有色金属熔炼与铸造02
有色金属熔炼与铸锭教学大纲
有色金属熔炼与铸造教学基本要求（78学时）一、课程性质和任务《有色金属熔炼与铸锭》是有色金属压力加工专门化方向的一门主干专业课。
其任务是：本课程主要学习熔炼炉的基本知识、重有色金属合金成分控制、铸造相关知识、铸锭凝固基本原理以及有色金属熔铸技术知识等内容。
使学生具备高素质劳动者和中初级专门人才所必需的金属压力加工专业的基本知识和操作技能，毕业后能从事有色金属压力加工车间的生产和技术管理工作。
二、课程教学目标本课程的教学目标是：通过对本课程的学习，使学生应具备初步的选用合金、配制原材料和选择熔炼工艺的能力；具备分析生产中有关问题和提供解决方案的能力；同时对国内外有关的新知识、新材料、新技术和新工艺等有较全面的了解，提高学生的全面素质，为学生以后的毕业实习、职业技能鉴定等打下基础。
(一) 知识教学目标1．掌握各种合金的成分、物理、化学性质及其特点。
2．熟悉常用几类熔炼炉的结构特点及作用。
3．能准确调配合金的成分。
4．掌握各类合金的熔炼工艺。
5．了解重有色金属及其合金铸锭生产设备装置、原理特点、生产操作及铸造工艺。
6．要求基本掌握铸锭凝固基本原理以及铸锭常见缺陷分析。
7. 掌握有色金属熔铸技术知识。
(二) 能力培养目标1．初步掌握有色金属及合金的成分，能够辨别各类有色金属。
2．初步掌握熔炼炉的结构特点及其维护的能力。
3．具有常见合金成分的调配能力。
4．掌握基本的熔炼工艺知识。
5．掌握铸锭生产的基本方法，能进行重有色金属及其合金铸锭生产的基本操作能力与设备维护能力。
6．能进行铸锭质量的检查。
7．具有安全操作生产的技术知识。
(三) 思想教育目标1．具有热爱科学、实事求是的学风和创新意识、创新精神。
2．具有良好的职业道德，热爱本专业工作，具有为本职工作献身的精神。
三、教学内容和要求基础模块(一) 有色全属熔炼的基本原理1.金属的氧化、挥发和除渣精炼1．1氧化的热力学原理掌握金属氧化的热力学条件和判据掌握非标准状态下金属氧化的热力学条件和判据1.2氧化的动力学掌握金属氧化机理和氧化膜结构。
铸造有色合金及其熔炼
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04
熔化
合金在高温下由固态变为液态 ，发生物理变化。
氧化
合金在熔炼过程中与空气中的 氧气发生化学反应，形成氧化
物。
脱气
去除合金中的气体，如氢气和 氧气。
成分调整
通过添加或去除合金元素，调 整合金的化学成分。
合金元素的熔炼行为
溶解
合金元素在液态合金中溶解， 形成固溶体。
析出
合金元素以化合物形式从液态 合金中析出。
铸造有色合金及其熔炼
• 引言 • 有色合金基础知识 • 铸造有色合金的制备工艺 • 有色合金的熔炼原理 • 铸造有色合金的性能优化 • 铸造有色合金的应用实例 • 未来展望与研究方向
01
引言
主题简介
铸造有色合金及其熔炼是材料科学和工程领域的重要分支，主要涉及有色金属的熔 炼、凝固、组织和性能调控等方面的研究。
热处理工艺优化
总结词
热处理工艺优化是铸造有色合金性能优 化的重要环节，通过调整热处理工艺参 数，可以改变合金的相组成、析出相的 形貌和分布，进一步提高合金的综合性 能。
VS
详细描述
热处理是铸造有色合金的重要加工工艺之 一，通过控制热处理工艺参数，如加热温 度、加热时间、冷却速度等，可以改变合 金的相组成和析出相的形貌和分布，从而 进一步提高合金的力学性能、耐腐蚀性和 热稳定性。同时，合理的热处理工艺还可 以降低能耗和减少材料浪费，提高经济效 益。
熔炼工艺优化
总结词
熔炼工艺优化是铸造有色合金性能优化的重要手段，通过改进熔炼技术和工艺参数，可以降低杂质元 素含量、减少气体和夹杂物、提高合金纯净度。
详细描述
熔炼工艺对铸造有色合金的性能具有显著影响。优化熔炼工艺参数，如熔炼温度、熔炼时间、搅拌强 度等，可以提高合金的纯净度和均匀性。同时，采用先进的熔炼技术和设备，如真空熔炼、高频感应 熔炼等，可以进一步降低杂质元素含量、减少气体和夹杂物，提高合金的综合性能。
熔炼与铸造原理与技术 教学大纲
熔炼与铸造原理与技术一、课程说明课程编号：060103Z10课程名称：熔炼与铸造原理与技术/ Melting and Casting of Nonferrous Metal课程类别：学科专业课程学时/学分：32/2.0先修课程：材料科学基础适用专业：材料科学与工程专业本科生建议教材及参考书：（1）《有色金属熔炼与铸锭》，陈存中编著，冶金工业出版社，1988年。
（2）《铜及铜合金熔炼与铸造》，娄花芬，黄亚飞，马可定编著，中南大学出版社，2010年。
（3）《变形铝合金熔炼与铸造》，王立娟，张万金，吴欣凤编著，中南大学出版社，2010年。
二、课程设置的目的、意义有色金属熔炼与铸造是材料科学与工程专业四年制本科生选修的一门专业课程，也是全校本科大材料类专业（如包括：粉末冶金等）本科生的选修课程。
通过本课程的学习，学生将掌握有色金属熔炼与铸造的基本原理，熟悉有色金属熔炼与铸造的相关技术、工艺与装备，可为从事铝合金、铜合金、镁合金等熔炼与铸造工作和后续专业课的学习奠定基础。
三、课程目标3.1课程对毕业生能力支撑本课程对应毕业要求1-5、2-4、3-2、4-1、5-1、6-2、7-2，具体内容如下：毕业要求1-5：掌握解决本专业复杂工程问题所必须的专业知识，能够运用所学的专业知识与相关自然科学知识对材料生产方案进行初步评估；能够运用所学的专业知识和数学基础知识材料生产过程多因素影响工艺模型选用合适的方法求解和评估；毕业要求2-4：掌握分析研究材料生产复杂工程问题所需的专业理论知识。
能够运用所学专业理论知识分析材料组成-工艺-结构-性能的相互关系与制约规律，识别材料生产过程不同阶段的关键；毕业要求3-2：掌握材料设计与生产所需的专业理论知识。
通过系统掌握本专业领域技术基础理论，能够清晰地描述出一个设计任务需求，并能够识别该任务所面临的各种制约条件，能从多种备选材料生产制备方案和系统里面进行优选；毕业要求4-1：根据工程应用的需要，能够根据材料工程技术研究的需要选择合适的实验手段对材料组成、组织结构、性能及其相互关系，对试验数据做出正确的分析，为材料的应用提出合理建议；毕业要求5-1：系统地掌握材料科学与工程基础理论，掌握相关技术基础理论和现代分析方法在材料制备技术中的应用知识与应用技巧；系统地掌握材料工程领域主要制备技术，深入了解新材料与材料加工新技术的发展方向；毕业要求6-2：能正确认知材料科学与工程中新材料与先进加工方法对社会进步的重大促进作用，了解材料科学与工程对社会对国防的重要意义；毕业要求7-2：了解材料科学与工程中各种工程实践活动对社会对自然环境的作用，掌握一定职业保健知识与技能，了解一定环保知识与环保技术。
铝合金的熔炼与铸造
第二章铝合金的冶炼1.金属铝的制取金属铝最初是用化学法制取的。
1825年丹麦化学家H.C.Örested和1827年德国Wöhler F.分别用钾汞齐和钾还原无水氯化铝，都得到少量金属粉末。
1854年Wöhler F.还用氯化铝气体通过熔融钾的表面，得到了金属铝珠，每颗重约10～15mg，因而能够初步测定铝的密度，并认识到铝的熔点不高，且具有延展性。
后来，法国S.G。
Deville用钠代替钾还原熔融的氯化钠_氯化铝络盐，也制取金属铝。
1854年他在法国巴黎附近建立了一座小型炼铝厂。
1865年俄国 H.H.BeKeTOB 提议用镁来置换冰晶石中的铝，这一方案被德国Gmelingen Aluminium und Magnesium Fabrik 采用。
由于电解法兴起，化学法便渐渐被淘汰。
在整个化学法炼铝阶段中（1854～1895年）,大约总共生产了200Ton铝。
电解法熔炼铝起源与1854年。
当时德国R.W.Bunsen和法国S.C.Deville分别电解氯化钠_氯化铝络盐，得到金属铝。
1883年美国S.Bradley申请了电解熔融冰晶石的专利。
1886年美国的C.M.Hall 和法国的L.T.Héroult同时发明了冰晶石_氧化铝融盐电解法并申请到专利。
此法便是一百年来全世界炼铝工业上采用的唯一方法，统称为霍尔_埃鲁法。
中国的炼铝试验工作起始自1934年天津的黄海化学工业社，用800A预焙阳极电解槽炼出金属铝。
抚顺铝厂开始兴建于1937年，电解槽为自焙阳极式，电解强度为2400 A，最高年产铝量达到8000Ton。
台湾省高雄铝厂亦兴建于1937年。
从南阳 Bintan岛运来三水铝土矿，在厂内用拜耳法生产氧化铝，用24000A 和30000A自焙阳极电解槽生产铝，最高年产量达到10KTon。
新中国成立后，铝合金工业得到迅速的发展。
我国的铝冶炼工业经过几十年的发展，取得了前所未有的成绩，2000年氧化铝产量达429万Ton，铝锭283万Ton，我国已成为世界铝生产和消费的大国。
铸造基础知识(二)
铸造基础知识铸造的定义——铸造是将通过熔炼的金属液体浇注入铸型内，经冷却凝固获得所需形状和性能的零件的制作过程，是制造业常用的制造方法之一。
铸造是一种古老的制造方法，在我国可以追溯到6000年前。
随着工业技术的发展，铸大型铸件的质量直接影响着产品的质量，因此，铸造在机械制造业中占有重要的地位。
铸造工艺种类：铸造工艺可分为重力铸造、压力铸造、砂型铸造、压铸、熔模铸造和消失模铸造。
铸造方法常用的是砂型铸造，其次是特种铸造方法，如：金属型铸造、熔模铸造、石膏型铸造等。
各种特种铸造方法均有其突出的特点和一定的局限性，对铸件结构也各有各自的特殊要求。
重力铸造重力铸造是指金属液在地球重力作用下注入铸型的工艺，也称浇的重力铸造包括砂型浇铸、金属型浇铸、熔模铸造，泥模铸造等；窄义的重力铸造专指金属型浇铸。
压力铸造压力铸造是指金属液在其他外力（不含重力）的作用下注入铸型的工艺。
广义的压力铸造包括压铸机的压力铸造和真空铸造、低压铸造、离心铸造等；窄义的压力铸造专指压铸机的金属型压力铸造，简称压铸。
这几种铸造工艺是目前有色金属铸造中最常用的、也是相对价格最低的。
砂型铸造砂型铸造是一种以砂作为主要造型材料，制作铸型的传统铸造工艺。
砂型一般采用重力铸造，有特殊要求时也可采用低压铸造、离心铸造等工艺。
砂型铸造的适应性很广，小件、大件，简单件、复杂件，单件、大批量都可采用。
砂型铸造用的模具，以前多用木材制作，通称木模。
木模缺点是易变形、易损坏；除单件生产的砂型铸件外，可以使用尺寸精度较高，并且使用寿命较长的铝合金模具或树脂模具。
虽然价格有所提高，但仍比金属型铸造用的模具便宜得多，在小批量及大件生产中，价格优势尤为突出。
此外，砂型比金属型耐火度更高，因而如铜合金和黑色金属等熔点较高的材料也多采用这种工艺。
但是，砂型铸造也有一些不足之处：因为每个砂质铸型只能浇注一次，获得铸件后铸型即损坏，必须重新造型，所以砂型铸造的生产效率较低；又因为砂的整体性质软而多孔，所以砂型铸造的铸件尺寸精度较低，表面也较粗糙。
中南大学熔炼与铸造综合笔记
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α>1的表面活性元素，其目的是改善熔体表面氧化膜的性质，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、液态或气态脱氧产物而被排除的工艺过程。
《金属熔炼与铸锭》课程实验指导书及实验报告撰写要求内容
图1 具有三个晶区的 铸锭晶粒组织示意图 纯铝的熔炼与铁模铸锭一、实验目的1、通过纯铝的熔炼与铁模铸锭，了解有色金属熔铸的一般工艺和操作知识。
2、观察铝锭横截面的铸造组织形貌，了解形成晶粒组织的三个晶区。
3、改变浇铸工艺条件，研究不同的浇铸工艺条件对铸锭晶粒组织的影响。
二、实验原理金属和合金的铸锭晶粒组织一般较为粗大，对铸件横断面稍加打磨、抛光和腐蚀，就可直接进行观察。
铸锭晶粒组织常见三个晶区形貌如图1所示。
（1）表面细等轴晶区当过热金属浇入锭模时，锭模对熔液产生强烈过冷，在模壁附近形成大量的晶核，生长成枝状细等轴晶。
同时，浇铸引起的动量对流，液体外温差引起的热对流，以及由对流引起的温度起伏，促使模壁上形成的晶粒脱落和游离，增加凝固区的晶核数目，因而形成了表面细等轴晶区。
（2）柱状晶区 在表面细等轴晶区，生长方向与散热方向平行的晶粒得到优先生长，而与散热方向不平行的晶粒则被抑制。
这种竞争生长的结果，使愈往铸锭部晶粒数目愈少，优先生长的晶粒最后单向生长并互相接触而形成柱状晶区。
柱状晶区是在单向导热及顺序凝固条件下形成的。
凡能阻止晶体脱离模壁和在固/液界面前沿形核的因素，均有利于扩大柱状晶区。
浇铸温度高，固/液界面前沿温度梯度大，凝固区窄，从界面上脱落的枝晶易于被完全熔化。
（3）中心等轴晶区柱状晶生长到一定程度，由于前沿液体远离模壁，散热困难，冷速变慢，而且熔液中的温差随之减小，这将阻止柱状晶的快速生长，当整个熔液温度降至熔点以下时，熔液中出现许多晶核并沿各个方向长大，就形成中心等轴晶区。
形成中心等轴晶区的晶核主要来源于三种途径：表面细等轴晶的游离；枝晶的熔断及游离；液面或凝壳上晶体的沉积。
凡能阻止游离到铸锭中心的晶粒完全熔化的因素，均有利于促进中心等轴晶区的形成。
铸锭的结晶过程及其组织与金属的冷却条件、浇铸时熔体的温度、变质处理条件等因素有关。
改变金属的浇铸温度对结晶过程有影响作用。
当液态金属过热越多时，浇筑后沿铸锭截面的温差越大，越有利于按顺序凝固的方式结晶，形成柱状晶组织。
铸造有色合金及其熔炼
2. 铸造有色合金
——以一种有色金属为基础，加入另一种或几种其他元素， 使之熔合一起，构成新的金属组成物。 有色合金（又称非铁合金）分为：形变合金 铸造合金 1）铸造铝合金、铸造镁合金——密度小、比强度高 2）铜合金——优良导电、导热性能，良好耐蚀性、耐磨性 及力学性能 3）钛合金——很高的比强度、耐蚀性 4）铸造锌合金——良好的压铸成型性能 5）锡基合金（Sn-Sb合金）、铅基合金（Pb-Sb合金）— 油润滑条件下良好的耐磨性能
铸造有色合金及其熔炼
清华大学 曾大本 教授
主要内容
一．有色合金在国民经济中的地位 二．铸造铝合金及其熔炼 三．铸造镁合金及其熔炼 四．轻合金铸造的发展动向 五．铸造铜合金及其熔炼
六．铸造锌合金及其熔炼
2
1. 有色合金的种类
1）普通有色金属 3 ρ< 3.5g/cm 轻金属 Al、Mg、Na、Ca、K等 3 重金属 ρ> 3.5g/cm Cu、Ni、Co、Pb、Zn、Sn、Sb、Bi、Hg、Cd 2）稀有金属 ① 稀有轻金属 Li、Be、Rb、Cs ② 稀有高熔点金属 W、Mo、Ta、Nb、Ti、Zr、V ③ 稀有分散金属 Ga（镓）、In（铟）、Tl（铊）等 ④ 稀土金属 La、Ce、Y、Sc（钪）等 ⑤ 放射性元素 Ra、Ac（锕） 3）贵金属 Au（金）、Ag（银）、Pt（铂） 4）半金属 Si、Te（碲）、B（硼）、As（砷）等
Cu：>4%
要热处理
Al-Mg
Mg：>5%
合金液易氧化 铸造工艺复杂 最便宜
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Al-Zn
Zn：5~13%
2. 铸造Al-Si合金成分、组织、性能
图 1 Al-Si二元相图
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2. 铸造Al-Si合金成分、组织、性能
有色金属熔炼与铸锭资料课件
有色金属熔炼与铸锭 资料课件
REPORTING
CATALOGUE
• 有色金属熔炼基础
PART 01
有色金属熔炼基础
熔炼的基本概念
熔炼定义
熔炼是有色金属生产中重要的一步，它涉及到将原料加热至熔融状态，通过化学反应和 物理作用，将杂质去除并使金属或合金成分均匀混合的过程。
铸锭的结晶过程
01
02
03
结晶过程
金属熔体在冷却过程中， 原子或分子的排列从无序 状态逐渐变为有序状态， 形成晶体的过程。
结晶温度
金属熔体结晶速率
结晶过程中晶体生长的快 慢，受到冷却速率、过冷 度等因素的影响。
铸锭的宏观组织形成与控制
宏观组织
铸锭中晶体的分布、大小、 形状等宏观特征。
反应的可能性与方向，而动力学则研究反应速率与过程控制因素。
熔炼过程中的热力学与动力学
热力学在熔炼中的应用
热力学的主要任务是研究熔炼过程中能量的转化与物质平衡的问题。通过热力学分析，可 以确定熔炼过程的自发性和方向，以及反应的标准摩尔焓变、熵变等参数。
动力学对熔炼过程的影响
动力学研究反应速率和反应机制的问题。在熔炼过程中，动力学因素决定了反应的快慢和 进行的程度。通过控制熔炼温度、搅拌速率等参数，可以调节反应速率，优化熔炼过程。
微观偏析
金属熔体在结晶过程中，由于溶质再分配导致晶 体内部化学成分的不均匀性。
PART 04
有色金属熔炼与铸锭中的 问题及解决策略
杂质与夹杂物的控制
控制方法
选用纯净的原材料，加强原材料 的保管和运输，采用合理的熔炼 和浇注工艺，以及进行有效的精 炼处理。
实例
采用电渣重熔、真空熔炼等方法 去除杂质与夹杂物，提高金属纯 净度。
有色金属熔炼与铸造
1.铸锭正常晶粒组织可分为表面细等轴区、柱状晶区和中心等轴晶区。
2.液体金属的对流可分为动量对流、自然对流和强制对流。
3.气孔形成方式可分为析出型气孔和反应型气孔。
4.连铸主要可分为立式、卧式、立弯、弧型。
二、简答题1.叙述偏析的种类。
答：显微偏析：枝晶偏析、胞状偏析、晶界偏析。
宏观偏析：正偏析、反偏析、带状偏析、重力偏析、V形偏析。
2.简述铝合金晶粒细化技术。
答：增大冷却强度：采用水冷模和降低浇温。
加强金属流动：改变浇注方式、使锭模周期性振动、搅拌。
变质处理：向金属液内添加少量物质，促进金属液生核或改变晶体生长过程的一种方法。
3.成分过冷及其导致的凝固组织特点答：在固溶体合金凝固时，在正的温度梯度下，由于固液界面前沿液相中的成分有所差别，导致固液界面前沿的熔体的温度低于实际液相线温度，从而产生的过冷称为成分过冷。
随着成分过冷由弱到强，单相合金的固/液界面生长方式依次成为平面状、胞状、胞状-树枝状和树枝状四种形式，得到的晶体相应为平面柱状晶、胞状晶、胞状枝晶以及柱状枝晶和自由枝晶。
4.铝合金变质处理的目的及其机理答：目的是为了获得细小的晶粒尺寸，改善合金的铸造性能和加工性能，提高合金的强度和塑性。
机理：一是以不溶性质点存在于金属液中的非均质晶核作用；二是以溶质的偏析及吸附作用。
5.枝晶偏析和晶界偏析及其成因。
防止偏析的主要途径。
比较连铸、铁模铸锭和砂模铸锭这三种工艺的组织偏析状况。
答：在生产条件下，由于铸锭冷凝较快，固液两相中溶质来不及扩散均匀，枝晶内部先后结晶部分的成分不同，这就是枝晶偏析。
K＜1的合金凝固时，溶质会不断自固相向液相排出，导致最后凝固的晶界含有较多的溶质和杂质，即形成晶界偏析。
防止偏析的主要途径：增大冷却强度，搅拌，变质处理，采用短结晶器，降低浇温，加强二次水冷，使液穴浅平等。
连铸的偏析很低，铁模铸锭的偏析也较低，而砂模铸锭的偏析较高。
6.为什么黄铜的夹杂含量要好于紫铜。
答：黄铜含大量易挥发和氧化的锌，在熔炼温度下的蒸气压相当高。
第3章-熔炼和铸造
可见提高燃烧的气流速度是有效的 。 2、合金元素的溶解和蒸发 熔炼温度下（700℃）几种元素在铝中的扩散系数为（cm2/s）： Ti：0.66，Mo：1.38（760℃），Co：0.79，Ni：1.44，Si：14.4， 通常情况下，与铝形成易熔共晶的元素，一般较易熔解，与铝形成包晶 转变的，特别是熔点相差大的元素较难于溶解。 在相同溶解条件下，一般蒸气压高的元素容易挥发，可把常用的铝合金 分为两组：Cu、Cr、Fe、Ni、Ti、Si、V、Zr等元素的蒸气压比铝的小， 蒸发慢，Mn、Li、Mg、Zn、Na、Cd等元素蒸气压比铝的大，容易蒸 发，在熔炼过程中损失较大。
三、熔体的净化过程
有色金属及其合金熔体在熔炼过程中存在气体、各种非金属夹杂物等， 影响金属的纯洁度，往往会使铸锭产生气孔、夹杂、疏松、裂纹等缺陷， 影响铸锭的加工性能及制品的强度、塑性、抗蚀性、阳极氧化性和外观质 量。 所谓的净化，即是利用物理化学原理和相应的工艺措施，除掉液态金属 中的气体、夹杂和有害元素以便获得纯净金属熔体的工艺方法。熔体净化 包括传统的炉内精炼和后来发展的炉外净化过程。 一般来说，铝熔体含氢量应控制在0.15~0.20ml/100g.Al以下，对于一 些特殊要求的应控制在0.10ml/100g.Al以下。 氢气在熔体中的熔解量与温度的关系如下：
铝及铝合金净化处理可分为吸附净化和非吸附净化。具体包括： 炉内处理： a．惰性气体吹洗法 b．活性气体吹洗法 c．混合气体吹洗法 d．气体—溶剂混合吹洗法 e．静态真空处理 f．动态真空处理 其中：e、f为非吸附净化 常用的溶剂中都含有C2Cl6。C2Cl6为白色晶体，密度为2091kg/m3。 C2Cl6与铝熔体反应生成C2Cl4 和Cl2。其分别和铝熔体继续反应生成AlCl3、 HCl等。 C2Cl6的升华温度为185.5℃，C2Cl4的沸点为121℃，不熔于铝。工业通用 的溶剂是各种碱金属的氯盐和氟盐的混合物。他的净化作用主要是通过其 吸附和熔解氧化夹杂的能力。氯化钾和氯化钠盐等的混合物，对氧化铝有 极强的润湿和吸附能力。氧化铝特别是悬混于熔体中氧化铝碎片，被具有 凝聚性和润湿性的溶剂吸附包围后，便改变了氧化物的性质、密度及形态， 通过上浮很快被除去。 加入少量的氟盐（NaF、Na3AlF6、CaF2）增加熔融金属与杂质之间的表 面张力，提高了溶剂的分离性，防止产生溶剂夹杂。
有色金属加工熔铸作业主要风险及控制(熔炼工序安全风险,铸造工序爆炸事故预防,吊装作业事故预防等)
B
C
工具没烘干， 进入铝液中 作业。
渣处理作业 时的余水桶 下面潮湿
物理爆炸（一般或轻微爆炸情形2）：
D
材料淋水没 干燥进入有 铝水的炉内
南海某厂20180723熔炼铝屑爆炸烫伤5人情形
事故前期，水汽化膨胀爆炸；后期， 发生氧化燃烧反应，导致区域空气温度 升高，员工全身烫伤。
物理爆炸（一般或轻微爆炸情形2）：
化学爆炸分析
铝的化学 特性
铝的氧 化性
事例
2014年昆山铝 粉尘爆炸事件
铝粉尘因装置 破漏漏水导致
局部着火
引发粉 尘爆炸
01 地下Al粉尘 + H2O → Al(OH)3 + H2 （放热反应引起铝粉发热着火）
空中 Al粉 尘 + O2 → Al2O3 （ 放热反应引起高温高压爆炸）
02
南海某铝厂：铝 屑颗粒氧化燃烧
化学爆炸分析
（1）熔炼炉内大量铝水正常喷火熔 炼为什么就没爆炸？ （2）铝水中的H2怎么来的？
关于美国纽约2001年911爆炸事故死亡3000人分析
2001年9月11号的纽约世贸大厦双子星大楼由于 两架飞机的碰撞导致爆炸和倒塌
关于美国纽约2001年911爆炸事故死亡3000人分析
原因分析
官方调查报告认为：房屋的 倒塌是由于燃料碰撞发生爆炸并 升温，导致钢结构不能承受重力 而倒塌。
(2）第一次爆炸产生的高温，将飞机的铝 合金材料逐渐熔化成铝水了，并且不断散 落下来；同时，建筑大楼的自动消防系统 将冷却水喷洒在散落的铝液上，水快速加 热变成蒸汽，高温铝液与水蒸气发生化学 反应： 分散的Al液滴+H2O 蒸汽 → Al(OH)3+H2
短时间内快速释放大量的氢气，因而发 生更猛烈爆炸。
金属熔炼与铸锭 第三讲 熔炼的基本任务要求及工艺规程
熔铸的基本任务
(2)配制所需的各种合金 因为大多数纯金属存在力学性能等方面 的缺陷，在实际生产生活中往往需要使用以 纯金属为基体的合金材料。因此，必须通过 熔炼过程，才能有效地将各种所需的合金配 料，如将铜、镁、锰等元素加入铝中制成铝 合金；将锌、锡、镍等元素加入铜中制成铜 合金。 合金元素通常以什么形式加入？
CCl6、CCl4、NaF
熔铸工艺规程（燃油炉）
(1)生产前的准备工作
1) 检查贮油罐油位、燃烧器、油枪、炉门、铸造平台， 供水系统等；2) 必要时应烘炉。
熔铸工艺确定及配料计算； 2) 金属锭、中间合金准备； 3）覆盖剂、精炼剂、打渣剂准备。
熔铸工艺规程
熔铸的基本任务
(5)控制铸锭的结晶组织、形态及分布 铸锭不同的结晶组织、晶粒形态与分布等对压 力加工工艺性能、使用性能有着很大的影响。 通过适当的工艺措施控制铸锭的结晶组织、晶 粒形态及分布以获得加工工艺性能、使用性能良好 的铸锭组织，一般而言，铸锭晶粒越细小越好。
熔铸的基本任务
(6)重熔回收各种废料 回收废料混杂，通过重熔可以获得明确的化学 成分，并铸成适于再次入炉的锭块。熔铸车间最后 的产品是铸锭，无论铸锭的形状、尺寸及用途如何 不同，但对质量的要求是相同的。
第二节 熔铸的基本要求
熔铸的基本要求
(1) 化学成分控制：包括主要成分范围及 杂质最大允许量、成分均匀性等，应符合规 定的标准范围，保证制品的力学性能和工艺 性能。 铝合金手册成分标准
实现的途径
原材料纯化 正确的配料计算 完善防止烧损的措施 熔炼者的经验 工具干净程度
……
熔铸的基本要求
熔铸工艺规程
(8) 均质 消除成分偏析，使铸锭成分均匀化。
有色金属熔炼与铸造
RT ln pO2 =A BT
A<0
A BT A
ln pO2
RT
B T
(2)
氧化热力学条件及判据
氧化热力学条件及判据
在标准状态下，金属的氧化趋势、氧化顺序
和可能的氧化烧损程度，一般可用氧化物的标准
生成自由焓变量ΔG，分解压pO2或氧化物的生成 热ΔH作判据。通常ΔG、 pO2或ΔH越小，元素氧 化趋势越大，可能的氧化程度越高。
Me MO MeO M
Me 为还原剂， MO为金属氧化物，作氧化剂。
例如： 4Al 3TiO2 3Ti 2Al2O3
氧化热力学条件及判据
金属Me可被炉气中的氧气直接氧化，也可被其他氧化剂（以 MO表示）间接氧化。
Me+MO=MeO+M
研究表明，上式反应的热力学条件为ΔGMeO<ΔGMO，即Me对 氧的亲和力大于M对氧的亲和力。所以位于ΔG-T图下方的金属可
决定因素：金属与氧的亲和力大小，也与合金成分、 温度和压力有关
氧化热力学条件及判据
在标准状态下，金属与一摩尔氧作用生成金属氧化物的 自由焓变量称为氧化物的标准生成自由焓变量：
2x y
Me(s,l )
O2(g)
2 y
MexO y(s,l )
G RTlnPO2
ΔG是衡量标准状态下金属氧化趋势的判据，某一金属 氧化物的ΔG值越小(越负)，则该元素与氧的亲和力越大，氧 化反应的趋势亦越大，氧化物就越稳定。
即：Cu2O能够被Al还原。
G 715900J / mol 0
ΔG还是衡量标准状态下氧化物稳定性的一种判据，某一金属 氧化物的ΔG值越小(越负)，则该元素可还原ΔG值较大的氧化物。
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除渣精炼
• 吸附作用
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。
驱动力：界面能降低
θ<90° 能够吸附或润湿 θ>90°吸附或润湿较弱
润湿角
熔剂滴(或气泡)与固体夹渣间吸附时的能量条件
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
吸附作用—浮选法
利用通入熔体的惰性气体或加
惰性气体吹洗
入的熔剂产生的气泡，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
体液面的熔剂中去。
对于熔点较低的铝合金、镁合 金等较为有效。 气泡数目多尺寸大，浮选效果 好。惰性气体一般为氮气和氩 气。
有色金属熔炼与铸锭
王华 工学院材料系
第二章 熔体净化技术
熔体净化技术
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。
第一节 熔体净化原理
4
除渣精炼
氧化夹杂
非金属夹杂物的种类和来源
精炼温度
影响熔剂除渣精炼效果的因素
• 精炼时间：熔剂和夹渣上浮或下沉需要一 定的时间。 对于镁合金等轻金属，静臵时间的长短对 除渣效果影响不明显。
• 其它因素：比如熔剂的形状，粉状颗粒能 增大熔剂与夹渣的接触面积和碰撞机率。
脱气精炼
背景
气体的主要来源 解决措施
• • • • •
炉料 炉气 耐火材料 熔剂 操作工具
影响熔剂除渣精炼效果的因素
• 精炼温度：一般先用高温进行除渣精炼， 然后在较低的温度下进行脱气，最后保温 静臵。 • 熔剂：熔剂的造渣能力越强，除渣精炼效 果越好。熔剂的熔点和表面张力越低，其 吸附造渣能力就越强。随熔剂阳离子半径 的增大，熔剂的熔点和表面张力下降。因 此可以利用半径大的物质配制熔点低，表 面张力小，流动性好的精炼熔剂。
按精炼部位：
炉内精炼
在线式精炼
炉内精炼
非吸附精炼
静臵处理 真空处理 超声波处理 预凝固处理
铝合金熔体炉内处理
惰性气体吹洗
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。
CuO SiO2 CuO SiO2
氧化精炼原理
金属杂质去除的方法分为：火法精练 熔盐电解） 电解提纯（湿法电解、
化
火法精练采用氧化精练应具备三个条件： 1.基体金属的氧化物能溶解于自身金属液中，并能氧 杂质元素 2.杂质元素氧化物不溶于金属液中，并易与后者分离 3.基体金属氧化物可用其他元素还原
具体操作： 高温熔体 熔体缓慢冷却到凝固 快速重熔
注意事项
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
浇注
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 急冷凝固 抑制气体析出
1.脱氧原理及脱氧剂 氧化精练后，金属熔体中含氧量高，为降低含氧量及氧 化损失，必须进行脱氧。
脱氧就是向金属液中加入与氧亲和力比基体金属
与氧亲和力大的物质，将基体金属氧化物还原，本身形成不
溶于金属熔体的固态、液态或气态脱氧产物而被排除的工艺
过程
脱氧剂应满足下列要求：
（1）脱氧剂与氧的亲和力应明显地大于基体金属与氧的亲和力 （2）脱氧剂在金属中的残留量应不损害金属性能
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；15％Cl2+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。
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。
过滤法
填充床过滤法
• 这种过滤器由各种不同尺寸，不同材料、不同形 状的过滤介质组成的填充床。 • 过滤层越厚，介质颗粒越小，过滤效果越好。粒 度过小，会影响熔体的流量，降低生产率。
精心备料、严格 预防 控制熔化、采用 覆盖剂 在熔炼后期进行 补救 脱气精炼，降低 熔体中气体含量
目的与方法
• 目的：脱除溶解于金属中的气体。
脱气途径
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。
除渣精炼
• 静置澄清除渣（密度差作用）
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： 2 g ( 2 1 ) 2 v r 9 T ↑ ，η↓，则：v↑，τ↓ 上升或下沉时间：
9 H 2 2r ( 2 1 ) g
浮选除渣原理示意图
除渣精炼
• 溶解除渣
非金属夹杂物溶解于液态熔剂中后，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：
aMeO bMxOy aMeO bMxOy
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
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。
形成的夹渣若不在浇 根据夹渣的形态可分为：薄膜状、团状和颗粒 注前去除，将在铸锭 状。 中形成氧化夹杂。
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。
方法一：分压差脱气
动力学： 研究脱气的机制问题 脱气包括以下几个过程: (1)熔体中氢原子通过气泡边界层的扩散;
(2)氢原子在熔体-气泡界面复合为氢分子;
(3)氢气脱离吸附状态进入惰性气泡内部;
(4)气泡上浮，逸出。
其中第一个过程速度最慢
增大熔体与惰性气泡的接触界面积，有利于气泡的 脱除。
脱气精炼 方法二：预凝固脱气
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。
S K1 P
K1 S0 exp[H / 2RT ]
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。 T:金属的热力学温度 S:溶解度 △H:气体在金属中的溶解热 p:气相中溶解气体的分压 S0:常数
除渣精炼
• 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。
除渣精炼
吸附作用—熔剂
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)
脱气精炼 方法一：分压差脱气
氢分压差
分压差脱气原理示意图
分压差脱气是始完全没有氢气P’H2=0，气泡周 围熔体PH2>0，存在氢的分压差，氢原子扩散至 气泡表面，复合为氢分子进入气泡，上浮从熔体 中脱除。 • 过程持续到氢在气泡内外的分压相等，处于平衡 状态为止
(3）脱氧剂要有适当的熔点和比重
(4）脱氧产物应不溶于金属熔体中，易于凝聚、上浮而被除去 (5）脱氧剂不稀贵，且无毒 2.脱氧方法及特点： 沉淀脱氧：5[Cu2O]+2[P]=P2O5+10[Cu] 扩散脱氧：脱氧剂加在金属熔体表面或炉渣中，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按 分配定律向界面扩散而脱氧 真空脱氧：蒸气压低的氧化物先逸出来。
r↑，则：v↑，τ↓
v是夹杂物上浮或下沉的速度cm/s，η为金属液的黏度g/(cm· s)，r表 示球形夹杂半径cm，ρ2、ρ1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。