有色金属熔炼与铸锭第二章
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金属熔炼与铸锭—第二章
有色金属及合金的熔炼与铸锭
第二章
1
冶金工程学院
第2章 有色金属及合金材料
主要内容
2.1 熔铸的基本任务 2.2 熔铸的基本要求 2.3 熔铸工艺规程制定
2
冶金工程学院
2.1 熔铸的基本任务
3
冶金工程学院
2.2 熔铸的基本要求
4
冶金工程学院
2.2 熔铸的基本要求
5
冶金工程学院
2.2 熔铸的基本要求
2.3 熔铸工艺规程的制定
20
冶金工程学院
作业思考题
1.熔铸的基本任务是什么？ 2.熔铸的六点要求是什么？ 3.为什么在熔铸之前要制定熔铸工艺规程？
21
冶金工程学院
15
冶金工程学院
2.3 熔铸工艺规程的制定
水、电（油）、气、料
Байду номын сангаас
16
冶金工程学院
2.3 熔铸工艺规程的制定
17
冶金工程学院
18
冶金工程学院
• 铸造用(废钢熔解）里面的原材料覆盖剂在废钢熔炼过程 中覆盖在钢水表面，起到了保温、吸附夹杂物，防止钢水 氧化等作用。主要成分为C、CaO、SiO2、Al2O3等。对于 有特殊要求的，还要添加合金粉、膨胀材料等，以提高保 温、吸附夹杂的性能。 • 铸造熔炼精炼添加剂的作用及特性 熔炼精炼添加剂能加快 合金的熔化,降低熔化能耗,节省用电量,减 少电能耗损 净化 钢(铁)液,减少渣孔、气孔,提高铸件成品... • 打渣剂和清渣剂应该是一样的东西 铝合金在温度达到720度左右时加入精炼剂,用工具压到底 部缓慢移动直到不冒泡为止,主要是用来清除铝液中的氢 精炼后加入打渣剂,用工具充分搅拌后捞出渣子,主要是用 19 来清除铝液中的杂质 冶金工程学院 清渣结束后在表面撒上覆盖剂,防止空气中的氢进入铝液中
第二章
1
冶金工程学院
第2章 有色金属及合金材料
主要内容
2.1 熔铸的基本任务 2.2 熔铸的基本要求 2.3 熔铸工艺规程制定
2
冶金工程学院
2.1 熔铸的基本任务
3
冶金工程学院
2.2 熔铸的基本要求
4
冶金工程学院
2.2 熔铸的基本要求
5
冶金工程学院
2.2 熔铸的基本要求
2.3 熔铸工艺规程的制定
20
冶金工程学院
作业思考题
1.熔铸的基本任务是什么？ 2.熔铸的六点要求是什么？ 3.为什么在熔铸之前要制定熔铸工艺规程？
21
冶金工程学院
15
冶金工程学院
2.3 熔铸工艺规程的制定
水、电（油）、气、料
Байду номын сангаас
16
冶金工程学院
2.3 熔铸工艺规程的制定
17
冶金工程学院
18
冶金工程学院
• 铸造用(废钢熔解）里面的原材料覆盖剂在废钢熔炼过程 中覆盖在钢水表面，起到了保温、吸附夹杂物，防止钢水 氧化等作用。主要成分为C、CaO、SiO2、Al2O3等。对于 有特殊要求的，还要添加合金粉、膨胀材料等，以提高保 温、吸附夹杂的性能。 • 铸造熔炼精炼添加剂的作用及特性 熔炼精炼添加剂能加快 合金的熔化,降低熔化能耗,节省用电量,减 少电能耗损 净化 钢(铁)液,减少渣孔、气孔,提高铸件成品... • 打渣剂和清渣剂应该是一样的东西 铝合金在温度达到720度左右时加入精炼剂,用工具压到底 部缓慢移动直到不冒泡为止,主要是用来清除铝液中的氢 精炼后加入打渣剂,用工具充分搅拌后捞出渣子,主要是用 19 来清除铝液中的杂质 冶金工程学院 清渣结束后在表面撒上覆盖剂,防止空气中的氢进入铝液中
金属熔炼与铸锭 第一章 有色金属及合金材料 ppt课件
山西
河南 贵州
广西
中国铝土矿资源丰度属中等水平， 产地310处，分布于19个省(区)。总 保有储量矿石22.7亿吨，居世界第7 位。山西铝资源最多，保有储量占 全国储量41%；贵州、广西、河南 次之，各占17%左右。
.李会强：《合金熔炼与铸锭》
15
铝工业发展简史
1746年，德国科学家波特用明矾制得
Si 0.40 0.15 0.10 0.12 0.12 0.1200
杂质
在晶界形成大尺寸的富铁 化合物，具有高的熔点，很 难再固溶过程中溶入基体， 降低合金性能
铝合金中的富铁化合物EDS分析结果
消耗了基体中的铜原子， 降低了合金的时效强化效果
.李会强：《合金熔炼与铸锭》
21
纯铝
纯铝的牌号 L04
金属熔炼与铸锭
湖南科技大学 机电工程学院
.李会强：《合金熔炼与铸锭》
1
金属熔炼与铸锭课程
简介
金属材料广泛应用于航海、航空、航天、汽车、 建筑、通讯、家电等领域,在国民经济中占有重要的 地位。
.李会强：《合金熔炼与铸锭》
2
金属熔炼与铸锭课程
简介
包装绝用大铝箔多数的金属材料，是通过熔炼-铸造-塑性加 工的方法获得，铸锭成分及冶金质量是关系产品是
4#高纯铝 99.996%
L03 3#高纯铝 99.99%
L02 2#高纯铝
99.96%
L0 1#工业高纯铝
99.90%
L00 2#工业高纯铝
99.85%
L1
L2 … … L7
1#工业纯铝
2#工业纯铝
7 工业纯铝 #
.李会强：《合金熔炼与铸锭》
22
力学性能
铝合金
铸造有色合金及其熔炼
THANKS
感谢观看
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。
有色金属加工-熔炼与铸锭..
金属液中气体的溶解与检测
熔体中溶解的气体：H2（70~90%）、CO2、 CO、N2、CnHm 气体的溶解机理：与金属有一定结合能力的气 体，都能不同程度溶解于金属熔体；与金属无 结合能力的气体，不溶解于金属熔体，只被吸 附 熔体中气体的危害：引起铸锭产生气孔或组织 疏松 气体含量测定：第一气泡法
铝合金牌号
铝合金牌号
1xxx系 2xxx系 3xxx系 4xxx系 5xxx系 6xxx系 7xxx系 8xxx系 9xxx系
镁合金牌号
产品牌号以英文字母加数字再加英文字母的形式表示 。前面的2位英文字母是其最主要的合金组成元素代 号(元素代号符合表1的规定)，其后的2位数字表示其 最主要的合金组成元素的大致含量。最后面的一个英 文字母为标识代号，用以标识各具体组成元素相异或 元素含量有微小差别的不同合金
火焰炉
感应炉
熔炼炉的结构
电阻反射式熔炼炉：通 过电热体放出的热量加 热炉顶和炉墙，热量再 由炉顶、炉墙以辐射方 式传递给被加热的物料， 使之不断升温熔化 固定式方形电阻反射炉 结构：炉壳、炉基、炉 底、炉墙、炉顶、炉温 控制和测量系统
静置炉
用于接受在熔炼炉中熔炼好的熔体，并在其中 进行精炼、静置和调整熔体温度，在铸造过程 中对熔体起保护作用 电阻反射炉作静置炉
确定炉料组成和配料比的基本原则
炉料组成：构成炉料的各个品种和每个品种的 品位 配料比：一炉炉料中每一种炉料所占的比例 原则：
成分原则 质量原则 工艺原则 经济原则 物料平衡原则
金属熔炼与铸锭 第三讲 熔炼的基本任务要求及工艺规程
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
铝锭偏析瘤
常见于合金含量高的合金中
熔铸的基本要求
（5）铸锭结晶组织细密均匀。粗大或分布不 均匀的结晶组织降低了金属的延伸性，在压 力加工时容易遭受破裂，如轧制时易发生裂 纹、裂边等缺陷。
（6）铸锭的形状规整，尺寸符合要求。
第三节 熔铸工艺规程制定
熔铸工艺规程
化学成分是熔铸的基本要求，此外，熔 铸质量最难控制的环节有两个:一是熔体中的 气体（ H ）、微量杂质及夹杂的定量控制； 二是铸锭中的缩松、裂纹、偏析及组织不均 匀性的控制。 熔铸产品质量与金属性质（内因）及工 艺条件（外因）密切相关。 在合金一定时，应结合合金的熔炼特性， 采用合理的熔铸工艺，以解决合金熔铸质量 问题。
熔炼与铸锭生产是金属压力加工生产中 首要的环节，也是必不可少的组成部分。它 不仅供给加工部门所必需的原料 -铸锭，而且 在很大程度上影响着以后加工制品的质量和 工艺性能。 因此，熔铸就是提供符合压力加工生产 要求的优质铸锭或冶金质量优异的铸件。
熔铸的基本任务
(1)获得化学成分均匀的金属 从冶炼厂提供的纯金属，因冶炼操作技 术条件有差异，生产的小锭块成分和质量不 会绝对相同，必须经过一次冶炼过程，将品 质各异的纯金属小锭块熔成品质均匀的金属， 尽量消除成分偏析，才能形成适合压力加工 的原料。
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。
熔炼与铸锭
a、上熔剂法：适用夹渣比重小的情况，如Al青 、上熔剂法：适用夹渣比重小的情况，如Al青 铜、Al黄铜； 铜、Al黄铜； b、下熔剂法：适用夹渣比重大的情况，如Mg及 、下熔剂法：适用夹渣比重大的情况，如Mg及 合金; 合金; c、全体熔炼法：适用夹渣比重差不较大的情况。 如Al及合金。 Al及合金。 (4) 过滤法：通过过滤器，利用过滤作用原理。 主要有网状过滤法、填充床过滤法和刚性微孔过 滤法三种方法。
a、惰性气体精炼：惰性气体是指那些本身不溶 于金属熔体，且不与熔体中的元素发生化学反应 的气体。其特点是它本身无毒，不腐蚀设备，操 作方便、安全，但脱气效果不够理想。 b、活性气体精炼：与惰性气体相对而言。其特 点是气体量大，精炼效果好，同时可以除钠，但 活性气体有毒，有害人体健康，腐蚀设备和污染 环境，需有完善的通风排气设备，且所得晶粒易 粗大。 c、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，并减免其害处，因而 在生产中获得了广泛应用。
e、CO——溶解度很小，对Cu及合金显还原性或 CO——溶解度很小，对Cu及合金显还原性或 中性。 二、吸气过程 吸气过程即气体在金属中的溶解过程，主要 分为吸附和扩散两个阶段。吸附阶段有两种形式： 物理吸附和化学吸附。前都是由分子形式范德华 力而产生吸附的，后者是由原子形式化学键力而 产生吸附的。扩散过程就是气体原子，从浓度较 高的表面向浓度较低的内部运动的过程。显然浓 度差越大，温度越高，扩散速度也越快。 综上所述，金属吸收气体由以下四个过程组成：
1）气体分子碰撞到金属表面；2）在金属表面上 ）气体分子碰撞到金属表面；2 气体分子离解为原子；3 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 在金属表面上；4）气体原子扩散进入金属内部。 三、脱气精炼 脱气精炼的主要目的就在于脱除溶解于金属 中的气体。脱气精炼可分为分压差脱气、化合脱 气、电解脱气和预凝固脱气等方法。 1、分压差脱气精炼法 分压差脱气精炼法可分为气体脱气法、熔剂 脱气法、沸腾脱气法和真空脱气法四种。 (1) 气体脱气法又有惰性气体、活性气体和混合 气体数种。
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。
有色金属熔炼和铸造PPT讲稿
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图中处在越下部的金属与氧的结合能力越强，由此产生 金属冶炼中的金属热还原法。
Me MO MeO M
Me 为还原剂， M为O 金属氧化物，作氧化剂。
例如： 4 Al 3TiO2 3Ti 2Al2O3
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氧化动力学机制
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
(CO
2
CO' 2 )
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
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氧化动力学机制
内扩散
vD
DA
(CO
2
CO' 2 )
金属氧化机理示意图
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氧化热力学条件及判据
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• 由式(1．11)可以看出，气相氧的分压P02高，
组元含量[i%]多及活度系数大，则氧化反应 趋势大。因此，在实际熔炼条件下，元素的氧 化反应不仅与ΔG有关，而且反应物的活度 和分压也起很大作用。改变反应物或生成物 的活度与炉气中反应物的分压，可影响氧化 反应进行的顺序、趋势和限度，甚至改变反 应进行的方向。
(1)
分解压与温度的关系可以由ΔG-T关系导出。由ΔG=A+BT
及公式（1-2）可得：
RT ln pO2 =A BT
A<0
A BT A
图中处在越下部的金属与氧的结合能力越强，由此产生 金属冶炼中的金属热还原法。
Me MO MeO M
Me 为还原剂， M为O 金属氧化物，作氧化剂。
例如： 4 Al 3TiO2 3Ti 2Al2O3
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氧化动力学机制
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
(CO
2
CO' 2 )
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
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氧化动力学机制
内扩散
vD
DA
(CO
2
CO' 2 )
金属氧化机理示意图
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氧化热力学条件及判据
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• 由式(1．11)可以看出，气相氧的分压P02高，
组元含量[i%]多及活度系数大，则氧化反应 趋势大。因此，在实际熔炼条件下，元素的氧 化反应不仅与ΔG有关，而且反应物的活度 和分压也起很大作用。改变反应物或生成物 的活度与炉气中反应物的分压，可影响氧化 反应进行的顺序、趋势和限度，甚至改变反 应进行的方向。
(1)
分解压与温度的关系可以由ΔG-T关系导出。由ΔG=A+BT
及公式（1-2）可得：
RT ln pO2 =A BT
A<0
A BT A
有色金属熔炼与铸锭 ppt课件
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
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
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
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
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
铸锭的凝固传热： 1）金属性质 2）锭模和涂料性质 3）浇注工艺（浇注温度、浇注速度、冷却强度）
●绝热模（如砂模）中 铸锭凝固时的温度分布：
●铸锭凝固以凝壳热阻为主时（如水冷模）的温度分布
●铸锭凝固以界面热阻为主时（如水冷模）的温度分布
影响凝固传热的因素:
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
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
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
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
铸锭的凝固传热： 1）金属性质 2）锭模和涂料性质 3）浇注工艺（浇注温度、浇注速度、冷却强度）
●绝热模（如砂模）中 铸锭凝固时的温度分布：
●铸锭凝固以凝壳热阻为主时（如水冷模）的温度分布
●铸锭凝固以界面热阻为主时（如水冷模）的温度分布
影响凝固传热的因素:
第二部分熔炼与铸锭
线收缩率：
L
L0 L1 L1
100%
其中 V0，L0表示铸件在高温T0时的体积和一维方向的长度；
V1，L1表示铸件在高温T1时的体积和一维方向的长度。
三 铸锭缺陷
缩孔：
定义：缩孔是指金属液在铸模中冷却和凝固时，在铸件
的厚大部位及最后凝固部位形成一些容积较大的孔洞。
产生原因：
先凝固区域堵 住液体流动的 通道，后凝固 区域收缩所缩 减的容积得不 到补充。
工艺过程：如右图所示。
特点和应用：
1、冷却速度快，组织致密， 机械性能好；
2、工艺简单，生产效率高； 3、适于横截面一定的钢材、
铝材和铸铁管等铸件的生产。
连续铸造工艺过程示意图
五、凝固理论的实际应用举例
一、铸锭（铸件）的宏观组织控制：三层典型组
织 1.激冷层（表面细晶区） 2.柱状晶区3.中心等轴晶区
例：三个成份相同，但铸造温度和 铸模材料不同的铸件得到三种横截 面： A.粗等轴晶 B.细等轴晶 C. 典型三层晶带组织，试解释为何产 生不同的组织。
A 高的浇注温度，导热性差的砂模
B 低的浇注温度,导热性差的砂模
C 适中的浇注温度,导热性好的砂模
铸锭的宏观组织控制：控制晶粒的大小
a.增加过冷度 过冷度增大，N/V0增加 实际结晶时，过冷度是由冷却速度来控制的
裂纹与变形：
在铸锭的固态收缩阶段会引起铸造应力。
铸造应力：
铸造应力
铸锭收缩受阻
机械应力
锭铸因V冷却、温度不同， 各部位收缩不一致产生
铸锭组织发生相变时，因温 度差异出现体积变化不一致
热应力 相变应力
四 连续铸造：
定义：是指将熔融金属连续不断地浇注到被成为结晶
有色金属熔炼与铸造02
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
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。
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
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
• 过滤除渣：
所谓机械过滤作用，是指当金属熔体通过过滤
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
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。
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
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
• 过滤除渣：
所谓机械过滤作用，是指当金属熔体通过过滤
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。
中南大学有色金属熔炼与铸锭考试资料
有炉料量进行过称及吊装。 偏析:铸锭中化学成分不均匀的现象。 铸造热应力：铸锭凝固过程中由于温度变化引起的应力。 金属中的非金属夹渣物： 金属中非金属化合物如氧化物氮化物硫化物以及硅酸盐等大都以独 立相存在，统称为非金属夹渣物。 比重差除渣精炼原理：当金属熔体在高温静置时，非金属夹渣物和金属比重不同，因而产生 上浮下沉。 过冷度： 熔融金属平衡状态下的相变温度与实际相变温度的差值。 纯金属的过冷度等于其熔 点与实际结晶温度的差值，合金的过冷度等于其相图中液相线温度与实际结晶温度的差值。 顺序凝固：纯金属和共晶合金的结晶温度范围等于零，他们在凝固过程中固相区和液相区， 没有凝固区，铸锭已顺序方式进行凝固。 金属的脱氧：向金属液中加入与氧亲和力比基本金属与氧亲和力大的物质。 宏观偏析：在较大范围内的偏析称为宏观偏析。 热裂：在凝固过程中产生的裂纹。 变质剂：促进金属液生核或改变晶体生长过程的物质。 成分过冷：如果界面前沿液体实际温度低于 TL，则这部分液体处于过冷状态。 正偏析：在顺序凝固条件下，溶质 K<L 的合金，固/液界面处液相中的溶质含量会越来越高， 因此越是后结晶的固相，溶质含量也越高。K>L 的合金越是后结晶的固相。溶质含量越低。 配料和加料的基本原则？ 答：成分原则，质量原则，工艺原则，经济原则，物料平衡原则 如何进行熔体质量炉前检查？ 答：主要评价熔体的精炼效果和非金属夹杂物的检验。 影响金属凝固传热的因素？ 答：金属性质，锭模涂料性质，浇注工艺 什么铸锭组织被称为具备正常的晶粒组织？ 答：表面细等轴晶区然后柱状晶区和中心等轴晶区 为什么提高浇注温度有可能形成较大的等轴晶、较长的柱状晶？ 答：提高浇注温度，游离晶重熔的可能性增大，固有利于扩大柱状晶区，但浇注温度提高延 长了形成稳定凝壳的时间，温度起伏大，固也有利于等轴晶的形成。所以随着浇注温度的提 高，柱状晶区变宽，等轴晶变粗 试分析铸锭中热裂与冷裂形成的原因，如何防止？ 答：热裂：液膜理论认为，铸锭收缩受阻，液膜在拉应力作用下被拉神，当拉应力或拉伸量 足够大时，液膜破裂，形成晶间热裂纹。强度理论认为：合金在线收缩开始温度非平衡固相 点的有效结晶温度范围，强度和塑形极低，故在铸造应力作用下易于热裂，裂纹形成功理论 认为：裂纹形成功小，裂纹易形核，铸锭热裂倾向大。 冷裂：铸锭冷却到温度极低的弹性状态时，因铸锭内外温差大，铸锭应力超过合金的强度极 限而产生 如何防止：合理控制合金成分，选择合适的工艺。变质处理。 减少铸锭中的非金属夹渣有哪些主要方法？ 静置澄清法，浮选法，溶剂法，过滤法 为什么圆锭形成中心裂纹的倾向大？ 答：浇注速度一定的情况下，铸锭拉出结晶器后，外层受二次水冷而强烈收缩，但此时内层 温度高收缩量小，阻碍外层收缩产生拉应力，内层受压应力，一段时间后，外部温度低冷却 速度小，中部温度高冷却速度大，收缩量大，内部受拉应力而易产生中心裂纹
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（80～100目）； 熔剂：盐类。 如 Mn添加剂：75.8%的40目Mn 粉；5%的80目Al 粉；19.2%的钾冰晶石粉； 混合压制成直径90mm厚25mm的圆饼。
1、合金炉料的组成 （1）新金属: 购买的各种新原料，纯金属铸锭，电解厂直接纯铝液等。 （2）废料：挤压、拉拔、轧制过程中产生的废料及机加废料不合格产品等。 （3）中间合金：含有难容元素的合金铸锭（Al-Zr中间合金）。在于加入某些熔点高、难溶解、
2.1.3 铝合金中主要合金元素、微量元素及杂质
熔体成分控制、熔体质量控制 熔炼设备、净化设备
2.2 熔体的成分控制
2.3.1 备料 炉料一般包括： 一、新金属：电解Cu、电解Al等。品位↑，价格↑，成本↑。 二、废料：①本厂废料—几何废料、工艺废料；②厂外废料：化学废料。 三、中间合金 使用目的：在于加入某些熔点高、难溶解、易氧化、易挥发的元素，以便准确控
Al-Si中间合金
Al-Si中间合金
Al-Ti-B
添加剂
除气剂
压余
锯切、车削铝屑 废锭，锭头锭尾
废锭，锭头锭尾
成品的锯切头尾
配料计算
配料计算有计算杂质和不计算杂质两种方法。当炉料全部是新金属和中间合金， 或仅有少量一级废料，或单个杂质限量要求不严格，或杂质总限量较高时，可不计算 杂质，如铜合金。重要用途或杂质控制比较严格的合金，或使用炉料级别低、杂质较 多的废料，特别是杂质含量多寡对铸造工艺性能影响较大的合金，要计算杂质，如铝 合金。
（实际结晶温度）与平衡结晶温度之差称为过冷度。其大小影响结晶后晶粒的大小。 （决定晶核生成数目和晶核长大速度，当过冷度很大时，生核数目很大，晶核生长不充 分，得到了细小致密的晶体。） 自发成核：只依靠液态金属本身在一定过冷度条件下形成晶核。 非自发成核:依附于固态质点表面而形成晶核的过程（在晶体结构上与结晶金属相近的 杂质，称活性杂质如铝合金中的TiAL3;称活化了的某些难溶杂质；结晶金属本身被离散 的树枝晶尖端或未溶的晶格残余物，称固有晶核；在实际生产中故意制造人工晶核以细 化组织为变质处理。
易氧化、易挥发的元素，以使准确控制成份，避免熔体过热，缩短熔炼时间，减少烧损。 （4）金属添加剂和化工原料：含有难容元素的化学添加剂和除气剂精炼剂等。 2、合金成分控制及配料计算
（1）配料及计算：根据生产合金的目标成分及总重计算需添加原料的重量。
（2）成分调整：根据炉前成分分析结果，对炉内的成分进行调整。 3、炉料的加入方法和加入顺序
第三步：计算各种成分总的装炉量或最大限量。
主要成分
Cu:9000×1.6%=144kg
Mg:9000×2.15%=193.5kg
Mn:9000×0.35%=31.5kg
Zn:9000×6%=540kg
Cr:9000×0.16=140×0.45%=40.5kg
Si:9000×0.25%=22.5kg
制成份，避免熔体过热，缩短熔炼时间，减少熔损。 如：Al合金LF21—Mn的T熔 = 1246℃, Al 的T熔 = 660℃, Al－(7～12%)Mn中间合金的T熔 = 780～800℃ 四、金属添加剂 一般含合金成份高达70%～90%，回收率达90%，而中间合金仅10～20%。 组成：添加元素的金属粉末：60%～90%（40～100目）；铝粉：2%～10%
通过加入顺序的控制，尽量提高各种原料的利用率和收得率。 4、熔体成分的表征方法
（1）直读光谱分析：工厂用的最广泛的分析设备，对固体试样进行成分分析。
（2）icp-aes分析仪(atomic emission spectrometer)
（3）化学分析
纯镁锭 电解铜板
纯铝锭 海绵钛
中间合金
中间合金
固溶体：是指溶质原子溶入溶剂晶格中而仍保持溶剂晶格类型的一种金属晶体。大多 数溶质原子在溶剂晶格中溶解度是有一定限度的，过量会形成新相。
金属化合物（中间相）：是合金元素间发生相互作用而生成的一种新相（溶质含量越 过溶解度），当合金中出现金属化合物时，通常能提高合金的强度、硬度和耐磨性， 但会降低塑性。
第四步：确定7A04合金一级废料中各成分的含量。
主要成分
Cu:3000×1.55%=46.5kg
Mg:3000×2%=60kg
Mn:3000×0.3%=9kg
Zn:3000×5.8%=174kg
Cr:3000×0.15%=4.5kg
第2章 铝合金的熔炼
2.1 概述 2.1.1 熔炼的目的
对化学成分的要求
2.1.2 相关的基本概念
合金：是两种或两种以上的金属或金属元素与非金属元素熔合在一起所得到的具有金 属特性的物质。组成合金的各元素称组元。它们交互作用形成多种相，即合金中具有 同一化学成份、同一结构和原子聚集状态的均匀部分。不同相之间有明显的界线分开。 相的结构可分为固溶体和化合物两大类。
表面张力：作用在液体表面，并力图使表面自动收缩的力。与本身性质(对液态金 属主要是成份和温度)、接触相的性质有关。是液态金属的重要物理特性之一。影 响润湿、毛细、内吸附等现象的发生。
润湿：液体在固体或液体表面铺展的性质。如接触面有扩大的趋势称润湿。如液 体成球形，在固体或液体表面不能铺开，接触面有收缩趋势称不润湿。润湿角小 于90度表示能润湿。
晶体:物质内部结构中的质点（原子、离子或分子）按一定规则次序排列的固体叫晶体。 特点：规则的外形，固定的熔点，各向异性。实际晶体由于结晶及其它加条件的影响， 使得所得到的晶体在内部结构上产生很多缺陷，称真实晶体。
烧损：熔炼过程中，熔体由于氧化而变成某些不能回收的金属化合物时，这种损 失统称为烧损，其大小与炉型、炉料状态、生产工艺等有关。
相：合金中具有同一化学成份、同一聚集状态并以界面互相分开的各个均匀的组成部分。 合金中所有的相可分为固溶体和金属化合物两大类。
组元：组成合金的元素（或稳定化合物）称为组元。 结晶：物质由液体状态转变为晶体状态物过程叫结晶。 过冷：液体冷却到平衡结晶温度以下某一温度才开始有效结晶的现象叫过冷。而该温度
1、合金炉料的组成 （1）新金属: 购买的各种新原料，纯金属铸锭，电解厂直接纯铝液等。 （2）废料：挤压、拉拔、轧制过程中产生的废料及机加废料不合格产品等。 （3）中间合金：含有难容元素的合金铸锭（Al-Zr中间合金）。在于加入某些熔点高、难溶解、
2.1.3 铝合金中主要合金元素、微量元素及杂质
熔体成分控制、熔体质量控制 熔炼设备、净化设备
2.2 熔体的成分控制
2.3.1 备料 炉料一般包括： 一、新金属：电解Cu、电解Al等。品位↑，价格↑，成本↑。 二、废料：①本厂废料—几何废料、工艺废料；②厂外废料：化学废料。 三、中间合金 使用目的：在于加入某些熔点高、难溶解、易氧化、易挥发的元素，以便准确控
Al-Si中间合金
Al-Si中间合金
Al-Ti-B
添加剂
除气剂
压余
锯切、车削铝屑 废锭，锭头锭尾
废锭，锭头锭尾
成品的锯切头尾
配料计算
配料计算有计算杂质和不计算杂质两种方法。当炉料全部是新金属和中间合金， 或仅有少量一级废料，或单个杂质限量要求不严格，或杂质总限量较高时，可不计算 杂质，如铜合金。重要用途或杂质控制比较严格的合金，或使用炉料级别低、杂质较 多的废料，特别是杂质含量多寡对铸造工艺性能影响较大的合金，要计算杂质，如铝 合金。
（实际结晶温度）与平衡结晶温度之差称为过冷度。其大小影响结晶后晶粒的大小。 （决定晶核生成数目和晶核长大速度，当过冷度很大时，生核数目很大，晶核生长不充 分，得到了细小致密的晶体。） 自发成核：只依靠液态金属本身在一定过冷度条件下形成晶核。 非自发成核:依附于固态质点表面而形成晶核的过程（在晶体结构上与结晶金属相近的 杂质，称活性杂质如铝合金中的TiAL3;称活化了的某些难溶杂质；结晶金属本身被离散 的树枝晶尖端或未溶的晶格残余物，称固有晶核；在实际生产中故意制造人工晶核以细 化组织为变质处理。
易氧化、易挥发的元素，以使准确控制成份，避免熔体过热，缩短熔炼时间，减少烧损。 （4）金属添加剂和化工原料：含有难容元素的化学添加剂和除气剂精炼剂等。 2、合金成分控制及配料计算
（1）配料及计算：根据生产合金的目标成分及总重计算需添加原料的重量。
（2）成分调整：根据炉前成分分析结果，对炉内的成分进行调整。 3、炉料的加入方法和加入顺序
第三步：计算各种成分总的装炉量或最大限量。
主要成分
Cu:9000×1.6%=144kg
Mg:9000×2.15%=193.5kg
Mn:9000×0.35%=31.5kg
Zn:9000×6%=540kg
Cr:9000×0.16=140×0.45%=40.5kg
Si:9000×0.25%=22.5kg
制成份，避免熔体过热，缩短熔炼时间，减少熔损。 如：Al合金LF21—Mn的T熔 = 1246℃, Al 的T熔 = 660℃, Al－(7～12%)Mn中间合金的T熔 = 780～800℃ 四、金属添加剂 一般含合金成份高达70%～90%，回收率达90%，而中间合金仅10～20%。 组成：添加元素的金属粉末：60%～90%（40～100目）；铝粉：2%～10%
通过加入顺序的控制，尽量提高各种原料的利用率和收得率。 4、熔体成分的表征方法
（1）直读光谱分析：工厂用的最广泛的分析设备，对固体试样进行成分分析。
（2）icp-aes分析仪(atomic emission spectrometer)
（3）化学分析
纯镁锭 电解铜板
纯铝锭 海绵钛
中间合金
中间合金
固溶体：是指溶质原子溶入溶剂晶格中而仍保持溶剂晶格类型的一种金属晶体。大多 数溶质原子在溶剂晶格中溶解度是有一定限度的，过量会形成新相。
金属化合物（中间相）：是合金元素间发生相互作用而生成的一种新相（溶质含量越 过溶解度），当合金中出现金属化合物时，通常能提高合金的强度、硬度和耐磨性， 但会降低塑性。
第四步：确定7A04合金一级废料中各成分的含量。
主要成分
Cu:3000×1.55%=46.5kg
Mg:3000×2%=60kg
Mn:3000×0.3%=9kg
Zn:3000×5.8%=174kg
Cr:3000×0.15%=4.5kg
第2章 铝合金的熔炼
2.1 概述 2.1.1 熔炼的目的
对化学成分的要求
2.1.2 相关的基本概念
合金：是两种或两种以上的金属或金属元素与非金属元素熔合在一起所得到的具有金 属特性的物质。组成合金的各元素称组元。它们交互作用形成多种相，即合金中具有 同一化学成份、同一结构和原子聚集状态的均匀部分。不同相之间有明显的界线分开。 相的结构可分为固溶体和化合物两大类。
表面张力：作用在液体表面，并力图使表面自动收缩的力。与本身性质(对液态金 属主要是成份和温度)、接触相的性质有关。是液态金属的重要物理特性之一。影 响润湿、毛细、内吸附等现象的发生。
润湿：液体在固体或液体表面铺展的性质。如接触面有扩大的趋势称润湿。如液 体成球形，在固体或液体表面不能铺开，接触面有收缩趋势称不润湿。润湿角小 于90度表示能润湿。
晶体:物质内部结构中的质点（原子、离子或分子）按一定规则次序排列的固体叫晶体。 特点：规则的外形，固定的熔点，各向异性。实际晶体由于结晶及其它加条件的影响， 使得所得到的晶体在内部结构上产生很多缺陷，称真实晶体。
烧损：熔炼过程中，熔体由于氧化而变成某些不能回收的金属化合物时，这种损 失统称为烧损，其大小与炉型、炉料状态、生产工艺等有关。
相：合金中具有同一化学成份、同一聚集状态并以界面互相分开的各个均匀的组成部分。 合金中所有的相可分为固溶体和金属化合物两大类。
组元：组成合金的元素（或稳定化合物）称为组元。 结晶：物质由液体状态转变为晶体状态物过程叫结晶。 过冷：液体冷却到平衡结晶温度以下某一温度才开始有效结晶的现象叫过冷。而该温度