保護(hù)熔煉的惰性氣體
由于氫、氮、氧等氣體的溶解，以及合金液表面氧化，在大氣環(huán)境中熔煉和鑄造，鑄件中容易形成氣孔、氧化夾雜等缺陷，嚴(yán)重?fù)p害鑄件質(zhì)量。防止合金液氧化、吸氣的傳統(tǒng)方法是在熔煉過程中加入熔劑覆蓋熔池表面，熔煉后期脫氧、除渣。但這些方法難免會浸蝕爐襯，縮短坩堝或爐襯的使用壽命，在脫氧的同時，往往又可能產(chǎn)生新的非金屬夾雜物。
一、SPAL和LBI法
該技術(shù)采取的工藝方法大體分為二種類型：
圖1
2、是惰氣擴(kuò)散保護(hù)法LBI——（Laminar Barrier Lnerting），是將惰性氣體通過層狀柵欄擴(kuò)散器，沿水平方向吹出，在熔池表面形成惰性氣簾而保護(hù)合金液，其示意圖見圖2。
圖2
二、裝置和設(shè)備
圖3 盛液態(tài)惰性氣體的高壓密閉容器 圖4 閘閥、球閥和輸氣管道 圖5 液氬或液氮通過噴嘴滴進(jìn)熔池
美國Air Liquid Co.早在20世紀(jì)70年代，就率先研究用惰性氣體覆蓋保護(hù)熔池表面，防止合金液氧化、吸氣的新技術(shù)，并于80年代先后取得法國和美國專利權(quán)。
該技術(shù)采取的工藝方法大體分為二種類型：
1、液態(tài)惰氣保護(hù)法——SPAL(Surface Protection Air Liquide），基體原理是將低溫液態(tài)惰氣氣體（如液氬或液氮）滴在溶池表面，令其迅速氣化并擴(kuò)散，驅(qū)趕熔池上方的空氣，形成惰性氣體屏障以保護(hù)合金液，其示意圖見圖1。
圖1
2、是惰氣擴(kuò)散保護(hù)法LBI——（Laminar Barrier Lnerting），是將惰性氣體通過層狀柵欄擴(kuò)散器，沿水平方向吹出，在熔池表面形成惰性氣簾而保護(hù)合金液，其示意圖見圖2。
圖2
二、裝置和設(shè)備
SPAL工藝的裝置主要包括：高壓儲氣罐(圖3) 、氣體減壓分配系統(tǒng)和噴槍。液態(tài)惰氣通過帶有真空隔熱套管的管道(圖4) 輸送到熔池上方，再通過噴嘴(龍頭)緩慢滴落到熔池表面(圖4和圖5) 。噴槍由一個單向閘閥、一個球閥和噴嘴組成(圖4)，閘閥控制開/關(guān)，球閥控制流量。該裝置使用方便，又不妨礙正常操作。當(dāng)然，最好再配備一支小型便攜式氧氣分析儀,隨時監(jiān)測爐內(nèi)氣氛中的氧含量,以達(dá)到保護(hù)效果最佳而耗氣又最少的目的。
三.經(jīng)過改進(jìn)的SPAL和LBI法
無論SPAL還是LBI都有可能將熔池表面上氧氣濃度降低至≤1.0%（體積分?jǐn)?shù)),從而有效地防止合金液氧化、吸氣。加之方法簡便,無論對大廠還是小廠都很有吸引力。
然而，對于SPAL來說，由于液態(tài)惰氣流出后，短時間內(nèi)不可能在熔池表面均勻地分散開,不但影響覆蓋效果，而且容易聚集在爐壁或爐渣表面的凹陷處，造成爆炸隱患。上世紀(jì)90年代中期，美國Air Products And Chemicals Inc又在傳統(tǒng)SPAL法的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，用一種獨特的噴頭將液氬或液氮噴射成霧狀，形成均勻的圓錐形旋轉(zhuǎn)汽霧，籠罩在熔池上方,這就避免了液氬聚集，不但提高了惰性氣體的利用率，減少耗氣量，也避免了爆炸的危險，被命名為“渦旋旋汽霧法”。其工作原理示意地表示在圖6中，圖7是工作現(xiàn)場照片。
對于LBI法而言，如果熔爐工作臺面上安裝有抽風(fēng)管道或其它除塵設(shè)備，柵欄擴(kuò)散器便無法安裝、使用，于是后來又推出了“旋風(fēng)式”氣體覆蓋系統(tǒng)。其原理是將情性氣體通過一個由耐火材料制成的圓錐或圓柱形圓環(huán)--氣旋環(huán)(圖8) ，向內(nèi)側(cè)沿切線方向吹出，形成一股旋風(fēng) ，覆蓋在熔池表面(圖9)被命名為“旋風(fēng)覆蓋法”。由于旋風(fēng)不象氣簾那樣容易消散，所以，即使熔池上方安裝有通風(fēng)除塵設(shè)備，也能照常操作。圖10和圖11分別是氣旋環(huán)上加蓋和工作現(xiàn)場照片。
四.覆蓋方法的選擇和氣體流量的確定
從原則上說，爐料中含有容易揮發(fā)(如Mg、 Li、Be等)的元素或化學(xué)活性強,或有毒有害元素(如Pb、Be、Cd等)時,宜采用SPAL法。這是因為液態(tài)惰氣氣化的同時可令熔池表面降溫，減少Li、Mg、Be、Cd等合金元素的揮發(fā)和降低其化學(xué)反應(yīng)活性。熔化不銹鋼等鑄鋼，當(dāng)然也可采用這種方法，但從成本和質(zhì)量的角度考慮，還是采用LBI更明智。
要想用最小的情氣消耗量獲得最佳保護(hù)效果，關(guān)鍵在于正確決定惰性氣體的流量。確定惰性氣體流量的主要依據(jù)是熔池表面積，也就是坩堝大小。增加情氣流量固然可以加強覆蓋保護(hù)效果，但倘若氣旋速度過快，反倒會將周圍環(huán)境中的空氣吸入而使氧氣濃度增加。表4-2為不同坩堝尺寸時，適宜的情氣流量，熔爐上方始終都在抽風(fēng)時選上限，時斷時續(xù)抽風(fēng)選下限。如果需要強力抽風(fēng),流量及出氣口尺寸、數(shù)目還應(yīng)適當(dāng)增加，以彌補損耗。出鋼時應(yīng)停止供氣，以免澆注時卷入氣體，尤其當(dāng)鋼液從熔爐直接澆入型殼時更應(yīng)注意這點。
盡管一般認(rèn)為,從保證合金質(zhì)量角度考慮,熔池表面氧氣濃度以控制在≤1.0% (體積分?jǐn)?shù))為佳,但為了進(jìn)一步減少惰氣消耗和避免操作者窒息，某些廠家認(rèn)為采用較低的氣體流量，使合金液表面氧氣濃度保持在10.0 % (50%空氣被排除)即可。不同坩堝尺寸所采用的惰性氣體流量羅列在表1-1和表1-2中)，供參考。
五.應(yīng)用實例
情性氣體保護(hù)熔煉自問世以來，深受許多精鑄廠家青睞。大量試驗和生產(chǎn)實踐證明,使用該技術(shù)后，熔煉過程無需熔劑覆蓋和脫氧，不但非金屬夾雜、氣體和夾渣等鑄造缺陷大為減少，而且，由于合金液純凈度提高，流動性也有所改善，澆不足、冷隔等缺陷也隨之減少。廢料甚至切削也可作為回爐料大量重熔使用。近來，美國Conbraco公司的試驗證實，采用SPAL法后, 100%經(jīng)多次重熔的回爐料，與全新料的力學(xué)性能竟然沒有什么區(qū)別。除此之外，由于不存在熔劑侵蝕問題,這就延長了爐襯或坩堝的壽命。值得一提的是,由于惰性氣體的有效防護(hù)，使得原先在大氣條件下很難熔煉的某些合金，例如Cu-Be、Al-Li-Mg,以及某些鎳基和鉗基合金等，都可以在大氣下熔煉，有利于擴(kuò)展熔模鑄造的應(yīng)用領(lǐng)域。
以下所列為部分應(yīng)用SPAL和LBI取得成功的實例:
- Pine Tree Plan是一個擁有3千萬美元資產(chǎn)，3臺350kW感應(yīng)爐的較大型精鑄廠,可鑄造包括合金鋼、不銹鋼在內(nèi)的大多數(shù)大氣熔煉合金。試驗合金包括常用合金(例如410、440、303, 347, 17-4PH、 D-2、8620、4140、Fe-0.13C等)和特種合金(如CN7M、F-75、CF-8M、CK-20, Fe-0.5A1和Ni、Co基合金,以及Monel等)。結(jié)果表明:疏松、夾渣、非金屬夾雜物、澆不足等鑄造缺陷明顯減少,廢品率下降60%-80%。此外,還可降低澆注溫度，延長坩堝和爐村的使用壽命，鋼中溶解氧氣量減少90%,金屬氧化損耗減少，合金化的效果增強,回爐料允許使用比例增加。
- 美國某精鑄廠采用此法鑄造多種小型磁性合金(8%-12%Al加<1.25% Ti的鐵基合金)精鑄件。坩堝直徑30cm,容量135kg。氬氣流量僅10m3/h，就使熔池表面氧氣體積分?jǐn)?shù)下降到0.6%-1.6%。感應(yīng)爐上沒有安裝抽風(fēng)管道而是通過除塵罩排除煙塵。實踐證明，采用這種方法提高了合金液的流動性和充型能力，金屬收得率提高12%，每公斤爐料消耗惰性氣體成本約6.2美分。
- 美國某廠采用此法熔煉Al-Li-Mg合金，以減輕鋰氧化和揮發(fā),同時,減少氫溶解。熔煉設(shè)備為直徑58cm的帶蓋電阻坩堝爐，氣體流量為2.1kg/min。當(dāng)氣體流量為1.6kg/min時，熔池表面氧氣體積分?jǐn)?shù)即下降至0.1%以下。合金液因氧化產(chǎn)生的浮渣幾乎可以忽略不計， Li 、Mg等元素的利用率接近100%，加入這些元素時產(chǎn)生的刺激性很強的濃煙接近完全消失，徹底避免了合金液燃燒的危險。
- 某母合金生產(chǎn)廠熔煉Fe、Cr和Ni基高溫合金母合金錠。氬氣流量0.45-0.68kg/min時,直徑53cm坩堝上方,氧氣體積分?jǐn)?shù)降低至1%。當(dāng)打開爐蓋上的小口加料或取樣時,爐內(nèi)氧氣濃度才緩慢上升至7%-9%。最大的好處是減少了渣滓和提高了易氧化元素的利用率。
- Franklin Bronze和Alloy Co.,Ind應(yīng)用SPAL專利技術(shù)熔煉鑄造鎳-硼、鎳-鋁、鎳-銅等非真空熔煉鎳基合金和多種銅合金,取得了戲劇性效果。首先,熔煉過程中熔渣和渣滓減少了85%,由于氧化和吸氣減少,合金液流動性提高,鎳基合金澆注溫度降低約38℃,晶粒尺寸減小了27%,鐵基合金澆注溫度下降19℃。允許回爐料的加入量由原先的50%增加到100%。因此SPAL法已被列為該廠的標(biāo)準(zhǔn)工藝方法.
自上世紀(jì)90年代以來，由于推廣應(yīng)用了過濾凈化、惰性氣體保護(hù)熔煉和小型爐預(yù)制錠快速重熔等新技術(shù)，使國外精鑄件的冶金質(zhì)量又提升到一個新水平，而國內(nèi)普遍仍停留在原來水平排徊。其實，此項技術(shù)的原理和方法并不復(fù)雜，有關(guān)介紹和報道，在國內(nèi)公開和內(nèi)部發(fā)行的期刊雜志，以及專業(yè)技術(shù)會議上并不少見。
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