制鎂還原罐的研制

1、制鎂還原罐的研制l24鑄造技術h衄ytechnology.23,no.2mar.2002?信患平臺messageplatform?制鎂還原罐的研制李德臣(沈陽鑄造研究所,遼寧沈陽11oo21)摘要:從音鎂的礦石中提煉空屬鎂的方法已不僅僅是電解法,還有目前廣泛采用的真空還原法(皮江法),但其所用的還原罐壽命短,價格高一直是困擾著國內,國外生產的難題.用研制出新的材料和改革后的鑄造工藝生產出的還原罐.較好地解決了上進問題;井達到國內,國外先進水平.關奠詞:還原罐(蒸餾罐);抗蠕變強度;金屬鎂中圈分類號:tg269文獻標識碼:a文章董號:1000.83652002)0247124474studyon

2、thereductionjarusedformgmakinglidechen(shenyangresearchinstituteoffoundry,shenyang110021,china)abstract:thetechnologyofmemakingfmmstoneeontainingmgcompoundhasnotbeentheexclusiveelectrolysismethodpidgeonmethodisasuccessfulone,howerer,shortlifeandhighcostofthereductionjarusedforthethnologyareshortcomi

3、ngsnownewsteelandsuitablecasttechniquesarecreated.ththeproblemsmentionedabovehaveconsiderablybeensoived.theachievements1ieatthetoprankinchinaevenabroad.keywords:reductionjar(distillationpot);creepstrength;magnesium從白云石等含鎂的礦石中提煉金屬鎂所需的反應容器俗稱還原罐(也稱蒸餾罐),是一端密封的直桶形鑄件:外徑0330370rain,壁厚3335md21,長290o3000rain

4、就其高品質而言,它不是單一的材料成果,也不是單一的新工藝,而是集新材料,冶煉工藝,特種鑄造工藝,焊接工藝綜合成1個整體的高科技高性能產品.作者針對還原罐的使用條件進行多年多次實驗改制,研制出的產品,經使用驗證它已經發(fā)展成為材料與工藝相結合的創(chuàng)新技術產品.材料是基礎,工藝做保證,缺少任何一方面都不能延長還原罐的使用壽命和提高鑄罐廠的經濟效益.實踐證明:目前國內廣泛采用zg35cr24ni7sin鋼生產的還原罐并不經濟合理,現(xiàn)行傳統(tǒng)的離心鑄造工藝既不利于提高還原罐的使用壽命,也不符合金屬抗高溫蠕變的機理.應在改變材質的同時改進還原罐的鑄造工藝+才能獲得較理想的使用效果和降低生產成本.1技術背景和依

5、據第二次世界大戰(zhàn)之前,世界各國生產金屬鎂的工藝方法只有1種電解法.主要原料是菱鎂礦,電解法所需設備投資巨大,工藝復雜.二戰(zhàn)期間由于軍事工業(yè)對鎂合金的需求量劇增,又因含鎂的礦石資源以白收稿日期:20111.1126作者簡介i李搏臣【1937修訂日期:20020129),山東寧津人.高工.云石的儲量晟多而且分布最廣,自1938年起由奧地利,美國開始從白云石中在高溫真空條件下,以碳作還原劑提煉金屬鎂,隨后英國以碳化鈣為還原劑從白云石中提煉金屬鎂,日本也在朝鮮建廠以白云石為原料生產金屬鎂.金屬鎂以其本身的特點(密度174kg/n,是鋁密度的1/2)當與鋁,錳,鋅,鈦,稀土元素制成鎂基合金時,具有高比強

6、(強度與質量之比)的優(yōu)點.也可加入鋁中制成鋁鎂合金,因而在航空工業(yè),原子能工業(yè),汽車,摩托車和電子工業(yè)占有特殊地位,在冶金,鑄造,儀表,煙花,信號,攝影行業(yè)也是所必需的材質二戰(zhàn)以后,各國仍以電解法為主生產金屬鎂,但對從白云石中生產金屬鎂的還原劑作了研究改進.到7o年代采用了以硅鐵合金(含硅75%85%),或硅鈣,硅鋁為還原劑的”硅熱真空還原法”,加拿大皮江(pidgeon)教授對此做出較突出的貢獻,故又稱此工藝為皮江法.中國從1949年以后,主要由幾個大型鋁廠,附帶用電解法生產金屬鎂,到l985年以前年產不過4000多噸,只好從前蘇聯(lián)進口鎂錠,由于中國也是白云石礦藏富有的國家之一,改革開放以來

7、又由于各種工業(yè)對金屬鎂的需求量增大.所以各省,市,縣蓬勃興建了采用硅熱真空還原法生產金屬鎂的中,小型企業(yè).到l998年以前已達到580個.中國金屬鎂的產量達到40000t.停止了進口.這些中,小型鎂廠遍及全國各地與白云石礦山毗鄰的地區(qū),這些鎂廠在生產中所用鑄造技術)2,qo002李德臣:制鎂還原罐的研制?125的反應容器(還原罐)一律是高鉻鎳合金鋼鑄成的,每只罐加工后質量650kg左右,購銷價多數是12000元/只罐,生產罐的成本loo0o元左右,使用壽命通常是兩個月左右.罐的消耗占每噸金屬鎂的成本約25%左右,致使部分鎂廠因利薄或無利可圖而停產.但又被豐富的白云石礦藏所吸引,使一批批新的鎂廠

8、不斷誕生,生產中完全受制于1個問題的兩個方面,即還原罐的價格貴,壽命短這是國內,國外鎂廠所關切而叉無可奈何的難題自皮江法問世以來,各國的鎂廠都是用高含量的鎳和鉻鑄鋼材料制造還原罐,如:加拿大的哈雷鎂廠,罐的材質含鉻15%+鎳35%;美國阿勒巴馬(alabama)冶金公司于1959年在塞爾瑪(selma)建立的鎂廠(年產鎂6400t,還原溫度1170),也是采用高鉻鎳合金鋼罐.日本的古河鎂廠曾試圖避開高鉻鎳合金鋼而把普碳鋼鑄成的罐埋在熔融的玻璃中使用,使本來簡單的生產操作變得復雜化,也未解決貴和短的問題.中國這580多家鎂廠基本上是按某科研院推薦的zg35cr24ni7sin耐熱鑄鋼生產還原罐,

9、罐的使用壽命一般是兩個多月,6o爐次左右.關于壽命短的表現(xiàn),是罐在高溫經一段時間之后,逐漸變癟,不能繼續(xù)裝人原料,其次是罐的表層嚴重氧化脫皮,整個過程約兩個月,是全國鎂廠對罐的消耗量巨大的原因之一.鎂廠規(guī)模大小不等,即使把全國鎂廠都按最小的規(guī)模(6臺爐/廠)核算還原罐的消耗量(6臺爐19只罐5批/年580廠)約32萬只,罐的購銷金額(32萬只12萬元/p,)可達38.4億元.鑒于絕大多數zg30cr24ni7nre鑄鋼還原罐報廢的表現(xiàn)是罐體靠近冷卻端的一段嚴重變形(癟),以致于不能裝料和出料(未發(fā)現(xiàn)由于密集裂紋而報廢).故本課題組從選材f=力求有利于提高抗蠕變強度和高溫持久強度(creepru

10、pturestrength).因此,對照zg3ocr24ni7nre來說,不是增加碳含量而是降低碳含量(碳元素在耐熱鋼中的自擴散常數最大,降低鋼的蠕變強度最大).所以日本住友株式會社2001年的最新科研成果narah4耐熱鋼控制碳含量為0.07%,也不是提高鉻含量,因為升碳和升鉻必然導致鑄態(tài)晶界析出碳化物而損害焊接性能,引發(fā)焊縫裂紋,降低常溫性能.而且這種碳化物在950,3h內即溶解,于高溫持久強度無補:也不是增加鎳的含量,因為鎳在諸原材料中價格最貴,增鎳勢必增加生產成本.不采用稀土元素,雖然它能明顯提高抗氧化能力,但不利于抗蠕變強度.對國內,國外現(xiàn)有的耐熱鋼來說,要求在1加0長時間工作的使用

11、條件,都遠遠超出了任何合金鋼的本能,必須結合冶一鑄生產工藝的調整與互補,才能達到(我們的著眼點)降低罐的生產成本和延長罐的使用壽命的目的.在這種技術觀點和經濟觀點的指導下,取得了降低成本20%-30%和提高罐的使用壽命3o%4o%(由一般6o爐次提高到100爐次)的效果.在實踐的基礎上,總結出全套的生產工藝規(guī)范,對材質命名為耐高溫鑄鋼(hightemperatureresistingcaststee1),代號為htr鑄鋼,并對生產htr鑄鋼還原罐進行了經濟效益核算,具備了擴大生產的技術基礎.2技術保障htr鑄鋼還原罐的生產技術,經生產和應用現(xiàn)場反復驗證表明,其理論是先進的,主要技術參數是正確的

12、,工藝是合理的,是一套成熟的技術.由于共知的原因,該還原罐的生產技術要點,尚不能公開.但是,多數鑄罐廠在基本上運用現(xiàn)有的生產設備條件下或稍加改造,即可生產出優(yōu)質低成本的還原罐.(1)hir耐高溫(1200)鑄鋼的化學成分它跳出了zg30cr24ni7sin傳統(tǒng)框架,以合理的化學成分配伍,使之成為獨有?性和易得性.(2)常溫機械性能抗拉強度o-b>670mpa,屈服強度d380mpa,延伸率812%.(3)高溫(1000)機械性能抗拉強度d35gpa,屈服強度o-s24mpa,延伸率835%.(4)顯微組織:以特殊技術條件的奧氏體為主.(5)還原罐鋼的冶煉工藝規(guī)程.有別于zg30cr24n

13、isin及其他耐熱鋼的冶煉方法.出爐溫度1700,澆注溫度>1600.(6)還原罐鑄造工藝規(guī)程.利用離心鑄造的優(yōu)點,排除不利于抗蠕變強度的結晶因素.(7)還原罐罐體與封頭的焊接工藝規(guī)程.排除應力裂紋缺陷,減少昂貴的焊條消耗.(8)水壓密封檢驗.3市場競爭力(1)按zg30cr24ni7sin鋼中的貴重金屬元素的含量:23%26%cr;7%8.5%ni;0.2%03%n,計算鑄造一個新罐(以700kg鋼液計)需裝人爐中氮化鉻鐵290kg(包括15%的燒損)和鎳板s1,5kg(其他廉價原料不計).按1998年l2月鐵合金的價格,氮化鉻鐵34萬元/t,鎳板9.8萬元/t計,用新料鑄造1個新罐僅

14、此2種原料的成本(290kg34元)+f5l5kgx98)=14907元.而用hrr鋼鑄造1個新罐,由于采用一般鉻鐵,所需鉻鎳原料的成本為1o944元,兩者之差為3963元/只罐.126fol)rytechnology.23no.2maf.20o2(2)zg30cr24n|7sin舊罐回收重熔鑄造1個新罐時,需補加氮化鉻鐵55kg,折合人民幣55kg34元=1870元.回收htr鋼舊罐重熔鑄造1個新罐需補加一般鉻鐵55,折合人民幣55kg13元=715元(重熔兩種罐時其他附加費相同),僅算鉻鐵一項.前者高于后者1155元/只罐(3)zg30cr24ni7sin鋼舊罐回收重熔鑄造新罐的次數越多,

15、新罐的材質偏離標準要求越遠,使罐的常溫韌性下降,高溫持久強度越差.最終表現(xiàn)在罐的使用壽命每況愈下.究其原因之一是重熔舊罐時補加的55含氮鉻鐵所帶入鋼液中的氮量遠不抵熔化鋼液過程舊罐原有氮元素的逸出量.因而不能保證反復重熔鑄制新罐的微觀組織結構的合理化(北方某廠舊罐自數米高落地摔成兩段,可見其常溫韌性之低劣).(4)zg30cr24n7sin鋼還原罐的使用壽命一般兩個月左右,而htr鑄鋼還原罐的使用壽命3個多月,>100爐次,使鑄罐廠和鎂廠雙方受益.4國內還原罐的交易方式對于鎂廠來說,基本上是3種方式并存,買罐.租罐,自制自用.1998年以前,各鎂廠所用的還原罐是從鑄罐廠購買,每只罐的價格

16、基本是12000元,據知鑄罐廠回收舊罐重熔制罐成本為10000元左右,鑄罐廠一般獲利2000元/只罐.但由于有些鑄罐廠產品的使用壽命有時異常短,鎂廠受到損失,所以近幾年來,許多鎂廠采取了租罐的方式,即每只罐每使用1天(24h)付給鑄罐廠6o元,用后的廢罐所有權屬于鑄罐廠,如數返還給鑄罐廠,往返運費各負擔50%.鑄罐廣把廢舊重熔翻新之后再作出租.這種交易方式使用戶不再擔心因罐的品質波動而受損失,很快被鎂廠所接受.這種交易方式對鑄罐廠來說,罐的壽命越長則經濟效益越大.此外,經驗證明某些鎂廠自行生產還原罐,自產自用,可獲得更大的經濟效益5生產htr鑄鋼罐的經濟效益測算和市場展望在580個鎂廠中,最小

17、規(guī)模的鎂廠是設有6臺反射爐,一般有12臺,每爐裝入19只罐.以htr鋼罐生產成本11000元/只計,供應一臺爐用罐需投入生產資金為l9只罐u000元=209萬元.每只罐的使用壽命按100d計,則收入租金為6o元100d19罐=11.4萬元.用舊罐在鑄罐廠重熔制新罐時需補加一般鉻鐵715元,焊條200元及人工水電等800元,總計約2000元.重熔翻新19只罐需支出2000元19只=38000元.全年出租和回收以(保守的)3次輪回計算,一臺爐19只罐的消耗為9209萬元+38萬元2=28.5萬元;回收租金為11.4萬元3=34.2萬元.獲利5.7萬元.尚有19只舊罐的產值權在手.故1年內收回投資還

18、有盈利5.7萬元/臺爐份.從第二年開始,鑄罐廠的消耗支出為3.8萬元x3=11.4萬元,而租金收入(34.2萬元),為其支出的3倍.凈利228萬元/1臺爐份.1個年產300o只罐的鑄罐廠,年獲純利將超過1150萬元.效益十分可觀.全國消耗罐量以最低20萬支計算,仍需近百家具有相當規(guī)模的鑄罐廠來供應.中國的白云石,菱鎂礦,蛇紋石,鎂橄欖石等資源豐富.凡經煅燒后氧化鎂含量超過21%的礦石都有提煉價值.中國和第三世界國家廣泛應用的皮江法是從鎂蒸汽中提煉出結晶鎂,鎂的純度高于電解鎂,比電解法容易達到出口所要求的一級國際標準,且投資和生產成本也低于電解制鎂.國內鎂廠的波動,既由于鎂價較低(比俄羅斯的鎂錠

19、價格低200美元/噸,比國際市場低600700美元/噸),又緣于各鎂廠在出口時自行殺價,引起國際市場對中國采取限價和反傾銷許多鎂廠期望中國加入世貿組織后,在出口貿易上獲得平等競爭的待遇;同時,我國的國防工業(yè)與電子工業(yè)等的需求激增.國內正在生產鎂的企業(yè)會加快步伐,停業(yè)的鎂廠也將東山再起,恢復或擴大生產.可望還原罐的生產供應將會出現(xiàn)美好的前景附國外金屬鎂的生產技術概況(1)生產結晶鎂的原料資源及各主要產鎂國家的分布情況,見表1.表1生產結晶鎂的原料資源及在各主要生產鎂國家的分布情況iab1then.leanddistributingconditiono/megnesium(2)國外生產技術的演變與

20、現(xiàn)狀第1類:電解法生產金屬鎂1853年,德國人,班森(bunsen)用磁坩堝電解無水的氯化鎂,mgcl旦mg+a.鑄造技術/2002李德臣:制鎂還原的研制127?1866年,德國人,布蘭明(bremen)電解光鹵石得金屬鎂,并成立1小工廠.1907年,德國人,法蘭克福(frankfur1)化學工業(yè)公司.將鎂制成鎂鋁合金,鎂鋅合金用于汽車工業(yè).1914年,美國闊爾色斯用氟化鹽+氧化鎂的熔鹽經電解生產鎂,1934年德國i.g燃料公司用菱鎂礦加碳質牯接劑制成團塊,經氯化成為無水氯化鎂,經電解而生產金屬鎂,隨后德國人波義爾(boyer)用錳和鎂制成mgmn合金,使金屬鎂的耐蝕性極大提高,從而擴大了工業(yè)

21、應用.(例如:日本在1965年以前鎂在鈦工業(yè)中應用達總量的50%以上,在球鐵中應用11%以上,擠壓輕合金生產中用鎂18%以上,美國在飛機,導彈工業(yè)中用鎂占總量的20%30%).電解法一直在歐美各國作為大批生產鎂的工藝.第類:熱真空還原法生產金屬鎂.(1)碳熱還原法,以碳作還原劑,在高溫,真空狀態(tài)下,使氧化鎂還原成結晶鎂.這種工藝是1938年奧地利人韓斯吉爾(f.hansgirg)4始的,不久,二次大戰(zhàn)中,奧地利,英,美建廠生產,日本也在朝鮮建廠.其工藝流程:煅燒白云石+海水一氫氧化鎂.經分離再煅燒高純度氧化鎂(96.4%),與粉狀石油焦混合,壓制成團塊,然后在電弧爐中(8000kw)加熱到i9

22、502050還原,生成mg氣和co的混合氣,然后用天然氣迅速冷卻該混合氣,經過濾分離廢氣,得到mg50%+mg030%+c20%的粉末(粒度0.10.6”m),將此粉末混以油,壓成團,經蒸餾爐蒸之,得到結晶鎂但由于冷卻氣體混合物的設備復雜,易爆炸,且氣體反應有2o%可逆性,二戰(zhàn)結束后,此工藝被廢棄.(2)碳化物熱還原法:英國苗里赫公司(murexltd)用碳化鈣還原煅燒的菱鎂礦,或蛇紋石生產結晶鎂,由于cac易潮解,且耗電大,一戰(zhàn)后也不再使用了.(3)金屬熱還原法:有幾種金屬被用作還原劑.用硅鐵作還原劑,叉名皮江真空還原法(是加拿大人ij_m.pidgeon)創(chuàng)始的工藝方法用鋁或硅鋁作還原劑,

23、又名阿馬蒂法.用鋁一硅一鐵或硅鈣或金屬硅作還原劑.這種用金屬還原的工藝流程:白云石煅燒一粉碎一混合壓制成團一真空高溫爐還原竺爐鑄錠線;值生產1噸鎂制作不同還原劑的耗電量,見表2.由表2可見,生產1噸鎂,用于制造還原劑的電耗,以硅鋁為最低,75%硅鐵次之,以生產cac和al耗電最高.裹2生產1噸鎂制作不同還昂劑的耗電tab2makingtheuilgdectricqtltofdiffcrtredungdocilebyproducingolletonmagnum以還原劑的還原能力:鋁(還原劑)比鎂(產量)=l硅筮f1j一上籃一l_133鎂一1.3鎂一0.32.以還原劑耗量比例計:=,=竿,制cac

24、的電耗比制asi大1.34倍比制fesi大1.28倍.結論:以硅鐵或硅鋁作還原劑比較經濟.各類金屬還原劑的還原能力,見表3.裹3各類金屬還原劑的還原能力tab3themducingamityallkindsofmetalreducingdc6age稱成,硅鋁si625.a心65.6鋁硅鐵si22,abo2,f斟54硅鐵(高硅)si718,a129,f程11硅鐵(低硅)si522.fe442硅si9931,35,f創(chuàng)34813可見fes訂5和a1si622合金有較高的反應力.834從出鎂量和電耗(理論703值)上分析.a1s合金比746f鎢j更經濟.近年來.硅熱還原法已成為發(fā)展方向之一,被各國采

25、用并加以改進發(fā)展.美國阿拉巴馬(alabama)冶金公司,于1959年在塞爾馬(selma)建廠生產,6400噸鎂/年.其工藝流程是白云石(1325it1122粒度)經回轉窯煅燒(1100),粉碎至0.075rrlm,與粉碎的fesi和300目的螢石混合后制團再人蒸餾罐(24個/爐).罐長3m,內徑250itlm,厚30mm,由耐熱合金鋼制成,每罐裝料130kg,在6.5pa壓力,1177下進行還原,8h出鎂1819kg(實收率85%),結晶鎂在煤氣爐中熔化后,用耐熱鋼制成的離心泵鑄錠,每塊8k旦,浚廠成為美國原子能工業(yè)所需高純鎂的來源之一.這種硅熱還原法的缺點是:團塊爐料的導熱性極低.在13

26、.1pa氣壓和960l296下,團塊導熱系數僅是750-840j/(?h?),而粘土磚的導熱系數為4.242j/(m2?h?),所以需要長時間加熱才能使料達到高溫,熱能損耗甚大,而且只能間斷生產.故各國在改進以上缺點上下功夫,如日本的古河鎂廠,以重油加熱.加拿大的多米尼昂鎂公司下屬的哈雷鎂廠以電加熱.美國塞爾馬鎂廠以煤氣加熱.以求縮短生產周?128鑄造技術foundrytechnol(xy.23no.1jan2002專利摘編-專割申號:98249024公開號:23弱783金屬液電渣連續(xù)鑄錠和堆焊的裝置本實用新型涉及1種金屬液電渣連續(xù)鑄錠和堆焊的裝置,它包括中頻感應爐,保溫澆注包臺車,化渣坩堝臺

27、車,芯軸上端隨動夾持裝置和抽拉裝置,結晶器,保溫澆注包外的夾層中有感應加熱圈,用于液體金屬電渣堆焊或修復耐磨軋輥一類的軸零件,還可用于連續(xù),半連續(xù)生產高合金鑄錠,比常規(guī)堆焊方法提高效率510倍,比所生產堆焊軋輥壽命提高5倍,比常規(guī)電渣重熔節(jié)電4o%,該裝置設備簡單,易于制造.r_._.?.-毒利晦請?zhí)?98802528公開號:124748;9阻止氧氣與金屬熔液接觸的方法在阻止氧氣與金屬熔液接觸的方法中,金屬熔液流入1個由壁界定的澆注空間并從中排出鑄坯.為了,阻止氧氣與金屬熔液的接觸,從而完全阻止冉氧化,經過壁之間的間隙侵人的和/或壁上粘附的氧氣在形成對金屬熔液無害的化合物的情況下進行化學轉變(

28、奧地利)ii專暈哇事請?zhí)?98806621公開號:261297專利名稱:壓鑄法及其鑄件本發(fā)明的目的是提供1種壓鑄法和采用此壓鑄法獲得的鑄件,該壓鑄法解決了一些問題,諸如在熔融金屬注射進入鑄模空腔時空氣的卷人和熔融金屬澆不足的缺陷,因此能夠有效地生產無缺陷的優(yōu)良鑄件.熔融金屬通過接口管和熔融金屬輸人口從熔融金屬輸送機層流形式流人澆注套筒當所述熔融金屬達到預定高度時,澆注套筒內的活塞頭部向上運動并停止在活塞期.810小時/周期,裝料10013o公斤/罐,出鎂15公斤/罐.哈雷廠鎂的出產率為65%85%,日產2t鎂.存在的問題:反應罐成本高,壽命短,間斷生產.優(yōu)點:爐子簡單,易于操作,雖勞動強度大,仍占主要方法(所用還原罐為crl5%+ni35%耐熱鋼).日本對皮江法的改進:把還原罐放在玻璃的熔體中,每個罐都用耐火磚墻隔開(防止取換罐時玻璃流出),或將臺金鋼罐改成普碳鋼罐.開爐前,將罐放在爐內,上面蓋上玻璃片,加熱后玻璃熔化,浸沒_r罐