高原环境下镁合金熔炼用保护气体的制备与工艺研究

何智勇

【摘  要】本文从云贵高原环境概况入手，然后详细分析镁合金熔炼保护气体的工艺概述，以便为高原环境下镁合金熔炼用保护气体的工艺和制备提供有益的参考性建议。

【关键词】 镁合金;熔炼;保护气体

引言

相比铝合金、合金钢而言，镁合金结构材料在实际使用过程中比不锈钢材料轻，因此受到广泛应用于航空航天产品结构件。镁合金熔炼过程中需要保护气体，使用保护气体质量高低直接决定材料性能，与其工艺与制备有直接关系，，所以需要加强镁合金熔炼用保护气体的制备与工艺研究。云贵高原的海拔在1000-3000m，年平均气温在5-28℃之间，属于典型的亚热带季风气候，目前，尽管国内外镁合金铸造工艺取得了较大发展，但云贵高原气候特殊性，应调整有关工艺参数，并以此为前提开展相应工艺方案探究工作。在云贵高原环境下对镁合金熔炼用保护气体的制备与工艺进行研究，具有重要意义。

1. 镁合金制备的主要化学反应

第一步：镁与氧

2Mg+02→2Mg0

镁和氧发生化学反应，生成的氧化膜也比较疏松。当温度在500℃以上时会加快氧化速度，液态镁与氧结合会产生非常强的氧化反应，并且出现燃烧现象释放出诸多热量，而产物MgO层的绝热性能良好，热量产生时释放速度非常慢，所以此时温度逐渐升高，而当温度升高后又加剧了镁的氧化，使镁产生剧烈燃烧。此現象反复几次后，反应界面温度上升，甚至达到2850℃，而这时会使镁产生大量气化，燃烧越来越激烈最后出现爆炸的现象。

第二步，镁与水

Mg+H20→MgO+H2↑

Mg+2H20→Mg（0H）2+H2↑

液体镁与水相遇会形成以上两种反应，并且产生很多热量，此时生成物为氢和四周空气中的氧快速反应，液态水受热后被快速汽化，所以会出现非常强的爆炸现象，使镁液体四处飞溅。

第三步，镁与氮气

3Mg+N2→Mg3N2

室温环境下镁和氮气接触反应所产生的化学反应速度非常缓慢，而当镁是液体状态时，反应速度很快，同时生成Mg3N2膜无法预防镁的蒸发。因此，氮气无法防止镁熔体燃烧与氧化。

第四步，镁与硫（二氧化硫）

Mg+S→MgS

液态镁和硫（S）接触会产生化学反应，硫会蒸发成蒸汽，同时液体镁表面生成紧密的MgS膜，若空气中硫与镁遇到，不仅会产生以上反应还会使硫蒸汽和氧生成产物SO2，液体镁和SO2遇到时会产生以下化学反应。

3Mg+SO2→2Mg0+MgS

4Mg+2SO2→4MgO+2S

其中产物2Mg0+MgS复合表面膜相对较为严密，因此可以起到减缓液态镁氧化的作用，而当温度超过750℃时，该膜会失去保护功能，SO2和液态镁发生非常猛烈的化学反应生成大量硫化物。

2. 镁合金熔炼保护方法

镁合金防氧化燃烧最开始应用熔剂对其进行保护，可以防止镁和氧或者水蒸气发生化学反应，同时还可以防止镁合金燃烧。而SF6存在于空气中的时间比较久，可以达到3200年左右，其温室效应力是二氧化碳二万多倍，全球环保需求越来越严格之后，此混合气体保护工艺速度受限并且被其他气体所取代。所以，世界各国开始花费更多的人力和物力来探究新型保护办法。

镁合金防氧化燃烧还有一种手段就是在镁合金中加入合金元素，可以有效处理氧化燃烧合金。之后日本和我国都做过此类研究此方法可以很好的保护环境、确保镁合金质量以及减少生产成本等，是现阶段国际上最好的保护办法。

3. 云贵高原环境下镁合金熔炼用保护气体的工艺制备方案

3.1 镁合金熔炼用保护气体制备工艺

就镁合金熔炼来说，对混合保护气体配比浓度与流量有非常严格需求，特别是SF6体积比例做出非常准确的掌控。已有供气设备应用流量计包含SF6受到把控与载流气体流量，之后在进行混合输出，而由于SF6流量远小于载流气体流量，所以两者差值较大，并且应用流量计掌控全程相对较为繁杂，SF6流量把控精度不高，载流气体流量非常大，经常调节会对应用寿命产生不良影响。云贵高原气候环境下设计的混合方案如图1所示。此方案保护气体制备系统有以下两三点：第一，SF6供气管路可以将SF6进行输入，同时还可以对其流量进行把控与测验;第二，PLC把控装置与载流气体供气管路、SF6供气管路进行有效连接，依据载流气体供气管路指出的载流气体流量，SF6供气管对SF6流量的调节进行把控，确保载流气体与SF6的混合气体中SF6百分比最小值为0.1%，最大值为0.3%。

3.2 镁合金熔炼用保护气体的工艺制备方案验证

设备安装调节测试后，铸造车间做好验证设备符合镁合金熔炼要求的具体方案。依据设计需求使用PLC把控系统设置完整的保护气体浓度在操作界面上，所提供的保护气体当中SF6浓度出现变化，使镁合金铸造熔炉内产生相应的燃烧变化。

实验设定在700℃条件下进行，当载流气体流量是20.01L/min，SF6相对浓度比是0.15，载流气体的真实流量达到19.16L/min，SF6真实流量是25.01mL/min，各时间段保护结果如图2所示，炉内镁合金熔体表面出现大面积燃烧，对保护结果产生不良影响。

4.结论

综上所述，本文通过对镁合金制备的主要化学反应展开深入研究，然后详细分析镁合金熔炼保护方法，最后阐述云贵高原环境下镁合金熔炼用保护气体的工艺制备方案，旨在为高原环境下镁合金熔炼用保护气体工作得到有效保证。

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