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镁应用

技术分享|海德路关于压铸镁合金的熔化与处理

发布时间：2023-12-18 作者：综合管理部 浏览量：

海德路镁业是海德路铝业的一部分，海德路铝业是全球三大轻金属公司之一。海德路铝业隶属于挪威海德路公司，该公司是石油和能源、轻金属和农业领域的领先供应商。经过50多年的经营，海德路镁公司被公认为世界领先的纯镁和合金镁生产商，拥有四个工厂的总铸造能力超过100万吨：加拿大、Bottrop(德国)、Porsgrunn (挪威)和西安(中国陕西)。

本文重点介绍了镁合金的熔化和熔融金属在成为铸件的过程中的安全处理。重点是提供设备和操作的实用描述，以及它们对金属质量的影响。

熔炼和处理压铸用镁

铸造过程

镁合金可以通过多种方法铸造成产品，包括高压压铸、低压永久模铸造、砂型铸造、石膏、熔模铸造，以及由触熔和挤压铸造。不同的合金可用于不同的工艺。在将同一种合金用于不同铸造工艺的情况下，重要的是要注意成品铸件的性能将取决于制造方法。

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图1：镁压铸合金的熔化范围和典型铸造温度

到目前为止，最流行的铸造方法是高压压铸，通常称为“压铸”。在压铸过程中，通过液压力夹紧在一起的模具，通过迫使熔融金属通过一个狭窄的浇口，迅速填充(5-100毫秒)。金属以高冷却速率(100-1000°C/秒)凝固，从而产生细粒度的材料。薄壁、净形、高铸造率和增加模具寿命是使用镁合金进行压铸的典型优点。

在多年来开发的各种压铸机中，目前占主导地位的有两种:水平冷室压铸机和热室压铸机(图2)。两者的主要区别在于熔融金属注入机器的方式。热室机器是通过浸在铸造罐中的活塞泵提供的，而冷室机器则依赖于液态金属的计量。因此，热室压铸机通常在比冷室压铸机更低的铸造温度下工作。

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图2：冷室压铸机和热室压铸机

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高纯度合金的熔炼方法

合金化学

“高纯度”一词是在20世纪80年代初引入的，用来描述铁、镍和铜等杂质含量低的合金。由于它们的高耐蚀性，这些合金已经变得非常受欢迎，今天有高纯度版本的所有常用的镁压铸合金。为了保持合金中镍和铜的含量较低，必须仔细选择原材料。此外，熔化镁合金的材料必须不含镍或铜。由于镁熔体通常是在由铁或钢制成的设备中加工的，因此必须采取特别的预防措施，以避免熔化镁合金中含大量的铁。在熔体合金化的同时加入锰，使铸锭中的铁含量保持在0.004%的最大限度以下。这种添加剂与其他合金元素结合作用，降低铁的液态溶解度。多余的铁可以通过与其他合金元素结合的含有铁和锰的金属间颗粒的沉淀和沉降来去除。经过这种处理，在选定的铸造温度下生产饱和铁的铸锭。因此，只要避免过度的温度波动并保持最低的锰含量，在压铸车间熔化铸锭就不会导致铁被吸收。

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图3：热处理对合金化学的影响

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金属清洁

商用镁合金可能含有不同的金属间和非金属夹杂物。为了量化合金的清洁度，海德鲁镁开发了一种金属质量评估技术，该技术基于过滤一定量的金属并测量在过滤器上收集的夹杂物含量(图4)。根拒使用该设备的测量，海德鲁镁从挪威Porsgrunn和加拿大海德鲁镁的工厂供应的铸锭中发现的夹杂物类型，压铸件成品的清洁度也会受到压铸车间熔化和处理程序的影响。

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图4：采样装置示意图

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熔炼设备设计

镁合金以铸锭的形式供应给压铸机，通常重量为4至12公斤。在压铸车间，对铸锭进行预热熔化，然后将熔融的金属转移到铸造机上。在冷室机的情况下，需要一个单独的计量单元来给机器供料。正确、安全的处理程序对于确保以准确的数量和铸造温度提供高质量的烧融合金至关重要。

多年来，镁锭都是手工送入熔炼炉，镁是手工留到铸造机上的。在熔融金属表面涂上保护剂，防山氧化。铸锭通常在炉顶进行预热。对高质量铸件的需求，以及对熔融金属更安全、更少人工处理的需求，导致了高度自动化、集成的熔化装置的安装。商业上可用的熔化装置通常为每台压铸机提供一台压铸机，也就是说，每台机器都需要一个熔化装置。熔剂保护的使用几乎已经完全被使用含有SF6或S02的保护气体混合物所取代

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熔化和保温炉

镁可以在电阻、感应、油或气加热的炉中熔化。燃气炉在美国被普遍使用，因为燃气成本相对较低。然而，由于热点结垢导致坩埚磨损增加，以及由于湿气形成的高湿度等缺点，导致电阻炉的使用越来越多。在欧洲，电阻炉继续占据主导地位。电阻炉操作技术简单，可以非常精确地控制温度热电偶位于熔体内部和加热元件附近，以防止过热。电阻炉由外部钢罩和陶瓷绝缘层组成，其中包含电阻导线的悬浮物。可以使用各种类型的陶瓷材料。

而在选择材料时，导热系数、热容和密度都要考虑进去。需要注意的是，硅含量高的陶瓷可能会与熔融镁发生剧烈反应。高硅陶瓷不宜用于可能直接接触熔融镁的设备中。为避免熔融金属外溢，应在炉内加入钢制的安全容器，以便在坩埚发生故障时接住金属。不同的供应商在炉瞠设计细节上各不相同。采用相对有效的设计，镁合金熔化(包括预热)时的能耗约为1000公斤熔化金属400至500千瓦时，而理论最低能耗为310千瓦时。将铸锭预热至150°C将占总能耗的约15%。

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坩埚

坩埚通常由普通碳或无镍低合金钢制成，可以铸造或轧制。有了电阻熔化，坩埚的外部暴露在热阻元件中，为了防止结垢，可以使用耐热不锈钢包层。这除了可以增加坩埚的使用寿命外，还可以防止炉底积垢，一旦发生金属泄漏，积垢就会很危险。外部包层的一种替代方法是在使用前将坩埚浸在熔融铝中，从而使坩埚镀铝。

坩埚的检查应定期进行，通常是每季度一次。应制定废弃坩埚的标准。通常的做法是，当坩埚壁厚减少到原来厚度的一半以下时，丢弃坩埚。目视检查还应包括寻找坩埚外表面和内表面的裂纹。检查前应清除任何存在的水垢。每个坩埚都应该有一个文件卡，上面有详细的信息，如使用时间、壁厚测量、修理情况等。

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炉盖

炉盖应采用厚度不低于10mm的钢板，以防翘曲。炉盖翘曲可能导致泄漏，扰乱保护气体气氛，从而增加保护气体的消耗。盖子也可以用肋条加固。坩埚和炉盖之间应使用耐火纤维衬垫。

炉盖上必须有用于检查和清洗熔体的舱口，以及用于装锭和插入管、热电偶、计量装置等的开口。建议使用水平滑动的舱口，因为它们在打开时对保护气体的干扰较小。密封舱口是强制性的，以避免空气进入。因此，在关闭舱口之前，应小心地清除任何金属泄漏。

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熔体表面保护

从保护剂(熔融盐混合物)到含SF6或S02的保护气体混合物的无通量熔炼的变化代表了镁压铸的重大进步。无通量熔炼的优点包括减少污泥形成，从而减少金属损失，铸件中没有助熔剂污染，并且改善了铸造车间的气氛。SF6的保护能力是在20世纪70年代初发现的，SF6被认为是一种理想的解决方案，除了成本，当浓度和/或湿度过高时，SF6有一定的攻击坩埚壁的倾向。SF6相对于CO2而言具有非常强的温室效应潜力，这是在20世90年代末被发现的，目前对减少温室气体排放的重视是消除SF6使用的强大动力。许多压铸机已经使用(事实上一直使用)SO2作为SF6的替代品。镁工业赞助的开发项目也在研究其他气体。

我们目前建议在干燥空气中使用含有0.5-0.7%S02体积的稀释气体混合物。重要的是要保持水的含量低于200ppm的体积(露点-40°C)，以避免形成硫酸。所有设备均应采用耐腐蚀材料制成。

SO2是一种有毒气体，工作环境中的SO2含量应持续监测，并安装适当的报警系统。在大多数国家，工作环境中的SO2在8小时内的最大允许浓度为2ppm。我们建议设置远低于此值的内部限值。

坩埚中S02浓度过高可能导致过度腐蚀和结垢，从而与熔融镁发生放热反应。这可能导致飞溅和剧烈的反应。必须仔细监测保护气体的成分。纯SO2不应用于严密的坩埚。

一些压铸机仍在使用SF6。由于环境影响和SF6的高成本，应尽可能减少消耗。通常使用空气中SF6体积占0.2%的气体成分，无论是否添加CO2。然而，(在收紧良好的炉中使用)，SF6的浓度可以降低到0.1%。为避免坩埚的腐蚀和磨损，也为了最大限度地减少气体消耗，应将空气干燥至低于800 ppm H2O(按体积计),露点-16°C。如果使用的SF6浓度高于0.5%，特别是在高温下，也可能发生坩埚磨损。如果SF6的浓度超过百分之几，剧烈的反应(爆炸)可能在坩埚中发生。因此，必须仔细监测保护性气体的成分纯SF6不应与有盖坩埚一起使用。

为了减少气体消耗，进气管应引向一根钢管，置于盖子下方并夹在盖子上，用于分配坩埚内的气体。该管应包含直径1毫米的出口，保持一定间隔。为保证对金属的有效保护，表面水平应保持靠近配线管。对于盖下100 mm的金属水平，应考虑来自5-10 m/s出口的气体速度。表1中给出了确保均匀气体分布的系统的推荐数字。如果多个炉使用来自一个混合站的气体，则每个炉必须使用单独的流量控制装置。

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表1：分布在1平方米熔体表面的0.2% SF6或05% SO2气体混合物

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熔融金属的输送和计量

使用熔融镁的设备可以由选定的钢制成，这一事实简化了它们的设计和构造，并且各种计量系统已经多年发展。这些系统的共同点是泵和加热钢管的组合，用于运输金属。泵可以是气压式、活塞式离心式、电磁式或重力式。这些管子要么通过电阻绕组加热，要么通过管子本身的电阻加热。在提供冷室压铸机的计量系统中，需要高精度和稳定的熔体温度。

海德路镁提供基于电阻绕组加热管概念的金属运输和计量系统。这些管由无镍不钢制成，内管周围缠绕着电阻加热元件。在机组周围缠绕一层不锈钢箔，然后是一层25-30毫米的绝缘层，还有一层不锈钢的外层。在操作过程中，管道始终充满熔融金属，从而防止氧化物的积聚。无阀输送管(由重力作用)和气体置换泵等计量装置都是可用的。

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图5：无阀输送管和气体置换泵

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实际操作

镁合金在无通量熔炼过程中，金属表面会形成一层渣滓。这一层必须定期清除，这取决于原料的质量和预热，熔炉的设计和金属的吞吐量。当熔化高质量的铸锭时，每天清洁一次表面可能就足够了，而对较低等级的材料，如压铸操作中的浇口，将需要更频繁的清洁。定期小心地清除坩埚壁上的任何残留物是很重要的。残留物的过度积聚可能引起剧烈的反应。

炉底污泥的形成是由于表面金属氧化(燃烧)/或由于较大的温度变化而析出金属间颗粒的结果。通过良好的操作过程，污泥的量就会很低。但是，建议在每次清理表面时检查是否有污泥，因为污泥的积聚会导致熔炉熔化能力降低，也可能导致铸造问题。热室机器需要适当设计的工具，以清除鹅颈下面的污泥。

当打开舱口进行表面检查和清洁时，坩埚内的保护气体气氛就会受到干扰。因此，在清洗时可能需要使用额外气体供应。

清除的渣溶和污泥在露天环境中容易着火，应存放在装有少量保护气体的密闭容器中。坩埚内使用的工具在使用后也要放置在密闭的容器中，以防止金属残留物着火。这些工具通常不需要提供保护气体。

用于控制熔体温度的热电偶应定期检查，以免过热。熔体过热可能使合金的化学性质不符合规定，因为可能发生铁富集。将熔体恢复到铸造温度，也可能导致锰沉淀，导致含量低于规定的最低限度。

如果在周末停机等期间降低金属温度，则合金液相温度与其初始熔化温度之间的范围(约为1)。应避免400-600°C。在这个温度范围内，会形成少量高铝含量的熔融金属。这可能会对钢坩埚造成冲击。

在检验之前，坩埚必须清空金属。建议在一个单独的车间进行，两个坩埚可以并排放置。然后，在气体保护下，通过手工梯子或泵送装置将熔融金属从旧的转移到新的、清洗和预热的坩埚中。

当将空坩埚投入使用时，建议在盖上盖子和开始加热之前，将冷坩埚中填充镁锭。当镁锭开始融化时，必须提供保护性气体。当镁锭完全熔化时，可以加入更多的预热镁锭以达到所需的金属水平。

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设备的清洗

所有用于熔化镁合金的坩埚在停止使用后都会含有金属残留物。这也适用于熔化过程中使用的每种工具。这些镁残留物可以用盐酸清洗，用1:10的水稀释。通常清洗管道的方法是将酸溶液抽过管道。在盐酸中清洗会导致氢气的形成，因此必须进行适当的通风。



来源:挪威海德路公司


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