第十二讲-有色金属及合金的熔炼技术课件.ppt

第十二讲 有色金属及合金的熔炼技术,有色金属及合金的熔炼技术,本章要点:介绍目前工业应用的一些典型熔炼技术（设备）。主要包括:(1)感应炉熔炼技术的基本原理与特点(2)真空熔炼技术特点；(3)其它多种熔炼技术的优缺点。,12.1 熔炼炉的基本要求和种类,12.1.1 熔炼炉的基本要求(1)炉料快速熔化升温，缩短熔炼时间，减少元素烧损和吸气；(2)能耗低、热效率高和坩埚炉衬寿命长；(3)操作简单，炉温便于调整和控制，工作环境好。,12.1.2 熔炼炉的种类和应用,常用有色金属及合金熔炼炉可分为燃料炉和电炉两大类。燃料炉常用的有焦炭炉和燃油炉。,焦炭炉,燃油炉,电炉分为电阻熔化炉、感应熔化炉和电弧炉。,12.1.2 熔炼炉的种类和应用,井式电阻熔化炉,电阻丝,电炉分为电阻熔化炉、感应熔化炉和电弧炉。,12.1.2 熔炼炉的种类和应用,感应熔化炉,电炉分为电阻熔化炉、感应熔化炉和电弧炉。,12.1.2 熔炼炉的种类和应用,电弧炉,12.2 坩埚炉和反射炉熔炼技术,12.2.1 坩埚炉熔炼 坩埚炉熔炼是一种古老的冶炼方法，一直沿用至今。,坩埚,12.2 坩埚炉和反射炉熔炼技术,坩埚一般是用耐火材料制成，也有使用石墨、铸铁或铸钢制成，金属坩埚在使用时内表面应涂覆涂料保护，还有用刚玉和铂金制作。,铸铁坩埚,铸钢坩埚,石英坩埚,石墨坩埚,刚玉坩埚,铂金坩埚,12.2 坩埚炉和反射炉熔炼技术,12.2.1 坩埚炉熔炼 坩埚炉的加热可用固体、液体、气体燃料，也可用电加热。坩埚炉熔炼的特点是:灵活、小批量、多品种、合金成分控制精确、烧损小。现多用电阻或感应加热，用于小型铸造厂、实验室或用于中间合金生产。,12.2.1.1 坩埚电阻炉,利用电流通过电加热元件发热，辐射坩埚传导给金属使其熔化升温。,镍铬合金,铁铝铬合金,铂铑,硅化钼,12.2.1.1 坩埚电阻炉,组成部分,电炉本体 控制柜（控温仪表）坩埚,结构形式,固定式 倾斜式,12.2.1.1 坩埚电阻炉,优点,结构紧凑 电器设备简单 价格低廉 温度易控制 元素烧损小 合金吸气少 工作环境好,缺点,熔炼时间长 耗电量大 生产效率低,12.2.1.2 燃料坩埚炉,通过燃料燃烧加热坩埚传导给金属炉料升温熔化。分为焦炭、燃油和燃气(煤气)坩埚炉。,焦炭坩埚炉熔炼铜、铝合金自然通风鼓风 燃油坩埚炉,12.2.2 反射炉熔炼,4.2.2.1 火焰反射炉熔炼技术 是目前生产的主要用炉，利用高温火焰加热炉顶，靠炉顶和火焰的辐射传热加热和熔化炉料。燃料可用煤、石油、煤气和天然气等。,优点,熔池面积大，容量大 温度高，熔化速度快，生产效率高,缺点,上下温差大，熔池不能太深，应加强搅动 大熔池加剧了氧化和吸气，应加强覆盖,靠安装在炉顶的电阻发热元件（镍铬高温合金、或碳化硅棒等）产生的热量辐射加热炉料。,12.2.2.2 电阻反射炉熔炼技术,12.2.2.2 电阻反射炉熔炼技术,电阻反射炉 优点：结构简单，电热效率高（70%-80%），温度和气氛容易控制，熔体受炉气污染小，金属损耗仅次于感应炉、远低于火焰反射炉，熔体质量高。缺点：电阻发热体是易耗品，受炉气、熔剂、飞溅金属的腐蚀，容易损坏，使用寿命短。应用：多用于铝及铝合金、镁及镁合金的熔化和保温，容量一般不超过l0t（大容量的铝合金熔化炉均不采用电阻加热）。,12.3 感应炉熔炼技术,12.3.1 感应加热原理 感应线圈中通入交变电流，则在线圈内产生相应的交变磁场。当把金属放在线圈内时，根据电磁感应定律，金属内必定会产生感生电势。由于金属是导体，于是在感生电势的作用下，金属内就有感应电流产生，而金属又具有电阻，因此金属被加热甚至熔化。（电-磁-电-热）感应炉就是利用电磁感应原理，使处于交变磁场中的金属材料内部产生感应电流，从而把材料加热直至熔化的一种电热设备。,12.3.2 感应炉的分类和特点,12.3.2.1 感应炉的分类按工作频率分类(1)工频感应炉：工作频率为50Hz，可由单相、两相和三相电源供电。(2)中频感应炉：50Hz-100kHz。常用的有：150、(250)、450、1000、2500、4000、8000、10000，现可扩大到100kHz，单相供电。(3)高频感应炉：高于100kHz。,12.3.2 感应炉的分类和特点,按结构分类 根据有无铁芯穿过被熔化的金属熔池，又可把感应熔炼炉分为无(铁)芯和有(铁)芯两种。(1)无芯感应熔炼炉：无铁芯穿过被熔化的金属熔池，分为真空和非真空两种。(2)有芯感应熔炼炉：有围绕铁芯的液体金属熔沟，又叫熔沟炉或沟槽式感应炉。热效率较高，熔化速率快，熔沟部分容易出现局部过热。,12.3.3.1 工频无芯熔炼炉,20世纪40年代发展起来，用于熔化铜、铝、钛及铁合金。不需变频设备，发展迅速。右图例：容量1.5t，坩埚尺寸5801190，最高温度1600，熔化时间2-3h，功率为420kW，供电560kVA，电压380V（50Hz），最大倾转角度900。,12.3.3.2 中频无芯熔炼炉,工作频率通常在4kHz以下，结构和工频炉结构基本相同，但存在以下差异：中频炉电动效应较弱，所以不必使熔体液面高度显著超过感应圈的上端，通常维持两者大体上平齐。感应圈靠物料的一侧的管壁较工频炉薄，因为其频率较高，穿透深度小。所需补偿电容多，一般配有独立的补偿电容器架或柜。单耗（kWht）:铜400-500，镍650-700，黄铜220360。,12.3.3.3 高频无芯感应炉,工作频率通常高于100kHz。优点：结构简单，坩埚倾倒采用手动。适合于实验或小规模生产，或供特种钢和特种合金熔炼使用。装料量一般在50kg以下，输入功率在100kW以下。高频炉起熔容易，可处理碎料，熔池稳定，熔体凸起小，产品质纯且金属损耗小。缺点：高频变频器效率低，设备费用较高。电能单耗较高，为中频炉电耗23倍。例如：10kg的炉子输入功率为30-60kW，熔化时间为15-25min，电能单耗为1500-2000kWh/t。,12.3.4 有芯感应炉熔炼,也称熔沟感应炉，由熔池、熔沟炉衬、感应器及炉壳等组成。熔沟炉衬中有一或两条环沟，其中充满和熔池联通的熔体，称为熔沟。铁芯由硅钢片制作，感应圈套在铁芯上。,12.3.4 有芯感应炉熔炼,工作原理与坩埚感应炉相同。特点：使用工频电，电气设备费较少。熔沟部分易局部过热，炉衬寿命较长，熔炼温度较低。熔沟金属感生电流大、可作起熔体，故熔化速率较高，热电效率较高。炉子容量0.3-40t，并正向大型化发展。常用来熔炼钢与铜合金。,12.3.4 有芯感应炉熔炼,单熔沟感应炉问题：1）熔沟金属液流紊乱，局部过热（100-200）；2）熔沟底部泄漏磁场对熔沟金属施加电磁力，产生局域性涡流而出现死区。已发展出一种单向流动单熔沟，可减小熔体温差、消除死区、缩短熔炼时间10%-30%、增加炉衬寿命0.5-1.0倍、降低电耗和成本。,12.3.4 有芯感应炉熔炼,多相双熔沟也可得到单向流动。利用中部共用熔沟与边部熔沟磁场强度的差异，使中部熔沟熔体向下流动，两侧熔沟熔体向上流动。如：3t熔炼黄铜铁芯感应炉，750kW，三铁芯感应器，生产率5t/h，电耗200kW.h/t，电效率0.95，热效率0.89。,T,12.3.2.2 感应熔炼炉的特点,优点:(1)金属本身感应电流加热，加热温度均匀，烧损少。这对于稀贵金属的熔炼有重要意义，例如，镍、铬、钒、钨在感应炉中熔炼的烧损比在电弧炉中少2/3。(2)电磁力引起金属液搅动，金属成分均匀，质量高。(3)升温快，炉温容易控制，生产效率高，广泛应用于黑色及有色金属的熔炼。(4)炉周围温度低，烟尘少，噪声小，环境好。(5)可以间歇或连续运行。,12.3.2.2 感应熔炼炉的特点,缺点:(1)对加热对象有导电要求，只能用于金属和合金的重熔。(2)冷料开炉时，需要起熔块(频率较低的炉子)，升温慢。(3)炉渣本身不导电，炉渣温度比金属液低，不利于造渣精炼，从而影响精炼的进行。这一缺点，决定它只适宜于熔化金属，而不适于金属精炼。(4)功率因数低，需要辅之以一定数量的补偿电容器，提高了成本。(5)难以实现对熔体保温，不便静置处理,12.4 真空熔炼,真空熔炼可防止大气污染，利于除气和杂质。1905年采用自耗电极、水冷铜结晶器、低压氩气下熔炼钽获得成功。20世纪50年代后，随着真空技术、密封材料等的发展，以及钛合金、高纯金属及合金、钨钼钽铌锆等稀有金属、耐热材料、磁性及超导材料、电真空材料、核材料、高强度钢等的应用需求，相继出现了真空自耗电弧炉、真空电弧炉、真空感应熔炼、真空电子束炉、真空等离子炉熔炼等多种方法。真空熔炼已成为高品质金属材料生产的一个重要手段。已出现了100t的真空感应炉，以及50t、直径1.5m铸锭的真空电弧炉。,12.4 真空熔炼,真空熔炼特点:(1)采用水冷铜结晶器时，可防止受大气和耐火材料的污染；(2)真空有净化提纯作用，可获得含气量低、夹杂少、偏析小、力学性能及加工性能优良的金属及合金。是获得高纯、高质量金属材料的最好方法；(3)真空电弧可获得2000以上的高温，可满足高熔点金属的熔炼要求。,12.4.1 真空感应炉熔炼技术,无铁芯感应熔炼炉，坩埚装在真空室里，熔炼时抽成真空，炉料在真空或惰性气氛下熔炼和浇铸。坩埚用耐火材料做成，不能熔炼与坩埚起作用的活泼金属，如钛、锆等纯金属及其合金，也不能熔炼高熔点的难熔金属，如钨、钼等。,12.4.2 真空电弧炉熔炼技术,真空下，通过低电压、强电流形成电弧熔炼金属产生铸锭。产生电弧的电极可以是损耗的(自耗，如钛等)，也可以是不损耗的(非自耗，如石墨等)。自耗基本过程：金属电极在直流电弧高温（5000）作用下，迅速熔化、精炼，并在水冷紫铜结晶器内凝固。用于钛、钨、钼、钒、锆、镍基合金等的熔炼。设备包括:电路本体、电源设备、真空系统、电控系统、光学系统、水冷系统等几部分。,12.5 快速熔炉熔炼技术,近来，利用电解铝液直接输入保温炉，合金化、精炼后铸锭和加工成材，可节约能耗、缩短生产周期、降低成本。（减少中间过程、节能）为强化熔炼过程，节约能耗，提高热效率和生产率，已开发出一些新的熔炉和熔炼工艺。下面介绍几种快速熔炼炉技术。,12.5.1 竖炉熔炼技术,炉料由炉顶侧装入，与燃烧炉气接触、吸收热量而熔化。燃烧炉气由多个可控高速喷嘴产生，废气由炉顶导入换热器以预热空气和煤气。特点:可连续快速熔化金属，熔化率高，设备简单，炉衬寿命长。但要严格控制空气过剩量，既能完全燃烧又不氧化产品。可用于紫铜、铝的连铸连轧等。,12.5.2 喷射式熔炉熔炼技术,用火焰炉熔铝时，因铝的黑度低，吸热性差，所以加热速度慢，热效率低(15%-30%)。用高速燃气直接喷射炉料熔铝法可使熔化速率及热效率提高，金属烧损和能耗显著降低。黑度概念：一定温度下，将灰体的吸收辐射能力与同温度下黑体的吸收辐射能力之比定义为物体的黑度，或物体的发射率。黑度越高，则吸收辐射热的能力越强，反之亦然。凡是将辐射热全部反射的物体称为绝对白体，能全部吸收的称为绝对黑体，能全部透过的则称为绝对透明体或热透体。物体的黑度与物体的性质、表面状况和温度等因素有关，是物体本身的固有特性。,12.5.2 喷射式熔炉熔炼技术,在炉顶及炉墙上装有加氧的、烧油的高速(200-250ms)旋转喷嘴，使火焰直接喷到炉料上，以强制对流传热，使传热速度提高到(12.6-16.7)105 kJ(m2h)，为普通反射炉的5倍，缩短熔炼时间30%-50%，热效率提高到50%以上，降低金属烧损20%-26%。,12.6 电子束炉熔炼技术,原理：加热阴极热阴极表面发射电子高压作用下电子做高速运动（聚焦、偏转控制）高速电子轰击阳极使阳极金属熔化。应用：用于蒸气压低（不易挥发）的金属材料，如钨、钼、钽、锆以及钛等，这些材料应用电子束炉熔炼，被公认为是最理想的熔炼方法。对于优质合金钢，特别是镍基和钴基合金钢，电子束炉熔炼也得到了广泛的应用。电子束炉的功率已达几千千瓦，能熔炼重达l0t以上的钢锭。,12.6 电子束炉熔炼技术,优点:(1)高真空度(0.00027-0.027Pa)，使蒸气压较高的杂质被除去，如碳、钒、铁、硅、铝、镍、铬、铜等比精炼前可降低两个数量级，可得到无氧化物的钼和钨，氧可从0.002%降至0.0004%-0.0009%，氮降至0.004%-0.008%，氢含量低于0.0001%-0.0002%。(2)熔炼速度和加热速度可以在较大范围调节，有利于液态中的碳和氧反应，扩散能力低的杂质能扩散到熔体蒸发去除。(3)功率密度高，可达到104108Wcm2，熔池表面温度高、可调；同时，电子束对金属熔体有搅拌作用。(4)用水冷铜坩埚凝固铸锭，不被耐火材料污染。(5)可得到很高的温度，能熔化任何难熔金属，也可熔化非金属。,12.6 电子束炉熔炼技术,缺点:(1)熔炼合金时，添加元素易于挥发，合金的成分及均匀性不易控制。(2)结构较复杂，需采用直流高压电源，运行费用较高。(3)采用高压加速电子流，会产生对人体有害的x射线，需采取防护措施。,12.7 等离子炉熔炼技术,等离子炉是利用气体电离产生的等离子体的能量进行加热的电炉。由气体电离产生的等离子体，是物质第四态（气态、液态、固态），由正离子、负离子、自由电子以及中性分子组成。20世纪60年代发展起来，用于熔炼钨、钼、钽、铌、钛、锆等难熔、活泼金属，也可熔炼工具钢、耐热钢、耐蚀钢、高强度钢等优质钢。,12.7.1 基本原理,等离子电热原理：在等离子枪（空心电极、电场、电火化高频发生器）的作用下，阴、阳极间触发电弧，使期间的工作气体弧光放电，产生等离子流束，等离子体中的自由电子、负离子与正离子随即复合为气体原子或分子，并放出原先电离时吸收的能量，生成等离子焰，从而实现对物料的加热。等离子焰可达比电弧更高的温度，如Ar等离子焰中心温度可达15000。这种等离子焰可供金属喷涂或焊接等使用。,12.7.1 基本原理,阴、阳极：阴极为钨、或者空心电极（钽管）；阳极为铜电极或被加热材料。起弧方式：电火化高频发生器、或石墨或钨引发棒+高频感应电流。工作气体：氩、氦、氢、氮、氩氢混合气，氩氮混合气等。氩气用得最多，因其为单原子气体、容易电离、惰性、便宜。,4.7.2 炉型与炉体构造,等离子体熔炼炉炉型：按配置等离子枪的类型，有转移弧式、非转移弧式、中空阴极式等。按炉体结构，有耐火材料炉衬，也有水冷铜结晶器。就炉内压力而言，有常压炉和真空炉。,12.7.1 基本原理,12.7.2 炉型与炉体构造,图为2000kW中空（钽管）阴极等离子电炉。炉体结构类似于真空非自耗电极电弧炉，中空阴极与水冷铜结晶器之间(阴极与被熔炉料之间)，在高频电源的激发下，使通过阴极管的氩气电离产生低压等离子弧。弧稳定后，单独由直流电源工作。依靠中空阴极的热电子发射激发氩气电离来维持稳定的电弧。,12.8 电渣炉熔炼技术,电渣熔炼是将一般熔铸方法产生出来的铸锭进行重新熔铸，以获得质量更为优良的合金铸锭的方法，因此又称为电渣重熔。在钢铁上许多特殊钢都是用电渣熔炼法生产出来的。在有色金属中，目前应用电渣重熔的合金数量还不很多。,12.8.1 电渣熔炼工作原理,自耗电极（待重熔的铸锭）、结晶器之间存在电场，熔池上面的熔渣电阻较大，电热作用使自耗电极熔化(可达17001800)，熔化的金属液滴穿过渣层汇聚于结晶器中，凝结成锭。,12.8.1 电渣熔炼工作原理,电渣熔炼特点：（1）用重熔料制作自耗电极，工序长，费用高。只在生产要求特别严格的合金时才应用。（2）在熔滴离开电渣端面时，往往会形成微电弧，熔滴在电磁力作用下破碎，因而与熔渣接触面积大，熔渣温度高且始终与金属液接触，有利于吸附、化合造渣精炼、防止金属氧化和吸气，因而可得到较纯洁的金属熔体。,12.8.2 电渣炉的构造,电渣炉由电气、机械、熔铸三部分组成。电气部分包括变压器等。机械部分包括电极升降机构、排烟装置、抽锭装置、密封设备等。熔铸部分包括结晶器和底板。电渣炉还可配备真空设备。图为双支臂抽锭式电渣炉。,Thank You!,