金属熔炼与铸锭 第五讲 有色金属及合金熔体的净化

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1、第五讲第五讲 有色金属及合金熔体的有色金属及合金熔体的净化净化本章要点本章要点: 介绍熔体净化的基本原理和对应的净化处理技术，介绍熔体净化的基本原理和对应的净化处理技术，包括：包括： (1) 熔体脱气和除渣精炼的几种基本原理；熔体脱气和除渣精炼的几种基本原理； (2) 铝、镁、铜合金熔体净化处理技术；铝、镁、铜合金熔体净化处理技术； (3) 不同金属的熔体保护措施。不同金属的熔体保护措施。 有色金属及合金熔体的净化有色金属及合金熔体的净化3第一节第一节 熔体净化原理熔体净化原理 o炉料炉料o炉气炉气o耐火材料耐火材料o熔剂熔剂o操作工具操作工具脱气精炼脱气精炼气体的主要来源气体的主要来源o精心

2、备料、严格精心备料、严格控制熔化、采用控制熔化、采用覆盖剂覆盖剂o在熔炼后期进行在熔炼后期进行脱气精炼，降低脱气精炼，降低熔体中气体含量熔体中气体含量解决措施解决措施预防预防补救补救背景背景脱气精炼脱气精炼目的与方法目的与方法o 目的：脱除溶解于金属中的气体。目的：脱除溶解于金属中的气体。 气体原子扩散至金属表面，然后脱离吸附状气体原子扩散至金属表面，然后脱离吸附状态而逸出；态而逸出； 以气泡形式从金属熔体中排除；以气泡形式从金属熔体中排除； 与加入金属中的元素形成化合物，以与加入金属中的元素形成化合物，以形式排除。形式排除。o 脱气途径脱气途径脱气精炼脱气精炼方法一：分压差脱气方法一：分压差

3、脱气 气体溶解度与金属液气体溶解度与金属液/ /气体接触处该气体分气体接触处该气体分压的平方根成正比。压的平方根成正比。1SKP10exp/2KSHRTK K1 1: :与金属及溶解气体的性质、温度和气体溶解度量单位选择有关的与金属及溶解气体的性质、温度和气体溶解度量单位选择有关的常数，西维尔常数。常数，西维尔常数。S:S:溶解度溶解度p:p:气相中溶解气体的分压气相中溶解气体的分压S S0 0: :常数常数R:R:气体常数气体常数T:T:金属的热力学温度金属的热力学温度H:H:气体在金属中的溶解热气体在金属中的溶解热若要若要S S降低，可降低，可降低降低P P。氢分压差氢分压差分压差脱气原理

4、示意图分压差脱气原理示意图脱气精炼脱气精炼分压差脱气是目前应用分压差脱气是目前应用最广泛、最有效的方法最广泛、最有效的方法方法一：分压差脱气方法一：分压差脱气脱气精炼脱气精炼方法二：预凝固脱气方法二：预凝固脱气 气体溶解度与温度的关系式为：气体溶解度与温度的关系式为：2exp/2SKHRTK K2 2: :与压力有关的常数。与压力有关的常数。S:S:溶解度溶解度R:R:气体常数气体常数T:T:金属的热力学温度金属的热力学温度H:H:气体在金属中的溶解热气体在金属中的溶解热 一般而言，一般而言，H H为正值，故：欲降低金属中气体为正值，故：欲降低金属中气体的溶解度，可通过的溶解度，可通过降低熔体

5、温度降低熔体温度的方式实现。的方式实现。氢在铝中溶解度变化氢在铝中溶解度变化脱气精炼脱气精炼方法二：预凝固脱气方法二：预凝固脱气具体操作：具体操作：高温熔体高温熔体快速快速重熔重熔熔体熔体缓慢缓慢冷却到凝固冷却到凝固浇注浇注 辅以保温措施，保辅以保温措施，保证冷却速度足够慢，给证冷却速度足够慢，给予气体原子结合成分子予气体原子结合成分子并逸出足够的时间并逸出足够的时间 气体逸出通道畅通气体逸出通道畅通 注意熔体保护，防注意熔体保护，防止重新吸气止重新吸气注意事项注意事项本方法缺点在于降低了生产效率本方法缺点在于降低了生产效率脱气精炼脱气精炼方法二：预凝固脱气方法二：预凝固脱气延伸说明：延伸说明

6、：高温熔体高温熔体抑制气体析出抑制气体析出急冷凝固急冷凝固气体过饱和溶于固溶体气体过饱和溶于固溶体气体以过饱和固溶体存气体以过饱和固溶体存在于固相中，处于不稳在于固相中，处于不稳定状态定状态存在的问题：存在的问题：举例说明：举例说明：钢中的氢脆现象。钢中的氢脆现象。脱气精炼脱气精炼方法三：振动除气方法三：振动除气振动的利用：振动的利用： 晶粒细化（晶粒细化（常用常用） 有效除气有效除气振动除气示意图振动除气示意图脱气精炼脱气精炼方法四：氧化除气方法四：氧化除气 同时存在于铜液中的氢和氧有一定的比例关系，氧同时存在于铜液中的氢和氧有一定的比例关系，氧化法除氢就是有意识提高熔体中氧含量，降低氢含量

7、。化法除氢就是有意识提高熔体中氧含量，降低氢含量。举例说明举例说明向铜液中吹入氧气，大量的铜将被氧化：向铜液中吹入氧气，大量的铜将被氧化：4Cu+O2=2Cu2O生成的生成的Cu2O溶于铜液中，随后溶于铜液中，随后Cu2O又与铜液中又与铜液中的氢发生反应：的氢发生反应：Cu2O+2H=2Cu+H2O本方法仅适用于紫铜的精炼本方法仅适用于紫铜的精炼除渣精炼除渣精炼氧化夹杂氧化夹杂形成的夹渣若不在浇形成的夹渣若不在浇注前去除，将在铸锭注前去除，将在铸锭中形成氧化夹杂。中形成氧化夹杂。o 非金属夹杂物的种类和来源非金属夹杂物的种类和来源金属中的非金属化合物，如氧化物、氮化物、金属中的非金属化合物，如

8、氧化物、氮化物、等，统称为等，统称为非金属夹杂物非金属夹杂物，一般简称为夹杂或，一般简称为夹杂或夹渣。夹渣。根据夹渣的形态可分为：薄膜状、团状和颗粒根据夹渣的形态可分为：薄膜状、团状和颗粒状。状。夹渣的来源不同分为：夹渣的来源不同分为：外来夹渣外来夹渣和和内生夹渣内生夹渣。如，铝镁合金常见的有如，铝镁合金常见的有Al2O3、MgO、SiO2等等，铜合金、镍合金中通常为，铜合金、镍合金中通常为Cu2O、NiO、ZnO、SnO2、SiO2、Al2O3等，钢铁中有硫化物、等，钢铁中有硫化物、氢化物等。氢化物等。o 澄清除渣澄清除渣 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当金属熔体在

9、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。而产生上浮或下沉。球形固体球形固体夹杂颗粒在液体中下沉或上浮的速夹杂颗粒在液体中下沉或上浮的速度服从度服从Stokes定律：定律：2212 ()9gvrv是夹杂物上浮或下沉的速度是夹杂物上浮或下沉的速度cm/s，为金属液的黏度为金属液的黏度g/(cms)，r表表示球形夹杂半径示球形夹杂半径cm，2、1分别为金属熔体和夹杂的密度分别为金属熔体和夹杂的密度g/cm3，g是重力加速率是重力加速率cm/s2，H为颗粒升降的距离为颗粒升降的距离。主要靠过热主要靠过热降低熔体黏度、增大夹渣尺寸降低熔体黏度、增大夹渣尺寸等手段以利于与熔体等手段以

10、利于与熔体分离，较大颗粒上浮快分离，较大颗粒上浮快,但在轻金属中效果不明显。但在轻金属中效果不明显。除渣精炼除渣精炼22192()Hrg上升或下沉时间：上升或下沉时间：l T ，则：，则：v，l r，则：，则：v，o 吸附作用吸附作用熔剂滴熔剂滴( (或气泡或气泡) )与固体夹渣间吸附时的能量条件与固体夹渣间吸附时的能量条件润湿角润湿角驱动力：界面能降低驱动力：界面能降低90吸附或润湿较弱吸附或润湿较弱除渣精炼除渣精炼l向金属熔体中导入情性气体向金属熔体中导入情性气体l加入熔剂产生的中性气体加入熔剂产生的中性气体l加入金属熔体中的低熔点熔剂加入金属熔体中的低熔点熔剂与悬浮状态的夹渣相遇时，夹与

11、悬浮状态的夹渣相遇时，夹渣便可能被渣便可能被吸附在气泡或熔剂吸附在气泡或熔剂表面而被带出熔体表面而被带出熔体。根据夹杂物与金属熔体的相对根据夹杂物与金属熔体的相对比重不同，可分别采用上熔剂比重不同，可分别采用上熔剂法和下熔剂法。法和下熔剂法。l上熔剂法：夹渣的比重小于金上熔剂法：夹渣的比重小于金属熔体，多聚集熔池上部及表属熔体，多聚集熔池上部及表面，此时应采用上熔剂法。面，此时应采用上熔剂法。( (重重有色金属及钢铁有色金属及钢铁) )l下熔剂法：夹渣的比重大于金下熔剂法：夹渣的比重大于金属熔体，采用下熔剂法。属熔体，采用下熔剂法。( (镁及镁及镁合金镁合金) )l全熔剂法：熔剂均匀分布于熔全