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鐵合金熱熔渣能質協同利用制備礦棉智能裝備與技術

鐵合金行業作為鋼鐵行業重要的子行業之一，2017 年產量總量為 3288.7 萬噸。鐵合金行業蓬勃發展為社會帶來巨大經濟效益的同時，也產生了大量的工業固體廢棄物。在冶煉合金時，每生產 1t 合金通常會產生 1.2-1.3t 的熱熔渣。熱熔渣的隨意排放不僅占用了寶貴的土地資源，產生熱能資源的浪費，還對周圍的生態環境和人體健康造成一定的潛在威脅。因此，在中國特色循環經濟背景下，鐵合金行業閉環環節關鍵設備與技術的研發與產業化迫在眉睫。青島青力環保設備有限公司、北京科技大學和寧夏吉元君泰新材料科技有限公司結合鐵合金產業閉環環節的熱質廢渣處理和資源化問題，研究鐵合金渣的物理化學特性，在工業生產中充分利用熔融態鐵合金渣的顯熱，熱熔渣經過調質后達到預期的“修正酸度系數”可直接生產優質巖（礦）棉，其能源消耗將大大降低。相對于冷料工藝，此工藝避開了冷料工藝中先冷卻再熔融的弊端，可以充分利用熱熔渣的顯熱實現能源的最合理利用，極大地降低了生產成本，相比于其他高爐熱熔渣制棉工藝，經過優化調質可生產出優質巖（礦）棉產品，達到《建筑外墻保溫用巖棉制品》的國家標準。在巖（礦）棉生產線設備方面也進行了一系列的改進和創新，并研發了巖（礦）棉自動生產線電控系統，通過物聯終端的網口通功能將可編程序控制器（PLC）和上位機電腦置于同一個虛擬局域網中，實現遠程下載和數據采集功能。通過串口通軟件實現遠程編程，進而實現對生產線的遠程控制、故障診斷、遠程故障排除等遠程監控運維，使設備更加高效，產品更加穩定，企業具有更強的市場競爭力。本項目所建成的鐵合金熱熔渣生產巖（礦）棉工藝主要由調質電爐、離心機、集棉機、集粒機、擺錘、成型機、固化爐、切割機及產品包裝等設備組成。目前國內在使用鐵合金熱渣成棉的熱渣類型主要為硅錳合金熱渣和鎳鐵合金熱渣。轉運方式主要是汽車運輸、電瓶車運輸和火車運輸。在生產中對每一批次（2-3 個月內冶煉原料和工藝保持不變）的鐵合金熱熔渣預先進行物理化學基本特性分析，即時優化調質料配比。調質電爐的主要作用是儲存熔融態鐵合金渣，保證流股的穩定性和均勻性，鐵合金熱熔渣流入調質電爐，依托最優調質配比進行調質并均質化（電弧均化與底部氮氣噴槍均化），調整其修正酸度系數，在熱均勻性和化學均勻性上使熔體達到成纖標準。2、核心裝備技術的設計（一）調質電爐核心設計：1、調質電爐為直接加熱式三相交流電弧爐，電弧發生在專用電極棒和液態熱熔渣之間，熱熔渣和調質料直接受到電弧熱加熱并進行均化。除了電弧均化，為了加強熱熔渣與調質料的調質反應過程，使最終熱熔渣溫度和成分均勻，在電弧爐爐底部加裝氮氣噴槍。2、爐體設有一個密閉接渣口，通過密閉溜槽使熱渣緩慢流入爐體內，接渣時需手動打開進渣口門。3、爐體一側出渣口設一個手動水冷銅出渣門用來控制流量的大小，另一側設一個出鐵口，用來放出爐底沉淀殘鐵。4、特殊配制的耐材。5、電爐變壓器為電弧爐專用變壓器，采用有載電動調壓，低壓二次側采用銅排頂出線，外封口。變壓器油水冷卻器采用強油循環水冷卻器。6、電極升降自動控制系統由西門子S7-200型PLC來完成。將三相電弧電壓、電流信號通過信號轉換電路變成 0-5V 標準信號送入 PLC 模擬量輸入模塊，PLC根據采集的電流、電壓信號、變壓器檔位及給定值等信號，按照功率控制的原理進行運算處理及邏輯判斷后，將結果通過 PLC 模擬量輸出模塊控制液壓系統電極升降閥（派克比例閥 3 用 1 備），對電極升降進行自動調節，當一路出現故障時可以手動切換，從而控制輸入到爐內的電弧功率，以滿足冶煉工藝的要求。在自動控制過程中，隨時可通過按鍵來增加或減少給定信號，在運行過程中，隨時可以手動控制電極升降。（二）離心機核心設計：熱渣用離心機不同于冷料用離心機，為更好使用各種類型的熱渣，經過幾年的理論與實踐生產，設計并制作出專用的熱渣離心機：（1）主軸采用多級彈性支撐，減震效果好，支撐強度大，長期使用穩定性好，大大提高了軸承的使用壽命，比傳統離心機的軸承使用壽命提高 30-40%。（2）不同的坐標位置，使成纖率提高 5-10%。（3）離心輥頭采用 316L 多層堆焊，輥頭使用壽命延長 72-120 小時。（4）可調膠環，分別計量控制精確供膠，中心噴膠與外圍噴膠相結合，使噴膠更均勻，節膠、高質，有效減少花棉的出現。（5）整體風環結構有區別的導流片設計。（6）輥頭采用開式或閉式冷卻方式，軸承采用壓縮空氣油氣霧化技術，既可對軸承充分潤滑，又對軸承起冷卻作用，從而大大提高了主軸軸承的使用壽命。（三）鼓式集棉機核心設計：（1）集棉機采用轉鼓式，直徑 5 米，總寬度 2.8 米，網板有效寬度 2.4 米，線速度可達 100 米/分鐘，從而保證了一次棉在網板上分布得更薄更均勻（小于350g/㎡）從而保證了制棉的質量。（2）由于轉鼓的兩端支撐在大型回轉支撐上，并有良好的潤滑，故其使用壽命非常長（幾年至十幾年），大大減少了設備的維修量。（3）網板采用長條孔結構，通透率大于 48%，從而減少了負壓風機的功率消耗，增加了成纖率。（4）集棉機內配備刮板機、螺旋輸送機、高壓水清洗裝置，保證了集棉機長期穩定運行。（四）擺錘的核心設計：擺錘目前主要分弧擺和平擺。國內巖（礦）棉廠基本上都是弧擺，優點是結構簡單維修方便，缺點是巖棉板容重不均勻；國外巖棉廠有的采用平擺，優點是巖棉板容重均勻性一致，提高了產品質量，缺點是結構復雜維護麻煩。我們特殊設計的擺錘形式為似平擺，結構簡單維修同樣簡單方便，巖棉板容重均勻性基本達到 95%以上，而弧擺形式的容重均勻性為 80-85%。（五）固化爐核心設計：固化爐接受加壓機輸送過來的棉氈經固化爐上下網版輸送、加壓、烘干，使棉氈里的粘結劑在運行過程中連續固化，以形成一定厚度、容重的巖棉板。固化爐上下網板為單獨驅動同步運行。固化爐內分為四個加熱區，外配 4 臺熱風爐由天然氣燃燒機產生熱風循環加熱，并將熔化系統的低溫換熱器產生的熱風送至熱風爐以降低天然氣的消耗量，使產品固化能耗降低、效率提高。固化爐烘烤需要天然氣和煤氣，而許多熱渣廠家有高爐煤氣或礦熱爐煤氣，所以熱渣制棉生產比冷料工藝生產可節省此天然氣費用，大幅降低了生產成本。（六）冷卻、切割系統核心設計：冷卻切割系統主要由五部分組成：冷卻、縱切、廢邊回收、切條、橫切。縱切：三套刀具，可隨時升降。碎邊機：獨立碎邊，配備碎邊回收風機，安全可靠。切條機：一用一備共 2 套，可隨時升降切換使用。橫切：由于生產線是連續不停的運行，但產品要求定長切割，因此橫切（飛鋸）必須與生產線同步。我們采用多臺伺服電機，配以運動控制器，使橫切動作運動瞬時跟蹤整個生產線的速度，即使在切割過程中也可以做到，從而保證了切割精度在+2.5mm 以內。(七)智能云平臺系統是我們研發的巖（礦）棉自動生產線電控系統，由中央控制、加配料、富氧、溫控、成纖、集布棉、打褶打壓、固化、切割、制膠等 10 大電控系統組成，它完成巖（礦）棉從原料熔化開始，到切割成成品為止的全部生產過程控制。各子控制系統通過中央控制系統統一協調，采用“主站-從站”結構，分散集中控制（DCS）,主站采用了西門子公司生產的 S7-1500 系列可編程序控制器（PLC），從站采用了西門子公司生產的S7-200 Smart系列可編程序控制器（PLC），系統各部分的聯系，僅用一根 TCP/IP 總線，方便地組成工業以太網，并配以計算機和西門子專用界面軟件 WinCC，可圖文并茂的設定、顯示、傳送、查詢和打印各從站的數據。通過在設備的中央控制系統配套天啟物聯終端云 BOX TN-605 以及高速的 4G運營商網絡實現與遠程運維服務平臺的數據連接。通過物聯終端的網口通功能將PLC 和上位機電腦置于同一個虛擬局域網中，實現遠程下載和數據采集功能。通過串口通軟件實現遠程編程，進而實現對設備的遠程控制功能。遠程運維服務平臺通過網口通、串口通軟件可以實現設備的全方位監控云服務。通過對現場設備的實時狀態監測、遠程啟停控制、設備報警通知、設備地圖管理、微信端監控等功能，實現在任何時間、任何地點實時查詢設備最新狀態、設備參數和變量的實時變化，了解設備狀態、參數和變量的變化趨勢，并獲得針對這些變化趨勢的統計分析等。另外運維平臺的數據歸檔服務功能，可實現對用戶設備數據的定期分類歸檔。用戶根據平臺采集歸檔的海量數據，對設備相關數據進行大數據分析，定義出觸發器條件。另外，平臺在云端提供了一個強大的計算引擎，可以實時計算設備當前狀態、變量和參數是否符合觸發條件，同時對符合觸發條件的情況觸發事件報警。這一功能使得產品生產處于實時預警、可查可控的狀態，對于提高巖（礦）棉生產率和合格率效果明顯。(八) 熔體流量自動控制系統雖然電爐上已安排液壓（或電動）水冷閘板閥用于控制流股的穩定性，但由于需定期加入熔渣，電爐液面還有一定的波動，從而造成流股的不穩定性。另外，液位高度變化、組成成分的波動，都會對熔體粘度發生影響，造成流股波動，無法保證制品的穩定性。我們開發了熔體流量自動控制系統，利用安裝在成型機下面的自動稱重系統來捕捉流股的變化。通過 PLC 控制系統，采用計算機程序運算，對整個生產線的速度進行 PID 調節，從而保證產品容重的波動在極小的范圍內，容重控制在±5%以內（國家標準容重范圍在±10%），保證了產品質量，降低了生產成本。3、典型鐵合金熱熔渣生產優質巖（礦）棉調質技術研究大量研究利用硅錳、鎳鐵等典型鐵合金廢渣為原料，將熔體采用高速離心噴吹等工藝制成的絲狀無機纖維，制成礦棉。這種礦棉與目前廣泛應用的巖棉相比，在酸度系數、耐水性、耐火性、耐腐蝕性以及纖維長度等方面還有很大差距，礦棉的性能還不能滿足建筑外墻用保溫材料的標準要求。由于礦棉原料成份與巖棉原料不同，通常對熱熔渣進行調質處理，添加硅石等調質劑，嘗試的效果不十分理想。在高溫熱熔渣調質過程存在熔渣難與調質劑混合，并產生降溫造成熔渣黏度高，難以達到硅酸鹽體系的成絲要求，嚴重影響了礦棉生產和成絲質量，制約了鐵合金渣的利用，造成了鐵合金生產的環保壓力。我們針對上述已有技術存在的不足，創新研發了一種能快速形成硅酸鹽系的調質方法：以新的修正酸度系數 Mk*=1.6 為標準，這樣最終的酸度系數 Mk 在1.7-1.9 之間。將鐵合金熱熔渣澆入調質爐，電極加熱（電弧均化）產生一定的流動性，爐底部噴槍噴入氮氣，促進與加入的調質料（熱料或小球狀冷料或粉料）充分混合，保證了快速形成硅酸鹽體系，并通過調質電爐升溫保溫再均化等，得到熔體溫度合適、黏度適宜、成分符合吹棉要求的熔渣，解決了熔渣難與調質料混合并產生降溫的問題，達到了高質量礦棉的性能標準，實現了對礦產資源的節約以及鐵合金廢渣更好的利用。利用鐵合金渣生產礦棉的調質方法，調制出的熔渣流體的修正酸度系數 Mk*為 1.5-1.6，溫度 1360-1460°C，黏度 14-6 Pa·s。將調質好的熔體通過離心噴吹制成巖（礦）棉，其巖（礦）棉纖維可達到《絕熱用巖棉、礦渣棉及其制品》GB/T11835-2007，巖（礦）棉板可達到《建筑外墻外保溫用巖棉制品》GB/T25975-2010 性能要求。通過大量實驗得出結論：用高硅低鋁高鈣調質料對硅錳渣進行調質最為適宜，用高硅高鋁低鈣調質料對鎳鐵渣進行調質最為適宜。

北京科技大學 2021-04-13

合金化阻燃鎂合金的產業化

合金化阻燃鎂合金的產業化一、項目簡介鎂合金是目前最輕的金屬結構材料，其密度大約在1.75～1.85g/cm3之間，僅相當于鋁的2/3，鋼的1/4。同時鎂合金還具有比強度和比剛度高、導熱導電性好、阻尼減震、電磁屏蔽、易于加工成形和容易回收等優點，在汽車、電子通信、航空航天和國防軍事等領域具有極其重要的應用價值和廣闊的應用前景，被譽為“21世紀綠色工程材料”。但是鎂合金由于自身化學活性很強，而且氧化后不能形成致密的氧化膜。鎂合金在高溫熔煉和加工成形過程中容易氧化燃燒，從而限制了鎂合金的發展前景。因而有必要尋找一種經濟、實用、無污染的鎂和金熔煉保護方法以防止鎂合金生產過程中的氧化燃燒問題。目前較為成熟的鎂合金阻燃方法有熔劑保護法和氣體保護法。然而，對于熔劑保護法而言，在熔劑的使用過程中會產生大量有刺激性氣味的氣體（如HCl、Cl2），給環境造成危害；且容易產生熔劑夾雜，損害合金的機械性能和耐腐蝕性能。氣體保護法通常是通入一定量的SF6和CO2的混合氣體，使用過程中產生SO2、SF4等有毒氣體，甚至會產生劇毒氣體S2F10，造成環境污染，且SF6和CO2能長期滯留在大氣中，產生巨大的溫室效應。另外氣體保護法還需要有復雜的混氣裝置和密封裝置，而且從熔煉到澆鑄也需要復雜的輸送設備，因而加大了一定的成本。針對熔劑保護法和氣體保護法帶來的問題，20世紀50年代人們提出了合金化阻燃的想法，其主要原理在于向鎂合金中添加適量的低氧位合金元素（即其與氧的親和力大于鎂與氧的親和力），使其在熔煉、澆注過程中自動生成致密的復合氧化膜，從而阻止鎂合金的進一步氧化燃燒。本課題正是基于此思想，希望通過向鎂合金中添加某些合金元素，使得鎂合金獲得優良的阻燃性能，同時不降低其力學性能。然而合金熔體表面氧化膜結構的改變必然同時改變了熔體表面張力的大小，因而可以通過研究表面張力大小對氧化膜結構改變的影響，進而找到合金元素含量、阻燃性能和表面張力之間的定量關系，從而使本課題所得結果能夠指導實際生產。合金化阻燃法將大大降低設備及工藝的復雜程度，同時也不會對環境造成嚴重污染，具有較強的實用價值及巨大的發展潛力。二、項目技術成熟程度本課題組長期從事合金化阻燃鎂合金材料及其相關加工工藝方面的研究，目前已經建了一系列鎂合金相關的研究方法和性能檢測方法。研究的基體不僅包括工業純鎂，也包括商業應用最為廣泛的AZ91D，添加阻燃元素包括Ca和不同含量的Re元素。現已經取得以下研究成果：2.1 鎂合金起燃溫度測試系統的建立2.1.1 概述鎂合金起燃溫度的準確測試是研究阻燃鎂合金過程中的關鍵一步，也是本課題的一個難點。傳統的測試方法有觀察法和溫度記錄儀法。觀察法就是在敞開的爐中加熱試樣，當觀察到試驗燃燒時讀取電爐溫度控制器的溫度并記錄，作為試樣的燃點溫度。此方法簡單易行，但是測試的結果受人為因素影響較大，誤差較大。溫度記錄儀法就是利用熱電偶作為溫度傳感器，使用溫度記錄儀記錄溫度時間曲線。鎂及其合金燃燒時放出的熱量會使溫度升高的速率發生急劇變化，從而使溫度-時間曲線發生拐點，此拐點處溫度即為燃點溫度。近年來隨著計算機技術的飛速發展，出現了基于數據采集技術的燃點測試方法。這類方法也是利用了鎂及其合金燃燒時釋放的熱量使爐內溫度上升速率加快的現象。基于數據采集技術的燃點測試方法可把所采集的溫度時間曲線保存起來待日后分析，燃點溫度的確定可通過軟件編程自動識別。本課題自行開發了基于數據采集技術的鎂及鎂合金燃點測試分析系統。鎂合金起燃溫度測試系統從功能上可分為硬件部分和軟件部分，硬件部分主要完成溫度的傳感、信號的調理及數據采集；軟件部分主要完成溫度的實時顯示、實驗數據的存儲、實驗數據的回放分析等功能。2.1.2 硬件構成及功能本課題所建立的鎂合金起燃溫度測試系統的硬件組成主要由坩堝式電阻爐、TCW-32B型溫度控制器、數據采集卡以及電腦組成，其組成結構見圖1所示。該電阻爐與溫度控制器具有節能、可編程控制以及加熱速度可調等優點。溫度傳感器采用K型熱電偶。由于溫度采集的采樣率不需要很高，因此數據采集卡采用了研華USB-4718型，該數據采集卡為8路熱電偶輸入，支持USB2.0，無需外部電源，與筆記本電腦可構成便攜式測試系統；該卡還具有3000VDC隔離保護，支持4~20mA，能夠對熱電偶信號進行內部調理，無需外加調理電路，降低系統的成本及開發時間。其中一支熱電偶接入溫度控制器對電阻爐進行控溫，然后再接入數據采集卡；另一支熱電偶用來測試試驗樣品的溫度，因而直接接入數據采集卡。數據采集卡將這兩路溫度信號通過USB接口傳送到電腦進行記錄并顯示。坩堝式電阻爐的結構如圖1所示，在電爐底部開有通風孔，盛放試樣的物品應采用帶孔的結構或者石棉網，以保證良好的供氧條件。1.坩堝式電阻爐；2.耐火磚墊；3.坩堝；4.試樣；5．熱電偶；6.溫度控制器；7.數據采集卡；8.電腦圖1 鎂合金燃點測試裝置示意圖2.1.3 軟件功能及關鍵技術鎂合金起燃溫度測試系統軟件部分是利用LabVIEW8.5開發的，其界面見圖2。該軟件界面從功能上可大致分為三個區域：實驗參數設置區、實驗參數動態顯示區和軟件功能控制區。實驗參數設置區可對實驗采用的熱電偶類型、數據采集卡的通道、實驗名稱、實驗數據保存路徑以及采樣率等參數進行設置。實驗參數動態顯示區可實現對所采集的兩路溫度的直觀動態顯示以及溫度—時間曲線的動態顯示。軟件功能控制區可完成對實驗進度的控制，如數據采集的開始與結束、界面的刷新、溫度曲線的回放顯示以及系統的退出等功能。圖2 鎂合金起燃溫度測試系統軟件界面軟件與硬件的通訊是通過調用研華提供的底層驅動函數實現的，一個通道的數據傳輸程序框圖見圖3。由于該數據采集卡不支持8路信號的并行通信，也就是說數據采集卡的8路輸入信號的讀取要按順序循環讀取，所以要想實現多路溫度信號的傳輸，必須在軟件上來完成。本文是通過調用順序結構的方法來實現對兩通道數據的順序讀取的。圖3 數據傳輸程序框圖為了能夠對實驗數據進行事后分析，軟件要提供對所采集的數據的存儲功能，存儲的數據一定要和相應的實驗名稱結合起來，以防止實驗數據混淆。本軟件是通過對實驗數據進行命名與計算機自動生成名稱相結合的方法來避免數據的混淆。也就是說，對每個實驗進行命名后，由于每個實驗不一定只做一個實驗數據，因此系統會自動生成一個以精確到秒的時間字符串做為實驗名的后一部分，如“mg1.2ca-1熔體溫度20100531204001.bin”。實驗數據在存儲時同時被存儲為二進制格式和文本格式，路徑及文件名生成以及數據存儲的的程序框圖如圖4所示。圖4 數據存儲程序示意圖由于軟件在數據采集過程中顯示區域顯示的是動態過程，所以無法看到所采集的數據全貌，因此軟件提供了對所采集的實驗數據的回放顯示功能，既可顯示一條曲線，也可同時顯示多條曲線進行對比分析，此功能是通過調用子VI（Virtual Instruments的簡寫，即虛擬儀器）的方式實現的。通過按下主界面的“單曲線顯示”或“多曲線顯示”即可調出一個新的顯示窗口。多曲線顯示的曲線條數可以輸入。多曲線顯示的界面及程序框圖見圖5。為了軟件使用過程中的方便，提供了界面刷新功能，按下“界面刷新”后軟件界面可恢復到默認狀態。考慮到每次測燃點溫度時實驗名稱或者數據存儲的路徑可能會相同，所以建立了“實驗名稱”和“存儲路徑”兩個全局變量，同時建立了一個配置文檔。每次軟件更改實驗名稱或存儲路徑時，都要修改全局變量的值，軟件退出時，要把最后的實驗名稱和存儲路徑存到配置文檔中，當再一次打開運行軟件時，要打開配置文檔讀取實驗名稱和存儲路徑的信息作為軟件界面的默認值。 (a) 程序框圖 (b) 程序界面圖5 多曲線顯示為了使軟件運行的更流暢、使用更方便，軟件中還應用了很多容錯技術。容錯技術包括軟件的自檢和硬件自檢兩部分。軟件自檢包括檢查輸入的存儲路徑是否正確、實驗名稱是否為空等，以保證數據存儲的可靠性。硬件自檢主要是在點擊“開始采集”按鈕后，檢測數據采集卡工作是否正常，如果數據采集卡異常，軟件會報警并返回到初始狀態，避免了由于數據采集卡異常導致的死機。2.1.4 系統測試及起燃溫度的確定將電阻爐加熱至500℃左右，再將塊狀鎂合金放入帶孔的坩堝，然后將其置入電阻爐中，并使測量鎂合金溫度的熱電偶與塊狀鎂合金接觸，使電路按固定加熱速率進行加熱，并開始數據采集。數據采集過程的界面見圖2，經測試，軟硬件各項功能正常。所采集的溫度-時間曲線如圖6所示。鎂合金在開始燃燒瞬間，放出大量的熱量使溫度急劇上升，會在溫度-時間曲線上出現一個拐點。本課題中，將溫度-時間上的第一個拐點所對應的溫度值定義為燃點。圖6 典型溫度-時間采集曲線2.1.5 小結（1）本章建立了鎂合金起燃溫度測試硬件系統，該系統由坩堝式電阻爐、溫度控制器、熱電偶、研華USB-4718型數據采集卡及電腦組成，所建立的硬件系統成本低、結構簡單、測試系統便攜。（2）本章開發了鎂合金起燃溫度測試軟件系統，該軟件采用LabVIEW8.5開發，具有數據采集、數據動態顯示、實驗數據存儲、數據回放分析等功能。軟件界面友好，操作簡單，容錯性強。（3）本章對所建立的鎂合金起燃溫度測試系統軟硬件進行了測試，測試結果表明，所建立的測試系統各項功能正常，能夠很好的完成對鎂合金起燃溫度的測試，并給出了確定起燃溫度的方法。2.2 鎂合金熔體表面張力裝置的建立2.2.1 概述我們通常將物體表面單位長度上作用的力稱作表面張力，單位為N/m，而且通常我們所說的表面張力指的是液相與氣相接觸面上的表面張力。在液態金屬或者合金與氣體組成的體系中，與氣體接觸的液體表面層原子處于不平衡力場中，即與表面層原子接觸的液體中的原子與表面層原子距離較小，且數目量多，因此作用力較大；而與表面層原子接觸的氣體中的原子與表面層原子距離較大，且數量少，因此作用力較小。這樣就產生了方向垂直于液體表面，指向液體內部的力，如圖7所示。該力使液體表面有如一彈性膜所包圍，傾向減少其表面，因此產生了表面張力。表面張力的大小不但與液體本身的性質有關，而且與它相接觸的相的性質有關。圖7 熔體表面原子模型表面張力是液態合金重要的物性參數，它不僅是研究界面反應動力學的基礎，而且在金屬凝固過程和鑄造合金參數的預測中起著重要作用，因此，研究液態合金熔體表面張力具有重要理論價值和實際意義。在阻燃鎂合金的研究領域，特別是在阻燃鎂合金的熔煉與制備過程中，合金液在高溫下的急劇擴散與在凝固過程中晶粒的形成，尤其是晶體在長大時，稀土元素會富集在相界上，在液態下有表面聚集的趨勢,元素的擴散必然會對熔體的表面張力和氧化膜結構產生影響，因而我們可以通過研究稀土阻燃鎂合金熔體特性特別是在不同狀態下熔體表面張力的變化對氧化膜結構改變的影響規律，進而找到表面張力與阻燃性能之間的對應關系。2.2.2 表面張力的測量方法表面張力的測量方法有很多，總體上可分為動態法和靜態法兩類。動態法是以測量決定某一過程特征的數值來計算表面張力，主要有毛細管波法和振蕩射流法。通常在溶液表面張力隨時間變化變化較快時需要用動態法測量，如用振蕩射流法測定的時間變化可以小到1ms左右。在現階段，動態法測量表面張力還不完善，測量誤差較大，因而，實際應用很少。主要的方法有毛細管上升法、懸滴法、滴重法、最大氣泡法、拉筒法、液滴外形法和電磁懸浮法等。常溫或低于200℃下的液體表面張力測量方法較多。但是，多于液態金屬、爐渣、熔鹽等高溫熔體，增加了測量的難度和復雜程度，應用于高溫熔體表面張力的測量方法主要有最大氣泡法、電磁懸浮法、拉筒法和靜滴法。考慮到試驗的測量精度和設備的復雜程度，本課題采用最大氣泡法測量鎂合金熔體表面張力。最大氣泡法Simon于1851年提出，后由Canter、Jaeger分別從理論和實用角度加以發展。實驗步驟是，將一毛細管插入待測液體內部，再向管中緩慢通入惰性氣體，隨著吹入氣體壓力的增大，氣泡逐漸長大，當氣泡恰好是半球時，氣泡內的壓力達到最大值，此時通過測量氣泡壓力，計算得到液體的表面張力值。2.2.3 表面張力的測量裝置本課題采用“最大氣泡壓力法”測定鎂合金熔體表面張力，實驗裝置如圖8所示：圖2.4 最大氣泡壓力法測試表面張力裝置簡圖Fig. 2.6 BMP Surface tension testing schematic圖8 最大氣泡法測量熔體表面張力裝置1.氬氣瓶2.壓力表 3.大量程浮子流量計 4.穩壓計 5.針型閥 6.微調針型閥 7.干燥瓶 8.小量程浮子流量計 9.U形壓力計 10.溫度控制儀 11.毛細石英管 12.熱電偶 13.石墨坩堝 14.鎂合金熔 15.坩堝電阻爐16.升降機構 17.大量程百分表氬氣經過減壓計，穩壓計，通入裝有氯化鈣的干燥瓶中進行干燥，再由三通器分成兩路，一路連接到U形壓力計（U形管所盛液體為水），另一路經細的石英管通入鎂合金熔體。由小到大緩慢調節氬氣氣壓，并通過針型閥控制氣體流量大小（將氣體流量控制在18-20毫升/分以內），觀察U形管內兩邊液注高度差H。試驗采用的毛細石英管內半徑r=2.86mm，符合精度要求。毛細管端口經過拋光、清洗處理，以排除雜質和端口缺陷對測量結果的影響。實驗中，通過升降機構可控制毛細管的上升和下降，當毛細管插入合金液后，隨著氬氣的緩緩通入，管內液體被排出管外，會在管口處形成氣泡并不斷長大（圖9）。氣泡在成長過程中，其內部壓力P與液體靜壓力及液體表面張力的合力保持動態平衡，直至這種平衡被破壞，氣泡會脫離管口而浮出液面。此過程，H值也將呈現出由小到大的變化趨勢，設氣泡內的壓力為P，則：P+PM=PH （1）其中，PM為鎂合金熔體在深度為h處形成的壓強，PH為U形管內兩邊液注差所形成的壓強。圖9 氣泡形成過程根據表面張力的物理意義，在液體中若有一半徑為r的球形氣泡，液體表面張力的作用造成了指向氣泡內部的壓力P（圖10）。圖10球形氣泡氣泡的表面積為：S =4πr2球形氣泡的體積為：V =4πr3/3若將球的體積增大dV，則必須克服阻力P對它做功：ΔW =PdV，而這一所做的功將轉變為表面積增大后的表面自由能增量：ΔE =σdS（σ為表面張力）。由于ΔW =ΔE，即PdV =σdS而dV =4πr2dr，dS =8πrdr，因而可推導出：P =2σ/r （2）PM為鎂合金熔體在深度為h處形成的壓強，即PM =ρMgh，ρM為鎂合金熔體的密度，為便于計算我們以Mg-Al合金的液態密度代替；PH為U形管內兩邊液注差所形成的壓強，即PH =ρwgH,ρw為水的密度。所以，由式（1）、（2）可以得到，當H達到最大值Hmax時， 2σ/r +ρMgh =ρwgH （3）所以，表面張力σ為：σ=(ρwgHmax-ρMgh)?r/2 （4）用最大氣泡法測量鎂合金熔體表面張力的具體步驟為：1．采用電阻爐、坩堝在一定溫度下對合金進行熔煉，待完全熔煉后攪拌一段時間，除去表面雜質，再保溫10分鐘；2．通過調整升降機構，使毛細管下降到恰好接觸合金熔體表面，此時調整百分表托架，使百分表的芯端部與升降機構水平臂平面接觸，將刻度盤對零，下降升降機構，使毛細管插入合金液表面之下，記錄毛細管下降的精確深度h；3．固定好這一高度打開爐蓋與氬氣瓶壓閥，并通過針型閥控制氣體流量大小（將氣體流量控制在18-20毫升/分以內），此時U形管兩側開始出現壓差，當熔體內部能夠穩定、緩慢的產生氣泡時，觀察U形兩側壓差值將由小到大變化，到達一最大值后（即氣泡成為半球形，此時半徑最小等于石英管內半徑r時），U形管兩端壓差突然減小（因為氣泡破裂），記錄下U形管左右兩端的最大液面差值H；4．帶入公式中進行計算便可得到熔體的表面張力。2.2.4 小結（1）本章建立了鎂合金熔體表面張力測量裝置，該裝置主要由氬氣瓶、壓力表、浮子流量計、穩壓計、針型閥、干燥瓶、U形壓力計、毛細石英管、升降機構和百分表組成。（2）本課題對所建立的鎂合金熔體表面張力測量裝置進行了測試，測試結果表明，所建立的測量裝置各項功能正常，能夠很好的完成對鎂合金熔體表面張力的測量，并給出了熔體表面張力的測量方法。三、技術指標通過本次研究必須到達以下要求：①研制成一種或多種阻燃鎂合金可以在大氣下不加任何保護措施條件下，熔煉而不發生燃燒現象；②研制成的阻燃鎂合金成分通過壓鑄、熱處理工藝過后所制成的成品，其結構的力學性能必須達到相應的要求；③通過本次研究結果，發表1項發明專利和1項實用新型專利。四、市場前景鎂及鎂合金既可以鑄造成各種鑄件或壓鑄件，也可以采用各種塑形加工方法加工成不同品種、規格、性能和用途的管、棒、型、線、帶、箔材以及鍛件等，然后經切削加工、冷沖壓、接合成形和表面處理等深加工成各種零件和結構件。與其他結構材料相比，鎂及其合金具有一系列的優點，如密度低、比強度和比剛度高、阻尼減振降噪能力強、電磁屏蔽性能優異、抗輻射、液態成型性能優越、切削加工和熱成型性能好、易于回收等，符合“21世紀綠色結構材料”的要求，越來越受到人們的青瞇。今年來，鎂材在汽車、摩托車等交通工具、計算機、通信、家電、電子電器、冶金、航空航天、國防軍工等部門獲得了廣泛的應用。隨著鎂合金提煉及加工技術的發展，以及成本的下降，鎂材已成為工業應用的重要金屬材料，在全球范圍內得到快速發展。1. 鎂合金材料在汽車工業上的開發與應用自1970年中東石油危機以來，為減輕汽車質量，以降低油耗和污染，提高安全性能，鎂合金材料在汽車工業中的應用與日俱增。目前，汽車工業中鎂合金用量較多的地區和國家主要是北美、歐洲、日本和韓國。綜合部分廠家的使用情況，目前鎂合金材料主要用來制造以下汽車零部件：①車內構件：儀表盤、座椅架、座位升降器、操縱臺架、氣囊外罩、轉向柱支架、收音機外殼、小工具箱門、車窗馬達罩、剎車與離合器踏板托架、氣動托架踏板等；②車體構件：門框、尾板、車頂框、車頂板、IP橫梁；③發動機及傳動系統：閥蓋、凸輪蓋、四輪驅動變速箱體、手動換擋變速器、離合器外殼活塞、進氣管、機油盤、交流電機支架、變速器殼體、齒輪箱殼體、油過濾器接頭、馬達罩、氣缸頭罩、分配盤支架、油泵殼、油箱、濾油器支架、左側半曲軸箱、空機罩、左抽氣管等。④底盤：輪轂、引擎托架、前后吊桿、尾盤支架。美國福特、通用、克萊斯勒三家公司在每輛汽車上使用的鎂合金鑄件分別達到30個、45個和20個；瑞典推出的沃爾沃CP20C0車型全重700kg，使用50kg鎂合金，包括輪轂、合器箱、轉向齒箱、后懸臂、發動機架、進氣歧管、氣缸體等部件；本田轎車一部分零件采用鎂合金材料后，重量大大減輕。最近，Magers分析了汽車市場的鎂合金需求趨勢，預測鎂合金材料在汽車工業的應用將會不斷增加。2. 鎂材在軌道交通工具上的應用前景在列車和其他軌道交通工具上使用鎂材，目的是減輕重量，減小噪音和震動，規整零部件和防止塑料老化，提高使用壽命等。主要應用實例：儀表盤支撐梁、發動機閥蓋、密封結構件、高速器、濾器器、發動機承受臺、消音器等。3. 鎂材在自行車上的開發與應用自行車是人力驅動工具，因而質量的減輕帶來的效果非常顯著，具有更好的加速性能、爬坡性能、轉彎性能，并且容易操縱，因而在國外自行車行業流傳著“產品輕1g多賣1美元”的說法。與鋁質自行車相比，用鎂材制造自行車可減重33%；用鎂材制造的折疊自行車車架重量僅1.4kg，總重量僅為4kg。目前自行車使用鎂合金部件包括輪轂、車把夾、腳踏板、制動器、手把、前叉、框架等近十幾個部件。4. 鎂材在航空航天上的開發與應用航空航天材料減重帶來的經濟效益和性能改善十分顯著。在質量減輕相同的情況下，商用飛機節省的燃油費是汽車的近100倍，而戰斗機的燃油費用節省又是商用飛機的近10倍，更重要的是其機動性能的改善可以極大地提高戰斗力和生存能力。正因為如此，早在20世紀20年代就開發出了許多鎂合金部件，如發動機曲柄箱、發動機零件、氣球吊籃、客機座椅、起落輪。隨著鎂合金生產技術的發展，材料的性能不斷提高，其應用范圍也不斷擴大。目前的應用領域包括各種民用和軍用飛機的發動機零部件、螺旋槳、齒輪箱、支架結構，以及火箭、導彈、衛星的一些零部件。5. 現代兵器零部件的鎂合金化及發展趨勢槍械武器、裝甲車輛、導彈、火炮、彈藥、光電儀器、武器用計算機及軍用器材中有較大數量的鋁合金零件和工程塑料件，根據鎂合金材料的性能和使用特點，將這些零件改用鎂合金制造在技術上是可行的。采用鎂合金材料代替武器裝備的中、低強度鋁合金零件和部分黑色金屬零件，實現武器裝備輕量化：槍械武器：機匣、彈匣、槍托體、提把、前護手、彈托板、瞄具座等；裝甲車輛：坦克座椅骨架、機長鏡、變速箱殼體、發動機濾座、進出水管、空氣分配器座、機油泵殼體、水泵殼體、機油熱交換器、機油濾清器殼體、氣門室罩、呼吸器等；光電產品：鏡頭殼體、紅外成像儀殼體、底座。6. 鎂合金材料在電子工業（家用電器和3C產品）上的開發與應用近10年來，電子工業發達的國家，特別是日本和歐美一些國家，在鎂合金產品的開發方面開展了大量工作并取得了重要進展，一大批重要電子產品使用了鎂合金，取得了理想的效果。3C工業（計算機、通訊設備、消費類電子產品）是當今全球發展速度最快的產業，數字化技術導致各種數字化產品不斷涌現。鎂合金3C產品最早出現于日本，1998年日本廠商開始采用鎂合金制造各種可攜式商品（如PDA、手機等），如今最為普遍的鎂合金3C產品是筆記本電腦，是由日本SONY公司率先推出的。在3C產品朝著輕、薄、短、小方向發展趨勢的推動下，今年來鎂合金的應用得到了持續增長。我國雖然是世界產鎂大國，但與日、美、歐相比，在鎂合金材料研究、生產技術及應用領域等方面還有相當大的差距，仍處于起步階段。五、規模與投資需求投資規模萬元，廠房及設備設施需求等。六、生產設備根據研發和生產需求，鎂合金在加工和性能檢測方面需要用到以下裝置：真空式高頻感應熔煉爐；鑄件的金屬型模具；坩堝為石墨型坩堝；大型真空熱處理爐；一整套機加工設備：加工中心、數控車床、手動工具；試樣拉伸試驗在Zwick/Roell Z100拉伸試驗機上完成；硬度測試采用XC-ST50顯微硬度測試儀，金相組織觀察在VMS-2000金相圖像分析系統上完成；氧化膜形貌觀測等在日立S-4800掃描電鏡上進行；大氣條件下的氧化動力學實驗在SDT-Q600差熱分析儀上進行。七、效益分析按每年生產X噸計算，可獲利約XXXX萬，八、合作方式合作方式采用技術入股或者技術轉讓的形式，價格面談。九、項目具體聯系人及聯系方式項目負責人：丁儉，電話：15122335148，email：[email protected]。十、附件：成果圖片圖11 鎂合金零件產品

河北工業大學 2021-04-11

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