金属熔炼与铸锭-第五讲-有色金属及合金熔体的净化课件.ppt

第五讲 有色金属及合金熔体的净化,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，包括：(1)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；(3)不同金属的熔体保护措施。,有色金属及合金熔体的净化,3,第一节 熔体净化原理,炉料炉气耐火材料熔剂操作工具,脱气精炼,气体的主要来源,精心备料、严格控制熔化、采用覆盖剂在熔炼后期进行脱气精炼，降低熔体中气体含量,解决措施,预防,补救,背景,脱气精炼,目的与方法,目的：脱除溶解于金属中的气体。,气体原子扩散至金属表面，然后脱离吸附状态而逸出；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，以非金属夹杂物形式排除。,脱气途径,脱气精炼,方法一：分压差脱气,气体溶解度与金属液/气体接触处该气体分压的平方根成正比。,K1: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。,S:溶解度,p:气相中溶解气体的分压,S0:常数,R:气体常数,T:金属的热力学温度,H:气体在金属中的溶解热,若要S降低，可降低P。,氢分压差,分压差脱气原理示意图,脱气精炼,分压差脱气是目前应用最广泛、最有效的方法,方法一：分压差脱气,脱气精炼,方法二：预凝固脱气,气体溶解度与温度的关系式为：,K2:与压力有关的常数。,S:溶解度,R:气体常数,T:金属的热力学温度,H:气体在金属中的溶解热,一般而言，H为正值，故：欲降低金属中气体的溶解度，可通过降低熔体温度的方式实现。,氢在铝中溶解度变化,脱气精炼,方法二：预凝固脱气,具体操作：,高温熔体,快速重熔,熔体缓慢冷却到凝固,浇注,辅以保温措施，保证冷却速度足够慢，给予气体原子结合成分子并逸出足够的时间 气体逸出通道畅通,注意熔体保护，防止重新吸气,注意事项,本方法缺点在于降低了生产效率,脱气精炼,方法二：预凝固脱气,延伸说明：,高温熔体,抑制气体析出,急冷凝固,气体过饱和溶于固溶体,气体以过饱和固溶体存在于固相中，处于不稳定状态,存在的问题：,举例说明：,钢中的氢脆现象。,脱气精炼,方法三：振动除气,振动的利用：,晶粒细化（常用）有效除气,振动除气示意图,脱气精炼,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,向铜液中吹入氧气，大量的铜将被氧化：,4Cu+O2=2Cu2O,生成的Cu2O溶于铜液中，随后Cu2O又与铜液中的氢发生反应：,Cu2O+2H=2Cu+H2O,本方法仅适用于紫铜的精炼,除渣精炼,氧化夹杂,形成的夹渣若不在浇注前去除，将在铸锭中形成氧化夹杂。,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、等，统称为非金属夹杂物，一般简称为夹杂或夹渣。根据夹渣的形态可分为：薄膜状、团状和颗粒状。夹渣的来源不同分为：外来夹渣和内生夹渣。如，铝镁合金常见的有Al2O3、MgO、SiO2等，铜合金、镍合金中通常为Cu2O、NiO、ZnO、SnO2、SiO2、Al2O3等，钢铁中有硫化物、氢化物等。,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而产生上浮或下沉。球形固体夹杂颗粒在液体中下沉或上浮的速度服从Stokes定律：,v是夹杂物上浮或下沉的速度cm/s，为金属液的黏度g/(cms)，r表示球形夹杂半径cm，2、1分别为金属熔体和夹杂的密度g/cm3，g是重力加速率cm/s2，H为颗粒升降的距离。,主要靠过热降低熔体黏度、增大夹渣尺寸等手段以利于与熔体分离，较大颗粒上浮快,但在轻金属中效果不明显。,除渣精炼,上升或下沉时间：,T，则：v，r，则：v，,吸附作用,熔剂滴(或气泡)与固体夹渣间吸附时的能量条件,润湿角,驱动力：界面能降低,90吸附或润湿较弱,除渣精炼,向金属熔体中导入情性气体加入熔剂产生的中性气体加入金属熔体中的低熔点熔剂,与悬浮状态的夹渣相遇时，夹渣便可能被吸附在气泡或熔剂表面而被带出熔体。,根据夹杂物与金属熔体的相对比重不同，可分别采用上熔剂法和下熔剂法。上熔剂法：夹渣的比重小于金属熔体，多聚集熔池上部及表面，此时应采用上熔剂法。(重有色金属及钢铁)下熔剂法：夹渣的比重大于金属熔体，采用下熔剂法。(镁及镁合金)全熔剂法：熔剂均匀分布于熔体中。(铝合金),熔剂法除渣示意图(a)上熔剂法；(b)下熔剂法1熔剂；2熔剂夹渣,除渣精炼,吸附作用熔剂,熔剂的吸附能力取决于化学组成。对铝合金，在其他条件相同时，氯化物的吸附能力比氟化物好；碱金属氯化物比碱土金属好；氯化钠和氯化钾的混合物比纯氯化物好；在氯化钠和氯化钾的混合物中加入少量氟化物如冰晶石，其吸附能力大为提高。,影响吸附的因素,除渣精炼,溶解除渣 非金属夹杂物溶解于液态熔体中后，可随熔剂的浮沉而脱离金属溶体。熔剂溶解夹渣的能力取决于它们的分子结构和由此而产生的化学性质。,冰晶石（Na3AlF6）的化学分子结构与氧化铝极为相似，在一定温度下可互溶，是溶解Al2O3的最好熔剂,除渣精炼,化合作用 化合作用是以夹渣和熔剂之间有一定亲和力并能形成化合物或络合物为基础的。碱性氧化物和酸性熔剂，或酸性氧化物与碱性熔剂在一定温度条件下是可相互作用形成体积更大，熔点较低，且易于与金属分离的复盐式炉渣。根据其比重大小，在熔体中可上浮或下沉而除去。由于化合造渣反应是多相反应。其总的反应速率主要取决于扩散传质速率。因此，反应的温度和浓度等条件对化合造渣影响很大，故熔炼温度较高的钢、镍等合金更适合用化合造渣精炼法。,除渣精炼,化合作用：碱性氧化物MeO与酸性溶剂MxOy发生造渣反应：熔炼铜、镍合金及钢时，广泛应用上述造渣作用。例如：铜液中的CuO（或FeO）与溶剂或炉衬中的SiO2（或Al2O3）作用，反应为,除渣精炼,过滤除渣：所谓机械过滤作用，是指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。此外，过滤介质还有对夹杂物的吸附作用。,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。,除渣精炼,22,第二节 铝及铝合金的熔体净化处理,按作用原理：吸附精炼 气体 熔剂 过滤 非吸附精炼 静置处理 真空处理 超声波处理 预凝固处理,铝合金熔体净化,方法分类,按精炼部位：炉内精炼 在线式精炼,炉内精炼,惰性气体吹洗,铝合金熔体炉内处理,利用通入熔体的惰性气体，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溶剂中去。对于熔点较低的铝合金、镁合金等较为有效。气泡数目多尺寸小，浮选效果好。惰性气体一般为氮气和氩气。,惰性气体除渣原理示意图,活性气体精炼,铝合金用氯气脱气效果好。上式是主要反应，生成大量沸点为183的三氯化铝，在熔炼温度下，其蒸气压约为23atm，在熔池中以气泡形式上浮而起脱气作用。特点：效果好并有除钠作用。氯气有毒，有害人体健康、腐蚀设备。,铝合金熔体炉内处理,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，并避免其害处，应用广泛。主要有：10-20%Cl2+90-80%N2；15Cl2+11%CO+74%N2。氯气参加的脱气反应为放热反应，气体总量增加，且生长的AlCl3气泡细小，使金属熔体与气泡间界面积增大，可加速脱气速率。,铝合金熔体炉内处理,气体的纯度和导入方式对脱气效率的影响显著。氧含量小于0.03%，水分不超过3.0g/L.,精炼气体导入方式对脱气效果的影响1直管，2多孔塞砖，3旋转喷嘴,混合气体精炼,铝合金熔体炉内处理,氯盐的精炼作用主要是基于氯盐和铝熔体的反应。通常的氯盐加入剂包括氯化锌、氯化锰、四氯化钛、六氯乙烷等。,氯盐精炼,铝合金熔体炉内处理,使用固态溶剂脱气时，将脱水的熔剂用钟罩压入熔池内，依靠熔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。如铝合金及铝青铜等常用含有氯盐的熔剂脱气：2Al3MeCl2AlCl33Me同一重量的熔剂产生的气体量越多则脱气效果越好。C2Cl6产生的气量比MnCl2多1.5倍，所以脱气效果好。,熔剂脱气法,铝合金熔体炉内处理,真空脱气法,活性难熔金属及其合金、耐热及精密合金等，采用真空熔铸法脱气效果较好。脱气速度和程度高。静态真空脱气法和动态真空脱气法。,动态真空脱气比静态法时间短、效果好。,动态真空脱气示意图1出品，2炉体，3喷嘴，4密封板，5熔剂喷嘴，6流槽，7气体入口,铝合金熔体炉内处理,真空脱气法,铝合金熔体炉内处理,真空脱气法,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，然后通直流电进行电解。在电场作用下，金属中的H离子趋向阴极，取得电荷中和后聚合成氢分子并随即逸出。此法不仅能脱气，还能除去夹渣，可用于铝、铜、镍及其他金属和合金。,铝合金熔体炉内处理,直流电解脱气法,金属液受到高速定向往互振动时，导人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。振动力法有机械振动和超声波振动两种。,铝合金熔体炉内处理,振荡脱气法,联合在线精练：在炉外配备一套装置，以炉外连续处理工艺取代传统的炉内间歇式分批处理工艺。FILD法（无烟连续除气法，fumeless in-line degassing）SNIF法(斯奈福旋转喷头法，spinning nozzle inert flotation)MINT法(melt in-line treatment system),铝合金熔体炉外在线处理,联合在线精炼,在耐火坩埚或耐火砖衬里的容器中，用耐火隔板将容器分成两个室。从静置炉中流出的铝液，经倾斜流槽进入第一室，在熔剂覆盖下进行吹氮脱气和除渣，然后通过涂有熔剂的氧化铝球滤床除去夹渣，再流到第二室，通过氧化铝球滤床，以除去铝液夹带的熔剂和夹渣。,Fild装置示意图,1隔板，2氮气通入管，3液态熔剂，4燃烧喷嘴，5涂有熔剂的氧化铝球，6氧化铝球，7氮扩散器,FILD法(无烟在线脱气法),铝合金熔体炉外在线处理,由美国联合碳化物公司开发的，是一种最新的、效率最高的、最易操作的在线式精练工艺。特点：省时节能；无环境污染；占地面积小；熔体质量高等。,SNIF装置示意图(a)SNIF装置；(b)旋转喷嘴1入口，2出口，3、5旋转喷嘴，4石墨管，6发热体,SNIF法(旋转喷气净化法）,铝合金熔体炉外在线处理,37,第三节 镁及镁合金的熔体净化处理,与镁合金发生反应的常见炉气包括：H2O、O2和N2等，通常会形成Mg(OH)2、MgO和Mg3N2夹杂。,低温,高温,CO2,O2,N2,镁合金熔体过程中的氧化,镁合金熔体净化,CO2,SO2,SF6,MgO+无定形C=1.031.05,MgO+MgF2 连续致密,MgO+MgS 致密,镁与防护性气体的作用,镁合金熔体净化,镁合金中的溶剂,镁合金熔体,MgCl2、KCl,熔剂,（1）覆盖作用,（2）精炼作用,隔绝空气，阻止Mg-O2、Mg-H2O反应,对非金属夹杂物具有很好的润湿、吸附能力,镁合金与溶剂的作用,镁合金熔体净化,氢在镁熔液中的溶解度是在铝熔液中的两倍。,氢气是镁熔液中的主要气体。,工业上通常采用在镁熔液中通入氯气的办法来除氢：,镁合金的除气,镁合金熔体净化,42,第四节 铜及铜合金的熔体净化处理,铜与水发生反应：,Cu2O和H2都能在铜溶液中溶解,反应平衡常数：,当外界条件一定时，K值和PH2O为定值，即,先增氧除氢，而脱氧浇注,除气精炼,铜合金熔体净化,铜与氧发生反应：,氧化亚铜被活性更大的杂质元素还原：,例如：,铜合金熔体净化,铜的氧化除杂,扩散脱氧,沉淀脱氧,磷脱氧铜,铜合金熔体净化,铜的氧化除杂,46,第五节 熔炼过程中的熔体保护,铝熔体保护,熔炼过程中的熔体保护,熔体表面覆盖熔剂,保护性合金化,防止熔体氧化 防止熔体吸氢 具有排氢效果,铝合金中加入微量铍改善氧化膜致密度 镁合金中加入微量铍改善氧化膜致密度,镁熔体保护,熔炼过程中的熔体保护,熔剂保护法,气体保护法,覆盖熔体 精炼作用,熔体表面覆盖惰性气体 气体与镁反应生成致密氧化膜,合金化法,添加微量铍元素,纯铜熔体保护,熔炼过程中的熔体保护,精选炉料,熔体保护,防止杂质 防止气体,利用木炭覆盖、脱氧、保温 尽量减少打开炉门及加料次数,Thank You!,