[发明专利]一种镁合金射流精炼技术及装置

说明书

技术领域

本发明属于镁合金熔炼的装置和应用方法，尤其属于镁合金精炼处理的设备。本发明适用于各种镁合金熔炼生产，包括镁合金铸件、半连铸、镁合金铸锭生产过程的镁合金液净化处理。 

方法背景 

镁合金比铝合金轻37％，其比强度、比刚度仅次于钛合金及合金结构钢，其它如抗冲击，加工性能，可回收性能均优于铝合金。在汽车、交通、电子、信息、声像器材、计算机、手提工具、电机工业、林业、纺织、核动力装置等领域，镁合金的应用也在急速扩大。目前，镁已成为仅次于钢铁、铝合金的第三大金属结构材料。但是镁合金最大的弱点是强韧性能较低，和铝合金竞争处于不利地位。发展高强韧新型镁合金和提高镁合金的纯净度是两条可行途径。精炼方法在提高镁合金液的纯净度发明有决定性的作用。 

镁十分活泼，高温镁合金氧化生产大量的反应产物，为防止镁液的氧化和燃烧和镁合金液净化，熔炼镁及镁合金时都要使用熔剤。熔剂是卤化物的混合物，包括MgCl_2、KCl、NaCl、BaCl_2、CaCl_2、CaF_2、MgF₂等，因此，镁合金残留的夹杂物可能有MgO、Mg(OH)₂、Mg₃N₂、熔剂等。镁合金中夹杂物的尺寸分布很广，从厘米、毫米到微米都有，其中微米级的占大多数且数量巨大，最多甚至可能达到1立方厘米体积中有1千万个之多。如果镁合金液中的非金属夹杂物最后进入铸件或锭坯，最后成为产品中的非金属夹杂。夹杂物对镁合金的性能十分有害，特别是对冲击韧性和抗疲劳高性能非常有害。在构件的应力集中处存在的夹杂物促使夹杂和基体的界面开裂，从而形成空洞；在应力作用下，空洞长大并聚合并最终空洞和裂纹连接，导致裂纹快速发展，最后构件断裂。镁合金产品应用范围扩大，变形镁合金大受力零部件，夹杂物强烈降低结构件的断裂力学性能，尤其是疲劳强度，因此，熔炼时对镁合金液的洁净度要求越来越高。镁合金精炼方法和镁产业的需要的差距越来越大。镁合金零部件成为主要承力零部件，例如高速列车车体、汽车轮毂、直升机变速箱机匣等，对镁合金的冶金质量要求越来越高，夹杂物的限制很严格。一个汽车轮毂的内部最多只允许0.2毫米夹杂物不超过若干个。镁合金熔炼时去除非金属夹杂物的精炼工序意义特别重要，这些要求超过传统精炼方法能达到的水平。 

镁合金精炼时一般都需要使用精炼熔剂，熔剂除能防止氧化和燃烧外，也能吸附镁合金液中的非金属夹杂物而作为镁合金的精炼剂。镁合金熔炼过程中一般都熔剂通过搅拌镁合金液的操作实现的。也有采用浮游净化、沉淀净化或过滤净化的，但都必须和搅拌联合，作为搅拌的补充。例如。沉淀净化需要长的停留时间、大容积的镁合金液、合理的熔池温度梯度 等诸多限制条件，以避免镁合金液池中热对流引起的搅动影响沉淀效果。过滤净化目前大多用于铸造生产，也有采用过滤净化批量镁合金液的。过滤精炼的目的是在金属液的最后阶段去除在合金液流动的二次氧化。熔剂搅拌精炼是先将熔剂撒在表面，精炼操作是采用对液体金属的搅拌实现的。小容量坩埚镁合金熔炼的铸造使用的人工搅拌。由于高温环境的劳动条件恶劣、搅拌方法规范求达到一定的持续时间，使得人工搅拌操作劳动强度过大和对方法要求很高，因此，人工操作无法保证质量。而且镁合金熔炼大型化使问题变得越来越突出。 

镁合金液的搅拌为了达到精炼的目的，必须使液体产生一定的主体流动和湍流强度。主体流动使各处的液体都得到搅拌得到一定调均匀度的混合。湍流强度越大，混合组分的分离尺度越小，两液体的接触面积越大，通过分子扩散，使获得更充分渣洗作用。现在使用的基本是推进式搅拌器，属于轴流式搅拌器，主体流，适合小型容器。低速浆叶搅拌器，不论是平直浆叶或折叶主要是径向流，均不能兼顾主体流动和湍流强度。为了避免死角，搅拌首先要总体流动。但是目前镁合金搅拌操作，随着镁产业的集中度提高，大型化坩埚熔炼的的普遍使用，传统的搅拌方法已经无法达到预期的效果。几吨镁合金液的大容积镁合金熔炼坩埚的尺寸很大(熔池深度多在1至2米以上)，即使使用推进式叶轮的搅拌，也不足于得到需要的主体对流，因此精炼效果不足，镁合金液的洁净度达不到期望的目标。此外，搅拌器处于很严酷的环境，机械故障多、可靠性很差。镁产业的发展和镁合金应用领域的扩大，需要更高纯净度的材料，因此，提高材料纯净度的搅拌精炼方法水平的提高，已经成为镁产业的当务之急。 

发明内容