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1、铸造铜及铜合金的熔炼第一章 炉料和配料第一节 金属熔炼损耗 定义：金属熔炼损耗指熔炼过程中，金属的挥发、氧化烧损、与炉衬作用的消耗等全部损耗的总和。 一、挥发在熔炼过程中，金属的挥发是难以避免的，特别是一些易挥发元素有时会因挥发损失过大致使控制成分发生困难；故在熔炼工艺上应视情况采取相应措施。挥发损失主要取决于金属的蒸汽压；此外，与其浓度和氧化膜性质、熔炼温度和时间、炉气性质和压力、熔炼设备和炉膛面积等因素有关。金属的蒸汽压随温度的升高而增加。金属的蒸汽压愈大或沸点愈低，挥发损失愈大。提高金属的熔炼温度，其蒸汽压和挥发损失也相应增加。在实际生产中，一般熔炼温度越高、时间越长、易挥发的元素含量越
2、多、炉膛 砷 镉 锌 镁 钡 钙 锑 铋 铅 铝 银 锡 铜 硅 金 二、氧化烧损熔融金属中合金元素的氧化烧损，与合金元素对氧的亲和力及含量有关，凡与氧的亲和力比基体金属大、表面活性强的元素，必然易于烧损；如铜合金中的铝、锆、钛、硅、锰、铬、锌、磷、铅等，均比铜更易氧化烧损。所以，从各种合金元素对氧的亲和力及氧化膜的性质，便可估计出合金元素氧化烧损的趋势。 三、其他金属损耗1、 熔融金属或金属氧化物与炉衬材料之间的化学作用，造成金属损耗。2、 金属在熔炼时，熔融金属因静压力作用可能渗入炉衬缝隙，而导致高温区局部熔化，使渣量及渣中金属损耗增加，这种情况在新炉开始生产和炉子快损坏时较易出现。 此外
3、，机械混入渣中的金属，以及扒渣、飞溅等也造成金属损失。 四、降低熔炼损耗的方法：1、 选用熔池面积小的炉子熔炼。如采用工频炉代替反射炉。2、 制定合理的操作规程。易氧化、挥发的合金元素应制成中间合金在最后加入，或在熔剂覆盖下熔化。装料时要做到炉料合理分布，尽量采用高温快速熔化，缩短熔炼时间。熔炼黄铜时采用低温加锌。3、 碎屑散料应制成捆或团使用。4、 正确控制炉温。在保证熔融金属的流动性及其它工艺要求的条件下，选择适当的熔炼温度。5、 炉气一般以控制微氧化性气氛较好；6、 选用覆盖剂可防止金属氧化和减少挥发损失。含有铝、铍等元素的合金，由于能在熔融金属表面形成致密的氧化膜，一般不再加覆盖剂；但
4、操作中应注意勿使氧化膜遭到破坏；7、 正确选择覆盖剂或熔剂，使具有足够的流动性和覆盖能力，同时采取高温扒渣、捞渣等措施，降低渣中金属损耗。8、 利用脱氧剂使基体金属的氧化物还原。（*）9、 采用真空熔炼或保护性气体熔炼。 第二节 杂质的控制 一、杂质的来源在熔炼过程中，大多数杂质是金属从炉衬、炉气、熔剂、炉渣、操作工具等方面吸收的。 如炉衬材料选用不当时，在熔炼温度下，金属就会与炉衬相互作用，不仅降低炉衬寿命，而且会使某些杂质进行金属。如在酸性炉衬的工频炉中熔炼铝青铜时，会使合金增硅。燃料不纯时也会增加杂质，如用含硫高的煤气或重油作燃料时，在加热和熔炼铜、镍的过程中，会因下列反应而增硫： Cu
5、 + S = Cu2SNi + S = Ni3S当铜和铜合金用米糠作覆盖剂，镍和镍合金用稻草灰作覆盖剂时，都会使金属增磷。从炉衬、炉气、覆盖剂或熔剂中吸收的杂质，虽然每次熔炼所吸收的量很小，但由于部分炉料经反复使用，杂质含量也有可能逐步积累增多，甚至造成报废。许多杂质在熔炼中的烧损比合金的组成元素少，反复回炉熔炼会使杂质相对含量增加。因此，生产中新金属与旧料的使用量一般保持一定比例，使杂质不超过一定含量。此外，变料时洗炉不彻底，炉料管理不善，原料的混料等都会使金属中杂质增多。二、控制杂质的途径1、 加强炉料管理，杜绝混料2、 在可能条件下，新金属和旧料搭配使用，旧料的使用量不超过炉料的50；3
6、、 变料时，必须按金属的杂质要求，准确计算洗炉次数；4、 选用化学稳定性高的耐火材料。如镍合金用镁砂炉衬，铝青铜用中性炉衬等；5、 与熔融金属接触的工具，尽可能采用不易带入杂质的材料，或用涂层保护。第三节 炉料 炉料包括：新金属、厂 新金属：电解铜、电解镍、电解锌、电解锡2、 厂 外来废料：如紫铜、白铜角料、火烧铜4、 二次重熔料：铜块装料顺序及原则：1、 炉料入炉前应检验化学成分及杂质含量；2、 炉料应该清洁干燥、无尘土、油污、腐蚀物3、 为装炉方便，锭块要堆垛整齐，边角料要打包制团，散料应装入料斗等，以减少装炉时间。原则：1）炉料中总质量最多的金属应最先入炉，即基体金属首先入炉。如熔炼铜合
7、金时，先熔铜。2）易氧化，易挥发的合金元素，应留到最后装炉和熔化。3）合金熔化放出大量热的金属，不应单独加入，而应与预先留下的基体冷却料同时加入。如将铝加入到铜液中，所放出的热量，可使局部温度升高200度以上。4）一般两种熔点相差较大的金属，应先装入易熔金属，然后再加入难熔金属，利用难熔金属的熔解作用，使其逐渐溶解于低熔点金属中。如熔炼白铜时，由于铜（1083）的熔点比镍（1451）低出较多，故先熔铜后加入镍，只需在1250-1270时镍可全部熔化。如硅青铜熔炼时，将硅和锰先熔化在感应炉起熔体中，合金熔体含气量大为减少。第四节 中间合金 一、使用目的与要求1）便于加入某些熔点高、易氧化燃烧或挥
8、发的元素到合金中去；2）有利准确控制合金的化学成分；3）避免金属液过热，减少熔炼损耗；4）缩短熔化时间。第二章 熔炼与铸造第一节 除气和脱氧 一、气体的来源能溶解于金属中的气体，主要是氢和氧。在熔炼过程中，气体的主要来源有：1、 炉气：非真空熔炼时，炉气是金属中气体的主要来源。在炉气中除含有氧、氮外，还含有水汽、氢、一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫和碳氢化合物等。炉气的成分随使用的燃料和燃烧的情况的不同而变化；如以重油或煤气做燃料的反射炉或坩埚炉中，常含有5-10的水汽和较多的氢、一氧化碳等。2、 炉料：电解金属表面大都有残留电解液，加工车间返回料大都含有油、水、乳液等。外来废料大都有水腐蚀物、锈
9、蚀等。特别是露天堆放和潮湿季节，炉料表面吸附有水分。这些都会使金属在熔炼过程中吸收较多的氢。3、 耐火材料：耐火材料中所含水分也能促使金属吸气，新炉开始生产时尤为严重。4、 熔剂：许多熔剂都带有水分，其中一些（如木炭、米糠等）含有吸附的水分，有些熔剂（如硼砂）本身带有结晶水。为减少熔炼过程中气体的来源，熔剂应进行干燥或脱水处理。5、 操作工具：操作工具预热不彻底，也会增加金属的含气量。 二、气体的溶解过程及溶解度气体在金属中溶解度：金属在固体时，气体的溶解度很小，随着温度的上升溶解度缓慢增加，到熔点温度时溶解度急剧增加，继续提高熔融金属的温度，气体溶解度继续增加，到某一最大点后开始下降，到金属
10、的沸点温度时，气体溶解度几乎等于零。不同的合金元素对气体在合金中的溶解度的影响也不同，某些元素如镍等与气体有较大的结合力，使合金中的气体的溶解度增加。另上些元素如铝、锡等能使气体在合金中的溶解度降低。铜合金中合金元素对氢气溶解度的影响如下：Cu+Ni > Cu+Pb > Cu+Ag > Cu+Au > Cu+Sn > Cu+Al 三、除气方法：1、 气体除气法：一种为惰性气体（如N2等），另一种是活泼气体（如Cl2等）气泡越小，数量越多，对除气是有益的。但由于气泡上浮的速度大，通过熔体的时间短，且气泡不可能均匀分布于整个熔体中，故用此法除气不容易彻底；随着熔体中含
11、氢量的减少，去气效果显著降低。2、 熔剂除气法：熔剂除气是利用熔盐的热分解或与金属进行置换反应，产生不溶于熔体的挥发性气泡而将氢除去。如铝青铜常用冰晶石熔剂除气，白铜和镍合金常用萤石、硼砂、碳酸钙等熔剂除气。熔剂精炼时，一般将干燥的熔剂用带孔罩压入熔池中。为了提高除去效果，也可采用干燥氮气将粉状熔剂吹入熔池中。熔剂在除气的同时，还可去渣。3、 沸腾除气：在工频炉熔炼高锌黄铜时常用的一种方法。但需具备两个条件：一是高锌黄铜的沸腾温度较低，二是熔沟部分熔体温度较高。铜锌合金的沸腾温度随锌含量的增加而降低。由于工频炉中熔沟部分熔体温度最高，首先形成锌的蒸汽泡随即上浮。伴着熔池温度的升高，炉膛 其他除
12、气法：1）冷凝除气；2）振荡除气；3）直流电解除气 四、脱氧过程使金属熔体中的氧化物还原而除去氧的过程称为脱氧。熔融金属及合金中的脱氧过程属于置换反应，凡在操作条件下，能从熔融金属中取得氧的任何物质，即氧化物的分解压比被脱氧金属氧化物的分解压为低的元素，一般都可作为脱氧剂。 五、脱氧剂分为表面脱氧剂和溶解于金属的脱氧剂两种。表面脱氧剂基本上不溶于金属，脱氧作用仅在与金属接触的表面进行，脱氧速度较慢。它的优点不溶于金属，脱氧剂不会影响金属的质量。常用的表面脱氧剂有：碳化钙、硼化镁、木炭、硼 （B2O3）等。溶于金属的脱氧剂，能在整个熔池中与熔融金属中的氧化物相互作用，脱氧效果好得多。缺点是剩余的
13、脱氧剂将留于金属中而影响金属的性能。常用的脱氧剂有：磷、硅、锰、铝、镁、钙、钛、锂等。这些元素可以中间合金的形式加入。脱氧反应所产生的细小固体氧化物，使金属的粘度增大，或成为金属中分布不均匀的夹杂物，故应控制加入量。对脱氧剂的要求：1. 对金属或合金的性能无害。2. 脱氧产物最好不溶于熔融金属，且容易除去。3. 脱氧剂应足够活泼，即脱氧产物应与熔融金属在比重和熔点上有较大的差别。 铜磷中间合金除能脱氧外，并能改善合金的流动性，在铜合金生产中应用较广。第二节 精炼1、 氧化精炼2、 除渣精炼3、 熔剂：使用熔剂的作用是：防止吸气、氧化；除气、除渣；细化晶粒；通过熔剂加入某些元素。 熔剂按用途分覆
14、盖剂、精炼剂、氧化剂、还原剂、变质剂。按化学性质又分为酸性、碱性、中性三大类。酸性熔剂如硼砂、硅砂等，用来除去碱性和中性如氧化物；而碱性熔剂如苏打、碳酸钙，则用以除去酸性及中性氧化物；中性熔剂有碱金属、碱土金属的氯盐和氟盐，如KCL、NaCl、CaCl2、CaF2等以及木炭、米糠、玻璃等。铜和铜合金常用木炭、米糠等作覆盖剂，既可保温和防氧化，又可结渣和改善流动性。第三节 变质处理变质处理是金属或合金在熔铸过程中，广泛应用于改善材料性能、提高产品质量的重要手段。变质处理的方法很多，如加变质剂、机械振动、超声波振动、快速冷却等。变质剂的作用有：1） 细化晶粒2） 使合金中高熔点化合物的粗大晶粒改变
15、形状，并均匀分；3） 使晶界上的链状低熔点物减少并球化，或形成细粒高熔点化合物；4） 提高高温塑性。常用变质剂有：合金 变质剂 加入方法 变质效果H62 Fe 铜铁中间合金加入炉 细化晶粒、提高冷加工塑性6.5-0.1 Ce 铜基中间合金，出炉前加入 细化晶粒、提高高温塑性、提高抗张强度 铝青铜 Mn 纯金属，出炉前加入 细化晶粒B10、B30 Ti 纯金属，出炉前加入 细化晶粒、提高高温塑性孟奈尔 Ti 纯金属，完全熔化后加入 细化晶粒、消除硫的影响 第四节 熔炼工艺参数 一、熔炼工艺参数选择1、制定加料顺序的原则：1） 先加数量较多的炉料，在实际生产中，一般先加不少于炉料的30的金属；2） 具有较高蒸汽压的金属应最后加入；3）
