本發明涉及金屬冶煉技術領域，具體涉及一種生產高潔凈度鎂或鎂合金的多爐聯合式熔鑄設備和工藝。
背景技術：
鎂或鎂合金因具有密度小、比強度高、電磁屏蔽性強、阻尼和減震性能高、導熱性能優良、尺寸穩定性高、優良的鑄造性能、良好的加工性能、儲量豐富等一系列優良特性，在電子產品、交通運輸、航空航天及武器制造等工業中得到快速發展。
目前的鎂合金熔鑄設備根據熔體處理工藝可分為無熔劑冶煉型和熔劑精煉凈化型。無熔劑冶煉型通常用于鎂合金壓鑄件生產的熔體制備。其坩堝通常為多室結構，根據功能可分為熔化室、沉降室(或過濾凈化室)、保溫靜置室等；其特點有：在熔化室內添加預制好的母合金錠重熔，無合金化及精煉等攪拌操作，液面可保持靜止無擾動；整個坩堝的阻燃防護通常采用含六氟化硫的混合氣體來實現；簡單的壓鑄坩堝其結構僅僅利用鎂或鎂合金熔體中夾雜物密度與鎂熔體有差異的特點，依靠夾雜物的重力自然沉降或上浮來凈化熔體；復雜的壓鑄坩堝除了這種凈化方式外，還設計了過濾板進行過濾凈化；熔化坩堝結構接近準密閉，環境污染較輕；工人無需特殊冶煉技能及專門培訓。目前的無熔劑冶煉型設備其缺點是：熔體中懸浮的夾雜物較多且與熔體的密度差不大，僅僅依靠重力自然沉降、上浮或過濾等手段，尺寸細小的夾雜物去除不徹底，故壓鑄件產品內的夾雜物也較多，只能用于不承力的非結構民品件。
對于內部質量要求較高的承力結構鑄件(例如航空航天零部件)，其熔鑄設備通常采用熔劑精煉凈化型。熔劑精煉凈化型的基本工藝過程是：用熔煉爐完成原料熔化、合金化以及精煉作業；精煉操作時，一邊對熔體進行攪拌，一邊向熔體表面撒入主要有鹵鹽組成的固體粉末熔劑。熔劑遇高溫鎂熔體熔化，熔融的熔劑與非金屬夾雜物充分接觸并被捕獲。熔體精煉完畢后將進入保溫靜置過程。保溫靜置過程可以在精煉坩堝(坩堝可以在原來的熔化爐內，也可以吊轉到另外的保溫靜置爐內)，也可以將精煉后的熔體利用泵體或其它方式輸送到另外的保溫靜置坩堝內進行。在保溫靜置過程 中，熔劑包裹的非金屬夾雜物密度大于鎂合金熔體，會慢慢沉降到熔體下部，這個沉降過程通常至少需要三十分鐘左右。保溫靜置完畢后進入澆注過程。目前的澆注過程分為將坩堝傾轉式澆注和保溫管路輸送式澆注兩種。其中，傾轉式澆注的缺點為：熔體內仍然有懸浮細小夾雜殘留會隨鎂液澆注流出；坩堝晃動可能導致表面熔劑保護層破損而致使熔體氧化；坩堝底沉積的夾雜也可能隨液流澆注進入鑄件，工藝控制有一定難度；工人需長期培訓，精心操作；有一定危險性和煙氣造成的環境污染。相對而言，保溫管路輸送式澆注比較先進，但是受到精煉方法的限制，依然無法徹底清除鎂液中殘留的懸浮細小夾雜物。
由上可見，目前工業上采用的兩種鎂或鎂合金熔鑄工藝及設備均無法生產高潔凈化鎂或鎂合金熔體，需要開發更先進的設備和工藝。
技術實現要素：
針對目前工業生產實際，本發明提供了一種生產高潔凈度鎂或鎂合金的多爐聯合式熔鑄設備和工藝。
本發明的目的是通過以下技術方案實現的：
一種生產高潔凈度鎂或鎂合金的多爐聯合式熔鑄設備，該設備包括熔化爐、凈化爐和保溫靜置爐；所述熔化爐用于鎂或鎂合金的熔化及合金化，熔化爐內的鎂或鎂合金熔體(可通過保溫管路ⅰ)移送到凈化爐內進行凈化處理，凈化后的熔體(可通過保溫管路ⅱ)移送到保溫靜置爐內進行后續澆注作業。
所述熔化爐、凈化爐和保溫靜置爐內均設置相應的配套坩堝，各步操作均在相應的坩堝內進行。
所述凈化爐內的坩堝中放置熔融的液態熔劑和篩網結構，篩網結構位于凈化爐內坩堝的下部空間并浸沒在熔融的液態熔劑中；所述液態熔劑的密度大于鎂或鎂合金的密度。
所述熔鑄設備中的熔體通過外加壓力或移液泵的方式移送；保溫管路ⅰ的一端連接熔化爐內坩堝中的升液管ⅰ，升液管ⅰ的下部開口位于熔化爐內坩堝的下部空間；保溫管路ⅰ的另一端連接凈化爐內坩堝中的降液管ⅰ，降液管ⅰ用于將熔體引入凈化爐內坩堝底部，降液管ⅰ內也可設置篩網結構；保溫管路ⅱ的一端連接凈化爐內坩堝中的升液管ⅱ，升液管ⅱ的下部開口位于坩堝的上部空間，保溫管路ⅱ的另一端與保 溫靜置爐內坩堝中的降液管ⅱ相連接；完成高潔凈化的熔體通過升液管ⅲ送至后續工序。
所述熔化爐內的鎂或鎂合金熔體通過保溫管路ⅰ移送到凈化爐中，穿過熔融熔劑和篩網結構，熔體在熔融熔劑中被強制彌散分布而得到凈化。
利用上述多爐聯合式熔鑄設備生產高潔凈度鎂或鎂合金的工藝，包括如下步驟：
(1)原材料清理干凈，預熱至100～200℃備用；
(2)熔化爐內坩堝設定溫度控制范圍在600～850℃，升溫，當熔化爐內坩堝呈現暗紅色時，在坩堝底部撒入不超過鎂或鎂合金質量1％的熔劑，將鎂錠由投料孔加入，在鎂錠上再覆蓋一層不超過鎂或鎂合金質量1％的熔劑，加蓋熔化；鎂錠熔化完畢后，加入其它配料進行合金化，攪拌均勻，取成分樣送檢；
(3)將凈化爐內坩堝設定溫度控制范圍在600～850℃，升溫，當坩堝呈現暗紅色時，加入凈化用熔劑，熔劑到達設定溫度后放入篩網結構，合蓋密封；
(4)將保溫靜置爐內坩堝設定溫度控制范圍在600～850℃，升溫，當坩堝到設定溫度后將其合蓋密封，并在坩堝中制造用于防止鎂或鎂合金燃燒的保護性氣氛；
(5)用保溫管路ⅰ連接升液管ⅰ和降液管ⅰ，用保溫管路ⅱ連接升液管ⅱ和降液管ⅱ，控制管路溫度在室溫～850℃；通過外加壓力(使熔化爐或其坩堝內的氣壓增加)或移液泵的方式將鎂合金熔體從熔化爐內坩堝經過凈化爐內坩堝移送至保溫靜置坩堝；熔體移送完后斷開移送管路；對保溫靜置坩堝加蓋密封，啟動后續澆注作業。
本發明設備中所述的熔化爐及其坩堝，因為相比傳統熔煉爐及其坩堝在功能上取消了精煉操作，工人作業簡單的同時可以在坩堝上部采用加蓋的準密封式結構(冶煉過程中僅通過在蓋子上預留的小口進行投料及攪拌操作)，從而可大幅降低熔劑用量，減少煙氣對環境的污染，并最大限度地利用熔爐熱能。
本發明具有以下優點及有益效果：
1、本發明對熔體凈化徹底，生產的鎂或鎂合金產品冶金質量優，夾雜少；
2、本發明可實現自動化作業，對操作工人的技術水平的依賴性低；
3、本發明易于實現密閉操作，相比傳統工藝對環境的負面影響小。
附圖說明
圖1為本發明的多爐聯合式熔鑄設備結構示意圖。
圖中：1-熔化爐；2-凈化爐；3-保溫靜置爐；4-保溫管路ⅰ；5-保溫管路ⅱ；6-升液管ⅰ；7-降液管ⅰ；8-升液管ⅱ；9-降液管ⅱ；10-升液管ⅲ；11-熔融熔劑；12-篩網結構。
具體實施方式
下面結合附圖及實施例對本發明進一步詳細說明。
如圖1所示，本發明用于制備高潔凈度鎂或鎂合金的多爐聯合式熔鑄設備采用多臺熔爐及配套坩堝聯合作業，各爐之間采用保溫管路連接；熔體在各爐之間的移送可以采用外加壓力或者采用移液泵的方式進行。
該熔鑄設備具體包括：熔化爐1、凈化爐2和保溫靜置爐3，各爐內均設置相應的配套坩堝，各步操作均在相配套坩堝內進行。
所述熔化爐1用于熔化鎂或鎂合金，熔化后的鎂或鎂合金熔體通過保溫管路ⅰ4移送到凈化爐2中，鎂或鎂合金熔體穿過熔融熔劑11和篩網結構12時，熔體得到強制彌散分布，熔體中的夾雜物被熔劑包裹吸附而滯留在熔劑層從而熔體得到凈化。凈化后的熔體通過保溫管路ⅱ5移送到保溫靜置爐3內進行后續作業。
保溫管路ⅰ4的一端連接熔化爐內坩堝中的升液管ⅰ6，升液管ⅰ6的下部開口位于熔化爐1內坩堝的下部空間；保溫管路ⅰ4的另一端連接凈化爐2內坩堝中的降液管ⅰ7和篩網結構12，篩網結構12位于凈化爐2內坩堝的下部空間；保溫管路ⅱ5的一端連接凈化爐2內坩堝中的升液管ⅱ8，升液管ⅱ8的下部開口位于坩堝的上部空間，保溫管路ⅱ5的另一端與保溫靜置爐3內坩堝中的降液管ⅱ9相連接；完成高潔凈化的熔體通過升液管ⅲ10送至后續工序。
實施例1
本實施例的鎂合金成分如表1所示：
表1
利用本發明的多爐聯合式熔鑄設備和工藝，獲得了高潔凈度的實施例1鎂合金，其制備過程包括如下步驟：
(1)原材料清理干凈后預熱至120℃；
(2)熔化坩堝設定溫度700℃開始升溫，當熔化坩堝呈現暗紅色時，在坩堝底部撒入不超過純鎂質量1％的rj-2熔劑，將鎂錠由投料孔加入，在鎂錠上再覆蓋一層不超過純鎂質量1％的rj-2熔劑，加蓋熔化；純鎂錠熔化完畢后，加入其它的合金配料，攪拌均勻，取成分樣送檢。
(3)在熔化坩堝到達設定溫度后，將凈化坩堝設定溫度控制范圍在700℃開始升溫，當凈化坩堝呈現暗紅色時，加入凈化用rj-5熔劑，熔劑到達設定溫度后放入篩網結構，合蓋密封。
(4)當熔化坩堝內全部原材料熔化完畢后，將保溫靜置坩堝設定700℃開始升溫，當保溫靜置坩堝到設定溫度后將其合蓋密封，并在坩堝中內制造可以防止鎂或其合金燃燒的保護性氣氛(用氬氣吹入硫磺粉末)；
(5)用保溫管路連接熔化坩堝、凈化坩堝和保溫靜置坩堝，控制管路溫度在650℃；通過增加熔化坩堝內氣壓將鎂合金熔體從熔化坩堝傳送至凈化坩堝內，然后進入后續保溫靜置坩堝；熔體移送完畢后斷開移送管路；啟動后續澆注作業。
本實施例得到的拉力試棒，樣品拉伸斷裂后的斷口均沒有發現夾雜物；其力學性能穩定性高，典型力學性能指標的標準偏差在5％以內，送檢樣品的強度和延伸率指標100％合格；其抗拉強度均值可穩定達到260mpa以上，屈服強度均值可穩定達到130mpa以上，延伸率均值可穩定達到3.0％，均高出航標hb7780-2005中關于zm5合金的規定值10％以上。而同種合金成分采用行業內常用熔劑精煉凈化工藝得到的拉伸樣品，其斷口通常存在肉眼可見的夾雜物；其力學性能穩定性差，典型力學性能的標準偏差達到20％以上，送檢樣品經常出現三根樣品中僅有兩根或僅有一根的強度和延伸率達到航標hb7780-2005中關于zm5合金規定值的現象。
實施例2
本實施例的鎂合金成分如表2所示：
表2
利用本發明的多爐聯合式熔鑄工藝和設備，獲得了高潔凈度的實施例2鎂合金， 其制備過程包括如下步驟：
(1)原材料清理干凈后預熱至180℃；
(2)熔化爐內坩堝設定溫度780℃開始升溫，當熔化爐內坩堝呈現暗紅色時，在坩堝底部撒入不超過純鎂質量1％的rj-6熔劑，將鎂錠由投料孔加入，在鎂錠上再覆蓋一層不超過純鎂質量1％的rj-6熔劑，加蓋熔化；純鎂錠熔化完畢后，加入其它的合金配料，攪拌均勻，取成分樣送檢。
(3)在熔化爐內坩堝到達設定溫度后，將凈化爐內坩堝設定溫度控制范圍在780℃開始升溫，當凈化爐內坩堝呈現暗紅色時，加入凈化用(92wt.％rj-6+5wt.％gdcl3+3％w.ycl3)復合熔劑，熔劑到達設定溫度后放入篩網結構，合蓋密封。
(4)當熔化爐內坩堝內全部原材料熔化完畢后，將保溫靜置爐內坩堝設定780℃開始升溫，當保溫靜置爐內坩堝到設定溫度后將其合蓋密封，并在坩堝中內制造可以防止鎂或其合金燃燒的保護性氣氛(通入98％n2+2％sf6混合氣體)；
(5)用保溫管路連接熔化爐、凈化爐和保溫靜置爐，控制管路溫度在700℃；通過增加熔化爐內坩堝內的氣壓的方式將鎂合金熔體從熔化坩堝傳送至凈化坩堝內，然后進入后續保溫靜置爐內坩堝；熔體移送完畢后斷開移送管路；啟動后續澆注作業。
本實施例得到的拉力試棒樣品斷裂后其斷口均沒有發現夾雜物；其力學性能穩定性高，典型力學性能指標的標準偏差在5％以內；t6態的拉力試棒的抗拉強度均值可穩定達到315mpa以上，屈服強度均值可穩定達到215mpa以上，延伸率均值穩定可達到5％。而同種合金成分采用行業內常用熔劑精煉凈化工藝得到的拉伸樣品，送檢樣品的斷口通常存在肉眼可見的夾雜物；其力學性能穩定性差，典型力學性能的標準偏差達到20％以上；t6態的拉力試棒的抗拉強度均值約295mpa以上，屈服強度均值約203mpa，延伸率均值約2.9％。
上述實施例是對本發明進行具體描述，只是對本發明進行進一步說明，而并非將本發明局限于這些特定實施方式。對本領域的技術人員來說，在本發明原理及思路的框架下及權利要求范圍內做出的其它變化和改進都應屬于本發明的保護范圍。