阅读说明：本技术 一种用于高纯镁的真空气氛熔化炉及其熔化工艺 (Vacuum atmosphere melting furnace for high-purity magnesium and melting process thereof ) 是由 周森安 安俊超 李豪 郑传涛 于 2020-07-23 设计创作，主要内容包括：一种用于高纯镁的真空气氛熔化炉,包括控制机构、支撑架体和立式双层壳体,立式双层壳体的内部设置有主加热组件,顶部开设有进料口,在进料口处设有挡热阀,立式双层壳体的顶部还开设有真空组件连接口、惰性气体入口、添加剂入口和出料口,其中,真空组件连接口与外设的抽真空组件连接,惰性气体入口与外设的惰性气体气源连接,在立式双层壳体上还设有用于对其内部物料进行搅拌的内部多环搅拌组件。本发明通过对常规熔化炉结构和熔化工艺的改进,在相对较低的熔化温度和气氛保护条件下,实现对镁晶体节能、高效、高自动化程度和安全可靠性的熔化生产,以制备出高纯度的金属镁液体进行后续熔炼。(The utility model provides a vacuum atmosphere melting furnace for high-purity magnesium, which comprises a control mechanism, support body and vertical double shell, vertical double shell's inside is provided with main heating element, the feed inlet has been seted up at the top, be equipped with the heat retaining valve in feed inlet department, the vacuum module connector has still been seted up at vertical double shell's top, the inert gas entry, additive entry and discharge gate, wherein, the vacuum module connector is connected with the evacuation subassembly of peripheral hardware, the inert gas entry is connected with the inert gas air supply of peripheral hardware, still be equipped with the inside polycyclic stirring subassembly that is used for carrying out the stirring to its inside material on vertical double shell. The invention realizes the melting production of energy-saving, high-efficiency, high-automation degree and safe reliability of magnesium crystals under the relatively lower melting temperature and atmosphere protection condition by improving the structure and the melting process of the conventional melting furnace so as to prepare the high-purity magnesium metal liquid for subsequent melting.)

一种用于高纯镁的真空气氛熔化炉及其熔化工艺

技术领域

本发明涉及工业镁纯化设备技术领域，具体的说是一种用于高纯镁的真空气氛熔化炉及其熔化工艺。

背景技术

镁合金是以镁为原料的高性能轻型结构材料，比重与塑料相近，刚度、强度不亚于铝，具有较强的抗震、防电磁、导热、导电等优异性能，并且可以全回收无污染。镁合金质量轻，其密度只有1.7 kg/m3，是铝的2/3，钢的1/4，强度高于铝合金和钢，比刚度接近铝合金和钢，能够承受一定的负荷，具有良好的铸造性和尺寸稳定性，容易加工，废品率低，具有良好的阻尼系数，减振量大于铝合金和铸铁，非常适合用于汽车的生产中，同时在航空航天、便携电脑、手机、电器、运动器材等领域有着广泛的应用空间。

普通镁合金的主要缺点是耐腐蚀性差，某些环境中易在较短时间内因腐蚀使镁合金的功能失效，其中的杂质有害元素主要有Fe、Ni、Cu、Be、Si、Sr、Sb、Sn等，这些微量元素的存在直接影响镁合金的性能和使用寿命。

金属镁是镁合金的基体，国标金属镁中的镁含量为99.92-99.98%，但国标测量方法是仅测量部分杂质的含量，主要这些用于测量的部分杂质的元素含量在0.0001-0.02%之间，再用合金的总量减去几种测量杂质含量，默认为剩余的就是镁含量。实际上，由于金属镁中具有较多有害杂质，标准工业镁的实际镁含量是小于99.9%的。而含有有害杂质的镁合金在各项性能上均明显差于高纯镁金属制备的镁合金，即：在镁合金的制备过程中，如何先制备出纯度较高的高纯金属镁，再定量进行其他合金元素的添加，将直接影响成品镁合金的质量和性能。

目前，现有技术中用于熔炼金属镁的容器主要有低碳钢坩埚和不锈钢容器，这些设备在进行高纯金属镁的熔炼或熔化时通常存在以下几点显著缺陷：1、由于现有的熔化设备只在设备外部进行加热，导热效率低，热量损失大，而低碳钢坩埚和不锈钢容器在高温下存在自身抗腐蚀性差的，容器内易产生杂质污染镁金属的问题；2、镁金属的熔化过程通常在在空气中进行的，而高温下的金属镁由于化学性质活泼，很容易氧化，为了防止金属镁氧化，需要加入覆盖剂和氮气，而覆盖剂也会带来二次污染；3、现有的熔化设备熔化效率低，造成制备工艺周期长，且设备通常体积较大，安全性也无法保证。

因此，如何制备一种能够在镁晶体的熔化过程中，避免金属镁被氧化或二次污染，且能够对炉内金属镁中的杂质含量进行有效调控，自动化程度高，安全性好的真空气氛熔化炉，对于生产高纯镁来说实为必要。

发明内容

本发明的技术目的为：通过对常规熔化炉结构和熔化工艺的改进，在相对较低的熔化温度和气氛保护条件下，实现对镁晶体节能、高效、高自动化程度和安全可靠性的熔化生产，以制备出高纯度的金属镁液体进行后续熔炼。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种用于高纯镁的真空气氛熔化炉，包括控制机构、支撑架体和设置在支撑架体上方的立式双层壳体，所述立式双层壳体的内部设置有主加热组件，该立式双层壳体包括内壳体和外壳体，在内壳体的侧壁外表面上绕设有用于进行辅助加热的电阻丝，在内壳体和外壳体之间还填充有保温材料，所述的主加热组件和电阻丝均与控制机构连接，在立式双层壳体的顶部开设有进料口，该进料口与工艺上游真空接收器的卸料口对接，且所述立式双层壳体的进料口和真空接收器的卸料口处均设置有用于控制其通断的真空阀，在进料口处位于真空阀下方的位置还设置有挡热阀，所述立式双层壳体的顶部还开设有真空组件连接口、惰性气体入口、添加剂入口和出料口，其中，真空组件连接口与外设的抽真空组件连接，惰性气体入口与外设的惰性气体气源连接，出料口处设置有出料管，该出料管的一端置于立式双层壳体内部金属液体液面的下方，出料管的另一端与工艺下游的真空镁合金熔炼炉或成型模具对接，且所述出料管上还设置有电控阀和计量泵，在立式双层壳体上还设置有用于对其内部物料进行搅拌的内部多环搅拌组件，所述的真空阀、挡热阀、抽真空组件、惰性气体气源、电控阀、计量泵和内部多环搅拌组件均与控制机构连接。

优选的，所述的进料口设置在立式双层壳体的顶部中心处。

优选的，所述的出料口设置在立式双层壳体内部的一侧。

优选的，所述的主加热组件包括竖直设置在内壳体内部的多个炉内加热管，该炉内加热管的下端延伸出内壳体至外壳体的内底面，并呈开口结构，在每个炉内加热管的内部均配设有一个呈倒U型的加热元件，且每个炉内加热管的下方还设置有一个支撑盖，所述的支撑盖上设置有用于固定加热元件的夹紧装置。

优选的，所述的炉内加热管竖直焊接在内壳体的下底面上，且多个炉内加热管在内壳体的内部均匀设置。

优选的，所述的内部多环搅拌组件由驱动电机和多环搅拌器组成，驱动电机设置在立式双层壳体的顶部，并与控制机构连接，多环搅拌器设置在立式双层壳体的内部，该多环搅拌器包括上下平行设置的多个水平环组和一根搅拌轴，每个水平环组均包括多个同心圆环，且所述的同心圆环均避开立式双层壳体内的主加热组件设置，在上下平行的同心圆环之间还连接有竖直固定杆，所述搅拌轴的上端延伸出立式双层壳体与驱动电机的输出轴连接，搅拌轴的下端连接在位于最上方的一个水平环组上，该位于最上方的水平环组上还呈辐射状设置有多个水平固定杆，且多个水平固定杆均焊接在搅拌轴上。

优选的，所述立式双层壳体中位于最上方的水平环组所处的水平面高于主加热组件顶端所处的水平面。

优选的，所述的多个水平固定杆为一体结构，且多个水平固定杆沿其所在圆圈的周向均匀设置。

一种用于高纯镁的真空气氛熔化炉的熔化工艺，包括以下步骤：

a.通过控制机构调控立式双层壳体进料口处的真空阀和挡热阀关闭，控制外设的抽真空组件经由真空组件连接口对立式双层壳体内部进行抽真空处理；

b.通过控制机构调控工艺上游真空接收器卸料口处的真空阀和立式双层壳体进料口处的真空阀和挡热阀打开，使真空接收器中的高纯金属镁晶体自动落入立式双层壳体中；

c.通过控制机构调控工艺上游真空接收器卸料口处的真空阀和立式双层壳体进料口处的真空阀和挡热阀关闭，并调控外设的惰性气体气源经由惰性气体入口对立式双层壳体的内部进行惰性气体填充，至立式双层壳体内压强为0.1MPa；

d. 通过控制机构调控主加热组件和电阻丝对立式双层壳体内的物料进行加热，使立式双层壳体内的温度升高至700-780℃，使高纯金属镁晶体融化；

e.通过控制机构调控内部多环搅拌组件进行物料搅拌3-5min；

f.通过控制机构调控电控阀和计量泵，从立式双层壳体内抽取液态镁样品进行化验，并检测其是否符合高纯镁的要求，如符合要求，则控制电控阀和计量泵开启，经由出料管抽出镁液体至工艺下游的真空镁合金熔炼炉或成型模具中进行后续处理；

g.如不符合要求，则通过控制机构调控，经由添加剂入口向立式双层壳体内加入合适的添加剂，并调控内部多环搅拌组件进行物料搅拌，使添加剂与超标元素反应，并沉淀在炉底，调控内部多环搅拌组件关闭，保持立式双层壳体内物料静置5-10min，之后，通过控制机构调控控制电控阀和计量泵开启，经由出料管抽出镁液体至工艺下游的真空镁合金熔炼炉或成型模具中进行后续处理。

本发明的有益效果：

1、本发明的一种用于高纯镁的真空气氛熔化炉，通过在内壳体的内、外部分别设置具有物料加热功能的主加热组件和辅加热电阻丝，实现了炉体内物料的高效、快速加热。整个加热过程不仅热传递效率和加热效率高，热量损失小，具有显著的节能功效，降低了熔化工艺的生产成本，更重要的是，由于整个炉体的热传递效率高，炉体的内外部无需为了达到内部物料的熔化温度而承受大大高于该熔化温度的高温，从而避免了其自身在高温条件下的腐蚀以及对金属镁晶体的污染，进而保证了镁晶体熔化过程中的高纯度。

2、本发明的一种用于高纯镁的真空气氛熔化炉通过装置中添加剂入口、出料管、计量泵和电控阀等结构的设置，可在晶体镁的熔化过程中，对炉体内部金属镁液体的杂质含量进行检测和调控，使其满足后续工艺的纯度要求，可操作性强，安全可靠性好。

3、本发明的一种用于高纯镁的真空气氛熔化炉，通过独特结构的内部多环搅拌组件的设置，可在晶体镁熔化的过程中，对炉内的金属物料进行较好的均质，即能保证成品金属镁品质的均一性，又能在加入添加剂后，使添加剂与金属镁中的杂质充分接触和反应，并有利于反应产物的沉淀，在一定程度上大大提高了溶化后成品金属镁液体的纯度。

4、本发明的熔化工艺，步骤简单、操控方便、自动化程度高，熔化炉内先抽真空、再惰性气体气氛保护的操作步骤，不仅保证了整个熔化工艺过程能够避免金属镁被氧化或被杂质污染，还实现了熔化炉与整个上下游设备的无污染化较好对接，从而从根本上保证了成品镁金属的纯度。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中立式双层壳体内部的横截面示意图；

图3为多环搅拌器的结构示意图；

附图标记：1、支撑架体，2、内壳体，3、外壳体，4、电阻丝，5、保温材料，6、进料口，7、真空接收器，8、真空阀，9、挡热阀，10、真空组件连接口，11、惰性气体入口，12、添加剂入口，13、抽真空组件，14、惰性气体气源，15、出料管，16、电控阀，17、计量泵，18、炉内加热管，19、加热元件，20、支撑盖，21、驱动电机，22、搅拌轴，23、同心圆环，24、竖直固定杆，25、水平固定杆。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明：

如图所述，一种用于高纯镁的真空气氛熔化炉，包括控制机构、支撑架体1和设置在支撑架体1上方的立式双层壳体，所述立式双层壳体的内部设置有主加热组件，该立式双层壳体包括内壳体2和外壳体3，在内壳体2的侧壁外表面上绕设有用于进行辅助加热的电阻丝4，在内壳体2和外壳体3之间还填充有保温材料5，所述的主加热组件和电阻丝4均与控制机构连接，在立式双层壳体的顶部开设有进料口6，进料口6设置在立式双层壳体的顶部中心处，该进料口6与工艺上游真空接收器7的卸料口对接，且所述立式双层壳体的进料口6和真空接收器7的卸料口处均设置有用于控制其通断的真空阀8，在进料口6处位于真空阀8下方的位置还设置有挡热阀9，所述立式双层壳体的顶部还开设有真空组件连接口10、惰性气体入口11、添加剂入口12和出料口，其中，真空组件连接口10与外设的抽真空组件13连接，惰性气体入口11与外设的惰性气体气源14连接，出料口设置在立式双层壳体内部的一侧，出料口处设置有出料管15，该出料管15的一端置于立式双层壳体内部金属液体液面的下方，出料管15的另一端与工艺下游的真空镁合金熔炼炉或成型模具对接，且所述出料管15上还设置有电控阀16和计量泵17，在立式双层壳体上还设置有用于对其内部物料进行搅拌的内部多环搅拌组件，所述的真空阀8、挡热阀9、抽真空组件13、惰性气体气源14、电控阀16、计量泵17和内部多环搅拌组件均与控制机构连接。

所述的主加热组件包括竖直设置在内壳体2内部的多个炉内加热管18，该炉内加热管18的下端延伸出内壳体2至外壳体3的内底面，并呈开口结构，所述的炉内加热管18竖直焊接在内壳体2的下底面上，且多个炉内加热管18在内壳体2的内部均匀设置，如附图2所示。在每个炉内加热管18的内部均配设有一个呈倒U型的加热元件19，且每个炉内加热管18的下方还设置有一个支撑盖20，所述的支撑盖20上设置有用于固定加热元件19的夹紧装置。

优选的，所述的内部多环搅拌组件由驱动电机21和多环搅拌器组成，驱动电机21设置在立式双层壳体的顶部，并与控制机构连接，多环搅拌器设置在立式双层壳体的内部，该多环搅拌器包括上下平行设置的多个水平环组和一根搅拌轴22，每个水平环组均包括多个同心圆环23，且所述的同心圆环23均避开立式双层壳体内的主加热组件设置，在上下平行的同心圆环23之间还连接有竖直固定杆24，所述搅拌轴22的上端延伸出立式双层壳体与驱动电机21的输出轴连接，搅拌轴22的下端连接在位于最上方的一个水平环组上，该位于最上方的水平环组上还呈辐射状设置有多个水平固定杆25，多个水平固定杆25为一体结构，且多个水平固定杆25沿其所在圆圈的周向均匀设置，多个水平固定杆25均焊接在搅拌轴22上，所述立式双层壳体中位于最上方的水平环组所处的水平面高于主加热组件顶端所处的水平面。

本发明的一种用于高纯镁的真空气氛熔化炉在炉内加热管损坏时，可采用以下方法进行相应的检修。首先，取下支撑盖上的夹紧装置，再打开炉内加热管底部的安装法兰（即支撑盖），此时，即可从炉内加热管中取出损害的加热元件，进行相应的更换和检修。检修完成后，在依次固定炉内加热管底部的安装法兰，并将加热元件（U形硅碳棒）的底端通过夹紧装置固定在安装法兰上。

本发明中的立式双层壳体中的组件均为不锈钢材质，发热管也为不锈钢材料，不锈钢管上部为盲头，下部与真空炉体的底部焊接在一起，U硅碳棒发热元件从下至上***炉罐内，发热元件的冷端设置有支撑盖状的挡板。

本发明的一种用于高纯镁的真空气氛熔化炉，其特点为：1、通过立式双层壳体上部两个真空阀的开启，可实现真空接收器收集的金属镁晶体自动掉进不锈钢质的立式双层壳体；2、可实现真空气氛熔化炉在加热前，首先关闭炉体上部与真空接收器连接的真空阀，通入惰性气体，再进行高纯镁加热熔化，有利于减少镁蒸气的挥发，减少不必要地损失，并避免高纯金属镁的氧化；3、关闭立式双层壳体顶部的两个真空阀可以防止惰性气体进入真空接收器内，造成浪费；4、关闭立式双层壳体顶部的挡热阀不仅可以避免炉内热量的损失，还可以避免炉内热量进入工艺上游的真空接收器中，造成真空接收器内的镁晶体熔化，并在真空接收器内壁造成粘连；5、在镁晶体熔化后，可以通过计量泵将镁液体输送到工艺后续的真空气氛混合炉，也可以直接输送到镁制品模具中成型；6、加热组件的显著特征为双系统加热，即以U型发热元件***炉管形成的炉内加热系统为主，以炉罐四周保温材料内表面设置的电炉丝为辅，进行协同加热。采用加热炉管***炉罐内进行物料加热的方式，发热体发出的热量通过炉管直接传递给物料，热效率提高，实现了节能；7、利用加热管***炉体内的内加热方法有利于提高加热效率，实现节能，并缩短加工工艺周期，降低了熔化工艺的生产成本，同时，热传递效率高还使炉体的内外部无需为了达到内部物料的熔化温度而承受大大高于该熔化温度的高温，从而避免了其自身在高温条件下的腐蚀以及对金属镁晶体的污染，进而保证了镁晶体熔化过程中的高纯度。

一种用于高纯镁的真空气氛熔化炉的熔化工艺，包括以下步骤：

a.通过控制机构调控立式双层壳体进料口6处的真空阀8和挡热阀9关闭，控制外设的抽真空组件13经由真空组件连接口10对立式双层壳体内部进行抽真空处理；

b.通过控制机构调控工艺上游真空接收器7卸料口处的真空阀8和立式双层壳体进料口6处的真空阀8和挡热阀9打开，使真空接收器7中的高纯金属镁晶体自动落入立式双层壳体中；

c.通过控制机构调控工艺上游真空接收器7卸料口处的真空阀8和立式双层壳体进料口6处的真空阀8和挡热阀9关闭，并调控外设的惰性气体气源14经由惰性气体入口11对立式双层壳体的内部进行惰性气体填充，至立式双层壳体内压强为0.1MPa；

d. 通过控制机构调控主加热组件和电阻丝4对立式双层壳体内的物料进行加热，使立式双层壳体内的温度升高至700-780℃，使高纯金属镁晶体融化；

e.通过控制机构调控内部多环搅拌组件进行物料搅拌3-5min；

f.通过控制机构调控电控阀16和计量泵17，从立式双层壳体内抽取液态镁样品进行化验，并检测其是否符合高纯镁的要求，如符合要求，则控制电控阀16和计量泵17开启，经由出料管15抽出镁液体至工艺下游的真空镁合金熔炼炉或成型模具中进行后续处理；

g.如不符合要求，则通过控制机构调控，经由添加剂入口12向立式双层壳体内加入合适的添加剂，并调控内部多环搅拌组件进行物料搅拌，使添加剂与超标元素反应，并沉淀在炉底，调控内部多环搅拌组件关闭，保持立式双层壳体内物料静置5-10min，之后，通过控制机构调控控制电控阀16和计量泵17开启，经由出料管15抽出镁液体至工艺下游的真空镁合金熔炼炉或成型模具中进行后续处理。

本发明在工艺中加入的添加剂为微量元素添加剂，微量元素添加剂在经由添加剂入口进行加料前要进行预热，预热温度为200±20℃。

所述的各种泵、阀均为电控组件，可通过plc式的控制机构实现自动控制。