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

何智勇

【摘 ?要】本文從云貴高原環(huán)境概況入手，然后詳細(xì)分析鎂合金熔煉保護(hù)氣體的工藝概述，以便為高原環(huán)境下鎂合金熔煉用保護(hù)氣體的工藝和制備提供有益的參考性建議。

【關(guān)鍵詞】 鎂合金;熔煉;保護(hù)氣體

引言

相比鋁合金、合金鋼而言，鎂合金結(jié)構(gòu)材料在實(shí)際使用過程中比不銹鋼材料輕，因此受到廣泛應(yīng)用于航空航天產(chǎn)品結(jié)構(gòu)件。鎂合金熔煉過程中需要保護(hù)氣體，使用保護(hù)氣體質(zhì)量高低直接決定材料性能，與其工藝與制備有直接關(guān)系，，所以需要加強(qiáng)鎂合金熔煉用保護(hù)氣體的制備與工藝研究。云貴高原的海拔在1000-3000m，年平均氣溫在5-28℃之間，屬于典型的亞熱帶季風(fēng)氣候，目前，盡管國(guó)內(nèi)外鎂合金鑄造工藝取得了較大發(fā)展，但云貴高原氣候特殊性，應(yīng)調(diào)整有關(guān)工藝參數(shù)，并以此為前提開展相應(yīng)工藝方案探究工作。在云貴高原環(huán)境下對(duì)鎂合金熔煉用保護(hù)氣體的制備與工藝進(jìn)行研究，具有重要意義。

1. 鎂合金制備的主要化學(xué)反應(yīng)

第一步：鎂與氧

2Mg+02→2Mg0

鎂和氧發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成的氧化膜也比較疏松。當(dāng)溫度在500℃以上時(shí)會(huì)加快氧化速度，液態(tài)鎂與氧結(jié)合會(huì)產(chǎn)生非常強(qiáng)的氧化反應(yīng)，并且出現(xiàn)燃燒現(xiàn)象釋放出諸多熱量，而產(chǎn)物MgO層的絕熱性能良好，熱量產(chǎn)生時(shí)釋放速度非常慢，所以此時(shí)溫度逐漸升高，而當(dāng)溫度升高后又加劇了鎂的氧化，使鎂產(chǎn)生劇烈燃燒。此現(xiàn)象反復(fù)幾次后，反應(yīng)界面溫度上升，甚至達(dá)到2850℃，而這時(shí)會(huì)使鎂產(chǎn)生大量氣化，燃燒越來越激烈最后出現(xiàn)爆炸的現(xiàn)象。

第二步，鎂與水

Mg+H20→MgO+H2↑

Mg+2H20→Mg（0H）2+H2↑

液體鎂與水相遇會(huì)形成以上兩種反應(yīng)，并且產(chǎn)生很多熱量，此時(shí)生成物為氫和四周空氣中的氧快速反應(yīng)，液態(tài)水受熱后被快速汽化，所以會(huì)出現(xiàn)非常強(qiáng)的爆炸現(xiàn)象，使鎂液體四處飛濺。

第三步，鎂與氮?dú)?/p>

3Mg+N2→Mg3N2

室溫環(huán)境下鎂和氮?dú)饨佑|反應(yīng)所產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)速度非常緩慢，而當(dāng)鎂是液體狀態(tài)時(shí)，反應(yīng)速度很快，同時(shí)生成Mg3N2膜無法預(yù)防鎂的蒸發(fā)。因此，氮?dú)鉄o法防止鎂熔體燃燒與氧化。

第四步，鎂與硫（二氧化硫）

Mg+S→MgS

液態(tài)鎂和硫（S）接觸會(huì)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，硫會(huì)蒸發(fā)成蒸汽，同時(shí)液體鎂表面生成緊密的MgS膜，若空氣中硫與鎂遇到，不僅會(huì)產(chǎn)生以上反應(yīng)還會(huì)使硫蒸汽和氧生成產(chǎn)物SO2，液體鎂和SO2遇到時(shí)會(huì)產(chǎn)生以下化學(xué)反應(yīng)。

3Mg+SO2→2Mg0+MgS

4Mg+2SO2→4MgO+2S

其中產(chǎn)物2Mg0+MgS復(fù)合表面膜相對(duì)較為嚴(yán)密，因此可以起到減緩液態(tài)鎂氧化的作用，而當(dāng)溫度超過750℃時(shí)，該膜會(huì)失去保護(hù)功能，SO2和液態(tài)鎂發(fā)生非常猛烈的化學(xué)反應(yīng)生成大量硫化物。

2. 鎂合金熔煉保護(hù)方法

鎂合金防氧化燃燒最開始應(yīng)用熔劑對(duì)其進(jìn)行保護(hù)，可以防止鎂和氧或者水蒸氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，同時(shí)還可以防止鎂合金燃燒。而SF6存在于空氣中的時(shí)間比較久，可以達(dá)到3200年左右，其溫室效應(yīng)力是二氧化碳二萬多倍，全球環(huán)保需求越來越嚴(yán)格之后，此混合氣體保護(hù)工藝速度受限并且被其他氣體所取代。所以，世界各國(guó)開始花費(fèi)更多的人力和物力來探究新型保護(hù)辦法。

鎂合金防氧化燃燒還有一種手段就是在鎂合金中加入合金元素，可以有效處理氧化燃燒合金。之后日本和我國(guó)都做過此類研究此方法可以很好的保護(hù)環(huán)境、確保鎂合金質(zhì)量以及減少生產(chǎn)成本等，是現(xiàn)階段國(guó)際上最好的保護(hù)辦法。

3. 云貴高原環(huán)境下鎂合金熔煉用保護(hù)氣體的工藝制備方案

3.1 鎂合金熔煉用保護(hù)氣體制備工藝

就鎂合金熔煉來說，對(duì)混合保護(hù)氣體配比濃度與流量有非常嚴(yán)格需求，特別是SF6體積比例做出非常準(zhǔn)確的掌控。已有供氣設(shè)備應(yīng)用流量計(jì)包含SF6受到把控與載流氣體流量，之后在進(jìn)行混合輸出，而由于SF6流量遠(yuǎn)小于載流氣體流量，所以兩者差值較大，并且應(yīng)用流量計(jì)掌控全程相對(duì)較為繁雜，SF6流量把控精度不高，載流氣體流量非常大，經(jīng)常調(diào)節(jié)會(huì)對(duì)應(yīng)用壽命產(chǎn)生不良影響。云貴高原氣候環(huán)境下設(shè)計(jì)的混合方案如圖1所示。此方案保護(hù)氣體制備系統(tǒng)有以下兩三點(diǎn)：第一，SF6供氣管路可以將SF6進(jìn)行輸入，同時(shí)還可以對(duì)其流量進(jìn)行把控與測(cè)驗(yàn);第二，PLC把控裝置與載流氣體供氣管路、SF6供氣管路進(jìn)行有效連接，依據(jù)載流氣體供氣管路指出的載流氣體流量，SF6供氣管對(duì)SF6流量的調(diào)節(jié)進(jìn)行把控，確保載流氣體與SF6的混合氣體中SF6百分比最小值為0.1%，最大值為0.3%。

3.2 鎂合金熔煉用保護(hù)氣體的工藝制備方案驗(yàn)證

設(shè)備安裝調(diào)節(jié)測(cè)試后，鑄造車間做好驗(yàn)證設(shè)備符合鎂合金熔煉要求的具體方案。依據(jù)設(shè)計(jì)需求使用PLC把控系統(tǒng)設(shè)置完整的保護(hù)氣體濃度在操作界面上，所提供的保護(hù)氣體當(dāng)中SF6濃度出現(xiàn)變化，使鎂合金鑄造熔爐內(nèi)產(chǎn)生相應(yīng)的燃燒變化。

實(shí)驗(yàn)設(shè)定在700℃條件下進(jìn)行，當(dāng)載流氣體流量是20.01L/min，SF6相對(duì)濃度比是0.15，載流氣體的真實(shí)流量達(dá)到19.16L/min，SF6真實(shí)流量是25.01mL/min，各時(shí)間段保護(hù)結(jié)果如圖2所示，爐內(nèi)鎂合金熔體表面出現(xiàn)大面積燃燒，對(duì)保護(hù)結(jié)果產(chǎn)生不良影響。

4.結(jié)論

綜上所述，本文通過對(duì)鎂合金制備的主要化學(xué)反應(yīng)展開深入研究，然后詳細(xì)分析鎂合金熔煉保護(hù)方法，最后闡述云貴高原環(huán)境下鎂合金熔煉用保護(hù)氣體的工藝制備方案，旨在為高原環(huán)境下鎂合金熔煉用保護(hù)氣體工作得到有效保證。

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