专利名称：一种高纯度镁的精炼方法
技术领域：
本发明涉及一种高纯度镁的精炼方法，属有色金属熔炼及浇铸成型的技术领域。
背景技术：
在有色金属中，镁是轻金属之一，比重轻、密度低、比强度和比刚度高，导热导电性好，具有良好的阻尼减震和电磁屏蔽性能，易于压铸成型、切削性能优良，易于回收再利用，与其他元素匹配可制成镁基合金，在航空航天、交通、电子器件、仪器仪表、通讯器材中得到广泛应用。
镁在地壳中是分布较广的元素之一，镁的存储量是较为丰富的，占
地壳重量的2. 1%，在硅热法炼镁过程中，先将镁矿石一白云石破碎，再将破碎后的白云石煅烧，制成镁煅白，再将镁煅白还原得到粗镁，粗镁经过精炼，制成纯镁，镁以纯镁形式在工业上得到应用，纯镁中含有微量杂质，例如铁、硅、镍、铜、铝、氯、锰、钛等杂质对镁的力学性能有不良影响，氧化镁超过0. 1%时会降低力学性能，镍含量超过0.01%或钾含量超过0. 03%也会使镁的抗拉强度降低，故粗镁精炼是一个十分重要的熔炼环节。
镁由于易氧化、易挥发、精炼、浇铸工艺复杂，使高纯度镁精炼成了一大难题，目前高纯度镁精炼还存在很多技术上的不足。
发明内容
发明目的
本发明的目的就是针对背景技术的不足，采用新的精炼方法，在全封闭状态，在氩气保护下进行高纯度镁精炼，并进行浇铸成锭，以大幅度提高镁的纯度和性能。
技术方案
本发明使用的化学物质材料为粗镁、精炼剂、氮化硼、丙酮、去离子水、氧化锆、氩气、凡士林、环氧树脂、浸渍液，其用量如下以克、毫升、厘米3为计量单位
粗镁Mg2000g±5g
精炼剂300g±2g
氮化硼BN500g±10g
丙酮CH3COCH32000ml± 100ml
去离子水H2020000ml±100ml
凡士林-lOOOml士lOml
氧化锆滤网800 X 200 X 2mm
环氧树脂1000ml±10ml
浸渍液2000ml±50ml
氩气s Ar200000cm3± 100cm3
粗镁精炼方法如下
(1)精选化学物质原料粗镁固态固体99. 48Q/0
精炼剂固态固体99. 8%
氮化硼固态固体98. 0%
丙酮液态液体99. 0%
去离子水液态液体99. 0%
凡士林液态液体96. 0%
氧化锆滤网500目
环氧树脂液态液体99. 0%浸渍液液态液体 99.0% 氩气气态气体 99.9%
(2) 原料预加工、切割粗镁 将粗镁切割成条形块状，块状尺寸为80X20X10mm;
(3) 清洁真空熔炼炉
① 打开真空熔炼炉炉盖，用吸尘器抽吸炉内灰尘及有害物质，时间 10miru
② 用去离子水刷洗炉体、炉腔、炉盖，然后晾干，使其洁净；
③ 用丙酮刷洗、擦洗炉口、炉壁、炉盖内壁，然后晾干，使熔炼炉 内腔处于洁净状态；
(4) 清洁熔炼坩埚
① 用金属铲、金属刷清理熔炼坩埚内外壁疤痕、杂质；
② 用吸尘器抽吸坩埚内外壁灰尘；
③ 用去离子水清洗坩埚内壁，使其洁净，然后晾干；
(5) 处理浇铸模具，置放氧化锆滤网
① 清洁浇铸模具
对浇铸使用的不锈钢模具型腔，用金属刷、金属铲剔除残留物及有 害物质；
② 用去离子水刷洗模具型腔及外部，使之洁净，然后晾干；
③ 配制、涂覆脱模剂
配制脱模剂氮化硼200g+去离子水500ml，成液态； 涂覆脱模剂在模具型腔内，用喷涂机均匀喷涂脱模剂，脱模剂厚 度为O. lmm，晾干备用；
④ 将氧化锆滤网巻成漏斗形，置于模具浇铸口；
(6) 预热浇铸模具 将开合式浇铸模具装配后整体置于干燥箱中进行预热，预热温度180
°C ± 5 。C ，预热时间30mi n ± 2mi n;
(7) 置放纯镁原料将条形状纯镁块2000g竖直置于熔炼坩埚中； 将精炼剂60g置于条形镁块缝隙中；
(8) 置放浇铸模具 将预热并涂覆了脱模剂氮化硼的浇铸模具置于熔炼坩埚的右侧部下
方，利于坩埚倾斜浇铸的位置；
(9) 置放接通上下氩气管
① 接通炉体上部的氩气输气管；
② 接通坩埚底部的氩气底吹管；
(10) 熔炼炉抽真空
① 将熔炼炉口、炉盖内口均匀涂抹凡士林，然后盖住，使其密封；
② 开启真空泵，抽出炉内空气，时间60min士2min，使炉内真空度《 10—2Pa。
(11) 向炉内输入保护气体——氩气 开启炉体上部的氩气输气管，输入速度100cm7min，使炉腔内处于
氩气气氛中；
氩气输入后，炉腔内氩气气压持续保持在100Pa;
(12) 开启熔炼炉外部的水循环冷凝装置，进行炉体冷却；
(13) 纯镁精炼
① 开启熔炼炉坩埚加热器，使熔炼坩埚内温度由2(TC开始升温，升 温速度10°C/min，升温至720°C±5°C，升温时间70min士2min，热电偶 测量显示炉内温度；
② 开启熔炼炉出气口；观察窗观察熔炼、浇铸情况； (D粗镁全部熔化后，从熔炼炉上部的加料口加入精炼剂30g;
④ 粗镁、精炼剂熔化后开启坩埚底部的氩气底吹管，吹入氩气，吹 入速度100cmVmin，使坩埚内镁熔体成搅拌状态，持续吹氩时间10min 士lmin，使精炼剂与镁中杂质充分接触；
⑤ 关闭氩气底吹管，停止搅拌，使坩埚内的镁熔体恒温静置10min ±lmin;
10⑥ 调整坩埚加热器功率，使之降温，降至68(TC土5t:，然后开始浇
铸；
⑦ 在熔炼炉腔内，在氩气气氛下，将盛有镁熔体的坩埚对准右下侧 部的浇铸模具，将镁熔体浇入不锈钢模具的氧化锆滤网及内腔，通过观 察窗观察浇铸情况，浇满后停止；
⑧ 关闭坩埚加热器，在氩气气氛中，浇铸后的模具随炉冷却至200 。C士5。C;
(14) 出炉
关闭真空泵、氩气输气管、打开熔炼炉盖，取出烧铸模具；
(15) 冷却
将装有铸锭的浇铸模具在自然环境中冷却至20°。±3°。；
(16) 开模、脱模、取锭 打开开合式不锈钢模具，铸锭脱模，取出铸锭；
(17) 在氩气保护下清理、精整、切割成锭 将镁铸锭置于氩气箱内，并输入氩气，输入速度100cm7min; 在氩气箱内，用细砂纸打磨铸锭，使表面光整；
在氩气箱内，用机械切割镁锭，圆柱形镁锭尺寸为O100X200mm; 在氩气箱内，用鹿皮抛光镁锭表面，使表面粗糙度为RaO. 32-0. 64um;
(18) 用电解阳极氧化法，用环氧树脂浸渍保护镁锭
① 在电解阳极氧化槽内加入浸渍液2000ml，接通阳极、阴极，电流 密度1.8-2. 5A/m2,电压《85V，温度20。C，时间10min;
② 电解阳极氧化处理后，取出镁锭，然后用环氧树脂浸渍，然后晾干；
(19) 检测、分析、表征、对比
对精炼后的镁锭检测其成分、色泽、纯度、杂质含量、金相组织、 化学物理性能；
用光谱仪进行化学成分分析 用金相显微镜进行金相组织分析 镁纯度为99.99%
ii(20)储存包装
将制备的高纯度镁锭用软质材料包装，置于洁净环境，要防水、防 潮、防氧化、防酸碱盐侵蚀，储存温度2(TC士3'C，相对温度《10%。
所述的高纯度镁的精炼、浇铸是在真空熔炼炉中进行的，在熔炼炉l 的下部为炉座2、上部为炉盖ll;熔炼炉1内为炉腔3，炉腔3内中部为 熔炼坩埚14、右下部为浇铸模具16;在熔炼炉1的左部设有抽真空口 12、 除尘口 6、底吹口 26、右上部设有水循环冷却口 13;在炉盖11上设有氩 气口7、加料器8、热电偶9、观察窗IO、出气口 18，加料器8、热电偶 9伸入熔炼坩埚14内；熔炼坩埚14周边为电阻加热器15、下部设有吹 氩口19、内部为镁液5;浇铸模具16上部为浇铸口 17、内部为镁锭4; 炉腔3内为氩气25;熔炼炉1左部设有氩气瓶24，氩气瓶24上部通过 氩气阀23、氩气管22联接氩气口7，氩气瓶24通过氩气阀21、底吹管 20联接底吹口 26及熔炼坩埚底部的吹氩口 19;抽真空口 12通过管路联 接真空泵；水循环冷凝口 13通过管路联接水循环冷凝装置。
所述的高纯度镁的精炼，精炼温度为720°C±5°C，浇铸温度为680 °C±5°C，熔炼炉内氩气气压持续保持在100Pa，在氩气气氛中、在氩气 底吹搅拌下、在水循环冷却下完成高纯度镁的熔炼、浇铸。
所述的精炼剂由氯化镁MgCl2、氯化钾KC1、氯化钠NaCl、氯化钙 CaCl2、氯化钡BaCl2、 二氟化钙CaF2组成。
所述的高纯度镁的电解阳极氧化、浸渍环氧树脂，是将高纯度镁锭 浸渍在电解槽内，浸渍液由氢氧化钾KOH、氢氧化铝A1 (HO) 3、氟化 钾KF、磷酸H3P04按比例组成，然后用环氧树脂浸渍密封。
有益效果本发明与背景技术相比具有明显的先进性，它是针对镁的特性，比 重轻、易氧化、易挥发、熔炼、浇铸工艺复杂的实际情况，在氩气气氛 中，在氩气底吹搅拌下，在水循环冷却状态下，在真空熔炼炉中完成纯 镁的熔化、精炼、浇铸成锭，然后在氩气保护下进行切制、并进行电解 阳极氧化处理，浸渍环氧树脂密封，以大幅度提高镁的纯度，使纯镁的 微观金相组织更加均匀，晶粒更加细化，致密性更好，镁的纯度可达
99.99%，镁的力学性能更加稳定，使制备高纯度镁成为可能，此精炼方 法填补了同类技术的科研空白，是十分理想的高纯度镁的精炼方法。
图1为高纯度镁精炼及浇铸状态图
图2为熔炼温度、浇涛温度与时间坐标关系图
图3为浇铸模具及滤网结构图
图4为高纯度镁锭与粗镁锭横切面金相组织比较图
图5为高纯度镁与粗镁化学成分比较图
图中所示，附图标记清单如下
1、熔炼炉，2、炉座，3、炉腔，4、镁锭，5、镁液，6、除尘口， 7、 氩气口， 8、加料器，9、热电偶，10、观察窗，11、炉盖，12、水循环 冷凝管，13、抽真空口， 14、熔炼坩埚，15、电阻加热器，16、浇铸模 具，17、浇铸口， 18、出气口， 19、吹氩口， 20、底吹管，21、吹氩阀， 22、氩气管，23、氩气阀，24、氩气瓶，25、氩气，26、底吹口， 27、 浇铸模具，28、浇铸口， 29、滤网，30、模具型腔，31、开合架，32、 开合架，33、镁液。
具体实施例方式
以下结合附图对本发明做进一步说明
图1所示，为真空熔炼炉熔炼及浇铸状态图，熔炼炉为圆形筒状， 炉体与炉盖之间要严格用丙酮擦洗，用凡士林密封，炉腔内严格洁净，先在抽尘口进行抽尘，然后用去离子水进行清洗晾干。
水循环冷凝口与水循环冷凝装置联通，以保证在升温、熔炼、浇铸 时炉腔内温度恒定，保证安全。
抽真空口与抽真空的旋片泵、罗茨泵、护散泵、气动阀、过滤器联 接，以保证熔炼炉腔内的真空度、氩气气压恒定。
出气口要畅通，是炉内废气的出口，也是精炼过程中的腔内压力调 节平衡口 。
加料器是添加原料和精炼剂的入口，热电偶是测量坩埚内温度的， 要随时查看，以保持坩埚内温度恒定。
观察窗是观察炉腔内熔炼、浇铸状态的，以使操作准确。
氩气口联接氩气瓶，以保证炉腔内氩气充足；吹氩口通过底吹管联 接吹氩阀、氩气瓶，以保证吹氩量充足，使坩埚内的镁液处于搅动状态， 使杂质与精炼剂充分接触，防止沉淀。
浇铸镁液时，坩埚要倾斜90。，对准浇铸模具上的浇铸口及氧化锆 滤网，缓慢浇铸、过滤、浇满为止。
电解阳极氧化、是在高纯度镁锭外部用浸渍液电解浸渍，然后用环 氧树脂浸渍密封，以增加镁锭的抗腐蚀和耐磨能力。
图2所示，为精炼、浇铸温度与时间坐标关系图，精炼从2(TC开始 升温，即A点，升温速度10°C/min，当温度升至72(TC时，即B点，在 此温度恒温静置10min，即B-C区段，然后降温至68(TC，即D点，在此 温度进行浇铸，浇铸后冷却至于20(TC，即E点，在此温度开炉取模，然 后在自然空气中冷却至2(TC，即F点。
图3所示，为浇铸模具结构图，模具27内为模具型腔30，两侧为开 合架31、 32，上部为浇铸口28，浇铸口 28内为氧化锆滤网29，模具型 腔30内为镁液33;模具型腔30为圆柱形，山字形模具型腔可同时浇铸 四支镁锭，滤网29用氧化锆或陶瓷材料制作，以^500目为宜，以滤除 镁液内杂质，以保证镁纯度达99. 99%。
图4所示，为高纯度镁锭与粗镁锭横切面金相组织比较图，图中可知:
1高纯度镁晶粒细化、密度均匀，无杂质显现，粗镁晶粒粗糙松散。
图5所示，为高纯度镁与粗镁化学成分比较图，图中可知高纯度 镁的杂质含量明显减少，高纯度镁的杂质总和小于0. 01%。
权利要求
1、一种高纯度镁的精炼方法，其特征在于使用的化学物质材料为粗镁、精炼剂、氮化硼、丙酮、去离子水、氧化锆、氩气、凡士林、环氧树脂、浸渍液，其用量如下以克、毫升、厘米3为计量单位粗镁Mg2000g±5g精炼剂300g±2g氮化硼BN 500g±10g丙酮CH3COCH3 2000ml±100ml去离子水H2O 20000ml±100ml凡士林1000ml±10ml氧化锆滤网800×200×2mm环氧树脂 1000ml±10ml浸渍液2000ml±50ml氩气Ar200000cm3±100cm3粗镁精炼方法如下(1)精选化学物质原料粗镁固态固体 99.48％精炼剂固态固体99.8％氮化硼固态固体98.0％丙酮液态液体 99.0％去离子水液态液体 99.0％凡士林液态液体96.0％氧化锆滤网500目环氧树脂液态液体 99.0％浸渍液液态液体99.0％氩气气态气体 99.9％(2)原料预加工、切割粗镁将粗镁切割成条形块状，块状尺寸为80×20×10mm；(3)清洁真空熔炼炉①打开真空熔炼炉炉盖，用吸尘器抽吸炉内灰尘及有害物质，时间10min；②用去离子水刷洗炉体、炉腔、炉盖，然后晾干，使其洁净；③用丙酮刷洗、擦洗炉口、炉壁、炉盖内壁，然后晾干，使熔炼炉内腔处于洁净状态；(4)清洁熔炼坩埚①用金属铲、金属刷清理熔炼坩埚内外壁疤痕、杂质；②用吸尘器抽吸坩埚内外壁灰尘；③用去离子水清洗坩埚内壁，使其洁净，然后晾干；(5)处理浇铸模具，置放氧化锆滤网①清洁浇铸模具对浇铸使用的不锈钢模具型腔，用金属刷、金属铲剔除残留物及有害物质；②用去离子水刷洗模具型腔及外部，使之洁净，然后晾干；③配制、涂覆脱模剂配制脱模剂氮化硼200g+去离子水500ml，成液态；涂覆脱模剂在模具型腔内，用喷涂机均匀喷涂脱模剂，脱模剂厚度为0.1mm，晾干备用；④将氧化锆滤网卷成漏斗形，置于模具浇铸口；(6)预热浇铸模具将开合式浇铸模具装配后整体置于干燥箱中进行预热，预热温度180℃±5℃，预热时间30min±2min；(7)置放纯镁原料将条形状纯镁块2000g竖直置于熔炼坩埚中；将精炼剂60g置于条形镁块缝隙中；(8)置放浇铸模具将预热并涂覆了脱模剂氮化硼的浇铸模具置于熔炼坩埚的右侧部下方，利于坩埚倾斜浇铸的位置；(9)置放接通上下氩气管①接通炉体上部的氩气输气管；②接通坩埚底部的氩气底吹管；(10)熔炼炉抽真空①将熔炼炉口、炉盖内口均匀涂抹凡士林，然后盖住，使其密封；②开启真空泵，抽出炉内空气，时间60min±2min，使炉内真空度≤10-2Pa。(11)向炉内输入保护气体——氩气开启炉体上部的氩气输气管，输入速度100cm3/min，使炉腔内处于氩气气氛中；氩气输入后，炉腔内氩气气压持续保持在100Pa；(12)开启熔炼炉外部的水循环冷凝装置，进行炉体冷却；(13)纯镁精炼①开启熔炼炉坩埚加热器，使熔炼坩埚内温度由20℃开始升温，升温速度10℃/min，升温至720℃±5℃，升温时间70min±2min，热电偶测量显示炉内温度；②开启熔炼炉出气口；观察窗观察熔炼、浇铸情况；③粗镁全部熔化后，从熔炼炉上部的加料口加入精炼剂30g；④粗镁、精炼剂熔化后开启坩埚底部的氩气底吹管，吹入氩气，吹入速度100cm3/min，使坩埚内镁熔体成搅拌状态，持续吹氩时间10min±1min，使精炼剂与镁中杂质充分接触；⑤关闭氩气底吹管，停止搅拌，使坩埚内的镁熔体恒温静置10min±1min；⑥调整坩埚加热器功率，使之降温，降至680℃±5℃，然后开始浇铸；⑦在熔炼炉腔内，在氩气气氛下，将盛有镁熔体的坩埚对准右下侧部的浇铸模具，将镁熔体浇入不锈钢模具的氧化锆滤网及内腔，通过观察窗观察浇铸情况，浇满后停止；⑧关闭坩埚加热器，在氩气气氛中，浇铸后的模具随炉冷却至200℃±5℃；(14)出炉关闭真空泵、氩气输气管、打开熔炼炉盖，取出烧铸模具；(15)冷却将装有铸锭的浇铸模具在自然环境中冷却至20℃±3℃；(16)开模、脱模、取锭打开开合式不锈钢模具，铸锭脱模，取出铸锭；(17)在氩气保护下清理、精整、切割成锭将镁铸锭置于氩气箱内，并输入氩气，输入速度100cm2/min；在氩气箱内，用细砂纸打磨铸锭，使表面光整；在氩气箱内，用机械切割镁锭，圆柱形镁锭尺寸为Φ100×200mm；在氩气箱内，用鹿皮抛光镁锭表面，使表面粗糙度为Ra0.32-0.64um；(18)用电解阳极氧化法，用环氧树脂浸渍保护镁锭①在电解阳极氧化槽内加入浸渍液2000ml，接通阳极、阴极，电流密度1.8-2.5A/m2，电压≤85V，温度20℃，时间10min；②电解阳极氧化处理后，取出镁锭，然后用环氧树脂浸渍，然后晾干；(19)检测、分析、表征、对比对精炼后的镁锭检测其成分、色泽、纯度、杂质含量、金相组织、化学物理性能；用光谱仪进行化学成分分析用金相显微镜进行金相组织分析镁纯度为99.99％(20)储存包装将制备的高纯度镁锭用软质材料包装，置于洁净环境，要防水、防潮、防氧化、防酸碱盐侵蚀，储存温度20℃±3℃，相对温度≤10％。
2、 根据权利要求1所述的一种高纯度镁的精炼方法，其特征在于所述的高纯度镁的精炼、浇铸是在真空熔炼炉中进行的，在熔炼炉(1)的下部为炉座(2)、上部为炉盖(11);熔炼炉(1)内为炉腔(3)，炉腔(3)内中部为熔炼坩埚(14)、右下部为浇铸模具(16);在熔炼炉1的左部设有抽真空口 (12)、除尘口 (6)、底吹口 (26)、右上部设有水循环冷却口 (13);在炉盖(11)上设有氩气口 (7)、加料器(8)、热电偶(9)、观察窗(10)、出气口 (18)，加料器(8)、热电偶(9)伸入熔炼坩埚(14)内；熔炼坩埚(14)周边为电阻加热器(15)、下部设有吹氩口 (19)、内部为镁液(5);浇铸模具(16)上部为浇铸口 (17)、内部为镁锭(4);炉腔(3)内为氩气(25);熔炼炉(1)左部设有氩气瓶(24)，氩气瓶(24)上部通过氩气阀(23)、氩气管(22)联接氩气口(7)，氩气瓶(24)通过氩气阀(21)、底吹管(20)联接底吹口 (26)及熔炼坩埚底部的吹氩口 (19);抽真空口 (12)通过管路联接真空泵；水循环冷凝口 (13)通过管路联接水循环冷凝装置。
3、 根据权利要求1所述的一种高纯度镁的精炼方法，其特征在于所述的高纯度镁的精炼，精炼温度为72(TC士5"C，浇铸温度为68(TC士5°C，熔炼炉内氩气气压持续保持在100Pa，在氩气气氛中、在氩气底吹搅拌下、在水循环冷却下完成高纯度镁的熔炼、浇铸。
4、 根据权利要求1所述的一种高纯度镁的精炼方法，其特征在于所述的精炼剂由氯化镁MgCl2、氯化钾KC1、氯化钠NaCl、氯化钙CaCl2、氯化钡BaCl2、 二氟化钙CaF2组成。
5、 根据权利要求1所述的一种高纯度镁的精炼方法，其特征在于所述的高纯度镁的电解阳极氧化、浸渍环氧树脂，是将高纯度镁锭浸渍在电解槽内，浸渍液由氢氧化钾KOH、氢氧化铝Al (HO) 3、氟化钾KF、磷酸H3P04按比例组成，然后用环氧树脂浸渍密封。
全文摘要
本发明涉及一种高纯度镁的精炼方法，它是针对纯镁易氧化、易挥发的特性，以粗镁为原料，使用精炼剂，在真空熔炼炉里进行精炼，在氩气气压为100Pa的气氛中，在氩气底吹搅拌下，在水循环冷却下，完成纯镁的精炼、浇铸，经在氩气保护下切制，经电解阳极氧化、环氧树脂浸渍密封，制成高纯度镁锭，镁的纯度可达99.99％，使制备精炼高纯度镁成为可能，精炼温度为720℃，浇铸温度为680℃，此方法填补了精炼高纯度镁的科研空白，是十分理想的精炼制备高纯度镁的方法。
文档编号B05D7/24GK101560610SQ20091007444
公开日2009年10月21日 申请日期2009年5月21日 优先权日2009年5月21日
发明者余春燕, 卫英慧, 琮 李, 李明照, 樊建峰, 王跃琪, 范晋平, 许并社 申请人:太原理工大学