第十二讲 有色金属及合金的熔炼技术

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。 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。
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）。
12.5.2 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 (200-250m／s)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(12.616.7) × 10 5 kJ／(m2· h) ，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%。
12.1.2 熔炼炉的种类和应用
电炉分为电阻熔化炉、感应熔化炉和电弧炉。
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。
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
12.5.2 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。
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。
12.3.2 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。
12.3.4 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 5 t/h， 电 耗 200kW.h/t，电效率 0.95 ， 热效率0.89。
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。
12.4.1 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、钼等。
12.4.2 真空电弧炉熔炼技术
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
12.2.2.2 电阻反射炉熔炼技术
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
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。
T
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。
12.2.1.1 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
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。常用来熔炼钢与铜合金。
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
12.1.2 熔炼炉的种和应用
电炉分为电阻熔化炉、感应熔化炉和电弧炉。
井式电阻熔化炉
电阻丝
12.1.2 熔炼炉的种类和应用
电炉分为电阻熔化炉、感应熔化炉和电弧炉。
感应熔化炉
缺点
熔炼时间长 耗电量大 生产效率低
12.2.1.2 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。
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。
12.3.3.3 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：高频变频器效率低，设备费用较高。电 能单耗较高，为中频炉电耗2～3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1500-2000kW· h /t。
12.3.3.2 中频无芯熔炼炉
工作频率通常在4kHz以下，结构和工频炉 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（kW· h／t）: 铜400-500，镍650-700 ，黄铜220～360。