金属熔炼与铸锭第六讲熔体成分控制

1熔体成分控制7.1备料7.2配料7.3熔炉准备7.4成分调整7.5熔体质量检验27.1备料配制合金所用的炉料一般包括新金属料、废料、中间合金及某些化工原料等。备料包括选择炉料、处理废料、配制中间合金及熔剂等。3新金属料新金属料是指冶炼厂供给的纯金属，其中包括火法冶炼、蒸馏及电解精炼得到的金属。每种金属料依其品位(即纯度)不同分为高纯金属和工业纯金属，都有若干牌号，每种牌号都标定出主元素含量及一些主要杂质元素限量。铝铜锰4废料废料亦称回炉料或旧料，是配制合金的主要原料之一。（铝加工成品率60%-75%，部分高性能构件成品率甚至低于10%）有色金属废料按照来源不同，可分为本厂废料和厂外废料两大类。本厂废料：熔铸车间及各加工车间所产生的加工余料及不合格的报废料。厂外废料：源于各机制工厂或商业部门所回收的废料，成分复杂，质量低劣。5中间合金合金元素的加入方式有两种：纯金属、中间合金（母合金）。利用含有合金元素的化合物来加入，通过与基体金属的置换反应而还原出来并进入熔体。使用中间合金的目的是为了便于加入某些熔点较高且不易溶解或易氧化、挥发的合金元素、以便更准确地控制成分。使用中间合金作炉料，可以避免熔体过热、缩短熔炼时间和降低熔损。工业上常用二元或三元的中间合金。6中间合金应满足下列要求：熔点应低于或接近于合金熔炼温度；含有尽可能高的合金元素且成分均匀一致；气体、杂质及非金属夹杂物含量低；具有足够的脆性，易破碎，便于配料；不易被腐蚀，在大气下保存时不应破裂成粉末。中间合金7中间合金制备熔合法热还原法熔盐电解法粉末法除粉末法外，熔制中间合金时都要脱气除渣精炼。8中间合金制备—熔合法熔合法是把两种和多种金属直接熔化混合成中间合金。熔制的依据是相图。熔合类型先熔化易熔金属，并过热至一定温度后，再将难熔金属分批加入而制成。先熔化难熔金属，而后加易熔金属。先将两种金属分别在两台炉内进行熔化，然后将其混合。9中间合金制备—熔合法Al-Ni中间合金的制备纯Ni熔点（1452℃）；Al-20%Ni熔点（780℃）坩埚加热3/4铝块10中间合金制备—熔合法Al-Ni中间合金的制备纯Ni熔点（1452℃）；Al-20%Ni熔点（780℃）继续加热至950~1000℃镍块预热铝熔体11中间合金制备—熔合法Al-Ni中间合金的制备纯Ni熔点（1452℃）；Al-20%Ni熔点（780℃）镍块分批少量加入12中间合金制备—熔合法Al-Ni中间合金的制备纯Ni熔点（1452℃）；Al-20%Ni熔点（780℃）石墨棒搅拌13中间合金制备—熔合法Al-Ni中间合金的制备纯Ni熔点（1452℃）；Al-20%Ni熔点（780℃）1/4铝块14中间合金制备—熔合法Al-Ni中间合金的制备纯Ni熔点（1452℃）ZnO15中间合金制备—热还原法该法也称置换法，铝钛和铜铍中间合金可用这种方法熔制。铝钛和铜铍中间合金，采用TiO2和BeO作原料，分别以铝、碳作还原剂，使钛和铍从TiO2和BeO中还原出来，分别溶于铝和铜液中而成中间合金。前者叫做铝热还原法或铝热法；后者叫做碳热法。16中间合金制备—熔盐电解法可用于制备铝铈中间合金。其工艺为：以电解槽的石墨内衬为阳极，用钼插入铝液中作阴极，以KCl和CeCl2熔盐作电解液。将铝液加热至850℃左右时，通电进行电解，即可制得10~25%Ce-Al中间合金。17中间合金制备—粉末法将两种不易熔合的金属(如铜和铅)分别制成粉末，混合压块，然后加热扩散制成中间合金。铜粉铅粉铜铅中间合金18熔剂熔剂的作用和要求：通过对所使用的熔剂成分、性能和加入量的调整，可以提高除渣脱气精练效果，减少金属氧化、吸气、挥发和炉衬的相互作用，提高金属质量和回收率以及延长炉衬寿命。同时还可借熔剂来加入合金微量元素和作变质剂，以抑制一些微量杂质的有害作用，改善合金的工艺性能。此外，电渣炉中的熔剂作为电阻发热体，起着重要的精练作用。19根据熔剂的作用，它应满足以下要求：具有较强的吸附、溶解和化合造渣能力；与金属熔体有较大的比重差；与金属熔体间的界面张力要大，便于与金属分离；具有较高的比学稳定性和热稳定性，不应对金属和炉衬有腐蚀作用，或产生有害气体或杂质；有较低的熔点、适当的粘度；吸湿性小，蒸气压低；制造方便，价格便宜。熔剂20熔剂的制备与保管熔剂的制备方法一般有混合法和熔化法两种。混合法是先将各种制备熔剂用原料在高温下焙烧，除去潮湿和结晶水，氯盐和氟盐要在250-300℃温度下烘焙4-6小时，有的要加热到更高的温度才能去尽水分。然后破碎过筛，再按比例混合均匀即可使用。熔化法制备熔剂是按一定加料顺序将各种原料加入炉内并加热直至熔化，经充分搅拌去水分后，出炉浇入经加热干燥的铁模中，然后装入密封箱内，使用前再破碎。21配料基本任务（1）控制合金成分和杂质含量，使之符合有关标准。（2）合理利用各种炉料，降低生产成本。（3）保证炉料质量，正确配料，为提高熔铸产品的质量和成品率创造有力条件22配料配料包括确定计算成分、炉料的计算和过秤吊装，是决定产品质量和成本的重要一环。配料的首要任务是根据熔炼合金的化学成分、加工和使用性能，确定其计算成分；其次是根据原材料的库存情况及化学成分，合理选择炉料种类、品位和配料比。最后根据铸锭规格尺寸及熔炉容量，按照一定程序，正确计算出每炉的全部炉料量，并进行过秤和吊装。23计算成分的确定从合金产品的用途和便用性能来看，凡重要用途及使用性能要求高者，应按照元素在合金中的作用，具体分析后确定其计算成分。合金中较易氧化和挥发的元素，在确定计算成分时要考虑熔损率，把在生产条件下得出的实际熔损率加入计算成分内。同时，在熔炼过程中，熔体与炉材、熔剂及炉气的相互作用，会导致某些元素或杂质的吸收和积累。因此，在确定计算成分时，应该将这些杂质控制在下限以下。24炉料品位及炉料比的选择对炉料品位及新旧料比的选择，须以产品质量和成本均衡为原则。在保证产品质量的前提下，参考熔铸及加工工艺条件、应合理地充分利用旧料，以降低产品成本。另外，所用金属炉料的化学成分及杂质含量必须符合国家标准，应清洁干燥，无灰尘及油污等。对某些控制较严或含量波动范围较窄的合金元素，应选用中间合金来加入。25配料计算配料计算有不计算杂质和计算杂质两种方法。当炉料全部是新金属料和中间合金，或仅有少量一级废料，或单个杂质限量要求不严或杂质总限量较高时，可不计算杂质。重要用途或杂质控制较严的合金，或使用炉料级别低．杂质较多的废料，特别是在半连续铸造规格较大或易于产少裂纹的合金铸锭时，就要计算杂质。26在计算出新金属料带入的杂质元素时，若该元素是合金元素之一，则取下限计算；若为杂质，则按上限计算。配料计算程序如下：首先计算包括熔损在内的各成分需要量；其次计算由废料带人的各成分量；再计算所需中间合金和新金属料量；最后核算。核算表明，计算基本正确，可以投料。如果核算结果不符合要求，则需复查计算数据，或重新选择炉料及料比，再进行计算，直到核算正确为止。配料计算27配料计算废料铸锭铜板镁锭Al-Mn中间合金铝锭新料28配料计算29配料计算30配料计算31配料计算32配料计算铸锭铜板镁锭铝锭（新料：废料=6:4）Al-Mn中间合金新料Cu：460-174=286kgMg：155-60=95kgMn：70-24=46kgAl：10000-（4000+287+95+460）=5158kg计算要加入的金属量（总质量-废料量）33(4)计算所需中间合金及新金属量配料计算34配料计算（4）核算核算各种炉料的装入量之和与配料总量是否相符，炉料中各元素的加入量之和与合金中各该元素需要量是否相等。35配料计算（4）核算计算杂质及杂质总量是否在允许范围内。36配料计算核算表明，计算基本正确，可以投料。如果核算结果不符合要求，则需要复查计算数据，或重新选择炉料及料比，再进行计算，直到核算正确为止。应该指出，化学成分中Fe、Si、Zn、Ni系杂质，一般不需要特意加入这些元素。配料计算完成后，应根据配料计算卡片标明的炉料规格、牌号、废料级别和数量，将炉料过称并按装料顺序依次送往炉台。电解铜板要剪切成小块，便于快速溶解。超过规定尺寸的废料，应预先剪切整理，便于机械装炉。37熔炉准备根据合金的熔炼特性、产品要求、产量及设备条件等来选定熔炉。熔炉准备烘炉洁炉洗炉38烘炉新修或中修过的熔炉及停歇后的熔炉，在生产前都要进行烘炉。烘炉的目的在于使炉体干燥和预热。为排除水分和防止加热过快造成炉体开裂，烘炉时要缓慢升温。低频感应电炉烘炉时既要注意炉底石，同时将熔沟样板熔化以得到所需的起熔体。39烘炉图3-118吨天然气反射炉烘炉曲线低温段升温慢；高温段升温略快，提供足够的时间消除水分。40清炉清炉就是将残存在炉内的金属及结渣清除干净。每次金属熔体出炉后都要进行一次清炉。对铝镁合金而言，当合金更换品种及熔炼特殊制品时，都要进行清炉。这时应均匀地向炉内撒入一层粉状熔剂，将炉膛温度升至800℃以上，然后将炉内各处的残存物清除干净。41换炉和洗炉在实际生产中往往需要用同一个熔炉熔炼各种合金。由一种合金转换熔炼另一种合金(即换炉)时，可根据具体情况直接换炉或预先洗炉。换炉：换炉顺序的原则前一炉合金的合金元素不是后一炉合金的杂质前一炉合金的杂质含量低于后一炉合金者同一合金系，前一炉的合金元素低于后一炉合金者42洗炉洗炉的目的是要将残留在熔池各处的金属和炉渣清洗干净以免污染另一种合金。下列情况一般必须洗炉：前一炉的合金元素为后一炉合金的杂质；由杂质高的合金转换焙炼纯度高的合金新修、大修和中修后的熔炉长期停歇的熔炉投产前，炉内清洁情况较差或合金制品要求较严者必要时，必须更换熔炉，否则会导致废品43成分调整当炉前分析发现个别元素的含量低于标准化学成分范围下限时，则应进行补料。一般按下式近似地计算出补料量，然后再进行核算控制合金成分的最后一关！式中，P为所需补加的炉料量，kg；Q为熔体总重量，kg；a1为某元素的标准成分，%；a2为炉前分析该元素含量，%；b1为补料用中间合金该元素含量，%；P1，P2，P3...为补入其它各合金元素的补料量，kg。44为了使补料较为准确，应用上式时可按下列要点进行计算：先调整杂质元素含量先算量少者后算量多者先算低成分中间合金后算高成分中间合金最后计算新金属料成分调整45成分调整例如，设炉内有5A06熔体重10000公斤，其试样成分、计算成分及中间合金成分列于下表中，求应补加的各种炉料量。成分调整成分调整由上表可知，成分镁、钛和铁含量不足，需要补料。按上述要点应先计算铁，然后计算钛和镁：锰和硅本不需要补料，但因补加其他炉料后浓度会下降。锰为合金元素，需补加；硅是杂质，其他补料中也会带入一些，故不另加。为了补锰，必须先近似地算出镁的补料量：核算，补料后熔体总重量为：47成分调整补料后，各成分含量为：核算表明，计算基本上正确，可以投料。补料一般都用中间合金。熔点较低的纯金属也可以使用，但不应使用熔点较高和难于溶解的新金属料，以免延长熔炼时间。补料的投料量应越少越好。48冲淡当炉前分析发现某元素含量超过标准化学成分范围上限时，则应根据下式进行冲淡处理：式中x为冲淡应补加炉料重量，kg；a为冲淡后元素应有含量，％；b为冲淡前元素含量，％；Q为炉内金属熔体重量，kg。49冲淡已知炉内有QA19-2铜合金熔体1000kg，炉前分析结果为10.2%Al，2.1%Mn，其余为铜。设QA19-2的计算成分为Cu-9.5%Al-2.1Mn。可见，铝应冲淡。将熔体内铝含量从10.2%冲淡至9.5%需冲淡料：冲淡料包括铜和锰，其中如冲淡用锰为Cu-30%Mn中间合金，则需需铜量50熔体质量检验炉前熔体质量检验，除前述的快速分析和温度测量外，主要是指评价熔体的精炼效果，即含气(氢)量的测定和非金属夹杂物的检验。含气量测定方法有真空固体加热抽气法、真空熔融抽气法等，分析精度高，但不适于炉前使用。定性方法有常压凝固法和减压凝固法；定量方法有第一气泡法、惰性气体载体法、气体遥测法、同位素测氢法、光谱测氢法、气相色谱法。51熔体中气体检测方法液态金属直接检测从炉内或浇注系统中直接取样在线直接检测快速获得检测结果检测精度稍低金属凝固试样检测采取试样或在铸件中切取试样对试样要求高周期长测试精度较高52常压凝固法观察液面合金液精炼处理浇注试样刮去表层观察气泡气泡多气泡少效果差效果好原理：利用气体在铝合金中溶解度随温度下降而降低的特性操作者经验影响大53常压凝固法分析断口合金液精炼处理浇注试样击断观察白斑白斑多白斑少效果差效果好制备试片针孔评级54减压凝固法合金熔体在一定真空度下凝固，观察试样凝固过程中气泡析出情况，或其表面，或断口状态，即可定性地断定熔体含气量的多少和精炼脱气的效果。测量试样减压凝固时的凸起上涨高度，越高，含气量越大将试样沿垂直方向锯成两半，用一半制成宏观磨片，确定气泡的数量、尺寸及分布情况，求出面积比进行量化切去冒口，加工成一定尺寸，在空气中及水中称重，计算相对密度，越小，含气量越少。55减压凝固法56第一气泡法在一定真空度下，当熔体表面出现第一个气泡时，即可认为氢的分压和在该真空度下的相应压力相等。测量当时的温度和压力，并将与合金成分有关的常数代入下式，就可以算出此时熔体的含气量。这种方法，设备简单，使用方便。但第一气泡出现受到合金成分、温度、粘滞性、表面张力、氧化夹杂和氧化膜等因素的影响，不能连续测量，测量精度不高。57第一气泡法58惰性气体携带——热导测定法利用