金属熔炼与铸锭 第五讲 有色金属及合金熔体的净化

氢在铝中溶解度变化
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。
脱气精炼
方法二：预凝固脱气
具体操作： 高温熔体
熔体缓慢冷却到凝固 快速重熔
浇注
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 Βιβλιοθήκη Baidu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
化物如冰晶石，其吸附能力大为提高。
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
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+2[H]=2Cu+H2O↑
本方法仅适用于紫铜的精炼
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。
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。
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
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 bM xOy aMeO bM xOy
第五讲 有色金属及合金熔体的 净化
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。
第一节 熔体净化原理
3
脱气精炼
背景
气体的主要来源
炉料 炉气 耐火材料 熔剂 操作工具
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
影响吸附的因素
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。
解决措施
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
脱气精炼
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
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。
形成的夹渣若不在浇注 前去除，将在铸锭中形 成氧化夹杂。
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。
除渣精炼
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 2g(2 1) r 2
上升或下沉时间：
9
T ↑ ，η↓，则：v↑，τ↓
9 H
r↑，则：v↑，τ↓
2r 2 (2 1)g
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
若要S降低，可降低P。
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 分压差脱气是目前应用最广泛、最有效的方法
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：
S K2 exp[H / 2RT ]
S:溶解度
K2:与压力有关的常数。 △H:气体在金属中的溶解热
R:气体常数 T:金属的热力学温度
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：
存在的问题：
高温熔体 急冷凝固
气体以过饱和固溶体存 在于固相中，处于不稳 定状态
抑制气体析出
举例说明： 钢中的氢脆现象。
气体过饱和溶于固溶体
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
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
润湿角
θ<90° 能够吸附或润湿 θ>90°吸附或润湿较弱
熔剂滴(或气泡)与固体夹渣间吸附时的能量条件
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)
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。
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
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