金属熔炼与铸造总结

金属熔炼与铸造总结集团文件版本号：（M928-T898-M248-WU2669-I2896-DQ586-M1988）

一金属熔化特性

●熔炼四性及判定依据：

a氧化性：由金属与氧的亲和力决定，金属与1mol氧反应生成的金属氧化物的自由焓变量为氧化物标准生成自由焓变量△G☉，其越小，还有氧化物的分解压Po2和氧化反应生成热△H☉越小，代表金属与氧亲和力越大，金属氧化趋势越大，程度越高，金属氧化物越稳定

b吸气性：由金属与气体的亲和力决定，即溶解度，它与金属和气体性质、气体分压、温度、合金元素有关。C=K√P—平方根定律，双原子气体在金属中溶解度与其分压的平方根成正比；气体分压一定时，C=K e(−e

2ee

) 溶解热为正时。溶解度随温度升高而增大，与气体有较大亲

和力的合金元素会增大气体溶解度。各种因素得到㏒

C=-A e+B+0.5㏒P

c挥发性：平衡时，气相中金属的蒸气分压为该温度的饱和蒸气压，蒸气压越高，越易挥发。外压一定，纯金属的蒸气压随温度的升高的增大，挥发趋势增强；炉膛压力越小，金属挥发速率增大，这是因为真空度高，质点碰撞概率少，回凝速率减少，挥发加速；蒸气压大、蒸发热小、沸点低的金属和合金易挥发损失。

d吸杂性：

●金属氧化热力学及判据：熔炼温度范围，氧化反应在热力学上为自动过程。在标准状态下，金属的氧化

趋势、氧化顺序和可能的氧

化程度，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 作为判据。通常Δ

G、ΔH 或 pO2 越小，金属

氧化趋势越大、越先被氧

化、可能的氧化程度越高，

氧化物越稳定。

●金属氧化动力学机理：氧

化环节及过程：氧由气相通

过边界层向氧/氧化膜界面

扩散(外扩散)→氧通过固体

氧化膜向氧化膜/金属界面

扩散（内扩散）→在氧化膜

/金属界面上发生界面化学

反应。①P-B比即氧化膜致

密性系数（e），即氧化物

的分子体积与形成该氧化物

的金属原子体积之比来衡量

氧化膜性质，当e>1氧化膜

致密，连续，有保护性，扩

散阻力增大，内扩散成为控

制性环节（铝、Be），e<1

氧化膜疏松多孔，无保护

性，结晶化学反应为控制性

环节（碱金属)e>>1氧化膜

十分致密。内应力很大，会

周期性破裂，非保护性。②

反应温度，低温氧化过程受

化学反应控制，高温受扩散

控制，③反应面积越大，氧

化速率越大

●熔体中气体存在形态及来

源，吸气的过程及影响因

素。

形态：固溶体、化合物、气

孔

来源：金属原料自带和与熔

体接触的炉气、溶剂、工具

带入的水分你和碳氢化合物

过程：①气体分子碰撞到金

属表面；②在金属表面上气

体分子离解为原子；③以气

体原子状态吸附在金属表面

上；④气体原子扩散进入金

属内部，前三个是吸附阶段

随温度升高，物理吸附减

弱，化学吸附加快，但一定

温度后达最大，最后一个是

扩散阶段，即气体从浓度高

的表面向浓度低的内部过程

运动的过程，浓度差越大，

温度越高，扩散速度越快。

影响因素：金属吸气速度主

要决定于气体的扩散速度。

由菲克第一扩散定律和平方

根定律可知，气体分压越

大，温度越高，扩散系数越

大，金属吸气速度就越快。

气体分压越大，气体在金属

表面的浓度就越高，故气体

在金属中的浓度梯度越大，

致使扩散速度加快。金属中

气体的扩散系数与合金元素

有关。例如：镁和钛都显着

降低氢在铝液中的扩散系

数。在熔炼一定成分的合

金时，熔体的实际含气量主

要取决于熔炼工艺和操作流

程。首先是尽可能减少金属

吸气，严防水分和氢的载体

接触炉料或熔体；然后配合

以有效的脱气措施，尽可能

降低金属熔体的含气量。

应对措施：在熔炼一定成

分的合金时，熔体的实际含

气量主要取决于熔炼工艺和

操作。首先是尽可能减少金

属吸气，严防水分和氢的载

体接触炉料或熔体；然后配

合以有效的脱气措施，尽可

能降低金属熔体的含气量。

●气体的溶解度及影响因素：

金属和气体的性质：金属吸气的能力是由气体与金属的亲和力决定的。在一定温度和压力下，气体在金属中的溶解度是金属与气体亲和力大小的标志。金属与气体的亲和力不同，气体在金属中的溶解度也不同。在熔点温度，无论是固态或是液态，氢在铁、镍、镁、钛、锆等金属中的溶解度都比在铝和铜中的高。同时，金属在相变温度时，氢的溶解度变化较大。因此，在金属凝固时，过饱和的氢就会析出，此时最易在铸锭中形成气孔。在凝固温度范围的金属中，固液态含气量相对变化值越大，则金属铸锭中越易形成气孔缺陷。蒸汽压高的金属，由于具有挥发去吸附作用，会显着降低其他在金属中的溶解度。气体的分压：双原子气体在金属中的溶解度与其分压的平方根成正比。在含有水蒸气的炉气中，即使水蒸气的含量甚微，也足以使铝、镁中的氢含量增加。温度：温度对溶解度的影响取决于溶解热。当溶解热为正值吸热时，溶解度随温度升高而增大，以原子状态溶解于金属熔体的气体都如此。当气体能与金属形成化合物且熔解热为负（即放热反应）时，其溶解度随温度升高而降低。合金元素：在实际的多元系合金熔体中，气体的溶解度除受制于气体的温度和分压外，还在一定程度上受到合金

成分的影响。与气体有较大

亲和力的合金元素，通常会

使合金中的气体溶解度增

大；与气体亲和力较小的

合金元素则相反。●影响金

属挥发的因素和降低挥发损

失的方法。

因素：①熔体温度：外压一

定，纯金属的蒸气压随温度

的升高的增大，挥发趋势增

强；②炉膛压力：一般炉膛

压力越小，金属挥发速率增

大；③金属及合金元素：同

一温度下纯金属蒸气压大，

蒸发热小，沸点低的金属易

挥发损失；该组元在合金中

的含量，其他元素对其活度

系数影响，增大活度系数的

合金元素，增大损失。④.

其他因素：与金属处于高温

液态的时间、金属的比表面

积和氧化膜的性质有关。金

属处于高温液态的时间越

长，比表面积越大，搅拌及

扒渣次数越多，其挥发损失

也越大。熔体表面有致密氧

化膜或溶剂及炉渣覆盖时，

可降低挥发损失。反之，在

还原性炉气中熔炼时，由于

熔体表面无保护性氧化膜，

挥发损失会加大。

方法：和降低氧化烧损一

样，还有①易挥发元素在脱

氧或熔炼后期加入，②在真

空熔炼时，用较高真空度来

提高精炼效果和降低氧化烧

损。③充入惰性气体来减少

挥发损失和准确控制合金成

分。

●金属熔体中夹杂来源和减

少杂质污染途径

来源：金属中的杂质除来自

金属炉料外，在熔炼过程中

还可能从炉衬、炉渣或炉气

中吸收。旧料的多次重熔，

其吸收的杂质可能积累起

来。

●减少杂质污染途径

1.选用化学稳定性高的耐火

材料；

2.在可能的条件下才用纯度

较高的新金属料以保证某些

合金的纯度要求；

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

的涂料保护好；

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.将强炉料管理，杜绝混料

现象。

●金属在熔炼过程中会发生

高温氧化熔损，叙述影响金

属氧化的因素及降低氧化的

方法。

因素：金属及氧化物的性质

纯金属氧化烧损的大小主要

取决于金属的亲和力和表面

氧化膜的性质。熔炼温度

熔炼温度越高，氧化烧损就

越大。炉气性质炉气的氧

化性强，一般氧化烧损程度

也大。其他因素使用不同

的炉型，其熔池形状、面积

和加热方式不同，氧化烧损

程度也不同；在其他条件一

定时，熔炼时间越长，氧化

烧损也越大。

方法：选择合理炉型，采用

合理的加料顺序和炉料处理