有色金属熔炼与铸锭1

1、 Northeastern University熔炼与铸锭熔炼与铸锭2教师：李英龙教师：李英龙电话：电话ortheastern University本次课内容本次课内容Northeastern University1234构成构成 Technology Northeastern University Northeastern University本课程内容目录本课程内容目录2.1熔炼过程中的热的转移熔炼过程中的热的转移： 2.1.1金属熔体加热到一定温度需要热量金属熔体加热到一定温度需要热量 2.1.2热平衡关系热平衡关系 2.1.3热效率热效率2.2熔炼过程中的传质

2、过程熔炼过程中的传质过程：（1.微观传质（扩散传质），2.宏观传质（对流传质）；在熔体界面存在传质（蒸发传质）。 2.2.1菲克第一定律菲克第一定律（微观传质） 2.2.2宏观传质与传质通量宏观传质与传质通量（扩散宏观） 2.2.3金属的蒸发金属的蒸发 （1）蒸发概念; （2）蒸发的条件; （3）后果 （4）影响因素Northeastern University2.3熔体与炉气的作用熔体与炉气的作用 2.3.1炉气成分与作用过程， 2.3.2铝与炉气的反应作用 （1）铝氧反应（铝和合金元素与氧反应）； （2）铝水反应； （3）铝氢反应。2.4熔体与炉衬的作用熔体与炉衬的作用 2.4.1炉衬成分

3、; 2.4.2熔体与炉衬的作用（物理、化学）。2.5Cu与炉气的作用与炉气的作用 2.5.1CuO相图，CuO反应，Cu2OH2反应。 Cu2OM反应; 2.5.2Cu2OCO2CuCO2使铸锭产生气孔Northeastern University2.1熔炼过程中的热的转移熔炼过程中的热的转移 2.1.1金属熔体加热到一定温度T需要热量 LdTCdTCWTTMtpTCsp20式中：spC为固态比热容；lpC为液态比热容；Tm 为熔点温度；L 为溶化潜热。 Add Your TextAdd Your Text气化热气化热液态加热液态加热熔化热熔化热固态加热固态加热 加热过程示意图加热过程示意图N

4、ortheastern University2.1.2热平衡关系热平衡关系热平衡关系：其中 Q1(agcc+ac)(tg-tc) agc为燃烧气体与被加热体间的辐射系数 ac为燃烧气体与被加热体间的对流传热系数 tg为燃烧气体的温度 tc被加热体温度 Q2(ascs caab)(ts-tc) asc炉壁与被加热体间的辐射系数 aab为炉壁辐射给燃烧气体的辐射系数 传热分析 ts为炉壁的温度 tc被加热体温度传热过传热过程示意程示意图图Q=Q1(加热体（火焰被加热体)Q2(炉壁被加热体)被加热体金属热源加热体炉壁Northeastern University传热过传热过程示意程示意图图被加热体金

5、属热源加热体炉壁2.1.3热效率热效率 总热量总热量被加热体被加热体炉壁损失炉壁损失排气损失排气损失2880Northeastern University扩散传质扩散传质对流传质对流传质2.2 熔炼过程中的传质过程熔炼过程中的传质过程 扩散传质扩散传质（微观原子运动）（微观原子运动） 发生在固态内、发生在固态内、 熔体内和相界面上。熔体内和相界面上。 对流传质对流传质（原子集团的宏观运动）（原子集团的宏观运动） 在熔体对流条件下进行。在熔体对流条件下进行。 固体固体边界层边界层液体液体A 尽管熔体为紊流状态, 但在界面存在层流的 稳定层液体，由于反应产物和反应物的运 动，存在浓度梯度，故属于单

6、纯单纯 的的扩散传质扩散传质；B 当边界层存在对流时候，则存 在对流传质对流传质。.Northeastern University2.2.1菲克第一定律菲克第一定律 当有浓度梯度存在时，伴随物质的扩散过程，恒温、恒压下，当有浓度梯度存在时，伴随物质的扩散过程，恒温、恒压下，物质的扩散速度与其扩散截面积物质的扩散速度与其扩散截面积A和浓度梯度成正比：和浓度梯度成正比： xcDAtn式中：A为截面积，D为扩散系数扩散通量（单位时间，单位面积扩散物质的量）JxcDJ 金属熔体中D的数值为：10-410-5 cm2/s，并且，随温度的提高，D增大。扩散系数见图14 Northeastern Unive

7、rsity 2.2.2界面层扩散传质界面层扩散传质ucxcDJu为对流速度，c为单位体积内物质量 当界面层有对流存在时，扩散通量 在金属的熔炼过程，冶金反应通常处于扩散范围，所以熔炼过程的速度受到一定的限制。 为了改善传质条件，强化熔体过程，熔炼中通常强制对流方式进行冶金反应，或采用喷射冶金方法进行精练。Northeastern University2.2.3金属的蒸发金属的蒸发 蒸发蒸发：表明具有过剩能量的原子或分子脱离金属表面形成气体的现象。：表明具有过剩能量的原子或分子脱离金属表面形成气体的现象。 影响蒸发的条件影响蒸发的条件：蒸汽压高、沸点低、蒸发热小，溶解度低的金属易挥发。蒸发的后果

8、蒸发的后果：提纯金属，挥发损失，污染环境。影响挥发的因素影响挥发的因素： a温度温度 b压力压力 c合金元素合金元素 (a)理想溶液 (b)稀溶液 (c)实际溶液 金属的蒸汽压见图15 Northeastern University2.3熔体与炉气的作用熔体与炉气的作用 2.3.1炉气成分与作用过程炉气成分与作用过程（1）炉气成分炉气成分：H2O、CO、CO2、N2、碳氢化合物，炉型不同成分差异。（2）熔体与炉气的作用过程：熔体与炉气的作用过程：吸附，界面反应，溶解扩散。2.3.2铝熔体与炉气的作用铝熔体与炉气的作用 （1）铝氧反应铝氧反应:（a）铝组元与氧反应铝组元与氧反应： Al2OAlO

9、Al2O3O2Al -Al2O3致密（致密（900度以下）度以下）-Al2O3体积收缩（体积收缩（900度以上）破裂度以上）破裂a氧化膜致密，b低价氧化物润湿性好，于铝熔体中造渣Northeastern University(b) 铝中元素与氧反应：铝中元素与氧反应：按合金元素与氧的亲和力的大小，由大到小依次排列为：BeLiMgNaCaAlTiSiMn CrZnFeNiCuAl以下的与氧和力小，非活性元素，形成复杂的氧化物。 Al以上的与氧亲和力大，是表面活性，所形成的组织硫松，对铝液无屏蔽和保 护作用，所以，要覆盖剂保护下。排序排序锻造锻造部分课程总结Northeastern Univers

10、ity（2）铝水反应）铝水反应(a) 温度低于250度：2Al6H2O=2Al(OH)3+3H2(b) 温度高于400度：2Al3H2O=Al2O3+6H 造成的析氢现象：H分压远大于H2，是析氢的主要原因， 2Al(OH)3Al2O32H2O，又会形成H（3）铝熔体与）铝熔体与H的作用的作用（a）铝熔体中含气量，H约占7090；（b）H的存在形式：H与Al可形成间隙固熔体H与氧化物吸附H2H的化合物的化合物（c）H与Al可形成间隙固熔体，溶解在Al熔体中是金属熔体的流动性降低属熔体的流动性降低，使固态金属的塑性降低，金属凝固时金属凝固时，H的溶解度降低18倍，H可能变成可能变成H2，机械性能

11、降低，并影响导电和导热等物理性能，同时，在塑性变形时产生氢脆。在塑性变形时产生氢脆。Northeastern University（d）影响H溶解的因素压力压力：铝中H2的溶解度S： SK HP其中，PH为熔体界面处气体分压； 温度温度：04001000659200800溶解度温度温度对溶解度的影响影响Northeastern University合金元素：合金元素： 某一合金元素对H在铝中的溶解度影响，与其自身成分和其它元素的加入有关所以，纯考核这一合金元素的影响时，应该对其成分进行修正活度，影响影响活度活度系数自身成分（H溶解于Al合金中的）活度系数fH= f1（H在纯Al中的活度系数）f

12、2（合金元素2的加入使H在纯Al中的活度相互作用系数）f3（合金元素3的加入使H在纯Al中的活度相互作用系数）.以Cu为例：合金元素的加入，会影响合金元素的加入，会影响H在铝熔体中的溶解度或形成在铝熔体中的溶解度或形成H化合物。化合物。Northeastern University10502030400H活度系数Cu质量分数10502030400H溶解度Cu质量分数 Cu对H活度系数的影响 Cu对H溶解度的影响Northeastern University2.4熔体与炉衬的作用熔体与炉衬的作用 2.4.1炉衬成分：炉衬成分： 炉衬炉子内衬，气主要成分是MgO、Al2O3、SiO2等氧化物，它们

13、熔点很高，故具有良好的耐热性能和热稳定性。 2.4.2熔体与炉衬的作用熔体与炉衬的作用 物理作用：物理作用：压力、高温、冲刷；化学作用：化学作用：金属熔体、熔剂、氧化物与炉衬的作用。 （1）金属熔体与炉衬的作用。置换反应: 置换反应 MM，OMOM， 式中：M为熔体金属， 炉衬金属 M，Northeastern University 见表：生成热大的化合物，表明其结合力强，稳定性好。（Mg、Al、Si氧化物稳定，用作炉衬），但3SiO24Al2Al2O33Si反应，所以Al熔炼不适于SiO2作炉衬。（2）熔剂与炉衬的作用。包括十大类：覆盖、净化、除气、晶粒细化剂、 变质剂、除渣剂等。（3）氧化物与炉衬的作用。当熔体中的氧化物与炉衬的氧化物的酸碱性不同时， 就会发生强烈的反应，造成炉衬腐蚀。2.5 Cu熔体与炉气的作用熔体与炉气的作用见见P9Cu与氧的作用，及与CO2的作用Northeastern University 1.5.1 CuO相图，CuO反应，Cu2OH2反应。 Cu2OM反应反应; 1.5.2 Cu2OCO