有色金属熔铸(整理版)

1/9这份是老师上课讲过的内容，整理出来的，可能存在遗漏，仅供大家参考Ⅰ有色金属熔炼的基本原理（1）1.2.1α定义为氧化物的分子体积MV与形成该氧化物的金属原子体积AV之比，即：α=MV/AV(如αAl2O3=MVAl2O3/2AVAL）（2）1.2.1各种金属由于其氧化膜结构不同，对氧扩散的阻力不一样，因而氧化反应的限制性环节及氧化速度随时间的变化规律也不同。当α＞1时，生成的氧化膜一般是致密的、连续的、有保护性的，氧在这种氧化膜内扩散无疑会遇到较大的阻力。(在这种情况下，结晶化学反应速度快，而内扩散速度慢，因而内扩散成为限制性环节。氧化膜逐渐增厚，扩散阻力愈来愈大，氧化速度将随时间的延续而降低。)Al、Be、Si等大多数金属生成的氧化膜具有这种特性。当α＜1时，氧化膜是疏松多孔的，无保护性的。(氧在这种氧化膜内扩散阻力将比前者小得多。在这种情况下，限制性环节将由扩散变为结晶化学反应。氧化反应速度为一常数。)碱金属及碱土金属（如Li、Mg、Ca）的氧化膜具有这种特性。当α1时，这是一种极端情况，大量过渡金属如铁的氧化膜就是如此。这种十分致密但内应力很大的氧化膜增长到一定厚度后即行破裂，这种现象周期性出现，故氧化膜也是非保护性的。(严格地讲，金属不仅依靠氧在氧化膜中的扩散，还存在着金属在离子向气相-氧化膜界面扩散和氧负离子向金属-氧化膜界面扩散。当氧化膜很致密且氧的扩散阻力很大时，氧化膜内离子的扩散将占很大的比重。研究表明，氧化物的晶体与金属一样，在绝对零度以上的温度时包含有点阵缺陷，例如阴离子空位或阳离子空位及填隙原子等。离子的迁移速率取决于氧化膜的点阵缺陷的性质。)（3）1.3.1影响金属氧化烧损的因素①金属及氧化物的性质。纯金属氧化烧损的大小主要取决于金属的亲和力和表面氧化膜的性质。合金的氧化烧损程度因加入合金元素而异。②熔炼温度。熔炼温度越高，氧化烧损就越大。③炉气性质。炉气的氧化性强，一般氧化烧损程度也大。④其他因素。使用不同的炉型，其熔池形状、面积和加热方式不同，氧化烧损程度也不同；炉料块度越小，表面积越大，其烧损也越严重；在其他条件一定时，熔炼时间越长，氧化烧损也越大；等等。（4）1.3.2降低氧化烧损的方法①选择合理炉型。尽量选用熔池面积较小、加热速度快的熔炉。②采用合理的加料顺序和炉料处理工艺。易氧化烧损的炉料应加在炉料下层或待其他炉料熔化再加入到熔体中，也可以中间合金形式加入。碎屑应重熔或压成高密度料包后使用。③采用覆盖剂。易氧化的金属和各种金属碎屑应在熔剂覆盖下熔化和精炼。④正确控制炉温。在保证金属熔体流动性及精炼工艺要求的条件下，应适当控制熔体温度。⑤正确控制炉气性质。所有活性难熔的金属，只能在保护性气氛或者真空条件下进行熔炼。⑥合理的操作方法。铝和硅的氧化膜在熔炼温度下有一定的保护作用。在熔炼铝合金及含铝、硅的青铜时，应注意操作方法，避免频繁搅拌，以保证氧化膜完整。这样做即使不用覆盖剂保护，也可有效地降低氧化烧损。⑦加入少量α＞1的表面活性元素。其目的是改善熔体表面氧化膜的性质，能有效地降低2/9烧损。（5）1.4.1杂质的吸收和积累杂质的吸收和积累主要是由于金属熔体与炉衬、炉渣、炉气及操作工具相互作用，或因混料造成的结果。①从炉衬中吸收杂质。②从炉气中吸收杂质。③从熔剂和熔炼添加剂中吸收杂质。④从炉料及炉渣中吸收杂质。（6）1.4.3杂质元素的氧化氧化精炼的实质是利用氧将金属中的杂质氧化成渣或生成气体而排出的过程，其热力学条件是：杂质元素对氧的亲和力大于基体金属对氧的亲和力。..........(),{}与[]的意义（7）1.4.4.2脱氧方法及特点①沉淀脱氧：把脱氧剂M加入到金属熔体中，使它直接与金属中的氧进行反应。②扩散脱氧：扩散脱氧是将脱氧剂加在金属熔体表面或炉渣中，脱氧反应仅在炉渣-金属熔体界面上进行。③真空脱氧：真空脱氧的特点是，借助形成气体脱氧产物，可增强脱氧剂的脱氧能力，加快脱氧过程，提高氧化程度。一些低氧化物的挥发自脱氧，也有促进真空脱氧的作用。（8）1.6.2除渣精炼原理①比重差作用。当金属熔体在高温静置时，非金属夹杂物与金属熔体比重不同，因而产生上浮或下沉。比重差作用原理主要适用于Cu及Cu合金中。②吸附作用。向金属熔体中导入惰性气体或加入溶剂产生的中性气体，在气泡上浮过程中，与悬浮状态的夹渣相遇时，夹渣便可能被吸附在气泡表面而被带出熔体。通常适用于Al及Al合金中。③溶解作用。非金属夹杂物溶解于液态溶剂中后，可随溶剂的浮沉而脱离金属熔体。适用于Al及Al合金中。④化合作用。化合作用是以夹渣和溶剂之间有一定亲和力并能形成化合物或络合物为基础的。适用于熔炼温度较高的铜、镍等合金。⑤机械过滤作用。当金属熔体通过过滤介质时，对非金属夹杂物的机械阻挡作用。过滤介质间的空隙越小，厚度越大，金属熔体流速越低，机械过滤效果越好。适用于含有与熔体密度相差不大、粒度甚小而分散度极高的非金属夹杂物的金属。（9）1.6.3除渣精炼方法①静置澄清法。此法适用于金属熔体与与非金属夹杂物间密度差较大，且夹杂物颗粒不太小的合金。静置澄清法一般是让金属熔体在精炼温度和熔剂覆盖下保持一段时间，使夹杂物上浮或下沉而除去。②浮选法。浮选法是利用通入熔体的惰性气体或加入的熔剂所产生的气泡，在上浮过程与悬浮的夹杂相遇时，夹渣被吸附在气泡表面并带到熔体液面的熔剂中去。此法对于熔点较低的铝合金、镁合金等较为有效。③溶剂法。溶剂法是通过熔剂与夹渣之间的吸附、溶解和化合等作用而实现除渣的。上溶剂法：若夹渣的比重小于金属熔体，它们多聚集于熔池上部及表面，此时应采用上3/9溶剂法。重有色金属及钢铁多采用此法。下溶剂法：若夹渣的比重大于金属熔体，则多聚集于熔池下部或炉底，且自上而下逐渐增多，此时应采用下溶剂法，又称沉淀熔剂除渣精炼法。镁及镁合金多采用此法。另外，还有一种所谓全体溶剂法，多用于铝及铝合金。④过滤法。根据所使用的过滤介质不同，过滤法可分为下列几种：网状过滤法：此法是让熔体通过由玻璃丝或耐热金属丝制成的网状过滤器，夹渣受到机械阻挡而与熔体分离。这对于除去薄片状氧化膜和大块夹渣效果显著。（优点：结构简单，制造方便，可安装在静置炉到结晶器之间的任何部位；缺点：只能滤掉比网格尺寸大的夹渣，净化作用较差，过滤器易于破损，寿命短，需频繁更换）填充过滤法：填充床除具有机械阻挡作用外，还有过滤介质与夹渣之间的吸附、溶解或化合作用。该法的优点是熔体与过滤介质之间有较大的接触面积，过滤效果比网状过滤法要好。刚性微孔过滤法：刚性微孔过滤器分陶瓷微孔过滤器和陶瓷泡沫过滤器......（10）1.6.4影响熔剂除渣精炼效果的因素①精炼温度。在熔剂一定时，影响熔剂吸附、溶解和化合物造渣作用的主要因素是温度。要提高化合和溶解造渣效果，就要提高精炼温度。控制精炼温度时要兼顾除渣、脱气两方面。一般是先用高温进行除渣精炼，然后在较低的温度下进行脱气，最后保温静置。②熔剂。熔剂的造渣能力强，除渣精炼效果就好。溶质的吸附、溶解和化合造渣能力与其结构、性质及熔点等有关。③精炼时间。一般在加入精炼溶剂并充分搅拌后，或在金属液转注到保温炉或中间浇包后，应使金属液静置一段时间，使熔剂和夹渣能上浮到液面或下沉到底部去。⑤其他因素。生产中通常使用粉状熔剂，并在熔体中充分搅拌以增大熔剂与夹渣的接触面积和碰撞机率，等。（11）2.1.1①气体在铸锭中的三种存在形态：固溶体、化学物和气孔。②溶解于金属熔体中的气体，在铸锭凝固时析出来最易形成气孔。这些气孔中的气体主要是氢气，故一般所谓金属吸气，主要指的就是氢气。金属中的含气量，也可以近似地视为是氢量。因此，脱气精炼主要是指从熔体中除去氢气。（12）2.1.2气体的来源①炉料。金属炉料中一般都溶解有不少气体，表面有吸附的水分，电解金属上残留有电解液。②炉气。非真空熔炼时，炉气是金属中气体的主要来源之一。炉气的成分随所用燃料和燃烧情况不同而异。③耐火材料。耐火材料表面吸附有水分，停炉后残留炉渣及熔剂也能吸附水分。④熔剂。许多溶剂都含有结晶水，精炼用气体中也含有水分。为减少气体来源，熔剂和精炼用气体均应进行干燥或脱水处理。⑤操作工具。与熔体接触的操作工具表面吸附有水分，烘烤不彻底时，也会使金属吸气。（13）2.4脱气精炼金属中脱除途径有三：一是气体原子扩散至金属表面，然后脱离吸附状态而逸出；二是以气泡形式从金属熔体中排除；三是与加入金属中的元素形成化合物，以非金属夹杂物形式排除。脱气精炼的主要目的，就在于脱除溶解于金属中的气体。4/9根据脱气原理的不同，脱气精炼可分为分压差脱气、化合脱气、电解脱气和预凝固脱气等。（14）2.4.3分压差脱气精炼法①气体脱气法。所用气体有惰性气体、活性气体和混合气体。此外，还有在精炼气体中加入固体溶剂粉末的气体和熔剂混合物脱气法。惰性气体精炼：惰性气体是指那些本身不溶于金属熔体，且不与熔体中的元素发生化学反应的气体，如铝合金常用的氮气和氩气等。惰性气体脱气效果不够理想。惰性气体在导入熔体前必须进行脱水处理和净化处理。活性气体精炼法：如铝合金用氯气脱气效果较好。一般认为活性气体脱气效果好，并有除钠的作用。混合气体精炼：混合气体精炼能充分发挥惰性气体和活性气体的好处，并减免其害处，因而在生产中获得了广泛的应用。②熔剂脱气法。使用固态熔剂脱气时，将脱水的熔剂用钟罩压入熔池内，依靠溶剂的热分解或与金属进行的化学反应所产生的挥发性气泡，达到脱氢的目的。近年来铸铝行业广泛使用各种“无毒精炼溶剂”，其除有精炼作用外，对Al-Si合金还有一定的变质作用，故又称“无毒精炼变质综合处理剂”。但精炼时烟尘较多，渣多，金属损耗也较大。③沸腾脱气法。沸腾脱气法是利用金属本身在熔炼过程中产生的蒸汽泡内外气体分压差来脱气的。这种方法仅适用于高锌黄铜的脱气。④真空脱气法。其特点是脱气速度和程度高，是一种有效的脱气方法。其可分为静态和动态真空脱气法。⑤其他脱气方法：化合脱气法、预凝固脱气法、振荡脱气法、直流电解脱气法。（15）2.5联合在线精炼：提高铝合金产品的质量和产量，降低成本，减少能耗和防止公害。FILD法:略SNIF法:略MINT法:略（16）3.1配制合金所用的炉料一般包括新金属料、废料及中间合金等三种。（17）熔剂（熔剂在熔炼中的作用，铝合金常用熔剂配方及铜合金常用熔剂配方）熔剂按用途分,可分为覆盖剂、精炼剂、氧化剂和还原剂。按照熔剂的性质可分为酸性、碱性和中性熔剂。（熔剂与金属熔体直接接触，参与其间的物理化学反应和传热过程。通过对所使用的熔剂成分、性能和加入量的调整，可以提高除渣脱气精炼效果，减少金属氧化、吸气、挥发和与炉衬的相互作用，提高金属质量和收得率以及延长炉衬寿命。同时还可借熔剂来加入合金微量元素和作变质剂，以抑制一些微量杂质的有害作用，改善合金的工艺性能。此外，电渣炉中的熔剂作为电阻发热体，起着重要的精炼意义。）铝合金覆盖剂50%NaCl+50%KCl精炼剂细化剂45%NaCl+40%NaF+15%Na3AlF6?（实验中：精炼剂C2Cl6变质剂67%NaF+33%NaCl晶粒细化剂75%K2TiF6+25%KBF4）（铜合金常用木炭和米糠作覆盖剂。）5/9Ⅱ有色金属铸锭凝固基本原理（18）4.1.1液体金属的对流可分为三种：浇注时流柱冲击引起的动量对流，金属液体内温度和浓度不均引起的自然对流，电磁场或机械搅拌及振动引起的强制对流。（19）4.1.3对流对结晶过程的影响金属的对流能引起金属液冲刷模壁和固液界面，造成温度起伏，导致枝晶脱落和游离，促进成分均匀化和传热。对流造成的温度起伏，可以促使枝晶熔断。在对流的作用下．熔断的枝晶将脱离模壁或凝壳，并被卷进铸锭中部的液体内，如它们来不及完全重熔，则残留部分可作为晶核长大成等轴晶。对流的冲刷作用也可促使枝晶脱落。因为铸锭在凝固过程中，由于溶质的偏析，枝晶根部产生缩颈，此处在对流的冲刷作用下易于断开，从而出现枝晶的游离过程。晶体的游离有利于金属液内部晶核的增殖，因而有利于等轴晶的形成。强制对流同样对结晶过程有着重大的影响。但是实际生产中常常利用强制