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鎂合金氣體保護熔化澆注及安全技術研究

文檔作者：查吉利		點擊數：	更新時間： 2021年06月21日
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重慶大學
碩士學位論文
鎂合金氣體保護熔化澆注及安全技術研究
姓名：查吉利
申請學位級別：碩士
專業：材料加工工程
指導教師：龍思遠
20050501
重慶大學碩士學位論文中文摘要
I
摘要
鎂合金作為現在最輕的商用金屬結構材料，具有比重輕、高比強度、高比剛
度，減振吸噪能力強、良好的電磁屏蔽能力和鑄造性能等一系列獨特的優點。隨
著我國汽車、摩托車及信息通訊、航空航天、手動工具等產業的迅速發展，鎂合
金的生產應用越來越受到人們的重視。由于95%左右的鎂合金是以壓鑄件的形式進
入應用領域的，由高性能壓鑄機和鎂合金連續熔化澆注爐組成的鎂合金壓鑄單元
也隨著鎂合金應用的日益增長而享有日益增長的市場需求。
由于鎂合金易于氧化燃燒的化學特性，鎂合金氣體保護熔化澆注技術是鎂合
金生產應用的關鍵技術之一，鎂合金氣體保護熔化澆注系統也成為鎂合金壓鑄生
產的關鍵裝備。目前，我國沒有很好掌握相關技術及具備熔爐的生產能力，壓鑄
鎂合金單元所需熔爐主要依賴進口。
本文以形成擁有自主知識產權的鎂合金熔化澆注技術為目標，系統研究氣體
保護壓鑄鎂合金熔化澆注技術，為國產鎂合金熔爐設計和生產奠定理論基礎。
本文在深入研究了鎂合金氧化燃燒機理和爐子的熱平衡理論的基礎上，系統
建立了包括熔體氣體保護、熔化及熔體溫度監控、熔體定位定量澆注、鎂合金錠
料預熱、鎂合金熔體質量控制和安全保障等單元技術理論，為新型氣體保護壓鑄
鎂合金熔化澆注爐的研究和開發奠定了技術基礎。
根據以上的研究結果，重慶碩龍科技有限公司生產了HS 系列氣體保護壓鑄鎂
合金連續熔化澆注爐，部分滿足了我國鎂合金壓鑄生產對鎂合金熔化澆注爐的需
求。用戶使用結果表明：開發的鎂合金熔化澆注裝備能夠為壓鑄生產連續提供冶
金質量滿足要求的鎂合金熔體，與進口熔爐相比，在性能和可靠性相當的前提下，
具有明顯的性價比優勢。
關鍵詞：鎂合金，熔化，澆注，熔爐，氧化，燃燒，熱傳輸
重慶大學碩士學位論文英文摘要
II
ABSTRACT
Magnesium alloys, as the lightest commercialized metallic structural material at
present, have many advantages, such as high specific strength, high specific rigidity and
good casting capability. With the rapid development of automobile, motorbike,
communication, aviation and elelctric tooling industries in China, more and more
attention has been paid to the application of magnesium alloys. Due to the fact that
more than 95% of magnesium alloys are used in the form of die castings, the demand
for die-casting unit consisting of a high performance die caster and a gas shielded
continuous melting and pouring furnace is gowing rapidly.
Due to their chemical active nature, Mg alloys are prone to oxidation and ignition.
Therefore, the technique and equipment of gas protected melting and pouring of Mg
alloys become part of the key techniques and equipments in Mg production and
application. However, the research and development in this field is backward in China,
and the Mg melting and pouring furnaces for die-casting are almost all imported.
Consequently, the present study is devoted to develop a noval gas protected melting and
pouring technique and to establish guide-lines for the design and safety management of
Mg melting and pouring furnace.
To achieve such a goal, the study started with the studies on the oxidation and
ignition mechanism of Mg alloy and heat transfer and temperature control of the furnace.
Then, the principles of unit techniques, such as gas protection, Mg melting and melt
temperature control, furnace positioning and melt metering, ingot preheating, melt
quality control, and furnace operation safety, were studied to lay a sound base for the
design, construction and use of gas shielded Mg melting and pouring furnace for die
casting.
According to the above achievements, the HS series Mg melting and pouring
furnaces for die-casting were design and produced by Chongqing Sino S&amp;amp;T Company
Limited for domestic Mg die casting market. It was proved that supported by the present
theories, the Mg furnaces are capapble of supply to die casters with Mg alloy melt of
high metallurgical quality. Compared with the imported ones, the domestic furnaces
possess significantly specific price and market competence together with the same
safety and quality insurance.
Keywords： Mg alloy, melt, pouring, furnace, oxidation, ignition, heat transfer
重慶大學碩士學位論文1 緒論
1
1 緒論
1.1 引言
資源和環境已成為 21 世紀可持續發展的首要問題。從19 世紀末到20 世紀初，
由于人類文明的飛速發展，金屬材料的消耗與日俱增，一些金屬礦產資源逐漸趨
于枯竭。有些金屬（如銅、鉛、鋅）只能持續幾十年，有些（如鋁、鐵）也只夠
使用一百年到三百年。我國是貧銅的國家，鐵的儲藏量也不是很豐富，鋁土礦的
品質不高，從蘊藏量和品質上講，上面幾種礦產資源我國都不占優勢。世界鎂礦
資源及其豐富，而鎂作為一種輕質工程材料，具有比重輕、高比強度、高比剛度，
以及良好的電磁屏蔽能力、良好的鑄造性能和易于再生利用等一系列獨特的優點，
其潛力尚未充分挖掘出來，開發利用遠不如鋼鐵、銅、鋁等成熟。在很多傳統金
屬礦產趨于枯竭的今天，加速開發鎂金屬材料是社會可持續發展的緊迫任務之一。
鎂是地球上儲量最豐富的輕金屬元素之一，地殼表層的含量為2.3％，鎂在鹽
湖及海洋中的含量也十分巨大。我國是鎂的資源大國，菱鎂礦儲量居世界首位，
約27 億噸，占全球儲量的22.5%[1]。此外，在青海鹽湖還有儲量巨大、我國所獨
有的廉價高品質鎂資源。鎂合金是21 世紀綠色金屬結構材料，具有優越的比性能
和阻尼吸震降噪特性，在汽車、摩托車上的規模應用能減輕產品重量、減震降噪、
降低油耗和排放污染、提高產品動力學性能。
2004 年我國原鎂產量保持快速增長，總產量已達45 萬噸，仍居世界首位，占
全球產量的75%。由于國內還沒有形成鎂加工產業體系，應用領域的開拓更為滯后，
2004 年全國原鎂產量的85%以上作為初級原料低價出口。在國內消費的15%原料中，
只有1.8 萬多噸用于壓鑄件，其余均作為合金制備等普通用途，產業結構極不合
理，屬典型的以犧牲資源和環境為代價的原料出口型工業。因此，利用鎂合金的
諸多優良特性，推動鎂合金在我國交通工具上的應用及產業化，是將我國的鎂合
金資源優勢轉化為產品、技術優勢的必然途徑。
隨著全球經濟一體化進程的加速，降低能源消耗、提高能源利用率、減少環
境污染以及節約地球有限資源是當今人們所面臨的一個十分重要而緊迫的問題。
制造加工業在產品設計時越來越迫切考慮產品的輕量化問題。因此，我國汽車、
摩托車等交通行業的骨干企業，已經結合具體產品或部件制訂出采用鎂合金的新
產品研究開發計劃。
近十余年來，鎂合金的應用領域快速擴展，已經引起了世界各國政府的普遍
重視。美國、德國、日本和澳大利亞等國相繼出臺了各自的鎂研究計劃，將鎂資
重慶大學碩士學位論文1 緒論
2
源作為21 世紀的重要戰略物資，加強了金屬鎂及鎂合金在資源、加工、應用等方
面的研究開發，并著力擴大應用數量和范圍。這些計劃的共同點都是以產業化為
目標，以技術集成為特征，以汽車工業和電子信息工業為主要用戶，由政府組織
協調，以研究單位與生產廠家聯合開發為主要形式。其中，德國推出的MADICA 計
劃最有代表性。該計劃由德國5 所大學、研究所和50 余家企業聯合實施，其目標
是解決模具制造、裝備、加工工藝和表面處理等鎂合金鑄件成形過程的各種關鍵
技術難題，建立一套完整的鎂合金壓鑄及加工的工藝規范。這些計劃的制定與實
施極大地推動了德國鎂合金的開發和在交通上的應用。
鎂合金產品的加工和應用在國際上近幾年剛剛形成需求市場，主要市場在歐
盟、北美、日本和韓國等地區。就鎂合金產品國際市場需求來看，市場容量大、
層次多。世界發達國家和地區的鎂合金產品生產會在我國加入WTO 后會逐步向我
國轉移，現在應是形成鎂合金產品生產應用能力、提升鎂合金產品出口附加值的
最好時機。因此，一項十分緊迫而艱巨的任務擺在我們面前：針對我國交通鎂合
金生產應用技術落后，生產裝備少、能力弱，產品品質低的現狀，從鎂合金在交
通上應用及產業化急需的關鍵共性技術入手，實施科技攻關，盡快形成具有獨立
知識產權的鎂合金應用技術，促進傳統制造業的改造，形成一批新興的高新技術
鎂合金加工產業，加快在交通領域的應用，提高我國產品的國際競爭力，帶動我
國鎂資源優勢向產品和經濟優勢轉化。
1.2 鎂及其合金的基本知識
1.2.1 鎂礦資源
鎂是自然界中分布最廣的元素之一，居第八位，在金屬結構材料中僅次于鋁
和鐵居第三位，約占地殼重量的2.35%，如表1.1 所示。在自然界中菱鎂礦石、白
云石礦、海洋及鹽湖中都含有豐富的鎂資源[3]。
表 1.1 地殼中分布最廣的化學元素的含量[3]
Table 1.1 The content of element on the earth
元 素 含 量（重量%） 元 素 含 量（重量%）
氧 49.13 鈣 3.25
硅 26.00 鈉 2.40
鋁 7.45 鉀 2.35
鐵 4.20 鎂 2.35
菱鎂礦石是碳酸鹽礦物，分子式為MgCO3，理論上含鎂量為26.8%（MgO47.82%，
CO252.18%）。礦物有結晶形與無定型兩種。菱鎂礦幾乎許多國家都有，如中國，
重慶大學碩士學位論文1 緒論
3
前蘇聯、挪威、印度等，世界最大的菱鎂礦礦床位于我國遼寧東南部。
白云石是碳酸鎂與碳酸鈣的復鹽，分子式為MgCO3·CaCO3，理論含鎂量為13.2%
（MgO 21.8%、CaO 30.4%、CO2 48.8%）。天然白云石有結晶型與無定型兩種，分
布最廣，幾乎各國都有。
光鹵石是氯化鎂與氯化鉀的含水復鹽，分子式為KCl·MgCl2·6H2O。理論含鎂
量為8.8%（MgCl234.5%、KCl26.7%、H2O38.8%）。世界上最大的光鹵石礦床在前蘇
聯的烏拉爾和德國的艾利貝區，我國西北鹽湖也有大量光鹵石。
海水和鹽湖水中所含的 MgCl2 經富集，再經過去雜質后，即可作為生產金屬鎂
的原料。自然界中以可溶性狀態存在的鎂鹽數量很大，1 公斤海水中平均含3.8 克
MgCl2，1.7 克MgSO4、0.1 克MgBr2，鹽湖中可溶性鎂鹽比海水濃得多，以美國鹽湖
水為例，其成分為：3.0%MgCl2，14.0%NaCl、9.0%CaCl2、0.2%NaBr。
1.2.2 鎂合金的特點
鎂是實用金屬結構材料中最輕的金屬，具有容易再生的特性，作為取代塑料、
鋁和鐵的新材料受到關注。鎂的加工歷史有近100 年，由于鎂合金落后的保護熔
化澆注技術、原材料品質低下而價格高企，導致鎂合金鑄件易腐蝕且價格高，一
直沒有得到廣泛使用。近十余年來，隨著高純度鎂合金的開發、中國鎂生產成本
的降低、世界能源的日漸減少，鎂又重受青睞。鎂合金具有以下特點[54]：
1) 最輕的商用金屬結構材料。鎂的比重大約是鋁的2/3，是鐵的1/4，是現
有商用金屬結構材料中最輕的金屬。在追求輕量化的行業（如便攜式的器械和汽
車行業）中有很好的前景。
2) 高比性能。鎂合金的比強度要高于鋁合金和鋼/鐵、但略低于比強度最高
的纖維增強塑料;其比剛度與鋁合金和鋼/鐵相當,但卻遠遠高于纖維增強塑料。鎂
的彈性模量較低，約為鋁的60％，鋼的20％，當受同樣外力時，鎂合金結構件能
夠產生較大的彈性變形，因此鎂合金被用于制造飛機起落架輪轂和賽車的輪轂。
3) 電磁波屏蔽性好。鎂合金是非磁性金屬，電磁波屏蔽性能比在塑料上電鍍
屏蔽膜的效果好，因此，使用鎂合金可省去電磁波屏蔽膜的電鍍工序。
4) 良好的鑄造性能：在保持良好的部件結構條件下，鎂合金鑄造制品的壁厚
可以<0.6mm，這是塑膠制品在相同強度條件下無法達到的，就是鋁合金制品也只
能在1.2～1.5mm 范圍內才可與鎂合金制品相媲美。
5) 鑄模生產率高：與鋁合金相比，鎂合金的單位熱含量更低，這意味著它可
在模具內能更快速地凝固。一般地，鎂合金的生產率比鋁合金高出40%～50%，最
高可達壓鑄鋁的2 倍。
6) 尺寸穩定性：在100℃以下，鎂合金可以長時間保持其尺寸的穩定性(事實
上幾乎觀察不到工件尺寸的變化)；不需要退火和消除應力就具有尺寸穩定性是鎂
重慶大學碩士學位論文1 緒論
4
合金的一個很突出的特性,其體積收縮僅為6%，是鑄造金屬中收縮量最低的一種，
冷卻至室溫的線收縮為2%左右；在負載情況下，還具有良好的蠕變強度，這種性
能對制作發動機零件和小型發動機壓鑄件具有重要意義。
7) 機械加工性能好。鎂合金的切削阻力較小，其切削阻力為鋁合金的1/3、
鋼的1/10，所以在機械加工時，切削速度大，切削加工時間短，工具使用壽命長。
8) 抗沖擊性好、耐凹陷性高。和工程塑料相比，鎂合金對沖擊能量吸收性能
好，受到沖擊后，能吸收沖擊能量而不會產生斷裂，由沖撞而引起的凹陷也較小。
因此鎂合金可以替代工程塑料如家電，手機，筆記本電腦上使用。
9) 減振吸噪性能好。由于鎂合金的阻尼系數大，對振動能量的吸收性能好，
使用在驅動和傳動的部件上可減少振動和噪音。
10) 抗蠕變性能好。與工程塑料比，鎂隨著時間和溫度的變化在尺寸上蠕變
少，尺寸精度高。
11) 良好的耐蝕性：在大氣中，鎂具有很好的耐蝕性，比鐵的耐蝕性好。如
高純鎂合金AZ91D 的耐蝕性比低碳鋼要好得多，已超過壓鑄鋁合金A380；另外，
鎂合金中的鈹和鈣可提高其耐蝕性，而鎂合金中的鐵、鈷、鎳、銅、硅的存在卻
大幅度降低了其耐蝕性。
12) 高散熱性：鎂合金具有高的散熱性，很適合現今利用其設計制作元件密
集的電子產品。因為鎂合金的導熱能力是ABS 樹脂的350～400 倍，因此在制作電
子產品外殼或零部件時，應綜合考慮其結構及熱傳導特性，使其充分發揮散熱功
能，將CPU 等電子零部件產生的熱量及時排出。
13) 低熱容量：鎂合金的熱容量比鋁合金小，因此不容易粘燒在模具上，延
長模具壽命。
14) 易于再生利用。鎂合金與塑料不同，它可以簡單地再生使用且不降低其
機械性能，而塑料很難在不降低其機械性能再生使用。鎂合金與其他金屬相比，
熔點低，比熱小，在再生熔解時所消耗的能源是新材料制造所消耗的能源的4%。
另外，鎂合金還具有抗疲勞性、無毒性、無磁性和較低的裂紋傾向性、不易
破裂性等特點，可適合于某些特定領域。
1.3 鎂合金的應用前景
1.3.1 鎂合金在交通工具上的應用
世界交通運輸工具的總趨勢是輕量化，以達到節能降耗、改善動力性能的目
的。選用輕質材料（如鎂、鋁、工程塑料等，如表1.2 所示）代替鋼鐵，是減輕
汽車自質量的有效方法。
若能減少 10%，則其燃油經濟性可提高3～4%；鎂件量達到70 公斤，CO2排放
重慶大學碩士學位論文1 緒論
5
量可以減少10%，而且可以提高其整體動力性能和操作性能；由于鎂合金阻尼大、
減振性能好的特點，用于交通工具的動力、傳動系統和座椅等部件上可以大大降
低振動、提高駕駛舒適性；由于鎂合金抗沖擊性好、耐凹陷性高的特點，用于如
轎車儀表盤等可能在發生事故時受到沖擊而危害駕駛者的部件，可以減少駕駛員
的傷害達到提高安全性的目的[5]～[9]，因此自上個世紀以來，鎂合金在交通工具尤
其是汽車上已經得到了率先利用，而且這種趨勢正在直線增長，如表1.3 和圖1.1
所示[10-12]：
表 1.2 交通工具用結構材料的性能比較[4]
Table 1.2 Properties comparison of structural material for automobile
材料
密 度
g/cm3
彈性模量
GPa
比彈性模量
拉伸強度
Mpa
比拉伸強度
導熱系數
W/MK
減振系數
鋼鐵 7.87 208 24.3 600～1000 76～127 80 10～17
Al 合金 2.7 70 25.9 200～400 74～148 247 2～5
工程塑料 1.5～2.0 15～25 10～12.5 100～120 50～60 20～50 n.a.
Mg 合金1.74 45 25.86 170～300 100～172 157 30～60
鎂合金方向盤
骨架及轉向柱
鎂合金坐椅框架
鎂合金進氣歧管
鎂合金減速箱殼
圖 1.2 汽車上應用的鎂合金件實物圖
Fig.1.2 The magnesium parts of automobile
圖1.1 鎂合金件在汽車上的應用示意圖[5]
Fig.1.1 The used magnesium parts of automobile
重慶大學碩士學位論文1 緒論
6
表1.3 汽車上所用的部分鎂合金零件[5][10]
Table 1.3 The used magnesium parts for automobile
公司名稱零 部 件 名 稱 車 型 合金牌號
離合器、油槽、轉向支柱盤 Ranger
AZ91HP、
AZ91B
四輪驅動系統傳動箱座 Awrostar1994 AD91D
福特
手動排擋箱座 Bronco AD91D
閥蓋、空氣凈化器、手動離合
器座
Corvette AZ91HP
進氣閥蓋 Nor Star V-8 1992 AD91D
離合器踏板、剎車踏板、
轉向盤支柱固定架
“W”Oldsmobile、Pontiac、
Buick
AD91D
通用
儀表盤軸 Grand Prix AM60
驅動系統固定架、油槽 Jeep1993、Viper ?
克萊斯勒
轉向盤支柱固定架 LH midsize1993 ?
奔馳 座椅支架 500SL AM20/50
阿爾法－羅密
歐
各種零件（45Kg） GTV AZ91B
氣缸頭蓋 City Turbo AZ91D
本田
輪轂（單重 5.9kg） Prelude AM60B
豐田轉向盤 Lexus AM60B
各種零部件（53kg） 911 ?
PorsecheAC
輪轂（單重7.44kg） 944 Turbo AZ91D
大眾發動機（14kg） Lupo AMC-SC1（新）
變速箱上下箱體延伸體中型車 ?
長安 方向盤 微車 ?
缸罩 轎車 ?
1.3.2 鎂合金在電子產業中的應用及其發展前景
隨著家電產品往輕薄短小方向發展，以及各種要求零故障的便攜式通迅設備
需求量大增，再加上對電磁相容(EMC)及環?；厥找蟮奶岣?，鎂合金壓鑄業逐漸
被電子業人士看好。過去使用塑料或鋁合金的電子產品，如筆記本電腦、磁盤機、
數碼相機、數碼攝錄機、MD 機、手機等，現已逐步轉用鎂合金材料：例如用鎂鑄
材料制成的筆記本電腦，會更小、更薄、更輕；鎂鑄材料可阻擋電磁輻射，保護
用戶健康。目前許多手機廠商用鎂鑄材料手機外殼替換塑料外殼；用外部處理技
術將鎂鑄材料處理成不同顏色、不同質地的材料，用于高檔電信和電腦產品。目
前日本及歐美有越來越多的廠家開始采用鎂合金制造家電產品機殼。
鎂合金在家電中的應用詳見下表 1.4。
重慶大學碩士學位論文1 緒論
7
表1.4 鎂合金在家電產品的應用實例[53]
Table 1.4 The used magnesium parts of house wiring[53]
廠 家 產 品 上市時間
Absoiu Technologies 多媒體數字公用電話1996
Apple Power Book Duo 1993
Compaq Armada 4100,3500,7400 系列筆記本電腦1998
Ericsson ＣＦ系列ＧＳＭ移動電話 1997
Field Works ＦＷ5000 筆記本電腦 1997
Gateway Solo3100 筆記本電腦1998
Hewlett Packard Omnibook Sojourn 筆記本電腦1998
Husky FC-486 筆記本電腦1995
影碟機、筆記本電腦1987
ＩＢＭ Think Pad710T 筆記本電腦 1993
Rs/6000-n40 筆記本電腦1994
Itronix X-6000 Cross Count 筆記本電腦1995
Lontron Electronik IP Lite，IN Lite 工程筆記本電腦1997
Nokia 2190 PCS-1900，1610 GSM 移動電話1996
Polaroid PDC-2000 數字相機1997
Proxima Ultralight LS1 液晶投影儀1998
Stealth Computer Warrior LR 筆記本電腦1996
Ｐ1000 筆記本電腦1994
Tadpole Technology ALPHAbook1 筆記本電腦 1995
SPARCbook Server 1996
Telxon PTC-1194 筆記本電腦1998
歐
美
Texas Instruments Travelmate 6000 筆記本電腦
Canon CA11 數字攝影機1998
Casjo Ａ-20 掌上型電腦
ＱＶ-70 數字相機
Fuji DS-300，DS-330 數字相機1997/98
IBM(Japan) PS55 T22SX筆記本電腦 1992
Think Pad 系列筆記本電腦1993
Kenwood DMC-G5 MD player 1996
Kyocera Contax RTS III 單眼相機1990
Mitsubishi Pedion 筆記本電腦1997
光碟機1997
NEC MobioNX筆記本電腦 1997
LaVieNX 筆記本電腦1998
Nikon 8·32SE,CF 雙眼望遠鏡1998
Olympus D-220L,320L 數字相機
Ｄ1000 數字錄音機
Ｖ41 筆記本電腦1994
日
本
Panasonic CF-25,CD-35 ,CF-62,CF6 筆記本電腦1997
重慶大學碩士學位論文1 緒論
8
SJ-MJ5,SJ-MJ7 MD player 1997
NV-DDS5,DS7,C1,DJ100 1997
A-D700 數字攝影機1998
Tough Book 27,45,71 筆記本電腦1998
Let’s notemini/S21 筆記本電腦1998
Panasonic
21 寸電視機1998
Ricoh GR-1 相機
Sanyov VPC-X300 數字相機
Sharp MD-SS70 MD player VL-PD1,VL-EF1數字相機 1997/98
Mebius 筆記本電腦, Pc-PJ 筆記本電腦1998
DCR-VX1000，VX9000，DSF-220 數字攝影儀1995-98
MZ-E50 ,MZ-E35 MD player 1996/98
DCR-PC7，CCD-CR1，DSCMD1 數字相機1996/98
DCR-PC10，DCR-PC100 數字相機1997
CCD-TR555 H18 攝影機1997
MDR-F1 立體聲耳機1997
TCD-D100 DAT Walkman 1997
VAIOPCG-505 系列筆記本電腦1997
DNW-A220 攜帶式攝像編輯器1998
Sony
VPL-SC50U 液晶投影機1998
T4700, T4900 筆記本電腦1993
Tecra, Portage 7000 CT 7010 系列筆記本電腦1996/98
Libretto50, Portage 300 筆記本電腦1997
Toshiba
Dynabook SS3000 筆記本電腦1998
日
本
Vicor/JVC GR-DVL, DVX, DVVY 數字攝影機1997/98
1.3.3 鎂合金在國防及航空航天中的應用及前景
因為飛機的重量直接影響到它的機動性能和油耗（如表1.5），而空間站和衛
星的重量決定了對運送工具的要求和運送的花費，所以航空航天要求所用材料的
質地要輕，具有盡可能低的密度。另外，航空航天產品要求材料具有足夠的剛度，
其影響某些部位的振動性能，比如飛機的機翼，很好的減振性能，以及高的熱導
率。
鎂及鎂合金具有許多優于其他常用金屬材料的性能，如高比強度、高比剛度、
好的減振性能、優良的導熱性和導電性、良好的尺寸穩定性和電磁屏蔽性等，使
其在航空航天工業中的具有廣闊的應用前景。適用于飛機、航天器的輕質外殼、
表1.5 重量每減少1 磅所帶來的經濟效益[15]
Table 1.5 The benefit of using magnesium parts
用 途 商用飛機 軍用飛機 航天器材
節省費用 300 美元 3000 美元30000 美元
重慶大學碩士學位論文1 緒論
9
蒙皮、減振系統元件以及其他構件，如圖1.3 所示。
另外，鎂及其合金被廣泛地應用于國防、航空航天產品中。如法國塞德航空
公司超級弗雷隆直升機的鎂合金齒輪箱，鑄件由Mg-Zn-RE-Zr 合金ZE41 制成。加
銀的鎂合金可以使時效強化的Mg-RE-Zr 合金較低的拉伸性能得到顯著提高，在航
空和航天方面已有一系列應用，例如飛機著落輪，齒輪箱蓋和直升機水平旋翼附
件。在輕兵器方面，法國早期生產的MK50 反坦克槍榴彈部分零件采用鎂合金及鋁
合金。未來戰爭要求機動性和快速反應，減輕武器裝備重量是未來武器裝備發展
方向之一，如坦克作戰系統未來乘員在2～3 人，重量(15～20)t，為現役坦克的
1/3，能行駛30 天或1500km 不加油，是現役坦克的3 倍，便于運輸。減輕重量的
途徑除結構設計外，就是部分采用輕合金。法國AMX-13 輕型坦克，AMX-13 裝甲救
護車，采用輕合金缸體、缸蓋；美國M551 謝里登輕型坦克/偵察車，變速箱體為
鋁-鎂合金材料制成。隨著鎂及其合金熔煉及制造技術的不斷提高，在坦克和裝甲
部分結構件、導彈殼體和尾翼等方面將得到廣泛使用[52]。
1.3.4 鎂合金在手持工具上的應用[54]
目前鎂合金在國外手持工具的應用如火如荼，包括各種打蠟機、射釘槍、打
磨機、電鉆、砂帶機、角磨機、割草機、電動剪刀、切割機、沖擊鉆、摩托鋸、
壓力鉆、研磨機、磨砂機等眾多品種。鎂合金為何能在手持工具上具有如此廣泛
的應用，其主要原因有四個方面：其一是鎂合金具有很高的減振性能，在相同載
荷下減振能力是硬鋁的100 倍，因此在手持這對于增強手持工具操作的舒適性，
提高其部件運行的穩定性大有裨益。其二是鎂合金的輕量特性能減輕這些手持工
具的重量，以便于操作、攜帶和運輸。其三是鎂合金具有很好的易鑄造性和尺寸
穩定性，能鑄造出比鋁合金更精密的手持工具部件，以達到減少運行噪音、減少
公差磨損、提高使用壽命的目的。其四是鎂合金具有很好的耐凹陷性能和抗劃傷
圖1.3 美國 B-36 轟炸機用鎂合金的情況（陰影部分）[15]
Fig.1.3 The used magnesium parts of B-36
重慶大學碩士學位論文1 緒論
10
能力，即使長期使用也能歷久常新。因而國外的許多手持工具制造商都把鎂合金
部件作為一大賣點，并在顯著位置標注“Magnesium”字樣，甚至還推出了不少“鎂
合金型”手持工具，同時這些產品的價格比相同型號鋁合金版本的價格要高出許
多。國內只有臺灣目前在生產手持工具的鎂合金部件，主要產品是電鉆和射釘槍
的外殼。
1.3.5 鎂在其它產品上的應用[10]
照明器制造：由于鋁含量超過30%的鎂－鋁合金細粉在燃燒時能發出極明亮的
白光，故鎂的第一個工業用途就是用于照明器、煙火和燃燒彈制造。
冶金：在冶金工業中，鎂的用途很廣：生產球墨鑄鐵時作球化劑用、鋼的冶
煉中用于脫硫、在鋁合金中加入鎂改善強度和抗腐蝕性、在防腐蝕領域中用作犧
牲陽極，等等。
化工：在著名的Grignard 法生產金屬有機化合物中，就必須使用鎂；在潤滑
油中作中和劑用；制氣時用于氬氣和氫氣提純；用于生產氫化硼、氫化鋰和氫化
鈣等。
1.4 鎂合金生產應用中的技術難題
鎂合金具有許多獨特的優點，在眾多行業領域里都有廣闊的應用前景和市場。
但是，也應該看到，鎂合金在我國的規模應用和產業化過程中，也存在著一些制
約因素和技術難題，這些問題的解決與否，將直接影響鎂合金的應用。
1.4.1 鎂合金的熔化澆注技術
鎂合金化學性能活潑，與氧的親和力大，氧化膜不具保護性，在高溫下會產
生激烈的氧化反應，尤其在溫度高于其熔點時，鎂熔體遇氧就會發生激烈燃燒甚
至爆炸。鎂合金的95%以上以鑄件形式進入各應用領域，鑄造工藝就一定需要鎂合
金的熔化及澆注，因此鎂合金高溫熔化澆注技術是鎂合金的生產和應用中首要的
技術難題。
1.4.2 鎂合金的特色加工技術
每一種材料都有自己獨特的性質，都需要針對其材料性質研究開發相應的加
工制造技術和裝備，鎂合金也不例外，比如鎂合金具有熱容低、凝固潛熱小，就
需要在壓鑄過程中快速澆注，高速充型；在低溫（小于250oC）下變形能力差，高
溫（380～500oC）變形能力好，進行大變形量加工就需要在高溫下進行?？傊?
鎂合金的應用中，需要對其特性進行充分認識，開發出適合的、有特色的加工技
術。
1.4.3 機加工過程中的防火與安全問題
機加工是多數鎂合金件制造過程中不可或缺的一道工藝過程，伴隨機加工過
重慶大學碩士學位論文1 緒論
11
程，會產生大量的鎂合金切屑，據有關研究切屑的起燃溫度為535℃，很容易發生
燃燒，因此機加工過程中的防火與安全體系的建立在鎂合金的生產應用中也是一
個至關重要的問題。
1.4.4 使用過程中表面化學腐蝕及裝配導致的電化學腐蝕問題
鎂合金是活潑金屬，極易氧化和發生電化學腐蝕，同時由于其氧化鎂疏松多
孔，顧抗腐蝕能力很低，極大地限制了其應用；另外，鎂合金電極電位比鐵、鋁、
銅、鋅等金屬低，與這些金屬件連接就會不可避免的產生強烈的電化學腐蝕。因
此如何解決鎂合金的上述兩種腐蝕問題是決定鎂合金應用前景的關鍵問題，同時
也是推廣鎂合金應用的關鍵技術之一。
1.5 本文的主要研究內容、技術路線
1.5.1 主要研究內容
如上所述，“熔化澆注技術”是鎂合金生產應用中的技術難題，本文正是針
對此難題，從研究鎂及其合金熔化澆注理論入手，研究開發一種新型的鎂合金熔
化澆注技術和裝備，旨在填補國內鎂合金熔化澆注裝備的空白，力求達到并在某
些性能方面超過國外鎂合金熔化澆注裝備的水平。
① 在研究現有鎂合金熔化澆注機理的基礎上，設計出對鎂合金有良好保護且
能與壓鑄機聯機應用的鎂合金熔爐；
② 鎂合金定量澆注系統的研究；
③ 選材、制造和組裝鎂合金熔化澆注爐；
④ 實驗檢驗熔爐的熔化、保護效果以及與壓鑄機聯機應用效果。
1.5.2 研究方法及技術路線
本研究首先根據鎂合金熔化澆注技術原理，以研制熔化澆注裝備為目標，通
過爐體及其它相應機構結構設計和工作條件控制，實現熔化澆注裝備的開發；然
后研究開發與壓鑄機聯機應用技術，及提高裝置運行可靠性；并通過設備在實驗
室和工業條件下的連續試用中不斷進行改進和完善（如圖1.4 所示）。
1.6 本文主要研究內容的國內外發展現狀與趨勢
1.6.1 熔化技術及澆鑄技術[51]
熔化技術及澆鑄技術主要是防止熔液燃燒，熔液溫度的保持及熔液的清凈化。
防止鎂熔液的燃燒一般采用 SF6 稀釋氣體，但SF6 氣體具有明顯的地球溫室效
應，其使用受到限制，因此提出用其它氣體代替SF6 氣體的方案，有些正在實施。
不管怎樣，SF6 氣體的使用量與熔液溫度、流動等有很大的關系，現狀只能是削減
重慶大學碩士學位論文1 緒論
12
其使用總量。另外熔化鎂的坩堝材質使用鑄鐵或沸騰鋼板，它們在與熔液表面的
接觸部分易受SF6 的腐蝕。
在投入鑄塊原料時由于需熔化熱而使熔液溫度下降，(特別對熱室壓力鑄造小
型設備的小坩堝)。為此，采用雙坩堝，即熔煉爐和保持爐，解決熔液溫度的穩定
性，效果良好，但是，目前一般采取鑄錠小塊化以及提高坩堝熔化能力的措施。
鎂熔液易氧化使其上部生成浮渣，與原料中的錳與鐵等生成化合物，在其下
部形成爐渣而堆積。另外熱室鑄造機壓鑄套管等的鐵磨損同樣會生成爐渣，這些
浮渣和爐渣混入鑄件會產生鑄造缺陷，所以鑄件只能使用不混入上部浮渣和下部
爐渣的中間部分熔液。進一步說，浮渣和爐渣多的熔液，其流動性下降，這又使
薄壁鑄造中的熔液溫度上升，進而使浮渣、爐渣生成量增多，形成惡性循環，因
此浮渣和爐渣的去除是鎂熔液控制的最大著眼點，這些都是因為鎂是活性金屬。
鎂合金熔化澆注技術理論研究
鎂合金熔化澆注技術研
制
熔化澆注技術路線的確定
結 論
現有熔化澆注技術現狀
鎂合金熔化澆注裝備與壓
鑄機聯機應用研究
圖 1.4 本文的技術路線
Fig.1.4 Flow chart of this article
氣體保護技
術及設備
熔化及熔體溫
度監控技術
定位、定量
澆注技術
鎂合金錠
加料技術
鎂合金質量、安全保障技
術及坩鍋、爐體結構設計
鎂合金熔化澆注裝備研制
重慶大學碩士學位論文1 緒論
13
壓力鑄造冷室機的澆鑄要從坩堝倒入套管，由于鎂在大氣中可能會燃燒，所
以一般不用鑄勺澆鑄，而是用手動或自動泵。澆鑄泵可用虹吸式、機械式、氣壓
式、電磁式等多種，但都必須用閥進行熔液量的控制，（這種閥應具有控制的精
確性和工作的可靠性）同時要防止浮渣的附著與堵塞等問題。壓力鑄造熱室機的
壓鑄都是浸在熔液中的，所以不需澆鑄泵。因此鎂的鑄造只要熱室機能滿足其尺
寸要求就盡量選用熱室機鑄造，應注意的是壓鑄裝置部件材料的溶損和磨損問題。
因此要開發不被鎂熔液浸蝕的壓鑄裝置部件材料。
1.6.2 熔化爐[23]
鎂合金坩鍋是一種高溫服役件，長期工作在 700－900°C 的高溫環境下，受到
鎂液的壓力、鎂液的腐蝕、坩鍋內保護氣體的腐蝕和坩鍋外表面熱氧化等作用。
坩堝的形狀有圓桶形、方箱形和茶壺形。在現有技術中，鎂合金熔化坩鍋主要采
用雙層鋼板焊接坩鍋，其工藝方案為以低碳鋼或低碳合金鋼為基體做成坩鍋，然
后在其外面堆焊上一層不銹鋼。該類坩鍋雖然具有較高的高溫強度和抗高溫蠕變
性能。
鎂坩堝爐的熱源可用燃氣、燃油、電阻或電感應加熱。用燃氣或燃油加熱時
升溫速度快，但燃燒產物中的水蒸氣與鎂液接觸會發生爆炸，必須嚴格隔離。電
感應加熱需用冷卻水，一但漏水，會增加發生事故的危險性。電阻加熱比較安全、
可靠，且設備成本低，故得到了廣泛的應用。
圖 1.5 Audi 三室鎂熔化爐示意圖[23]
Fig1.5 Three chamber furnace system of Audi Co. for malting the magnesium[23]
鎂合金熔化爐有單室、雙室和三室爐。單室是熔化、保溫和鎂液出爐都在一
個坩堝內完成。這種單室爐適于非流水生產的砂型鑄造，或小批量壓鑄。雙室爐
是坩堝內有一隔板，把坩堝內的空間隔成兩部分，隔板下部有孔，使兩熔池連通；
650℃
650℃~700℃
700℃
供液室
真空壓鑄
中間室
熔化室
CO2 CO2 爐料
重慶大學碩士學位論文1 緒論
14
也可以采用2 個坩堝，用能加熱的輸液管使兩者連通。雙室爐中的一個熔池(坩堝)
用于熔化鎂錠，向另一熔池(坩堝)提供鎂液，同時起集渣作用。另一個熔池(坩堝)
保溫，并直接向壓鑄機提供鎂液。雙室爐有利于使氧化渣集中于熔化室，使提供
給壓鑄機的鎂液純凈、溫度恒定。
三室爐的熔化室溫度較低(650℃)，向壓鑄機提供鎂液的供液室溫度較高,中
間室的溫度由熔化室一側到供液室一側逐漸升高。熔化室溫度低有利于實現CO2
氣體保護。中間室是密閉的，平衡熔化室和供液室之間的壓差，同時也起到第二
次集渣的作用。供液室與真空壓鑄機相接。圖1.5 是Audi 室鎂熔化爐示意圖。
由供液室向壓鑄機提供鎂液可以使用惰性氣體排代泵、活塞泵、螺桿泵、離
心泵及虹吸管裝置等。關于供液泵、供液附助裝置、供液控制系統等已有許多研
究和專利。加拿大Norsk Hydro 公司改進設計的氣體排代泵克服了以往的泵在兩
次注射之間，供液管內鎂液排空，管內的鎂發生氧化的問題和注射時間滯后的問
題，提高了生產效率和使用的可靠性，連續使用2 個月，無需從爐中提出檢修。
美國Dynarad 公司制造的新型鎂液計量泵不需要在鎂液中設置閥門，從而解決了
鎂液閥易損壞的問題。這種供液裝置能使鎂液始終保持在供液管出口處，處于隨
時注射的狀態。鎂熔化爐的連續自動加料裝置，熔化和向壓鑄機供液過程中的鎂
液溫度、液位監測與控制裝置，氣體保護裝置，整個熔化和注射過程的自動控制
系統等都是研究開發的熱點。
重慶大學碩士學位論文2 鎂在高溫下的氧化燃燒機理
15
2 鎂在高溫下的氧化燃燒機理
金屬氧化的概念有狹義和廣義之分。狹義的氧化僅指金屬與氧氣形成氧化物
的反應，可用以下式2.1 表示。廣義的金屬氧化指金屬與氧氣、以及含硫、碳、
鹵素、氮等氣體介質反應形成金屬化合物的過程。本文研究的是高溫下鎂合金在
空氣中的氧化燃燒，主要涉及的氧化是指與空氣中的氧氣、氮氣及水的反應。
2aM＋bO2＝2MaOb （2.1）
高溫氧化的概念還涉及“高溫”兩個字，高溫是相對的，與金屬材料的熔點
和活性有關。一般而言，金屬在某一溫度下發生明顯的氧化反應，那么這一溫度
對這種金屬材料的氧化而言就屬高溫。鎂及其合金溫度在溫度較低時，氧化速率
不高，大于400oC 時，氧化速率加快；500oC 左右則可觀察到著火現象；時當溫度
超過熔點650oC 時，其氧化速率急劇增加，一遇氧即發生激烈氧化燃燒，如果反應
繼續進行則有發生爆炸的可能。因此，就鎂及其合金而言，400oC 就算高溫了。
本章從以下幾個角度探究鎂及其合金在高溫下的氧化燃燒機理：
① 鎂高溫下與氧的反應
② 鎂在高溫下與其它介質的反應
2.1 鎂高溫下與氧的反應
2.1.1 鎂高溫氧化熱力學與動力學
金屬的高溫氧化過程非常復雜，但對其研究首先要從兩方面入手：熱力學和
動力學，前者的分析可判斷氧化反應的可能性和趨勢，通過后者研究可以確定反
應的速度。
1. 高溫氧化熱力學分析
1）熱力學基本原理[47]－[51]
金屬氧化反應大都發生在恒溫恒壓下，因此涉及體系的熱力學參量有三個：
溫度(T)、壓力(p)和吉布斯自由能(G)，考慮一種金屬與氧的反應，反應式為：
M＋O2＝MO2 （2.2）
根據范特霍夫(Vant Hoff)等溫方程式，反應的吉布斯自由能(G)的變化為：
△G＝△Go+RTlnK （2.3）
其中，K 為反應的平衡常數，并有：
K＝
2
2
M O
MO
α α
α
（2.4）
重慶大學碩士學位論文2 鎂在高溫下的氧化燃燒機理
16
式中，△Go 為所有物質處于標準狀態（對于氣態反應物及生成物是以其分壓為一個
大氣壓時的狀態為其標準狀態；對于液態和固體，則以其在一個大氣壓下的純態
作為標準狀態）時吉布斯自由能的變化（反映不同金屬在氧的分壓為一個大氣壓
時與氧的親和力大?。琑 為氣體常數，T 為絕對溫度，α 為活度，下標M、O2和
MO2 分別代表金屬、氧氣和氧化物。由于M 和MO2 均為固態純物質，它們的活度都
等于1，即M α ＝
MO2 α ＝1，而
O2 α ＝
O2 p ,
O2 p 為氧分壓，故此：
△G＝△Go－RTln
O2 p′ （2.5）
或者進一步，當反應平衡時，△G=0,由式2.5 得△Go＝RTln
O2 p′ ，
O2 p′ 為給定溫度
下反應平衡時的氧分壓或者氧化物的分解壓。將△Go 重新代入2.5 式，得出：
△G＝RTln
2
2
O
O
p
p′
（2.6）
當
O2 p′ ＜
O2 p 時，△G＜0，反應向生成MO2 的方向進行；
當
O2 p′ ＝
O2 p 時，△G＝0，反應處于平衡狀態；
當
O2 p′ ＞
O2 p 時，△G＞0，反應向MO2 分解的方向進行。
由熱力學數據，可以得到反應條件下對應的△Go 或
O2 p′ 的數據值，由式2.5 具
體計算△G 或通過實際氣氛中的氧分壓與該溫度下氧化物的分解壓對比，即可判斷
氧化反應的可能性。一般來說，純金屬熱力學分析結果同時可以說明其發生氧化
的傾向和形成的氧化相的穩定性。而對于合金氧化的情況，熱力學分析只能說明
不同合金元素對于氧親和力的大小，最終形成的穩定的氧化物種類還與合金元素
的含量有關，并且要受動力學的影響。
根據式 2.6 可以計算△G 并判斷一個反應進行的方向、金屬氧化物的穩定性，
也可判斷金屬奪氧的能力強弱，但實際應用時，由于反應的溫度、氣體介質的種
類、氣體分壓等都可能不同，應用熱力學公式計算比較繁瑣。1944 年，埃林厄姆
（Ellingham）繪制了氧化物標準生成自由能與溫度的△Go－T 圖，1948 年理查森
（Richardson）和杰夫斯（Jeffes）在△Go－T 圖上添加了氣體分壓
O2 p 、CO p /
CO2 p 、
H2 p /
HO2 p 三個輔助坐標，構成了埃林厄姆－理查森圖（如圖2.1 所示）。這樣就
可以利用圖解法直接判斷反應的可能性。
2）鎂高溫氧化熱力學分析
鎂與氧發生氧化反應的反應式及其標準生成自由能計算公式（與埃林厄姆－
理查森圖中的曲線相符）如表2.1 所示
重慶大學碩士學位論文2 鎂在高溫下的氧化燃燒機理
17
圖 2.1 一些常見氧化物的埃林厄姆－理查森圖
Fig.2.1 Ellingham－Richardson fig.
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18
表2.1 幾種物質的標準生成自由能△Go 計算方法[3]
Table 2.1 The expressions of △Go
化學反應式 △Go (卡) 適用溫度（K）
2Mg（固）＋O2＝2MgO －288700－5.90TlgT＋67.9T 298～924
2Mg（液）＋O2＝2MgO －290700－0.48TlgT＋53.9T 924～1380
2Mg（氣）＋O2＝2MgO －363200－14.47TlgT＋15.14T 1380～2500
下面計算 Mg 在400oC（673K）、和700 oC（973K）時的標準生成自由能△Go：
（結果見表2.2）
表 2.2 幾種物質的標準生成自由能△Go 值計算
Table 2.1 The calculated result of △Go
化 學 反 應 式 △Go 值溫 度
2Mg（固）＋O2＝2MgO －254232.5 Cal/－1064 KJ 673K/400 oC
2Mg（液）＋O2＝2MgO －239650.9 Cal/－1003 KJ 973K/700 oC
通過上面的計算，幾種物質的標準自由能變化400oC、700oC 時分別為：△Go
MgO＝－
1064 kJ，△Go
MgO＝－1003 kJ，由此可以得到以下熱力學結論：
a.由于△Go
MgO 小于零，因此說明在400oC 和700oC 標準態時， Mg 可能被氧化；
b.由△Go
MgO 數據值可知：Mg 與氧的親和力非常大。
2. 高溫氧化動力學分析
不同的金屬或同一金屬在不同的溫度下，其遵循的氧化規律不同。氧化規律
是將氧化增重或氧化膜厚度隨時間的變化用數字式表達的一種形式。而氧化速度
則是單位時間內氧化增重或氧化膜厚度的變化?？偨Y眾多的金屬和合金的氧化規
律，它們基本可分為直線規律、拋物線規律、立方規律、對數規律、反對數規律
五類。
實驗觀察顯示鎂氧化速率與溫度關系密切，溫度較低時，氧化速率不高；溫
度大于400oC 時，氧化速率加快，氧化膜的破裂、片狀剝落和粉化開始發生；500oC
左右則可觀察到著火現象；時當溫度超過熔點650oC 時，其氧化速率急劇增加，一
遇氧即發生激烈氧化燃燒?！?1〕
實際測量的結果與觀察結果相符，鎂的氧化動力曲線隨溫度區間不同而變化：
在小于 100oC 時為對數，數學模型為 1 2 y = k ln(t + c ) + c 、 Aexp( By)
dt
dy = ? ；200～
300oC為拋物線，數學模型為 y2 = 2kt、
y
k
dt
dy = ；300～500oC 為拋物－直線，即開
重慶大學碩士學位論文2 鎂在高溫下的氧化燃燒機理
19
始服從拋物線規律，數學模型為 y2 = 2kt、
y
k
dt
dy = ，后來服從直線規律，數學模
型為y＝kt、k
dt
dy = ；500～600oC 為直線（A－2），數學模型為y＝kt、k
dt
dy = ，即是
氧化速率為常數，與時間無關；可以推斷在溫度當溫度超過熔點650oC 時，其氧化
動力曲線為斜率更大的直線。（如圖 2.2 和表2.3 所示）
表 2.3 不同溫度下Mg 和Ca 的氧化動力曲線[54][55]
Table 2.3 The dynamical curve of magnesium in different temperature
溫 度 oC
金屬
＜100 100～200 200～300 300～400 400～500 500～600 ＞650
Mg 對數拋物線 拋物線－直線 直線 （直線）
Ca 對數拋物線－直線 直線
金屬氧化時，其氧化速度（動力學速度）決定于下列三個機制：a.金屬－氧
化物的界面反應；b.反應所需的金屬離子、電子及氧通過氧化膜的擴散；c.氧化
物－氧的界面反應。高溫下鎂的氧化服從直線規律的解釋是：第二個因素－反應
所需的金屬離子、電子及氧通過氧化膜的擴散非?？?，而反應界面的反應速度卻
相對較慢，界面反應就成為氧化反應速度的控制因素；因為Mg 的原子半徑為
0.162nm，離子Mg2+半徑為0.065nm；O 的原子半徑為0.060nm，離子半徑為
0.140nm[53]，顯然Mg2+向氧化物－氧的界面擴散較之O 離子向金屬－氧化物的界面
的擴散明顯容易。因此可以到一個結論，即在鎂高溫下控制氧化的主要機制是：
氧化物－氧的界面反應。
圖 2.2 鎂氧化動力曲線示意圖[54][55]
Fig.2.2 The dynamical curve of magnesium
mg/cm-2
△W
503oC
526oC
551oC
0 t/h
575oC
直線
>650oC
△W
0 t
<100oC
200~300oC
對數
拋物線
重慶大學碩士學位論文2 鎂在高溫下的氧化燃燒機理
20
2.1.2 鎂在高溫下的的蒸發（揮發）傾向
鎂在高溫下的的蒸發（揮發）傾向是一個與其高溫氧化密切相關的重要的特
性。鎂在不同溫度下的飽和蒸氣壓(如表2.4 所示)直接反應了其蒸發（揮發）傾
向的大小，從表2.4 中可以看出，鎂的飽和蒸氣壓在熔化前不大，熔化溫度時為
2.63mmHg，已經有一定幅度的增長，溫度超過熔點后則急劇增高，在1107 oC 時達
到了一個大氣壓。
為了使得認識更加清晰，表 2.5 給出了Al 和Na 的相關數據以進行比較。從
表2.5 中可以看到，Al 的飽和蒸氣壓很小，達到1mmHg 的溫度為1179 oC，而Mg
和Na 則分別為602 oC、429 oC，這也從一個角度解釋了這三種金屬在高溫氧化時的
不同狀況。
表 2.4 Mg 在不同溫度下的飽和蒸氣壓[3]（給定溫度）
Table 2.4 The vapor pressure of magnesium （given temperature）
溫度/oC 327 427 527 627 651 727 827 927 1027 1107
mmHg
-1.04
×10-5
-7.04
×10-5 0.148 1.66 2.63 8.71 39.8 134.9 407.4 760
PMg
KPa -0.14 -0.94 0.02 0.222 0.352 1.162 5.31. 17.99 54.32 101.33
表 2.5 Mg、Al、Na 在不同溫度下的飽和蒸氣壓 [3]（給定溫度）
Table 2.5 The vapor pressure of Mg、Al、Na（given vapor pressure）
溫度/oC 289 355 429 510 550 602 701 723 892 1123 1179
PAl /mmHg 0.1 1
PMg /mmHg 0.1 1 10 100
PNa /mmHg 0.01 0.1 1 10 100
鎂在高溫下具有很強的揮發（蒸發）性，尤其是在達到熔點處于熔融狀態后，
鎂在高溫下向空氣擴散遷移的速度和濃度大大增加，再加之生成的氧化鎂膜不具
保護性，不能阻止這種擴散遷移，使得氧化反應得以不斷進行。
2.1.3 氧化鎂膜的結構特點
金屬氧化過程中，如果表面形成生長緩慢、致密并且穩定的氧化膜，那么這
層氧化膜就可以隔離氣體介質從而避免金屬進一步氧化。一般而言，氧化膜的生
長速度主要由帶電粒子的擴散速度決定，而帶電粒子的擴散速度與氧化物的晶體
結構和缺陷密切相關。因此，研究金屬的氧化就必須研究其氧化膜的結構和特點，
包括氧化物的物理性質、晶體結構、氧化物的缺陷。
氧化鎂的基本物理性質與抗氧化性能相關的包括：熔點、揮發性（蒸氣壓）、
氧化物與金屬的體積比（與氧化物與金屬的體積比）、氧化物的晶體結構、氧化
重慶大學碩士學位論文2 鎂在高溫下的氧化燃燒機理
21
物的缺陷等。前面三個性質可以用于判斷氧化物固相的高溫穩定性，后面兩個性
質將直接影響離子（如Mg2+和氧）在氧化物中的擴散傳質性質。
1. 氧化鎂的熔點
金屬氧化物的熔點，是其高溫穩定性的一個重要判據。的大多數的金屬氧化
物的熔點都比金屬的熔點高。但也有少數例外，如果金屬氧化物的熔點都比金屬
的熔點低，那么在低于金屬熔點而高于氧化物熔點的溫度下氧化，金屬表面就會
產生液態氧化物，很顯然這樣的氧化物不能起到保護作用，因此氧化會很嚴重。
Mg 的熔點為650oC，MgO 的熔點則為2800 oC，是常用的耐火材料，因此不會
有上述問題[56]。
2. 氧化鎂的揮發性
任何固相和液相物質在一定的溫度下都有一定的的蒸氣壓，也即都有一定的
揮發（蒸發）性。金屬氧化物也是如此，當固態的金屬氧化物蒸氣壓低于該溫度
下的飽和蒸氣壓，就會發生揮發（蒸發）。如果在金屬的氧化溫度下，其氧化物
具有明顯的揮發性，則會將金屬直接暴露于氧化介質中，氧化會迅速進行。
根據金屬氧化物的飽和蒸氣壓的大小，也可以判斷氧化物的揮發（蒸發）性
大小。氧化鎂發生揮發（蒸發）時，如下式：
MgO2（固）＝MgO2（氣） （2.7）
體系的自由能變化為：△G＝RTln
蒸氣
蒸氣
p
p′
（2.8）
式中， p'蒸氣為平衡時的蒸氣壓（飽和蒸氣壓）。蒸氣壓與溫度的關系可由克拉佩
龍（Clapeyron）關系式得出：
( ) 氣 固 T V V
H
V
S
dT
dp o o
?
Δ
=
Δ
Δ
= （2.9）
式中：V 為1mol 氧化物的體積，ΔSo 為式2.7 的標準熵變，ΔHo 為標準焓變。1mol
固體的體積V 固遠小于氣體的摩爾體積V 氣，忽略不計。同時將1mol 蒸氣視為理想
氣體，滿足氣體方程：PV 氣=RT，代入上式并積分得：
c
RT
p H
o
+
Δ
ln = ? （2.10）
式中，c 為積分常數。由式2.10 得：氧化物揮發（蒸發）時的標準焓變愈大則蒸
氣壓愈小，即氧化物愈穩定；蒸氣壓隨溫度升高而增大，也即氧化物的穩定性隨
溫度升高而下降。查化學手冊知：MgO 的ΔH o＝－134 KJ/mol[56]，所以可以認為
MgO 不具有揮發性。
3. 氧化物與金屬的體積比
重慶大學碩士學位論文2 鎂在高溫下的氧化燃燒機理
22
氧化物與形成時消耗的金屬的體積比（Pilling-Bedworth Ratio,簡稱PBR）
是判斷氧化物膜完整性的一個重要判據，早在1923 年，Pilling-Bedworth 指出：
保持氧化膜完整性的必要條件是所生成的氧化物的體積必須大于所消耗的金屬的
體積。
鎂氧化時如式 2.17，可得氧化物的生產量ΔWMgO 和金屬的消耗量ΔWMg 的比值關
系如式2.11（式中AMg為Mg 的摩爾質量，AMgO為MgO 的摩爾質量，a 為一個MgO 分
子中含金屬原子的個數）。依據定義，PBR 可以表達為：
PBR＝
Mg MgO
MgO Mg
Mg Mg
MgO Mg O
Mg
MgO
aA
A
W
W
V
V
ρ
ρ
ρ
ρ
=
Δ
Δ
=
/
/
（2.11）
由上式可以可到 MgO 的PBR 值為0.81[47]（致密度系數α＝0.79[21]）。
一般認為具有保護性能的氧化物的 PBR 值在1～2 之間；PBR＞2，氧化膜內部
受較大的壓應力，極易破裂，不具保護能力；PBR 值小于1，氧化膜內部存在較大
的張應力，同樣容易發生破裂，不具保護性。
氧化鎂膜就是這種情況的典型，不具有保護性，因此高溫下 Mg 的氧化嚴重。
4. 氧化鎂的晶體結構及其缺陷
金屬氧化形成的氧化膜具有離子晶體結構，這種結構通常有離子導電性及某
種程度的電子導電性，尤其在高溫。同時，根據許多研究者的大量研究，普遍認
為金屬在發生高溫氧化時，通過氧化膜擴散的是金屬離子、自由電子和接受了這
些自由電子而離子化的氧離子。因此研究氧化物的晶體結構及其缺陷就顯得特別
重要。
MgO 的晶體結構為NaCl 型，是由氧離子和鎂離子各自構成的面心立方格子相
對位移1/2 個基矢套構而構成的，也可以看作氧離子構成面心立方，而半徑較小
的金屬離子位于氧八面體間隙中[47]。
如果氧化物的這種晶體結構是完整的，那么離子的擴散移動就會相當困難，
金屬的進一步氧化就會被阻礙。但是，包括MgO 在內實際存在的金屬氧化物都有
晶格缺陷，正因為有這些晶格缺陷，使氧化反應所需的金屬離子、自由電子和接
受了這些自由電子而離子化的氧離子通過氧化膜成為可能。根據氧化物的缺陷和
導電情況，可以分為離子導體型和半導體型。半導體型有n－型半導體和p－型半
導體兩種類型，前者以電子為占優的載流子，后者以電子空穴為占優的載流子；
前者n－型半導體可依據氧化物中金屬離子和氧離子比相對過?；虿蛔愕那闆r，分
為金屬過剩型（M1+δO）和金屬不足型（M1－δO）。
MgO 的晶格屬于半導體型的n－型半導體[47][57]，并且屬于金屬過剩型，即MgO
晶體中存在多余的Mg2+，以間隙離子的形式存在于其中，為了保持電中性，同時還
重慶大學碩士學位論文2 鎂在高溫下的氧化燃燒機理
23
存在與間隙離子平衡的負電子。在一定的激活能下（比如加熱），金屬離子Mg2+
和電子將從該間隙通過其它間隙而擴散。高溫氧化時，間隙離子Mg2+和間隙電子e
－向MgO/O2界面遷移，并吸收O2生成MgO，這樣的結果是在MgO/O2界面方向上MgO
增長（如圖2.3 所示）。
2.1.4 小結
根據以上對鎂高溫氧化下的熱力學與動力學、鎂的揮發（蒸發）性、氧化鎂
膜的結構特點三個方面的分析，可以達到以下的結論：
① 通過鎂氧化的熱力學分析可知，鎂與氧的親和力氧的親和力很大，非常容
易與氧發生氧化反應；
② 通過鎂氧化的動力學分析可知，在溫度大于 500oC 時，鎂氧化反應服從動
力學直線規律，控制氧化的主要機制是氧化物－氧的界面反應；
③ 鎂在高溫下具有較高的飽和蒸氣壓，揮發（蒸發）性很強，尤其是在達到
熔點處于熔融狀態后，因此鎂在高溫下向空氣擴散遷移的速度和濃度大大增加，
成為鎂高溫氧化的一個重要因素；
④ 鎂氧化后形成的氧化鎂膜在高溫下的具有較好的固相穩定性，但是氧化鎂
晶格具有金屬過剩的n－型半導體缺陷，且其PBR＝0.81＜1（致密度系數α＝
0.79[21]），沒有保護性，使得金屬離子Mg2+和電子的不斷擴散移動并參與氧化成為
可能。
2.1.5 鎂高溫氧化機理的研究
鎂在高溫下（＞500oC）的氧化服從直線規律，在熔點以上更是與氧激烈反應
并燃燒。對于這種現象可以從以下幾點進行分析和解釋：
鎂與氧的化學親和強，氧化時是放熱反應（與一克原子氧相化合時，放出143
卡熱）；鎂被氧化形成的氧化鎂膜晶格具有金屬過剩的n－型半導體缺陷，且其
O2
Mg
Mg＝Mg2+＋2e－
Mg2+＋2e－＋
2
1
O2＝MgO
MgO 膜Mg2+ 2e－
圖 2.3 Mg 氧化時Mg2+和e－的擴散機理示意圖
Fig.2.3 The diffuseess of Mg2+and e－ in MgO
重慶大學碩士學位論文2 鎂在高溫下的氧化燃燒機理
24
PBR＝0.81＜1（致密度α＝0.79），非常疏松，沒有保護性，不能阻止反應物質
的通過，使得金屬離子Mg2+和電子得以不間斷地擴散移動并參與氧化，氧化反應也
就得以不斷進行；當反應溫度高于鎂的熔點650oC 后，一方面鎂通過疏松的氧化鎂
膜大量揮發（蒸發），一方面氧化反應的速度和強度大大增強，產生激烈的燃燒
并放出大量的熱，再加之氧化鎂絕熱性很好，使反應界面所產生的熱不能迅速向
外散發，進而提高了界面上的溫度，這樣惡性循環，勢必進一步加速鎂的氧化，
燃燒反應更加激烈。反應界面的溫度亦越來越高，甚至可達2850℃，遠高于鎂的
沸點（1107℃），引起鎂熔體大量揮發汽化，形成災難性的反應。（如下圖所示）
2.2 鎂高溫下與空氣中其它介質的反應
鎂在空氣中的氧化，除了發生鎂－氧反應外，還會發生鎂－水、鎂－氮氣反
應。在一般情況下，鎂－氧反應是主要矛盾，當然也不排出在個別具體情況下，
鎂－水、鎂－氮氣反應成為主要矛盾，因此對其進行一定的了解是必要的。
2.2.1 鎂和水的作用
鎂無論是處于固態還是液態均能與水發生反應，其反應方程式見（2.12）、
（2.13）式。在室溫下，反應速度緩慢，隨著溫度升高，反應速度加快，并且Mg(OH)2
會分解為水及MgO，高溫時只發生（式2.12）式反應。在相同條件下，鎂與水之
間的反應，要比鎂與氧之間的反應更激烈。
Mg＋H2O＝MgO＋H2↑＋Q （2.12）
Mg＋2H2O＝Mg(OH)2＋H2↑＋Q （2.13）
當熔融鎂與水接觸時，不僅因生成 MgO 放出大量的熱，而且反應產物氫與周
圍大氣中的氧迅速作用生成水，水又受熱急劇汽化膨脹，結果導致猛烈的爆炸，
引起鎂熔體的劇烈燃燒與飛濺。所以，在工業上熔煉鎂合金時，與熔體相接觸的
爐料、工具、熔劑等均應干燥。
鎂與水的反應也是鎂熔體中氫的主要來源，它與鎂合金鑄件的主要缺陷——
圖2.4 鋁和鎂高溫氧化比較示意圖
Fig.2.4 The high temperature Oxidation of Mg and Al
致密的Al2O3-氧化膜
Al(高溫)
空氣
疏松、無保護性
的 MgO－氧化膜
Mg（高溫）
Mg2+ 擴
散蒸發
激烈氧化燃燒
重慶大學碩士學位論文2 鎂在高溫下的氧化燃燒機理
25
縮松的產生有密切聯系。
2.2.2 鎂與氮氣的作用
鎂與氮氣發生(式2.14)的反應，其在高溫溫下比較劇烈。不過此反應比Mg-O2、
Mg-H2O 反應要緩慢得多，而且Mg-O2、Mg-H2O 會優先進行，因此在高溫下氮氣對鎂
而言基本上可算一種無害的氣體。Mg3N2 系粉狀化合物，不能阻止式2.24 的反應繼
續進行，同時Mg3N2 膜亦不能防止鎂的蒸發，所以氮氣不能防止鎂熔體的氧化、燃
燒。
3Mg＋N2＝Mg3N2 （2.14）
2.3 本章結語
以上分析探討了高溫下鎂與空氣中氧、氮、水的反應機理，鎂的合金中加入
了各種合金元素，其高溫下在空氣中的氧化現象和機理雖和純鎂有所差異，但是
大體上是相同或相似的（加入了阻燃元素的鎂合金除外）。
重慶大學碩士學位論文 3 爐子的熱平衡
26
3 爐子的熱平衡
按照熱量傳遞過程的進行形式，可將熱量的傳遞方式分為三種基本類型：傳
導傳熱、對流傳熱和輻射換熱。工程實際中遇到的熱量傳輸現象通常是這三種基
本熱量傳輸方式的組合，爐體也不例外。
熱量傳導也簡稱導熱或熱傳導，它是指物體內部不同溫度的各部分之間或不
同溫度的‘密切’接觸物體之間發生的熱量傳輸現象。從微觀角度看，導熱是依
靠構成物體的微粒（如分子、原子或自由電子）的熱運動而進行的能量轉移過程。
對流傳熱是指流體伴隨各部分之間發生相對位移而發生的熱量傳輸現象。因
此，對流傳熱總是發生在流體內部，并與流動密不可分。根據引起流體流動的原
因不同，可將對流傳熱分為自然對流傳熱和強制對流傳熱。因流體密度隨溫度改
變引起的流體流動傳熱稱為自然對流傳熱，而伴隨外力強制流動產生的熱量傳輸
過程稱為強制對流傳熱。
輻射傳熱是指物體通過向外發射和吸收外來電磁波而進行的傳熱形式。和導
熱和對流傳熱相比，輻射傳熱的一個顯著特點是既不需要傳熱物體間的接觸、也
不需要熱量傳輸介質，即使在真空中熱量傳輸也可以進行。輻射傳熱的另一個顯
著特點是傳熱過程中不僅產生能量的轉移，還可伴隨能量形式的編號。另外，有
一定溫度的物體在不斷向外發射熱輻射的同時，也不斷吸收其他受熱物體發出的
熱輻射。因此，輻射傳熱的三個顯著特點是輻射傳熱體系中一個物體的熱能變化
實際上是其向外發射的輻射和吸收外來的輻射的能量之差。當輻射傳熱體系中一
個物體向外發射的輻射熱量和吸收外來的輻射熱量相當時，輻射體系內部處于一
種動態平衡。
3.1 熱量傳輸的基本概念[36]
3.1.1 溫度場
溫度是物體的熱狀態參量，是傳熱過程的驅動力，是表征傳熱過程的基本物
理量，討論傳熱現象時，須首先了解物體內部的溫度分布，即溫度場。由于溫度
是標量，所以溫度場是一標量場。一般地講，隨熱量傳遞過程的進行，傳熱體系
中物體的溫度分布是坐標和時間的函數。
設物體上任一點 N 在直角坐標中的坐標為x，y 和z；在柱坐標中的坐標為r，
? 和z，在球坐標系的坐標為r，? 和φ；并用τ表示時間，則物體各點在同一時
間τ的溫度分布為t，即溫度場可用函數表示為：
重慶大學碩士學位論文 3 爐子的熱平衡
27
(3.1)
上面三式依次分別表示直角坐標系、圓柱坐標系和球坐標系中的三維非穩定
溫度場（或稱不定常溫度場），這時，物體內部溫度分布隨空間和時間的變化而
改變。非穩態溫度場內的傳熱過程叫非穩態傳熱。
在傳熱過程中，傳熱體系中物體各點溫度雖然不同，但各點溫度不隨傳熱過
程進行而變化，只是坐標的函數，這時溫度場函數為：
（3.2）
溫度場中同一時刻溫度相同的點構成等溫面，在任一二維截面上，等溫面（三維
曲面）就表現為等溫線，通常采用等溫線圖或等溫面圖的方法來直觀描述二維、
三維溫度場中的溫度分布狀態。
3.1.2 溫度梯度
等溫線（面）圖從整體上描述了二維或三維溫度場的情況，但是要準確描述
溫度場的局部形態，必須引入方向導數和溫度梯度。
由場論可知，溫度場在點 M，沿l 方向的方向導數為
（3.3）
它說明了溫度場中 M 點的溫度在某一確定方向l 上的變化率（單位長度上溫度的
變化率）。只要 l 不沿 M 點所屬等溫面（或線）切向（這時，?t / ?l = 0），隨所
指方向的變化率（方向導數）最大的方向的值等于該方向上的方向導數的向量。
溫度梯度沿等溫線的法向，指向溫度增高的一面，用gradt 表示：
（3.4）
在直角坐標系中，溫度梯度可表示為：
→ → →
?
?
+
?
?
+
?
?
= k
y
j t
y
i t
x
gradt t （3.5）
由矢量代數可知，溫度場中 M 點的溫度梯度是M 點沿三個坐標軸方向的方向導數
的和矢量，它表明了溫度在空間的M 點上的最大變化率，只有當物體或體系內存
在溫度梯度，熱量才能在溫差驅動下進行傳遞。可見，溫度梯度是熱量傳遞的基
本條件。
??
??
?
=
=
=
( , , , )
( , , , )
( , , , )
? φ τ
? τ
τ
t f r
t f r z
t f x y z
??
??
?
=
?
?
=
0
( , , )
τ
t
t f x y z
l
t
MM
t M t M
l
t
M M l
m Δ
Δ
=
?
= ?
?
?
??
?
?
?
→ ' Δ →0
lim
'
lim ( ') ( )
t'
n
gradt t ≡ ?
?
?
≡
重慶大學碩士學位論文 3 爐子的熱平衡
28
3.1.3 熱流密度、熱流量
傳熱學中將單位時間內通過某一給定面積 F 的熱定義為熱量，記為Q，熱流密
度q 是指單位時間通過單位面積的熱量，Q 與q 之間有如下關系：
F
q = Q （W/m2） （3.6）
由熱流密度定義可知，在所研究的傳熱過程中（延續時間為τ ），通過面積F 傳遞
的熱量ΣQ 為：
Σ = ∫ ∫
τ
τ
0 F
Q qdFd （W） （3.7）
若傳熱過程為穩態（溫度分布與時間無關），且 q 垂直于F，并在F 上處處相等，
則上式可簡化為：
ΣQ = q ? t ? F = Q? t （3.8）
3.1.4 熱阻
在穩定傳熱時，不論哪一種傳熱形式的熱通量總是與傳熱體系的溫差ΔT 成正
比，即：
T R
Q t t t Δ
=
Δ
= Δ =
(1/κ )
κ （3.9）
式中，κ 為比例常數，被稱為傳熱系數（W /m2 ? k ）；RT 為熱阻，其量綱為
（m2 ? K /W ）。傳熱系數和熱阻與傳熱方式、傳熱系統的穩定或溫差有密切的關
系。3.9 式的物理意義是：傳熱中熱流 Q 與溫差ΔT 成正比，與熱阻成反比。在傳
熱過程中，溫差是傳熱的驅動力，在溫差一定時傳熱效果取決與傳熱系統的熱阻，
熱阻越小，系統傳輸的熱量越多。
3.2 穩定態傳導傳熱[55]
3.2.1 平壁導熱
若已知平壁兩側的溫度，則 n 層平壁傳導傳熱的熱流量：
n n
n
n
F F F
Q t t
λ
δ
λ
δ
λ
δ
+ + +
?
= +
L
2 2
2
1 1
1
1 1
平壁（W） （3.10）
式中 1 δ 、n δ 2Lδ ——各層壁的厚度，m；
1 λ
、n
λ λ2L ——各層壁在其平均溫度下的熱導率，W/（m·℃）；
t1、t2?tn+1——平壁兩側的溫度，℃；
重慶大學碩士學位論文 3 爐子的熱平衡
29
F1、F2?Fn——各層壁的平均導熱面積，按各層壁兩側面積的算術平均值計
算，m2；
1、2、3?n——各層壁的序號。
設沿熱流方向第 x 層和（x+1）層間界面溫度為tx+1，則
( )
2 2
2
1 1
1
1 1
x x
x
x F F F
t t Q
λ
δ
λ
δ
λ
δ
= ? + + + + L （℃） （3.11）
3.2.2 圓筒壁導熱
n 層圓筒壁傳導傳熱的熱流量：
n
n
n
n
d
d
d
d
d
d
Q t t L
1
2
3
1 2
2
1
1 1
1 lg 1 lg 1 lg
2.729( )
+
+
+ + +
?
=
λ λ λ
L
圓筒（W） （3.12A）
式中 L——圓筒長度，m；
d1、d2?dn+1——圓筒內外兩側表面的直徑，m。
為了簡化計算，上式可轉化為：
n n
n
n
n
d d d
Q t t L
λ
δ
?
λ
δ
?
λ
δ
?
π
+ + +
?
= +
L
2 2
2
2
1 1
1
1
1 1 ( )
圓筒（W） （3.12B）
式中 d ——各層的平均直徑，例如
2
1 2
1
d d d
+
=
1 ?
、n ? 2L? ——各層的補正系數，它的計算式為：
內
外
內
外
內
外
d
d
d
d
d
d
ln
2( 1)
1
?
+
? = (3.13)
圓筒壁的各層交界面溫度：
( )
2 2
2
2
1 1
1
1 1 1
x x
x
x x L d d d
Q
t t
λ
δ
?
λ
δ
?
λ
δ
?
π
= ? + + + + L 圓筒（℃） （3.14）
圓拱壁是圓筒壁的一部分，它的熱流量為：
360
θ
圓拱 圓筒 Q ＝Q (W) (3.15)
式中θ ——為圓拱的中心角，（o）。
重慶大學碩士學位論文 3 爐子的熱平衡
30
3.3 對流給熱[55]
3.3.1 對流給熱量的一般計算式
Q α (t t )Fτ 1 2 = ? （J） （3.16）
式中 α——對流給熱系數，W/(m2·℃)；
t1——給熱體溫度，℃；
t2——受熱體溫度，℃；
F——給熱表面積，m2；
τ——給熱時間，s。
對流給熱系數受很多因素的影響，其計算關系式通常是實驗公式，目前一般
用相似特征數的函數表示，對于穩定熱態，它是：
Nu = f (Re,Pr,Gr)
Nu 稱為努塞爾數；Re 稱為雷諾數；Pr 稱為普朗特數；Gr 稱為格拉斯荷夫數。
分別是
λ
α 0 L
Nu =
ν
ω Re 0
L =
a
ν
Pr =
2
3 *
0
ν
gL β t Gr
Δ
=
式中 α——對流給熱系數，W/(m2·℃)；
ω——流體的流速，m/s；
ν——流體的運動粘度，m2/s；
a ——流體的熱擴散率，m2/s；
λ——流體的熱導系數，W/(m·℃)；
β *——流體的體脹率，對于氣體
+ t
=
273
β * 1 ，
K
1 ，t 取定性溫度；
Δt——流體和固體表面之間的溫差，℃；
g——重力加速度，9.81m/s2；
0 L ——用來計算特征數的尺寸，稱為定性尺寸，m；
在特定條件下，可以把特征數公式簡化，得到便于計算的簡化公式，但應用
時應該注意適用條件。
重慶大學碩士學位論文 3 爐子的熱平衡
31
3.3.2 在無限空間中的自然對流給熱
1. 流體沿固體表面自然對流給熱
例如車間內靜止空氣中爐子表面的對流散熱，蒸氣和熱風管道外表面的對流
散熱。它的特征數關系式是：
Nu ＝K(Gr Pr)n 邊 (3.17)
式中系數K 和指數n 的數值見表3.1，下角“邊”表示定性溫度，采取邊界層的平
均溫度，即：
( )
2
1
邊 固 流 t = t ＋t （℃） (3.18)
式中固 t ——固體表面溫度；
流 t ——流體的溫度。
該式適用于任何流體及任何形狀和尺寸的固體。定性尺寸按固體形式確定，對于
圓球圓管線和柱體，取其直徑；對于豎壁或豎立短柱體取參與傳熱的高度；對于
橫板，取最短的邊長。
表 3.1 系數 K 和指數n 的數值
Table 3.1 The value of K and n
(GrPr)邊K n
1×10-4～1×10-3 0.50 0
1×10-3～5×102 1.18 1/8
5×102～2×107 0.54 1/4
2×107～1×1013 0.135 1/3
2. 氣體沿平板和圓管表面自然對流給熱
用平板(0.5m×0.5m)和圓管(φ0.09m×0.5m)作實驗，在壁面溫度27～109℃
范圍內得出如下實驗式：
α = CΔt 0.25 〔W/(m2·℃)〕 (3.19)
式中 C——實驗系數。對于垂直面C＝2.56，水平向上散熱表面C＝3.26，水平
向下散熱表面C＝1.75；
Δt——氣體與壁面溫差，℃。
3.3.3 在有限空間中的自然對流給熱
在存在流體的封閉有限空間中，例如磚砌體內的封閉間隙，若兩固體表面溫
度不同，則其中流體自然循環流動，因此溫度高的表面向溫度低的表面傳熱，熱
流強度為：
固
當q = Δt
δ
λ
(W/m2) (3.20)
重慶大學碩士學位論文 3 爐子的熱平衡
32
式中當 λ ——流體層（間隙）的當量熱導系數，W/(m·℃)
δ ——流體層的厚度，m；
Δt固 ——兩固體表面的溫差，℃。
在(GrPr)流>103條件下
λ當＝0.18λ流(GrPr)流
0.25 〔W/(m·℃)〕 (3.21)
式中λ流為流體的熱導系數，W/(m·℃)。該式適用于任何形式的間隙，如垂直或
水平的直縫、環縫等。計算特征數時，以流體溫度取兩固體表面溫度的算術平均
值為定性溫度，以流體層的厚度為定性尺寸。
3.3.4 在管道中的強制紊流時的給熱
1.流動狀態和Re 數計算
流體在光滑直管中流動狀態用 Re 數判斷。通常認為：當Re<2300 時，為層流
狀態；當2300<104時，為過渡流狀態；當Re>104時，為紊流狀態。
流體雷諾數的計算式為：
ν
ωd Re =
冶金爐計算中，經常涉及氣體 Re 數計算。氣體的動粘度隨溫度升高而增大。
設與其絕對溫度的n 次方成正比，因此上式可轉化為便于工程運算的近似關系式：
n
t t
t t
= d = 0d + 1? Re (1 β )
ν
ω
ν
ω
(3.22)
式中 t——氣體的溫度，℃；
β——氣體膨脹系數，等于 1/273℃-1；
ωt,ω0——氣體在t℃和0℃時的流速，m/s。
0 ,ν ν
t ——氣體在t℃和0℃時的動粘度，m2/s.對于空氣0 ν 為1.396×10-5 m2/s，
對于燃料完全燃燒的煙氣(含11％H2O) 0 ν 為1.22×10-5 m2/s；
n——統計常數，對于空氣其值約為1.66，對于煙氣約為1.73，其它氣體
的n 約為1.7。
2.液體在管道中紊流流動時的給熱
溫度低于沸點的液體，在光滑管中紊流時(Re>104):
L t R Nu = 0.023Re0.8 Pr1/ 3 k k k (3.23)
該式以流體的平均溫度為定性溫度，圓管以其直徑作為定性尺寸。對于非圓
形截面管道，采取當量直徑，它等于四倍管道截面積除以周長。
式中 kL 為管道長度補正系數，當管道長度與其直徑之比L/d≥50 時，kL＝1；
kt為考慮到熱流方向對給熱系數影響的補正系數：
重慶大學碩士學位論文 3 爐子的熱平衡
33
壁
邊
μ
μ
= t k (3.24)
式中壁 μ ——流體在壁平均溫度下的粘度，Pa·s；
壁 μ ——流體在邊界層平均溫度下的粘度，Pa·s；
公式(3-23)中kR為考慮到管道彎曲度對給熱系數影響的系數
R
k d R = 1+1.77 (3.25)
上式中d 為管內徑，R 為彎曲管（U 型管或蛇形管等）的曲率半徑。
3.氣體在管道中紊流時的給熱
氣體在光滑管中紊流時：
L t R Nu = 0.023Re0.8 Pr 0.4 k k ' k (3.26)
上式以氣體的平均溫度為定性溫度，管內徑或當量直徑為定性尺寸。kL為管道長度
補正系數。k 't為考慮到熱流方向對給熱系數影響的補正系數，氣體冷卻時k 't＝1，
氣體加熱（管壁溫度高于氣體溫度）時按下式計算：
0.5
'
? ?
?
?
? ?
?
?
=
壁
氣
T
T
kt
其中 T 氣、T 壁為氣體和管壁的平均溫度，K。
kR見公式（3.25）。
氣體的 Pr 數隨溫度變化不大，上式可簡化為便于工程計算的近似式。對于
空氣，Pr≈0.72。
4.流體在套管環縫中呈紊流流動時與內管外壁間的對流給熱系數按下式計算：
0.53
1
0.02Re0.8 Pr1/ 3 ( 2 )
d
Nu = d (3.27)
上式適用于1200030 的條件下：
4.5 0.014(Re Pr )0.8 流 流 流 Nu = + (3.31)
式中定性尺寸取管道的當量內徑，m；定性溫度取流體的平均溫度，℃。金屬熔體
的溫度分布和熱流方向實際上對給熱系數沒有影響。
若 L/d<30，由上式所得的給熱系數須乘以校正系數：
0.16
72 . 1 ?
?
?
??
= ?
L
d
L ε
金屬熔體和空氣接觸時發生氧化，金屬氧化物沉積在加熱面上，嚴重地降低
給熱系數。對氧化的不銹鋼管，應用下式：
3.0 0.014(Re Pr )0.8 流 流 Nu = +
3.3.7 流體橫向流過單管時的給熱
流體橫向流過單管時：
在 0.1<103時>3×105或5×105
0.0365Re0.8 Pr1/ 3 L L Nu = (3.35)
定性溫度 t＝(t 壁+t 氣)/2
ReL中的ω均按氣體平均溫度計。
3.4 輻射傳熱[55]
3.4.1 物體的熱輻射
1. 固體的熱輻射
1) 絕對黑體熱輻射及
4
100
??
?
??
? T 的值
絕對黑體是理想物體，其輻射能力：
4
0 0 100
??
?
??
E = C ? T (W/m2) (3.36)
式中 T——絕對黑體的內壁溫度，K；
C0——絕對黑體的輻射系數，C0＝5.67W/(m2·K4)。
2) 灰體熱輻射及其黑度
實際物體熱輻射都是灰體熱輻射。固、液體物質的熱輻射是全波譜(即波長從
零到無窮大)的連續輻射，輻射能力為
4 4
0 0 100 100
??
?
???
=
??
?
??
E = εE = εC ? T C T (W/m2) (3.37)
式中 C——灰體的輻射系數，C＝εC0 W/(m2·K4)。
ε——灰體的黑度。
固、液物體熱輻射是表面輻射，其黑度取決于物體表層的成分、狀態和溫度，
由實驗測定。
2.氣體的熱輻射及其黑度
通常條件下，氮、氫、氧等同種元素的雙原子氣體及其混合物（如干燥空氣）
沒有輻射能力，也不吸收輻射能。水蒸氣、CO2、SO2、CO、NH3、碳氫氣體等具有輻
重慶大學碩士學位論文 3 爐子的熱平衡
36
射能力，稱為熱輻射性氣體。
不含固體微粒煙氣的黑度，等于各輻射性氣體黑度的和，即：
CO H O SO CO ε ? ε + βε +ε +ε
煙 2 2 2 (3.38)
式中
CO2 ε ——CO2的黑度； H2O
ε ——H2O 的黑度；
SO2 ε ——SO2的黑度； CO ε ——CO 的黑度；
β——水蒸氣分壓的補正系數。
氣體的黑度取決于氣體的成分、分壓（含量）、溫度和氣層的有效厚度。氣
層的有效厚度又稱氣體輻射的有效射線長度，可按下式計算：
F
l = 3.6V (3.39)
式中 V——氣體的容積，m3；
F——包圍氣體的表面積，m2；
3.4.2 封閉體系內固體表面間的輻射熱交換
1. 兩固體表面
由兩個灰體表面構成的封閉體系，在中間不存在吸收性介質時的輻射熱流量：
2 21
4
2
4
1
100 100
? F T T C Q ?
?
?
?
? ?
?
?
??
?
??
? ? ?
?
?
??
= ? 導 (W) (3.40A)
導來輻射系數：
21
2
12
1
1 1 1 1 1
5.67
?
ε
?
ε ? ?
?
?
? ??
?
? + + ? ?
?
?
? ??
?
?
= 導C 〔W/(m2·K4)〕 (3.40B)
式中 T1，T2——表面1 及2 的絕對溫度，K；
ε1，ε2——表面1 及2 的絕對黑度；
12 21 ? ,? ——表面1對2及表面2對1的角度系數；
F2——受熱表面積，m2；
2.存在隔板時兩平面間的輻射熱交換
有 1 與2 兩個互相平行的板面，中間是a、b、c、?、n 塊彼此平行的隔板，
則1 至2 的輻射傳熱削弱。存在隔板的輻射熱流：
F T T C Q ?
?
?
?
? ?
?
?
??
?
??
? ? ?
?
?
??
= ?
4
2
4
1
100 100 導 (W) (3.41A)
1 2
1 1 1 1
1
a ab bc n C C C C
C
+ + + +
=
L
導〔W/(m2·K4)〕 (3.41B)
式中 C1a、Cab、Cbc、?、Cn2為相應兩平行面的導來輻射系數。
重慶大學碩士學位論文 3 爐子的熱平衡
37
3.4.3 氣體對固體表面的輻射熱交換
氣體對通道表面的輻射傳熱
壁
氣 壁
‘
氣
氣
導－ F
T T
C Q ?
?
?
?
? ?
?
?
??
?
??
?
??
?
??
?
=
4 4
ε 100 100
ε
(W) (3.42A)
1 1 1
5.67
+ ?
壁
‘
氣
導＝
ε ε
C 〔W/(m2·K4)〕 (3.42B)
式中ε氣，ε氣
‘為氣體在自身溫度和壁面溫度下的黑度；
3.4.4 平均溫度
1.物料表面平均溫度
低溫爐中物料溫度變化不大時，采取算術平均值，即：
1/ 2( ) 料 料始 料終 t ＝ t + t (℃) (3.43A)
在連續加熱爐內物料表面溫度按拋物線規律變化時：
2 / 3( ) 料 料始 料終 料始 t ＝t + t ? t (℃) (3.43B)
在高溫室狀爐內物料始末溫度變化大時，取溫度四次方的平均值，即：
? ?
?
?
? ?
?
?
? ??
?
? ??
?
+ ? ?
?
?
? ??
?
? ??
?
? ??
? 4 4 4
2 100 100
1
100
料 料始 料終 ＝
T T T
(K4) (3.43C)
2. 爐氣的平均溫度
低溫爐或裝置中氣體溫度變化不大時，取算術平均值：
1/2( ) 氣 氣始 氣終 t ＝ t +t (℃) (3.44A)
連續式爐或熱交換裝置中，氣體溫度按指數函數規律顯著變化時，取對數平
均值：
料
氣終 料
氣始 料
氣始 氣終
氣
－
－
＝ t
t t
t t
t t
t +
+
2.3lg
(℃) (3.44B)
其中t 料為物料的平均溫度。
高溫室狀爐中，若物料溫度不隨爐長變化，只隨時間變化，則一定時間階段
內氣體平均溫度取幾何平均值：
氣 氣始 氣終 T ＝ T T (K) (3.44C)
式中 T 氣始——氣體的開始溫度，取氣體進入爐或裝置后的最高溫度，K；
T 氣終——氣體的終了溫度，取氣體離開爐或裝置時的溫度，K。
3.4.5 輻射給熱系數
輻射傳熱往往和對流傳熱同時存在，為了便于綜合兩種傳熱，通常借用對流
重慶大學碩士學位論文 3 爐子的熱平衡
38
傳熱的一般關系式的形式表達輻射傳熱，即輻射熱流：
Q (t t )F 1 2 ? 輻 輻 ＝α (W) (3.45A)
因此，輻射給熱系數
t t F
Q
( ) 1 2 ?
= 輻
輻α 〔W/(m2·℃)〕 (3.45B)
式中 t1,t2——給熱體和受熱體的溫度，℃；
F——傳熱面積，m2。
對于氣體通道，如公式(3-54)。
3.5 爐子熱平衡計算
爐子的各項熱收入之和等于各項熱支出之和，即：
Σ Σ 收入 支出 Q ＝ Q (kJ/h) (3.48)
進行爐子熱平衡計算時，首先應根據爐子熱工作的具體情況，確定爐子的熱
收入和熱支出項目。對于本研究設計的電阻爐，其熱收入項目有：
① 電能轉變的熱；
② 物料帶入的物理熱。
其熱支出項目有：
① 出爐物料帶走的熱；
② 吸熱反應及脫水消耗的熱；
③ 出爐煙氣帶走的熱；
④ 通過爐壁的散熱損失；
⑤ 通過爐底的散熱損失；
⑥ 通過爐門爐孔的散熱損失；
⑦ 爐子的蓄熱損失；
⑧ 伸出爐外導體的散熱。
公式(式3.48)中通常只有電能消耗是未知數，因此，逐項計算了各種熱收入
和熱支出以后，即可由該式確定電能消耗。
3.6 本章結語
以上分析討論了爐子的傳熱及熱平衡計算，通過對爐子傳熱及熱平衡計算，
確定爐子的能量消耗，從而確定爐子的加熱方式以及耐火材料的選擇。
重慶大學碩士學位論文4 新型氣體保護鎂合金熔化澆注技術及裝備研究開發
39
4 新型氣體保護鎂合金熔化澆注技術及裝備研究開發
在深入研究國外成熟壓鑄鎂合金熔化澆注技術和裝備的基礎上，以鎂合金熔
化澆注工藝要求為基本準則，在滿足：
① 鎂合金熔體防氧化保護要求；
② 壓鑄工藝質量對熔爐熔化能力、熔體純凈度、澆注溫度、熔體供給量、澆
口定位的要求；
③ 鎂合金壓鑄生產對熔爐澆注工序安全生產的要求；
④ 鎂合金壓鑄生產對經濟效益的要求。
的前提下，在充分尊重國外鎂合金熔化澆注系統中擁有的知識產權，針對國內汽
摩鎂合金壓鑄件的生產需求，開發新型、經濟的氣體保護冷室壓鑄鎂合金熔化澆
注技術系統及裝備。
圖 4.1 給出了本研究開發的壓鑄鎂合金熔化澆注技術和裝備的工作原理框圖。
如圖所示，根據壓鑄鎂合金熔化澆注功能，本研究將其劃分為五部分進行研
究和設計，即：
① 熔體氣體保護技術及設備設計
加熱元件
澆口定位裝置
主控 制 單 元
氣體混合
液位檢測 熔體溫度
壓鑄機
定量澆注
過熱監測
加熱控制
熔池
保護氣氛
N2
SF6
加料控制
坩鍋
爐殼
鎂錠預熱 人工或機械加料
加料系統 控
溫
系
統
氣體保護系統
漏鎂監測
質
量
安
全
保
障
澆
注
系
統
圖 4.1 壓鑄鎂合金熔化澆注技術和裝備的工作原理示意圖
Fig 4.1 The working principle of technique and equipment of Mg melting and pouring
重慶大學碩士學位論文4 新型氣體保護鎂合金熔化澆注技術及裝備研究開發
40
② 熔化及熔體溫度監控技術研究及設計
③ 熔體定位、定量澆注技術研究和設計
④ 鎂合金錠加料技術及設計
⑤ 鎂合金質量、安全保障技術及坩鍋、爐體結構設計
下面分別匯報各個功能模塊的研究與開發設計。
4.1 鎂合金熔體氣體保護技術及設備設計
4.1.1 現有保護氣體的阻燃機理[10][20][21][26][35]
由于鎂合金在高溫下極易發生氧化燃燒，必須提供有效的阻燃保護?，F有的
阻燃保護技術中，熔劑法和合金化法因其固有缺點的限制，未能得到大規模使用，
短期內在技術上加以改進和突破并得以大規模應用的可能性較小，尤其在占鎂合
金生產90%的壓鑄領域，很難涉足。氣體保護法是目前規模生產中廣泛應用的保
護方法，其保護效果好、不污染鎂熔體、熔化中鎂熔體損耗少等優點是其它方法
無法比擬的，因此本文采用氣體保護方法。
氣體保護法就是將惰性氣體或能與鎂熔體反應生成致密保護膜的保護氣體引
向鎂熔池表面，達到隔絕空氣，防止鎂合金熔體持續氧化燃燒的一種方法。氣體
保護法是現今應用范圍最廣的保護方法，廣泛應用于鎂合金的液態成形、重熔靜
置以及熱處理；幾乎全部占領了鎂合金壓鑄領域。通常工業或實驗室用的保護氣
體有：惰性氣體或按一定比例混合到載流氣體（N2,干燥空氣）中的反應性氣體，
如：Ar、SF6、SO2、CO2 等。其各自的保護機理如下：
1) 惰性氣體
氬氣等惰性氣體不與鎂發生反應，他們是通過稀釋和隔離鎂周圍的空氣，從
而達到阻止鎂合金熔體氧化燃燒的目的。
用于鎂熔體保護時，由于沒有在熔池表面形成保護膜，不能阻止鎂的持續蒸
發，故保護效果非常有限。因此，惰性氣體一般只在一些特殊的場合（如熱處理）
被用作輔助性保護氣體，作為例外，德國的Aachen 大學和Volkswagen 公司聯合
開發的全密閉鎂合金熔煉和壓鑄成套設備中用純Ar 氣代替SF6 混合氣體進行保護。
值得注意的是，在這樣的全密閉設備中，當溫度大于熔點時，由于鎂的蒸氣
壓大的緣故，鎂會大量蒸發，并以極細粉的形式沉積在設備中的裸露內表面，高
溫下若出現意外等突發事件使設備的密閉狀態受到破壞，空氣進入設備內部與這
些極細的鎂粉以及密閉空間的大量鎂蒸氣接觸，會產生激烈的爆炸性的反應，有
產生爆炸的危險。
2) 二氧化碳
二氧化碳是一種反應性的保護氣體，在高溫下與鎂合金、尤其是鎂合金熔體
重慶大學碩士學位論文4 新型氣體保護鎂合金熔化澆注技術及裝備研究開發
41
發生如下反應(式4.1)：
Mg（L）＋
2
1 CO2＝MgO＋
2
1 C（無定型） （4.1）
反應生成了 MgO 和無定型碳，無定型碳存在于MgO 膜間隙中，將氧化膜的致
密度α提高到1.03～1.15（通常認為，α＞1 時，氧化膜是致密的，具有隔離和保
護作用）；同時帶正電的無定型碳強烈地抑制鎂離子（Mg2＋）透過表面膜的擴散蒸
發，達到阻燃保護效果[1]，如下圖所示。由圖3.1 看出，鎂在純CO2（干燥）中的
氧化速率較小。
實驗表明，700℃以下時，鎂熔體在干燥的CO2 氣氛中表面形成晶瑩的有金屬
光澤的薄膜，此膜具有一定的塑性，保護效果較好；隨著溫度的升高，表面膜逐
漸變厚、變硬，致密度逐漸降低，隨后發生開裂，同時無定型碳也不能有效沉積，
表面膜的防護作用大為減弱，鎂開始燃燒。此外，當CO2 中混有空氣或水汽時，CO2
氣體的防護性將下降。
通常，在實際應用當中 CO2 多與其它保護氣體混合使用，若單獨使用CO2的作
為保護氣體，其使用溫度一般也不超過700℃。有報道稱德國Audi 公司正在試驗
將CO2 單獨作為保護氣體，用于全密閉鎂合金熔煉爐[16]。
3) 六氟化硫
六氟化硫(SF6)無毒、無味、對設備腐蝕性低，分子量146.1，比空氣重4 倍。
從分子結構看，一個硫原子被六個氟原子緊緊包圍，具有化學惰性結構，在常溫
下極穩定。通常將SF6 氣體加高壓后變成液態，儲存在專用的耐高壓鋼瓶中備用。
SF6 是目前應用最廣的鎂合金保護氣體，幾乎占了所有保護氣體用量的90%。
SF6 在高溫下與鎂熔體發生式4.2～4.4 的反應[20]，在鎂合金熔體表面形成致密的
200
400
600
800 O2中
CO2中
500 600 700 800
t,℃
ΔW
mg/cm2·h
圖4.2 純鎂的氧化增重與溫度的關系
Fig.4.2 The oxidation cueve of Mg in O2 and CO2
重慶大學碩士學位論文4 新型氣體保護鎂合金熔化澆注技術及裝備研究開發
42
MgF2·MgO 復合膜（MgF2 的致密度系數α=1.6），可以有效阻止鎂的氧化燃燒。氧
化增重實驗證明（見圖4.3）：SF6 對鎂熔體的防燃燒作用與其濃度有關，空氣中
SF6 濃度過低（小于0.01%體積）或過高（大于1%體積），鎂的氧化增重曲線均屬
直線型，防護作用差。當SF6 濃度處于0.01～1%之間，氧化增重曲線呈拋物線型，
防護作用較好。不同類型鎂合金均基本符合上述規律。
2Mg（L）＋O2＝2MgO（S） （4.2）
2Mg（L）＋O2＋SF6＝2MgF2（S）＋SO2F2 （4.3）
2MgO（S）＋SF6＝2MgF2（S）＋SO2F2 （4.4）
通常 SF6 的使用體積比為0.03～0.3%。應避免SF6 濃度大于0.5%，因為這會造
成坩堝損耗，特別是在高溫下；如果SF6 濃度超過了1%或者更高則會與坩堝激烈反
應，生成大量的疏松含Fe 產物，這些產物一旦與鎂熔體接觸就會有爆炸的危險。
實踐證明，SF6 用于鎂合金的高溫防氧化，尤其是熔體阻燃時，保護效果很好，
因此被廣泛采用，幾乎占了全部所用保護氣體的90%。但是SF6存在致命的缺點：
其溫室效應是CO2的24000 倍，在歐洲已經被立法逐步禁用，世界范圍內的全面禁
用是遲早的事情。另外，氣體價格昂貴（160 元/kg），使用成本較高。人們開始
尋求能夠完全替代SF6 的保護氣體。
4) 二氧化硫
SO2 也是一種效果較好的鎂合金保護氣體。早在人們使用SF6 之前就有使用，
只是因為其有明顯的刺激性氣味，加之當時人們對SF6 的環境危害問題沒有認識，
所以就沒有大量地使用SO2 作為鎂合金保護氣體。
在高溫下，SO2 和鎂熔體發生式（4.5）和（4.6）所示的反應，在熔體表面形
成薄而致密、且有一定強度和塑性的MgS·MgO 復合表面膜，可在750℃以下有效
20 40 60 80 100
ΔW
mg/cm2
τ/min
10-6
10/100
5/100
10-5
3/100
10-2
10-3
圖4.3 760℃時鎂在空氣+SF6 氣氛中的氧化增重曲線[20]
Fig.4.3 The oxidation cueve of Mg in air＋SF6
重慶大學碩士學位論文4 新型氣體保護鎂合金熔化澆注技術及裝備研究開發
43
抑制鎂的氧化燃燒[19]。
3Mg＋SO2＝2MgO＋MgS （4.5）
2Mg＋SO2＝2MgO＋S （4.6）
盡管 SO2 對設備有一定的腐蝕作用、并且有刺激性氣味，但隨著SF6的逐步禁
用，歐美的鎂合金界開始用SO2 替代SF6 氣體，其使用濃度為0.5～2%。
現有的 SO2 氣體保護技術與SF6 氣體保護技術相似，均采用外購瓶裝組元氣體
現場混合的方法制備混合保護氣體。因此，保護氣體的使用成本較高，氣體混合
裝置和氣體輸送裝置較復雜，既不方便使用且成本較高。
5) 綠色環保型保護氣體
據3M公布的資料顯示，美國3M公司新近開發了一種相對環保的鎂合金保護氣
體FK。這種保護氣體為C、O、F的大分子化合物，溫室效應與CO2基本相當，在大氣
中的存在時間僅為CO2的1/10000左右（如表4.1所示）。其研究表明：FK在650℃時
幾乎完全分解為以C·F化合物和C·O·F化合物為主要成分的混合氣體，與鎂熔體
反應生成MgF2保護膜，達到阻燃保護效果。該氣體使用濃度為0.02～0.05%，對載
流氣體的要求與SF6相似，使用中僅產生少量的 HF、COF2、PFIB等有害氣體，且這
些有害氣體的絕大部分都在熔池表面與鎂熔體反應而被消耗，溢出的部分對操作
者健康危害不大。因此，FK混合氣體被譽為環保型的保護氣體，只是還停留在實
驗室研究階段，離工業應用尚需時日。
表4.1 幾種氣體溫室效應指標比較（摘自3M公司公布的演講稿）
Table 4.1 The GWP of some Atmospheres
氣 體 空氣中的生命周期（年） GWP（全球增溫潛能值）
CO2 100～150 1
CH4 12 24
SF6 3200 22000
FKs 0.014 ～1
總之，氣體保護法具有保護效果好、不污染鎂熔體、熔煉過程中損耗少等優點，
是其它方法所不可比擬的。開發經濟、使用方便、綠色環保的新型保護氣體將是
其發展方向。
4.1.2 在線生成保護氣體成分的選擇
鑒于現有氣體保護技術采用“外購單元氣體現場混合”的工藝，在長期連續使
用的條件下，氣體使用成本較高，削弱了壓鑄件生產企業的盈利能力。
基于單元保護氣體的阻燃機理，為了在“SO2/N2”和“SO2/干燥空氣”混合氣
體的基礎上獲得更好的保護效果，本研究選擇了綜合SO2和CO2 的保護作用，重點
重慶大學碩士學位論文4 新型氣體保護鎂合金熔化澆注技術及裝備研究開發
44
開發“固體碳、硫混合物與干燥壓縮空氣在高溫下反應生成以‘SO2、CO2、N 2 和少
量殘余O2’為組份的多元保護氣體在線發生技術及裝備”，以求最大限度地降低
保護氣體的含氧量、綜合發揮SO2和CO2 的保護機制去獲得更好的保護效果，同時
大幅度降低熔體保護成本，獲得良好的綜合技術、經濟效益。
但是，由于SO2 氣體對設備和廠房腐蝕比較嚴重，故在我們的在線氣體生產技
術中也同時考慮了半外購半在線生成的技術，即用在線發生器生成CO2 和N 2 混合
氣體后再與SF6 混合產生保護氣體，從而對鎂合金熔池進行保護。其優點在于減少
了大量消耗的N 2 成本，同時也不會腐蝕設備和廠房，獲得良好的綜合效益。
4.1.3 保護氣體在線生成技術研究開發
根據化學原理，由 SO2和CO2 組成的二元保護氣體可通過下述反應來生成。
C＋O2＝CO2 （4.7）
S＋O2＝SO2 （4.8）
當用壓縮空氣替代上式中的氧氣，并讓上述兩個反應在同一反應器內進行，就獲
得由“SO2、CO2和N 2”組成的三元混合氣體。混合氣體中的SO2和CO2相對濃度可
通過S 和C 供應量的相對多少來調控。
反
應
器
混合氣體
溫度監測
除濕脫油
壓縮空氣源
流量監控
硫、碳混
合物或碳
定量加料
加熱控制
鎂合金熔爐
CO2
SF6
氣體定量、混合
氣體定
量、混合
SF6
僅為碳粉時
硫、碳混合物時
圖4.4 SO2、CO2、N2 和O2 四元混合氣體在線發生裝置工作原理示意圖
Fig 4.4 The working principle of producing protective gas on-line for SO2, CO2, N2 and O2
重慶大學碩士學位論文4 新型氣體保護鎂合金熔化澆注技術及裝備研究開發
45
在保持混合氣體中“SO2 和CO2”的相對比例不變的條件下，則可通過減少S
和C 混合料的供應量來實現混合氣體中的SO2濃度控制。這時，根據SO2濃度的不
同，獲得殘余氧量在較低含量范圍內變化的“SO2、CO2、N2和O2”的四元混合氣體。
另外，當在反應器中只發生（式 4.7）反應，獲得的混合氣體則為CO2和N 2，
使其再與外購的SF6 氣體混合，便得到SF6、CO2和N 2 三元混合氣體，其相對濃度可
通過流量控制器來調節。
另外，S 和C 在大氣中的燃點分別為400 oC 和700 oC，(式4.7)和(式4.8)
兩個反應需在S 和C 的燃點溫度之上才能穩定進行。因此，在線氣體發生設備必
須能夠提供該反應進行所需的高溫條件(一般將溫度嚴格控制在750 oC 以上)。
4.1.4 保護氣體在線生成裝備設計
根據上述原理，圖 4.4 給出了在線氣體生成裝備的工作原理及結構示意圖。
由圖可見，混合氣體在線發生裝置由四個主要部分，即：干燥壓縮空氣定量供應
系統；碳粉或硫、碳固體混合定量加料系統；高溫反應器及其溫度監測控制系統；
混合保護氣體引出系統；和為保障系統的連續穩定工作而附加的：反應器自清洗
功能；（停電、故障）停機時的保護氣體混合供氣系統；共六部分組成。
4.1.5 多元混合保護氣體在線發生裝置及其主要參數
下圖給出了本研究設計的多元混合保護氣體在線發生裝置的實物圖片。
下表給出了新型多元混合氣體在線發生器的主要技術參數。作為對比，表中
同時給出了奧地利勞和（Rauch）冷室壓鑄鎂合金熔化澆注單元配備的單元氣體混
圖4.5 新型多元混合氣體在線發生裝置
Fig 4.5 The new equipment of producing protective gas on-line
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46
合裝置的主要技術指標。
表 4.1 多元混合氣體在線發生裝置的主要技術參數及比較
Table 4.1 Comparing of the mostly technique parameter of producing protective gas on-line
生產單位
技術參數
重慶大學－重慶碩龍 奧地利 Rauch
設備銷售價格 15萬RMB 20萬RMB
混合氣體流量 800 l/h 820 l/h
混合氣體組份
SO2: 1.3% CO2:16.3%
N2:79.0% O2:3.4%
SO2:1-2%
N2: 其余
能耗（kw） 功率：啟動 10 kw；工作態2 kw
成本：20 元/天
功率：< 1 kw
成本：< 10 元/天
原料消耗及價格
硫、碳混合物消耗：2 公斤/天
硫、碳混合物價格：< 5 元/公斤
壓縮空氣消耗：20m3/天
壓縮空氣價格：< 0.5 天/m3
SO2 消耗：200-400L/天
SO2 價格: 46 元/公斤
N2 消耗：20m3/天
N2 價格: 20 元/瓶（6 m3/瓶）
耗材運輸儲藏費用 幾乎為0 10元/天
運行成本 < 40 元/天 115-140元/天
折舊（10 年計） 50元/天 66元/天
注：天以 24 小時計，以500Kg 定量爐為例
4.1.6 多元保護氣體在線發生裝置使用效果
用開發的多元混合保護氣體在線發生裝置對 AZ91D 和AM60 鎂合金熔體在不同
溫度和不同SO2 含量下進行保護效果檢測的結果見下表和圖4.6。
表 4.2 AZ91D 在不同溫度下和不同SO2 含量下進行保護效果檢測的結果
Table 4.2 The protecting result of AZ91D using different atmospheres
熔體保持溫度
氣氛 SO2 濃度
500 oC 600 oC 650 oC 700 oC 725 oC 750 oC 800 oC
1.0% 很好很好 很好 很好 較好 尚可 燃
1.5% 很好很好 很好 很好 較好 可 燃
2.5% 很好很好 很好 很好 好 可 燃
3.5% 很好很好 很好 很好 好 可 燃
5.0% 很好很好 很好 很好 好 可 燃
上述檢測結果表明，開發的多元混合保護氣體在線發生技術和裝置能夠為壓
鑄鎂合金熔體提供持續而有效的防氧化保護，從應用效果上達到了替代SF6 混合保
護氣體的目的。
對表面氧化膜的 SEM 顯微形貌觀察和X-射線衍射分析結果(圖4.7)表明：在
重慶大學碩士學位論文4 新型氣體保護鎂合金熔化澆注技術及裝備研究開發
47
在線發生的保護氣體下，熔體表面生成了柔韌致密、由MgS·MgO·C 組成的復合
保護膜。
圖 4.6 AZ91D 熔體在SO2 wt%保護氣氛下熔化態、700 oC 保溫5 分鐘、3 小時
和24 小時的熔池表面狀態
Fig 4.6 The protecting result of AZ91D using different preservation time
4.2 鎂合金的安全熔化技術及設備設計
鎂合金熔爐選用電阻加熱熔化。為了保證壓鑄生產高效率、穩定地進行，擬
開發的熔爐必需滿足以下設計要求：
① 鎂合金熔爐必需滿足配套壓鑄機對鎂合金熔化率（熔爐的熔化能力）、熔
體溫度和純凈度的要求；
② 鎂合金熔爐本身必需具備在坩鍋泄漏等極端不利的條件下防止發生重大
事故（如爆炸）的結構和能力。
4.2.1 熔化率（熔爐的熔化能力）的確定（以500 公斤熔爐為例）
壓鑄用鎂合金熔爐的熔化率 S（小時/公斤）可由壓鑄機的最大鎂合金熔體需
求量來確定：
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48
S＝壓鑄機每小時壓鑄次數×每個壓鑄件的最大澆注質量
通常，700 噸壓鑄機的鎂合金熔體最大澆注量為7 公斤，每1.5－2 分鐘實現一次
壓鑄工藝循環。故與700 噸壓鑄機配套的鎂合金熔化爐的熔化率為：
S＝（60/1.5）×7＝280（公斤/小時） （4.9）
4.2.2 熔爐的最大功率：
熔爐的最大功率（P）由以下熱平衡方程來確定：
P＝R＋L （4.10）
式中：R 為熔化“熔化率”規定量鎂錠需要的熱量，它由將規定量鎂合金從150℃
加熱到熔點所需熱量（R1），熔化所需熱量（RR），和從熔化溫度加熱到澆注溫度
所需的熱量（R2）三者的總和；L 為熔爐散熱導致的熱損失。
以上各部分熱量可用以下公式確定：
Al12Mg17
MgS
Mg, C
MgO
C
Mg, C
Mg
MgS
Mg Mg
MgO
A
掃描電鏡200倍
圖 4.7 700 oC 下AZ91D 熔池表面保護膜X-射線能譜(A)，和新形成的保護膜表面狀態(B)
Fig 4.7 The result of X－diffracting (A) and the micro scaning (B) of protection film of AZ91D
B
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49
R1＝重量×溫差×平均熱容＝280kg×450K×1.2kJ/（kg·K）＝151200（kJ）
RR＝重量×鎂合金凝固潛熱＝280kg×370kJ/kg＝103600（kJ）
R2＝重量×溫差×平均熱容＝280kg×100K×1.36 kJ/（kg·K）＝38080（kJ）
對電爐而言，由電能轉化的熱能 Q 電(kJ/h)為:
Q 電＝3600×電爐功率（kW/h） （4.11）
故，無熱損失的熔爐功率（P）為：
P＝（R1＋RR＋R2）/3600＝（151200＋103600＋38080）/3600＝81.36 kW
對于本形貌開發的爐型，其選熱效率大于80%，故熔爐的實際功率P 實（kW）為：
P 實≥1.2P＝97.6（kW）≈100kW （4.12）
對于 350 公斤容量的鎂合金熔爐，出于方便設備制造管理和鑒于采用固態繼
電器進行溫度控制時設備功率過剩并不會導致實際能量消耗上升，其功率仍然按
100kW 進行設計。
4.2.3 熔體溫度控制[57]
通常，冶金爐溫度控制精度一般用保溫階段熔爐達到熱平衡后出現的溫度波
動來衡量，而壓鑄鎂合金熔爐是在不斷加料和澆注的動態條件下工作的。因此，
鎂合金熔爐的溫度控制精度可用靜態溫度控制精度和動態溫度控制精度兩個指標
綜合衡量
1）靜態溫度控制
在本熔爐設計中，采用了國際廣泛采用的 PID 自動控制系統，其溫度控制精
度由熱電偶和控制儀表精度決定。根據采用的熱電偶和儀表精度，熔爐在靜態工
作條件下，設計和實際溫度精度均可達到≤0.5%FS，即在650℃的絕對溫度誤差為
±6.5℃，溫度波動為±1.0℃。
2）動態溫度控制
在確保靜態精度的前提下，每次向熔爐中添加預熱鎂錠時都導致熔池內熔體
溫度的動態波動。理論上講，動態溫度波動幅度（ΔT）為可用下述熱平衡公式計
算：
ΔT＝
熔池熔體熱容 熔池熔體質量
鎂錠質量（平均熱容 溫差 凝固潛熱）
×
× × +
（4.13）
設鎂錠質量為 10kg，則將一預熱到150℃的鎂合金錠加入到500kg 溫度為650
℃的鎂合金熔池時產生的溫度波動為：
ΔT＝
1.35kJ/kg 500kg
10 (1.25kJ/kg.K 500K 370kJ/kg)
×
× × +
＝14.74 K
而將質量為10kg、預熱到150℃的鎂合金錠加入到350kg 溫度為650℃的鎂合金熔
重慶大學碩士學位論文4 新型氣體保護鎂合金熔化澆注技術及裝備研究開發
50
池時產生的溫度波動則為：
ΔT＝
1.35kJ/kg 350kg
10 (1.25kJ/kg.K 500K 370kJ/kg)
×
× × +
＝21.06 K
由上述結果可見，對于澆注溫度一般為650℃的鎂合金壓鑄工藝要求而言，加
料導致的15-20℃溫度波動是較大的，對于溫度和控制壓鑄件質量較為不利。
為了防止鎂合金動態熔化澆注的溫度波動導致壓鑄生產不穩定，目前除采用較高
鎂錠預熱溫度的措施，通常熔化、澆注分離的方法來防止熔體溫度波動。目前，
達到該目的有兩種方案，即：
① 采用熔化和保溫澆注兩個完全獨立的坩鍋，其中一個坩鍋進行熔化，而另
一個坩鍋則進行保溫澆注，如德國Westoffen 公司的雙室熔爐結構。
② 在坩鍋內，將坩鍋隔離為相互獨立、一大一小的兩個熔池，在大熔池里進
行加料熔化，在小熔池內進行熔體等溫和澆注。目前，奧地利Rauch 公司的壓鑄
鎂合金熔爐主要采用該類結構。
為了減輕熔爐重量便于澆注的三維定位，在本設計中用隔板將坩鍋更徹底地
分隔為一大一小兩個相對獨立的熔池，得到新型的單坩鍋雙室熔爐結構，其具有
抑制小熔池內的熔體溫度明顯波動的功能。
由（4.5）式可見，加料對熔體溫度的影響主要取決于一次加料質量的大小和
預熱鎂錠與熔池內熔體的巨大溫差（500℃）。當采用本研究開發的單坩鍋雙室熔
爐結構后，大熔化池中的熔體溫度在加料時的波動被擴大了近30%，可達25-30℃，
但小熔池內的熔體溫度則只受加料時從大熔池涌入小熔池的熔體溫度的影響。由
于涌入小熔池的鎂合金熔體溫度波動最大為30℃，涌入量又僅約為加入鎂錠質量
的30%。因此，在澆注熔池內產生的熔體溫度波動可用下式粗略評估：
ΔT＝
1.35kJ/kg 350/3kg
10 (1.25kJ/kg.K 30K)
×
× ×
＝0.794 K
因此，從工程的角度，采用新型的坩鍋結構后，澆注熔池的鎂合金熔體溫度將十
分穩定。
從熔爐熱工設計角度，在熔化熔池和澆注熔池分別使用一只熱電偶，監測和
控制各熔池的溫度，使熔體澆注溫度始終穩定在壓鑄工藝要求的澆注溫度范圍。
4.2.4 熔體質量控制
單坩鍋雙室鎂合金熔化爐的最大缺點就是不能夠主動對鎂合金熔體進行精
煉，提高熔體的純凈度，而只能采取被動的措施，通過減少對熔體的污染來確保
鎂合金壓鑄件的性能。因此，除嚴格管理入爐時鎂合金錠的表面、內在質量和加
料工藝外，在坩鍋設計上則利用熔渣的上浮和下沉特性，創造條件讓熔渣與熔體
重慶大學碩士學位論文4 新型氣體保護鎂合金熔化澆注技術及裝備研究開發
51
盡量分離，減少熔化過程對熔體的污染。
在本熔爐的坩鍋設計中，采用了大小兩相對獨立的熔池。大熔池在進行鎂錠
熔化的同時，利用其容積大，熔體流動緩慢利于熔渣分離的優點，最大限度的實
現熔渣的上浮和下沉。在兩個熔池之間的隔離壁中間位置上開設熔體流道，將大
熔池中部純凈度較高的鎂熔體引入小熔池進行等溫澆注。
4.2.5 熔爐安全結構設計
除提供純凈度和溫度滿足要求的高質量鎂合金熔體外，熔爐設計的關鍵就是
從結構上排除因鎂熔體泄漏導致的重大安全事故。
1）鎂合金熔爐重大事故的發生機制
鑄造車間中，除澆注過程失誤導致大量鎂熔體外泄到潮濕的地表，引發重大
事故外，鎂合金熔爐是重大事故的主要潛在發生部位。根據事故發生的原因，熔
爐重大事故一般分為坩鍋完好時出現的爆炸事故和坩鍋破損導致鎂熔體泄漏引發
爆炸兩類情況。
坩鍋完好時出現的爆炸事故主要是由氣體忽然受熱高速膨脹導致的失控熔體
外泄引起的。這類事故一般與違犯工藝規范的野蠻操作相關，如將未徹底烘干、
表面或內部仍然含有大量吸附水、氫或油漬等發氣量大污染物的爐料忽然投入熔
池等。但這類事故隱患可以、也只能通過強化管理來消除。
當鎂熔體從坩鍋中泄漏時，發生重大事故（如爆炸）的直接原因就是泄漏的
鎂合金熔體在爐內被加熱、蒸發，鎂合金又與空氣高度混合、發生氧化燃燒，放
出高熱量，爐內氣氛受膨脹最終導致爆炸事故。
2）鎂合金熔爐重大事故的發生機理
如上所述，鎂合金熔爐發生重大事故都是由于高溫鎂合金熔體與爐料即水、
空氣、SiO2、Fe2O3 等發生劇烈反應導致的。下面從熱力學理論和化學反應動力學理
論方面解釋鎂合金熔爐重大事故的發生機理。
① 熱力學分析
鎂與爐料反應的反應式及其標準生成自由能如下表 4.3：
通過表 4.3 的計算，可以得到以下熱力學結論：由于其標準生成自由能均小于
零，故以上反應在坩鍋泄漏時均非常容易發生，除了防止坩鍋泄漏造成重大事故
外，還應在選擇筑爐材料時，盡量選擇含以上物質少的筑爐材料，如高鎂耐火材
料，以防止鎂熔體泄漏導致與筑爐材料發生劇烈反應，放出大量的熱而導致爆炸。
② 化學反應動力學分析
溫度是影響反應速率的重要因素，一般常見反應的速率常數隨溫度的升高而
很快增大。根據阿累尼烏斯公式：
k = Ae?Ea / RT (式4.14)
重慶大學碩士學位論文4 新型氣體保護鎂合金熔化澆注技術及裝備研究開發
52
可知，反應速率隨溫度的升高成指數關系升高。
表 4.3 幾種物質的標準生成自由能△Go 值計算
Table 4.3 The calculated result of △Go
化 學 反 應 式 △Go 值溫 度
2Mg（液）＋O2＝2MgO -240696.1 cal/-1010.9 kJ 953K/680 oC
2Mg（氣）＋O2＝2MgO -405005.8 cal/-1701.0 kJ 1380K/1107 oC
Mg（液）+H2O=MgO+H2↑ -74296.1 cal/-312.1kJ 953K/680 oC
2Mg（液）+SiO2=2MgO+Si -70602.6 cal/-296.5kJ 953K/680 oC
-63457.5 cal/-266.5kJ 1223K/950 oC
-27956.6 cal/-117.4kJ 953K/680 o3Mg（液）+Al2O3=3MgO+2Al C
-26318.5 cal/-110.5kJ 1223K/950 oC
反應速率與溫度的關系（如圖 4.8）有五種類型，其中Ⅰ為阿累尼烏斯類型，
Ⅱ為爆炸反應，鎂合金熔體泄漏反應符合以上兩種類型。在表4.3 中的反應發生
后，放出大量的熱，使溫度急劇上升而加劇反應的發生，在有充足的空氣條件下，
坩鍋泄漏將會導致熔爐爆炸，故在熔爐設計時，首先必須防止在坩鍋泄漏時有大
量空氣進入熔爐，另外必須要盡快把爐內的鎂合金熔體排出熔爐，避免鎂熔體在
爐內受熱蒸發而導致爆炸的危險。
3）熔爐主動防爆結構設計
根據以上分析，除制定嚴格的坩鍋質量定期檢測制度外，也可以通過熔爐結
構設計本身來防范。本熔爐根據鎂合金熔體泄漏引發爆炸的過程，從結構設計上
采用以下全新主動安全措施防患于未然（見圖4.9）。
① 熔爐內部設漏鎂檢測裝置，一旦檢測到鎂熔體泄漏，立即關掉熔爐電源，
并發出警報，通知操作人員及時進行處理。
② 為了消除或減緩鎂合金熔體泄漏爆炸需積累大量鎂蒸氣的條件，在爐底設
計上采用傾斜自流爐底、促使泄漏熔體外流的特殊結構；在爐底加熱爐絲的支撐
上，采用能使泄漏熔體與爐絲自動分離的結構；在爐底最低處，開設自動開啟的
r
T
Ⅰ r
T
Ⅳ r
T
Ⅴ
r
T
Ⅱ
r
T
Ⅲ
圖4.8 反應速率與溫度關系的五種類型[56]
Fig 4.8 the relation between reaction rate and temperature[56]
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53
爐底門，在探測到漏鎂的第一時間，打開該門，讓泄漏熔體從爐底流出到漏鎂盤
內；在熔爐底部，采用高含量鎂的耐火材料筑爐，避免泄漏熔體與爐內材料發生
化學反應，產生大量的熱而導致爆炸的發生。
通過上述主動安全結構設計，可以在極大程度上化解漏鎂帶來的重大事故發
生概率，是熔爐可以更安全的使用。
另外，迄今的熔爐安全事故分析表明，鎂合金重大事故在很大程度上是由于
管理上麻痹大意、使用上不遵守安全操作規程導致的。因此，即使采用具有上述
安全結構特征的鎂合金熔爐，還必須嚴格熔爐安全監控和現場操作管理才能杜絕
重大安全事故。
4.3 鎂合金熔體的定量、定位澆注技術及設備的研究開發
由于鎂合金易于在大氣中氧化甚至燃燒，壓鑄鎂合金熔爐與鋁合金熔爐的最
大差別就在于其具備定位、定量、定時的封閉式澆注系統。在保護氣氛中穩定實
現鎂合金熔體的定量、準時、無氧化澆注是鎂合金熔化澆注技術的關鍵。
4.3.1 鎂合金熔體定量澆注技術
定量澆注技術是壓鑄鎂合金熔爐的核心，為了開發出低成本、高穩定、自保
護、小體積的熔體定量澆注技術，擬開發的澆注設備應具備以下特點：
① 驅動鎂熔體流動的“泵”的運動部件應盡可能地少；
② 能有效防止鎂熔體在澆注過程中產生氧化；
③ 澆注時鎂合金熔體的溫度穩定；
高鎂耐火材料 密封橡膠
傾斜自流爐底
漏鎂孔
漏鎂傳感器
普通耐火材料
加熱元件
圖4.9 熔爐主動防爆結構設計
Fig 4.9 The design of blast structure of furnace
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54
④ 澆注系統制造成本及使用成本盡可能地低；
⑤ 澆注系統的使用穩定、壽命長，不需要頻繁維護（修）；
⑥ 出現事故和停電時能用通過人工干涉，及時脫離澆注狀態；
根據上述技術要求，本熔爐的定量澆注技術采用螺旋泵定量澆注系統（見圖4.10）。
在該澆注系統中，通過調節電動機轉速以及運行時間來控制每次澆注的量，其中
電動機轉速通過變頻器調節電源頻率來控制，運行時間通過時間繼電器來控制。
由于螺旋泵定量澆注系統受液面波動影響較大，故在熔爐上方采用了浮球液位傳
感器，控制液面的正常波動范圍，從而減小液面對定量澆注系統的影響。另外，
泵外澆管采用特制的電阻絲加熱，加熱溫度可高達750℃，有效地防止了鎂合金熔
體在澆管中凝固。
圖 4.10 螺旋泵定量澆注系統
Fig 4.10 screw pouring and metering system
1) 螺桿定量澆注機構
螺桿定量澆注機構的給料能力可用式 4.15 表示：
G＝ (D D )k ]pM
4
[1 2
2
2
1 ρ π ? （式4.15）
其中：G－螺桿定量澆注機構的給料能力，g/min
ρ －流體的密度，g/mm3
D1－給料孔的直徑，mm
D2－螺桿軸的直徑，mm
k－填充系數
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p－螺桿的螺距
M－螺桿的轉速（＝減速器的輸出轉速），r/s
根據上式設計制造出螺桿定量泵后，通過試驗測量其真實給料，對設計理論
進行修正；另外，螺桿定量泵在制造完成后，其給料能力G 只與流體的密度ρ 及
螺桿轉速M 有關（D1 、D2、p），當流體一定，即ρ 一定時，G 就是只是螺桿轉速
M 的函數，G＝f（M）＝kM（k 為常數）。
2) 給料速度的控制
如上所述，G 是轉速M 的函數，本文采用了變頻器為電機提供電源，通過改變
電源頻率實現電動機及減速器輸出轉速的連續無級調節，達到無級調節螺旋給料
器給料速度的目的G＝f（M）＝g(N) （N 為變頻器輸出頻率）。
4.3.2 澆注三維定位
實現熔體定量澆注后，壓鑄鎂合金熔爐還需要穩定的三維定位裝備去保證澆
口與壓鑄機壓室澆口的配合，實現熔體在給定位置上的定量澆注。
由于一次安裝調整定位后，熔爐將在該位置長期工作。因此，要求在熔爐工
作幾何形位調節到位后，具備能在工作條件下長期保持該工作形位的能力。否則，
熔爐形位的較大幅度變動將直接導致熔爐或壓鑄機的損壞。
本熔爐三維定位系統由三個相對獨立的部分，即：水平行走機構、垂直升降
機構、水平旋轉機構（見圖4.11）組成。其中，水平行走機構采用電動機驅動螺
桿旋轉行走、靜止自鎖定位來實現熔爐水平位置的調節和固定；垂直升降機構采
用液壓升降臺進行熔爐高度調節，采用支架保持定位高度；水平旋轉機構采用電
動機驅動渦輪渦桿完成轉動和制動。
由于熔爐的三方向運動均采用可調節和鎖定的機構，故可順利地將澆口位置調
節到壓鑄機壓室的上方，實現鎂合金熔體的定位澆注。
圖 4.11 熔爐三維定位機構示意圖
Fig 4.11 3-D positioning system for furance
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4.4 鎂合金熔化澆注裝備的應用
根據以上所述各系統的原理，重慶碩龍科技有限公司生產了HS 系列氣體保護
壓鑄鎂合金連續熔化澆注爐，設計的鎂合金熔化澆注控制系統由圖(4.12)所示，
其與壓鑄機聯機應用情況如圖4.13 所示。
用戶使用結果表明：
① 鎂熔體在保護氣氛下連續工作一周，無任何燃燒情況發生；
② 熔爐控制能與壓鑄機準確聯機，信號可靠；
③ 溫度控制精確，調節方便，溫度波動?。?
④ 定量澆注泵運轉正常，定量精確，調節方便可靠，熔體純凈度高；
⑤ 試驗結果表明，該設備能夠正常穩定的連續工作。
鎂合金熔爐
壓鑄機
圖 4.13 鎂合金熔化澆注裝備與冷室壓鑄機聯機應用工作現場
Fig 4.13 The online scene of melting and pouring system and die-casting machine
熔爐控制柜
圖 4.12 HS 系列氣體保護壓鑄鎂合金連續熔化澆注爐控制柜示意圖
Fig 4.12 Control cabinet of the HS series Mg melting and pouring furnace for die-casting
重慶大學碩士學位論文4 新型氣體保護鎂合金熔化澆注技術及裝備研究開發
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4.5 與國外熔化澆注裝備的比較
4.5.1 功能及特征比較
目前國外生產壓鑄鎂合金熔化澆注設備的廠家較多，主要分布在北美和歐洲
的發達國家。在眾多品牌的鎂合金熔爐中，目前廣為壓鑄界采用的主要是奧地利
勞和（Rauch）和德國西爐（Westoffen）生產的氣體保護壓鑄鎂合金熔化澆注爐。
下表給出了勞和、西爐及本研究生產的冷室壓鑄鎂合金熔爐各功能系統的特
征對比。
表 4.4 勞和、西爐及本研究生產的鎂合金熔爐主要功能部分及其特征比較
Table 4.4 Camparing of the function and characteristic of Mg furnaces
for Rauch, Westoffen and this product
組成部分 Rauch 熔爐的特點 Westoffen 熔爐的特點本研究產品的特點
熔爐結構 雙室坩鍋，（低碳鋼/耐熱
鋼）復合鋼板
單坩鍋或雙坩鍋，（低碳鋼
/耐熱鋼）復合鋼板
雙室坩鍋，整體鑄造或（低碳
鋼/耐熱鋼）復合鋼板
溫度調控
系統
電加熱、熱偶＋PLC 控制系
統
電加熱、熱偶＋PLC 控制系
統
電加熱、熱偶＋變功率溫度控
制系統
定量澆注 機械泵的轉速及轉動時間
復合定量，輔助液位檢測
低（氬氣）壓澆注，壓力和
加壓時間復合定量
機械泵的轉速及轉動時間復
合定量，輔助液位檢測
熔體防氧
化保護
氣體保護，混合單元N2 和
SF6 或 N2 和SO2 氣體
N2/SF6 混合氣體保護，雙單
元失效保護
在線產生 SO2、CO2 和N2 混合氣
體或混合單元N2 和SF6 氣體
澆注定位 三維機械式可調定位系統 按需設計的固定式澆注管 三維電動式可調定位系統
過熱監控 獨立熱偶溫度監控 未知 溫控器監控
漏鎂監控 漏鎂傳感器報警 未知 漏鎂傳感器報警
4.5.2 主要技術參數的比較
與國外產品奧地利勞和（Rauch）和德國西爐（Westoffen）相比，本產品在
熔化效率、保溫精度、定量澆注精度、坩堝壽命等主要技術性能參數上與這些國
外產品相當，在坩堝材料、耐火材料和爐體結構上采用了自主開發的新技術，在
保證爐體的安全性、可靠性的同時，使用及維護成本得以降低；氣體保護系統由
于采用了自主知識產權的“保護氣體在線發生技術”，可以不使用SF6 氣體（溫室
效應為CO2的23000 倍），對大氣的污染程度有所減少，使用成本更是大幅降低。
具體參數比較如下表所示：
重慶大學碩士學位論文4 新型氣體保護鎂合金熔化澆注技術及裝備研究開發
58
表4.5 本項目產品與國外產品的技術參數對比
Table 4.5 Comparing of the technique parameter
生產單位
技術參數
本項目產品 奧地利 Rauch 產品
設備售價價格 40～70 萬（RMB） 200 萬（RMB）
保溫溫度精度 ≤ ±5 ℃ ≤ ±5 ℃
定量澆注精度 ± 5% ± 5%
熔化效率 60～200 kg/h 60～200 kg/h
坩堝材料雙室/整體鑄造或復合材料焊接雙室復合材料焊接
坩堝壽命 ≥1 年≥1 年
保護氣體組份
SO2：1～3% CO2：15～20%
N2：79%（O2：0～5%）
SF6：0.1～0.5%
（或SO2：1～2%）N2：其余
氣體保護成本 25～40 元/天 120－180 元/天
4.6 結論
本研究根據鎂合金熔體的高溫物化特性及壓鑄工藝對熔爐熔化澆注系統的要
求，以“鎂合金熔體保護氣體在線發生技術”為支撐，以熔爐安全、可靠工作為
出發點，獨立自主開發出了具有全部知識產權的“新型氣體保護壓鑄鎂合金熔化
澆注技術和設備”。該熔爐具有以下特點：
① 采用了“保護氣體在線生成技術及裝備”和“無高速運動易損部件的定量
澆注系統”，因此，與國內外現有壓鑄鎂合金熔爐相比，具有設備運行及維護成
本低廉，可長期穩定工作的特點。
② 采用了螺旋泵澆注系統，易于實現定量澆注，熔體澆注量重現性好，澆管
產生氧化膜和夾渣少。
③ 采用新型雙室坩鍋結構，易于達到穩定熔體澆注純凈度和澆注溫度的目
的。
④ 采用了新型安全爐體結構及漏鎂監測，解除了因漏鎂導致重大安全事故的
隱患。
⑤ 采用電動、液壓聯合三維澆注定位，易于實現與鑄造設備的聯機使用，有
較廣的匹配適應性。
⑥ 擁有全部自主知識產權和用國產元器件配套，具有極高的性價比，在降低
壓鑄企業生產能力形成投資的同時，增加了壓鑄企業的盈利能力和市場競爭力。
重慶大學碩士學位論文 5 結論及展望
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5 結論及展望
5.1 結論
本課題從研究鎂及其合金的高溫氧化機理和熔爐的熱平衡理論入手，對現有
的鎂合金熔化澆注技術進行了大量的比較，針對國內鎂合金熔化澆注技術的現狀，
做了以下幾方面的工作：
① 分析并研究了鎂及其合金的高溫氧化機理和鎂合金熔體氣體保護技術；
② 研究了熔化及熔體溫度監控技術；
③ 研究了熔體定位、定量澆注技術；
④ 研究了鎂合金錠加料、預熱技術；
⑤ 分析了熔爐的熱平衡理論，并進行了鎂合金質量、安全保障技術及坩鍋、
爐體結構研究。
通過以上研究，開發出具有獨立知識產權的“鎂合金熔化澆注技術及裝備”，
并進行了大量的實驗室檢測及工業應用。總結起來，可以得到以下結論：
① 鎂合金在加熱熔化時，鎂熔體與周圍介質作用形成的表面膜致密度低，易
發生氧化燃燒，需要采取措施對熔池表面進行防護，本研究采用的SO2+CO2為主要
保護成分的在線發生裝置為鎂熔體提供了有效的保護；
② 鎂的化學性質活潑，熔化時易在熔池上部形成浮渣，下部形成爐渣堆積，
本研究采用的螺旋定量泵通過抽取熔池中部的鎂液有效地避免了浮渣和爐渣進入
壓鑄機。
③ 壓鑄鎂合金熔爐是在不斷加料和澆注的動態條件下工作的，熔體溫度波動
大，采用雙室坩鍋及高可靠性的PID 自動數控溫控儀和高品質電阻加熱元件對鎂
合金進行加熱和熔化保溫，保證了熔體溫度始終穩定在壓鑄工藝要求的澆注溫度
范圍之內。
④ 鎂合金熔爐需要不斷的加料，加入低溫鎂合金錠會導致熔爐溫度波動大并
會帶入水氣，采用新型加料、預熱爐蓋有效的解決了鎂合金錠溫度過低的問題。
⑤ 鎂合金熔體泄漏易發生重大事故，本課題采用的主動安全結構設計，能有
效防止鎂熔體與筑爐材料發生劇烈反應并能及時排除爐內的泄漏熔體，消除了因
漏鎂導致重大安全事故的隱患。
大量工業試用結果表明，開發的鎂合金熔化澆注裝備能夠為壓鑄生產連續提
供冶金質量滿足要求的鎂合金熔體，且擁有多項具有自主知識產權的新型技術，
更重要的是具有性價比高、實用性好、符合中國國情的優勢，有很強的市場競爭
重慶大學碩士學位論文 5 結論及展望
60
力和可持續發展性。
5.2 展望
本課題的主要目標是解決鎂合金規模生產和應用中的首要技術難題——“鎂
合金熔化澆注技術”，在整個研究和開發的過程中，深深感受到，要解決好這個
技術難題，涉及的方面和問題很多，由于時間的緣故，本課題在一些方面還未來
得及做深入研究，后續的工作大致有以下幾個方面：
① 信息化、自動化是現代工業的主導，實現該裝備自動化控制是目前最主要
的任務之一，研制以PLC 自動控制鎂合金熔化澆注是當前的迫切任務；
② 由于鎂合金熔化環境非常惡劣，因此迫切需求對鎂合金熔化澆注裝備易損
件（如坩鍋）材料進行研制，以提高其使用壽命；
③ 針對工業用戶的不同需求，完善鎂合金熔化澆注裝備，擴大工業應用產業
化。
重慶大學碩士學位論文致謝
61
致謝
本論文是在龍思遠教授的精心指導下完成的。在整個碩士研究生期間，龍思
遠教授自始至終給了我無微不至的關懷，為我創造了很好的工作和學習環境，并
給我提供了許多寶貴的鍛煉機會，使我能夠圓滿完成自己的學業。同時，龍思遠
教授淵博的知識和嚴謹治學的作風也將使我終身受益。在此，謹向龍思遠教授表
達我最衷心的感謝和敬意！
其次，本研究和開發自始至終都是在重慶碩龍科技有限公司的資助下完成的，
謹借此機會向重慶碩龍科技有限公司表示衷心的感謝！
另外，在我攻讀碩士研究生期間，我也得到了彭曉東、趙建華、陳勛姚、謝
衛東、李宗義等老師的指導和幫助，同時，游國強、曹韓學、王亮、過利銳、曹
春平、王建宏等師兄師姐和吳立鴻、武增臣等同學以及徐紹勇、潘月宏等師弟師
妹也給予了我大力的支持和幫助，在此一并表示我衷心的感謝！
最后，在我多年的求學生涯中，我的父母和其他親人無論在物質上還是在生
活上，都給予了我無微不至的關懷，在此致以我最崇高的敬意！
重慶大學碩士學位論文參考文獻
62
參 考 文 獻
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重慶大學碩士學位論文附錄
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附 錄
攻讀碩士期間發表的論文：
[1] 查吉利，龍思遠，徐紹勇.鎂合金產品及生產應用技術開發平臺建設.特種鑄造及有色合金，
已錄用未發表.
[2] 游國強，查吉利，龍思遠. “鎂合金阻燃保護技術現狀及發展”，2002 年材料科學與工程
新進展（北京·2002 中國材料研討會論文集），2002.10：656-660
[3] 游國強，龍思遠，查吉利.“鎂合金保護氣體在線發生技術的研究”，特種鑄造及有色合金，
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[5] 吳立宏，龍思遠，查吉利，武增臣.摩托車鋁合金輪轂服役應力分析.機械工程材料，已錄
用未發表.
鎂合金氣體保護熔化澆注及安全技術研究
作者： 查吉利
學位授予單位： 重慶大學
相似文獻(10條)
1.期刊論文王武孝.邢建東.Wang Wuxiao.Xing Jiandong 形變AZ91D鎂合金重熔過程中共晶激活能研究 -稀有金屬材料與工程
2008,37(2)
采用DSC技術研究了SIMA法制備半固態AZ91D鎂合金坯料過程中形變率與共晶熔化激活能的關系.結果表明:形變AZ91D鎂合金內部存在位錯、孿晶缺陷,合金的共晶熔化激活能隨變
形率的增大而變小,當形變率達到40%時,共晶熔化激活能下降很少;共晶熔化開始溫度隨變形率的增大略有下降.
2.學位論文王雁飛 基于流動傳熱分析的鎂合金熔化爐結構設計與研究 2009
隨著鎂合金產品制造產業的發展，作為鎂合金產品制造的關鍵設備，鎂合金的熔化爐、壓鑄機以及回收設備的研究開發得到了國內外研究機構和企業的廣泛重視。但鎂合金的一
系列特性如易氧化燃燒、壓鑄溫度高、熱容量小等特點，帶來了鎂合金產品相關設備的開發和制造難度。目前只有少數幾個工業發達國家可以生產。盡管有幾家國內企業的鎂合金熔
化爐投入生產，但是在節能、定量喂料精度、溫度控制精度、熔煉質量方面與國外產品存在較大差距。浙江省科技廳計劃項目“鎂合金綠色再熔技術及熔化保溫定量喂料爐研究與開
發”基于此背景提出。
本文對鎂合金熔化爐的結構進行設計與研究，首先對鎂合金熔化爐的主體結構進行了設計，在此基礎上，分別從鎂合金熔液的流動模擬、熔鋁實驗兩方面對鎂合金熔化爐的結構
進行了優化，進而再設計了鎂合金熔化爐，并分析了影響取料室鎂合金熔液溫度波動的因素。
本文基于正交試驗法對鎂合金熔液在連續澆注過程中的流動進行模擬分析，采用極差法處理結果數據，得出取料室與熔化室體積比為1：3時，取料室內鎂合金熔液溫度波動較小
。在此基礎上，進行了熔鋁實驗，得出電阻絲與坩堝外壁的距離對取料室鋁液溫度波動及電能的損耗影響最大，其次是鋁錠的重量，取料的速度及鋁錠的預熱溫度。其中，電阻絲與
坩堝外壁的距離為50mm時取料室的鋁液溫度波動最小，并且電能消耗最少。通過繪制因素水平趨勢圖，分析出一個較優的熔化方案并驗證了該方案組合的優越性。
根據鎂合金熔液的流動模擬與鎂合金熔化爐熔鋁實驗優化得到的熔化爐結構，對鎂合金熔化爐進行了再設計，實驗表明再設計的鎂合金熔化爐熱損失較低。
3.期刊論文楊建榮.喻德鎂合金熔化工藝研究 -特種鑄造及有色合金2003,""(z1)
針對鎂合金熔化過程中易燃燒等問題,我們采用覆蓋劑、氣體保護等方法和工藝,較好地實現了鎂合金的阻燃,同時針對鎂合金材料易氧化夾渣的特點,利用新的熔化精煉工藝,較
好地去除合金料中的氧化夾渣,保證鑄件質量.
4.期刊論文鄭笑慰.曹福洋.劉群.李培杰鎂合金壓鑄機熔化保溫系統的設計 -鑄造2003,52(8)
在分析鎂合金壓鑄機配套用熔化保溫系統工作特點的基礎上,自主設計開發并制造了鎂合金熔化保溫系統,介紹了該系統中機械結構、氣體保護、溫度控制以及人機界面等子系統
的組成、工作原理和特點.實際應用表明本系統效果良好.
5.期刊論文楊建榮.喻德鎂合金熔化工藝研究 -汽車工藝與材料2002,""(8)
針對鎂合金熔化過程中易出現燃燒等問題，采用覆蓋劑、氣體保護等方法和工藝，較好地實現了鎂合金的阻燃，同時針對鎂合金材料易氧化夾渣的特點，利用新的熔化精煉工藝
，較好地去除合金料中的氧化夾渣，保證鑄件質量。
6.會議論文楊建榮.喻德鎂合金熔化工藝研究 2002
針對鎂合金熔化過程中易出現燃燒等問題,采用覆蓋劑、氣體保護等方法和工藝,較好地實現了鎂合金的阻燃,同時針對鎂合金材料易氧化夾渣的特點,利用新的熔化精煉工藝,較
好地去除合金料中的氧化夾渣,保證鑄件質量.
7.期刊論文顧靜.王壽增.程桂玲.GU Jing.WANG Shou-zeng.CHENG Gui-ling 鎂合金熔化爐的燃燒控制 -工業加熱2010,39(2)
介紹了鎂合金熔化爐燃燒器設計選型的關鍵技術和燃燒系統的控制策略,并給出了熔鎂爐實際運行的升溫曲線.
8.期刊論文郭臣.龍思遠.徐紹勇.游國強.GUO Chen.LONG Si-yuan.XU Shao-yong.YONG Guo-qiang 燃氣鎂合金熔化爐內氣相燃燒過程的
三維數值模擬-工業加熱2008,37(1)
對燃氣鎂合金熔化爐內的三維湍流氣相燃燒場特性進行了數值模擬,湍流模型采用了標準κ-ε雙方程模型,湍流燃燒采用有限速率/渦耗散模型,輻射換熱P1模型,數值方法采用
SIMPLE算法,實現了燃燒過程的數值再現,特別考察了燒嘴位置和人口流量速度因素對爐內溫度場和流動場的影響,并為熔化爐的結構設計提供了一些合理化建議,為其實際運行提供了
有益的參考價值.
9.期刊論文唐靖林.曾大本.TANG Jing-lin.ZENG Da-ben 鎂合金專用大型氣體保護電加熱坩堝爐熔化特性研究 -有色設備2004,""(z1)
基于鎂合金原材料的大規模自動化生產,開發出鎂合金專用大型氣體保護電加熱坩堝熔化/保溫系統.實際應用表明,該系統具有熱效率高、能耗低、元素燒損率低及自動化程度高
等特點.根據對生產現場采集數據分析表明,產品一致性良好,產品夾雜物及微量元素可以最大限度地得到控制.
10.學位論文高晨 超聲輔助釬焊AZ31B鎂合金釬料及接頭性能研究 2009
我國是鎂資源最豐富的國家之一，鎂合金由于具有良好的物理及加工性能，被譽為二十一世紀的綠色工程材料，具有重要的應用價值和廣闊的應用前景。隨著對節能、降耗、環
保的迫切需求，鎂合金結構件的應用日益廣泛，對其接頭質量提出了更高的要求。
釬焊方法在鎂合金的連接上具有獨特的優勢，可在較低溫度下實現鎂合金的精密連接。但目前對鎂合金釬焊材料及釬焊工藝的研究還不成熟。針對傳統釬焊方法使用釬劑影響鎂
合金接頭耐蝕性，降低接頭性能；現有鎂合金釬料熔點高、適用性差的問題，本文采用超聲波輔助釬焊工藝在大氣中實現了鎂合金的無釬劑釬焊。通過合理的成分設計，研制了適合
于超聲波釬焊AZ31B鎂合金的釬料。研究了釬料成分對其性能的影響，超聲作用時間、預留間隙對釬焊接頭剪切強度影響，并對接頭的微觀組織進行了分析。通過對接頭在NaCl溶液
中電化學行為的分析，研究了氯離子對接頭抗蝕性的影響，說明了鎂合金無釬劑釬焊的必要性。
在Mg-Zn基體上加入Al元素，釬料熔化區間減小，填縫速率、鋪展面積、耐蝕性及接頭剪切強度均提高。隨著Al元素含量的增加，Mg-Al-Zn釬料熔化區間增大，填縫速率增加
，鋪展面積減小，耐蝕性及其接頭的剪切強度下降。在Mg-Al-Zn釬料基礎上添加Nd元素，釬料熔化區間減小，填縫速率提高，鋪展面積增大，耐蝕性及接頭剪切強度降低，α-Mg生
長方式由不規則狀向樹枝晶轉變。隨Nd元素含量的增加，Mg-Al-Zn-Nd釬料熔化區間減小，鋪展面積、填縫速率及接頭剪切強度均先增加后減小，α-Mg組織細化。通過全面評價Mg-
Al-Zn及Mg-Al-Zn-Nd釬料的性能，2＃釬料(Mg-50n-3Al)的綜合性能最好，適于AZ31B鎂合金的無釬劑超聲波釬焊。
隨超聲振動時間的增加，接頭的剪切強度先增大后減小，預留間隙對接頭剪切強度的影響呈相似變化。2＃釬料的最佳工藝參數為：預留間隙0.15mm，超聲振動3s，此工藝下
，接頭剪切強度可達84.1MPa。接頭界面連接緊密，有明顯反應層，焊縫主要為α-Mg和MgZn相構成。沿釬料填縫方向的接頭組織存在較大差異，這與超聲波去膜的先后順序有關。
接頭的耐蝕性好于母材，在Cl-作用下，首先在母材表面發生局部腐蝕，隨著腐蝕液中Cl-濃度的增加，接頭腐蝕加劇，腐蝕面積增加，逐漸向全面腐蝕轉變。
研究表明，采用超聲波釬焊的方法并配合性能良好的釬料可以實現AZ31B鎂合金的可靠連接，為今后鎂合金的連接提供一定的工藝保障和理論指導。
本文鏈接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Thesis_D021912.aspx
授權使用：上海海事大學(wflshyxy)，授權號：3393c0b5-898a-43c5-ae6c-9dec012a55bb
下載時間：2010年9月9日

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