高原環(huán)境下鎂合金熔煉用保護(hù)氣體的制備與工藝研究

李有新，關(guān)婷婷

高原環(huán)境下鎂合金熔煉用保護(hù)氣體的制備與工藝研究

李有新，關(guān)婷婷

（青海高等職業(yè)技術(shù)學(xué)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(guān)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(hù)氣體的選擇、混合方法及驗證做了較為詳細(xì)的研究，提出了一種新型的保護(hù)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(hù)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(guān)注。同等強(qiáng)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(qiáng)度較高的優(yōu)勢。

因此在不降低強(qiáng)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(dá)到了汽車輕量化的目標(biāo)，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(shè)過程，在探索壓鑄工藝的過程中，結(jié)合當(dāng)?shù)靥攸c(diǎn)因地制宜設(shè)計開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的鎂合金壓鑄用保護(hù)氣體混合裝置。

1 高原環(huán)境

本設(shè)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(jī)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(dú)特的高海拔氣候特點(diǎn)，如何調(diào)整相關(guān)工藝參數(shù)是該公司目前面臨的比較嚴(yán)峻的問題，為此開始研究設(shè)計相關(guān)工藝方案。

2 現(xiàn)狀分析

氣體保護(hù)法是將惰性氣體或能與鎂熔體反應(yīng)生成致密保護(hù)膜的保護(hù)氣體引向鎂熔池表面，達(dá)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(hù)法的保護(hù)效果好、不污染鎂熔體、熔化中鎂熔體損耗少等諸多優(yōu)點(diǎn)，氣體保護(hù)法已成為現(xiàn)今鎂合金生產(chǎn)過程中應(yīng)用范圍最廣的保護(hù)方法，廣泛應(yīng)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(lǐng)域。

在研究了國內(nèi)外鎂合金熔煉（壓鑄）保護(hù)氣體方案的基礎(chǔ)上，選用六氟化硫（SF6）+氮?dú)猓∟2）的最優(yōu)組合。該方案中SF6為阻燃保護(hù)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(shè)計的關(guān)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(hù)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(xué)惰性很強(qiáng)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(fù)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(jìn)一步氧化，降低燃燒的風(fēng)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(hù)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(yīng)，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(yīng)，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(hù)氣體的配比濃度和流量有嚴(yán)格的要求，尤其是SF6的體積比需要精準(zhǔn)控制。

3 技術(shù)方案

鎂合金熔煉過程中對混合保護(hù)氣體的配比濃度和流量有嚴(yán)格的要求，尤其是SF6的體積百分比需要精準(zhǔn)控制。現(xiàn)有的供氣設(shè)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(yuǎn)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(fù)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(shè)計的混合方案如圖1所示。本方案設(shè)計的保護(hù)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(jìn)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(hù)氣體應(yīng)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(hù)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(hù)氣體應(yīng)急裝置；5—混合氣體供氣裝置；11—?dú)怏w調(diào)節(jié)截止閥；12—?dú)怏w精密調(diào)節(jié)閥；15—?dú)怏w過濾器；17—BROOKS高精度氣體質(zhì)量流量計；18—止逆閥；21—?dú)怏w調(diào)節(jié)截止閥；22—?dú)怏w精密調(diào)節(jié)閥；25—?dú)怏w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—?dú)鈩咏亲y；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(shè)計的關(guān)鍵。載流氣體（N2）和SF6混合通過氣動角座閥經(jīng)止回閥進(jìn)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(jìn)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(dāng)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(jìn)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(jìn)入混合氣體緩沖罐；當(dāng)混合氣體緩沖罐中的壓力達(dá)到設(shè)定值時，PLC控制裝置接收到壓力變送器反饋的壓力信號，進(jìn)而控制電磁閥斷電，驅(qū)動氣動角座閥關(guān)閉，停止載流氣體（N2）和SF6的混合?；旌蠚怏w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(hù)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(shè)備安裝調(diào)試，在壓鑄車間里做如下方案來驗證設(shè)備能否滿足鎂合金熔煉要求。根據(jù)設(shè)計要求用PLC控制系統(tǒng)在操作界面上設(shè)定好所需的保護(hù)氣體濃度時，相應(yīng)的供給的保護(hù)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(yīng)的燃燒變化。

當(dāng)N2設(shè)定流量（700 ℃）為20 L/min，SF6設(shè)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(hù)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(hù)效果差。

當(dāng)N2設(shè)定流量（700 ℃）為20 L/min，SF6設(shè)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(hù)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(hù)效果良好。

當(dāng)N2設(shè)定流量（700 ℃）為20 L/min，SF6設(shè)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(hù)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(hù)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(dāng)N2設(shè)定流量（700 ℃）為20 L/min，SF6設(shè)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(shè)計的鎂合金熔煉用保護(hù)氣體混合裝置達(dá)到了設(shè)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(fù)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(hù)用保護(hù)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(yīng)，促進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)。

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

［2］孔俠歆，李博.鎂合金熔煉防燃防氧化技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀［J］.化工技術(shù)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(jī)械產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計和鋁鎂合金生產(chǎn)工藝研究。

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕