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镁合金熔炼保护-SF6气体保护熔炼(二)
发布日期:2017-10-11  来源:互联网  浏览次数:218
核心提示:1.SF6气体保护原理SF6是一种无色、无嗅、无毒、化学惰性很强的气体,分子量146.1,比空气重4倍。从分子结构看,一个硫原子被六个

1.SF6气体保护原理

SF6是一种无色、无嗅、无毒、化学惰性很强的气体,分子量146.1,比空气重4倍。从分子结构看,一个硫原子被六个氟原子包围,具有化学惰性结构,在常温下极稳定。SF6气体是目前镁工业中最广泛使用的保护气体。1934年, Reimers在其专利中将SF6气体列为26种可以阻止镁燃烧的气体之一,但是一直没有引起足够的重视。1952年,DOW化学公司尝试将SF6气体应用于镁压铸过程中的保护,由于浓度控制不当,导致了SF6气体对铁基设备的严重腐蚀,因此这一尝试被放弃。1969年,美国密西根大学的Hanawalt博士深人研究了 SF6气体保护所使用的最佳浓度,以及使用中所存在的一些其他问题。接着在 1972-1974年couling等人对无熔剂保护进行了重点研究,提供了一些有用的参数,如当合金液表面搅拌或无搅拌时,保护纯镁及镁合金需要的SF6最少用量 ,见表2.4和表2.5。

与熔剂熔炼及采用 Ar、 C02等气体保护熔炼相比 ,SF6气体保护熔炼具有如下特点 : 1、SF6是一种无毒、 无味的气体 , 对人体不会直接造成危害 ;2、SF6 气体用量较少 , 通常SF6与空气、 C02、 Ar 或S02等气体混合使用 , 在SF6十空气或SF6 +空气+ C02混合气体中 , 只要加0 人少量的SF6就能起到保护作用 ,因此成本低 ; OSF6不会对镁液产生污染。 用SF6保护熔炼可以大大减少由于熔剂熔炼而带来的夹渣缺陷 ,有效降低镁合金铸件的腐忡速率 , 提高耐蚀性能。 因此 ,SF6气体保护熔炼已经成为国外镁合金熔炼中广泛采用的生产技术。

通常将 SFO 气体加高压后变成液态 ,储存于专用的高压钢瓶中备用。 在进行镁熔炼保护时 , 通过将少量SF6气体和C02气体及干燥空气充分混合以后覆盖在镁熔体表面进行保护。SF6对镁合金液的保护主要是通过形成保护膜来实现的。其反应式为  

2Mg + 02=2MgO                                         (2.17)

2Mg+ 02 + SF6=2MgF2 (s) + S02F2            (2.18)

2MgO+ SF6 2MgF2 (s)十S02F2                     (2.19)

通过对表面膜分析,大多数物质为MgO(s) 也有少量的MgF2。MgF2是最稳定的一种化合物。通过XPS谱仪分析,表面膜化学组成与保护气体中SF6量无关,也就是说,熔炼过程中只要维持少量的SF6,镁合金表面即能形成稳定的氧化薄膜。根据反应式(2.17)、(2.19),氧化膜的形成过程可以描述为:首先在镁液表面,Mg与0反应生成MgO,进一步Mg与SF6反应生成 MgF2之后MgF2与MgO结合形成薄膜。这一层薄膜是有金属色泽的、致密的、连续的,以此来阻止镁合金液的进一步氧化而获得了保护能力。但它只能维持几分钟,故混合气体要不间断地供应。

SF6保护效果和气体消耗量受各种因素的影响。表2.6所示为熔体的保护效果与气体组分、 镁合金液有无搅拌及有无残留熔剂的关系。 随着熔体处理温度升高 , SF6的消耗量增大。空气中水分含量会强烈影响SF6的使用效果 , 一般要求使用水分小于0.1%的干空气。 此外,合金液表面搅拌及残留熔剂也会影响SF6使用效果。

资料表明:0.01%的SF6能在镁合金表面形成有效保护膜,而实际使用的SF6气体都是超量的。在保证保护效果的前提下,减少SF6气体用量是必要的。研究表明:当SF6超过一定门槛值时,会加速钢制坩埚的腐蚀,加速坩埚腐蚀的SF6门槛值如表2.7所示。门槛值与氧化温度有关,温度越低,门槛值越低。

在镁合金的熔炼温度下,SF6会发生缓慢分解或与其他元素反应,形成 S02、HF、SF4等有毒气体。据报道在815 ℃时还会产生1 ‰的剧毒的S2F1O,但S2F1O在300-350℃会分解为SF6和SF4。所幸的是熔化镁合金的温度不会超过 800℃,足以保护镁合金的SF6浓度仅在0.4%以下,保护时混合气体的流量又极小,所产生的有毒气体可忽略不计或不存在。在实际生产应用中没有任何危险,可以认为是一种无毒、无腐蚀的保护方法。

2.混气装置

混气装置的原理如图2.1所示,该装置适用于较大的镁合金压铸车间。压缩空气经球阀1、滤油减压器2、储气罐3、精滤器4、聚油过滤器5后,进人冷冻式干燥器6干燥后再经过吸附式油蒸气过滤器7、球阀1、减压阀8,以0.35MPa的压力进人混合控制箱。 C02 、 SF6高压气瓶中的气体分别经过减压阀10、12, 同样以0.35MPa的压力进人混合控制箱。 之后,压缩空气、 C02 、 SF6再经各自的减压阀16、 19、 20 , 以0.07 MPa左右的压力分别进人带有节流器的流量计15、21、22, 流出后汇成一股, 成为混合气体进人坩埚的密封罩内保护镁合金熔液。 减压阀13是减压阀16、 19、 20的先导控制阀。调节减压阀13的压力就可以使减压阀16、 19、 20的出口压力 ,即压缩空气、C02、SF6 的压力同时增加或减少 ,从而使各自的流量亦同时增加或减少,其目的是维持三种气体原来设定的比例近似不变。 为此要求减压阀16、 19、 20的出口压力为同一数值并与控制压力相等。 两个压力继电器18用于压缩空气和SF6的失压报警, 当压缩空气或SF6压力低于0.2MP时,压力继电器动作,发出声光报警信号。由图2.1可知,用空气压力来控制三种气体的压力与流量 ,必须保证正常的空气压力。

3.混合气体的浓度与流量

为了得到 SF6。混合气体保护镁合金熔液的满意效果,关键是SF6的浓度与混合气体的流量。 SF6的浓度过高或混合气体流量过大不仅造成浪费, 而且有严重副作用。 在用SF6混合气体保护镁合金熔液时 , 空气是一种必不可少的组元。空气中有氧存在才使SF6这一抗氧化剂起作用。 如果剔除空气,只用SF6一种气体则不能保护镁合金熔液。 因为MgO膜中只要混人少量的MgF2后就能成为有效的保护膜,所以SF6这一组元是极微量的,浓度仅在0.1%、0.4%之间。当浓度小于0.05%或大于0.7%时氧化会加重。C02的浓度并不严格,不大于 50%即可,见表2.6。合金液温度高一些,C02的浓度也要高一些。

混合气体的消耗量取决于熔液的表面积、熔液温度、罩壳密封有效性、密封罩容积的大小、加料和舀料的频率以及熔液的搅动程度。根据实践,可以如下估算流量:每分钟流量是密封容积的5%。在使用时按实际工况再作调整。如按估算的流量通人密封罩后,熔液表面出现火苗,说明流量不够,这时应试着缓慢地加大流量,直到火苗熄灭;若按估算的流量通人密封罩后未见火苗,则试着缓慢地减少流量,当微微出现火苗时再适当地增加一点流量,直到火苗熄灭为止。

举例说明如下:有一容量为300 kg的熔化保温坩埚,密封容积为145L,如表2.6中的第三种工况,要用75%空气、25%C02、0.2%SF6混合气体进行保护。如前述,混合气体总的流量是5 %× 145=7.25L/min,其中空气流量为 75%× 7.25=5.44 L/min, C02流量为25 %× 7.25=1.81 L/ min,sF6流量为0.2% × 7.25=0.0415L/min。

由于普通流量计是以标准状态的空气容积流量来分度的,所以流量计上的读数并不是SF6或C02的真实流量 ,必须对示值进行修正。修正时可以不考虑压力和温度的影响,只考虑密度对流量的影响。

SF6气体的读数流量 Q 1与实际流量Q 2之间的关系是Q=2.260。 修正后的读数流量为0.033 L/min。

C02气体的读数流量 Q 与实际流量0之间的关系是Q=1.24Q。 修正后的读数流量为2.25L/min。

根据计算结果, 可以先调整混合装置的先导减压阀13,见图2.1。 使三种气体的输出压力在0.07 MPa左右,然后调整它们各自的流量计,使空气流量计的读数为5.44 L/ min; SF6的流量计读数为0.033L/min; C02的流量计读数为2.25L/min。这时的混合比为75%空气、25%CO2、0.2%SF6。以后若要改变流量,则只要调整先导减压阀13,即可改变压力使流量改变而混合比不变。

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