有色金属熔炼与铸锭
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有色金属熔炼与铸锭
有色金属熔炼的基本原理
1、氧化的热力学原理 2、氧化的动力学机制 3、影响氧化烧损的因素及降低氧化烧损的方法 4、金属氧化精炼的原理 5、挥发及挥发损失 6、夹渣和除渣精炼
有色金属熔炼与铸锭
金属氧化的热力学
趋势问题
▲金属氧化的趋势 ▲各合金元素的氧化顺序 ▲氧化程度
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
化膜界面上氧的浓度
有色金源自文库熔炼与铸锭
氧化膜的性质决定以上哪一个环节是限制性环节，而 氧化膜的主要性质是其致密度:
a=MV/AV
MV—氧化物的分子体积， AV—氧化物的
金属原子体积
a 举例说明： Al2O3=MVAl2O3/2AVAl
当a>1时，氧化膜致密、连续，有保护性 当a<1时，氧化膜疏松多孔，无保护性
有色金属熔炼与铸锭
二、金属氧化的动力学方程
平面金属的氧化速度可用氧化膜厚度随时间的变化来表示：
1.温度、面积一定，内扩散速度： (dx/dt)=D/x * (CO2-C´O2)
2.结晶化学反应速度： (dx/dt)=K CO2
两阶段速度相等可求得：1/D*x*dx+1/K*dx= CO2*dt t为时间
有色金属熔炼与铸锭
金属氧化的动力学
速度问题
一、金属氧化机理和氧化膜结构（重点了解三个环节）
1.氧由气相通过边界层向氧-氧化膜界面扩散（即外扩散）
VD=DA/δ *(C0O2-CO2)
D—氧在边界层中的扩散系数，A、δ—边界层面积和 厚度
C0O2、CO2—边界层外和相界面上氧的浓度
有色金属熔炼与铸锭
有色金属熔炼与铸锭
一、有色金属熔炼的基本原理 二、有色金属铸锭凝固的基本原理 三、铝锂合金熔炼与铸造的特点
有色金属熔炼与铸锭
有色金属熔炼与铸锭 主要内容
● 有色金属在熔炼和铸锭过程中与炉气、炉衬、 溶剂、涂料、空气和水蒸气等环境因素相互作用 的基本规律
● 熔铸工艺参数对熔体中的气体及夹渣含量 和铸锭的凝固过程、结晶组织、溶质再分布及 偏析、裂纹等缺陷所产生的影响及变化规律
有色金属熔炼与铸锭
(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]=P2O3+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
因此，膜厚x与时间t呈曲线关系： a<1，D>>K, x = K CO2t------受结晶化学变化控制 a>1，D<<K，x2 = 2 D CO2t----内扩散速度控制
有色金属熔炼与铸锭
▲但实验观察和理论研究指出，某些金属符合 对数规律或立方规律----研究还有待深入。
▲ 固体纯金属的氧化动力学规律也适用于液 态金属，必须指出，合金熔体氧化动力学的实验研 究很少，但添加合金元素能强烈地影响金属的氧化 特性----改变膜的性质所致
图1-2
有色金属熔炼与铸锭
2.氧通过固体氧化膜向氧化膜-金属界面扩散（即内扩散）
VD=DA/δ *(CO2-C´O2)
D—氧在氧化膜中的扩散系数，δ—氧化膜的厚度 C´O2—反应界面上的浓度
3.在金属-氧化膜界面上，氧和金属发生界面化学反应，与 此同时金属晶格转变为氧化物
VK=KAC´O2
K—反应速度常数，C´O2—金属-氧
有色金属熔炼与铸锭
三、杂质元素的氧化： 氧化精练的实质是利用氧将金属中的杂质氧化成渣或生成气体而排
除的过程 四、金属脱氧： 1.脱氧原理及脱氧剂
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 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
有色金属熔炼与铸锭
四、其他因素
如料的表面积、熔炼炉设备等
降低氧化烧损的方法：
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（熔池面积小、加热速度快）
2.采用合理的加料顺序和炉料处理工艺（如中间合金、锂最后加入）
3.采用覆盖剂
4.正确控制炉温
5.正确控制炉气性质
6.合理的操作方法
7.加入少量a>1的表面活性元素
有色金属熔炼与铸锭
金属的氧化精练原理 火法精练 电解提纯（湿法电解、熔盐电解） 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，并能氧化 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 铝、镁等不适合上述条件，铁、铜、镍符合
有色金属熔炼与铸锭
影响氧化烧损的因素及降低氧化烧损的方法
影响金属氧化烧损的因素：
一、金属及氧化物的性质
纯金属氧化烧损取决于金属与氧的亲和力和金属表面氧 化膜的性质 Mg、Li与氧亲和力大，而且a<1，氧化烧损大 Al、Be 与氧亲和力大，但a>1，氧化烧损小 Au、Ag、Pt与氧亲和力小，a>1，故很难氧化
有色金属熔炼与铸锭
杂质的吸收和积累： 1.从炉衬中吸收杂质 2.从炉气中吸收杂质 3.从溶剂和熔炼添加剂中吸收杂质 4.从炉料及炉渣中吸收杂质 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 2.尽可能采用纯度较高的新金属料 3.火焰炉应选用低硫燃料 4.工具采用不会带入杂质的材料制作和采用涂料保护 5.变料或转换合金时要清洗熔炉 6.注意辅助材料的选用 7.加强炉料管理，杜绝混料现象
例外情况：a>1，但线膨胀系数与基体金属不相适应则 易产生分层，断裂而脱落—显然也属于易氧化烧损金属
有色金属熔炼与铸锭
二、熔炼温度 温度升高，氧化速度加快 如，4000C以下，氧化铝膜强度高，线膨胀系数与铝接近，膜保护良好 （抛物线规律），但高于5000C则按直线氧化规律，7500C时易于断裂
三、炉气性质 存在诸如O2、H2O、CO2、CO、H2、CmHm、SO2、N2等气体 体系对金属是 氧化性还是还原性或中性应视具体情况而定 金属的亲和力大于C、H与氧的亲和力则含有CO2、CO或H2O的炉气就会 使其氧化
有色金属熔炼的基本原理
1、氧化的热力学原理 2、氧化的动力学机制 3、影响氧化烧损的因素及降低氧化烧损的方法 4、金属氧化精炼的原理 5、挥发及挥发损失 6、夹渣和除渣精炼
有色金属熔炼与铸锭
金属氧化的热力学
趋势问题
▲金属氧化的趋势 ▲各合金元素的氧化顺序 ▲氧化程度
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
化膜界面上氧的浓度
有色金源自文库熔炼与铸锭
氧化膜的性质决定以上哪一个环节是限制性环节，而 氧化膜的主要性质是其致密度:
a=MV/AV
MV—氧化物的分子体积， AV—氧化物的
金属原子体积
a 举例说明： Al2O3=MVAl2O3/2AVAl
当a>1时，氧化膜致密、连续，有保护性 当a<1时，氧化膜疏松多孔，无保护性
有色金属熔炼与铸锭
二、金属氧化的动力学方程
平面金属的氧化速度可用氧化膜厚度随时间的变化来表示：
1.温度、面积一定，内扩散速度： (dx/dt)=D/x * (CO2-C´O2)
2.结晶化学反应速度： (dx/dt)=K CO2
两阶段速度相等可求得：1/D*x*dx+1/K*dx= CO2*dt t为时间
有色金属熔炼与铸锭
金属氧化的动力学
速度问题
一、金属氧化机理和氧化膜结构（重点了解三个环节）
1.氧由气相通过边界层向氧-氧化膜界面扩散（即外扩散）
VD=DA/δ *(C0O2-CO2)
D—氧在边界层中的扩散系数，A、δ—边界层面积和 厚度
C0O2、CO2—边界层外和相界面上氧的浓度
有色金属熔炼与铸锭
有色金属熔炼与铸锭
一、有色金属熔炼的基本原理 二、有色金属铸锭凝固的基本原理 三、铝锂合金熔炼与铸造的特点
有色金属熔炼与铸锭
有色金属熔炼与铸锭 主要内容
● 有色金属在熔炼和铸锭过程中与炉气、炉衬、 溶剂、涂料、空气和水蒸气等环境因素相互作用 的基本规律
● 熔铸工艺参数对熔体中的气体及夹渣含量 和铸锭的凝固过程、结晶组织、溶质再分布及 偏析、裂纹等缺陷所产生的影响及变化规律
有色金属熔炼与铸锭
(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]=P2O3+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
因此，膜厚x与时间t呈曲线关系： a<1，D>>K, x = K CO2t------受结晶化学变化控制 a>1，D<<K，x2 = 2 D CO2t----内扩散速度控制
有色金属熔炼与铸锭
▲但实验观察和理论研究指出，某些金属符合 对数规律或立方规律----研究还有待深入。
▲ 固体纯金属的氧化动力学规律也适用于液 态金属，必须指出，合金熔体氧化动力学的实验研 究很少，但添加合金元素能强烈地影响金属的氧化 特性----改变膜的性质所致
图1-2
有色金属熔炼与铸锭
2.氧通过固体氧化膜向氧化膜-金属界面扩散（即内扩散）
VD=DA/δ *(CO2-C´O2)
D—氧在氧化膜中的扩散系数，δ—氧化膜的厚度 C´O2—反应界面上的浓度
3.在金属-氧化膜界面上，氧和金属发生界面化学反应，与 此同时金属晶格转变为氧化物
VK=KAC´O2
K—反应速度常数，C´O2—金属-氧
有色金属熔炼与铸锭
三、杂质元素的氧化： 氧化精练的实质是利用氧将金属中的杂质氧化成渣或生成气体而排
除的过程 四、金属脱氧： 1.脱氧原理及脱氧剂
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 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
有色金属熔炼与铸锭
四、其他因素
如料的表面积、熔炼炉设备等
降低氧化烧损的方法：
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（熔池面积小、加热速度快）
2.采用合理的加料顺序和炉料处理工艺（如中间合金、锂最后加入）
3.采用覆盖剂
4.正确控制炉温
5.正确控制炉气性质
6.合理的操作方法
7.加入少量a>1的表面活性元素
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金属的氧化精练原理 火法精练 电解提纯（湿法电解、熔盐电解） 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，并能氧化 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 铝、镁等不适合上述条件，铁、铜、镍符合
有色金属熔炼与铸锭
影响氧化烧损的因素及降低氧化烧损的方法
影响金属氧化烧损的因素：
一、金属及氧化物的性质
纯金属氧化烧损取决于金属与氧的亲和力和金属表面氧 化膜的性质 Mg、Li与氧亲和力大，而且a<1，氧化烧损大 Al、Be 与氧亲和力大，但a>1，氧化烧损小 Au、Ag、Pt与氧亲和力小，a>1，故很难氧化
有色金属熔炼与铸锭
杂质的吸收和积累： 1.从炉衬中吸收杂质 2.从炉气中吸收杂质 3.从溶剂和熔炼添加剂中吸收杂质 4.从炉料及炉渣中吸收杂质 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 2.尽可能采用纯度较高的新金属料 3.火焰炉应选用低硫燃料 4.工具采用不会带入杂质的材料制作和采用涂料保护 5.变料或转换合金时要清洗熔炉 6.注意辅助材料的选用 7.加强炉料管理，杜绝混料现象
例外情况：a>1，但线膨胀系数与基体金属不相适应则 易产生分层，断裂而脱落—显然也属于易氧化烧损金属
有色金属熔炼与铸锭
二、熔炼温度 温度升高，氧化速度加快 如，4000C以下，氧化铝膜强度高，线膨胀系数与铝接近，膜保护良好 （抛物线规律），但高于5000C则按直线氧化规律，7500C时易于断裂
三、炉气性质 存在诸如O2、H2O、CO2、CO、H2、CmHm、SO2、N2等气体 体系对金属是 氧化性还是还原性或中性应视具体情况而定 金属的亲和力大于C、H与氧的亲和力则含有CO2、CO或H2O的炉气就会 使其氧化