金属材料熔炼与铸锭

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1、第一部分 有色金属熔炼的基本原理第一章：金属的氧化、挥发和除渣精炼一、响氧化烧损的因素及降低烧损的方法1、影响因素：(1) 金属及其氧化物的性质：与氧的亲和力越大，烧损就越大 致密度越大，则烧损就越大(2) 熔炼温度越高，氧化反应就越厉害，烧损也就越严重(3) 炉气性质：炉气的氧化性强，一般烧损程度也大对于Cu熔炼来说，CO2、H2O呈中性，但有时H2O会有烧损影响,H2、CO 呈还原性。 Cu+H2O=Cu2O+H2(4) 其它因素：炉料的块度越大，烧损程度就越大； 熔炼时间越长，烧损程度也会越大；2、降低氧化烧损的方法从分析影响氧化烧损的诸因素可以看出， 当所熔炼的合金一定时， 主要从熔炼

2、设备和熔炼工艺两方面来考虑。(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后再加入到熔体中，也可以中间合多形 式加入。(3) 采用覆盖剂(4) 正确控制炉温(5) 正确控制炉气性质：对于氧化精炼的紫铜及易于吸氢的合金， 宜采用氧化性炉气。在紫铜熔炼的还原阶段及无氧铜熔炼时，宜用还 原性炉气，并且用还原剂还原基体金属氧化物。(6) 合理的操作方法：例如熔炼含铝、硅的青铜时，应注意操作方 法，避免频繁搅拌，以保持氧化膜完整。(7) 加入少量a 1的表面活性元素，其目的是改善熔体表面氧化 膜的

3、性质，能有效地降低烧损。二、减少杂质污染金属的途径1 、选用化学稳定性高的耐火材料。紫铜、黄铜、硅青铜、锡青铜可用 硅砂炉衬。2、要可能条件下采用纯度较高的新金属料以保证某些合金纯度的要 求。3、火焰炉应选用低硫燃料4、所有与金属炉料接触的工具， 尽可能采用不会带入杂质的材料制作， 或用适当涂料保护好。5、变料或转换合金时，应根据前后两种合金的纯度和性能的要求，对 熔炉进行必要的清洗处理。6、注意辅助材料的选用。7、加强炉料管理，杜绝混料现象。三、金属的脱氧所谓脱氧就是向金属液中加入与氧亲和力比基金属与氧亲和力更 大的物质，将基体金属氧化物还原，本身形成不溶于金属熔体的固态、 液态或气态脱氧产

4、物而被排除的工艺过程。能使基体金属氧化物还原 的物质称为脱氧剂。脱氧方法、原理及特点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 中的氧按式：xM+yO=(M xOy)进行反应。铜用磷脱氧的反应如下： 5Cu2O+2P=P2O5(g)+10Cu6Cu2O+2P=2CuPO3(L)+10Cu2、扩散脱氧：将脱氧剂加在金属熔休表面或炉渣中，脱氧反应仅 在炉渣金属熔体界面上进行。溶于金属中的氧会不断地根据分配定 律向界面扩散和脱氧，故称扩散脱氧。Cu及Cu合金采用硼化镁(Mg3B2)、碳化钙(CuC2)、硼渣(B2O3) 以及木炭、米糠。两种脱氧方式的优缺点： 沉淀脱氧：反应接触面大

5、，反应速度快，效果明显，但易于产生 二次污染，影响金属性能。扩散脱氧：不会污染金属，但脱氧速度慢，脱氧所需时间长。3、真空脱氧原理：降低炉内压力，使脱氧反应有利于朝有气体生成的方向进 行。其特点是：借助形成气态脱氧产物，可增强脱氧剂的脱氧能力， 加快脱氧过程，提高脱氧程度。四、挥发及挥发损失 影响挥发损失的因素： (1) 炉膛面积越大，挥发就越大(2) 如果不断有气流流过，挥发就越大(3) 金属的温度越高， 其蒸气压越大， 挥发 速率越快，挥发损失就越大。五、夹渣和除渣精炼 杂质：能与熔体形成溶液，以原子形态存在，要用化学的方式除 去。如 Cu 液中的 O、S、Fe。夹渣：以机械混和物的形式存

6、在，要用物理方式除去。 除渣精炼的方法：(1) 静置澄清法： 利用比重差作用原理。 此法适用于金属熔体与非 金属夹杂物间密度差较大，且夹杂物颗粒不太小的合金。即在一定精 炼温度、一定时间下，放置澄清。主要用于 Cu 及合金。(2) 主要利用吸附作用原理。操作：通往惰性气体或加入熔剂，产 生精炼气体。主要用于轻金属。(3) 熔剂法：利用熔剂被夹渣的吸附、溶解、化合作用来除渣。a上熔剂法：适用夹渣比重小的情况，女口 Al青铜、Al黄铜；b、下熔剂法：适用夹渣比重大的情况，女口 Mg及合金；c、 全体熔炼法：适用夹渣比重差不较大的情况。如Al及合金。(4) 过滤法：通过过滤器，利用过滤作用原理。主要

7、有网状过滤法、填充床过滤法和刚性微孔过滤法三种方法。第二章：吸气和脱气精炼一、在金属中存在的形态及来源1、铸锭中的气体形态有(1) 以原子的形态溶解于金属晶格内，形成固溶体(2) 以化合物形态存在的a以不溶解的夹渣的形态存在，女口 AI3O3b、以共晶化合物的形态存在，如 Cu20(3) 以气孔的形态存在(气孔主要是氢气，即有吸氢)a溶解于熔体中的原子气体，在凝固过程中因过饱和而析出形成气孔b、浇铸过程中卷入的不溶性气体(N2)形成气孔。c、以H2、H2O分子形态吸附于AI熔体中的AI2O3夹渣表面。2、熔炼过程中遇到的气体(1) 单质气体： O2、 H2、 N2H2 几乎溶解于所有的金属熔体

8、内，形成固溶体，还能与W、Ti、Zr、Ce V、Li、K、Na 形成氢化物。O2能溶解于Cu、Ni、Co、Ag、V、T等，以氧化物的形式存在，也能与 AI 、 Ag、 Si 等形成不溶性，稳定的氧化物。N2能与Al、Mg、Ti、Zr、W、Mo等在高温下形成氮化物(700C以下量少)，在 Cu、Ni、Pb、Sn、Zn、Cr 等中不溶或少溶解（2）化合物气体： H2O、CmHn、SO2、CO、CO2 等a、H2O 在高温下会与 Cu、 Al 等反应，造成大量吸气、氧化。3H2O+2Al=Al2O3+6HH2O+2Cu=Cu2O+2Hb、CmHn炉气的CmHn在高温下发生分解，造成大量吸气。3CH4

9、+4Al=Al4C3+12Hc、S02对Cu、Ni及合金影响较大，使之S、O含量增加。6Cu+SO2=2Cu2O+Cu2S 7Ni+2SO2=4NiO+Ni3S2d、CO2溶解度很小，对Cu及合金显中性或微氧化性。e、CO溶解度很小，对Cu及合金显还原性或中性。二、吸气过程吸气过程即气体在金属中的溶解过程，主要分为吸附和扩散两个 阶段。吸附阶段有两种形式：物理吸附和化学吸附。前都是由分子形 式范德华力而产生吸附的， 后者是由原子形式化学键力而产生吸附的。 扩散过程就是气体原子，从浓度较高的表面向浓度较低的内部运动的 过程。显然浓度差越大，温度越高，扩散速度也越快。综上所述，金属吸收气体由以下四

10、个过程组成： 1）气体分子碰撞 到金属表面； 2）在金属表面上气体分子离解为原子； 3）以气体原子 状态吸附在金属表面上； 4）气体原子扩散进入金属内部。三、脱气精炼脱气精炼的主要目的就在于脱除溶解于金属中的气体。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方法。1、分压差脱气精炼法分压差脱气精炼法可分为气体脱气法、熔剂脱气法、沸腾脱气法 和真空脱气法四种。(1) 气体脱气法又有惰性气体、活性气体和混合气体数种。a、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。其特点是它本身无毒，不腐蚀 设备，操作方便、安全，但脱气效果不够理想。b、活

11、性气体精炼：与惰性气体相对而言。其特点是气体量大，精 炼效果好，同时可以除钠，但活性气体有毒，有害人体健康，腐蚀设 备和污染环境，需有完善的通风排气设备，且所得晶粒易粗大。c、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长处，并减免其害处，因而在生产中获得了广泛应用。2、熔剂脱气法3、真空脱气法真空脱气法分为静态真空脱气法和动态真空脱气法。静态真空脱气法是将熔体置于1030托的真空度下，保持一段时间。动态真空脱 气是将金属液经流槽导入抽至 10 托的真空炉内， 使金属液以分散的液 滴喷落在熔池中。其特点是脱气速度和程度高，并且铜、镍、铝及其 合金也愈来愈多的采和真空熔炼及真空处理脱

12、气法。4、其他脱气方法(1) 化合脱气法： 利用在熔体中加入某种能与气体形成氢化物和氮化物的物质，将金属熔体中的气体脱除的一种方法。(2) 氧化脱气法： Cu2O+2H=2Cu=H2O(3) 振动脱气法 金属液受到高速定向往复振动时，导入金属液中的弹性波会在熔 体内部引起“空化”现象，产生无数显微空穴，于是溶于金属中的气 体原子就以空穴为气泡核心，进入空穴并复合为气体分子，长大成气 泡而逸出熔体，达到脱气的目的。(4) 直流电解脱气法 此法是用一对电极插入金属液中，其表面用熔剂覆盖，或以金属 熔体作为一个电极，另一极插入熔剂中，然后通过直流电进行电解。 在电场作用下，金属中的H+趋向阴级，取得

13、电荷中和后聚合成氢分子 并随即逸出。金属中的其他负离子如 O2-、S2-等则在阳极上释放电荷， 然后留在熔剂中化合成渣而被除去。实验表明，此法不仅能脱气，还 能除去夹渣，可用于铝、铜、镍及其他金属合金。第三章 成分控制一、备料炉料一般包括：新金属料、 纯金属 、 电解 Cu、 电解 Al ； 废料；中间合金。中间合金使用的目的：在于加入某些熔点高、难溶解、易氧化、 易挥发的元素，以使准确控制成份，避免熔体过热，缩短熔炼时间， 减少烧损。中间合金制备方法有四种，即熔合法、热还原法、熔盐电解法及 粉末法。熔合法是把两种和多种金属直接熔化混合成中间合金。热还 原法一般用于铝钛和铜铍中间合金的熔制。熔

14、盐电解法的工艺为：以 电解槽的石墨内衬为阳极，用钼插入铝液中作阴极，以 KCl 和 CeCl3 熔盐作电解液。粉末法是将两种不易熔合的金属分别制成粉末，混合 压块，然后加热扩散制成中间合金，此法优点是合金元素含量高。二、配料配料包括确定计算成分、炉料的计算和过秤吊装，是决定产品质 量和成本的重要一环。配料的首要任务是根据熔炼合金的化学成分、 加工和使用性能，确定其计算成分；其次是根据原材料的库存情况及 化学成分，合理选择炉料种类、品位和配料比。最后根据铸锭规格尺 寸及熔炉容量，按照一定程序，正确计算出每炉的全部炉料量，并进 行过秤和吊装。1、计算成分的确定 定义：在国标里规定的化学成份范围内选

15、择某一确定值作为配料 计算的依据，该值就均为计算成份。确定依据： (1) 易氧化，易挥发元素的烧损率；如 6063 中的 Mg(2) 铸造性能；如 L2 水平连铸， FeSi(3) 加工性能；女口 H65: Cu的含量为64%67%(4) 使用性能；如 6063中的 Mg2Si(5) 节约贵金属。新料烧损率直接加入计算成份内， 而旧料烧损率采用补偿的方法。2、炉料品位及料比的选择新旧料比在 4：6或 6：4范围内，尽可能利用本牌号废料。3、配料计算配料计算有不计算杂质和计算杂质两种方法。当炉料全部是新金 属料和中间合金，或仅有少量一级废料，或单个杂质限量要求不严或 杂质总限量较高时，可不计算杂质。重要用途或杂质控制较严的合金， 或使用炉料级别低，杂质较多的废料，特别是在半连续铸造规格较大 或易于产生裂纹的合金锭时，就要计算杂质。a使用新金属和旧料混合使用时的配料计算例1:配一炉H68,装炉量为500kg，新旧料之比为1:1,本牌号 旧料回炉锌的补偿率为 2%，新料的计算成份为 Cu67%， Zn 余量，计 算各种炉料量。解：(1)计算旧料用量