng)保護裝置無法使保護性氣體正常通入到坩堝內部實現(xiàn)對熔體的保護。

發(fā)明內容
要解決的技術問題為了避免現(xiàn)有技術的不足之處，本發(fā)明提出一種鎂合金熔煉及反重力澆注過程中 的防燃防氧化方法及混氣系統(tǒng)，根據(jù)不同的爐膛溫度調整空氣、SF6及CO2的配比及通斷時 間技術方案一種鎂合金熔煉及反重力澆注過程中的防燃防氧化方法，采用坩鍋爐進行熔煉， 其特征在于步驟如下步驟1 當爐膛溫度達到350 V，小于550 °C時，按照通入20s停止80s的 控制率循環(huán)通入保護氣體；本次循環(huán)所述的保護氣體的體積百分比為98. 4空 氣0. ISF6 1. 5C02 ；步驟2 當爐膛溫度達到550 V，小于600 V時，按照通入20s停止60s的 控制率循環(huán)通入保護氣體；本次循環(huán)所述的保護氣體的體積百分比為98. 35空 氣0. 15SF6 1. 5C02 ；步驟3 當爐膛溫度達到600 V，小于650 V時，按照通入25s停止70s的 控制率循環(huán)通入保護氣體；本次循環(huán)所述的保護氣體的體積百分比為98. 3空 氣0. 2SF6 1. 5C02 ；步驟4 當爐膛溫度達到650°C，小于680°C時，按照通入25s停止60s的 控制率循環(huán)通入保護氣體；本次循環(huán)所述的保護氣體的體積百分比為98. 1空 氣0. 4SF6 1. 5C02 ；步驟5 當爐膛溫度達到680°C，小于710°C時，按照通入30s停止60s的控制率循 環(huán)通入保護氣體；本次循環(huán)所述的保護氣體的體積百分比為91. 6空氣0.4SF6 8C02；步驟6 當爐膛溫度達到710 V，小于730 V時，按照通入30s停止50s的 控制率循環(huán)通入保護氣體；本次循環(huán)所述的保護氣體的體積百分比為84. 55空 氣0. 45SF6 25C02 ；
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步驟7 當爐膛溫度達到730 V，小于750 °C時，按照通入30s停止40s的 控制率循環(huán)通入保護氣體；本次循環(huán)所述的保護氣體的體積百分比為74. 55空 氣0. 45SF6 25C02 ；步驟8 當爐膛溫度達到750°C，直至反重力澆注過程結束，按照通入30s停 止30s的控制率循環(huán)通入保護氣體；本次循環(huán)所述的保護氣體的體積百分比為74. 5空 氣0. 5SF6 25C02。一種實現(xiàn)上述的鎂合金熔煉及反重力澆注過程中的防燃防氧化方法的混氣系統(tǒng)， 其特征在于包括空氣支路、SF6支路、CO2支路、混合氣罐6、直動減壓閥27、低壓保護支路， 泄漏保護支路和備用保護支路；所述空氣支路為空氣的入口連接過濾減壓閥1后順序連接 空氣壓力開關2、空氣先導減壓閥3、空氣單向閥4和空氣質量流量控制器5 ；所述SF6支路 為SF6的入口連接SF6壓力開關11后順序連接SF6先導減壓閥12、SF6單向閥13和SF6質 量流量控制器14 ；所述CO2支路為CO2的入口連接加熱器19后順序連接CO2壓力開關20、 CO2先導減壓閥21、C02單向閥22和CO2質量流量控制器23 ；空氣質量流量控制器5、SF6質 量流量控制器14和CO2質量流量控制器23的出口連接混合氣罐6的入口，混合氣罐6的出 口分別連接低壓保護支路，泄漏保護支路和備用保護支路；所述低壓保護支路為低壓電磁 閥7的入口連接混合氣罐6的出口后順序連接低壓調速閥8和低壓單向閥9 ；所述泄漏保 護支路為泄漏電磁閥15的入口連接混合氣罐6的出口后順序連接泄漏調速閥16和泄漏單 向閥17 ；所述直動減壓閥27入口連接空氣支路過濾減壓閥1的出口，直動減壓閥27的出 口分別連接空氣先導減壓閥3、SF6先導減壓閥12和CO2先導減壓閥21的的頂部進氣口。在混合氣罐6的出口連接備用電磁閥24的入口后順序連接備用調速閥25和備用 單向閥26。所述的空氣質量流量控制器5、SF6質量流量控制器14和CO2質量流量控制器23 的通信口通過接線端子排30與數(shù)據(jù)控制器29的一個通信口聯(lián)接，數(shù)據(jù)控制器29的另一個 通信口聯(lián)接數(shù)據(jù)輸入端28。有益效果本發(fā)明提出的鎂合金熔煉及反重力澆注過程中的防燃防氧化方法，以及混合氣體 系統(tǒng)用來實現(xiàn)鎂合金熔煉及反重力鑄造過程的防燃防氧化保護方法。通過在不同的溫度范 圍內，采用不同的通入保護氣體控制率，同時根據(jù)不同溫度段選擇是與該溫度段合適的空 氣、SF6、CO2三種氣體配比(1)能夠解決混合氣體過飽和通入的問題。在鎂合金熔煉過程中，適量的保護氣能 保證熔體在一定時間內不發(fā)生氧化燃燒現(xiàn)象，通過斷續(xù)通入保護氣體減少SF6的浪費和對 環(huán)境的的負面影響。(2)能夠達到最佳保護效果。鎂合金熔煉溫度在750°C左右，從500°C開始，隨著熔 化爐溫度提高，只有提高SF6、CO2的體積百分比才能達到良好的保護效果。傳統(tǒng)保護裝置采 用人工定量調節(jié)SF6、CO2等混合氣體配比。本發(fā)法及系統(tǒng)能根據(jù)熔爐溫度自動調節(jié)保護氣 體配比，隨時根據(jù)保護效果調節(jié)保護氣體配比，較少操作繁瑣，保證鑄造生產(chǎn)質量和安全。本方法和系統(tǒng)實現(xiàn)保護性氣體正常通入到坩堝內部實現(xiàn)對熔體的保護。


圖1 為混氣系統(tǒng)氣路原理圖1-過濾減壓閥，2-空氣壓力開關，3-空氣先導減壓閥，4-空氣單向閥，5-空氣質 量流量控制器，6-混合氣罐，7-低壓電磁閥，8-低壓調速閥，9-低壓單向閥，IO-SF6氣瓶， Il-SF6壓力開關，12-SF6先導減壓閥，134&單向閥，H-SF6質量流量控制器，15-泄漏電磁 閥，16-泄漏調速閥，17-泄漏單向閥，18C02氣瓶，19-加熱器，20-C02壓力開關，21_C02先導 減壓閥，22-C02單向閥，23-C02質量流量控制器，24-備用電磁閥，25-備用調速閥，26-備用 單向閥，27-直動減壓閥，28-數(shù)據(jù)輸入端，29-數(shù)據(jù)控制器，30-接線端子排。
圖2 實施例控制系統(tǒng)結構圖28觸摸屏29可編程控制器30端子排
具體實施例方式現(xiàn)結合實施例、附圖對本發(fā)明作進一步描述本發(fā)明的混合氣體系統(tǒng)包括電控系統(tǒng)與氣路系統(tǒng)，氣路系統(tǒng)為空氣的入口連接過 濾減壓閥1后順序連接空氣壓力開關2、空氣先導減壓閥3、空氣單向閥4和空氣質量流量 控制器5 ；SF6支路為SF6的入口連接SF6壓力開關11后順序連接SF6先導減壓閥12、SF6單 向閥13和SF6質量流量控制器14 ；CO2支路為CO2的入口連接加熱器19后順序連接CO2壓 力開關20、C02先導減壓閥21、C02單向閥22和CO2質量流量控制器23 ；空氣質量流量控制 器5、SF6質量流量控制器14和CO2質量流量控制器23的出口連接混合氣罐6的入口 ；混合 氣罐6的出口其一連接低壓電磁閥7、低壓調速閥8和低壓單向閥9 ；其二連接泄漏電磁閥 15、泄漏調速閥16和泄漏單向閥17 ；其三連接備用電磁閥24備用調速閥25和備用單向閥 26。直動減壓閥27分別控制空氣先導減壓閥3、SF6先導減壓閥12和CO2先導減壓閥21。空氣質量流量控制器5、SF6質量流量控制器14和CO2質量流量控制器23的通信 口聯(lián)接電控系統(tǒng)，通過接線端子排30聯(lián)接數(shù)據(jù)控制器29的一個通信口聯(lián)接，數(shù)據(jù)控制器29 的另一個通信口聯(lián)接數(shù)據(jù)輸入端28。數(shù)據(jù)控制器29采用可編程控制器(PLC)，數(shù)據(jù)輸入端 28采用觸摸屏進行數(shù)據(jù)輸入。系統(tǒng)氣路工作過程氣路系統(tǒng)工作時，SF6、CO2和空氣三種氣體同時從各自氣源出發(fā)，空氣經(jīng)過濾減壓 閥1、壓力開關2、先導減壓閥3、單向閥4、質量流量控制器5、進入混合氣罐6，SF6經(jīng)過壓 力開關11、先導減壓閥12、單向閥13、質量流量控制器14、進入混合氣罐6，CO2經(jīng)過加熱器 19、壓力開關20、先導減壓閥21、單向閥22、質量流量控制器23、進入混合氣罐6，三種氣體 在混合氣罐6內充分混合。氣體混合后經(jīng)由三條輸出支路通入到熔體表面，作為鎂合金反 重力鑄造保護裝置，將輸出支路分別為低壓保護支路，泄漏保護支路及備用保護支路，在熔 煉及反重力澆注過程中，混合氣體在低壓保護支路經(jīng)過電磁閥7、調速閥8、單向閥9通入 熔體表面；當鎂液泄漏時，混合氣體在泄漏保護支路經(jīng)過電磁閥16、調速閥17、單向閥18通 入熔體表面；在備用保護支路經(jīng)過電磁閥24、調速閥25、單向閥26通入熔體表面。在反重力鑄造過程中要保證保護性氣體正常通入到坩堝內，必須保證混合氣體的 出口壓力大于坩堝內的氣壓。將各支路氣體的減壓閥使用同一壓力減壓，通過直動調壓旋 鈕26，可以同時調高先導減壓閥3，先導減壓閥12，先導減壓閥21的出口壓力。這種連接能 保證各支路氣體在減壓閥出口處壓力相等，這樣在氣瓶及氣源的使用過程中可以避免因為不同氣源壓力下降引起的氣體流量比例變化。輸入及輸出支路安裝單向閥，單向閥是保證 氣流只能沿一個方向流動而不能反向流動的方向控制閥，在各輸入支路安裝單向閥4、13、 22能夠防止混氣緩沖罐內的混合氣體倒流回氣瓶，在輸出支路安裝單向閥9、17、26保證坩 堝內的混合氣體不倒流回緩沖罐。三條供氣支路的通斷可通過電磁閥控制，每路電磁閥出 口處都安裝了調速閥，可以調節(jié)旋鈕控制流量大小?？梢詫⑿孤┍Ｗo支路流量開度調至最 大，以便燃燒時迅速阻燃。本發(fā)明鎂合金熔煉及反重力澆注過程混合方法的實施例將輸出支路接口接入到坩堝蓋處的保護氣輸入口，打開各支路氣源，將空氣減壓 到0. 4MPa,C02加熱裝置上電，通過壓力開關設定各氣體壓力低限為0. 3MPa。當氣瓶中壓力 低于0. 3MPa時，壓力開關動作，提供信號給控制系統(tǒng)，系統(tǒng)會發(fā)出聲光報警提醒操作人員 更換氣瓶。首先將流量配方與通斷時間配方輸入到混氣系統(tǒng)中，流量配方的計算按照下述方 法進行(1)計算坩堝體積坩堝鎂液熔化量為300Kg，半徑=275mm,高H = 900mm,坩堝密封容積約為210L(2)根據(jù)總流量=密封容積X6%，求得不同溫度下混合氣體的總流量約為13L/ min根據(jù)某組分氣體流量=總流量X氣體體積百分比，求得各個氣體的流量，得到的結果 如表1所示表1流量設定配方 (3)將表1中的流量配方通過觸摸屏輸入到混氣系統(tǒng)中。(4)將表2中的通斷時間配方通過觸摸屏輸入到混氣系統(tǒng)。表2通斷時間設定配方 (5)按下自動保護按鈕，混氣系統(tǒng)會按照設定的表1及表2中的配方對鎂合金熔體 進行保護氣通入。(6)達到熔煉溫度后，準備開始反重力澆注，調節(jié)直動減壓閥旋鈕，使保護氣出口 壓力為0. 2MPa，保證出口壓力大于反重力鑄造過程中的坩堝內氣體壓力。反重力澆注過程中保護氣順利通入，完成整個過程的自動保護。
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權利要求
一種鎂合金熔煉及反重力澆注過程中的防燃防氧化方法，采用坩鍋爐進行熔煉，其特征在于步驟如下步驟1當爐膛溫度達到350℃，小于550℃時，按照通入20s停止80s的控制率循環(huán)通入保護氣體；本次循環(huán)所述的保護氣體的體積百分比為98.4空氣∶0.1SF6∶1.5CO2；步驟2當爐膛溫度達到550℃，小于600℃時，按照通入20s停止60s的控制率循環(huán)通入保護氣體；本次循環(huán)所述的保護氣體的體積百分比為98.35空氣∶0.15SF6∶1.5CO2；步驟3當爐膛溫度達到600℃，小于650℃時，按照通入25s停止70s的控制率循環(huán)通入保護氣體；本次循環(huán)所述的保護氣體的體積百分比為98.3空氣∶0.2SF6∶1.5CO2；步驟4當爐膛溫度達到650℃，小于680℃時，按照通入25s停止60s的控制率循環(huán)通入保護氣體；本次循環(huán)所述的保護氣體的體積百分比為98.1空氣∶0.4SF6∶1.5CO2；步驟5當爐膛溫度達到680℃，小于710℃時，按照通入30s停止60s的控制率循環(huán)通入保護氣體；本次循環(huán)所述的保護氣體的體積百分比為91.6空氣∶0.4SF6∶8CO2；步驟6當爐膛溫度達到710℃，小于730℃時，按照通入30s停止50s的控制率循環(huán)通入保護氣體；本次循環(huán)所述的保護氣體的體積百分比為84.55空氣∶0.45SF6∶25CO2；步驟7當爐膛溫度達到730℃，小于750℃時，按照通入30s停止40s的控制率循環(huán)通入保護氣體；本次循環(huán)所述的保護氣體的體積百分比為74.55空氣∶0.45SF6∶25CO2；步驟8當爐膛溫度達到750℃，直至反重力澆注過程結束，按照通入30s停止30s的控制率循環(huán)通入保護氣體；本次循環(huán)所述的保護氣體的體積百分比為74.5空氣∶0.5SF6∶25CO2。
2.一種實現(xiàn)權利要求1所述的鎂合金熔煉及反重力澆注過程中的防燃防氧化方法的 混氣系統(tǒng)，其特征在于包括空氣支路、SF6支路、CO2支路、混合氣罐(6)、直動減壓閥(27)、 低壓保護支路，泄漏保護支路和備用保護支路；所述空氣支路為空氣的入口連接過濾減壓 閥(1)后順序連接空氣壓力開關(2)、空氣先導減壓閥(3)、空氣單向閥(4)和空氣質量流 量控制器(5)；所述SF6支路為SF6的入口連接SF6S力開關(11)后順序連接3&先導減壓 閥(12)、SF6單向閥(13)和SF6質量流量控制器(14)；所述CO2支路為CO2的入口連接加 熱器(19)后順序連接CO2壓力開關(20)、CO2先導減壓閥(21)、CO2單向閥(22)和CO2質 量流量控制器(23)；空氣質量流量控制器(5)、SF6質量流量控制器(14)和CO2質量流量控 制器(23)的出口連接混合氣罐(6)的入口，混合氣罐(6)的出口分別連接低壓保護支路， 泄漏保護支路和備用保護支路；所述低壓保護支路為低壓電磁閥(7)的入口連接混合氣罐 (6)的出口后順序連接低壓調速閥(8)和低壓單向閥(9)；所述泄漏保護支路為泄漏電磁閥 (15)的入口連接混合氣罐(6)的出口后順序連接泄漏調速閥(16)和泄漏單向閥(17)；所 述直動減壓閥(27)入口連接空氣支路過濾減壓閥(1)的出口，直動減壓閥(27)的出口分 別連接空氣先導減壓閥(3)、SF6先導減壓閥(12)和CO2先導減壓閥(21)的的頂部進氣口。
3.根據(jù)權利要求2所述的混氣系統(tǒng)，其特征在于在混合氣罐(6)的出口連接備用電 磁閥(24)的入口后順序連接備用調速閥(25)和備用單向閥(26)。
4.根據(jù)權利要求2所述的混氣系統(tǒng)，其特征在于所述的空氣質量流量控制器(5)、SF6 質量流量控制器(14)和CO2質量流量控制器(23)的通信口通過接線端子排(30)與數(shù)據(jù) 控制器(29)的一個通信口聯(lián)接，數(shù)據(jù)控制器(29)的另一個通信口聯(lián)接數(shù)據(jù)輸入端(28)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種鎂合金熔煉及反重力澆注過程中的防燃防氧化方法及混氣系統(tǒng)，技術特征在于根據(jù)爐膛溫度自動控制保護氣通入及斷開時間，并根據(jù)不同的爐膛溫度自動調節(jié)混合氣體配比，建立了不同溫度保護氣配比及通斷時間方案。智能混氣裝置采用觸摸屏及可編程控制器作為控制核心，實時采集熔化爐爐膛溫度，控制電磁閥通斷，同時利用質量流量控制器與PLC進行數(shù)據(jù)通信，實現(xiàn)對空氣、CO2及SF6氣體流量實時調整?；鞖鈿饴凡捎弥眲訙p壓聯(lián)合先導減壓的控制方式保證反重力鑄造過程中保護性氣體通入坩堝。該發(fā)明能提供對鎂合金熔體的有效保護，并使混合氣體得到有效利用，最大程度降低了SF6對環(huán)境的負面影響。
文檔編號C22C1/02GK101914696SQ201010210030
公開日2010年12月15日 申請日期2010年6月24日 優(yōu)先權日2010年6月24日
發(fā)明者李強, 李新雷, 蔡增輝, 郝啟堂 申請人:西北工業(yè)大學