镁合金熔炼中采用SF6对环境的影响摘要irL25-v30年以来，在镁合金熔炼中，采用SF6作为防止镁液氧化燃烧的防护性气体，其效果已为具体实践所证实，并以其取代常规的熔剂及SO2，受到了用户的欢迎。多年来的研究表明，SF6在大气中与co2,一样也会产生温室效应，相比较而言，SF6对全球气候变暖的整体影响是微不足道的，但是，SF6,的浓度在大气中却迅速增长，来源于镁合金熔炼中SF6的排放，应给予极大的关注。当前对环境保护重要性的认识已深入人心并得到高度重视，与其它材料相比，从环境观点出发，在镁合金熔炼中应该压缩SF6的消耗量，否则将成为工业中一项挑战的对象。
关键词：镁合金熔炼 SF6气体 坏境保护
当前，镁合金压铸件由于技术上的先进性，得到一定程度的增长。同时由于高纯度合金、特种性能合金，在无熔剂下熔化以及压铸工艺的改进方面都有所突破，再加上压铸可以实现高度的自动化，在生产成本方面又具有极大地竞争力，在满足减轻零部件的重量要求方面成为现代化大量生产手段之一。
SF6于1934年Reimers所申请的美国专利中已有所报道，后来由于Hahawait等先躯者们作了进一步开拓工作，直到20世纪60-70年代方在工业应用中打下了基础，之后由Battelle等人逐步作为无熔剂生产方法为压铸工作者所采用。以SF6作为镁合金熔体防护性气体强有力地推动了镁压铸工业的发展，直到现今仍然认为是对工作条件有利、能够达到环保要求兼而有之的一种方法。可是近年来出现了不良的兆头，经过一些研究者的实验和论证，SF6也是一种很强的产生温室效应的气体。SF6由于其吸收长波的能力强，且在大气中保留的时间长，也属于高度产生温室效应的气体。通过Stordal等人的研究，SF6生命周期（LCA)估计可达3200年，由于这种特性的存在，提出在未来SF6的使用应受到限制。生命周期的评估在未来的材料选用中也是一项重要的考虑。为此，如果以温室效应作为关键因素来考虑的话，则采取相应的措施减少SF6的使用，就必然提升到重要位置上来。
1 SF6对环境所造成的冲击
温室效应已成为一种测定大气中气候变化是否为绿色状态的一项重要指标，SF6的扩散情况，根据联合国政府部门气候变化委员会(IPCC) "In,估算，SF6所产生的温室效应在地平面上、100年内相对而言为CO2的23900倍，这意味着lkg的SF6在大气中大约为24吨C仇所产生的效应。有许多学者估计，到2010年提供给地球的暖流约占CO2所产生效应的0. 5％
据2001年11月份美国能源部报告，2000年美国CO2的排放量比上一年上升了3. 1％，升幅是20世纪90年代中期以来最大的。2000年美国通过燃烧石化燃料排放的CO2为15．83亿吨，比1999年增加了4700万吨，增幅达3. 6%。
在过去的140多年内，特别是最近50年内，以CO2为主的温室气体主要由发达国家过量排放，已造成全球平均气温升高了0.4-0.8℃。通过预测在未来的100年内如果继续增加温室气体的排放，所造成的后果会使全球平均气温可能上升1.4-5.8℃，全球海平面将比目前升高9~88cm,极端气候现象如：寒潮、热浪、暴雨、龙卷风等将会频繁发生。
随着全球气候变暖，城市天气倾向阴雨潮湿，导致城市昆虫的生活环境趋同，单一物种高速繁殖且大范围蔓延，城市很可能爆发大规模虫灾。据有关报道，白蚁对古建筑的侵害率高达8-9成，对堤坝造成的损失每年达8.3亿元人民币。北京市每年用于虫灾防治费用达几亿元，几年后将达到20亿元之多。
SF6为人工合成的气体，比空气重，无色、无味、无毒也不燃烧，其相对的热稳定温度高达800oC且不与水产生反应。当前所生产的SF6有80％用于高压电器设备中作为气体绝缘之用，剩余的20％在A1及Mg工业中或其他方面使用。据估计，在1990年时共生产了5000~8000吨，总的向地球扩散的气体不甚恒定，占到产品的50%，在镁熔炼中通过试验指出，扩散到大气中的SF6有30%可以分解。SF6所能分解百分比的高低，则取决于操作条件。
2SF6与Mg之间的反应与分解
有空气存在就会在金属熔体表面形成Mg0薄层，Mg0所占有的体积比金属本身要小，所形成的氧化膜成疏松状。镁的高蒸汽压对防护膜的质量提出了高的要求。Mg0蒸汽容易窜入到氧化膜中，在熔体表面形成一种白色的Mg0火焰。由于这种应为强烈的放热反应，使熔体局部过热，产生了加速氧化反应而形成花朵状的氧化物，散布在熔体表面。当SF6加入到炉子气氛中时，氧化反应则急剧下降，在S凡处于低浓度（<0. 5％）时，在Mg与SF6之间似无反应发生，由x一射线衍射分析显示的反应膜主要为Mg0：
2Mg+ SF6+02=2Mg0+ SF6 SF6＜0.5％
当SF6浓度增加时，在膜中可以观察到镁的氧化物并发现有MgS和SO2一起出现。Hydro公司还检验出微量HF:
Mg+SF6+空气-MgO+MgF2十SO2+MgS（微量）
(+SF6) SF6>0.5％
如果将SF6从气氛中移散，此膜即失去其防护性质，发生吸附现象［7］，在氧化层中所吸附的气体在熔体上面与空气气氛相平衡。
SF6（在大气中）--.SF6（吸附在氧化层中）
Hydro公司将SF6用于AZ91合金熔体的保护方面，对其稳定性进行了试验研究，通过所测定的数据表明，要把气体分解到30％以上则取决于操作条件。按照Freubling[s〕的说法，未被分解的部分是对金属熔体起到保护作用的那部分，分解则代表着气体所受到的损失，从经济观点出发则应加以避免。影响到分解的各种熔体的温度甚为重要，当温度从680~7000C递增时，分解所占到的百分比较少，然而如果温度进一步提高到7200C时，其所增加分解的百分比平均增加10％。在有CO2存在于干燥的气体混合物中时，处于680~700℃范围内，无明显的影响，但在较高的温度下，其分解程度似乎也略有增加。
气体的湿度也间接地影响防护效果，随着湿度的增加，促使更多的SF6分解。处于700 oC时，所增加的湿度从15 ×10至2％，其结果是增加气体分解的百分数处于5％-16%之内。
CO2在气体混合物中的出现，低湿度时无明显效果，在高湿度时才会减少气体分解。
建议在熔体温度为650～705℃时采用：空气＋0.04％SF6：空气+0.2％SF6或75％空气+25％CO2＋0.2％SF6。
在熔体温度为705一760℃时，采用：50％空气+50％C02+0. 3％SF6。
2 SF6对柑士吊壁的侵蚀
SF6在熔体上气氛中通过分解形成HF和50汽体，增祸壁上的反应产物为FeF3及Fe203,在潮湿状态下两种气体形成酸化物，会被吸收到柑祸壁上疏松的氧化皮上。酸化物质再结合到金属表面区，由此处的高温引起严重的腐蚀，其腐蚀速率随着SF6浓度的增加而加快。为此，极力推荐SF6的浓度最好控制在0.5%以下，同时混合气体的湿度要低。然而，当前各厂所采用的SF6气体混合物的浓度各异，从低到0.2％至高到100％都有，一般应控制在0.2％-0.7％。SF,的消耗量各厂也有所不同，一般每生产1吨零件消耗0. 1-11kg SF6不等，经测定每生产1吨铸件平均大约消耗4kg SF6气体消耗量与金属熔体的表面积有关；其次，炉盖与开口处的密封性的设计也是一个主要环节。
4 降低SF6消耗量的具体措施
4. 1采用合理的防护性气体的混合比
采用防护性气体的合理混合比的主要目的是为了取得既安全又可靠的防护效果，气体混合装置既能控制浓度也可控制流率。这种装置还配备有气压机及空气干燥器。最为主要的是控制好熔体表面气体的浓度。熔体上部大气的容积小，气体应该通过几个喷嘴以高速度供给炉子，以保证在熔体上的大气中有可靠均匀的浓度，分配管可以固定在炉盖的下部。推荐在离开金属液水平面100^-150mm处喷吹，每个喷嘴喷出的气流速度要达到5m／s到lom／s,以补偿熔体上空气中的浮力。同样重要的是气体的供应管道要有足够的截面积，以保证每根导管保持同等的容量。为减
少S凡的分解，所混合的空气务必要干燥。
4. 2炉子要密封
炉子应该密封以减少泄漏。顶盖与增竭之间采用耐火纤维密封垫效果好。炉盖只宜用移动式、不宜用绞链式开启方法。炉子顶盖受高温后容易翘曲变形，宜采用至少为lomm厚度的钢板制作并带有加强筋；炉子操作的窗口也尽可能具有密封性。加料时为避免外界空气窜入，可采用双移动门，防止在直接打开时与外界环境相通。采取这些措施以后，无需随时人为的监控，但是强化组织管理则不可或缺。采用上述分配系统，SF6的消耗量可以得到有效利用。如以双室炉熔化为例，其金属熔体表面积约为0. 9M2，对于熔化率为400kg／h的炉子而言，每吨铸件SF6的消耗量约为0. lkg。
5 关于以S02取代SF6问题
S02能够有效的防止熔体整个表面氧化，以少量的S02出现在炉子的气氛中时，能形成一定的Mg0及MgS04的表面膜。这层膜比起在空气中所形成的单纯的Mg0而言，更加具有弹性和韧性，能有效地保护熔体。但是，S02有毒性，要对所从事工作的环境采取一定的防护措施。还应注意的是SO２与潮湿的空气一接触，将对钢制设备产生腐蚀，进一步还可观察到在柑祸壁上形成沉积物和反应产物，在不利的条件下从炉子处还会引起金属液的喷溅。Hydro的经验认为，炉子中的S叽在空气的浓度低到0.5%，即可以对熔体起到安全保护作用。对环境而言，S02的扩散会引起酸化物质的沉淀，其危害性则不大了。
6 结语
SF6是一种简单而有效的用作镁熔体保护、抗拒氧化的介质，但是联合国政府部门气候变化委员会(IPCC)以及美国世界资源研究所(WRI)已注意到了SF6所产生的温室效应，工业界要很明智地以行动来面对现状，努力减少SF6的消耗。2001年9月在南非举行的第二届“地球首脑会议”上明确＜京都议定书＞将正式生效，我国已成功加入了WTO,更应在这方面加倍努力去完成应尽的职责。生命周期的评估(LCA)是由汽车工业所推行，作为一种工具以评价各种材料在生产过程中以及在回收中对环境所造成的冲击，在评价SF6在镁熔炼业的应用方面得出负面影响的结论。现今已经表明，对现有的SF6的消耗量要求其剧烈的下降，在设备上和操作水平上尚有潜力可挖。以S02取代SF6,只能说是暂时性的远非长远之计。宜另觅途径，采用强力有效措施，方能奏效。
7/6/2011
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