第十二讲-有色金属及合金的熔炼技术课件.ppt

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1、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

2、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

3、.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.

4、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.

5、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

6、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

7、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

8、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

9、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

10、。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,

11、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

12、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。

13、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

14、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

15、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

16、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

17、：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%

18、，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

19、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

20、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,1

21、2.7.2 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

22、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!,