2.1 气体保护
持续有效的气体保护是镁合金压铸生产正常进行的必要条件。目前,镁合金压铸熔炉普遍用“与镁熔体反应成膜”的Sf气体和将反应成膜气体均匀分布到熔池上方的“载流气体”N,按比例混合成“保护气体”,为熔体提供阻燃保护。通常,保护气体中的SF6体积浓度根据压铸工况控制在0.10%~0.30%、单位熔池面积的保护气体流量控制在5~30 1/min。高品质镁合金熔炉采用智能保护气体制备技术,根据炉况对保护气体的SF,浓度和总流量
实时调节,获得最佳保护效果。
SF6属于温室气体,已在欧洲开始禁用。迫于环保压力,各研发机构正根据镁熔体氧化与成膜阻燃机制,寻找SF6替代气体。目前研究的替代气体主要为S02、BF3、HFCs、FK、NoveTM 612、HFE等能与镁熔体反应生成致密保护膜的气体上。德国亚深大学和大众公司联手探索了在全密闭镁合金熔铸单元中用纯Ar替代SF6保护气体;奥迪公司也曾尝试在全密闭镁合金熔炉中用纯C0,作保护气体19。为了减少sF6排放导致的环境污染,国外还新研发了能回收并循环利用熔炉排放的保护气体中残余SF的技术,据称残余SF6的回收循环利用率可达到980A。
针对瓶装Nz成本高、运输压力大的问题,部分厂家已开始采用压缩分离制氮技术,重庆大学也在开发镁合金专用膜制氮技术,重庆硕龙正在开发基于空气与碳反应生成N2+C02混合载流气体的经济制备专利技术装备。由于原材料成本优势和C02所具有的辅助保护效果,后者更具突出的成本优势。
定量精确、工作稳定可靠的气体混合系统是高品质压铸熔化浇注的基本技术要求。目前,高端压铸镁合金熔炉普遍采用数控质量流量控制技术,通过计算机实时监控和调节保护气体流量和SF浓度,同时对气源进行检测。为了确保停电和自动混气系统故障时的气体供应,通常集成了转子流量计定量系统,供紧急状态使用。
低端熔炉则采用转子流量计人工定量调节。尽管具有低廉的硬件成本优势,但该方法控制下的保护气体不能主动根据熔炉工作状态自动调节保护气体供应,更无法弥补气体供应系统压力变化带来的保护气体流量变化,故需要操作工人随时根据熔池保护效果调节保护区气体供应。在压铸生产停顿无人看管期,上述问题极易影响压铸生产质量和安全。
2.2连续熔化系统——熔炉主体
2.2.1 加热熔化
(1)加热熔化技术
连续熔化是压铸镁合金熔炉的主要功能,它主要完成镁锭的加热、熔化、熔体纯净度控制、温度控制等功能,最终获得杂质含量少、温度波动小的高品质镁合金熔体。同时,熔炉是镁合金安全生产的关键构件,必须具有安全可靠、容错能力强、性能可靠的特点,以确保镁合金压铸安全、连续、稳定地进行。
为了确保熔炉在长期连续使用状态下安全运行、稳定可靠、控温准确、维护方便,压铸熔炉普遍采用电阻加热、PID控温技术。根据结构不同,加热元件可分为“集束式”和“螺旋管式”两类。
集束式加热元件易于更换,但其高度集中的发热元件导致炉膛温度分布不均匀,影响加热元件自身和坩埚的使用寿命。另外,作为易损件,该类加热元件的更新费用相对较高。相反,螺旋管式加热元件对更换有较高技术要求,但具有炉膛温度分布均匀、元件使用寿命较长、更新成本较低、有利于防止坩埚变形和延长服役寿命的优势。
鉴于电能的紧张和高价格,开发使用新能源的熔炉,提升镁合金熔化工艺的技术经济指标和压铸生产经济效益,成为熔炉技术的研发方向。
(2)坩埚
作为镁合金熔炉的熔体盛装和加热容器,坩埚不仅要确保在熔化过程中不污染镁合金熔体、能够长期承受压铸生产过程中的连续加热,还要能够反复承受生产停顿和恢复过程中的内盛镁合金加热熔化和凝固收缩导致的热应力。
通常,耐热钢外层复合板焊接坩埚具有优异的常温和高温综合力学性能、能够承受镁合金加热熔化和凝固收缩产生的热应力,且高温抗氧化性能十分出色,长期使用外层也无严重氧化;耐热钢整体铸造坩埚具有优异的高温综合力学性能和满意的高温抗氧化性能,但常温韧性不足;而低碳钢焊接坩埚的机械和耐蚀性能低,较长期使用会变形并氧化,成为安全隐患。因此,低碳钢焊接坩埚只供短期或偶尔使用。
作为确保镁合金熔化浇注安全进行的核心构件,要求坩埚每连续使用一定时间后都要强制停炉检查,确保坩埚在后继使用周期中不存在失效忧患。
坩埚结构设计还需满足有效截留夹杂和稳定熔体温度的要求。为此,压铸用坩埚常设计成双室结构或采用独立具备熔化和保温功能的双炉配置。