高原環(huán)境下鎂合金熔煉用保護氣體的制備與工藝研究

李有新，關婷婷

高原環(huán)境下鎂合金熔煉用保護氣體的制備與工藝研究

李有新，關婷婷

（青海高等職業(yè)技術學院，青海 海東 810799）

隨著汽車向輕量化方向發(fā)展，鎂合金這種輕質(zhì)材料得到行業(yè)廣泛關注。對青藏高原干燥地區(qū)探索鎂合金壓鑄工藝過程，鎂合金熔煉過程中保護氣體的選擇、混合方法及驗證做了較為詳細的研究，提出了一種新型的保護氣體制備方法，并在后續(xù)壓鑄生產(chǎn)中得到了較好驗證。

鎂合金；熔煉；保護氣體；壓鑄工藝

隨著汽車向輕量化方向發(fā)展，鎂合金這種輕質(zhì)材料越來越受汽車行業(yè)所關注。同等強度的鎂合金與鋁合金或碳鋼相比較，鎂合金較鋁合金及碳鋼更輕，這說明鎂合金具有比強度較高的優(yōu)勢。

因此在不降低強度的前提下，使用鎂合金作為汽車制造材料能夠顯著降低汽車的整備質(zhì)量，這樣既達到了汽車輕量化的目標，又符合汽車安全性方面的要求。

本文圍繞青藏高原鎂合金壓鑄廠建設過程，在探索壓鑄工藝的過程中，結(jié)合當?shù)靥攸c因地制宜設計開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權的鎂合金壓鑄用保護氣體混合裝置。

1 高原環(huán)境

本設計方案是在青藏高原海拔2 500 m的氣候環(huán)境下完成的，這里年平均氣溫5.1 ℃，年平均降水量509.8 mm，年蒸發(fā)量900～1 000 mm，日照時間長，屬于典型的大陸性氣候。項目實施企業(yè)目前是青藏高原唯一的一家鎂鋁合金壓鑄企業(yè)，具有鎖模力3 200 T、1 400 T、1 200 T及8 00 T壓鑄機數(shù)臺。

雖然目前國內(nèi)外鎂合金壓鑄工藝日漸成熟，但結(jié)合獨特的高海拔氣候特點，如何調(diào)整相關工藝參數(shù)是該公司目前面臨的比較嚴峻的問題，為此開始研究設計相關工藝方案。

2 現(xiàn)狀分析

氣體保護法是將惰性氣體或能與鎂熔體反應生成致密保護膜的保護氣體引向鎂熔池表面，達到隔絕空氣，防止鎂合金熔體持續(xù)氧化燃燒的一種方法。由于氣體保護法的保護效果好、不污染鎂熔體、熔化中鎂熔體損耗少等諸多優(yōu)點，氣體保護法已成為現(xiàn)今鎂合金生產(chǎn)過程中應用范圍最廣的保護方法，廣泛應用于鎂合金的液態(tài)成型、重熔靜置以及熱處理，尤其是鎂合金壓鑄領域。

在研究了國內(nèi)外鎂合金熔煉（壓鑄）保護氣體方案的基礎上，選用六氟化硫（SF6）+氮氣（N2）的最優(yōu)組合。該方案中SF6為阻燃保護氣體，N2為載流氣體，如何將SF6和N2凈化過濾及調(diào)整百分比是本次設計的關鍵。

目前鎂合金生產(chǎn)工藝一般采用載流氣體（N2或者干燥空氣）與SF6混合后作為保護氣體通入鎂合金熔煉爐的方法，SF6是一種無色無嗅無毒、化學惰性很強的氣體，連同空氣一起作用于鎂合金熔體表面，會在鎂合金熔體表面形成致密的MgF2·MgO復合膜，MgF2具有金屬色澤、致密度系數(shù)大，可以隔絕氧氣，有效阻止鎂合金的進一步氧化，降低燃燒的風險，但MgF2維持時間不長，所以混合氣體需要不斷供給。

通常載流氣體和SF6的混合氣體中，載流氣體的體積比為99%以上，SF6的體積比為0.03%～0.5%，絕對避免SF6的體積比大于0.5%，如果SF6的體積比不到0.03%，可能起不到有效的保護作用，如果SF6的體積比超過0.4%，就會與熔煉爐坩堝發(fā)生反應，加劇坩堝腐蝕、縮短其使用壽命；如果SF6的體積比超過了1%或者更高，則會與坩堝發(fā)生激烈反應，生成大量的疏松含F(xiàn)e產(chǎn)物，這些產(chǎn)物一旦與鎂熔體接觸就會有爆炸的危險。因此鎂合金熔煉過程中對混合保護氣體的配比濃度和流量有嚴格的要求，尤其是SF6的體積比需要精準控制。

3 技術方案

鎂合金熔煉過程中對混合保護氣體的配比濃度和流量有嚴格的要求，尤其是SF6的體積百分比需要精準控制。現(xiàn)有的供氣設備常采用兩個流量計分別控制SF6和載流氣體（N2）的流量，然后混合輸出，但是由于載流氣體（N2）的流量遠大于SF6的流量，因此兩個流量計的輸入端的壓力差別非常大，同時用流量計控制，過程就比較復雜，SF6的流量控制精度較低，而且載流氣體（N2）流量大，頻繁調(diào)節(jié)也會縮短流量計的使用壽命。針對高原氣候環(huán)境，設計的混合方案如圖1所示。本方案設計的保護氣體制備系統(tǒng)具體包括：①載流氣體（N2）供氣管路用于輸入載流氣體（N2）以及檢測載流氣體（N2）的流量；②SF6供氣管路用于輸入SF6、檢測和控制SF6的流量；③PLC控制裝置分別與載流氣體（N2）供氣管路和SF6供氣管路連接，根據(jù)所述載流氣體（N2）供氣管路反饋的載流氣體的流量，控制所述SF6供氣管路對SF6的流量進行調(diào)節(jié)，使載流氣體（N2）和SF6組成的混合氣體中SF6的體積比在0.10%～0 .30%范圍內(nèi)保持不變；④保護氣體應急裝置由惰性氣體Ar罐及控制閥組組成，混合氣體供氣裝置分別與所述載流氣體（N2）供氣管路和SF6供氣管路的出氣口連接，用于混合載流氣體（N2）和SF6，得到混合氣體后向外接的保護氣體供給管網(wǎng)輸出混合氣體。

1—載流氣體供氣管路；2—SF6供氣管路；3—PLC控制裝置；4—保護氣體應急裝置；5—混合氣體供氣裝置；11—氣體調(diào)節(jié)截止閥；12—氣體精密調(diào)節(jié)閥；15—氣體過濾器；17—BROOKS高精度氣體質(zhì)量流量計；18—止逆閥；21—氣體調(diào)節(jié)截止閥；22—氣體精密調(diào)節(jié)閥；25—氣體過濾器；27—BROOKS高精度氣體質(zhì)量流量控制器；28—止逆閥；41—電磁閥；42—氣動角座閥；43—止逆閥；44—混合氣體緩沖罐；45—壓力表；46—壓力變送器；47—止逆閥；48—安全閥；57—止逆閥。

通過氣動角座閥與BROOKS高精度氣體質(zhì)量流量計來控制百分比是本方案設計的關鍵。載流氣體（N2）和SF6混合通過氣動角座閥經(jīng)止回閥進入混合氣體緩沖罐。在混合氣體緩沖罐中，載流氣體（N2）和SF6進一步均勻混合，混合氣體緩沖罐分別連接了壓力表、壓力變送器、止回閥、安全閥，壓力表顯示混合氣體緩沖罐中的壓力，壓力變送器檢測壓力并將壓力信號反饋至PLC控制裝置。當混合氣體緩沖罐中的壓力較低時，PLC控制裝置接收到壓力變送器反饋的壓力信號，進而控制電磁閥帶電，驅(qū)動氣動角座閥打開，載流氣體（N2）和SF6持續(xù)進入混合氣體緩沖罐；當混合氣體緩沖罐中的壓力達到設定值時，PLC控制裝置接收到壓力變送器反饋的壓力信號，進而控制電磁閥斷電，驅(qū)動氣動角座閥關閉，停止載流氣體（N2）和SF6的混合。混合氣體緩沖罐中的混合氣體經(jīng)過所述止回閥后通過出氣口與保護氣體供給管網(wǎng)連接，持續(xù)輸出混合氣體。

4 方案驗證

經(jīng)設備安裝調(diào)試，在壓鑄車間里做如下方案來驗證設備能否滿足鎂合金熔煉要求。根據(jù)設計要求用PLC控制系統(tǒng)在操作界面上設定好所需的保護氣體濃度時，相應的供給的保護氣體中SF6濃度就會發(fā)生變化，從而在鎂合金壓鑄熔爐內(nèi)部就會有對應的燃燒變化。

當N2設定流量（700 ℃）為20 L/min，SF6設定相對濃度百分比為0.14%時，N2的實際流量為19.15 L/min，SF6的實際流量為25 mL/min，在不同時間段，保護效果如圖2所示，打開爐蓋后鎂合金熔體表面大面積存在燃燒現(xiàn)象，保護效果差。

當N2設定流量（700 ℃）為20 L/min，SF6設定相對濃度百分比為0.18%時，N2的實際流量為18.98 L/min，SF6的實際流量為34 mL/min，在不同時間段，保護效果如圖3所示。打開爐蓋后鎂合金熔體表面5 min內(nèi)均無燃燒現(xiàn)象，保護效果良好。

當N2設定流量（700 ℃）為20 L/min，SF6設定相對濃度百分比為0.21%時，N2的實際流量為19.68 L/min，SF6的實際流量為41 mL/min，在不同時間段，保護效果如圖4所示。打開爐蓋后鎂合金液表面5 min內(nèi)均無燃燒現(xiàn)象，保護效果良好。

持續(xù)0.5 h 持續(xù)1 h 持續(xù)1.5 h 持續(xù)2 h

持續(xù)0.5 h 持續(xù)1 h 持續(xù)1.5 h 持續(xù)2 h

持續(xù)0.5 h 持續(xù)1 h 持續(xù)1.5 h 持續(xù)2 h

當N2設定流量（700 ℃）為20 L/min，SF6設定相對濃度百分比為0.24%時，打開爐蓋后鎂合金熔體表面開始產(chǎn)生燃燒現(xiàn)象；繼續(xù)增大到0.27%時，燃燒加劇。

綜上所述，設計的鎂合金熔煉用保護氣體混合裝置達到了設計目的，能完全符合青藏高原環(huán)境下的鎂合金熔煉和壓鑄生產(chǎn)。經(jīng)反復研究實驗發(fā)現(xiàn)，在2 500 m高海拔干燥高原環(huán)境下，最適宜鎂合金熔煉保護用保護氣體中SF6濃度為0.17%～0.18%，這有利于在青藏高原減少SF6排放量，減少SF6對大氣的溫室效應，促進生態(tài)文明建設。

［1］趙倫，劉建睿，黃衛(wèi)東.鎂合金熔體氣體保護防燃技術［J］.材料導報，2008，12（12）：71-73.

［2］孔俠歆，李博.鎂合金熔煉防燃防氧化技術發(fā)展現(xiàn)狀［J］.化工技術與開發(fā)，2013，42（12）：28-30.

TF822

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.19.026

2095－6835（2019）19－0066－02

李有新（1981—），男，高級工程師，長期從事機械產(chǎn)品的開發(fā)設計和鋁鎂合金生產(chǎn)工藝研究。

〔編輯：嚴麗琴〕