用于镁合金生产过程的环保型混合式保护气体及其应用的制作方法

[0001]
本发明属于镁及镁合金熔体保护技术领域，涉及用于镁合金生产过程的环保型混合式保护气体及其应用。


背景技术：

[0002]
镁是一种高反应性和热力学不稳定元素，熔融镁在周围空气中易于并且能够剧烈地氧化，同时发生火焰温度约为2820℃的燃烧，因此需要进行镁合金熔炼保护。
[0003]
镁合金熔炼保护的实质是减少镁合金熔炼过程中镁的氧化燃烧，其方法大致可分为三种：熔剂保护、气体保护、合金化阻燃。熔剂保护在生产上使用便捷，成本较低，且保护效果比较明显，但同时也存在着很多问题，如熔剂在熔化过程中会释放出c12、hcl等有害气体；且在熔炼过程中会逐渐下沉或混合在镁合金熔体中，从而污染镁熔体；除此之外，还会出现镁合金熔液在熔炼过程中损耗较大等问题。熔体合金化阻燃法，虽然有助于提高镁合金零件的耐蚀性能和耐热性能，但阻燃合金元素的加入不仅显著提高镁合金的生产成本，且目前为止尚未发现在不明显改变镁合金相关性能如铸造性能、机械性能、耐腐蚀性能等条件下能够完全实现镁合金熔体保护的阻燃元素。气体保护法，则是通过用惰性气体如氦气、氮气或氩气覆盖熔融的金属，排除氧气与熔融的金属接触；也可以用保护性的保护气组合物覆盖熔融的金属。保护性的保护气组合物通常包含空气和/或二氧化碳以及少量的抑制剂，抑制剂与熔融的金属反应/相互作用，在熔融的金属表面形成防止其被氧化的膜/层。
[0004]
目前，在镁、镁合金生产和铸造领域，常用的保护气体抑制剂有so2和sf6。so2是一种被证明有效的用作镁保护气组合物中的抑制剂，其载气通常是干燥空气或者氮气。但是由于so2是大气中检测的主要污染物之一，也是会引起危害环境的酸雨气体，而且长期使用对设备存在腐蚀等负面作用。sf6是目前公认的适用于镁及镁合金最有效的保护气体抑制剂，只需要含有0.2～1％体积的sf6，以及如空气、二氧化碳、氩气或氮气的载气就可以起到很好的保护作用。sf6的优点在于它是无色、无味和无毒的气体。但是，sf6由于其吸收长波的能力强，且在大气中保留的时间长，属于高度产生温室效应的气体。根据联合国政府部门气候变化委员会(ipcc)的估算，sf6是一种具有极高gwp全球变暖潜能的气体，六氟化硫所产生的温室效应在地平面上100年内相当于co2的23900倍，其在高温下的硫基分解产物是剧毒的。因此，研发一种低温室效应、低酸雨影响的环保型的保护气体十分必要和意义重大。


技术实现要素：

[0005]
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供用于镁合金生产过程的环保型混合式保护气体及其应用，从而有效地保护。
[0006]
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
[0007]
一方面，本发明提供的用于镁合金生产过程的环保型混合式保护气体，包括抑制剂和载气，所述抑制剂在保护气体中的体积含量为1.0％～5.0％，且所述抑制剂为1，1，1，2-四氟乙烷；所述载气为二氧化碳、氮气、干燥空气中的一种或多种组合物。
[0008]
进一步，所述环保型混合式保护气体中的每种组分均具有不大于1300的全球变暖潜力(参照二氧化碳在100年的时间范围的绝对gwp)，且不属于酸雨气体。
[0009]
进一步，所述保护气体可作用于全开放环境、半开放环境、全封闭环境中的任一种应用环境。
[0010]
进一步，所述全开放环境包括浇铸口形成的应用环境，所述半开放环境包括浇铸带形成的应用环境，所述全封闭环境包括浇铸炉/保温炉/精炼炉形成的应用环境。
[0011]
进一步，所述保护气体由1％体积的1，1，1，2-四氟乙烷及99％体积的二氧化碳组成；
[0012]
当所述保护气体作用于全封闭环境下时，as31/az91/am50系列镁合金对应的保护气体单位表面流量分别不小于11.6l/min
·
m2、11.5l/min
·
m2、12.8l/min
·
m2；
[0013]
当所述保护气体作用于全开放环境下时，as31/az91/am50系列镁合金对应的保护气体单位表面流量分别不小于166.7l/min
·
m2，62.9l/min
·
m2、92.6l/min
·
m2；
[0014]
当所述保护气体作用于半开放环境下时，as31/az91/am50系列镁合金对应的保护气体单位表面流量分别不小于15.3l/min
·
m2、5.8l/min
·
m2、15.3l/min
·
m2。
[0015]
进一步，所述保护气体由1％体积的1，1，1，2-四氟乙烷、99％体积的氮气组成；
[0016]
当所述保护气体作用于全封闭环境下时，az91系列镁合金的保护气体单位表面流量不小于12.8l/min
·
m2；
[0017]
当所述保护气体作用于全开放环境下时，az91系列镁合金的保护气体单位表面流量不小于185.2l/min
·
m2；
[0018]
当所述保护气体作用于半开放环境下时，az91系列镁合金的保护气体单位表面流量不小于13.6l/min
·
m2。
[0019]
进一步，所述保护气体由4.8～5.0％体积的1，1，1，2-四氟乙烷、87.5～88.0％体积的二氧化碳及7.0～7.5％体积的干燥空气组成；
[0020]
当所述保护气体作用于全封闭环境下时，as31和az91系列镁合金的保护气体单位表面流量均不小于3.5l/min
·
m2。
[0021]
另一方面，本发明还提供了上述环保型混合式保护气体在镁合金生产/铸造过程的应用。
[0022]
与现有技术相比，本发明提供的技术方案包括以下有益效果：该环保型混合式保护气体针对不同型号镁合金生产过程，对环保型混合式保护气体的成分及配比进行设置，可应用于镁合金生产线不同的应用环境(全开放环境、半开放环境、全封闭环境)，对熔融或正在固化的镁合金表面进行覆盖和保护，熄灭火焰或防止燃烧。
[0023]
此外，可根据环保型混合式保护气体的作用位置及镁合金型号确定保护气体单位表面流量的具体数值，从而实现良好的保护效果。
附图说明
[0024]
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，与说明书一起用于解释本发明的原理。
[0025]
图1是本发明提供的一种气体混合装置的结构示意图。
[0026]
附图标记说明：1、储气罐；2、缓冲罐；3、保护气体接入点；4、抑制剂管路；5、第一管
路；6、第二管路；7、plc控制箱；110、液气自动转换装置；111、混气装置。
具体实施方式
[0027]
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合实施例对本发明作进一步详细描述。
[0028]
实施例
[0029]
本发明利用一种气体混合装置，实现抑制剂与载气的混合，该装置的具体工作过程如下：
[0030]
在两个储气罐1中储存有液态的保护气体抑制剂，将两个储气罐1通过管路接入液气自动转换装置110中，当一个储气罐1中的保护气体抑制剂用完时，可以通过plc控制箱7切换到另一个储气罐1，继续向抑制剂管路4中通入抑制剂，由于储气罐1中的抑制剂是液态，因此液气自动转换装置110配备有加热设备，用于加快抑制剂从液体到气体的转化。储气罐1的出气端所连接的管道上通过外接管路通入氮气，可以将管道内液态的抑制剂排出管路，防止在阀门刚打开时由于压力过大使得抑制剂在液态时冲入抑制剂管路4中造成安全隐患。在液气自动转换装置110中安装有排气扇，防止装置内抑制剂气体浓度过高，保持装置内的通风；液气自动转换装置110还包括故障声光报警装置，在管路发生故障时报警，保证装置的正常工作和安全性。将第一管路5中通入二氧化碳，第二管路6中通入干燥空气或氮气，第一管路5和第二管路6中的气体为载气，将气态抑制剂与载气混合形成保护气体，混合后的保护气体通过管路一部分通过保护气体接入点3与分配系统管路连接，进而输送到镁合金生产过程的连续精炼炉、保温炉、浇铸带、浇铸口等位置进行应用，多余的保护气体通入到混气装置111的缓冲罐2中，可以保持混合气体压力的平衡，也避免了对保护气体的浪费。其中，第一管路5和第二管路6中载气的比例可通过plc控制箱7对自动流量控制器的调节来实现，以满足不同的生产需求。此外，混气装置的数量设置为至少三个：其中，第一混气装置中通过第一管路5通入二氧化碳，且通过第二管路6通入干燥空气或氮气，实现二氧化碳、干燥空气或氮气与抑制剂的混合；第二混气装置中通过第一管路5通入二氧化碳，实现二氧化碳与抑制剂的混合；第三混气装置中通过第二管路6通入干燥空气或氮气，实现干燥空气或氮气与抑制剂的混合；该气体混合装置，能够保证不同的混合气体装置在生产实践中更加方便灵活。
[0031]
本发明提供的用于镁合金生产过程的环保型混合式保护气体，包括抑制剂和载气，抑制剂在保护气体中的体积含量为1.0％～5.0％，且抑制剂为1，1，1，2-四氟乙烷；载气为二氧化碳、氮气、干燥空气中的一种或多种组合物。
[0032]
进一步，每种组分均具有不大于1300的全球变暖潜力(参照二氧化碳在100年的时间范围的绝对gwp)，且不属于酸雨气体。
[0033]
具体地，该环保型混合式保护气体可应用于镁合金生产线的不同应用环境，如全封闭环境(保温炉/浇铸炉/精炼炉)，半开放环境(浇铸带)以及全开放环境(浇铸口)等，不同应用环境的保护气体流量及保护气体单位表面流量会有明显差异，保护气体单位表面流量的具体数值可根据其作用位置及镁合金的型号确定。
[0034]
可选地，保护气体的作用位置选自浇铸口、浇铸带、浇铸炉、保温炉、精炼炉中的任一种。
[0035]
进一步，保护气体由1％体积的1，1，1，2-四氟乙烷及99％体积的二氧化碳组成；
[0036]
当保护气体作用于全封闭环境下时，as31/az91/am50系列镁合金对应的保护气体单位表面流量分别不小于11.6l/min
·
m2、11.5l/min
·
m2、12.8l/min
·
m2；
[0037]
当保护气体作用于全开放环境下时，as31/az91/am50系列镁合金对应的保护气体单位表面流量分别不小于166.7l/min
·
m2，62.9l/min
·
m2、92.6l/min
·
m2；
[0038]
当保护气体作用于半开放环境下时，as31/az91/am50系列镁合金对应的保护气体单位表面流量分别不小于15.3l/min
·
m2、5.8l/min
·
m2、15.3l/min
·
m2。
[0039]
进一步，保护气体由1％体积的1，1，1，2-四氟乙烷、99％体积的氮气组成；
[0040]
当保护气体作用于全封闭环境下时，az91系列镁合金的保护气体单位表面流量不小于12.8l/min
·
m2；
[0041]
当保护气体作用于全开放环境下时，az91系列镁合金的保护气体单位表面流量不小于185.2l/min
·
m2；
[0042]
当保护气体作用于半开放环境下时，az91系列镁合金的保护气体单位表面流量不小于13.6l/min
·
m2。
[0043]
进一步，保护气体由4.8～5.0％体积的1，1，1，2-四氟乙烷、87.5～88.0％体积的二氧化碳及7.0～7.5％体积的干燥空气组成；
[0044]
当保护气体作用于全封闭环境下时，as31和az91系列镁合金的保护气体单位表面流量均不小于3.5l/min
·
m2。
[0045]
此外，本发明还提供了如上部分或全部所述的环保型混合式保护气体在镁合金生产/铸造过程的应用。
[0046]
下面针对保护气体作用位置的不同、镁合金型号的不同、保护气体单位表面流量的不同对本发明的效果进行阐述，其中，保护效果包括很好、较好、不好三种情况。
[0047]
实施例1
[0048]
用于镁合金生产过程的环保型混合式保护气体，包括抑制剂和载气，抑制剂为4.8～5.0％体积的1，1，1，2-四氟乙烷，87.5～88.0％体积的二氧化碳以及7.0～7.5％体积的干燥空气组成。
[0049]
该环保型混合式保护气体，在全封闭环境下的使用实例如下：
[0050]
具体地，在生产线的某浇铸炉(全封闭环境)进行as31系列镁合金的熔炼，浇铸炉上盖设有保护气体通入管，浇铸炉的保护面积为3.04m2，通过保护气体通入管向浇铸炉内通入保护气体，不同保护气体单位表面流量的保护效果参见表1中的1-2所示。
[0051]
表1保护气体作用于浇铸炉时，不同保护气体单位表面流量的保护效果
[0052][0053]
上表中缩写所代表的意义(以下同)：
[0054]
co2，9.200；干燥空气，0.750；表示使用载气为co2和干燥空气，其中，co2的流量为9.200l/min，干燥空气的流量为0.750l/min；
[0055]
保护效果中，“很好”表示被保护液面在保护气体作用下无明显燃烧点，且在敞开环境中可持续5分钟以上；“较好”表示被保护液面在保护气体作用下无明显燃烧，但在敞开环境中可持续时间不及5分钟；“不好”表示被保护液面在保护气体作用下仍存在明显燃烧点。
[0056]
由表1中1-2的实验数据可知，在设定的保护气体组成条件下，当总流量达到10.45l/min以上，保护气体单位表面流量达到3.438l/min
·
m2以上时，保护气体对as31系列镁合金的保护效果较好。但当总流量降为8l/min，单位表面流量低至2.632l/min
·
m2时，其保护效果不好。
[0057]
另外，当该环保型混合式保护气体应用在产线的某浇铸炉(封闭环境)进行az91镁合金的熔炼，浇铸炉上盖设有保护气体通入管，浇铸炉的保护面积为1.57m2，通过保护气体通入管向浇铸炉内通入保护气体，不同保护气体单位表面流量的保护效果参见表1中的3-5所示。
[0058]
由表1中3-5的实验数据可知：当保护气体总流量在8.0l/min时，保护气体单位表面流量为5.096l/min
·
m2时，其保护效果欠佳，但当保护气体总流量达到10.45l/min以上，保护气体单位表面流量为6.656l/min
·
m2以上，保护效果得到改善，整体较好。
[0059]
实施例2
[0060]
用于镁合金生产过程的环保型混合式保护气体，包括抑制剂和载气，该环保型气体采用1.0％体积的1，1，1，2-四氟乙烷，99.0％体积的二氧化碳组成。在全封闭环境下的使用实例如下：
[0061]
具体地，在生产线的某浇铸炉(全封闭环境)进行as31系列镁合金的熔炼，浇铸炉上盖设有保护气体通入管，浇铸炉的保护面积为3.04m2，通过保护气体通入管向浇铸炉内通入保护气体，不同保护气体单位表面流量的保护效果参见表2中的1-2所示。结果显示，当保护气体总流量达到35l/min以上，单位表面流量达到11.513l/min
·
m2以上，可以实现较好的保护效果，当保护气体总流量达到40l/min，单位表面流量达到13.158l/min
·
m2时，可以实现很好的保护效果。
[0062]
表2保护气体作用于浇铸炉时，不同保护气体单位表面流量的保护效果
[0063][0064]
另外，环保型混合式保护气体应用在产线的某浇铸炉(全封闭环境)进行az91和am50镁合金的熔炼，浇铸炉上盖设有保护气体通入管，浇铸炉的保护面积为1.57m2，通过保护气体通入管向浇铸炉内通入保护气体，不同保护气体单位表面流量的保护效果参见表2的3-6所示。结果显示，当保护气体总流量为15l/min时，保护气体单位表面流量为9.554l/min
·
m2时，az91和am50两种合金都无法获得好的保护效果；要达到较好的保护效果，对于az91合金而言，保护气体总流量需要达到18l/min以上，单位表面流量达到11.465l/min
·
m2以上；对于am50合金而言，保护气体总流量需要达到20l/min以上，单位表面流量达到12.739l/min
·
m2以上。
[0065]
实施例3
[0066]
用于镁合金生产过程的环保型混合式保护气体，包括抑制剂和载气，该环保型气体采用1.0％体积的1，1，1，2-四氟乙烷，99.0％体积的氮气组成。在全封闭环境下的使用实例如下：
[0067]
具体地，该环保型混合式保护气体应用在产线的某浇铸炉(封闭环境)进行az91镁合金的熔炼，浇铸炉上盖设有保护气体通入管，浇铸炉的保护面积为1.57m2，通过保护气体通入管向浇铸炉内通入保护气体，不同保护气体单位表面流量的保护效果参见表3所示。
[0068]
表3保护气体作用于浇铸炉时，不同保护气体单位表面流量的保护效果
[0069][0070]
表3中的实验数据表明：当保护气体总流量为15l/min，保护气体单位表面流量为9.554l/min
·
m2时，az91合金无法获得好的保护效果，当保护气体总流量达到20l/min以上，保护气体单位表面流量达到12.739l/min
·
m2以上，其保护效果较好。
[0071]
实施例4
[0072]
用于镁合金生产过程的环保型混合式保护气体，包括抑制剂和载气，该环保型气体由1.0％体积的1，1，1，2-四氟乙烷及99.0％体积的二氧化碳组成。在全开放环境下的使用实例如下：
[0073]
具体地，在生产线的某浇铸口(全开放环境)进行as31、az91和am50系列镁合金的浇铸过程中的保护，浇铸口的保护面积为0.27m2，通过布设在浇铸口上面的保护气体通入管向浇铸口通入保护气体，不同保护气体单位表面流量的保护效果参见表4所示。
[0074]
表4保护气体作用于浇铸口时，不同保护气体单位表面流量的保护效果
[0075][0076][0077]
表4中的实验数据表明：在全开放环境下，要实现好的保护效果，所需的保护气体总流量以及单位面积流量都大大提高。这主要是由于在全开放环境下保护气体遗失比较严重。而且从合金种类来看，熔点最低的az91合金所需保护气体流量最小，而熔点最高的as31合金的保护气体需求量最大。具体地，保护气体总流量达到45l/min以上，即保护气体单位表面流量达到166.667l/min
·
m2以上，保护气体才能对as31合金实现较好的保护。而对于az91合金而言，所需保护气体总流量达到17l/min以上，对应的保护气体单位表面流量分别达到62.819l/min
·
m2以上，保护气体才能对az91合金实现较好的保护；而对于am50合金而言，所需保护气体总流量达到25l/min以上，对应的保护气体单位表面流量达到92.592l/
min
·
m2以上，保护气体才能对am50合金实现较好的保护。
[0078]
实施例5
[0079]
用于镁合金生产过程的环保型混合式保护气体，包括抑制剂和载气，该环保型气体由1.0％体积的1，1，1，2-四氟乙烷及99.0％体积的氮气组成。在全开放环境下的使用实例如下：
[0080]
具体地，在生产线的某浇铸口(全开放环境)进行az91系列镁合金的浇铸过程中的保护，浇铸口的保护面积为0.27m2，通过布设在浇铸口上面的保护气体通入管向浇铸口通入保护气体，不同保护气体单位表面流量的保护效果参见表5所示。
[0081]
表5保护气体作用于浇铸口时，不同保护气体单位表面流量的保护效果
[0082][0083]
表5中的实验数据表明：使用由1.0％体积的1，1，1，2-四氟乙烷及99.0％体积的氮气组成的混合气体，可以对az91在浇铸口的开放环境下实现有效保护，但是保护气体所需的总流量至少需要50l/min以上，保护气体单位表面流量为185.185l/min
·
m2以上。该实验同样在am50和as31合金上试验，但是，保护效果不太理想。
[0084]
实施例6
[0085]
用于镁合金生产过程的环保型混合式保护气体，包括抑制剂和载气，该环保型气体采用1.0％体积的1，1，1，2-四氟乙烷，99.0％体积的二氧化碳组成。在半开放环境下的使用实例如下：
[0086]
该环保型混合式保护气体应用在生产线的某浇铸带(半开放环境)进行az91、as31和am50镁合金的浇铸后的凝固过程保护，浇铸带的保护面积为2.95m2，通过保护气体通入管向浇铸带通入保护气体，不同保护气体单位表面流量的保护效果参见表6所示。
[0087]
表6保护气体作用于浇铸带时，不同保护气体单位表面流量的保护效果
[0088][0089]
表6中的实验数据表明：要获得较好的保护效果，az91、am50和as31需要至少提供的保护气体总流量分别为17l/min、45l/min和45l/min，对应保护气体单位表面流量至少分别为5.749l/min
·
m2、15.254l/min
·
m2、15.254l/min
·
m2。
[0090]
实施例7
[0091]
用于镁合金生产过程的环保型混合式保护气体，包括抑制剂和载气，该环保型气体采用1.0％体积的1，1，1，2-四氟乙烷，99.0％体积的氮气组成。在半开放环境下的使用实例如下：
[0092]
该环保型混合式保护气体应用在生产线的某浇铸带(半开放环境)进行az91镁合金的浇铸后的凝固过程保护，浇铸带的保护面积为2.95m2，通过保护气体通入管向浇铸带
通入保护气体，不同保护气体单位表面流量的保护效果参见表7所示。
[0093]
表7保护气体作用于浇铸带时，不同保护气体单位表面流量的保护效果
[0094][0095]
表7中的实验数据表明：使用1.0％体积的1，1，1，2-四氟乙烷，99.0％体积的氮气组成的保护气体可以实现在az91生产过程中浇铸带上的保护，所需要的保护气体总流量应达到40l/min以上，保护气体单位表面流量应达到13.559l/min
·
m2以上。同样的试验也在as31和am50等高熔点合金上进行，但是保护效果欠佳。
[0096]
以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。
[0097]
应当理解的是，本发明并不局限于上述已经描述的内容，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

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