新型鎂熔體氣體保護技術(shù)基礎(chǔ)研究.pdf

1、目前，鎂合金熔體的高溫阻燃保護介質(zhì)主要是由反應(yīng)成膜氣體SF<,6>和載流氣體N<,2>混合而成的保護氣體。本文在深入分析鎂熔體氧化燃燒與阻燃機制的基礎(chǔ)上，圍繞現(xiàn)有氣體保護成本高、SF6污染環(huán)境的問題展開低成本載流氣體技術(shù)和SF<,6>替代氣體基礎(chǔ)研究。從阻燃保護原理和保障熔體冶金質(zhì)量的角度出發(fā)，本文在HFCs類氣體中優(yōu)選HFC-125 作替代SF<,6>的重點研究對象；針對外購瓶裝N<,2>的高成本問題，提出了將空氣中的O<,2>轉(zhuǎn)化為

2、CO<,2>、經(jīng)濟制備N<,2>+CO<,2>載流氣體的“在線發(fā)生”技術(shù)線路。經(jīng)理論和技術(shù)基礎(chǔ)研究，獲得以下成果： 1) 用HFC-125+N<,2> 與SF<,6>+N<,2>和HFC-152a+N<,2>的對比阻燃保護實驗表明： 第一、在常見鎂合金熔鑄溫度范圍內(nèi)，對應(yīng)不同載流氣體流量總存在一個最低HFC-125濃度，當大于此濃度時鎂熔體不會燃燒。這個最低濃度值隨載流氣體流量增大而降低，隨溫度升高而增大。 第二

3、、HFC-125+N<,2> 氣氛可持續(xù)為鎂熔體提供有效阻燃保護，并且熔體表面攪動不會對保護效果產(chǎn)生實質(zhì)影響。 第三、以N<,2>為載流氣體時，HFC-125能為鎂熔體提供有效阻燃保護所需的最低濃度和體積流量與SF<,6>相近，但低于HFC-152a。因此，可以用HFC-125替代SF6。 2) 對HFC-125氣氛下不同存在時間的表面膜進行的形態(tài)觀察、成分檢測和厚度估測表明： 第一、HFC-125與鎂熔體反應(yīng)生

4、成由MgF<,2>、無定型C和MgO組成的連續(xù)致密復(fù)合表面膜，并闡明了保護氣體與熔體的交互作用和成膜阻燃機理。 第二、在HFC-125+N<,2>氣氛下，MgF<,2>相在膜/氣體界面上的生長是表面膜主要生長機制，MgF<,2>相含量增加導(dǎo)致膜不斷生長變厚，厚度與成膜時間呈近似對數(shù)關(guān)系： H<,1>=0.3239ln(t)+2314式中：H<,1>-膜厚度[μm]，t-時間[min]。 第三、發(fā)現(xiàn)了在HFC-125+N<

5、,2>保護氣氛下，鎂熔池表面膜在增厚的過程中會產(chǎn)生小尺度微裂紋，但隨即在暴露鎂熔體表面形成的保護膜有效抑制了鎂熔體的氧化，維持了氣氛的阻燃效果；并闡述了其機理。 3) 提出了載流氣體“在線發(fā)生”的技術(shù)線路，并對載流氣體“在線發(fā)生”涉及的微小、非高速“空氣一炭粉”兩相流燃燒系統(tǒng)進行了數(shù)值模擬和實驗驗證，取得以下成果： 第一、確定了在線發(fā)生系統(tǒng)的“空氣過剩系數(shù)”、“顆粒大小”、“反應(yīng)器直徑”、“反應(yīng)區(qū)高度”等主要工藝參數(shù)對“

6、炭粉—空氣”兩相流燃燒行為的影響呈下述規(guī)律：對產(chǎn)物氣體 CO<,2>濃度的影響程度：空氣過剩系數(shù)>顆粒大小>反應(yīng)器直徑>反應(yīng)器高度，其中，空氣過剩系數(shù)的影響規(guī)律可表示為：ξ=-18.25α+39.414式中：ξ-產(chǎn)物氣體中CO<,2>濃度[vol.％]，α-空氣過剩系數(shù)對炭粉燃燼程度的影響程度：反應(yīng)器高度>反應(yīng)器直徑>空氣過剩系數(shù)>顆粒大小，其中，反應(yīng)器高度的影響規(guī)律可表示為：θ=10<'-6>y<'2>-0.002y+1.1995式中

7、：θ-殘留碳濃度[kg/m<'3>]，y-反應(yīng)器高度[mm]。 第二、在線發(fā)生系統(tǒng)工藝參數(shù)最優(yōu)化值：炭粒大小100～250um、反應(yīng)器高度1000mm、反應(yīng)器直徑200mm、空氣過剩系數(shù)1.05。 4) 用“在線發(fā)生”的載流氣體+HFC-125 與瓶裝 N<,2>+HFC-125 進行對比實驗和檢測結(jié)果表明： 第一、“在線發(fā)生”載流氣體+HFC-125 的混合氣體可為鎂熔體提供持續(xù)有效的阻燃保護，其阻燃保護能力比

8、瓶裝N<,2>+HFC-125氣體稍強；證實了載流氣體“在線發(fā)生”技術(shù)線路的可行性和優(yōu)越性。 第二、在線發(fā)生載流氣體+HFC-125的混合氣體能為鎂熔體提供更佳阻燃保護的機理是：在線發(fā)生載流氣體中含有大量CO<,2>和微量SO<,2>，強化了 HFC-125 的阻燃效果。 第三、“在線發(fā)生”載流氣體+HFC-125的氣氛下，表面膜厚度與存在時間之間呈近對數(shù)關(guān)系(如下式)，與N<,2>+HFC-125氣氛下的膜相似。 H<