专利名称：镁合金真空密封熔炼炉及防止镁合金氧化燃烧的方法
技术领域：
本发明涉及一种镁合金真空密封熔炼炉及其相应的防止镁合金氧化燃烧的方法，属于金属材料及冶金类技术领域。
背景技术：
镁及镁合金具有比重低、比强度和比刚度高以及原材料价格较低等显著优点，近二十年来镁合金的研究和应用日益受到材料学界和工业界的重视。当前，我国镁工业界在熔炼镁和镁合金时在开放或半开放炉中进行，采用连续不断通入含SF6或类似物等气体做保护气体。这曾经是镁工业界最大的进步，因为它消除了以前使用SO2和熔剂熔炼的大多数问题。但是大量使用，不仅浪费，而且增加对环境、设备和人体的危害。研究探索一种更为清洁、节约、高效、健康、环保的工艺装备，具有现实的实践意义和学术价值。
另一方面，由于镁的化学活性很强，在空气中，液态镁及其合金迅速氧化、燃烧。其生成的氧化膜是疏松的，不能起保护作用，特别是高温情况下，氧化反应放出的热量若不能及时散发，则很容易燃烧。另外镁合金在熔炼温度下，蒸汽压高。因此在熔炼镁合金时防止镁合金蒸发、燃烧、减少熔炼气氛对镁合金的氧化具有重要意义。不仅减少了对镁液的污染，而且增加金属的回收率。
目前的镁合金熔炼坩埚多为低碳钢，在开放或半开放炉中使用气体保护熔炼镁合金，由于空气中氧或通入保护气氛中氧等与高温熔炼炉内壁反应，造成炉壁氧化，不仅降低坩埚的使用寿命，而且容易污染镁液，不利于获得高品质的镁液。当前，为了减少对低碳钢熔炼坩埚的腐蚀，多采用喷涂料的方法，但效果多不理想，而且增加了一个新的污染源。因此，减少对炉壁的氧化，以及产物对镁液的污染是提高熔炼坩埚使用寿命、获得高品质镁合金的重要环节。
发明内容
为了解决当前我国镁工业界使用保护气体量大，浪费并且增加对环境、设备和人体的危害；熔炼坩埚氧化严重，污染镁液、寿命短；以及保护气体与镁液形成氧化膜厚，降低金属回收率、污染镁液等问题，本发明提出了一种镁合金真空密封熔炼炉，包括熔炼坩埚、用于加热熔炼坩埚的加热炉、通过熔炼坩埚上的充气口充入保护气体的保护气体输入装置，以及设置在熔炼坩埚盖上的压力表和超压放气阀，其特征在于所述熔炼坩埚包括位于加热炉炉膛内用来熔炼镁合金的坩埚下部和位于加热炉外用来容纳保护气体的坩埚上部，坩埚上部的圆筒容积与坩埚下部的圆筒截面面积之比大于等于1；所述熔炼炉还包括与坩埚上部连通的用于排出熔炼坩埚内气体的真空系统和设置在坩埚上部的用于检测熔炼坩埚内各种气体浓度的气体浓度分析仪；所述熔炼坩埚与其坩埚盖以及其他所有与熔炼坩埚连接部分真空密封，以达到炉内气密性要求压升率小于等于20000Pa/小时。
为了实现本发明的目的，本发明还提出了一种利用上述镁合金真空密封熔炼炉防止镁合金氧化燃烧的方法，其特征在于，所述防止镁合金氧化燃烧的方法包括如下步骤起始过程将烘干过的炉料加入所述熔炼炉的坩埚下部，然后利用真空系统排除熔炼坩埚内的空气，当坩埚内气体压力小于1Pa时，打开充气口，利用保护气体输入装置通过充气口向熔炼坩埚内充入保护气体，所述保护气体是在熔炼条件下与镁液反应的氧化性气体，或者由作为载气的在熔炼条件下不与镁液反应的气体和与镁液反应的氧化性气体组成的混和气体；当熔炼坩埚内压力为103～105Pa时，关闭充气口，打开加热炉电源，开始熔炼镁合金；熔炼过程利用压力表和气体浓度分析仪实时检测坩埚内的压力和各种气体的浓度，当熔炼坩埚气密性差，即熔炼坩埚压升率为20～20000Pa/小时，坩埚内首次充入保护气体压力控制在7×104～105Pa或1大气压之间，加热升温过程中熔炼坩埚内压力将大于1大气压，那么此后熔炼过程中熔炼坩埚内压力降至等于1大气压，则向熔炼坩埚内再次充入所述的保护气体至熔炼坩埚内压力为1.5大气压，如果熔炼坩埚内所述氧化性气体的浓度低于极限值，则向熔炼坩埚内充入氧化性气体至其浓度到预定的标准浓度，从而防止镁合金蒸发或氧化燃烧，如此操作，循环往复；当熔炼坩埚气密性好，即熔炼坩埚压升率小于20Pa/小时，坩埚内充入保护气体压力控制在103～7×104Pa，加热升温过程中熔炼坩埚内压力始终小于1大气压，那么如果熔炼坩埚内所述氧化性气体的浓度低于极限值，则向熔炼坩埚内充入氧化性气体至其浓度到预定的标准浓度，从而防止镁合金蒸发或氧化燃烧，如此操作，循环往复。
在上述步骤中，所述打开加热电源的步骤在真空系统抽气或保护气体输入装置充气过程中进行。
上述氧化性气体包括N2、CO2、SO2、SF6或含氟气体。上述述载气包括CO2、N2、Ar、He、Ne或Xe。
需要大批量熔炼镁合金时，可以采用双炉或多炉联合方式进行熔炼。
本发明依据不同熔炼要求，通过充气口向炉内充入相应最经济环保的保护气体。整个熔炼过程不需要连续充入保护气体。具有对熔炼坩埚密封要求较低、节约经济环保，镁合金、熔炼炉内壁氧化量小，炉体与外界环境对镁液污染小，可有效防止镁合金氧化燃烧，操作界面友好的特点，单炉或多炉联合可满足各种熔炼镁合金要求。极有推广应用价值。
图1为镁合金真空密封熔炼炉的整体结构示意图。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
图1显示了本发明的一个具体实施例，所述的镁合金真空密封熔炼炉，包括熔炼坩埚1、用于加热熔炼坩埚的加热炉12、通过熔炼坩埚1上的充气口10充入保护气体的保护气体输入装置(图中未显示)，设置在熔炼坩埚盖9上的压力表8和超压放气阀5，与坩埚上部通过排气口11连通的用于排出熔炼坩埚内气体的真空系统(图中未显示)和设置在坩埚上部的用于检测熔炼坩埚内各种气体浓度的气体浓度分析仪6。
熔炼坩埚1分为坩埚下部1b和坩埚上部1a，坩埚下部1b位于加热炉12炉膛内，起熔炼镁合金的作用；坩埚上部1a位于加热炉12外，容纳熔炼过程中形成保护膜所需的保护气体。坩埚上部1a的圆筒容积与坩埚下部1b的圆筒截面面积之比大于等于1，从而保证了镁合金液表面形成保护膜所需反应气体的量，又能满足反应气体仅与镁液反应，不与熔炼坩埚内壁反应的浓度要求。
熔炼坩埚1与其坩埚盖9以及其他所有与熔炼坩埚连接部分真空密封(例如连接部分采用硅橡胶圈真空密封方式)，以达到炉内气密性要求压升率小于等于20000Pa/小时。这使整个熔炼过程在不连续通入保护气体情况下，炉内各气体浓度在安全熔炼的范围内。
加热炉的炉体一般采用圆形结构，碳化硅内衬，外加耐火砖和岩棉保温，熔炼炉通常采用电阻丝在熔炼坩埚外加热。测温热电偶7通过坩埚盖上的小孔插入熔炼坩埚下部1b内的镁液中。
所述真空系统用于排除熔炼坩埚内初始状态空气，由极限真空度低于1Pa的真空泵、隔断真空阀门和真空管路组成；保护气体输入装置包括流量计、压力表、储气钢瓶和气路组成，用于向熔炼坩埚内充入最经济环保的保护气体(如氧化性气体，或氧化性气体与载气的混和气体)，防止镁液熔炼过程中氧化、燃烧。其中，氧化性气体是指N2、CO2、SO2、SF6、其他含氟气体等；载气是指CO2、N2、Ar、He、Ne或Xe等气体。
各气体浓度分析仪6用于在线检测熔炼坩埚内各种气体浓度，为保持炉内各气体浓度在安全熔炼的范围内提供安全指示，其为普通冷态测量炉内气体浓度的气体浓度分析仪。压力表8，监测整个熔炼过程炉内压力变化；超压放气阀5，调节熔炼过程中异常压力变化。
压力表8、超压放气阀5、气体浓度分析仪6装在坩埚盖上，也可以装在熔炼坩埚上部。与熔炼坩埚连接的保护气体充入口10，和排气口11位于熔炼坩埚上部1a，当然也可以根据需要位于坩埚盖9上。
下面详细说明利用本发明所述的熔炼炉熔炼镁合金的操作流程。
熔炼开始前，先将坩埚盖9移开，将烘干过的炉料加入坩埚下部1b，之后盖上隔热屏3和熔炼坩埚盖9。然后打开真空系统，排除熔炼坩埚1内的空气；当坩埚1内压力小于1Pa时，关闭与熔炼坩埚1相连的真空系统隔断阀门。打开充气口，利用保护气体输入装置通过充气口10向熔炼坩埚1内充入能与镁液反应生成保护膜的保护气体，以防止镁液熔炼过程中蒸发、氧化、燃烧，当熔炼坩埚内压力为103～105或1大气压时，关闭充气口，打开加热炉电源，开始熔炼镁合金；打开加热电源也可以在抽气或充气过程中进行。如果充气管路内有空气，应在充入保护气体的同时，继续抽气一段时间(例如大于3分钟)，然后关闭充气阀口；常温下充入保护气体后，熔炼坩埚内压力为103～105或1大气压，其选择依据是熔炼坩埚压升率大小，当熔炼坩埚压升率小于20Pa/小时，坩埚内充入保护气体压力控制在103～7×104Pa；当熔炼坩埚压升率为20～20000Pa/小时，坩埚内充入保护气体压力控制在7×104～105Pa或1大气压之间。
熔炼过程中，利用压力表和气体浓度分析仪实时检测坩埚内的压力和各种气体的浓度，当熔炼坩埚气密性差，即熔炼坩埚压升率为20～20000Pa/小时，坩埚内首次充入保护气体压力高(例如在7×104～105Pa或1大气压之间)，加热升温过程中熔炼坩埚内压力将大于1大气压，那么此后熔炼过程中熔炼坩埚内压力降至等于1大气压，则向熔炼坩埚内再次充入所述的保护气体至熔炼坩埚内压力为1.5大气压，如果熔炼坩埚内所述氧化性气体的浓度低于极限值，则向熔炼坩埚内充入氧化性气体至其浓度到预定的标准浓度，从而防止镁合金蒸发或氧化燃烧，如此操作，循环往复；当熔炼坩埚气密性好，即当熔炼坩埚压升率小于20Pa/小时，坩埚内充入保护气体压力低(例如在103～7×104Pa之间)，加热升温过程中熔炼坩埚内压力始终小于1大气压，那么如果熔炼坩埚内所述氧化性气体的浓度低于极限值，则向熔炼坩埚内充入氧化性气体至其浓度到预定的标准浓度，从而防止镁合金蒸发或氧化燃烧，如此操作，循环往复。
下面以保护气体(载气N2、氧化性气体SF6)为例，说明防止镁合金氧化燃烧的方法，采用的装置为本发明所述的镁合金真空密封熔炼炉。
例1、熔化镁合金AZ91D，熔炼温度720℃，熔炼坩埚压升率20000Pa/小时，首次连接好保护气体输入管路将坩埚盖9移开，将烘干过的镁合金AZ91D加入坩埚下部1b，之后盖上隔热屏3和熔炼坩埚盖9。然后打开真空系统，排除熔炼坩埚1内的空气；当坩埚1内压力小于1Pa时，打开充气口，继续抽气3分钟，同时利用保护气体输入装置通过充气口10向熔炼坩埚1内充入保护气体，99.9％N2+0.1％SF6，以防止镁液熔炼过程中蒸发、氧化、燃烧，当熔炼坩埚内压力为1大气压时，关闭充气口，打开加热炉电源，开始熔炼镁合金。
熔炼过程中，利用压力表和气体浓度分析仪实时检测坩埚内的压力和各种气体的浓度，如果熔炼坩埚内压力小于等于1大气压，向熔炼坩埚内再次充入所述的保护气体99.9％N2+0.1％SF6；如果熔炼坩埚内氧化性气体SF6浓度低于极限值0.01％，向熔炼坩埚内充入氧化性气体，至炉内氧化性气体浓度到预定的标准浓度0.1％。此后，如此操作，循环往复。
例2、熔化镁合金AZ91D，熔炼温度720℃，熔炼坩埚压升率200Pa/小时，保护气体输入管路中无空气将坩埚盖9移开，将烘干过的镁合金AZ91D加入坩埚下部1b，之后盖上隔热屏3和熔炼坩埚盖9。然后打开真空系统，排除熔炼坩埚1内的空气；当坩埚1内压力小于1Pa时，关闭与熔炼坩埚1相连的真空系统隔断阀门。打开充气口，利用保护气体输入装置通过充气口10向熔炼坩埚1内充入保护气体，99.9％N2+0.1％SF6，以防止镁液熔炼过程中蒸发、氧化、燃烧，当熔炼坩埚内压力为80000Pa时，关闭充气口，打开加热炉电源，开始熔炼镁合金。
熔炼过程中，利用压力表和气体浓度分析仪实时检测坩埚内的压力和各种气体的浓度，加热升温保温过程中，熔炼坩埚内压力将达到一个最大值(大于1大气压)，然后逐渐下降。此后如果熔炼坩埚内压力小于等于1大气压，向熔炼坩埚内再次充入所述的保护气体99.9％N2+0.1％SF6；如果熔炼坩埚内氧化性气体SF6浓度低于极限值0.01％，向熔炼坩埚内充入氧化性气体，至炉内氧化性气体浓度到预定的标准浓度0.1％。此后，如此操作，循环往复。
例3、熔化镁合金AZ91D，熔炼温度720℃，熔炼坩埚压升率0.2Pa/小时，保护气体输入管路中无空气将坩埚盖9移开，将烘干过的镁合金AZ91D加入坩埚下部1b，之后盖上隔热屏3和熔炼坩埚盖9。然后打开真空系统，排除熔炼坩埚1内的空气；当坩埚1内压力小于1Pa时，关闭与熔炼坩埚1相连的真空系统隔断阀门。打开充气口，利用保护气体输入装置通过充气口10向熔炼坩埚1内充入保护气体，99.5％N2+0.5％SF6，以防止镁液熔炼过程中蒸发、氧化、燃烧，当熔炼坩埚内压力为20000Pa时，关闭充气口，打开加热炉电源，开始熔炼镁合金。
熔炼过程中，利用压力表和气体浓度分析仪实时检测坩埚内的压力和各种气体的浓度，熔炼坩埚内压力将始终小于1大气压。如果熔炼坩埚内氧化性气体SF6浓度低于极限值0.01％，向熔炼坩埚内充入氧化性气体，至炉内氧化性气体浓度到预定的标准浓度0.1％。此后，如此操作，循环往复。
熔炼过程中保护气体种类的选择。依据熔炼材料和温度要求选择保护气体，通常熔炼材料决定熔炼温度。如果熔炼温度低于600℃，可选择N2、CO2、SO2、SF6、其他含氟气体做氧化性气体；如果熔炼温度较高600～760℃，可选择SO2、SF6、其他含氟气体做氧化性气体；如果熔炼温度高于760℃，可选择SF6或其他含氟气体做氧化性气体。载气不变，包括CO2、N2、Ar、He、Ne或Xe。
氧化性气体的标准浓度和极限浓度的选定。对于确定的氧化性气体，熔炼温度越高，氧化性气体的标准浓度和极限浓度值越高。对于含氟类气体，一般以其中单位分子中F原子数的多少确定其标准浓度和极限浓度值，单位分子中F原子数越多，其标准浓度和极限浓度值越低。
利用本发明提出的防止镁合金氧化燃烧的方法，在整个镁合金的熔炼过程不需要连续充入保护气体，一般只需要一次充入炉内。充入的保护气体与熔炼坩埚内壁反应甚微，与镁合金液形成的保护膜很薄，能实现低氧化、低污染、低危害地熔炼镁合金。
权利要求
1.镁合金真空密封熔炼炉，包括熔炼坩埚、用于加热熔炼坩埚的加热炉、通过熔炼坩埚上的充气口充入保护气体的保护气体输入装置，以及设置在熔炼坩埚盖上的压力表和超压放气阀，其特征在于所述熔炼坩埚包括位于加热炉炉膛内用来熔炼镁合金的坩埚下部和位于加热炉外用来容纳保护气体的坩埚上部，坩埚上部的圆筒容积与坩埚下部的圆筒截面面积之比大于等于1；所述熔炼炉还包括与坩埚上部连通的用于排出熔炼坩埚内气体的真空系统和设置在坩埚上部的用于检测熔炼坩埚内各种气体浓度的气体浓度分析仪；所述熔炼坩埚与其坩埚盖以及其他所有与熔炼坩埚连接部分真空密封，以达到炉内气密性要求压升率小于等于20000Pa/小时。
2.利用权利要求1所述镁合金真空密封熔炼炉防止镁合金氧化燃烧的方法，其特征在于，所述防止镁合金氧化燃烧的方法包括如下步骤起始过程将烘干过的炉料加入所述熔炼炉的坩埚下部，然后利用真空系统排除熔炼坩埚内的空气，当坩埚内气体压力小于1Pa时，打开充气口，利用保护气体输入装置通过充气口向熔炼坩埚内充入保护气体，所述保护气体是在熔炼条件下与镁液反应的氧化性气体，或者由作为载气的在熔炼条件下不与镁液反应的气体和与镁液反应的氧化性气体组成的混和气体；当熔炼坩埚内压力为103～105Pa时，关闭充气口，打开加热炉电源，开始熔炼镁合金；熔炼过程利用压力表和气体浓度分析仪实时检测坩埚内的压力和各种气体的浓度，当熔炼坩埚气密性差，即熔炼坩埚压升率为20～20000Pa/小时，坩埚内首次充入保护气体压力控制在7×104～105Pa或1大气压之间，加热升温过程中熔炼坩埚内压力将大于1大气压，那么此后熔炼过程中熔炼坩埚内压力降至等于1大气压，则向熔炼坩埚内再次充入所述的保护气体至熔炼坩埚内压力为1.5大气压，如果熔炼坩埚内所述氧化性气体的浓度低于极限值，则向熔炼坩埚内充入氧化性气体至其浓度到预定的标准浓度，从而防止镁合金蒸发或氧化燃烧，如此操作，循环往复；当熔炼坩埚气密性好，即熔炼坩埚压升率小于20Pa/小时，坩埚内充入保护气体压力控制在103～7×104Pa，加热升温过程中熔炼坩埚内压力始终小于1大气压，那么如果熔炼坩埚内所述氧化性气体的浓度低于极限值，则向熔炼坩埚内充入氧化性气体至其浓度到预定的标准浓度，从而防止镁合金蒸发或氧化燃烧，如此操作，循环往复。
3.根据权利要求2所述的防止镁合金氧化燃烧的方法，其特征在于所述打开加热电源的步骤在真空系统抽气或保护气体输入装置充气过程中进行。
4.根据权利要求2或3所述的防止镁合金氧化燃烧的方法，其特征在于所述氧化性气体包括N2、CO2、SO2、SF6或含氟气体。
5.根据权利要求2或3所述的防止镁合金氧化燃烧的方法，其特征在于所述载气包括CO2、N2、Ar、He、Ne或Xe。
6.根据权利要求2或3所述的防止镁合金氧化燃烧的方法，其特征在于需要大批量熔炼镁合金时，采用双炉或多炉联合方式进行熔炼。
全文摘要
镁合金真空密封熔炼炉及防止镁合金氧化燃烧的方法，属于金属材料及冶金类技术领域。本发明提出了一种镁合金真空密封熔炼炉，包括熔炼坩埚、加热炉、保护气体输入装置，真空系统和气体浓度分析仪，所述熔炼坩埚包括用来熔炼镁合金的坩埚下部和用来容纳保护气体的坩埚上部，坩埚上部的圆筒容积与坩埚下部的圆筒截面面积之比大于等于1。本发明所述防止镁合金氧化燃烧的方法是利用保护气体输入装置向坩埚内充入保护气体，并实时检测坩埚内的压力和各种气体的浓度，根据需要向坩埚内再次充入保护气体或其中的氧化性气体。本发明具有节约经济环保，镁合金、熔炼炉内壁氧化量小，炉体与外界环境对镁液污染小等特点。
文档编号F27B14/20GK1651840SQ200510059000
公开日2005年8月10日 申请日期2005年3月29日 优先权日2005年3月29日
发明者聂书红, 柳百成, 熊守美 申请人:清华大学