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鎂合金氣體保護(hù)熔化澆注及安全技術(shù)研究

文檔作者：查吉利		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年06月21日
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重慶大學(xué)
碩士學(xué)位論文
鎂合金氣體保護(hù)熔化澆注及安全技術(shù)研究
姓名：查吉利
申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別：碩士
專業(yè)：材料加工工程
指導(dǎo)教師：龍思遠(yuǎn)
20050501
重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文中文摘要
I
摘要
鎂合金作為現(xiàn)在最輕的商用金屬結(jié)構(gòu)材料，具有比重輕、高比強(qiáng)度、高比剛
度，減振吸噪能力強(qiáng)、良好的電磁屏蔽能力和鑄造性能等一系列獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。隨
著我國(guó)汽車、摩托車及信息通訊、航空航天、手動(dòng)工具等產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，鎂合
金的生產(chǎn)應(yīng)用越來(lái)越受到人們的重視。由于95%左右的鎂合金是以壓鑄件的形式進(jìn)
入應(yīng)用領(lǐng)域的，由高性能壓鑄機(jī)和鎂合金連續(xù)熔化澆注爐組成的鎂合金壓鑄單元
也隨著鎂合金應(yīng)用的日益增長(zhǎng)而享有日益增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求。
由于鎂合金易于氧化燃燒的化學(xué)特性，鎂合金氣體保護(hù)熔化澆注技術(shù)是鎂合
金生產(chǎn)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一，鎂合金氣體保護(hù)熔化澆注系統(tǒng)也成為鎂合金壓鑄生
產(chǎn)的關(guān)鍵裝備。目前，我國(guó)沒(méi)有很好掌握相關(guān)技術(shù)及具備熔爐的生產(chǎn)能力，壓鑄
鎂合金單元所需熔爐主要依賴進(jìn)口。
本文以形成擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的鎂合金熔化澆注技術(shù)為目標(biāo)，系統(tǒng)研究氣體
保護(hù)壓鑄鎂合金熔化澆注技術(shù)，為國(guó)產(chǎn)鎂合金熔爐設(shè)計(jì)和生產(chǎn)奠定理論基礎(chǔ)。
本文在深入研究了鎂合金氧化燃燒機(jī)理和爐子的熱平衡理論的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)
建立了包括熔體氣體保護(hù)、熔化及熔體溫度監(jiān)控、熔體定位定量澆注、鎂合金錠
料預(yù)熱、鎂合金熔體質(zhì)量控制和安全保障等單元技術(shù)理論，為新型氣體保護(hù)壓鑄
鎂合金熔化澆注爐的研究和開(kāi)發(fā)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。
根據(jù)以上的研究結(jié)果，重慶碩龍科技有限公司生產(chǎn)了HS 系列氣體保護(hù)壓鑄鎂
合金連續(xù)熔化澆注爐，部分滿足了我國(guó)鎂合金壓鑄生產(chǎn)對(duì)鎂合金熔化澆注爐的需
求。用戶使用結(jié)果表明：開(kāi)發(fā)的鎂合金熔化澆注裝備能夠?yàn)閴鸿T生產(chǎn)連續(xù)提供冶
金質(zhì)量滿足要求的鎂合金熔體，與進(jìn)口熔爐相比，在性能和可靠性相當(dāng)?shù)那疤嵯拢?
具有明顯的性價(jià)比優(yōu)勢(shì)。
關(guān)鍵詞：鎂合金，熔化，澆注，熔爐，氧化，燃燒，熱傳輸
重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文英文摘要
II
ABSTRACT
Magnesium alloys, as the lightest commercialized metallic structural material at
present, have many advantages, such as high specific strength, high specific rigidity and
good casting capability. With the rapid development of automobile, motorbike,
communication, aviation and elelctric tooling industries in China, more and more
attention has been paid to the application of magnesium alloys. Due to the fact that
more than 95% of magnesium alloys are used in the form of die castings, the demand
for die-casting unit consisting of a high performance die caster and a gas shielded
continuous melting and pouring furnace is gowing rapidly.
Due to their chemical active nature, Mg alloys are prone to oxidation and ignition.
Therefore, the technique and equipment of gas protected melting and pouring of Mg
alloys become part of the key techniques and equipments in Mg production and
application. However, the research and development in this field is backward in China,
and the Mg melting and pouring furnaces for die-casting are almost all imported.
Consequently, the present study is devoted to develop a noval gas protected melting and
pouring technique and to establish guide-lines for the design and safety management of
Mg melting and pouring furnace.
To achieve such a goal, the study started with the studies on the oxidation and
ignition mechanism of Mg alloy and heat transfer and temperature control of the furnace.
Then, the principles of unit techniques, such as gas protection, Mg melting and melt
temperature control, furnace positioning and melt metering, ingot preheating, melt
quality control, and furnace operation safety, were studied to lay a sound base for the
design, construction and use of gas shielded Mg melting and pouring furnace for die
casting.
According to the above achievements, the HS series Mg melting and pouring
furnaces for die-casting were design and produced by Chongqing Sino S&amp;amp;T Company
Limited for domestic Mg die casting market. It was proved that supported by the present
theories, the Mg furnaces are capapble of supply to die casters with Mg alloy melt of
high metallurgical quality. Compared with the imported ones, the domestic furnaces
possess significantly specific price and market competence together with the same
safety and quality insurance.
Keywords： Mg alloy, melt, pouring, furnace, oxidation, ignition, heat transfer
重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文1 緒論
1
1 緒論
1.1 引言
資源和環(huán)境已成為 21 世紀(jì)可持續(xù)發(fā)展的首要問(wèn)題。從19 世紀(jì)末到20 世紀(jì)初，
由于人類文明的飛速發(fā)展，金屬材料的消耗與日俱增，一些金屬礦產(chǎn)資源逐漸趨
于枯竭。有些金屬（如銅、鉛、鋅）只能持續(xù)幾十年，有些（如鋁、鐵）也只夠
使用一百年到三百年。我國(guó)是貧銅的國(guó)家，鐵的儲(chǔ)藏量也不是很豐富，鋁土礦的
品質(zhì)不高，從蘊(yùn)藏量和品質(zhì)上講，上面幾種礦產(chǎn)資源我國(guó)都不占優(yōu)勢(shì)。世界鎂礦
資源及其豐富，而鎂作為一種輕質(zhì)工程材料，具有比重輕、高比強(qiáng)度、高比剛度，
以及良好的電磁屏蔽能力、良好的鑄造性能和易于再生利用等一系列獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，
其潛力尚未充分挖掘出來(lái)，開(kāi)發(fā)利用遠(yuǎn)不如鋼鐵、銅、鋁等成熟。在很多傳統(tǒng)金
屬礦產(chǎn)趨于枯竭的今天，加速開(kāi)發(fā)鎂金屬材料是社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的緊迫任務(wù)之一。
鎂是地球上儲(chǔ)量最豐富的輕金屬元素之一，地殼表層的含量為2.3％，鎂在鹽
湖及海洋中的含量也十分巨大。我國(guó)是鎂的資源大國(guó)，菱鎂礦儲(chǔ)量居世界首位，
約27 億噸，占全球儲(chǔ)量的22.5%[1]。此外，在青海鹽湖還有儲(chǔ)量巨大、我國(guó)所獨(dú)
有的廉價(jià)高品質(zhì)鎂資源。鎂合金是21 世紀(jì)綠色金屬結(jié)構(gòu)材料，具有優(yōu)越的比性能
和阻尼吸震降噪特性，在汽車、摩托車上的規(guī)模應(yīng)用能減輕產(chǎn)品重量、減震降噪、
降低油耗和排放污染、提高產(chǎn)品動(dòng)力學(xué)性能。
2004 年我國(guó)原鎂產(chǎn)量保持快速增長(zhǎng)，總產(chǎn)量已達(dá)45 萬(wàn)噸，仍居世界首位，占
全球產(chǎn)量的75%。由于國(guó)內(nèi)還沒(méi)有形成鎂加工產(chǎn)業(yè)體系，應(yīng)用領(lǐng)域的開(kāi)拓更為滯后，
2004 年全國(guó)原鎂產(chǎn)量的85%以上作為初級(jí)原料低價(jià)出口。在國(guó)內(nèi)消費(fèi)的15%原料中，
只有1.8 萬(wàn)多噸用于壓鑄件，其余均作為合金制備等普通用途，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)極不合
理，屬典型的以犧牲資源和環(huán)境為代價(jià)的原料出口型工業(yè)。因此，利用鎂合金的
諸多優(yōu)良特性，推動(dòng)鎂合金在我國(guó)交通工具上的應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)化，是將我國(guó)的鎂合
金資源優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品、技術(shù)優(yōu)勢(shì)的必然途徑。
隨著全球經(jīng)濟(jì)一體化進(jìn)程的加速，降低能源消耗、提高能源利用率、減少環(huán)
境污染以及節(jié)約地球有限資源是當(dāng)今人們所面臨的一個(gè)十分重要而緊迫的問(wèn)題。
制造加工業(yè)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)越來(lái)越迫切考慮產(chǎn)品的輕量化問(wèn)題。因此，我國(guó)汽車、
摩托車等交通行業(yè)的骨干企業(yè)，已經(jīng)結(jié)合具體產(chǎn)品或部件制訂出采用鎂合金的新
產(chǎn)品研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃。
近十余年來(lái)，鎂合金的應(yīng)用領(lǐng)域快速擴(kuò)展，已經(jīng)引起了世界各國(guó)政府的普遍
重視。美國(guó)、德國(guó)、日本和澳大利亞等國(guó)相繼出臺(tái)了各自的鎂研究計(jì)劃，將鎂資
重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文1 緒論
2
源作為21 世紀(jì)的重要戰(zhàn)略物資，加強(qiáng)了金屬鎂及鎂合金在資源、加工、應(yīng)用等方
面的研究開(kāi)發(fā)，并著力擴(kuò)大應(yīng)用數(shù)量和范圍。這些計(jì)劃的共同點(diǎn)都是以產(chǎn)業(yè)化為
目標(biāo)，以技術(shù)集成為特征，以汽車工業(yè)和電子信息工業(yè)為主要用戶，由政府組織
協(xié)調(diào)，以研究單位與生產(chǎn)廠家聯(lián)合開(kāi)發(fā)為主要形式。其中，德國(guó)推出的MADICA 計(jì)
劃最有代表性。該計(jì)劃由德國(guó)5 所大學(xué)、研究所和50 余家企業(yè)聯(lián)合實(shí)施，其目標(biāo)
是解決模具制造、裝備、加工工藝和表面處理等鎂合金鑄件成形過(guò)程的各種關(guān)鍵
技術(shù)難題，建立一套完整的鎂合金壓鑄及加工的工藝規(guī)范。這些計(jì)劃的制定與實(shí)
施極大地推動(dòng)了德國(guó)鎂合金的開(kāi)發(fā)和在交通上的應(yīng)用。
鎂合金產(chǎn)品的加工和應(yīng)用在國(guó)際上近幾年剛剛形成需求市場(chǎng)，主要市場(chǎng)在歐
盟、北美、日本和韓國(guó)等地區(qū)。就鎂合金產(chǎn)品國(guó)際市場(chǎng)需求來(lái)看，市場(chǎng)容量大、
層次多。世界發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)的鎂合金產(chǎn)品生產(chǎn)會(huì)在我國(guó)加入WTO 后會(huì)逐步向我
國(guó)轉(zhuǎn)移，現(xiàn)在應(yīng)是形成鎂合金產(chǎn)品生產(chǎn)應(yīng)用能力、提升鎂合金產(chǎn)品出口附加值的
最好時(shí)機(jī)。因此，一項(xiàng)十分緊迫而艱巨的任務(wù)擺在我們面前：針對(duì)我國(guó)交通鎂合
金生產(chǎn)應(yīng)用技術(shù)落后，生產(chǎn)裝備少、能力弱，產(chǎn)品品質(zhì)低的現(xiàn)狀，從鎂合金在交
通上應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)化急需的關(guān)鍵共性技術(shù)入手，實(shí)施科技攻關(guān)，盡快形成具有獨(dú)立
知識(shí)產(chǎn)權(quán)的鎂合金應(yīng)用技術(shù)，促進(jìn)傳統(tǒng)制造業(yè)的改造，形成一批新興的高新技術(shù)
鎂合金加工產(chǎn)業(yè)，加快在交通領(lǐng)域的應(yīng)用，提高我國(guó)產(chǎn)品的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，帶動(dòng)我
國(guó)鎂資源優(yōu)勢(shì)向產(chǎn)品和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化。
1.2 鎂及其合金的基本知識(shí)
1.2.1 鎂礦資源
鎂是自然界中分布最廣的元素之一，居第八位，在金屬結(jié)構(gòu)材料中僅次于鋁
和鐵居第三位，約占地殼重量的2.35%，如表1.1 所示。在自然界中菱鎂礦石、白
云石礦、海洋及鹽湖中都含有豐富的鎂資源[3]。
表 1.1 地殼中分布最廣的化學(xué)元素的含量[3]
Table 1.1 The content of element on the earth
元 素 含 量（重量%） 元 素 含 量（重量%）
氧 49.13 鈣 3.25
硅 26.00 鈉 2.40
鋁 7.45 鉀 2.35
鐵 4.20 鎂 2.35
菱鎂礦石是碳酸鹽礦物，分子式為MgCO3，理論上含鎂量為26.8%（MgO47.82%，
CO252.18%）。礦物有結(jié)晶形與無(wú)定型兩種。菱鎂礦幾乎許多國(guó)家都有，如中國(guó)，
重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文1 緒論
3
前蘇聯(lián)、挪威、印度等，世界最大的菱鎂礦礦床位于我國(guó)遼寧東南部。
白云石是碳酸鎂與碳酸鈣的復(fù)鹽，分子式為MgCO3·CaCO3，理論含鎂量為13.2%
（MgO 21.8%、CaO 30.4%、CO2 48.8%）。天然白云石有結(jié)晶型與無(wú)定型兩種，分
布最廣，幾乎各國(guó)都有。
光鹵石是氯化鎂與氯化鉀的含水復(fù)鹽，分子式為KCl·MgCl2·6H2O。理論含鎂
量為8.8%（MgCl234.5%、KCl26.7%、H2O38.8%）。世界上最大的光鹵石礦床在前蘇
聯(lián)的烏拉爾和德國(guó)的艾利貝區(qū)，我國(guó)西北鹽湖也有大量光鹵石。
海水和鹽湖水中所含的 MgCl2 經(jīng)富集，再經(jīng)過(guò)去雜質(zhì)后，即可作為生產(chǎn)金屬鎂
的原料。自然界中以可溶性狀態(tài)存在的鎂鹽數(shù)量很大，1 公斤海水中平均含3.8 克
MgCl2，1.7 克MgSO4、0.1 克MgBr2，鹽湖中可溶性鎂鹽比海水濃得多，以美國(guó)鹽湖
水為例，其成分為：3.0%MgCl2，14.0%NaCl、9.0%CaCl2、0.2%NaBr。
1.2.2 鎂合金的特點(diǎn)
鎂是實(shí)用金屬結(jié)構(gòu)材料中最輕的金屬，具有容易再生的特性，作為取代塑料、
鋁和鐵的新材料受到關(guān)注。鎂的加工歷史有近100 年，由于鎂合金落后的保護(hù)熔
化澆注技術(shù)、原材料品質(zhì)低下而價(jià)格高企，導(dǎo)致鎂合金鑄件易腐蝕且價(jià)格高，一
直沒(méi)有得到廣泛使用。近十余年來(lái)，隨著高純度鎂合金的開(kāi)發(fā)、中國(guó)鎂生產(chǎn)成本
的降低、世界能源的日漸減少，鎂又重受青睞。鎂合金具有以下特點(diǎn)[54]：
1) 最輕的商用金屬結(jié)構(gòu)材料。鎂的比重大約是鋁的2/3，是鐵的1/4，是現(xiàn)
有商用金屬結(jié)構(gòu)材料中最輕的金屬。在追求輕量化的行業(yè)（如便攜式的器械和汽
車行業(yè)）中有很好的前景。
2) 高比性能。鎂合金的比強(qiáng)度要高于鋁合金和鋼/鐵、但略低于比強(qiáng)度最高
的纖維增強(qiáng)塑料;其比剛度與鋁合金和鋼/鐵相當(dāng),但卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于纖維增強(qiáng)塑料。鎂
的彈性模量較低，約為鋁的60％，鋼的20％，當(dāng)受同樣外力時(shí)，鎂合金結(jié)構(gòu)件能
夠產(chǎn)生較大的彈性變形，因此鎂合金被用于制造飛機(jī)起落架輪轂和賽車的輪轂。
3) 電磁波屏蔽性好。鎂合金是非磁性金屬，電磁波屏蔽性能比在塑料上電鍍
屏蔽膜的效果好，因此，使用鎂合金可省去電磁波屏蔽膜的電鍍工序。
4) 良好的鑄造性能：在保持良好的部件結(jié)構(gòu)條件下，鎂合金鑄造制品的壁厚
可以<0.6mm，這是塑膠制品在相同強(qiáng)度條件下無(wú)法達(dá)到的，就是鋁合金制品也只
能在1.2～1.5mm 范圍內(nèi)才可與鎂合金制品相媲美。
5) 鑄模生產(chǎn)率高：與鋁合金相比，鎂合金的單位熱含量更低，這意味著它可
在模具內(nèi)能更快速地凝固。一般地，鎂合金的生產(chǎn)率比鋁合金高出40%～50%，最
高可達(dá)壓鑄鋁的2 倍。
6) 尺寸穩(wěn)定性：在100℃以下，鎂合金可以長(zhǎng)時(shí)間保持其尺寸的穩(wěn)定性(事實(shí)
上幾乎觀察不到工件尺寸的變化)；不需要退火和消除應(yīng)力就具有尺寸穩(wěn)定性是鎂
重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文1 緒論
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合金的一個(gè)很突出的特性,其體積收縮僅為6%，是鑄造金屬中收縮量最低的一種，
冷卻至室溫的線收縮為2%左右；在負(fù)載情況下，還具有良好的蠕變強(qiáng)度，這種性
能對(duì)制作發(fā)動(dòng)機(jī)零件和小型發(fā)動(dòng)機(jī)壓鑄件具有重要意義。
7) 機(jī)械加工性能好。鎂合金的切削阻力較小，其切削阻力為鋁合金的1/3、
鋼的1/10，所以在機(jī)械加工時(shí)，切削速度大，切削加工時(shí)間短，工具使用壽命長(zhǎng)。
8) 抗沖擊性好、耐凹陷性高。和工程塑料相比，鎂合金對(duì)沖擊能量吸收性能
好，受到?jīng)_擊后，能吸收沖擊能量而不會(huì)產(chǎn)生斷裂，由沖撞而引起的凹陷也較小。
因此鎂合金可以替代工程塑料如家電，手機(jī)，筆記本電腦上使用。
9) 減振吸噪性能好。由于鎂合金的阻尼系數(shù)大，對(duì)振動(dòng)能量的吸收性能好，
使用在驅(qū)動(dòng)和傳動(dòng)的部件上可減少振動(dòng)和噪音。
10) 抗蠕變性能好。與工程塑料比，鎂隨著時(shí)間和溫度的變化在尺寸上蠕變
少，尺寸精度高。
11) 良好的耐蝕性：在大氣中，鎂具有很好的耐蝕性，比鐵的耐蝕性好。如
高純鎂合金AZ91D 的耐蝕性比低碳鋼要好得多，已超過(guò)壓鑄鋁合金A380；另外，
鎂合金中的鈹和鈣可提高其耐蝕性，而鎂合金中的鐵、鈷、鎳、銅、硅的存在卻
大幅度降低了其耐蝕性。
12) 高散熱性：鎂合金具有高的散熱性，很適合現(xiàn)今利用其設(shè)計(jì)制作元件密
集的電子產(chǎn)品。因?yàn)殒V合金的導(dǎo)熱能力是ABS 樹(shù)脂的350～400 倍，因此在制作電
子產(chǎn)品外殼或零部件時(shí)，應(yīng)綜合考慮其結(jié)構(gòu)及熱傳導(dǎo)特性，使其充分發(fā)揮散熱功
能，將CPU 等電子零部件產(chǎn)生的熱量及時(shí)排出。
13) 低熱容量：鎂合金的熱容量比鋁合金小，因此不容易粘燒在模具上，延
長(zhǎng)模具壽命。
14) 易于再生利用。鎂合金與塑料不同，它可以簡(jiǎn)單地再生使用且不降低其
機(jī)械性能，而塑料很難在不降低其機(jī)械性能再生使用。鎂合金與其他金屬相比，
熔點(diǎn)低，比熱小，在再生熔解時(shí)所消耗的能源是新材料制造所消耗的能源的4%。
另外，鎂合金還具有抗疲勞性、無(wú)毒性、無(wú)磁性和較低的裂紋傾向性、不易
破裂性等特點(diǎn)，可適合于某些特定領(lǐng)域。
1.3 鎂合金的應(yīng)用前景
1.3.1 鎂合金在交通工具上的應(yīng)用
世界交通運(yùn)輸工具的總趨勢(shì)是輕量化，以達(dá)到節(jié)能降耗、改善動(dòng)力性能的目
的。選用輕質(zhì)材料（如鎂、鋁、工程塑料等，如表1.2 所示）代替鋼鐵，是減輕
汽車自質(zhì)量的有效方法。
若能減少 10%，則其燃油經(jīng)濟(jì)性可提高3～4%；鎂件量達(dá)到70 公斤，CO2排放
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5
量可以減少10%，而且可以提高其整體動(dòng)力性能和操作性能；由于鎂合金阻尼大、
減振性能好的特點(diǎn)，用于交通工具的動(dòng)力、傳動(dòng)系統(tǒng)和座椅等部件上可以大大降
低振動(dòng)、提高駕駛舒適性；由于鎂合金抗沖擊性好、耐凹陷性高的特點(diǎn)，用于如
轎車儀表盤(pán)等可能在發(fā)生事故時(shí)受到?jīng)_擊而危害駕駛者的部件，可以減少駕駛員
的傷害達(dá)到提高安全性的目的[5]～[9]，因此自上個(gè)世紀(jì)以來(lái)，鎂合金在交通工具尤
其是汽車上已經(jīng)得到了率先利用，而且這種趨勢(shì)正在直線增長(zhǎng)，如表1.3 和圖1.1
所示[10-12]：
表 1.2 交通工具用結(jié)構(gòu)材料的性能比較[4]
Table 1.2 Properties comparison of structural material for automobile
材料
密 度
g/cm3
彈性模量
GPa
比彈性模量
拉伸強(qiáng)度
Mpa
比拉伸強(qiáng)度
導(dǎo)熱系數(shù)
W/MK
減振系數(shù)
鋼鐵 7.87 208 24.3 600～1000 76～127 80 10～17
Al 合金 2.7 70 25.9 200～400 74～148 247 2～5
工程塑料 1.5～2.0 15～25 10～12.5 100～120 50～60 20～50 n.a.
Mg 合金1.74 45 25.86 170～300 100～172 157 30～60
鎂合金方向盤(pán)
骨架及轉(zhuǎn)向柱
鎂合金坐椅框架
鎂合金進(jìn)氣歧管
鎂合金減速箱殼
圖 1.2 汽車上應(yīng)用的鎂合金件實(shí)物圖
Fig.1.2 The magnesium parts of automobile
圖1.1 鎂合金件在汽車上的應(yīng)用示意圖[5]
Fig.1.1 The used magnesium parts of automobile
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表1.3 汽車上所用的部分鎂合金零件[5][10]
Table 1.3 The used magnesium parts for automobile
公司名稱零 部 件 名 稱 車 型 合金牌號(hào)
離合器、油槽、轉(zhuǎn)向支柱盤(pán) Ranger
AZ91HP、
AZ91B
四輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)箱座 Awrostar1994 AD91D
福特
手動(dòng)排擋箱座 Bronco AD91D
閥蓋、空氣凈化器、手動(dòng)離合
器座
Corvette AZ91HP
進(jìn)氣閥蓋 Nor Star V-8 1992 AD91D
離合器踏板、剎車踏板、
轉(zhuǎn)向盤(pán)支柱固定架
“W”O(jiān)ldsmobile、Pontiac、
Buick
AD91D
通用
儀表盤(pán)軸 Grand Prix AM60
驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)固定架、油槽 Jeep1993、Viper ?
克萊斯勒
轉(zhuǎn)向盤(pán)支柱固定架 LH midsize1993 ?
奔馳 座椅支架 500SL AM20/50
阿爾法－羅密
歐
各種零件（45Kg） GTV AZ91B
氣缸頭蓋 City Turbo AZ91D
本田
輪轂（單重 5.9kg） Prelude AM60B
豐田轉(zhuǎn)向盤(pán) Lexus AM60B
各種零部件（53kg） 911 ?
PorsecheAC
輪轂（單重7.44kg） 944 Turbo AZ91D
大眾發(fā)動(dòng)機(jī)（14kg） Lupo AMC-SC1（新）
變速箱上下箱體延伸體中型車 ?
長(zhǎng)安 方向盤(pán) 微車 ?
缸罩 轎車 ?
1.3.2 鎂合金在電子產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用及其發(fā)展前景
隨著家電產(chǎn)品往輕薄短小方向發(fā)展，以及各種要求零故障的便攜式通迅設(shè)備
需求量大增，再加上對(duì)電磁相容(EMC)及環(huán)?；厥找蟮奶岣?，鎂合金壓鑄業(yè)逐漸
被電子業(yè)人士看好。過(guò)去使用塑料或鋁合金的電子產(chǎn)品，如筆記本電腦、磁盤(pán)機(jī)、
數(shù)碼相機(jī)、數(shù)碼攝錄機(jī)、MD 機(jī)、手機(jī)等，現(xiàn)已逐步轉(zhuǎn)用鎂合金材料：例如用鎂鑄
材料制成的筆記本電腦，會(huì)更小、更薄、更輕；鎂鑄材料可阻擋電磁輻射，保護(hù)
用戶健康。目前許多手機(jī)廠商用鎂鑄材料手機(jī)外殼替換塑料外殼；用外部處理技
術(shù)將鎂鑄材料處理成不同顏色、不同質(zhì)地的材料，用于高檔電信和電腦產(chǎn)品。目
前日本及歐美有越來(lái)越多的廠家開(kāi)始采用鎂合金制造家電產(chǎn)品機(jī)殼。
鎂合金在家電中的應(yīng)用詳見(jiàn)下表 1.4。
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表1.4 鎂合金在家電產(chǎn)品的應(yīng)用實(shí)例[53]
Table 1.4 The used magnesium parts of house wiring[53]
廠 家 產(chǎn) 品 上市時(shí)間
Absoiu Technologies 多媒體數(shù)字公用電話1996
Apple Power Book Duo 1993
Compaq Armada 4100,3500,7400 系列筆記本電腦1998
Ericsson ＣＦ系列ＧＳＭ移動(dòng)電話 1997
Field Works ＦＷ5000 筆記本電腦 1997
Gateway Solo3100 筆記本電腦1998
Hewlett Packard Omnibook Sojourn 筆記本電腦1998
Husky FC-486 筆記本電腦1995
影碟機(jī)、筆記本電腦1987
ＩＢＭ Think Pad710T 筆記本電腦 1993
Rs/6000-n40 筆記本電腦1994
Itronix X-6000 Cross Count 筆記本電腦1995
Lontron Electronik IP Lite，IN Lite 工程筆記本電腦1997
Nokia 2190 PCS-1900，1610 GSM 移動(dòng)電話1996
Polaroid PDC-2000 數(shù)字相機(jī)1997
Proxima Ultralight LS1 液晶投影儀1998
Stealth Computer Warrior LR 筆記本電腦1996
Ｐ1000 筆記本電腦1994
Tadpole Technology ALPHAbook1 筆記本電腦 1995
SPARCbook Server 1996
Telxon PTC-1194 筆記本電腦1998
歐
美
Texas Instruments Travelmate 6000 筆記本電腦
Canon CA11 數(shù)字?jǐn)z影機(jī)1998
Casjo Ａ-20 掌上型電腦
ＱＶ-70 數(shù)字相機(jī)
Fuji DS-300，DS-330 數(shù)字相機(jī)1997/98
IBM(Japan) PS55 T22SX筆記本電腦 1992
Think Pad 系列筆記本電腦1993
Kenwood DMC-G5 MD player 1996
Kyocera Contax RTS III 單眼相機(jī)1990
Mitsubishi Pedion 筆記本電腦1997
光碟機(jī)1997
NEC MobioNX筆記本電腦 1997
LaVieNX 筆記本電腦1998
Nikon 8·32SE,CF 雙眼望遠(yuǎn)鏡1998
Olympus D-220L,320L 數(shù)字相機(jī)
Ｄ1000 數(shù)字錄音機(jī)
Ｖ41 筆記本電腦1994
日
本
Panasonic CF-25,CD-35 ,CF-62,CF6 筆記本電腦1997
重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文1 緒論
8
SJ-MJ5,SJ-MJ7 MD player 1997
NV-DDS5,DS7,C1,DJ100 1997
A-D700 數(shù)字?jǐn)z影機(jī)1998
Tough Book 27,45,71 筆記本電腦1998
Let’s notemini/S21 筆記本電腦1998
Panasonic
21 寸電視機(jī)1998
Ricoh GR-1 相機(jī)
Sanyov VPC-X300 數(shù)字相機(jī)
Sharp MD-SS70 MD player VL-PD1,VL-EF1數(shù)字相機(jī) 1997/98
Mebius 筆記本電腦, Pc-PJ 筆記本電腦1998
DCR-VX1000，VX9000，DSF-220 數(shù)字?jǐn)z影儀1995-98
MZ-E50 ,MZ-E35 MD player 1996/98
DCR-PC7，CCD-CR1，DSCMD1 數(shù)字相機(jī)1996/98
DCR-PC10，DCR-PC100 數(shù)字相機(jī)1997
CCD-TR555 H18 攝影機(jī)1997
MDR-F1 立體聲耳機(jī)1997
TCD-D100 DAT Walkman 1997
VAIOPCG-505 系列筆記本電腦1997
DNW-A220 攜帶式攝像編輯器1998
Sony
VPL-SC50U 液晶投影機(jī)1998
T4700, T4900 筆記本電腦1993
Tecra, Portage 7000 CT 7010 系列筆記本電腦1996/98
Libretto50, Portage 300 筆記本電腦1997
Toshiba
Dynabook SS3000 筆記本電腦1998
日
本
Vicor/JVC GR-DVL, DVX, DVVY 數(shù)字?jǐn)z影機(jī)1997/98
1.3.3 鎂合金在國(guó)防及航空航天中的應(yīng)用及前景
因?yàn)轱w機(jī)的重量直接影響到它的機(jī)動(dòng)性能和油耗（如表1.5），而空間站和衛(wèi)
星的重量決定了對(duì)運(yùn)送工具的要求和運(yùn)送的花費(fèi)，所以航空航天要求所用材料的
質(zhì)地要輕，具有盡可能低的密度。另外，航空航天產(chǎn)品要求材料具有足夠的剛度，
其影響某些部位的振動(dòng)性能，比如飛機(jī)的機(jī)翼，很好的減振性能，以及高的熱導(dǎo)
率。
鎂及鎂合金具有許多優(yōu)于其他常用金屬材料的性能，如高比強(qiáng)度、高比剛度、
好的減振性能、優(yōu)良的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性、良好的尺寸穩(wěn)定性和電磁屏蔽性等，使
其在航空航天工業(yè)中的具有廣闊的應(yīng)用前景。適用于飛機(jī)、航天器的輕質(zhì)外殼、
表1.5 重量每減少1 磅所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益[15]
Table 1.5 The benefit of using magnesium parts
用 途 商用飛機(jī) 軍用飛機(jī) 航天器材
節(jié)省費(fèi)用 300 美元 3000 美元30000 美元
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9
蒙皮、減振系統(tǒng)元件以及其他構(gòu)件，如圖1.3 所示。
另外，鎂及其合金被廣泛地應(yīng)用于國(guó)防、航空航天產(chǎn)品中。如法國(guó)塞德航空
公司超級(jí)弗雷隆直升機(jī)的鎂合金齒輪箱，鑄件由Mg-Zn-RE-Zr 合金ZE41 制成。加
銀的鎂合金可以使時(shí)效強(qiáng)化的Mg-RE-Zr 合金較低的拉伸性能得到顯著提高，在航
空和航天方面已有一系列應(yīng)用，例如飛機(jī)著落輪，齒輪箱蓋和直升機(jī)水平旋翼附
件。在輕兵器方面，法國(guó)早期生產(chǎn)的MK50 反坦克槍榴彈部分零件采用鎂合金及鋁
合金。未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)要求機(jī)動(dòng)性和快速反應(yīng)，減輕武器裝備重量是未來(lái)武器裝備發(fā)展
方向之一，如坦克作戰(zhàn)系統(tǒng)未來(lái)乘員在2～3 人，重量(15～20)t，為現(xiàn)役坦克的
1/3，能行駛30 天或1500km 不加油，是現(xiàn)役坦克的3 倍，便于運(yùn)輸。減輕重量的
途徑除結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)外，就是部分采用輕合金。法國(guó)AMX-13 輕型坦克，AMX-13 裝甲救
護(hù)車，采用輕合金缸體、缸蓋；美國(guó)M551 謝里登輕型坦克/偵察車，變速箱體為
鋁-鎂合金材料制成。隨著鎂及其合金熔煉及制造技術(shù)的不斷提高，在坦克和裝甲
部分結(jié)構(gòu)件、導(dǎo)彈殼體和尾翼等方面將得到廣泛使用[52]。
1.3.4 鎂合金在手持工具上的應(yīng)用[54]
目前鎂合金在國(guó)外手持工具的應(yīng)用如火如荼，包括各種打蠟機(jī)、射釘槍、打
磨機(jī)、電鉆、砂帶機(jī)、角磨機(jī)、割草機(jī)、電動(dòng)剪刀、切割機(jī)、沖擊鉆、摩托鋸、
壓力鉆、研磨機(jī)、磨砂機(jī)等眾多品種。鎂合金為何能在手持工具上具有如此廣泛
的應(yīng)用，其主要原因有四個(gè)方面：其一是鎂合金具有很高的減振性能，在相同載
荷下減振能力是硬鋁的100 倍，因此在手持這對(duì)于增強(qiáng)手持工具操作的舒適性，
提高其部件運(yùn)行的穩(wěn)定性大有裨益。其二是鎂合金的輕量特性能減輕這些手持工
具的重量，以便于操作、攜帶和運(yùn)輸。其三是鎂合金具有很好的易鑄造性和尺寸
穩(wěn)定性，能鑄造出比鋁合金更精密的手持工具部件，以達(dá)到減少運(yùn)行噪音、減少
公差磨損、提高使用壽命的目的。其四是鎂合金具有很好的耐凹陷性能和抗劃傷
圖1.3 美國(guó) B-36 轟炸機(jī)用鎂合金的情況（陰影部分）[15]
Fig.1.3 The used magnesium parts of B-36
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10
能力，即使長(zhǎng)期使用也能歷久常新。因而國(guó)外的許多手持工具制造商都把鎂合金
部件作為一大賣(mài)點(diǎn)，并在顯著位置標(biāo)注“Magnesium”字樣，甚至還推出了不少“鎂
合金型”手持工具，同時(shí)這些產(chǎn)品的價(jià)格比相同型號(hào)鋁合金版本的價(jià)格要高出許
多。國(guó)內(nèi)只有臺(tái)灣目前在生產(chǎn)手持工具的鎂合金部件，主要產(chǎn)品是電鉆和射釘槍
的外殼。
1.3.5 鎂在其它產(chǎn)品上的應(yīng)用[10]
照明器制造：由于鋁含量超過(guò)30%的鎂－鋁合金細(xì)粉在燃燒時(shí)能發(fā)出極明亮的
白光，故鎂的第一個(gè)工業(yè)用途就是用于照明器、煙火和燃燒彈制造。
冶金：在冶金工業(yè)中，鎂的用途很廣：生產(chǎn)球墨鑄鐵時(shí)作球化劑用、鋼的冶
煉中用于脫硫、在鋁合金中加入鎂改善強(qiáng)度和抗腐蝕性、在防腐蝕領(lǐng)域中用作犧
牲陽(yáng)極，等等。
化工：在著名的Grignard 法生產(chǎn)金屬有機(jī)化合物中，就必須使用鎂；在潤(rùn)滑
油中作中和劑用；制氣時(shí)用于氬氣和氫氣提純；用于生產(chǎn)氫化硼、氫化鋰和氫化
鈣等。
1.4 鎂合金生產(chǎn)應(yīng)用中的技術(shù)難題
鎂合金具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，在眾多行業(yè)領(lǐng)域里都有廣闊的應(yīng)用前景和市場(chǎng)。
但是，也應(yīng)該看到，鎂合金在我國(guó)的規(guī)模應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化過(guò)程中，也存在著一些制
約因素和技術(shù)難題，這些問(wèn)題的解決與否，將直接影響鎂合金的應(yīng)用。
1.4.1 鎂合金的熔化澆注技術(shù)
鎂合金化學(xué)性能活潑，與氧的親和力大，氧化膜不具保護(hù)性，在高溫下會(huì)產(chǎn)
生激烈的氧化反應(yīng)，尤其在溫度高于其熔點(diǎn)時(shí)，鎂熔體遇氧就會(huì)發(fā)生激烈燃燒甚
至爆炸。鎂合金的95%以上以鑄件形式進(jìn)入各應(yīng)用領(lǐng)域，鑄造工藝就一定需要鎂合
金的熔化及澆注，因此鎂合金高溫熔化澆注技術(shù)是鎂合金的生產(chǎn)和應(yīng)用中首要的
技術(shù)難題。
1.4.2 鎂合金的特色加工技術(shù)
每一種材料都有自己獨(dú)特的性質(zhì)，都需要針對(duì)其材料性質(zhì)研究開(kāi)發(fā)相應(yīng)的加
工制造技術(shù)和裝備，鎂合金也不例外，比如鎂合金具有熱容低、凝固潛熱小，就
需要在壓鑄過(guò)程中快速澆注，高速充型；在低溫（小于250oC）下變形能力差，高
溫（380～500oC）變形能力好，進(jìn)行大變形量加工就需要在高溫下進(jìn)行?？傊?，在
鎂合金的應(yīng)用中，需要對(duì)其特性進(jìn)行充分認(rèn)識(shí)，開(kāi)發(fā)出適合的、有特色的加工技
術(shù)。
1.4.3 機(jī)加工過(guò)程中的防火與安全問(wèn)題
機(jī)加工是多數(shù)鎂合金件制造過(guò)程中不可或缺的一道工藝過(guò)程，伴隨機(jī)加工過(guò)
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11
程，會(huì)產(chǎn)生大量的鎂合金切屑，據(jù)有關(guān)研究切屑的起燃溫度為535℃，很容易發(fā)生
燃燒，因此機(jī)加工過(guò)程中的防火與安全體系的建立在鎂合金的生產(chǎn)應(yīng)用中也是一
個(gè)至關(guān)重要的問(wèn)題。
1.4.4 使用過(guò)程中表面化學(xué)腐蝕及裝配導(dǎo)致的電化學(xué)腐蝕問(wèn)題
鎂合金是活潑金屬，極易氧化和發(fā)生電化學(xué)腐蝕，同時(shí)由于其氧化鎂疏松多
孔，顧抗腐蝕能力很低，極大地限制了其應(yīng)用；另外，鎂合金電極電位比鐵、鋁、
銅、鋅等金屬低，與這些金屬件連接就會(huì)不可避免的產(chǎn)生強(qiáng)烈的電化學(xué)腐蝕。因
此如何解決鎂合金的上述兩種腐蝕問(wèn)題是決定鎂合金應(yīng)用前景的關(guān)鍵問(wèn)題，同時(shí)
也是推廣鎂合金應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一。
1.5 本文的主要研究?jī)?nèi)容、技術(shù)路線
1.5.1 主要研究?jī)?nèi)容
如上所述，“熔化澆注技術(shù)”是鎂合金生產(chǎn)應(yīng)用中的技術(shù)難題，本文正是針
對(duì)此難題，從研究鎂及其合金熔化澆注理論入手，研究開(kāi)發(fā)一種新型的鎂合金熔
化澆注技術(shù)和裝備，旨在填補(bǔ)國(guó)內(nèi)鎂合金熔化澆注裝備的空白，力求達(dá)到并在某
些性能方面超過(guò)國(guó)外鎂合金熔化澆注裝備的水平。
① 在研究現(xiàn)有鎂合金熔化澆注機(jī)理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出對(duì)鎂合金有良好保護(hù)且
能與壓鑄機(jī)聯(lián)機(jī)應(yīng)用的鎂合金熔爐；
② 鎂合金定量澆注系統(tǒng)的研究；
③ 選材、制造和組裝鎂合金熔化澆注爐；
④ 實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)熔爐的熔化、保護(hù)效果以及與壓鑄機(jī)聯(lián)機(jī)應(yīng)用效果。
1.5.2 研究方法及技術(shù)路線
本研究首先根據(jù)鎂合金熔化澆注技術(shù)原理，以研制熔化澆注裝備為目標(biāo)，通
過(guò)爐體及其它相應(yīng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工作條件控制，實(shí)現(xiàn)熔化澆注裝備的開(kāi)發(fā)；然
后研究開(kāi)發(fā)與壓鑄機(jī)聯(lián)機(jī)應(yīng)用技術(shù)，及提高裝置運(yùn)行可靠性；并通過(guò)設(shè)備在實(shí)驗(yàn)
室和工業(yè)條件下的連續(xù)試用中不斷進(jìn)行改進(jìn)和完善（如圖1.4 所示）。
1.6 本文主要研究?jī)?nèi)容的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)
1.6.1 熔化技術(shù)及澆鑄技術(shù)[51]
熔化技術(shù)及澆鑄技術(shù)主要是防止熔液燃燒，熔液溫度的保持及熔液的清凈化。
防止鎂熔液的燃燒一般采用 SF6 稀釋氣體，但SF6 氣體具有明顯的地球溫室效
應(yīng)，其使用受到限制，因此提出用其它氣體代替SF6 氣體的方案，有些正在實(shí)施。
不管怎樣，SF6 氣體的使用量與熔液溫度、流動(dòng)等有很大的關(guān)系，現(xiàn)狀只能是削減
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其使用總量。另外熔化鎂的坩堝材質(zhì)使用鑄鐵或沸騰鋼板，它們?cè)谂c熔液表面的
接觸部分易受SF6 的腐蝕。
在投入鑄塊原料時(shí)由于需熔化熱而使熔液溫度下降，(特別對(duì)熱室壓力鑄造小
型設(shè)備的小坩堝)。為此，采用雙坩堝，即熔煉爐和保持爐，解決熔液溫度的穩(wěn)定
性，效果良好，但是，目前一般采取鑄錠小塊化以及提高坩堝熔化能力的措施。
鎂熔液易氧化使其上部生成浮渣，與原料中的錳與鐵等生成化合物，在其下
部形成爐渣而堆積。另外熱室鑄造機(jī)壓鑄套管等的鐵磨損同樣會(huì)生成爐渣，這些
浮渣和爐渣混入鑄件會(huì)產(chǎn)生鑄造缺陷，所以鑄件只能使用不混入上部浮渣和下部
爐渣的中間部分熔液。進(jìn)一步說(shuō)，浮渣和爐渣多的熔液，其流動(dòng)性下降，這又使
薄壁鑄造中的熔液溫度上升，進(jìn)而使浮渣、爐渣生成量增多，形成惡性循環(huán)，因
此浮渣和爐渣的去除是鎂熔液控制的最大著眼點(diǎn)，這些都是因?yàn)殒V是活性金屬。
鎂合金熔化澆注技術(shù)理論研究
鎂合金熔化澆注技術(shù)研
制
熔化澆注技術(shù)路線的確定
結(jié) 論
現(xiàn)有熔化澆注技術(shù)現(xiàn)狀
鎂合金熔化澆注裝備與壓
鑄機(jī)聯(lián)機(jī)應(yīng)用研究
圖 1.4 本文的技術(shù)路線
Fig.1.4 Flow chart of this article
氣體保護(hù)技
術(shù)及設(shè)備
熔化及熔體溫
度監(jiān)控技術(shù)
定位、定量
澆注技術(shù)
鎂合金錠
加料技術(shù)
鎂合金質(zhì)量、安全保障技
術(shù)及坩鍋、爐體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
鎂合金熔化澆注裝備研制
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壓力鑄造冷室機(jī)的澆鑄要從坩堝倒入套管，由于鎂在大氣中可能會(huì)燃燒，所
以一般不用鑄勺澆鑄，而是用手動(dòng)或自動(dòng)泵。澆鑄泵可用虹吸式、機(jī)械式、氣壓
式、電磁式等多種，但都必須用閥進(jìn)行熔液量的控制，（這種閥應(yīng)具有控制的精
確性和工作的可靠性）同時(shí)要防止浮渣的附著與堵塞等問(wèn)題。壓力鑄造熱室機(jī)的
壓鑄都是浸在熔液中的，所以不需澆鑄泵。因此鎂的鑄造只要熱室機(jī)能滿足其尺
寸要求就盡量選用熱室機(jī)鑄造，應(yīng)注意的是壓鑄裝置部件材料的溶損和磨損問(wèn)題。
因此要開(kāi)發(fā)不被鎂熔液浸蝕的壓鑄裝置部件材料。
1.6.2 熔化爐[23]
鎂合金坩鍋是一種高溫服役件，長(zhǎng)期工作在 700－900°C 的高溫環(huán)境下，受到
鎂液的壓力、鎂液的腐蝕、坩鍋內(nèi)保護(hù)氣體的腐蝕和坩鍋外表面熱氧化等作用。
坩堝的形狀有圓桶形、方箱形和茶壺形。在現(xiàn)有技術(shù)中，鎂合金熔化坩鍋主要采
用雙層鋼板焊接坩鍋，其工藝方案為以低碳鋼或低碳合金鋼為基體做成坩鍋，然
后在其外面堆焊上一層不銹鋼。該類?ài)徨侂m然具有較高的高溫強(qiáng)度和抗高溫蠕變
性能。
鎂坩堝爐的熱源可用燃?xì)?、燃油、電阻或電感?yīng)加熱。用燃?xì)饣蛉加图訜釙r(shí)
升溫速度快，但燃燒產(chǎn)物中的水蒸氣與鎂液接觸會(huì)發(fā)生爆炸，必須嚴(yán)格隔離。電
感應(yīng)加熱需用冷卻水，一但漏水，會(huì)增加發(fā)生事故的危險(xiǎn)性。電阻加熱比較安全、
可靠，且設(shè)備成本低，故得到了廣泛的應(yīng)用。
圖 1.5 Audi 三室鎂熔化爐示意圖[23]
Fig1.5 Three chamber furnace system of Audi Co. for malting the magnesium[23]
鎂合金熔化爐有單室、雙室和三室爐。單室是熔化、保溫和鎂液出爐都在一
個(gè)坩堝內(nèi)完成。這種單室爐適于非流水生產(chǎn)的砂型鑄造，或小批量壓鑄。雙室爐
是坩堝內(nèi)有一隔板，把坩堝內(nèi)的空間隔成兩部分，隔板下部有孔，使兩熔池連通；
650℃
650℃~700℃
700℃
供液室
真空壓鑄
中間室
熔化室
CO2 CO2 爐料
重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文1 緒論
14
也可以采用2 個(gè)坩堝，用能加熱的輸液管使兩者連通。雙室爐中的一個(gè)熔池(坩堝)
用于熔化鎂錠，向另一熔池(坩堝)提供鎂液，同時(shí)起集渣作用。另一個(gè)熔池(坩堝)
保溫，并直接向壓鑄機(jī)提供鎂液。雙室爐有利于使氧化渣集中于熔化室，使提供
給壓鑄機(jī)的鎂液純凈、溫度恒定。
三室爐的熔化室溫度較低(650℃)，向壓鑄機(jī)提供鎂液的供液室溫度較高,中
間室的溫度由熔化室一側(cè)到供液室一側(cè)逐漸升高。熔化室溫度低有利于實(shí)現(xiàn)CO2
氣體保護(hù)。中間室是密閉的，平衡熔化室和供液室之間的壓差，同時(shí)也起到第二
次集渣的作用。供液室與真空壓鑄機(jī)相接。圖1.5 是Audi 室鎂熔化爐示意圖。
由供液室向壓鑄機(jī)提供鎂液可以使用惰性氣體排代泵、活塞泵、螺桿泵、離
心泵及虹吸管裝置等。關(guān)于供液泵、供液附助裝置、供液控制系統(tǒng)等已有許多研
究和專利。加拿大Norsk Hydro 公司改進(jìn)設(shè)計(jì)的氣體排代泵克服了以往的泵在兩
次注射之間，供液管內(nèi)鎂液排空，管內(nèi)的鎂發(fā)生氧化的問(wèn)題和注射時(shí)間滯后的問(wèn)
題，提高了生產(chǎn)效率和使用的可靠性，連續(xù)使用2 個(gè)月，無(wú)需從爐中提出檢修。
美國(guó)Dynarad 公司制造的新型鎂液計(jì)量泵不需要在鎂液中設(shè)置閥門(mén)，從而解決了
鎂液閥易損壞的問(wèn)題。這種供液裝置能使鎂液始終保持在供液管出口處，處于隨
時(shí)注射的狀態(tài)。鎂熔化爐的連續(xù)自動(dòng)加料裝置，熔化和向壓鑄機(jī)供液過(guò)程中的鎂
液溫度、液位監(jiān)測(cè)與控制裝置，氣體保護(hù)裝置，整個(gè)熔化和注射過(guò)程的自動(dòng)控制
系統(tǒng)等都是研究開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)。
重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文2 鎂在高溫下的氧化燃燒機(jī)理
15
2 鎂在高溫下的氧化燃燒機(jī)理
金屬氧化的概念有狹義和廣義之分。狹義的氧化僅指金屬與氧氣形成氧化物
的反應(yīng)，可用以下式2.1 表示。廣義的金屬氧化指金屬與氧氣、以及含硫、碳、
鹵素、氮等氣體介質(zhì)反應(yīng)形成金屬化合物的過(guò)程。本文研究的是高溫下鎂合金在
空氣中的氧化燃燒，主要涉及的氧化是指與空氣中的氧氣、氮?dú)饧八姆磻?yīng)。
2aM＋bO2＝2MaOb （2.1）
高溫氧化的概念還涉及“高溫”兩個(gè)字，高溫是相對(duì)的，與金屬材料的熔點(diǎn)
和活性有關(guān)。一般而言，金屬在某一溫度下發(fā)生明顯的氧化反應(yīng)，那么這一溫度
對(duì)這種金屬材料的氧化而言就屬高溫。鎂及其合金溫度在溫度較低時(shí)，氧化速率
不高，大于400oC 時(shí)，氧化速率加快；500oC 左右則可觀察到著火現(xiàn)象；時(shí)當(dāng)溫度
超過(guò)熔點(diǎn)650oC 時(shí)，其氧化速率急劇增加，一遇氧即發(fā)生激烈氧化燃燒，如果反應(yīng)
繼續(xù)進(jìn)行則有發(fā)生爆炸的可能。因此，就鎂及其合金而言，400oC 就算高溫了。
本章從以下幾個(gè)角度探究鎂及其合金在高溫下的氧化燃燒機(jī)理：
① 鎂高溫下與氧的反應(yīng)
② 鎂在高溫下與其它介質(zhì)的反應(yīng)
2.1 鎂高溫下與氧的反應(yīng)
2.1.1 鎂高溫氧化熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)
金屬的高溫氧化過(guò)程非常復(fù)雜，但對(duì)其研究首先要從兩方面入手：熱力學(xué)和
動(dòng)力學(xué)，前者的分析可判斷氧化反應(yīng)的可能性和趨勢(shì)，通過(guò)后者研究可以確定反
應(yīng)的速度。
1. 高溫氧化熱力學(xué)分析
1）熱力學(xué)基本原理[47]－[51]
金屬氧化反應(yīng)大都發(fā)生在恒溫恒壓下，因此涉及體系的熱力學(xué)參量有三個(gè)：
溫度(T)、壓力(p)和吉布斯自由能(G)，考慮一種金屬與氧的反應(yīng)，反應(yīng)式為：
M＋O2＝MO2 （2.2）
根據(jù)范特霍夫(Vant Hoff)等溫方程式，反應(yīng)的吉布斯自由能(G)的變化為：
△G＝△Go+RTlnK （2.3）
其中，K 為反應(yīng)的平衡常數(shù)，并有：
K＝
2
2
M O
MO
α α
α
（2.4）
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式中，△Go 為所有物質(zhì)處于標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)（對(duì)于氣態(tài)反應(yīng)物及生成物是以其分壓為一個(gè)
大氣壓時(shí)的狀態(tài)為其標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)；對(duì)于液態(tài)和固體，則以其在一個(gè)大氣壓下的純態(tài)
作為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)）時(shí)吉布斯自由能的變化（反映不同金屬在氧的分壓為一個(gè)大氣壓
時(shí)與氧的親和力大?。琑 為氣體常數(shù)，T 為絕對(duì)溫度，α 為活度，下標(biāo)M、O2和
MO2 分別代表金屬、氧氣和氧化物。由于M 和MO2 均為固態(tài)純物質(zhì)，它們的活度都
等于1，即M α ＝
MO2 α ＝1，而
O2 α ＝
O2 p ,
O2 p 為氧分壓，故此：
△G＝△Go－RTln
O2 p′ （2.5）
或者進(jìn)一步，當(dāng)反應(yīng)平衡時(shí)，△G=0,由式2.5 得△Go＝RTln
O2 p′ ，
O2 p′ 為給定溫度
下反應(yīng)平衡時(shí)的氧分壓或者氧化物的分解壓。將△Go 重新代入2.5 式，得出：
△G＝RTln
2
2
O
O
p
p′
（2.6）
當(dāng)
O2 p′ ＜
O2 p 時(shí)，△G＜0，反應(yīng)向生成MO2 的方向進(jìn)行；
當(dāng)
O2 p′ ＝
O2 p 時(shí)，△G＝0，反應(yīng)處于平衡狀態(tài)；
當(dāng)
O2 p′ ＞
O2 p 時(shí)，△G＞0，反應(yīng)向MO2 分解的方向進(jìn)行。
由熱力學(xué)數(shù)據(jù)，可以得到反應(yīng)條件下對(duì)應(yīng)的△Go 或
O2 p′ 的數(shù)據(jù)值，由式2.5 具
體計(jì)算△G 或通過(guò)實(shí)際氣氛中的氧分壓與該溫度下氧化物的分解壓對(duì)比，即可判斷
氧化反應(yīng)的可能性。一般來(lái)說(shuō)，純金屬熱力學(xué)分析結(jié)果同時(shí)可以說(shuō)明其發(fā)生氧化
的傾向和形成的氧化相的穩(wěn)定性。而對(duì)于合金氧化的情況，熱力學(xué)分析只能說(shuō)明
不同合金元素對(duì)于氧親和力的大小，最終形成的穩(wěn)定的氧化物種類還與合金元素
的含量有關(guān)，并且要受動(dòng)力學(xué)的影響。
根據(jù)式 2.6 可以計(jì)算△G 并判斷一個(gè)反應(yīng)進(jìn)行的方向、金屬氧化物的穩(wěn)定性，
也可判斷金屬奪氧的能力強(qiáng)弱，但實(shí)際應(yīng)用時(shí)，由于反應(yīng)的溫度、氣體介質(zhì)的種
類、氣體分壓等都可能不同，應(yīng)用熱力學(xué)公式計(jì)算比較繁瑣。1944 年，埃林厄姆
（Ellingham）繪制了氧化物標(biāo)準(zhǔn)生成自由能與溫度的△Go－T 圖，1948 年理查森
（Richardson）和杰夫斯（Jeffes）在△Go－T 圖上添加了氣體分壓
O2 p 、CO p /
CO2 p 、
H2 p /
HO2 p 三個(gè)輔助坐標(biāo)，構(gòu)成了埃林厄姆－理查森圖（如圖2.1 所示）。這樣就
可以利用圖解法直接判斷反應(yīng)的可能性。
2）鎂高溫氧化熱力學(xué)分析
鎂與氧發(fā)生氧化反應(yīng)的反應(yīng)式及其標(biāo)準(zhǔn)生成自由能計(jì)算公式（與埃林厄姆－
理查森圖中的曲線相符）如表2.1 所示
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圖 2.1 一些常見(jiàn)氧化物的埃林厄姆－理查森圖
Fig.2.1 Ellingham－Richardson fig.
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表2.1 幾種物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)生成自由能△Go 計(jì)算方法[3]
Table 2.1 The expressions of △Go
化學(xué)反應(yīng)式 △Go (卡) 適用溫度（K）
2Mg（固）＋O2＝2MgO －288700－5.90TlgT＋67.9T 298～924
2Mg（液）＋O2＝2MgO －290700－0.48TlgT＋53.9T 924～1380
2Mg（氣）＋O2＝2MgO －363200－14.47TlgT＋15.14T 1380～2500
下面計(jì)算 Mg 在400oC（673K）、和700 oC（973K）時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)生成自由能△Go：
（結(jié)果見(jiàn)表2.2）
表 2.2 幾種物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)生成自由能△Go 值計(jì)算
Table 2.1 The calculated result of △Go
化 學(xué) 反 應(yīng) 式 △Go 值溫 度
2Mg（固）＋O2＝2MgO －254232.5 Cal/－1064 KJ 673K/400 oC
2Mg（液）＋O2＝2MgO －239650.9 Cal/－1003 KJ 973K/700 oC
通過(guò)上面的計(jì)算，幾種物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)自由能變化400oC、700oC 時(shí)分別為：△Go
MgO＝－
1064 kJ，△Go
MgO＝－1003 kJ，由此可以得到以下熱力學(xué)結(jié)論：
a.由于△Go
MgO 小于零，因此說(shuō)明在400oC 和700oC 標(biāo)準(zhǔn)態(tài)時(shí)， Mg 可能被氧化；
b.由△Go
MgO 數(shù)據(jù)值可知：Mg 與氧的親和力非常大。
2. 高溫氧化動(dòng)力學(xué)分析
不同的金屬或同一金屬在不同的溫度下，其遵循的氧化規(guī)律不同。氧化規(guī)律
是將氧化增重或氧化膜厚度隨時(shí)間的變化用數(shù)字式表達(dá)的一種形式。而氧化速度
則是單位時(shí)間內(nèi)氧化增重或氧化膜厚度的變化?？偨Y(jié)眾多的金屬和合金的氧化規(guī)
律，它們基本可分為直線規(guī)律、拋物線規(guī)律、立方規(guī)律、對(duì)數(shù)規(guī)律、反對(duì)數(shù)規(guī)律
五類。
實(shí)驗(yàn)觀察顯示鎂氧化速率與溫度關(guān)系密切，溫度較低時(shí)，氧化速率不高；溫
度大于400oC 時(shí)，氧化速率加快，氧化膜的破裂、片狀剝落和粉化開(kāi)始發(fā)生；500oC
左右則可觀察到著火現(xiàn)象；時(shí)當(dāng)溫度超過(guò)熔點(diǎn)650oC 時(shí)，其氧化速率急劇增加，一
遇氧即發(fā)生激烈氧化燃燒。〔51〕
實(shí)際測(cè)量的結(jié)果與觀察結(jié)果相符，鎂的氧化動(dòng)力曲線隨溫度區(qū)間不同而變化：
在小于 100oC 時(shí)為對(duì)數(shù)，數(shù)學(xué)模型為 1 2 y = k ln(t + c ) + c 、 Aexp( By)
dt
dy = ? ；200～
300oC為拋物線，數(shù)學(xué)模型為 y2 = 2kt、
y
k
dt
dy = ；300～500oC 為拋物－直線，即開(kāi)
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始服從拋物線規(guī)律，數(shù)學(xué)模型為 y2 = 2kt、
y
k
dt
dy = ，后來(lái)服從直線規(guī)律，數(shù)學(xué)模
型為y＝kt、k
dt
dy = ；500～600oC 為直線（A－2），數(shù)學(xué)模型為y＝kt、k
dt
dy = ，即是
氧化速率為常數(shù)，與時(shí)間無(wú)關(guān)；可以推斷在溫度當(dāng)溫度超過(guò)熔點(diǎn)650oC 時(shí)，其氧化
動(dòng)力曲線為斜率更大的直線。（如圖 2.2 和表2.3 所示）
表 2.3 不同溫度下Mg 和Ca 的氧化動(dòng)力曲線[54][55]
Table 2.3 The dynamical curve of magnesium in different temperature
溫 度 oC
金屬
＜100 100～200 200～300 300～400 400～500 500～600 ＞650
Mg 對(duì)數(shù)拋物線 拋物線－直線 直線 （直線）
Ca 對(duì)數(shù)拋物線－直線 直線
金屬氧化時(shí)，其氧化速度（動(dòng)力學(xué)速度）決定于下列三個(gè)機(jī)制：a.金屬－氧
化物的界面反應(yīng)；b.反應(yīng)所需的金屬離子、電子及氧通過(guò)氧化膜的擴(kuò)散；c.氧化
物－氧的界面反應(yīng)。高溫下鎂的氧化服從直線規(guī)律的解釋是：第二個(gè)因素－反應(yīng)
所需的金屬離子、電子及氧通過(guò)氧化膜的擴(kuò)散非?？?，而反應(yīng)界面的反應(yīng)速度卻
相對(duì)較慢，界面反應(yīng)就成為氧化反應(yīng)速度的控制因素；因?yàn)镸g 的原子半徑為
0.162nm，離子Mg2+半徑為0.065nm；O 的原子半徑為0.060nm，離子半徑為
0.140nm[53]，顯然Mg2+向氧化物－氧的界面擴(kuò)散較之O 離子向金屬－氧化物的界面
的擴(kuò)散明顯容易。因此可以到一個(gè)結(jié)論，即在鎂高溫下控制氧化的主要機(jī)制是：
氧化物－氧的界面反應(yīng)。
圖 2.2 鎂氧化動(dòng)力曲線示意圖[54][55]
Fig.2.2 The dynamical curve of magnesium
mg/cm-2
△W
503oC
526oC
551oC
0 t/h
575oC
直線
>650oC
△W
0 t
<100oC
200~300oC
對(duì)數(shù)
拋物線
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20
2.1.2 鎂在高溫下的的蒸發(fā)（揮發(fā)）傾向
鎂在高溫下的的蒸發(fā)（揮發(fā)）傾向是一個(gè)與其高溫氧化密切相關(guān)的重要的特
性。鎂在不同溫度下的飽和蒸氣壓(如表2.4 所示)直接反應(yīng)了其蒸發(fā)（揮發(fā)）傾
向的大小，從表2.4 中可以看出，鎂的飽和蒸氣壓在熔化前不大，熔化溫度時(shí)為
2.63mmHg，已經(jīng)有一定幅度的增長(zhǎng)，溫度超過(guò)熔點(diǎn)后則急劇增高，在1107 oC 時(shí)達(dá)
到了一個(gè)大氣壓。
為了使得認(rèn)識(shí)更加清晰，表 2.5 給出了Al 和Na 的相關(guān)數(shù)據(jù)以進(jìn)行比較。從
表2.5 中可以看到，Al 的飽和蒸氣壓很小，達(dá)到1mmHg 的溫度為1179 oC，而Mg
和Na 則分別為602 oC、429 oC，這也從一個(gè)角度解釋了這三種金屬在高溫氧化時(shí)的
不同狀況。
表 2.4 Mg 在不同溫度下的飽和蒸氣壓[3]（給定溫度）
Table 2.4 The vapor pressure of magnesium （given temperature）
溫度/oC 327 427 527 627 651 727 827 927 1027 1107
mmHg
-1.04
×10-5
-7.04
×10-5 0.148 1.66 2.63 8.71 39.8 134.9 407.4 760
PMg
KPa -0.14 -0.94 0.02 0.222 0.352 1.162 5.31. 17.99 54.32 101.33
表 2.5 Mg、Al、Na 在不同溫度下的飽和蒸氣壓 [3]（給定溫度）
Table 2.5 The vapor pressure of Mg、Al、Na（given vapor pressure）
溫度/oC 289 355 429 510 550 602 701 723 892 1123 1179
PAl /mmHg 0.1 1
PMg /mmHg 0.1 1 10 100
PNa /mmHg 0.01 0.1 1 10 100
鎂在高溫下具有很強(qiáng)的揮發(fā)（蒸發(fā)）性，尤其是在達(dá)到熔點(diǎn)處于熔融狀態(tài)后，
鎂在高溫下向空氣擴(kuò)散遷移的速度和濃度大大增加，再加之生成的氧化鎂膜不具
保護(hù)性，不能阻止這種擴(kuò)散遷移，使得氧化反應(yīng)得以不斷進(jìn)行。
2.1.3 氧化鎂膜的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
金屬氧化過(guò)程中，如果表面形成生長(zhǎng)緩慢、致密并且穩(wěn)定的氧化膜，那么這
層氧化膜就可以隔離氣體介質(zhì)從而避免金屬進(jìn)一步氧化。一般而言，氧化膜的生
長(zhǎng)速度主要由帶電粒子的擴(kuò)散速度決定，而帶電粒子的擴(kuò)散速度與氧化物的晶體
結(jié)構(gòu)和缺陷密切相關(guān)。因此，研究金屬的氧化就必須研究其氧化膜的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，
包括氧化物的物理性質(zhì)、晶體結(jié)構(gòu)、氧化物的缺陷。
氧化鎂的基本物理性質(zhì)與抗氧化性能相關(guān)的包括：熔點(diǎn)、揮發(fā)性（蒸氣壓）、
氧化物與金屬的體積比（與氧化物與金屬的體積比）、氧化物的晶體結(jié)構(gòu)、氧化
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物的缺陷等。前面三個(gè)性質(zhì)可以用于判斷氧化物固相的高溫穩(wěn)定性，后面兩個(gè)性
質(zhì)將直接影響離子（如Mg2+和氧）在氧化物中的擴(kuò)散傳質(zhì)性質(zhì)。
1. 氧化鎂的熔點(diǎn)
金屬氧化物的熔點(diǎn)，是其高溫穩(wěn)定性的一個(gè)重要判據(jù)。的大多數(shù)的金屬氧化
物的熔點(diǎn)都比金屬的熔點(diǎn)高。但也有少數(shù)例外，如果金屬氧化物的熔點(diǎn)都比金屬
的熔點(diǎn)低，那么在低于金屬熔點(diǎn)而高于氧化物熔點(diǎn)的溫度下氧化，金屬表面就會(huì)
產(chǎn)生液態(tài)氧化物，很顯然這樣的氧化物不能起到保護(hù)作用，因此氧化會(huì)很嚴(yán)重。
Mg 的熔點(diǎn)為650oC，MgO 的熔點(diǎn)則為2800 oC，是常用的耐火材料，因此不會(huì)
有上述問(wèn)題[56]。
2. 氧化鎂的揮發(fā)性
任何固相和液相物質(zhì)在一定的溫度下都有一定的的蒸氣壓，也即都有一定的
揮發(fā)（蒸發(fā)）性。金屬氧化物也是如此，當(dāng)固態(tài)的金屬氧化物蒸氣壓低于該溫度
下的飽和蒸氣壓，就會(huì)發(fā)生揮發(fā)（蒸發(fā)）。如果在金屬的氧化溫度下，其氧化物
具有明顯的揮發(fā)性，則會(huì)將金屬直接暴露于氧化介質(zhì)中，氧化會(huì)迅速進(jìn)行。
根據(jù)金屬氧化物的飽和蒸氣壓的大小，也可以判斷氧化物的揮發(fā)（蒸發(fā)）性
大小。氧化鎂發(fā)生揮發(fā)（蒸發(fā)）時(shí)，如下式：
MgO2（固）＝MgO2（氣） （2.7）
體系的自由能變化為：△G＝RTln
蒸氣
蒸氣
p
p′
（2.8）
式中， p'蒸氣為平衡時(shí)的蒸氣壓（飽和蒸氣壓）。蒸氣壓與溫度的關(guān)系可由克拉佩
龍（Clapeyron）關(guān)系式得出：
( ) 氣 固 T V V
H
V
S
dT
dp o o
?
Δ
=
Δ
Δ
= （2.9）
式中：V 為1mol 氧化物的體積，ΔSo 為式2.7 的標(biāo)準(zhǔn)熵變，ΔHo 為標(biāo)準(zhǔn)焓變。1mol
固體的體積V 固遠(yuǎn)小于氣體的摩爾體積V 氣，忽略不計(jì)。同時(shí)將1mol 蒸氣視為理想
氣體，滿足氣體方程：PV 氣=RT，代入上式并積分得：
c
RT
p H
o
+
Δ
ln = ? （2.10）
式中，c 為積分常數(shù)。由式2.10 得：氧化物揮發(fā)（蒸發(fā)）時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)焓變愈大則蒸
氣壓愈小，即氧化物愈穩(wěn)定；蒸氣壓隨溫度升高而增大，也即氧化物的穩(wěn)定性隨
溫度升高而下降。查化學(xué)手冊(cè)知：MgO 的ΔH o＝－134 KJ/mol[56]，所以可以認(rèn)為
MgO 不具有揮發(fā)性。
3. 氧化物與金屬的體積比
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22
氧化物與形成時(shí)消耗的金屬的體積比（Pilling-Bedworth Ratio,簡(jiǎn)稱PBR）
是判斷氧化物膜完整性的一個(gè)重要判據(jù)，早在1923 年，Pilling-Bedworth 指出：
保持氧化膜完整性的必要條件是所生成的氧化物的體積必須大于所消耗的金屬的
體積。
鎂氧化時(shí)如式 2.17，可得氧化物的生產(chǎn)量ΔWMgO 和金屬的消耗量ΔWMg 的比值關(guān)
系如式2.11（式中AMg為Mg 的摩爾質(zhì)量，AMgO為MgO 的摩爾質(zhì)量，a 為一個(gè)MgO 分
子中含金屬原子的個(gè)數(shù)）。依據(jù)定義，PBR 可以表達(dá)為：
PBR＝
Mg MgO
MgO Mg
Mg Mg
MgO Mg O
Mg
MgO
aA
A
W
W
V
V
ρ
ρ
ρ
ρ
=
Δ
Δ
=
/
/
（2.11）
由上式可以可到 MgO 的PBR 值為0.81[47]（致密度系數(shù)α＝0.79[21]）。
一般認(rèn)為具有保護(hù)性能的氧化物的 PBR 值在1～2 之間；PBR＞2，氧化膜內(nèi)部
受較大的壓應(yīng)力，極易破裂，不具保護(hù)能力；PBR 值小于1，氧化膜內(nèi)部存在較大
的張應(yīng)力，同樣容易發(fā)生破裂，不具保護(hù)性。
氧化鎂膜就是這種情況的典型，不具有保護(hù)性，因此高溫下 Mg 的氧化嚴(yán)重。
4. 氧化鎂的晶體結(jié)構(gòu)及其缺陷
金屬氧化形成的氧化膜具有離子晶體結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)通常有離子導(dǎo)電性及某
種程度的電子導(dǎo)電性，尤其在高溫。同時(shí)，根據(jù)許多研究者的大量研究，普遍認(rèn)
為金屬在發(fā)生高溫氧化時(shí)，通過(guò)氧化膜擴(kuò)散的是金屬離子、自由電子和接受了這
些自由電子而離子化的氧離子。因此研究氧化物的晶體結(jié)構(gòu)及其缺陷就顯得特別
重要。
MgO 的晶體結(jié)構(gòu)為NaCl 型，是由氧離子和鎂離子各自構(gòu)成的面心立方格子相
對(duì)位移1/2 個(gè)基矢套構(gòu)而構(gòu)成的，也可以看作氧離子構(gòu)成面心立方，而半徑較小
的金屬離子位于氧八面體間隙中[47]。
如果氧化物的這種晶體結(jié)構(gòu)是完整的，那么離子的擴(kuò)散移動(dòng)就會(huì)相當(dāng)困難，
金屬的進(jìn)一步氧化就會(huì)被阻礙。但是，包括MgO 在內(nèi)實(shí)際存在的金屬氧化物都有
晶格缺陷，正因?yàn)橛羞@些晶格缺陷，使氧化反應(yīng)所需的金屬離子、自由電子和接
受了這些自由電子而離子化的氧離子通過(guò)氧化膜成為可能。根據(jù)氧化物的缺陷和
導(dǎo)電情況，可以分為離子導(dǎo)體型和半導(dǎo)體型。半導(dǎo)體型有n－型半導(dǎo)體和p－型半
導(dǎo)體兩種類型，前者以電子為占優(yōu)的載流子，后者以電子空穴為占優(yōu)的載流子；
前者n－型半導(dǎo)體可依據(jù)氧化物中金屬離子和氧離子比相對(duì)過(guò)?；虿蛔愕那闆r，分
為金屬過(guò)剩型（M1+δO）和金屬不足型（M1－δO）。
MgO 的晶格屬于半導(dǎo)體型的n－型半導(dǎo)體[47][57]，并且屬于金屬過(guò)剩型，即MgO
晶體中存在多余的Mg2+，以間隙離子的形式存在于其中，為了保持電中性，同時(shí)還
重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文2 鎂在高溫下的氧化燃燒機(jī)理
23
存在與間隙離子平衡的負(fù)電子。在一定的激活能下（比如加熱），金屬離子Mg2+
和電子將從該間隙通過(guò)其它間隙而擴(kuò)散。高溫氧化時(shí)，間隙離子Mg2+和間隙電子e
－向MgO/O2界面遷移，并吸收O2生成MgO，這樣的結(jié)果是在MgO/O2界面方向上MgO
增長(zhǎng)（如圖2.3 所示）。
2.1.4 小結(jié)
根據(jù)以上對(duì)鎂高溫氧化下的熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)、鎂的揮發(fā)（蒸發(fā)）性、氧化鎂
膜的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)三個(gè)方面的分析，可以達(dá)到以下的結(jié)論：
① 通過(guò)鎂氧化的熱力學(xué)分析可知，鎂與氧的親和力氧的親和力很大，非常容
易與氧發(fā)生氧化反應(yīng)；
② 通過(guò)鎂氧化的動(dòng)力學(xué)分析可知，在溫度大于 500oC 時(shí)，鎂氧化反應(yīng)服從動(dòng)
力學(xué)直線規(guī)律，控制氧化的主要機(jī)制是氧化物－氧的界面反應(yīng)；
③ 鎂在高溫下具有較高的飽和蒸氣壓，揮發(fā)（蒸發(fā)）性很強(qiáng)，尤其是在達(dá)到
熔點(diǎn)處于熔融狀態(tài)后，因此鎂在高溫下向空氣擴(kuò)散遷移的速度和濃度大大增加，
成為鎂高溫氧化的一個(gè)重要因素；
④ 鎂氧化后形成的氧化鎂膜在高溫下的具有較好的固相穩(wěn)定性，但是氧化鎂
晶格具有金屬過(guò)剩的n－型半導(dǎo)體缺陷，且其PBR＝0.81＜1（致密度系數(shù)α＝
0.79[21]），沒(méi)有保護(hù)性，使得金屬離子Mg2+和電子的不斷擴(kuò)散移動(dòng)并參與氧化成為
可能。
2.1.5 鎂高溫氧化機(jī)理的研究
鎂在高溫下（＞500oC）的氧化服從直線規(guī)律，在熔點(diǎn)以上更是與氧激烈反應(yīng)
并燃燒。對(duì)于這種現(xiàn)象可以從以下幾點(diǎn)進(jìn)行分析和解釋：
鎂與氧的化學(xué)親和強(qiáng)，氧化時(shí)是放熱反應(yīng)（與一克原子氧相化合時(shí)，放出143
卡熱）；鎂被氧化形成的氧化鎂膜晶格具有金屬過(guò)剩的n－型半導(dǎo)體缺陷，且其
O2
Mg
Mg＝Mg2+＋2e－
Mg2+＋2e－＋
2
1
O2＝MgO
MgO 膜Mg2+ 2e－
圖 2.3 Mg 氧化時(shí)Mg2+和e－的擴(kuò)散機(jī)理示意圖
Fig.2.3 The diffuseess of Mg2+and e－ in MgO
重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文2 鎂在高溫下的氧化燃燒機(jī)理
24
PBR＝0.81＜1（致密度α＝0.79），非常疏松，沒(méi)有保護(hù)性，不能阻止反應(yīng)物質(zhì)
的通過(guò)，使得金屬離子Mg2+和電子得以不間斷地?cái)U(kuò)散移動(dòng)并參與氧化，氧化反應(yīng)也
就得以不斷進(jìn)行；當(dāng)反應(yīng)溫度高于鎂的熔點(diǎn)650oC 后，一方面鎂通過(guò)疏松的氧化鎂
膜大量揮發(fā)（蒸發(fā)），一方面氧化反應(yīng)的速度和強(qiáng)度大大增強(qiáng)，產(chǎn)生激烈的燃燒
并放出大量的熱，再加之氧化鎂絕熱性很好，使反應(yīng)界面所產(chǎn)生的熱不能迅速向
外散發(fā)，進(jìn)而提高了界面上的溫度，這樣惡性循環(huán)，勢(shì)必進(jìn)一步加速鎂的氧化，
燃燒反應(yīng)更加激烈。反應(yīng)界面的溫度亦越來(lái)越高，甚至可達(dá)2850℃，遠(yuǎn)高于鎂的
沸點(diǎn)（1107℃），引起鎂熔體大量揮發(fā)汽化，形成災(zāi)難性的反應(yīng)。（如下圖所示）
2.2 鎂高溫下與空氣中其它介質(zhì)的反應(yīng)
鎂在空氣中的氧化，除了發(fā)生鎂－氧反應(yīng)外，還會(huì)發(fā)生鎂－水、鎂－氮?dú)夥?
應(yīng)。在一般情況下，鎂－氧反應(yīng)是主要矛盾，當(dāng)然也不排出在個(gè)別具體情況下，
鎂－水、鎂－氮?dú)夥磻?yīng)成為主要矛盾，因此對(duì)其進(jìn)行一定的了解是必要的。
2.2.1 鎂和水的作用
鎂無(wú)論是處于固態(tài)還是液態(tài)均能與水發(fā)生反應(yīng)，其反應(yīng)方程式見(jiàn)（2.12）、
（2.13）式。在室溫下，反應(yīng)速度緩慢，隨著溫度升高，反應(yīng)速度加快，并且Mg(OH)2
會(huì)分解為水及MgO，高溫時(shí)只發(fā)生（式2.12）式反應(yīng)。在相同條件下，鎂與水之
間的反應(yīng)，要比鎂與氧之間的反應(yīng)更激烈。
Mg＋H2O＝MgO＋H2↑＋Q （2.12）
Mg＋2H2O＝Mg(OH)2＋H2↑＋Q （2.13）
當(dāng)熔融鎂與水接觸時(shí)，不僅因生成 MgO 放出大量的熱，而且反應(yīng)產(chǎn)物氫與周
圍大氣中的氧迅速作用生成水，水又受熱急劇汽化膨脹，結(jié)果導(dǎo)致猛烈的爆炸，
引起鎂熔體的劇烈燃燒與飛濺。所以，在工業(yè)上熔煉鎂合金時(shí)，與熔體相接觸的
爐料、工具、熔劑等均應(yīng)干燥。
鎂與水的反應(yīng)也是鎂熔體中氫的主要來(lái)源，它與鎂合金鑄件的主要缺陷——
圖2.4 鋁和鎂高溫氧化比較示意圖
Fig.2.4 The high temperature Oxidation of Mg and Al
致密的Al2O3-氧化膜
Al(高溫)
空氣
疏松、無(wú)保護(hù)性
的 MgO－氧化膜
Mg（高溫）
Mg2+ 擴(kuò)
散蒸發(fā)
激烈氧化燃燒
重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文2 鎂在高溫下的氧化燃燒機(jī)理
25
縮松的產(chǎn)生有密切聯(lián)系。
2.2.2 鎂與氮?dú)獾淖饔?
鎂與氮?dú)獍l(fā)生(式2.14)的反應(yīng)，其在高溫溫下比較劇烈。不過(guò)此反應(yīng)比Mg-O2、
Mg-H2O 反應(yīng)要緩慢得多，而且Mg-O2、Mg-H2O 會(huì)優(yōu)先進(jìn)行，因此在高溫下氮?dú)鈱?duì)鎂
而言基本上可算一種無(wú)害的氣體。Mg3N2 系粉狀化合物，不能阻止式2.24 的反應(yīng)繼
續(xù)進(jìn)行，同時(shí)Mg3N2 膜亦不能防止鎂的蒸發(fā)，所以氮?dú)獠荒芊乐规V熔體的氧化、燃
燒。
3Mg＋N2＝Mg3N2 （2.14）
2.3 本章結(jié)語(yǔ)
以上分析探討了高溫下鎂與空氣中氧、氮、水的反應(yīng)機(jī)理，鎂的合金中加入
了各種合金元素，其高溫下在空氣中的氧化現(xiàn)象和機(jī)理雖和純鎂有所差異，但是
大體上是相同或相似的（加入了阻燃元素的鎂合金除外）。
重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 3 爐子的熱平衡
26
3 爐子的熱平衡
按照熱量傳遞過(guò)程的進(jìn)行形式，可將熱量的傳遞方式分為三種基本類型：傳
導(dǎo)傳熱、對(duì)流傳熱和輻射換熱。工程實(shí)際中遇到的熱量傳輸現(xiàn)象通常是這三種基
本熱量傳輸方式的組合，爐體也不例外。
熱量傳導(dǎo)也簡(jiǎn)稱導(dǎo)熱或熱傳導(dǎo)，它是指物體內(nèi)部不同溫度的各部分之間或不
同溫度的‘密切’接觸物體之間發(fā)生的熱量傳輸現(xiàn)象。從微觀角度看，導(dǎo)熱是依
靠構(gòu)成物體的微粒（如分子、原子或自由電子）的熱運(yùn)動(dòng)而進(jìn)行的能量轉(zhuǎn)移過(guò)程。
對(duì)流傳熱是指流體伴隨各部分之間發(fā)生相對(duì)位移而發(fā)生的熱量傳輸現(xiàn)象。因
此，對(duì)流傳熱總是發(fā)生在流體內(nèi)部，并與流動(dòng)密不可分。根據(jù)引起流體流動(dòng)的原
因不同，可將對(duì)流傳熱分為自然對(duì)流傳熱和強(qiáng)制對(duì)流傳熱。因流體密度隨溫度改
變引起的流體流動(dòng)傳熱稱為自然對(duì)流傳熱，而伴隨外力強(qiáng)制流動(dòng)產(chǎn)生的熱量傳輸
過(guò)程稱為強(qiáng)制對(duì)流傳熱。
輻射傳熱是指物體通過(guò)向外發(fā)射和吸收外來(lái)電磁波而進(jìn)行的傳熱形式。和導(dǎo)
熱和對(duì)流傳熱相比，輻射傳熱的一個(gè)顯著特點(diǎn)是既不需要傳熱物體間的接觸、也
不需要熱量傳輸介質(zhì)，即使在真空中熱量傳輸也可以進(jìn)行。輻射傳熱的另一個(gè)顯
著特點(diǎn)是傳熱過(guò)程中不僅產(chǎn)生能量的轉(zhuǎn)移，還可伴隨能量形式的編號(hào)。另外，有
一定溫度的物體在不斷向外發(fā)射熱輻射的同時(shí)，也不斷吸收其他受熱物體發(fā)出的
熱輻射。因此，輻射傳熱的三個(gè)顯著特點(diǎn)是輻射傳熱體系中一個(gè)物體的熱能變化
實(shí)際上是其向外發(fā)射的輻射和吸收外來(lái)的輻射的能量之差。當(dāng)輻射傳熱體系中一
個(gè)物體向外發(fā)射的輻射熱量和吸收外來(lái)的輻射熱量相當(dāng)時(shí)，輻射體系內(nèi)部處于一
種動(dòng)態(tài)平衡。
3.1 熱量傳輸?shù)幕靖拍頪36]
3.1.1 溫度場(chǎng)
溫度是物體的熱狀態(tài)參量，是傳熱過(guò)程的驅(qū)動(dòng)力，是表征傳熱過(guò)程的基本物
理量，討論傳熱現(xiàn)象時(shí)，須首先了解物體內(nèi)部的溫度分布，即溫度場(chǎng)。由于溫度
是標(biāo)量，所以溫度場(chǎng)是一標(biāo)量場(chǎng)。一般地講，隨熱量傳遞過(guò)程的進(jìn)行，傳熱體系
中物體的溫度分布是坐標(biāo)和時(shí)間的函數(shù)。
設(shè)物體上任一點(diǎn) N 在直角坐標(biāo)中的坐標(biāo)為x，y 和z；在柱坐標(biāo)中的坐標(biāo)為r，
? 和z，在球坐標(biāo)系的坐標(biāo)為r，? 和φ；并用τ表示時(shí)間，則物體各點(diǎn)在同一時(shí)
間τ的溫度分布為t，即溫度場(chǎng)可用函數(shù)表示為：
重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 3 爐子的熱平衡
27
(3.1)
上面三式依次分別表示直角坐標(biāo)系、圓柱坐標(biāo)系和球坐標(biāo)系中的三維非穩(wěn)定
溫度場(chǎng)（或稱不定常溫度場(chǎng)），這時(shí)，物體內(nèi)部溫度分布隨空間和時(shí)間的變化而
改變。非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)內(nèi)的傳熱過(guò)程叫非穩(wěn)態(tài)傳熱。
在傳熱過(guò)程中，傳熱體系中物體各點(diǎn)溫度雖然不同，但各點(diǎn)溫度不隨傳熱過(guò)
程進(jìn)行而變化，只是坐標(biāo)的函數(shù)，這時(shí)溫度場(chǎng)函數(shù)為：
（3.2）
溫度場(chǎng)中同一時(shí)刻溫度相同的點(diǎn)構(gòu)成等溫面，在任一二維截面上，等溫面（三維
曲面）就表現(xiàn)為等溫線，通常采用等溫線圖或等溫面圖的方法來(lái)直觀描述二維、
三維溫度場(chǎng)中的溫度分布狀態(tài)。
3.1.2 溫度梯度
等溫線（面）圖從整體上描述了二維或三維溫度場(chǎng)的情況，但是要準(zhǔn)確描述
溫度場(chǎng)的局部形態(tài)，必須引入方向?qū)?shù)和溫度梯度。
由場(chǎng)論可知，溫度場(chǎng)在點(diǎn) M，沿l 方向的方向?qū)?shù)為
（3.3）
它說(shuō)明了溫度場(chǎng)中 M 點(diǎn)的溫度在某一確定方向l 上的變化率（單位長(zhǎng)度上溫度的
變化率）。只要 l 不沿 M 點(diǎn)所屬等溫面（或線）切向（這時(shí)，?t / ?l = 0），隨所
指方向的變化率（方向?qū)?shù)）最大的方向的值等于該方向上的方向?qū)?shù)的向量。
溫度梯度沿等溫線的法向，指向溫度增高的一面，用gradt 表示：
（3.4）
在直角坐標(biāo)系中，溫度梯度可表示為：
→ → →
?
?
+
?
?
+
?
?
= k
y
j t
y
i t
x
gradt t （3.5）
由矢量代數(shù)可知，溫度場(chǎng)中 M 點(diǎn)的溫度梯度是M 點(diǎn)沿三個(gè)坐標(biāo)軸方向的方向?qū)?shù)
的和矢量，它表明了溫度在空間的M 點(diǎn)上的最大變化率，只有當(dāng)物體或體系內(nèi)存
在溫度梯度，熱量才能在溫差驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行傳遞?？梢?jiàn)，溫度梯度是熱量傳遞的基
本條件。
??
??
?
=
=
=
( , , , )
( , , , )
( , , , )
? φ τ
? τ
τ
t f r
t f r z
t f x y z
??
??
?
=
?
?
=
0
( , , )
τ
t
t f x y z
l
t
MM
t M t M
l
t
M M l
m Δ
Δ
=
?
= ?
?
?
??
?
?
?
→ ' Δ →0
lim
'
lim ( ') ( )
t'
n
gradt t ≡ ?
?
?
≡
重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 3 爐子的熱平衡
28
3.1.3 熱流密度、熱流量
傳熱學(xué)中將單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)某一給定面積 F 的熱定義為熱量，記為Q，熱流密
度q 是指單位時(shí)間通過(guò)單位面積的熱量，Q 與q 之間有如下關(guān)系：
F
q = Q （W/m2） （3.6）
由熱流密度定義可知，在所研究的傳熱過(guò)程中（延續(xù)時(shí)間為τ ），通過(guò)面積F 傳遞
的熱量ΣQ 為：
Σ = ∫ ∫
τ
τ
0 F
Q qdFd （W） （3.7）
若傳熱過(guò)程為穩(wěn)態(tài)（溫度分布與時(shí)間無(wú)關(guān)），且 q 垂直于F，并在F 上處處相等，
則上式可簡(jiǎn)化為：
ΣQ = q ? t ? F = Q? t （3.8）
3.1.4 熱阻
在穩(wěn)定傳熱時(shí)，不論哪一種傳熱形式的熱通量總是與傳熱體系的溫差ΔT 成正
比，即：
T R
Q t t t Δ
=
Δ
= Δ =
(1/κ )
κ （3.9）
式中，κ 為比例常數(shù)，被稱為傳熱系數(shù)（W /m2 ? k ）；RT 為熱阻，其量綱為
（m2 ? K /W ）。傳熱系數(shù)和熱阻與傳熱方式、傳熱系統(tǒng)的穩(wěn)定或溫差有密切的關(guān)
系。3.9 式的物理意義是：傳熱中熱流 Q 與溫差ΔT 成正比，與熱阻成反比。在傳
熱過(guò)程中，溫差是傳熱的驅(qū)動(dòng)力，在溫差一定時(shí)傳熱效果取決與傳熱系統(tǒng)的熱阻，
熱阻越小，系統(tǒng)傳輸?shù)臒崃吭蕉唷?
3.2 穩(wěn)定態(tài)傳導(dǎo)傳熱[55]
3.2.1 平壁導(dǎo)熱
若已知平壁兩側(cè)的溫度，則 n 層平壁傳導(dǎo)傳熱的熱流量：
n n
n
n
F F F
Q t t
λ
δ
λ
δ
λ
δ
+ + +
?
= +
L
2 2
2
1 1
1
1 1
平壁（W） （3.10）
式中 1 δ 、n δ 2Lδ ——各層壁的厚度，m；
1 λ
、n
λ λ2L ——各層壁在其平均溫度下的熱導(dǎo)率，W/（m·℃）；
t1、t2?tn+1——平壁兩側(cè)的溫度，℃；
重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 3 爐子的熱平衡
29
F1、F2?Fn——各層壁的平均導(dǎo)熱面積，按各層壁兩側(cè)面積的算術(shù)平均值計(jì)
算，m2；
1、2、3?n——各層壁的序號(hào)。
設(shè)沿?zé)崃鞣较虻?x 層和（x+1）層間界面溫度為tx+1，則
( )
2 2
2
1 1
1
1 1
x x
x
x F F F
t t Q
λ
δ
λ
δ
λ
δ
= ? + + + + L （℃） （3.11）
3.2.2 圓筒壁導(dǎo)熱
n 層圓筒壁傳導(dǎo)傳熱的熱流量：
n
n
n
n
d
d
d
d
d
d
Q t t L
1
2
3
1 2
2
1
1 1
1 lg 1 lg 1 lg
2.729( )
+
+
+ + +
?
=
λ λ λ
L
圓筒（W） （3.12A）
式中 L——圓筒長(zhǎng)度，m；
d1、d2?dn+1——圓筒內(nèi)外兩側(cè)表面的直徑，m。
為了簡(jiǎn)化計(jì)算，上式可轉(zhuǎn)化為：
n n
n
n
n
d d d
Q t t L
λ
δ
?
λ
δ
?
λ
δ
?
π
+ + +
?
= +
L
2 2
2
2
1 1
1
1
1 1 ( )
圓筒（W） （3.12B）
式中 d ——各層的平均直徑，例如
2
1 2
1
d d d
+
=
1 ?
、n ? 2L? ——各層的補(bǔ)正系數(shù)，它的計(jì)算式為：
內(nèi)
外
內(nèi)
外
內(nèi)
外
d
d
d
d
d
d
ln
2( 1)
1
?
+
? = (3.13)
圓筒壁的各層交界面溫度：
( )
2 2
2
2
1 1
1
1 1 1
x x
x
x x L d d d
Q
t t
λ
δ
?
λ
δ
?
λ
δ
?
π
= ? + + + + L 圓筒（℃） （3.14）
圓拱壁是圓筒壁的一部分，它的熱流量為：
360
θ
圓拱 圓筒 Q ＝Q (W) (3.15)
式中θ ——為圓拱的中心角，（o）。
重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 3 爐子的熱平衡
30
3.3 對(duì)流給熱[55]
3.3.1 對(duì)流給熱量的一般計(jì)算式
Q α (t t )Fτ 1 2 = ? （J） （3.16）
式中 α——對(duì)流給熱系數(shù)，W/(m2·℃)；
t1——給熱體溫度，℃；
t2——受熱體溫度，℃；
F——給熱表面積，m2；
τ——給熱時(shí)間，s。
對(duì)流給熱系數(shù)受很多因素的影響，其計(jì)算關(guān)系式通常是實(shí)驗(yàn)公式，目前一般
用相似特征數(shù)的函數(shù)表示，對(duì)于穩(wěn)定熱態(tài)，它是：
Nu = f (Re,Pr,Gr)
Nu 稱為努塞爾數(shù)；Re 稱為雷諾數(shù)；Pr 稱為普朗特?cái)?shù)；Gr 稱為格拉斯荷夫數(shù)。
分別是
λ
α 0 L
Nu =
ν
ω Re 0
L =
a
ν
Pr =
2
3 *
0
ν
gL β t Gr
Δ
=
式中 α——對(duì)流給熱系數(shù)，W/(m2·℃)；
ω——流體的流速，m/s；
ν——流體的運(yùn)動(dòng)粘度，m2/s；
a ——流體的熱擴(kuò)散率，m2/s；
λ——流體的熱導(dǎo)系數(shù)，W/(m·℃)；
β *——流體的體脹率，對(duì)于氣體
+ t
=
273
β * 1 ，
K
1 ，t 取定性溫度；
Δt——流體和固體表面之間的溫差，℃；
g——重力加速度，9.81m/s2；
0 L ——用來(lái)計(jì)算特征數(shù)的尺寸，稱為定性尺寸，m；
在特定條件下，可以把特征數(shù)公式簡(jiǎn)化，得到便于計(jì)算的簡(jiǎn)化公式，但應(yīng)用
時(shí)應(yīng)該注意適用條件。
重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 3 爐子的熱平衡
31
3.3.2 在無(wú)限空間中的自然對(duì)流給熱
1. 流體沿固體表面自然對(duì)流給熱
例如車間內(nèi)靜止空氣中爐子表面的對(duì)流散熱，蒸氣和熱風(fēng)管道外表面的對(duì)流
散熱。它的特征數(shù)關(guān)系式是：
Nu ＝K(Gr Pr)n 邊 (3.17)
式中系數(shù)K 和指數(shù)n 的數(shù)值見(jiàn)表3.1，下角“邊”表示定性溫度，采取邊界層的平
均溫度，即：
( )
2
1
邊 固 流 t = t ＋t （℃） (3.18)
式中固 t ——固體表面溫度；
流 t ——流體的溫度。
該式適用于任何流體及任何形狀和尺寸的固體。定性尺寸按固體形式確定，對(duì)于
圓球圓管線和柱體，取其直徑；對(duì)于豎壁或豎立短柱體取參與傳熱的高度；對(duì)于
橫板，取最短的邊長(zhǎng)。
表 3.1 系數(shù) K 和指數(shù)n 的數(shù)值
Table 3.1 The value of K and n
(GrPr)邊K n
1×10-4～1×10-3 0.50 0
1×10-3～5×102 1.18 1/8
5×102～2×107 0.54 1/4
2×107～1×1013 0.135 1/3
2. 氣體沿平板和圓管表面自然對(duì)流給熱
用平板(0.5m×0.5m)和圓管(φ0.09m×0.5m)作實(shí)驗(yàn)，在壁面溫度27～109℃
范圍內(nèi)得出如下實(shí)驗(yàn)式：
α = CΔt 0.25 〔W/(m2·℃)〕 (3.19)
式中 C——實(shí)驗(yàn)系數(shù)。對(duì)于垂直面C＝2.56，水平向上散熱表面C＝3.26，水平
向下散熱表面C＝1.75；
Δt——?dú)怏w與壁面溫差，℃。
3.3.3 在有限空間中的自然對(duì)流給熱
在存在流體的封閉有限空間中，例如磚砌體內(nèi)的封閉間隙，若兩固體表面溫
度不同，則其中流體自然循環(huán)流動(dòng)，因此溫度高的表面向溫度低的表面?zhèn)鳠幔瑹?
流強(qiáng)度為：
固
當(dāng)q = Δt
δ
λ
(W/m2) (3.20)
重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 3 爐子的熱平衡
32
式中當(dāng) λ ——流體層（間隙）的當(dāng)量熱導(dǎo)系數(shù)，W/(m·℃)
δ ——流體層的厚度，m；
Δt固 ——兩固體表面的溫差，℃。
在(GrPr)流>103條件下
λ當(dāng)＝0.18λ流(GrPr)流
0.25 〔W/(m·℃)〕 (3.21)
式中λ流為流體的熱導(dǎo)系數(shù)，W/(m·℃)。該式適用于任何形式的間隙，如垂直或
水平的直縫、環(huán)縫等。計(jì)算特征數(shù)時(shí)，以流體溫度取兩固體表面溫度的算術(shù)平均
值為定性溫度，以流體層的厚度為定性尺寸。
3.3.4 在管道中的強(qiáng)制紊流時(shí)的給熱
1.流動(dòng)狀態(tài)和Re 數(shù)計(jì)算
流體在光滑直管中流動(dòng)狀態(tài)用 Re 數(shù)判斷。通常認(rèn)為：當(dāng)Re<2300 時(shí)，為層流
狀態(tài)；當(dāng)2300<104時(shí)，為過(guò)渡流狀態(tài)；當(dāng)Re>104時(shí)，為紊流狀態(tài)。
流體雷諾數(shù)的計(jì)算式為：
ν
ωd Re =
冶金爐計(jì)算中，經(jīng)常涉及氣體 Re 數(shù)計(jì)算。氣體的動(dòng)粘度隨溫度升高而增大。
設(shè)與其絕對(duì)溫度的n 次方成正比，因此上式可轉(zhuǎn)化為便于工程運(yùn)算的近似關(guān)系式：
n
t t
t t
= d = 0d + 1? Re (1 β )
ν
ω
ν
ω
(3.22)
式中 t——?dú)怏w的溫度，℃；
β——?dú)怏w膨脹系數(shù)，等于 1/273℃-1；
ωt,ω0——?dú)怏w在t℃和0℃時(shí)的流速，m/s。
0 ,ν ν
t ——?dú)怏w在t℃和0℃時(shí)的動(dòng)粘度，m2/s.對(duì)于空氣0 ν 為1.396×10-5 m2/s，
對(duì)于燃料完全燃燒的煙氣(含11％H2O) 0 ν 為1.22×10-5 m2/s；
n——統(tǒng)計(jì)常數(shù)，對(duì)于空氣其值約為1.66，對(duì)于煙氣約為1.73，其它氣體
的n 約為1.7。
2.液體在管道中紊流流動(dòng)時(shí)的給熱
溫度低于沸點(diǎn)的液體，在光滑管中紊流時(shí)(Re>104):
L t R Nu = 0.023Re0.8 Pr1/ 3 k k k (3.23)
該式以流體的平均溫度為定性溫度，圓管以其直徑作為定性尺寸。對(duì)于非圓
形截面管道，采取當(dāng)量直徑，它等于四倍管道截面積除以周長(zhǎng)。
式中 kL 為管道長(zhǎng)度補(bǔ)正系數(shù)，當(dāng)管道長(zhǎng)度與其直徑之比L/d≥50 時(shí)，kL＝1；
kt為考慮到熱流方向?qū)o熱系數(shù)影響的補(bǔ)正系數(shù)：
重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 3 爐子的熱平衡
33
壁
邊
μ
μ
= t k (3.24)
式中壁 μ ——流體在壁平均溫度下的粘度，Pa·s；
壁 μ ——流體在邊界層平均溫度下的粘度，Pa·s；
公式(3-23)中kR為考慮到管道彎曲度對(duì)給熱系數(shù)影響的系數(shù)
R
k d R = 1+1.77 (3.25)
上式中d 為管內(nèi)徑，R 為彎曲管（U 型管或蛇形管等）的曲率半徑。
3.氣體在管道中紊流時(shí)的給熱
氣體在光滑管中紊流時(shí)：
L t R Nu = 0.023Re0.8 Pr 0.4 k k ' k (3.26)
上式以氣體的平均溫度為定性溫度，管內(nèi)徑或當(dāng)量直徑為定性尺寸。kL為管道長(zhǎng)度
補(bǔ)正系數(shù)。k 't為考慮到熱流方向?qū)o熱系數(shù)影響的補(bǔ)正系數(shù)，氣體冷卻時(shí)k 't＝1，
氣體加熱（管壁溫度高于氣體溫度）時(shí)按下式計(jì)算：
0.5
'
? ?
?
?
? ?
?
?
=
壁
氣
T
T
kt
其中 T 氣、T 壁為氣體和管壁的平均溫度，K。
kR見(jiàn)公式（3.25）。
氣體的 Pr 數(shù)隨溫度變化不大，上式可簡(jiǎn)化為便于工程計(jì)算的近似式。對(duì)于
空氣，Pr≈0.72。
4.流體在套管環(huán)縫中呈紊流流動(dòng)時(shí)與內(nèi)管外壁間的對(duì)流給熱系數(shù)按下式計(jì)算：
0.53
1
0.02Re0.8 Pr1/ 3 ( 2 )
d
Nu = d (3.27)
上式適用于1200030 的條件下：
4.5 0.014(Re Pr )0.8 流 流 流 Nu = + (3.31)
式中定性尺寸取管道的當(dāng)量?jī)?nèi)徑，m；定性溫度取流體的平均溫度，℃。金屬熔體
的溫度分布和熱流方向?qū)嶋H上對(duì)給熱系數(shù)沒(méi)有影響。
若 L/d<30，由上式所得的給熱系數(shù)須乘以校正系數(shù)：
0.16
72 . 1 ?
?
?
??
= ?
L
d
L ε
金屬熔體和空氣接觸時(shí)發(fā)生氧化，金屬氧化物沉積在加熱面上，嚴(yán)重地降低
給熱系數(shù)。對(duì)氧化的不銹鋼管，應(yīng)用下式：
3.0 0.014(Re Pr )0.8 流 流 Nu = +
3.3.7 流體橫向流過(guò)單管時(shí)的給熱
流體橫向流過(guò)單管時(shí)：
在 0.1<103時(shí)>3×105或5×105
0.0365Re0.8 Pr1/ 3 L L Nu = (3.35)
定性溫度 t＝(t 壁+t 氣)/2
ReL中的ω均按氣體平均溫度計(jì)。
3.4 輻射傳熱[55]
3.4.1 物體的熱輻射
1. 固體的熱輻射
1) 絕對(duì)黑體熱輻射及
4
100
??
?
??
? T 的值
絕對(duì)黑體是理想物體，其輻射能力：
4
0 0 100
??
?
??
E = C ? T (W/m2) (3.36)
式中 T——絕對(duì)黑體的內(nèi)壁溫度，K；
C0——絕對(duì)黑體的輻射系數(shù)，C0＝5.67W/(m2·K4)。
2) 灰體熱輻射及其黑度
實(shí)際物體熱輻射都是灰體熱輻射。固、液體物質(zhì)的熱輻射是全波譜(即波長(zhǎng)從
零到無(wú)窮大)的連續(xù)輻射，輻射能力為
4 4
0 0 100 100
??
?
???
=
??
?
??
E = εE = εC ? T C T (W/m2) (3.37)
式中 C——灰體的輻射系數(shù)，C＝εC0 W/(m2·K4)。
ε——灰體的黑度。
固、液物體熱輻射是表面輻射，其黑度取決于物體表層的成分、狀態(tài)和溫度，
由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。
2.氣體的熱輻射及其黑度
通常條件下，氮、氫、氧等同種元素的雙原子氣體及其混合物（如干燥空氣）
沒(méi)有輻射能力，也不吸收輻射能。水蒸氣、CO2、SO2、CO、NH3、碳?xì)錃怏w等具有輻
重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 3 爐子的熱平衡
36
射能力，稱為熱輻射性氣體。
不含固體微粒煙氣的黑度，等于各輻射性氣體黑度的和，即：
CO H O SO CO ε ? ε + βε +ε +ε
煙 2 2 2 (3.38)
式中
CO2 ε ——CO2的黑度； H2O
ε ——H2O 的黑度；
SO2 ε ——SO2的黑度； CO ε ——CO 的黑度；
β——水蒸氣分壓的補(bǔ)正系數(shù)。
氣體的黑度取決于氣體的成分、分壓（含量）、溫度和氣層的有效厚度。氣
層的有效厚度又稱氣體輻射的有效射線長(zhǎng)度，可按下式計(jì)算：
F
l = 3.6V (3.39)
式中 V——?dú)怏w的容積，m3；
F——包圍氣體的表面積，m2；
3.4.2 封閉體系內(nèi)固體表面間的輻射熱交換
1. 兩固體表面
由兩個(gè)灰體表面構(gòu)成的封閉體系，在中間不存在吸收性介質(zhì)時(shí)的輻射熱流量：
2 21
4
2
4
1
100 100
? F T T C Q ?
?
?
?
? ?
?
?
??
?
??
? ? ?
?
?
??
= ? 導(dǎo) (W) (3.40A)
導(dǎo)來(lái)輻射系數(shù)：
21
2
12
1
1 1 1 1 1
5.67
?
ε
?
ε ? ?
?
?
? ??
?
? + + ? ?
?
?
? ??
?
?
= 導(dǎo)C 〔W/(m2·K4)〕 (3.40B)
式中 T1，T2——表面1 及2 的絕對(duì)溫度，K；
ε1，ε2——表面1 及2 的絕對(duì)黑度；
12 21 ? ,? ——表面1對(duì)2及表面2對(duì)1的角度系數(shù)；
F2——受熱表面積，m2；
2.存在隔板時(shí)兩平面間的輻射熱交換
有 1 與2 兩個(gè)互相平行的板面，中間是a、b、c、?、n 塊彼此平行的隔板，
則1 至2 的輻射傳熱削弱。存在隔板的輻射熱流：
F T T C Q ?
?
?
?
? ?
?
?
??
?
??
? ? ?
?
?
??
= ?
4
2
4
1
100 100 導(dǎo) (W) (3.41A)
1 2
1 1 1 1
1
a ab bc n C C C C
C
+ + + +
=
L
導(dǎo)〔W/(m2·K4)〕 (3.41B)
式中 C1a、Cab、Cbc、?、Cn2為相應(yīng)兩平行面的導(dǎo)來(lái)輻射系數(shù)。
重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 3 爐子的熱平衡
37
3.4.3 氣體對(duì)固體表面的輻射熱交換
氣體對(duì)通道表面的輻射傳熱
壁
氣 壁
‘
氣
氣
導(dǎo)－ F
T T
C Q ?
?
?
?
? ?
?
?
??
?
??
?
??
?
??
?
=
4 4
ε 100 100
ε
(W) (3.42A)
1 1 1
5.67
+ ?
壁
‘
氣
導(dǎo)＝
ε ε
C 〔W/(m2·K4)〕 (3.42B)
式中ε氣，ε氣
‘為氣體在自身溫度和壁面溫度下的黑度；
3.4.4 平均溫度
1.物料表面平均溫度
低溫爐中物料溫度變化不大時(shí)，采取算術(shù)平均值，即：
1/ 2( ) 料 料始 料終 t ＝ t + t (℃) (3.43A)
在連續(xù)加熱爐內(nèi)物料表面溫度按拋物線規(guī)律變化時(shí)：
2 / 3( ) 料 料始 料終 料始 t ＝t + t ? t (℃) (3.43B)
在高溫室狀爐內(nèi)物料始末溫度變化大時(shí)，取溫度四次方的平均值，即：
? ?
?
?
? ?
?
?
? ??
?
? ??
?
+ ? ?
?
?
? ??
?
? ??
?
? ??
? 4 4 4
2 100 100
1
100
料 料始 料終 ＝
T T T
(K4) (3.43C)
2. 爐氣的平均溫度
低溫爐或裝置中氣體溫度變化不大時(shí)，取算術(shù)平均值：
1/2( ) 氣 氣始 氣終 t ＝ t +t (℃) (3.44A)
連續(xù)式爐或熱交換裝置中，氣體溫度按指數(shù)函數(shù)規(guī)律顯著變化時(shí)，取對(duì)數(shù)平
均值：
料
氣終 料
氣始 料
氣始 氣終
氣
－
－
＝ t
t t
t t
t t
t +
+
2.3lg
(℃) (3.44B)
其中t 料為物料的平均溫度。
高溫室狀爐中，若物料溫度不隨爐長(zhǎng)變化，只隨時(shí)間變化，則一定時(shí)間階段
內(nèi)氣體平均溫度取幾何平均值：
氣 氣始 氣終 T ＝ T T (K) (3.44C)
式中 T 氣始——?dú)怏w的開(kāi)始溫度，取氣體進(jìn)入爐或裝置后的最高溫度，K；
T 氣終——?dú)怏w的終了溫度，取氣體離開(kāi)爐或裝置時(shí)的溫度，K。
3.4.5 輻射給熱系數(shù)
輻射傳熱往往和對(duì)流傳熱同時(shí)存在，為了便于綜合兩種傳熱，通常借用對(duì)流
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38
傳熱的一般關(guān)系式的形式表達(dá)輻射傳熱，即輻射熱流：
Q (t t )F 1 2 ? 輻 輻 ＝α (W) (3.45A)
因此，輻射給熱系數(shù)
t t F
Q
( ) 1 2 ?
= 輻
輻α 〔W/(m2·℃)〕 (3.45B)
式中 t1,t2——給熱體和受熱體的溫度，℃；
F——傳熱面積，m2。
對(duì)于氣體通道，如公式(3-54)。
3.5 爐子熱平衡計(jì)算
爐子的各項(xiàng)熱收入之和等于各項(xiàng)熱支出之和，即：
Σ Σ 收入 支出 Q ＝ Q (kJ/h) (3.48)
進(jìn)行爐子熱平衡計(jì)算時(shí)，首先應(yīng)根據(jù)爐子熱工作的具體情況，確定爐子的熱
收入和熱支出項(xiàng)目。對(duì)于本研究設(shè)計(jì)的電阻爐，其熱收入項(xiàng)目有：
① 電能轉(zhuǎn)變的熱；
② 物料帶入的物理熱。
其熱支出項(xiàng)目有：
① 出爐物料帶走的熱；
② 吸熱反應(yīng)及脫水消耗的熱；
③ 出爐煙氣帶走的熱；
④ 通過(guò)爐壁的散熱損失；
⑤ 通過(guò)爐底的散熱損失；
⑥ 通過(guò)爐門(mén)爐孔的散熱損失；
⑦ 爐子的蓄熱損失；
⑧ 伸出爐外導(dǎo)體的散熱。
公式(式3.48)中通常只有電能消耗是未知數(shù)，因此，逐項(xiàng)計(jì)算了各種熱收入
和熱支出以后，即可由該式確定電能消耗。
3.6 本章結(jié)語(yǔ)
以上分析討論了爐子的傳熱及熱平衡計(jì)算，通過(guò)對(duì)爐子傳熱及熱平衡計(jì)算，
確定爐子的能量消耗，從而確定爐子的加熱方式以及耐火材料的選擇。
重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文4 新型氣體保護(hù)鎂合金熔化澆注技術(shù)及裝備研究開(kāi)發(fā)
39
4 新型氣體保護(hù)鎂合金熔化澆注技術(shù)及裝備研究開(kāi)發(fā)
在深入研究國(guó)外成熟壓鑄鎂合金熔化澆注技術(shù)和裝備的基礎(chǔ)上，以鎂合金熔
化澆注工藝要求為基本準(zhǔn)則，在滿足：
① 鎂合金熔體防氧化保護(hù)要求；
② 壓鑄工藝質(zhì)量對(duì)熔爐熔化能力、熔體純凈度、澆注溫度、熔體供給量、澆
口定位的要求；
③ 鎂合金壓鑄生產(chǎn)對(duì)熔爐澆注工序安全生產(chǎn)的要求；
④ 鎂合金壓鑄生產(chǎn)對(duì)經(jīng)濟(jì)效益的要求。
的前提下，在充分尊重國(guó)外鎂合金熔化澆注系統(tǒng)中擁有的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，針對(duì)國(guó)內(nèi)汽
摩鎂合金壓鑄件的生產(chǎn)需求，開(kāi)發(fā)新型、經(jīng)濟(jì)的氣體保護(hù)冷室壓鑄鎂合金熔化澆
注技術(shù)系統(tǒng)及裝備。
圖 4.1 給出了本研究開(kāi)發(fā)的壓鑄鎂合金熔化澆注技術(shù)和裝備的工作原理框圖。
如圖所示，根據(jù)壓鑄鎂合金熔化澆注功能，本研究將其劃分為五部分進(jìn)行研
究和設(shè)計(jì)，即：
① 熔體氣體保護(hù)技術(shù)及設(shè)備設(shè)計(jì)
加熱元件
澆口定位裝置
主控 制 單 元
氣體混合
液位檢測(cè) 熔體溫度
壓鑄機(jī)
定量澆注
過(guò)熱監(jiān)測(cè)
加熱控制
熔池
保護(hù)氣氛
N2
SF6
加料控制
坩鍋
爐殼
鎂錠預(yù)熱 人工或機(jī)械加料
加料系統(tǒng) 控
溫
系
統(tǒng)
氣體保護(hù)系統(tǒng)
漏鎂監(jiān)測(cè)
質(zhì)
量
安
全
保
障
澆
注
系
統(tǒng)
圖 4.1 壓鑄鎂合金熔化澆注技術(shù)和裝備的工作原理示意圖
Fig 4.1 The working principle of technique and equipment of Mg melting and pouring
重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文4 新型氣體保護(hù)鎂合金熔化澆注技術(shù)及裝備研究開(kāi)發(fā)
40
② 熔化及熔體溫度監(jiān)控技術(shù)研究及設(shè)計(jì)
③ 熔體定位、定量澆注技術(shù)研究和設(shè)計(jì)
④ 鎂合金錠加料技術(shù)及設(shè)計(jì)
⑤ 鎂合金質(zhì)量、安全保障技術(shù)及坩鍋、爐體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
下面分別匯報(bào)各個(gè)功能模塊的研究與開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。
4.1 鎂合金熔體氣體保護(hù)技術(shù)及設(shè)備設(shè)計(jì)
4.1.1 現(xiàn)有保護(hù)氣體的阻燃機(jī)理[10][20][21][26][35]
由于鎂合金在高溫下極易發(fā)生氧化燃燒，必須提供有效的阻燃保護(hù)?，F(xiàn)有的
阻燃保護(hù)技術(shù)中，熔劑法和合金化法因其固有缺點(diǎn)的限制，未能得到大規(guī)模使用，
短期內(nèi)在技術(shù)上加以改進(jìn)和突破并得以大規(guī)模應(yīng)用的可能性較小，尤其在占鎂合
金生產(chǎn)90%的壓鑄領(lǐng)域，很難涉足。氣體保護(hù)法是目前規(guī)模生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用的保
護(hù)方法，其保護(hù)效果好、不污染鎂熔體、熔化中鎂熔體損耗少等優(yōu)點(diǎn)是其它方法
無(wú)法比擬的，因此本文采用氣體保護(hù)方法。
氣體保護(hù)法就是將惰性氣體或能與鎂熔體反應(yīng)生成致密保護(hù)膜的保護(hù)氣體引
向鎂熔池表面，達(dá)到隔絕空氣，防止鎂合金熔體持續(xù)氧化燃燒的一種方法。氣體
保護(hù)法是現(xiàn)今應(yīng)用范圍最廣的保護(hù)方法，廣泛應(yīng)用于鎂合金的液態(tài)成形、重熔靜
置以及熱處理；幾乎全部占領(lǐng)了鎂合金壓鑄領(lǐng)域。通常工業(yè)或?qū)嶒?yàn)室用的保護(hù)氣
體有：惰性氣體或按一定比例混合到載流氣體（N2,干燥空氣）中的反應(yīng)性氣體，
如：Ar、SF6、SO2、CO2 等。其各自的保護(hù)機(jī)理如下：
1) 惰性氣體
氬氣等惰性氣體不與鎂發(fā)生反應(yīng)，他們是通過(guò)稀釋和隔離鎂周圍的空氣，從
而達(dá)到阻止鎂合金熔體氧化燃燒的目的。
用于鎂熔體保護(hù)時(shí)，由于沒(méi)有在熔池表面形成保護(hù)膜，不能阻止鎂的持續(xù)蒸
發(fā)，故保護(hù)效果非常有限。因此，惰性氣體一般只在一些特殊的場(chǎng)合（如熱處理）
被用作輔助性保護(hù)氣體，作為例外，德國(guó)的Aachen 大學(xué)和Volkswagen 公司聯(lián)合
開(kāi)發(fā)的全密閉鎂合金熔煉和壓鑄成套設(shè)備中用純Ar 氣代替SF6 混合氣體進(jìn)行保護(hù)。
值得注意的是，在這樣的全密閉設(shè)備中，當(dāng)溫度大于熔點(diǎn)時(shí)，由于鎂的蒸氣
壓大的緣故，鎂會(huì)大量蒸發(fā)，并以極細(xì)粉的形式沉積在設(shè)備中的裸露內(nèi)表面，高
溫下若出現(xiàn)意外等突發(fā)事件使設(shè)備的密閉狀態(tài)受到破壞，空氣進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部與這
些極細(xì)的鎂粉以及密閉空間的大量鎂蒸氣接觸，會(huì)產(chǎn)生激烈的爆炸性的反應(yīng)，有
產(chǎn)生爆炸的危險(xiǎn)。
2) 二氧化碳
二氧化碳是一種反應(yīng)性的保護(hù)氣體，在高溫下與鎂合金、尤其是鎂合金熔體
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發(fā)生如下反應(yīng)(式4.1)：
Mg（L）＋
2
1 CO2＝MgO＋
2
1 C（無(wú)定型） （4.1）
反應(yīng)生成了 MgO 和無(wú)定型碳，無(wú)定型碳存在于MgO 膜間隙中，將氧化膜的致
密度α提高到1.03～1.15（通常認(rèn)為，α＞1 時(shí)，氧化膜是致密的，具有隔離和保
護(hù)作用）；同時(shí)帶正電的無(wú)定型碳強(qiáng)烈地抑制鎂離子（Mg2＋）透過(guò)表面膜的擴(kuò)散蒸
發(fā)，達(dá)到阻燃保護(hù)效果[1]，如下圖所示。由圖3.1 看出，鎂在純CO2（干燥）中的
氧化速率較小。
實(shí)驗(yàn)表明，700℃以下時(shí)，鎂熔體在干燥的CO2 氣氛中表面形成晶瑩的有金屬
光澤的薄膜，此膜具有一定的塑性，保護(hù)效果較好；隨著溫度的升高，表面膜逐
漸變厚、變硬，致密度逐漸降低，隨后發(fā)生開(kāi)裂，同時(shí)無(wú)定型碳也不能有效沉積，
表面膜的防護(hù)作用大為減弱，鎂開(kāi)始燃燒。此外，當(dāng)CO2 中混有空氣或水汽時(shí)，CO2
氣體的防護(hù)性將下降。
通常，在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中 CO2 多與其它保護(hù)氣體混合使用，若單獨(dú)使用CO2的作
為保護(hù)氣體，其使用溫度一般也不超過(guò)700℃。有報(bào)道稱德國(guó)Audi 公司正在試驗(yàn)
將CO2 單獨(dú)作為保護(hù)氣體，用于全密閉鎂合金熔煉爐[16]。
3) 六氟化硫
六氟化硫(SF6)無(wú)毒、無(wú)味、對(duì)設(shè)備腐蝕性低，分子量146.1，比空氣重4 倍。
從分子結(jié)構(gòu)看，一個(gè)硫原子被六個(gè)氟原子緊緊包圍，具有化學(xué)惰性結(jié)構(gòu)，在常溫
下極穩(wěn)定。通常將SF6 氣體加高壓后變成液態(tài)，儲(chǔ)存在專用的耐高壓鋼瓶中備用。
SF6 是目前應(yīng)用最廣的鎂合金保護(hù)氣體，幾乎占了所有保護(hù)氣體用量的90%。
SF6 在高溫下與鎂熔體發(fā)生式4.2～4.4 的反應(yīng)[20]，在鎂合金熔體表面形成致密的
200
400
600
800 O2中
CO2中
500 600 700 800
t,℃
ΔW
mg/cm2·h
圖4.2 純鎂的氧化增重與溫度的關(guān)系
Fig.4.2 The oxidation cueve of Mg in O2 and CO2
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MgF2·MgO 復(fù)合膜（MgF2 的致密度系數(shù)α=1.6），可以有效阻止鎂的氧化燃燒。氧
化增重實(shí)驗(yàn)證明（見(jiàn)圖4.3）：SF6 對(duì)鎂熔體的防燃燒作用與其濃度有關(guān)，空氣中
SF6 濃度過(guò)低（小于0.01%體積）或過(guò)高（大于1%體積），鎂的氧化增重曲線均屬
直線型，防護(hù)作用差。當(dāng)SF6 濃度處于0.01～1%之間，氧化增重曲線呈拋物線型，
防護(hù)作用較好。不同類型鎂合金均基本符合上述規(guī)律。
2Mg（L）＋O2＝2MgO（S） （4.2）
2Mg（L）＋O2＋SF6＝2MgF2（S）＋SO2F2 （4.3）
2MgO（S）＋SF6＝2MgF2（S）＋SO2F2 （4.4）
通常 SF6 的使用體積比為0.03～0.3%。應(yīng)避免SF6 濃度大于0.5%，因?yàn)檫@會(huì)造
成坩堝損耗，特別是在高溫下；如果SF6 濃度超過(guò)了1%或者更高則會(huì)與坩堝激烈反
應(yīng)，生成大量的疏松含F(xiàn)e 產(chǎn)物，這些產(chǎn)物一旦與鎂熔體接觸就會(huì)有爆炸的危險(xiǎn)。
實(shí)踐證明，SF6 用于鎂合金的高溫防氧化，尤其是熔體阻燃時(shí)，保護(hù)效果很好，
因此被廣泛采用，幾乎占了全部所用保護(hù)氣體的90%。但是SF6存在致命的缺點(diǎn)：
其溫室效應(yīng)是CO2的24000 倍，在歐洲已經(jīng)被立法逐步禁用，世界范圍內(nèi)的全面禁
用是遲早的事情。另外，氣體價(jià)格昂貴（160 元/kg），使用成本較高。人們開(kāi)始
尋求能夠完全替代SF6 的保護(hù)氣體。
4) 二氧化硫
SO2 也是一種效果較好的鎂合金保護(hù)氣體。早在人們使用SF6 之前就有使用，
只是因?yàn)槠溆忻黠@的刺激性氣味，加之當(dāng)時(shí)人們對(duì)SF6 的環(huán)境危害問(wèn)題沒(méi)有認(rèn)識(shí)，
所以就沒(méi)有大量地使用SO2 作為鎂合金保護(hù)氣體。
在高溫下，SO2 和鎂熔體發(fā)生式（4.5）和（4.6）所示的反應(yīng)，在熔體表面形
成薄而致密、且有一定強(qiáng)度和塑性的MgS·MgO 復(fù)合表面膜，可在750℃以下有效
20 40 60 80 100
ΔW
mg/cm2
τ/min
10-6
10/100
5/100
10-5
3/100
10-2
10-3
圖4.3 760℃時(shí)鎂在空氣+SF6 氣氛中的氧化增重曲線[20]
Fig.4.3 The oxidation cueve of Mg in air＋SF6
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抑制鎂的氧化燃燒[19]。
3Mg＋SO2＝2MgO＋MgS （4.5）
2Mg＋SO2＝2MgO＋S （4.6）
盡管 SO2 對(duì)設(shè)備有一定的腐蝕作用、并且有刺激性氣味，但隨著SF6的逐步禁
用，歐美的鎂合金界開(kāi)始用SO2 替代SF6 氣體，其使用濃度為0.5～2%。
現(xiàn)有的 SO2 氣體保護(hù)技術(shù)與SF6 氣體保護(hù)技術(shù)相似，均采用外購(gòu)瓶裝組元?dú)怏w
現(xiàn)場(chǎng)混合的方法制備混合保護(hù)氣體。因此，保護(hù)氣體的使用成本較高，氣體混合
裝置和氣體輸送裝置較復(fù)雜，既不方便使用且成本較高。
5) 綠色環(huán)保型保護(hù)氣體
據(jù)3M公布的資料顯示，美國(guó)3M公司新近開(kāi)發(fā)了一種相對(duì)環(huán)保的鎂合金保護(hù)氣
體FK。這種保護(hù)氣體為C、O、F的大分子化合物，溫室效應(yīng)與CO2基本相當(dāng)，在大氣
中的存在時(shí)間僅為CO2的1/10000左右（如表4.1所示）。其研究表明：FK在650℃時(shí)
幾乎完全分解為以C·F化合物和C·O·F化合物為主要成分的混合氣體，與鎂熔體
反應(yīng)生成MgF2保護(hù)膜，達(dá)到阻燃保護(hù)效果。該氣體使用濃度為0.02～0.05%，對(duì)載
流氣體的要求與SF6相似，使用中僅產(chǎn)生少量的 HF、COF2、PFIB等有害氣體，且這
些有害氣體的絕大部分都在熔池表面與鎂熔體反應(yīng)而被消耗，溢出的部分對(duì)操作
者健康危害不大。因此，F(xiàn)K混合氣體被譽(yù)為環(huán)保型的保護(hù)氣體，只是還停留在實(shí)
驗(yàn)室研究階段，離工業(yè)應(yīng)用尚需時(shí)日。
表4.1 幾種氣體溫室效應(yīng)指標(biāo)比較（摘自3M公司公布的演講稿）
Table 4.1 The GWP of some Atmospheres
氣 體 空氣中的生命周期（年） GWP（全球增溫潛能值）
CO2 100～150 1
CH4 12 24
SF6 3200 22000
FKs 0.014 ～1
總之，氣體保護(hù)法具有保護(hù)效果好、不污染鎂熔體、熔煉過(guò)程中損耗少等優(yōu)點(diǎn)，
是其它方法所不可比擬的。開(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)、使用方便、綠色環(huán)保的新型保護(hù)氣體將是
其發(fā)展方向。
4.1.2 在線生成保護(hù)氣體成分的選擇
鑒于現(xiàn)有氣體保護(hù)技術(shù)采用“外購(gòu)單元?dú)怏w現(xiàn)場(chǎng)混合”的工藝，在長(zhǎng)期連續(xù)使
用的條件下，氣體使用成本較高，削弱了壓鑄件生產(chǎn)企業(yè)的盈利能力。
基于單元保護(hù)氣體的阻燃機(jī)理，為了在“SO2/N2”和“SO2/干燥空氣”混合氣
體的基礎(chǔ)上獲得更好的保護(hù)效果，本研究選擇了綜合SO2和CO2 的保護(hù)作用，重點(diǎn)
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開(kāi)發(fā)“固體碳、硫混合物與干燥壓縮空氣在高溫下反應(yīng)生成以‘SO2、CO2、N 2 和少
量殘余O2’為組份的多元保護(hù)氣體在線發(fā)生技術(shù)及裝備”，以求最大限度地降低
保護(hù)氣體的含氧量、綜合發(fā)揮SO2和CO2 的保護(hù)機(jī)制去獲得更好的保護(hù)效果，同時(shí)
大幅度降低熔體保護(hù)成本，獲得良好的綜合技術(shù)、經(jīng)濟(jì)效益。
但是，由于SO2 氣體對(duì)設(shè)備和廠房腐蝕比較嚴(yán)重，故在我們的在線氣體生產(chǎn)技
術(shù)中也同時(shí)考慮了半外購(gòu)半在線生成的技術(shù)，即用在線發(fā)生器生成CO2 和N 2 混合
氣體后再與SF6 混合產(chǎn)生保護(hù)氣體，從而對(duì)鎂合金熔池進(jìn)行保護(hù)。其優(yōu)點(diǎn)在于減少
了大量消耗的N 2 成本，同時(shí)也不會(huì)腐蝕設(shè)備和廠房，獲得良好的綜合效益。
4.1.3 保護(hù)氣體在線生成技術(shù)研究開(kāi)發(fā)
根據(jù)化學(xué)原理，由 SO2和CO2 組成的二元保護(hù)氣體可通過(guò)下述反應(yīng)來(lái)生成。
C＋O2＝CO2 （4.7）
S＋O2＝SO2 （4.8）
當(dāng)用壓縮空氣替代上式中的氧氣，并讓上述兩個(gè)反應(yīng)在同一反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行，就獲
得由“SO2、CO2和N 2”組成的三元混合氣體?；旌蠚怏w中的SO2和CO2相對(duì)濃度可
通過(guò)S 和C 供應(yīng)量的相對(duì)多少來(lái)調(diào)控。
反
應(yīng)
器
混合氣體
溫度監(jiān)測(cè)
除濕脫油
壓縮空氣源
流量監(jiān)控
硫、碳混
合物或碳
定量加料
加熱控制
鎂合金熔爐
CO2
SF6
氣體定量、混合
氣體定
量、混合
SF6
僅為碳粉時(shí)
硫、碳混合物時(shí)
圖4.4 SO2、CO2、N2 和O2 四元混合氣體在線發(fā)生裝置工作原理示意圖
Fig 4.4 The working principle of producing protective gas on-line for SO2, CO2, N2 and O2
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在保持混合氣體中“SO2 和CO2”的相對(duì)比例不變的條件下，則可通過(guò)減少S
和C 混合料的供應(yīng)量來(lái)實(shí)現(xiàn)混合氣體中的SO2濃度控制。這時(shí)，根據(jù)SO2濃度的不
同，獲得殘余氧量在較低含量范圍內(nèi)變化的“SO2、CO2、N2和O2”的四元混合氣體。
另外，當(dāng)在反應(yīng)器中只發(fā)生（式 4.7）反應(yīng)，獲得的混合氣體則為CO2和N 2，
使其再與外購(gòu)的SF6 氣體混合，便得到SF6、CO2和N 2 三元混合氣體，其相對(duì)濃度可
通過(guò)流量控制器來(lái)調(diào)節(jié)。
另外，S 和C 在大氣中的燃點(diǎn)分別為400 oC 和700 oC，(式4.7)和(式4.8)
兩個(gè)反應(yīng)需在S 和C 的燃點(diǎn)溫度之上才能穩(wěn)定進(jìn)行。因此，在線氣體發(fā)生設(shè)備必
須能夠提供該反應(yīng)進(jìn)行所需的高溫條件(一般將溫度嚴(yán)格控制在750 oC 以上)。
4.1.4 保護(hù)氣體在線生成裝備設(shè)計(jì)
根據(jù)上述原理，圖 4.4 給出了在線氣體生成裝備的工作原理及結(jié)構(gòu)示意圖。
由圖可見(jiàn)，混合氣體在線發(fā)生裝置由四個(gè)主要部分，即：干燥壓縮空氣定量供應(yīng)
系統(tǒng)；碳粉或硫、碳固體混合定量加料系統(tǒng)；高溫反應(yīng)器及其溫度監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)；
混合保護(hù)氣體引出系統(tǒng)；和為保障系統(tǒng)的連續(xù)穩(wěn)定工作而附加的：反應(yīng)器自清洗
功能；（停電、故障）停機(jī)時(shí)的保護(hù)氣體混合供氣系統(tǒng)；共六部分組成。
4.1.5 多元混合保護(hù)氣體在線發(fā)生裝置及其主要參數(shù)
下圖給出了本研究設(shè)計(jì)的多元混合保護(hù)氣體在線發(fā)生裝置的實(shí)物圖片。
下表給出了新型多元混合氣體在線發(fā)生器的主要技術(shù)參數(shù)。作為對(duì)比，表中
同時(shí)給出了奧地利勞和（Rauch）冷室壓鑄鎂合金熔化澆注單元配備的單元?dú)怏w混
圖4.5 新型多元混合氣體在線發(fā)生裝置
Fig 4.5 The new equipment of producing protective gas on-line
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合裝置的主要技術(shù)指標(biāo)。
表 4.1 多元混合氣體在線發(fā)生裝置的主要技術(shù)參數(shù)及比較
Table 4.1 Comparing of the mostly technique parameter of producing protective gas on-line
生產(chǎn)單位
技術(shù)參數(shù)
重慶大學(xué)－重慶碩龍 奧地利 Rauch
設(shè)備銷售價(jià)格 15萬(wàn)RMB 20萬(wàn)RMB
混合氣體流量 800 l/h 820 l/h
混合氣體組份
SO2: 1.3% CO2:16.3%
N2:79.0% O2:3.4%
SO2:1-2%
N2: 其余
能耗（kw） 功率：?jiǎn)?dòng) 10 kw；工作態(tài)2 kw
成本：20 元/天
功率：< 1 kw
成本：< 10 元/天
原料消耗及價(jià)格
硫、碳混合物消耗：2 公斤/天
硫、碳混合物價(jià)格：< 5 元/公斤
壓縮空氣消耗：20m3/天
壓縮空氣價(jià)格：< 0.5 天/m3
SO2 消耗：200-400L/天
SO2 價(jià)格: 46 元/公斤
N2 消耗：20m3/天
N2 價(jià)格: 20 元/瓶（6 m3/瓶）
耗材運(yùn)輸儲(chǔ)藏費(fèi)用 幾乎為0 10元/天
運(yùn)行成本 < 40 元/天 115-140元/天
折舊（10 年計(jì)） 50元/天 66元/天
注：天以 24 小時(shí)計(jì)，以500Kg 定量爐為例
4.1.6 多元保護(hù)氣體在線發(fā)生裝置使用效果
用開(kāi)發(fā)的多元混合保護(hù)氣體在線發(fā)生裝置對(duì) AZ91D 和AM60 鎂合金熔體在不同
溫度和不同SO2 含量下進(jìn)行保護(hù)效果檢測(cè)的結(jié)果見(jiàn)下表和圖4.6。
表 4.2 AZ91D 在不同溫度下和不同SO2 含量下進(jìn)行保護(hù)效果檢測(cè)的結(jié)果
Table 4.2 The protecting result of AZ91D using different atmospheres
熔體保持溫度
氣氛 SO2 濃度
500 oC 600 oC 650 oC 700 oC 725 oC 750 oC 800 oC
1.0% 很好很好 很好 很好 較好 尚可 燃
1.5% 很好很好 很好 很好 較好 可 燃
2.5% 很好很好 很好 很好 好 可 燃
3.5% 很好很好 很好 很好 好 可 燃
5.0% 很好很好 很好 很好 好 可 燃
上述檢測(cè)結(jié)果表明，開(kāi)發(fā)的多元混合保護(hù)氣體在線發(fā)生技術(shù)和裝置能夠?yàn)閴?
鑄鎂合金熔體提供持續(xù)而有效的防氧化保護(hù)，從應(yīng)用效果上達(dá)到了替代SF6 混合保
護(hù)氣體的目的。
對(duì)表面氧化膜的 SEM 顯微形貌觀察和X-射線衍射分析結(jié)果(圖4.7)表明：在
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在線發(fā)生的保護(hù)氣體下，熔體表面生成了柔韌致密、由MgS·MgO·C 組成的復(fù)合
保護(hù)膜。
圖 4.6 AZ91D 熔體在SO2 wt%保護(hù)氣氛下熔化態(tài)、700 oC 保溫5 分鐘、3 小時(shí)
和24 小時(shí)的熔池表面狀態(tài)
Fig 4.6 The protecting result of AZ91D using different preservation time
4.2 鎂合金的安全熔化技術(shù)及設(shè)備設(shè)計(jì)
鎂合金熔爐選用電阻加熱熔化。為了保證壓鑄生產(chǎn)高效率、穩(wěn)定地進(jìn)行，擬
開(kāi)發(fā)的熔爐必需滿足以下設(shè)計(jì)要求：
① 鎂合金熔爐必需滿足配套壓鑄機(jī)對(duì)鎂合金熔化率（熔爐的熔化能力）、熔
體溫度和純凈度的要求；
② 鎂合金熔爐本身必需具備在坩鍋泄漏等極端不利的條件下防止發(fā)生重大
事故（如爆炸）的結(jié)構(gòu)和能力。
4.2.1 熔化率（熔爐的熔化能力）的確定（以500 公斤熔爐為例）
壓鑄用鎂合金熔爐的熔化率 S（小時(shí)/公斤）可由壓鑄機(jī)的最大鎂合金熔體需
求量來(lái)確定：
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S＝壓鑄機(jī)每小時(shí)壓鑄次數(shù)×每個(gè)壓鑄件的最大澆注質(zhì)量
通常，700 噸壓鑄機(jī)的鎂合金熔體最大澆注量為7 公斤，每1.5－2 分鐘實(shí)現(xiàn)一次
壓鑄工藝循環(huán)。故與700 噸壓鑄機(jī)配套的鎂合金熔化爐的熔化率為：
S＝（60/1.5）×7＝280（公斤/小時(shí)） （4.9）
4.2.2 熔爐的最大功率：
熔爐的最大功率（P）由以下熱平衡方程來(lái)確定：
P＝R＋L （4.10）
式中：R 為熔化“熔化率”規(guī)定量鎂錠需要的熱量，它由將規(guī)定量鎂合金從150℃
加熱到熔點(diǎn)所需熱量（R1），熔化所需熱量（RR），和從熔化溫度加熱到澆注溫度
所需的熱量（R2）三者的總和；L 為熔爐散熱導(dǎo)致的熱損失。
以上各部分熱量可用以下公式確定：
Al12Mg17
MgS
Mg, C
MgO
C
Mg, C
Mg
MgS
Mg Mg
MgO
A
掃描電鏡200倍
圖 4.7 700 oC 下AZ91D 熔池表面保護(hù)膜X-射線能譜(A)，和新形成的保護(hù)膜表面狀態(tài)(B)
Fig 4.7 The result of X－diffracting (A) and the micro scaning (B) of protection film of AZ91D
B
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R1＝重量×溫差×平均熱容＝280kg×450K×1.2kJ/（kg·K）＝151200（kJ）
RR＝重量×鎂合金凝固潛熱＝280kg×370kJ/kg＝103600（kJ）
R2＝重量×溫差×平均熱容＝280kg×100K×1.36 kJ/（kg·K）＝38080（kJ）
對(duì)電爐而言，由電能轉(zhuǎn)化的熱能 Q 電(kJ/h)為:
Q 電＝3600×電爐功率（kW/h） （4.11）
故，無(wú)熱損失的熔爐功率（P）為：
P＝（R1＋RR＋R2）/3600＝（151200＋103600＋38080）/3600＝81.36 kW
對(duì)于本形貌開(kāi)發(fā)的爐型，其選熱效率大于80%，故熔爐的實(shí)際功率P 實(shí)（kW）為：
P 實(shí)≥1.2P＝97.6（kW）≈100kW （4.12）
對(duì)于 350 公斤容量的鎂合金熔爐，出于方便設(shè)備制造管理和鑒于采用固態(tài)繼
電器進(jìn)行溫度控制時(shí)設(shè)備功率過(guò)剩并不會(huì)導(dǎo)致實(shí)際能量消耗上升，其功率仍然按
100kW 進(jìn)行設(shè)計(jì)。
4.2.3 熔體溫度控制[57]
通常，冶金爐溫度控制精度一般用保溫階段熔爐達(dá)到熱平衡后出現(xiàn)的溫度波
動(dòng)來(lái)衡量，而壓鑄鎂合金熔爐是在不斷加料和澆注的動(dòng)態(tài)條件下工作的。因此，
鎂合金熔爐的溫度控制精度可用靜態(tài)溫度控制精度和動(dòng)態(tài)溫度控制精度兩個(gè)指標(biāo)
綜合衡量
1）靜態(tài)溫度控制
在本熔爐設(shè)計(jì)中，采用了國(guó)際廣泛采用的 PID 自動(dòng)控制系統(tǒng)，其溫度控制精
度由熱電偶和控制儀表精度決定。根據(jù)采用的熱電偶和儀表精度，熔爐在靜態(tài)工
作條件下，設(shè)計(jì)和實(shí)際溫度精度均可達(dá)到≤0.5%FS，即在650℃的絕對(duì)溫度誤差為
±6.5℃，溫度波動(dòng)為±1.0℃。
2）動(dòng)態(tài)溫度控制
在確保靜態(tài)精度的前提下，每次向熔爐中添加預(yù)熱鎂錠時(shí)都導(dǎo)致熔池內(nèi)熔體
溫度的動(dòng)態(tài)波動(dòng)。理論上講，動(dòng)態(tài)溫度波動(dòng)幅度（ΔT）為可用下述熱平衡公式計(jì)
算：
ΔT＝
熔池熔體熱容 熔池熔體質(zhì)量
鎂錠質(zhì)量（平均熱容 溫差 凝固潛熱）
×
× × +
（4.13）
設(shè)鎂錠質(zhì)量為 10kg，則將一預(yù)熱到150℃的鎂合金錠加入到500kg 溫度為650
℃的鎂合金熔池時(shí)產(chǎn)生的溫度波動(dòng)為：
ΔT＝
1.35kJ/kg 500kg
10 (1.25kJ/kg.K 500K 370kJ/kg)
×
× × +
＝14.74 K
而將質(zhì)量為10kg、預(yù)熱到150℃的鎂合金錠加入到350kg 溫度為650℃的鎂合金熔
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50
池時(shí)產(chǎn)生的溫度波動(dòng)則為：
ΔT＝
1.35kJ/kg 350kg
10 (1.25kJ/kg.K 500K 370kJ/kg)
×
× × +
＝21.06 K
由上述結(jié)果可見(jiàn)，對(duì)于澆注溫度一般為650℃的鎂合金壓鑄工藝要求而言，加
料導(dǎo)致的15-20℃溫度波動(dòng)是較大的，對(duì)于溫度和控制壓鑄件質(zhì)量較為不利。
為了防止鎂合金動(dòng)態(tài)熔化澆注的溫度波動(dòng)導(dǎo)致壓鑄生產(chǎn)不穩(wěn)定，目前除采用較高
鎂錠預(yù)熱溫度的措施，通常熔化、澆注分離的方法來(lái)防止熔體溫度波動(dòng)。目前，
達(dá)到該目的有兩種方案，即：
① 采用熔化和保溫澆注兩個(gè)完全獨(dú)立的坩鍋，其中一個(gè)坩鍋進(jìn)行熔化，而另
一個(gè)坩鍋則進(jìn)行保溫澆注，如德國(guó)Westoffen 公司的雙室熔爐結(jié)構(gòu)。
② 在坩鍋內(nèi)，將坩鍋隔離為相互獨(dú)立、一大一小的兩個(gè)熔池，在大熔池里進(jìn)
行加料熔化，在小熔池內(nèi)進(jìn)行熔體等溫和澆注。目前，奧地利Rauch 公司的壓鑄
鎂合金熔爐主要采用該類結(jié)構(gòu)。
為了減輕熔爐重量便于澆注的三維定位，在本設(shè)計(jì)中用隔板將坩鍋更徹底地
分隔為一大一小兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的熔池，得到新型的單坩鍋雙室熔爐結(jié)構(gòu)，其具有
抑制小熔池內(nèi)的熔體溫度明顯波動(dòng)的功能。
由（4.5）式可見(jiàn)，加料對(duì)熔體溫度的影響主要取決于一次加料質(zhì)量的大小和
預(yù)熱鎂錠與熔池內(nèi)熔體的巨大溫差（500℃）。當(dāng)采用本研究開(kāi)發(fā)的單坩鍋雙室熔
爐結(jié)構(gòu)后，大熔化池中的熔體溫度在加料時(shí)的波動(dòng)被擴(kuò)大了近30%，可達(dá)25-30℃，
但小熔池內(nèi)的熔體溫度則只受加料時(shí)從大熔池涌入小熔池的熔體溫度的影響。由
于涌入小熔池的鎂合金熔體溫度波動(dòng)最大為30℃，涌入量又僅約為加入鎂錠質(zhì)量
的30%。因此，在澆注熔池內(nèi)產(chǎn)生的熔體溫度波動(dòng)可用下式粗略評(píng)估：
ΔT＝
1.35kJ/kg 350/3kg
10 (1.25kJ/kg.K 30K)
×
× ×
＝0.794 K
因此，從工程的角度，采用新型的坩鍋結(jié)構(gòu)后，澆注熔池的鎂合金熔體溫度將十
分穩(wěn)定。
從熔爐熱工設(shè)計(jì)角度，在熔化熔池和澆注熔池分別使用一只熱電偶，監(jiān)測(cè)和
控制各熔池的溫度，使熔體澆注溫度始終穩(wěn)定在壓鑄工藝要求的澆注溫度范圍。
4.2.4 熔體質(zhì)量控制
單坩鍋雙室鎂合金熔化爐的最大缺點(diǎn)就是不能夠主動(dòng)對(duì)鎂合金熔體進(jìn)行精
煉，提高熔體的純凈度，而只能采取被動(dòng)的措施，通過(guò)減少對(duì)熔體的污染來(lái)確保
鎂合金壓鑄件的性能。因此，除嚴(yán)格管理入爐時(shí)鎂合金錠的表面、內(nèi)在質(zhì)量和加
料工藝外，在坩鍋設(shè)計(jì)上則利用熔渣的上浮和下沉特性，創(chuàng)造條件讓熔渣與熔體
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51
盡量分離，減少熔化過(guò)程對(duì)熔體的污染。
在本熔爐的坩鍋設(shè)計(jì)中，采用了大小兩相對(duì)獨(dú)立的熔池。大熔池在進(jìn)行鎂錠
熔化的同時(shí)，利用其容積大，熔體流動(dòng)緩慢利于熔渣分離的優(yōu)點(diǎn)，最大限度的實(shí)
現(xiàn)熔渣的上浮和下沉。在兩個(gè)熔池之間的隔離壁中間位置上開(kāi)設(shè)熔體流道，將大
熔池中部純凈度較高的鎂熔體引入小熔池進(jìn)行等溫澆注。
4.2.5 熔爐安全結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
除提供純凈度和溫度滿足要求的高質(zhì)量鎂合金熔體外，熔爐設(shè)計(jì)的關(guān)鍵就是
從結(jié)構(gòu)上排除因鎂熔體泄漏導(dǎo)致的重大安全事故。
1）鎂合金熔爐重大事故的發(fā)生機(jī)制
鑄造車間中，除澆注過(guò)程失誤導(dǎo)致大量鎂熔體外泄到潮濕的地表，引發(fā)重大
事故外，鎂合金熔爐是重大事故的主要潛在發(fā)生部位。根據(jù)事故發(fā)生的原因，熔
爐重大事故一般分為坩鍋完好時(shí)出現(xiàn)的爆炸事故和坩鍋破損導(dǎo)致鎂熔體泄漏引發(fā)
爆炸兩類情況。
坩鍋完好時(shí)出現(xiàn)的爆炸事故主要是由氣體忽然受熱高速膨脹導(dǎo)致的失控熔體
外泄引起的。這類事故一般與違犯工藝規(guī)范的野蠻操作相關(guān)，如將未徹底烘干、
表面或內(nèi)部仍然含有大量吸附水、氫或油漬等發(fā)氣量大污染物的爐料忽然投入熔
池等。但這類事故隱患可以、也只能通過(guò)強(qiáng)化管理來(lái)消除。
當(dāng)鎂熔體從坩鍋中泄漏時(shí)，發(fā)生重大事故（如爆炸）的直接原因就是泄漏的
鎂合金熔體在爐內(nèi)被加熱、蒸發(fā)，鎂合金又與空氣高度混合、發(fā)生氧化燃燒，放
出高熱量，爐內(nèi)氣氛受膨脹最終導(dǎo)致爆炸事故。
2）鎂合金熔爐重大事故的發(fā)生機(jī)理
如上所述，鎂合金熔爐發(fā)生重大事故都是由于高溫鎂合金熔體與爐料即水、
空氣、SiO2、Fe2O3 等發(fā)生劇烈反應(yīng)導(dǎo)致的。下面從熱力學(xué)理論和化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)理
論方面解釋鎂合金熔爐重大事故的發(fā)生機(jī)理。
① 熱力學(xué)分析
鎂與爐料反應(yīng)的反應(yīng)式及其標(biāo)準(zhǔn)生成自由能如下表 4.3：
通過(guò)表 4.3 的計(jì)算，可以得到以下熱力學(xué)結(jié)論：由于其標(biāo)準(zhǔn)生成自由能均小于
零，故以上反應(yīng)在坩鍋泄漏時(shí)均非常容易發(fā)生，除了防止坩鍋泄漏造成重大事故
外，還應(yīng)在選擇筑爐材料時(shí)，盡量選擇含以上物質(zhì)少的筑爐材料，如高鎂耐火材
料，以防止鎂熔體泄漏導(dǎo)致與筑爐材料發(fā)生劇烈反應(yīng)，放出大量的熱而導(dǎo)致爆炸。
② 化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)分析
溫度是影響反應(yīng)速率的重要因素，一般常見(jiàn)反應(yīng)的速率常數(shù)隨溫度的升高而
很快增大。根據(jù)阿累尼烏斯公式：
k = Ae?Ea / RT (式4.14)
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可知，反應(yīng)速率隨溫度的升高成指數(shù)關(guān)系升高。
表 4.3 幾種物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)生成自由能△Go 值計(jì)算
Table 4.3 The calculated result of △Go
化 學(xué) 反 應(yīng) 式 △Go 值溫 度
2Mg（液）＋O2＝2MgO -240696.1 cal/-1010.9 kJ 953K/680 oC
2Mg（氣）＋O2＝2MgO -405005.8 cal/-1701.0 kJ 1380K/1107 oC
Mg（液）+H2O=MgO+H2↑ -74296.1 cal/-312.1kJ 953K/680 oC
2Mg（液）+SiO2=2MgO+Si -70602.6 cal/-296.5kJ 953K/680 oC
-63457.5 cal/-266.5kJ 1223K/950 oC
-27956.6 cal/-117.4kJ 953K/680 o3Mg（液）+Al2O3=3MgO+2Al C
-26318.5 cal/-110.5kJ 1223K/950 oC
反應(yīng)速率與溫度的關(guān)系（如圖 4.8）有五種類型，其中Ⅰ為阿累尼烏斯類型，
Ⅱ?yàn)楸ǚ磻?yīng)，鎂合金熔體泄漏反應(yīng)符合以上兩種類型。在表4.3 中的反應(yīng)發(fā)生
后，放出大量的熱，使溫度急劇上升而加劇反應(yīng)的發(fā)生，在有充足的空氣條件下，
坩鍋泄漏將會(huì)導(dǎo)致熔爐爆炸，故在熔爐設(shè)計(jì)時(shí)，首先必須防止在坩鍋泄漏時(shí)有大
量空氣進(jìn)入熔爐，另外必須要盡快把爐內(nèi)的鎂合金熔體排出熔爐，避免鎂熔體在
爐內(nèi)受熱蒸發(fā)而導(dǎo)致爆炸的危險(xiǎn)。
3）熔爐主動(dòng)防爆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
根據(jù)以上分析，除制定嚴(yán)格的坩鍋質(zhì)量定期檢測(cè)制度外，也可以通過(guò)熔爐結(jié)
構(gòu)設(shè)計(jì)本身來(lái)防范。本熔爐根據(jù)鎂合金熔體泄漏引發(fā)爆炸的過(guò)程，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上
采用以下全新主動(dòng)安全措施防患于未然（見(jiàn)圖4.9）。
① 熔爐內(nèi)部設(shè)漏鎂檢測(cè)裝置，一旦檢測(cè)到鎂熔體泄漏，立即關(guān)掉熔爐電源，
并發(fā)出警報(bào)，通知操作人員及時(shí)進(jìn)行處理。
② 為了消除或減緩鎂合金熔體泄漏爆炸需積累大量鎂蒸氣的條件，在爐底設(shè)
計(jì)上采用傾斜自流爐底、促使泄漏熔體外流的特殊結(jié)構(gòu)；在爐底加熱爐絲的支撐
上，采用能使泄漏熔體與爐絲自動(dòng)分離的結(jié)構(gòu)；在爐底最低處，開(kāi)設(shè)自動(dòng)開(kāi)啟的
r
T
Ⅰ r
T
Ⅳ r
T
Ⅴ
r
T
Ⅱ
r
T
Ⅲ
圖4.8 反應(yīng)速率與溫度關(guān)系的五種類型[56]
Fig 4.8 the relation between reaction rate and temperature[56]
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爐底門(mén)，在探測(cè)到漏鎂的第一時(shí)間，打開(kāi)該門(mén)，讓泄漏熔體從爐底流出到漏鎂盤(pán)
內(nèi)；在熔爐底部，采用高含量鎂的耐火材料筑爐，避免泄漏熔體與爐內(nèi)材料發(fā)生
化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生大量的熱而導(dǎo)致爆炸的發(fā)生。
通過(guò)上述主動(dòng)安全結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以在極大程度上化解漏鎂帶來(lái)的重大事故發(fā)
生概率，是熔爐可以更安全的使用。
另外，迄今的熔爐安全事故分析表明，鎂合金重大事故在很大程度上是由于
管理上麻痹大意、使用上不遵守安全操作規(guī)程導(dǎo)致的。因此，即使采用具有上述
安全結(jié)構(gòu)特征的鎂合金熔爐，還必須嚴(yán)格熔爐安全監(jiān)控和現(xiàn)場(chǎng)操作管理才能杜絕
重大安全事故。
4.3 鎂合金熔體的定量、定位澆注技術(shù)及設(shè)備的研究開(kāi)發(fā)
由于鎂合金易于在大氣中氧化甚至燃燒，壓鑄鎂合金熔爐與鋁合金熔爐的最
大差別就在于其具備定位、定量、定時(shí)的封閉式澆注系統(tǒng)。在保護(hù)氣氛中穩(wěn)定實(shí)
現(xiàn)鎂合金熔體的定量、準(zhǔn)時(shí)、無(wú)氧化澆注是鎂合金熔化澆注技術(shù)的關(guān)鍵。
4.3.1 鎂合金熔體定量澆注技術(shù)
定量澆注技術(shù)是壓鑄鎂合金熔爐的核心，為了開(kāi)發(fā)出低成本、高穩(wěn)定、自保
護(hù)、小體積的熔體定量澆注技術(shù)，擬開(kāi)發(fā)的澆注設(shè)備應(yīng)具備以下特點(diǎn)：
① 驅(qū)動(dòng)鎂熔體流動(dòng)的“泵”的運(yùn)動(dòng)部件應(yīng)盡可能地少；
② 能有效防止鎂熔體在澆注過(guò)程中產(chǎn)生氧化；
③ 澆注時(shí)鎂合金熔體的溫度穩(wěn)定；
高鎂耐火材料 密封橡膠
傾斜自流爐底
漏鎂孔
漏鎂傳感器
普通耐火材料
加熱元件
圖4.9 熔爐主動(dòng)防爆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
Fig 4.9 The design of blast structure of furnace
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④ 澆注系統(tǒng)制造成本及使用成本盡可能地低；
⑤ 澆注系統(tǒng)的使用穩(wěn)定、壽命長(zhǎng)，不需要頻繁維護(hù)（修）；
⑥ 出現(xiàn)事故和停電時(shí)能用通過(guò)人工干涉，及時(shí)脫離澆注狀態(tài)；
根據(jù)上述技術(shù)要求，本熔爐的定量澆注技術(shù)采用螺旋泵定量澆注系統(tǒng)（見(jiàn)圖4.10）。
在該澆注系統(tǒng)中，通過(guò)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速以及運(yùn)行時(shí)間來(lái)控制每次澆注的量，其中
電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速通過(guò)變頻器調(diào)節(jié)電源頻率來(lái)控制，運(yùn)行時(shí)間通過(guò)時(shí)間繼電器來(lái)控制。
由于螺旋泵定量澆注系統(tǒng)受液面波動(dòng)影響較大，故在熔爐上方采用了浮球液位傳
感器，控制液面的正常波動(dòng)范圍，從而減小液面對(duì)定量澆注系統(tǒng)的影響。另外，
泵外澆管采用特制的電阻絲加熱，加熱溫度可高達(dá)750℃，有效地防止了鎂合金熔
體在澆管中凝固。
圖 4.10 螺旋泵定量澆注系統(tǒng)
Fig 4.10 screw pouring and metering system
1) 螺桿定量澆注機(jī)構(gòu)
螺桿定量澆注機(jī)構(gòu)的給料能力可用式 4.15 表示：
G＝ (D D )k ]pM
4
[1 2
2
2
1 ρ π ? （式4.15）
其中：G－螺桿定量澆注機(jī)構(gòu)的給料能力，g/min
ρ －流體的密度，g/mm3
D1－給料孔的直徑，mm
D2－螺桿軸的直徑，mm
k－填充系數(shù)
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p－螺桿的螺距
M－螺桿的轉(zhuǎn)速（＝減速器的輸出轉(zhuǎn)速），r/s
根據(jù)上式設(shè)計(jì)制造出螺桿定量泵后，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)量其真實(shí)給料，對(duì)設(shè)計(jì)理論
進(jìn)行修正；另外，螺桿定量泵在制造完成后，其給料能力G 只與流體的密度ρ 及
螺桿轉(zhuǎn)速M(fèi) 有關(guān)（D1 、D2、p），當(dāng)流體一定，即ρ 一定時(shí)，G 就是只是螺桿轉(zhuǎn)速
M 的函數(shù)，G＝f（M）＝kM（k 為常數(shù)）。
2) 給料速度的控制
如上所述，G 是轉(zhuǎn)速M(fèi) 的函數(shù)，本文采用了變頻器為電機(jī)提供電源，通過(guò)改變
電源頻率實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)及減速器輸出轉(zhuǎn)速的連續(xù)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，達(dá)到無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)螺旋給料
器給料速度的目的G＝f（M）＝g(N) （N 為變頻器輸出頻率）。
4.3.2 澆注三維定位
實(shí)現(xiàn)熔體定量澆注后，壓鑄鎂合金熔爐還需要穩(wěn)定的三維定位裝備去保證澆
口與壓鑄機(jī)壓室澆口的配合，實(shí)現(xiàn)熔體在給定位置上的定量澆注。
由于一次安裝調(diào)整定位后，熔爐將在該位置長(zhǎng)期工作。因此，要求在熔爐工
作幾何形位調(diào)節(jié)到位后，具備能在工作條件下長(zhǎng)期保持該工作形位的能力。否則，
熔爐形位的較大幅度變動(dòng)將直接導(dǎo)致熔爐或壓鑄機(jī)的損壞。
本熔爐三維定位系統(tǒng)由三個(gè)相對(duì)獨(dú)立的部分，即：水平行走機(jī)構(gòu)、垂直升降
機(jī)構(gòu)、水平旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)（見(jiàn)圖4.11）組成。其中，水平行走機(jī)構(gòu)采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)螺
桿旋轉(zhuǎn)行走、靜止自鎖定位來(lái)實(shí)現(xiàn)熔爐水平位置的調(diào)節(jié)和固定；垂直升降機(jī)構(gòu)采
用液壓升降臺(tái)進(jìn)行熔爐高度調(diào)節(jié)，采用支架保持定位高度；水平旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)采用電
動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)渦輪渦桿完成轉(zhuǎn)動(dòng)和制動(dòng)。
由于熔爐的三方向運(yùn)動(dòng)均采用可調(diào)節(jié)和鎖定的機(jī)構(gòu)，故可順利地將澆口位置調(diào)
節(jié)到壓鑄機(jī)壓室的上方，實(shí)現(xiàn)鎂合金熔體的定位澆注。
圖 4.11 熔爐三維定位機(jī)構(gòu)示意圖
Fig 4.11 3-D positioning system for furance
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4.4 鎂合金熔化澆注裝備的應(yīng)用
根據(jù)以上所述各系統(tǒng)的原理，重慶碩龍科技有限公司生產(chǎn)了HS 系列氣體保護(hù)
壓鑄鎂合金連續(xù)熔化澆注爐，設(shè)計(jì)的鎂合金熔化澆注控制系統(tǒng)由圖(4.12)所示，
其與壓鑄機(jī)聯(lián)機(jī)應(yīng)用情況如圖4.13 所示。
用戶使用結(jié)果表明：
① 鎂熔體在保護(hù)氣氛下連續(xù)工作一周，無(wú)任何燃燒情況發(fā)生；
② 熔爐控制能與壓鑄機(jī)準(zhǔn)確聯(lián)機(jī)，信號(hào)可靠；
③ 溫度控制精確，調(diào)節(jié)方便，溫度波動(dòng)?。?
④ 定量澆注泵運(yùn)轉(zhuǎn)正常，定量精確，調(diào)節(jié)方便可靠，熔體純凈度高；
⑤ 試驗(yàn)結(jié)果表明，該設(shè)備能夠正常穩(wěn)定的連續(xù)工作。
鎂合金熔爐
壓鑄機(jī)
圖 4.13 鎂合金熔化澆注裝備與冷室壓鑄機(jī)聯(lián)機(jī)應(yīng)用工作現(xiàn)場(chǎng)
Fig 4.13 The online scene of melting and pouring system and die-casting machine
熔爐控制柜
圖 4.12 HS 系列氣體保護(hù)壓鑄鎂合金連續(xù)熔化澆注爐控制柜示意圖
Fig 4.12 Control cabinet of the HS series Mg melting and pouring furnace for die-casting
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4.5 與國(guó)外熔化澆注裝備的比較
4.5.1 功能及特征比較
目前國(guó)外生產(chǎn)壓鑄鎂合金熔化澆注設(shè)備的廠家較多，主要分布在北美和歐洲
的發(fā)達(dá)國(guó)家。在眾多品牌的鎂合金熔爐中，目前廣為壓鑄界采用的主要是奧地利
勞和（Rauch）和德國(guó)西爐（Westoffen）生產(chǎn)的氣體保護(hù)壓鑄鎂合金熔化澆注爐。
下表給出了勞和、西爐及本研究生產(chǎn)的冷室壓鑄鎂合金熔爐各功能系統(tǒng)的特
征對(duì)比。
表 4.4 勞和、西爐及本研究生產(chǎn)的鎂合金熔爐主要功能部分及其特征比較
Table 4.4 Camparing of the function and characteristic of Mg furnaces
for Rauch, Westoffen and this product
組成部分 Rauch 熔爐的特點(diǎn) Westoffen 熔爐的特點(diǎn)本研究產(chǎn)品的特點(diǎn)
熔爐結(jié)構(gòu) 雙室坩鍋，（低碳鋼/耐熱
鋼）復(fù)合鋼板
單坩鍋或雙坩鍋，（低碳鋼
/耐熱鋼）復(fù)合鋼板
雙室坩鍋，整體鑄造或（低碳
鋼/耐熱鋼）復(fù)合鋼板
溫度調(diào)控
系統(tǒng)
電加熱、熱偶＋PLC 控制系
統(tǒng)
電加熱、熱偶＋PLC 控制系
統(tǒng)
電加熱、熱偶＋變功率溫度控
制系統(tǒng)
定量澆注 機(jī)械泵的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間
復(fù)合定量，輔助液位檢測(cè)
低（氬氣）壓澆注，壓力和
加壓時(shí)間復(fù)合定量
機(jī)械泵的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間復(fù)
合定量，輔助液位檢測(cè)
熔體防氧
化保護(hù)
氣體保護(hù)，混合單元N2 和
SF6 或 N2 和SO2 氣體
N2/SF6 混合氣體保護(hù)，雙單
元失效保護(hù)
在線產(chǎn)生 SO2、CO2 和N2 混合氣
體或混合單元N2 和SF6 氣體
澆注定位 三維機(jī)械式可調(diào)定位系統(tǒng) 按需設(shè)計(jì)的固定式澆注管 三維電動(dòng)式可調(diào)定位系統(tǒng)
過(guò)熱監(jiān)控 獨(dú)立熱偶溫度監(jiān)控 未知 溫控器監(jiān)控
漏鎂監(jiān)控 漏鎂傳感器報(bào)警 未知 漏鎂傳感器報(bào)警
4.5.2 主要技術(shù)參數(shù)的比較
與國(guó)外產(chǎn)品奧地利勞和（Rauch）和德國(guó)西爐（Westoffen）相比，本產(chǎn)品在
熔化效率、保溫精度、定量澆注精度、坩堝壽命等主要技術(shù)性能參數(shù)上與這些國(guó)
外產(chǎn)品相當(dāng)，在坩堝材料、耐火材料和爐體結(jié)構(gòu)上采用了自主開(kāi)發(fā)的新技術(shù)，在
保證爐體的安全性、可靠性的同時(shí)，使用及維護(hù)成本得以降低；氣體保護(hù)系統(tǒng)由
于采用了自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的“保護(hù)氣體在線發(fā)生技術(shù)”，可以不使用SF6 氣體（溫室
效應(yīng)為CO2的23000 倍），對(duì)大氣的污染程度有所減少，使用成本更是大幅降低。
具體參數(shù)比較如下表所示：
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表4.5 本項(xiàng)目產(chǎn)品與國(guó)外產(chǎn)品的技術(shù)參數(shù)對(duì)比
Table 4.5 Comparing of the technique parameter
生產(chǎn)單位
技術(shù)參數(shù)
本項(xiàng)目產(chǎn)品 奧地利 Rauch 產(chǎn)品
設(shè)備售價(jià)價(jià)格 40～70 萬(wàn)（RMB） 200 萬(wàn)（RMB）
保溫溫度精度 ≤ ±5 ℃ ≤ ±5 ℃
定量澆注精度 ± 5% ± 5%
熔化效率 60～200 kg/h 60～200 kg/h
坩堝材料雙室/整體鑄造或復(fù)合材料焊接雙室復(fù)合材料焊接
坩堝壽命 ≥1 年≥1 年
保護(hù)氣體組份
SO2：1～3% CO2：15～20%
N2：79%（O2：0～5%）
SF6：0.1～0.5%
（或SO2：1～2%）N2：其余
氣體保護(hù)成本 25～40 元/天 120－180 元/天
4.6 結(jié)論
本研究根據(jù)鎂合金熔體的高溫物化特性及壓鑄工藝對(duì)熔爐熔化澆注系統(tǒng)的要
求，以“鎂合金熔體保護(hù)氣體在線發(fā)生技術(shù)”為支撐，以熔爐安全、可靠工作為
出發(fā)點(diǎn)，獨(dú)立自主開(kāi)發(fā)出了具有全部知識(shí)產(chǎn)權(quán)的“新型氣體保護(hù)壓鑄鎂合金熔化
澆注技術(shù)和設(shè)備”。該熔爐具有以下特點(diǎn)：
① 采用了“保護(hù)氣體在線生成技術(shù)及裝備”和“無(wú)高速運(yùn)動(dòng)易損部件的定量
澆注系統(tǒng)”，因此，與國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有壓鑄鎂合金熔爐相比，具有設(shè)備運(yùn)行及維護(hù)成
本低廉，可長(zhǎng)期穩(wěn)定工作的特點(diǎn)。
② 采用了螺旋泵澆注系統(tǒng)，易于實(shí)現(xiàn)定量澆注，熔體澆注量重現(xiàn)性好，澆管
產(chǎn)生氧化膜和夾渣少。
③ 采用新型雙室坩鍋結(jié)構(gòu)，易于達(dá)到穩(wěn)定熔體澆注純凈度和澆注溫度的目
的。
④ 采用了新型安全爐體結(jié)構(gòu)及漏鎂監(jiān)測(cè)，解除了因漏鎂導(dǎo)致重大安全事故的
隱患。
⑤ 采用電動(dòng)、液壓聯(lián)合三維澆注定位，易于實(shí)現(xiàn)與鑄造設(shè)備的聯(lián)機(jī)使用，有
較廣的匹配適應(yīng)性。
⑥ 擁有全部自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)和用國(guó)產(chǎn)元器件配套，具有極高的性價(jià)比，在降低
壓鑄企業(yè)生產(chǎn)能力形成投資的同時(shí)，增加了壓鑄企業(yè)的盈利能力和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。
重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 5 結(jié)論及展望
59
5 結(jié)論及展望
5.1 結(jié)論
本課題從研究鎂及其合金的高溫氧化機(jī)理和熔爐的熱平衡理論入手，對(duì)現(xiàn)有
的鎂合金熔化澆注技術(shù)進(jìn)行了大量的比較，針對(duì)國(guó)內(nèi)鎂合金熔化澆注技術(shù)的現(xiàn)狀，
做了以下幾方面的工作：
① 分析并研究了鎂及其合金的高溫氧化機(jī)理和鎂合金熔體氣體保護(hù)技術(shù)；
② 研究了熔化及熔體溫度監(jiān)控技術(shù)；
③ 研究了熔體定位、定量澆注技術(shù)；
④ 研究了鎂合金錠加料、預(yù)熱技術(shù)；
⑤ 分析了熔爐的熱平衡理論，并進(jìn)行了鎂合金質(zhì)量、安全保障技術(shù)及坩鍋、
爐體結(jié)構(gòu)研究。
通過(guò)以上研究，開(kāi)發(fā)出具有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的“鎂合金熔化澆注技術(shù)及裝備”，
并進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)及工業(yè)應(yīng)用?？偨Y(jié)起來(lái)，可以得到以下結(jié)論：
① 鎂合金在加熱熔化時(shí)，鎂熔體與周圍介質(zhì)作用形成的表面膜致密度低，易
發(fā)生氧化燃燒，需要采取措施對(duì)熔池表面進(jìn)行防護(hù)，本研究采用的SO2+CO2為主要
保護(hù)成分的在線發(fā)生裝置為鎂熔體提供了有效的保護(hù)；
② 鎂的化學(xué)性質(zhì)活潑，熔化時(shí)易在熔池上部形成浮渣，下部形成爐渣堆積，
本研究采用的螺旋定量泵通過(guò)抽取熔池中部的鎂液有效地避免了浮渣和爐渣進(jìn)入
壓鑄機(jī)。
③ 壓鑄鎂合金熔爐是在不斷加料和澆注的動(dòng)態(tài)條件下工作的，熔體溫度波動(dòng)
大，采用雙室坩鍋及高可靠性的PID 自動(dòng)數(shù)控溫控儀和高品質(zhì)電阻加熱元件對(duì)鎂
合金進(jìn)行加熱和熔化保溫，保證了熔體溫度始終穩(wěn)定在壓鑄工藝要求的澆注溫度
范圍之內(nèi)。
④ 鎂合金熔爐需要不斷的加料，加入低溫鎂合金錠會(huì)導(dǎo)致熔爐溫度波動(dòng)大并
會(huì)帶入水氣，采用新型加料、預(yù)熱爐蓋有效的解決了鎂合金錠溫度過(guò)低的問(wèn)題。
⑤ 鎂合金熔體泄漏易發(fā)生重大事故，本課題采用的主動(dòng)安全結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能有
效防止鎂熔體與筑爐材料發(fā)生劇烈反應(yīng)并能及時(shí)排除爐內(nèi)的泄漏熔體，消除了因
漏鎂導(dǎo)致重大安全事故的隱患。
大量工業(yè)試用結(jié)果表明，開(kāi)發(fā)的鎂合金熔化澆注裝備能夠?yàn)閴鸿T生產(chǎn)連續(xù)提
供冶金質(zhì)量滿足要求的鎂合金熔體，且擁有多項(xiàng)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型技術(shù)，
更重要的是具有性價(jià)比高、實(shí)用性好、符合中國(guó)國(guó)情的優(yōu)勢(shì)，有很強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)
重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 5 結(jié)論及展望
60
力和可持續(xù)發(fā)展性。
5.2 展望
本課題的主要目標(biāo)是解決鎂合金規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用中的首要技術(shù)難題——“鎂
合金熔化澆注技術(shù)”，在整個(gè)研究和開(kāi)發(fā)的過(guò)程中，深深感受到，要解決好這個(gè)
技術(shù)難題，涉及的方面和問(wèn)題很多，由于時(shí)間的緣故，本課題在一些方面還未來(lái)
得及做深入研究，后續(xù)的工作大致有以下幾個(gè)方面：
① 信息化、自動(dòng)化是現(xiàn)代工業(yè)的主導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)該裝備自動(dòng)化控制是目前最主要
的任務(wù)之一，研制以PLC 自動(dòng)控制鎂合金熔化澆注是當(dāng)前的迫切任務(wù)；
② 由于鎂合金熔化環(huán)境非常惡劣，因此迫切需求對(duì)鎂合金熔化澆注裝備易損
件（如坩鍋）材料進(jìn)行研制，以提高其使用壽命；
③ 針對(duì)工業(yè)用戶的不同需求，完善鎂合金熔化澆注裝備，擴(kuò)大工業(yè)應(yīng)用產(chǎn)業(yè)
化。
重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文致謝
61
致謝
本論文是在龍思遠(yuǎn)教授的精心指導(dǎo)下完成的。在整個(gè)碩士研究生期間，龍思
遠(yuǎn)教授自始至終給了我無(wú)微不至的關(guān)懷，為我創(chuàng)造了很好的工作和學(xué)習(xí)環(huán)境，并
給我提供了許多寶貴的鍛煉機(jī)會(huì)，使我能夠圓滿完成自己的學(xué)業(yè)。同時(shí)，龍思遠(yuǎn)
教授淵博的知識(shí)和嚴(yán)謹(jǐn)治學(xué)的作風(fēng)也將使我終身受益。在此，謹(jǐn)向龍思遠(yuǎn)教授表
達(dá)我最衷心的感謝和敬意！
其次，本研究和開(kāi)發(fā)自始至終都是在重慶碩龍科技有限公司的資助下完成的，
謹(jǐn)借此機(jī)會(huì)向重慶碩龍科技有限公司表示衷心的感謝！
另外，在我攻讀碩士研究生期間，我也得到了彭曉東、趙建華、陳勛姚、謝
衛(wèi)東、李宗義等老師的指導(dǎo)和幫助，同時(shí)，游國(guó)強(qiáng)、曹韓學(xué)、王亮、過(guò)利銳、曹
春平、王建宏等師兄師姐和吳立鴻、武增臣等同學(xué)以及徐紹勇、潘月宏等師弟師
妹也給予了我大力的支持和幫助，在此一并表示我衷心的感謝！
最后，在我多年的求學(xué)生涯中，我的父母和其他親人無(wú)論在物質(zhì)上還是在生
活上，都給予了我無(wú)微不至的關(guān)懷，在此致以我最崇高的敬意！
重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文參考文獻(xiàn)
62
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[53] 李曉敏.壓鑄鎂合金在電子產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用及其發(fā)展前景輕金屬 2003.7：37~38
[54] 訾炳濤,王輝，鎂合金及其在工業(yè)中的應(yīng)用，稀有金屬，2004.02
[55] 《有色冶金爐設(shè)計(jì)手冊(cè)》編委會(huì). 有色冶金爐設(shè)計(jì)手冊(cè).北京:冶金工業(yè)出版社,2001
[56] 杜清枝,楊繼舜.物理化學(xué).重慶:重慶大學(xué)出版社,1997
[57] 鄭笑慰,曹福洋,劉群,李培杰. 鎂合金壓鑄機(jī)熔化保溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì).鑄造,2003(8):573~575
重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文附錄
65
附 錄
攻讀碩士期間發(fā)表的論文：
[1] 查吉利，龍思遠(yuǎn)，徐紹勇.鎂合金產(chǎn)品及生產(chǎn)應(yīng)用技術(shù)開(kāi)發(fā)平臺(tái)建設(shè).特種鑄造及有色合金，
已錄用未發(fā)表.
[2] 游國(guó)強(qiáng)，查吉利，龍思遠(yuǎn). “鎂合金阻燃保護(hù)技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展”，2002 年材料科學(xué)與工程
新進(jìn)展（北京·2002 中國(guó)材料研討會(huì)論文集），2002.10：656-660
[3] 游國(guó)強(qiáng)，龍思遠(yuǎn)，查吉利.“鎂合金保護(hù)氣體在線發(fā)生技術(shù)的研究”，特種鑄造及有色合金，
2004（2）：9-11
[4] You Guoqiang，Long Siyuan, Zha Jili. A Novel Technique for On-line Generation of
Mg-Shielding Gas. Materials Science Forum，Vols,488-489(June 2005) pp.77-80
[5] 吳立宏，龍思遠(yuǎn)，查吉利，武增臣.摩托車鋁合金輪轂服役應(yīng)力分析.機(jī)械工程材料，已錄
用未發(fā)表.
鎂合金氣體保護(hù)熔化澆注及安全技術(shù)研究
作者： 查吉利
學(xué)位授予單位： 重慶大學(xué)
相似文獻(xiàn)(10條)
1.期刊論文王武孝.邢建東.Wang Wuxiao.Xing Jiandong 形變AZ91D鎂合金重熔過(guò)程中共晶激活能研究 -稀有金屬材料與工程
2008,37(2)
采用DSC技術(shù)研究了SIMA法制備半固態(tài)AZ91D鎂合金坯料過(guò)程中形變率與共晶熔化激活能的關(guān)系.結(jié)果表明:形變AZ91D鎂合金內(nèi)部存在位錯(cuò)、孿晶缺陷,合金的共晶熔化激活能隨變
形率的增大而變小,當(dāng)形變率達(dá)到40%時(shí),共晶熔化激活能下降很少;共晶熔化開(kāi)始溫度隨變形率的增大略有下降.
2.學(xué)位論文王雁飛 基于流動(dòng)傳熱分析的鎂合金熔化爐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究 2009
隨著鎂合金產(chǎn)品制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，作為鎂合金產(chǎn)品制造的關(guān)鍵設(shè)備，鎂合金的熔化爐、壓鑄機(jī)以及回收設(shè)備的研究開(kāi)發(fā)得到了國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)的廣泛重視。但鎂合金的一
系列特性如易氧化燃燒、壓鑄溫度高、熱容量小等特點(diǎn)，帶來(lái)了鎂合金產(chǎn)品相關(guān)設(shè)備的開(kāi)發(fā)和制造難度。目前只有少數(shù)幾個(gè)工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家可以生產(chǎn)。盡管有幾家國(guó)內(nèi)企業(yè)的鎂合金熔
化爐投入生產(chǎn)，但是在節(jié)能、定量喂料精度、溫度控制精度、熔煉質(zhì)量方面與國(guó)外產(chǎn)品存在較大差距。浙江省科技廳計(jì)劃項(xiàng)目“鎂合金綠色再熔技術(shù)及熔化保溫定量喂料爐研究與開(kāi)
發(fā)”基于此背景提出。
本文對(duì)鎂合金熔化爐的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)與研究，首先對(duì)鎂合金熔化爐的主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上，分別從鎂合金熔液的流動(dòng)模擬、熔鋁實(shí)驗(yàn)兩方面對(duì)鎂合金熔化爐的結(jié)構(gòu)
進(jìn)行了優(yōu)化，進(jìn)而再設(shè)計(jì)了鎂合金熔化爐，并分析了影響取料室鎂合金熔液溫度波動(dòng)的因素。
本文基于正交試驗(yàn)法對(duì)鎂合金熔液在連續(xù)澆注過(guò)程中的流動(dòng)進(jìn)行模擬分析，采用極差法處理結(jié)果數(shù)據(jù)，得出取料室與熔化室體積比為1：3時(shí)，取料室內(nèi)鎂合金熔液溫度波動(dòng)較小
。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行了熔鋁實(shí)驗(yàn)，得出電阻絲與坩堝外壁的距離對(duì)取料室鋁液溫度波動(dòng)及電能的損耗影響最大，其次是鋁錠的重量，取料的速度及鋁錠的預(yù)熱溫度。其中，電阻絲與
坩堝外壁的距離為50mm時(shí)取料室的鋁液溫度波動(dòng)最小，并且電能消耗最少。通過(guò)繪制因素水平趨勢(shì)圖，分析出一個(gè)較優(yōu)的熔化方案并驗(yàn)證了該方案組合的優(yōu)越性。
根據(jù)鎂合金熔液的流動(dòng)模擬與鎂合金熔化爐熔鋁實(shí)驗(yàn)優(yōu)化得到的熔化爐結(jié)構(gòu)，對(duì)鎂合金熔化爐進(jìn)行了再設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)表明再設(shè)計(jì)的鎂合金熔化爐熱損失較低。
3.期刊論文楊建榮.喻德鎂合金熔化工藝研究 -特種鑄造及有色合金2003,""(z1)
針對(duì)鎂合金熔化過(guò)程中易燃燒等問(wèn)題,我們采用覆蓋劑、氣體保護(hù)等方法和工藝,較好地實(shí)現(xiàn)了鎂合金的阻燃,同時(shí)針對(duì)鎂合金材料易氧化夾渣的特點(diǎn),利用新的熔化精煉工藝,較
好地去除合金料中的氧化夾渣,保證鑄件質(zhì)量.
4.期刊論文鄭笑慰.曹福洋.劉群.李培杰鎂合金壓鑄機(jī)熔化保溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì) -鑄造2003,52(8)
在分析鎂合金壓鑄機(jī)配套用熔化保溫系統(tǒng)工作特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,自主設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)并制造了鎂合金熔化保溫系統(tǒng),介紹了該系統(tǒng)中機(jī)械結(jié)構(gòu)、氣體保護(hù)、溫度控制以及人機(jī)界面等子系統(tǒng)
的組成、工作原理和特點(diǎn).實(shí)際應(yīng)用表明本系統(tǒng)效果良好.
5.期刊論文楊建榮.喻德鎂合金熔化工藝研究 -汽車工藝與材料2002,""(8)
針對(duì)鎂合金熔化過(guò)程中易出現(xiàn)燃燒等問(wèn)題，采用覆蓋劑、氣體保護(hù)等方法和工藝，較好地實(shí)現(xiàn)了鎂合金的阻燃，同時(shí)針對(duì)鎂合金材料易氧化夾渣的特點(diǎn)，利用新的熔化精煉工藝
，較好地去除合金料中的氧化夾渣，保證鑄件質(zhì)量。
6.會(huì)議論文楊建榮.喻德鎂合金熔化工藝研究 2002
針對(duì)鎂合金熔化過(guò)程中易出現(xiàn)燃燒等問(wèn)題,采用覆蓋劑、氣體保護(hù)等方法和工藝,較好地實(shí)現(xiàn)了鎂合金的阻燃,同時(shí)針對(duì)鎂合金材料易氧化夾渣的特點(diǎn),利用新的熔化精煉工藝,較
好地去除合金料中的氧化夾渣,保證鑄件質(zhì)量.
7.期刊論文顧靜.王壽增.程桂玲.GU Jing.WANG Shou-zeng.CHENG Gui-ling 鎂合金熔化爐的燃燒控制 -工業(yè)加熱2010,39(2)
介紹了鎂合金熔化爐燃燒器設(shè)計(jì)選型的關(guān)鍵技術(shù)和燃燒系統(tǒng)的控制策略,并給出了熔鎂爐實(shí)際運(yùn)行的升溫曲線.
8.期刊論文郭臣.龍思遠(yuǎn).徐紹勇.游國(guó)強(qiáng).GUO Chen.LONG Si-yuan.XU Shao-yong.YONG Guo-qiang 燃?xì)怄V合金熔化爐內(nèi)氣相燃燒過(guò)程的
三維數(shù)值模擬-工業(yè)加熱2008,37(1)
對(duì)燃?xì)怄V合金熔化爐內(nèi)的三維湍流氣相燃燒場(chǎng)特性進(jìn)行了數(shù)值模擬,湍流模型采用了標(biāo)準(zhǔn)κ-ε雙方程模型,湍流燃燒采用有限速率/渦耗散模型,輻射換熱P1模型,數(shù)值方法采用
SIMPLE算法,實(shí)現(xiàn)了燃燒過(guò)程的數(shù)值再現(xiàn),特別考察了燒嘴位置和人口流量速度因素對(duì)爐內(nèi)溫度場(chǎng)和流動(dòng)場(chǎng)的影響,并為熔化爐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了一些合理化建議,為其實(shí)際運(yùn)行提供了
有益的參考價(jià)值.
9.期刊論文唐靖林.曾大本.TANG Jing-lin.ZENG Da-ben 鎂合金專用大型氣體保護(hù)電加熱坩堝爐熔化特性研究 -有色設(shè)備2004,""(z1)
基于鎂合金原材料的大規(guī)模自動(dòng)化生產(chǎn),開(kāi)發(fā)出鎂合金專用大型氣體保護(hù)電加熱坩堝熔化/保溫系統(tǒng).實(shí)際應(yīng)用表明,該系統(tǒng)具有熱效率高、能耗低、元素?zé)龘p率低及自動(dòng)化程度高
等特點(diǎn).根據(jù)對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)分析表明,產(chǎn)品一致性良好,產(chǎn)品夾雜物及微量元素可以最大限度地得到控制.
10.學(xué)位論文高晨 超聲輔助釬焊AZ31B鎂合金釬料及接頭性能研究 2009
我國(guó)是鎂資源最豐富的國(guó)家之一，鎂合金由于具有良好的物理及加工性能，被譽(yù)為二十一世紀(jì)的綠色工程材料，具有重要的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。隨著對(duì)節(jié)能、降耗、環(huán)
保的迫切需求，鎂合金結(jié)構(gòu)件的應(yīng)用日益廣泛，對(duì)其接頭質(zhì)量提出了更高的要求。
釬焊方法在鎂合金的連接上具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，可在較低溫度下實(shí)現(xiàn)鎂合金的精密連接。但目前對(duì)鎂合金釬焊材料及釬焊工藝的研究還不成熟。針對(duì)傳統(tǒng)釬焊方法使用釬劑影響鎂
合金接頭耐蝕性，降低接頭性能；現(xiàn)有鎂合金釬料熔點(diǎn)高、適用性差的問(wèn)題，本文采用超聲波輔助釬焊工藝在大氣中實(shí)現(xiàn)了鎂合金的無(wú)釬劑釬焊。通過(guò)合理的成分設(shè)計(jì)，研制了適合
于超聲波釬焊AZ31B鎂合金的釬料。研究了釬料成分對(duì)其性能的影響，超聲作用時(shí)間、預(yù)留間隙對(duì)釬焊接頭剪切強(qiáng)度影響，并對(duì)接頭的微觀組織進(jìn)行了分析。通過(guò)對(duì)接頭在NaCl溶液
中電化學(xué)行為的分析，研究了氯離子對(duì)接頭抗蝕性的影響，說(shuō)明了鎂合金無(wú)釬劑釬焊的必要性。
在Mg-Zn基體上加入Al元素，釬料熔化區(qū)間減小，填縫速率、鋪展面積、耐蝕性及接頭剪切強(qiáng)度均提高。隨著Al元素含量的增加，Mg-Al-Zn釬料熔化區(qū)間增大，填縫速率增加
，鋪展面積減小，耐蝕性及其接頭的剪切強(qiáng)度下降。在Mg-Al-Zn釬料基礎(chǔ)上添加Nd元素，釬料熔化區(qū)間減小，填縫速率提高，鋪展面積增大，耐蝕性及接頭剪切強(qiáng)度降低，α-Mg生
長(zhǎng)方式由不規(guī)則狀向樹(shù)枝晶轉(zhuǎn)變。隨Nd元素含量的增加，Mg-Al-Zn-Nd釬料熔化區(qū)間減小，鋪展面積、填縫速率及接頭剪切強(qiáng)度均先增加后減小，α-Mg組織細(xì)化。通過(guò)全面評(píng)價(jià)Mg-
Al-Zn及Mg-Al-Zn-Nd釬料的性能，2＃釬料(Mg-50n-3Al)的綜合性能最好，適于AZ31B鎂合金的無(wú)釬劑超聲波釬焊。
隨超聲振動(dòng)時(shí)間的增加，接頭的剪切強(qiáng)度先增大后減小，預(yù)留間隙對(duì)接頭剪切強(qiáng)度的影響呈相似變化。2＃釬料的最佳工藝參數(shù)為：預(yù)留間隙0.15mm，超聲振動(dòng)3s，此工藝下
，接頭剪切強(qiáng)度可達(dá)84.1MPa。接頭界面連接緊密，有明顯反應(yīng)層，焊縫主要為α-Mg和MgZn相構(gòu)成。沿釬料填縫方向的接頭組織存在較大差異，這與超聲波去膜的先后順序有關(guān)。
接頭的耐蝕性好于母材，在Cl-作用下，首先在母材表面發(fā)生局部腐蝕，隨著腐蝕液中Cl-濃度的增加，接頭腐蝕加劇，腐蝕面積增加，逐漸向全面腐蝕轉(zhuǎn)變。
研究表明，采用超聲波釬焊的方法并配合性能良好的釬料可以實(shí)現(xiàn)AZ31B鎂合金的可靠連接，為今后鎂合金的連接提供一定的工藝保障和理論指導(dǎo)。
本文鏈接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Thesis_D021912.aspx
授權(quán)使用：上海海事大學(xué)(wflshyxy)，授權(quán)號(hào)：3393c0b5-898a-43c5-ae6c-9dec012a55bb
下載時(shí)間：2010年9月9日

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