新型镁熔体气体保护技术基础研究

摘要

目前，镁合金熔体的高温阻燃保护介质主要是由反应成膜气体SF<,6>和载流气体N<,2>混合而成的保护气体。本文在深入分析镁熔体氧化燃烧与阻燃机制的基础上，围绕现有气体保护成本高、SF6污染环境的问题展开低成本载流气体技术和SF<,6>替代气体基础研究。从阻燃保护原理和保障熔体冶金质量的角度出发，本文在HFCs类气体中优选HFC-125 作替代SF<,6>的重点研究对象；针对外购瓶装N<,2>的高成本问题，提出了将空气中的O<,2>转化为CO<,2>、经济制备N<,2>+CO<,2>载流气体的“在线发生”技术线路。经理论和技术基础研究，获得以下成果： 1) 用HFC-125+N<,2> 与SF<,6>+N<,2>和HFC-152a+N<,2>的对比阻燃保护实验表明： 第一、在常见镁合金熔铸温度范围内，对应不同载流气体流量总存在一个最低HFC-125浓度，当大于此浓度时镁熔体不会燃烧。这个最低浓度值随载流气体流量增大而降低，随温度升高而增大。 第二、HFC-125+N<,2> 气氛可持续为镁熔体提供有效阻燃保护，并且熔体表面搅动不会对保护效果产生实质影响。 第三、以N<,2>为载流气体时，HFC-125能为镁熔体提供有效阻燃保护所需的最低浓度和体积流量与SF<,6>相近，但低于HFC-152a。因此，可以用HFC-125替代SF6。 2) 对HFC-125气氛下不同存在时间的表面膜进行的形态观察、成分检测和厚度估测表明： 第一、HFC-125与镁熔体反应生成由MgF<,2>、无定型C和MgO组成的连续致密复合表面膜，并阐明了保护气体与熔体的交互作用和成膜阻燃机理。 第二、在HFC-125+N<,2>气氛下，MgF<,2>相在膜/气体界面上的生长是表面膜主要生长机制，MgF<,2>相含量增加导致膜不断生长变厚，厚度与成膜时间呈近似对数关系： H<,1>=0.3239ln(t)+2314式中：H<,1>-膜厚度[μm]，t-时间[min]。 第三、发现了在HFC-125+N<,2>保护气氛下，镁熔池表面膜在增厚的过程中会产生小尺度微裂纹，但随即在暴露镁熔体表面形成的保护膜有效抑制了镁熔体的氧化，维持了气氛的阻燃效果；并阐述了其机理。 3) 提出了载流气体“在线发生”的技术线路，并对载流气体“在线发生”涉及的微小、非高速“空气一炭粉”两相流燃烧系统进行了数值模拟和实验验证，取得以下成果： 第一、确定了在线发生系统的“空气过剩系数”、“颗粒大小”、“反应器直径”、“反应区高度”等主要工艺参数对“炭粉—空气”两相流燃烧行为的影响呈下述规律：对产物气体 CO<,2>浓度的影响程度：空气过剩系数>颗粒大小>反应器直径>反应器高度，其中，空气过剩系数的影响规律可表示为：ξ=-18.25α+39.414式中：ξ-产物气体中CO<,2>浓度[vol.％]，α-空气过剩系数对炭粉燃烬程度的影响程度：反应器高度>反应器直径>空气过剩系数>颗粒大小，其中，反应器高度的影响规律可表示为：θ=10<'-6>y<'2>-0.002y+1.1995式中：θ-残留碳浓度[kg/m<'3>]，y-反应器高度[mm]。 第二、在线发生系统工艺参数最优化值：炭粒大小100～250um、反应器高度1000mm、反应器直径200mm、空气过剩系数1.05。 4) 用“在线发生”的载流气体+HFC-125 与瓶装 N<,2>+HFC-125 进行对比实验和检测结果表明： 第一、“在线发生”载流气体+HFC-125 的混合气体可为镁熔体提供持续有效的阻燃保护，其阻燃保护能力比瓶装N<,2>+HFC-125气体稍强；证实了载流气体“在线发生”技术线路的可行性和优越性。 第二、在线发生载流气体+HFC-125的混合气体能为镁熔体提供更佳阻燃保护的机理是：在线发生载流气体中含有大量CO<,2>和微量SO<,2>，强化了 HFC-125 的阻燃效果。 第三、“在线发生”载流气体+HFC-125的气氛下，表面膜厚度与存在时间之间呈近对数关系(如下式)，与N<,2>+HFC-125气氛下的膜相似。 H<,2>=0.3375ln(t)+0.6831式中：H<,2>-膜厚度[μm]，t-时间[min]上述研究工作的成果为环境友好、低成本的镁熔体气体保护技术开发奠定了理论基础和提供了技术原型。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1研究背景

1.1.1引言

1.1.2镁合金的特点及其应用前景

1.1.3制约镁合金规模生产和应用的几大难题

1.2镁熔体高温阻燃保护及其带来的环境问题

1.2.1镁熔体的燃烧倾向和阻燃保护带来环境问题

1.2.2镁熔体阻燃保护技术的现状与发展方向

1.2.3现有氢氟烃气体作SF6替代气体的不足

1.2.4现有载流气体技术的现状与不足

1.3本文的研究目的、内容和技术路线

1.3.1研究目的

1.3.2研究内容

1.3.3技术路线

2高温下镁的氧化燃烧和阻燃机理

2.1高温下镁的氧化燃烧机理

2.1.1镁和氧的基本性质及其化学反应

2.1.2氧化镁表面膜的结构特点

2.1.3镁高温氧化燃烧中的传质形式—挥发(蒸发)

2.1.4镁高温下的氧化动力学及其机理

2.1.5镁高温下与空气中其它介质的反应

2.1.6小结—镁高温氧化燃烧机理

2.2现有镁熔体气体保护技术及其阻燃机理

2.2.1镁熔体阻燃保护的基本思路

2.2.2常用保护气体与镁的反应及其阻燃机理

3 HFC-125+N2的镁熔体保护实验及其机理研究

3.1引言

3.1.1 HFC-125的物理化学性质

3.1.2 HFC-125与其它氢氟烃气体的比较

3.2 HFC-125+N2对镁熔体阻燃保护实验

3.2.1实验设计

3.2.2实验过程

3.2.3试验现象与结果

3.2.4结果分析与讨论

3.3表面膜微观特征检测

3.3.1样品获得及检测项目

3.3.2检测结果

3.3.3结果分析与讨论

3.4本章小结

4载流气体在线发生的理论和关键技术研究

4.1载流气体“在线发生”的理论模型和技术系统

4.1.1理论模型

4.1.2技术系统

4.1.3载流气体“在线发生”核心问题

4.2炭粉着火燃烧的热力学动力学理论分析

4.2.1炭粉着火过程的热力学分析

4.2.2炭粉在空气中的反应动力学

4.3炭粉—空气两相流燃烧过程的数值模拟研究

4.3.1数值模拟中采用的数学模型和求解方法

4.3.2基于正交法的燃烧数值模拟和参数优化

4.3.3单参数对燃烧过程影响的数值模拟研究

4.4载流气体在线发生的实验研究

4.4.1数值模拟参数优化结果的实验验证

4.4.2单参数影响影响数值模拟结果的实验验证

4.5本章小结

5在线生成的载流气体+HFC-125对镁熔体保护实验及其机理研究

5.1在线生成的载流气体+HFC-125对镁熔体保护实验

5.1.1实验概述

5.1.2试验现象与结果

5.1.3结果分析与讨论

5.2表面膜微观特征检测

5.2.1样品获得及检测项目

5.2.2检测结果

5.2.3结果分析与讨论

5.3本章小结

6结论与展望

6.1结论

6.2展望

致 谢

参考文献

附 录