《有色金屬熔煉與鑄錠》第二講

1、第二講 金屬的氧化、揮發(fā)和除渣精煉 1.5 揮發(fā)及揮發(fā)損失 1.6 夾渣和除渣精煉 1.5 揮發(fā)及揮發(fā)損失揮發(fā)及揮發(fā)損失 o金屬由固態(tài)或液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)的現(xiàn)象稱為揮發(fā)。 o精煉提純 o揮發(fā)損失、合金成分控制困難、污染環(huán)境、危害健 康。 1.5.1 揮發(fā)的熱力學(xué) 金屬的揮發(fā)相變反應(yīng)式：me(l,s)=me(g) 飽和蒸氣壓：在某一溫度達(dá)到平衡時(shí)，氣相中金屬 的蒸氣分壓。 金屬的揮發(fā)能力：可用蒸氣壓、蒸發(fā)熱或沸點(diǎn)來判 斷。 1.5 揮發(fā)及揮發(fā)損失揮發(fā)及揮發(fā)損失 在外壓一定時(shí)，純金屬的蒸氣壓只取決于該金屬所處的溫度。 蒸氣壓可以通過實(shí)驗(yàn)測定，也可由相變反應(yīng)的熱力學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn) 行計(jì)算。對(duì)反應(yīng)(151)，利用

2、克勞休斯克拉佩龍方程，可 得到溫度與金屬升華或蒸發(fā)時(shí)蒸氣壓的關(guān)系式： 1.5 揮發(fā)及揮發(fā)損失揮發(fā)及揮發(fā)損失 1.5 揮發(fā)及揮發(fā)損失揮發(fā)及揮發(fā)損失 o合金熔體的蒸氣總壓為各組元蒸氣分壓之和。 o為確定合金中某組元的揮發(fā)趨勢(shì)，必須知道該組 元在一定溫度和一定成分合金液面上的蒸氣分壓， 這就需要知道純?cè)氐恼魵鈮汉蜏囟鹊年P(guān)系以及 在合金熔體個(gè)的活度數(shù)據(jù)。 1.5 揮發(fā)及揮發(fā)損失揮發(fā)及揮發(fā)損失 1.5.2 揮發(fā)動(dòng)力學(xué)揮發(fā)動(dòng)力學(xué) o揮發(fā)速率隨著體系趨于平衡狀態(tài)而減小，可 用道爾頓（dalton）公式表示： vr揮發(fā)速率，p外壓，p me實(shí)際分壓，p0me金屬蒸氣壓 當(dāng)pme0pme時(shí)，揮發(fā)速率為正；反之

3、為負(fù)，即不是凝聚相的揮 發(fā)，而是蒸氣相的凝聚。 1.5.2 揮發(fā)動(dòng)力學(xué)揮發(fā)動(dòng)力學(xué) 1.5.2 揮發(fā)動(dòng)力學(xué)揮發(fā)動(dòng)力學(xué) 向真空室內(nèi)通入惰性氣體，可降低揮發(fā)速率和揮發(fā)損失。 1.5.2 揮發(fā)動(dòng)力學(xué)揮發(fā)動(dòng)力學(xué) 1.5.3影響金屬揮發(fā)損失的因素和降低揮發(fā)損失的方影響金屬揮發(fā)損失的因素和降低揮發(fā)損失的方 法法 o揮發(fā)損失除與合金本身蒸氣壓有關(guān)外,還與下列因素有關(guān)。 o熔體溫度：溫度越高，其蒸氣壓越大，揮發(fā)速率越快， 揮發(fā)損失越大。 o金屬及合金元素：蒸氣壓大、蒸發(fā)熱小、沸點(diǎn)低的金屬 易揮發(fā)損失。如所有堿金屬及b族金屬鋅、鎘等易揮發(fā)； 而b族金屬鉻、鉬、鎢等揮發(fā)損失較小。 o爐膛壓力（影響很大）：壓力越小，

4、揮發(fā)損失越大。 o其它因素：處于高溫液態(tài)的時(shí)間，金屬的比表面積，氧 化膜性質(zhì)。金屬處于高溫液態(tài)的時(shí)間越長，比表面積越 大，攪拌及扒渣次數(shù)越多，揮發(fā)損失越大。熔體表面有 致密氧化膜或熔劑及爐渣覆蓋時(shí)，可降低揮發(fā)損失。 o防止和降低揮發(fā)損失的方法與降低氧化燒損的方 法基本相同 o易揮發(fā)元素宜在脫氧后或熔煉后期加入； o真空熔煉時(shí)，為提高精煉效果和降低氧化燒損， 采用較高真空度，但會(huì)增大揮發(fā)損失； o為減少揮發(fā)損失和準(zhǔn)確控制合金成分，在熔煉蒸 氣壓高和揮發(fā)速率大的金屬時(shí)，在爐內(nèi)充入惰性 氣體。 1.5.3影響金屬揮發(fā)損失的因素和降低揮發(fā)損失的方法影響金屬揮發(fā)損失的因素和降低揮發(fā)損失的方法 1.6 夾

5、渣和除渣精煉夾渣和除渣精煉 o非金屬夾雜物的種類和來源 金屬中的非金屬化合物，如氧化物、氮化物、硫化 物以及硅酸鹽等大都以獨(dú)立相存在，統(tǒng)稱為非金屬 夾雜物，一般簡稱為夾雜或夾渣。 根據(jù)化學(xué)成分不同可分為：氧化物、氮化物、碳化 物等。 根據(jù)夾渣的形態(tài)可分為：薄膜狀、團(tuán)狀和顆粒狀。 夾渣的來源不同分為：外來夾渣外來夾渣和內(nèi)生夾渣內(nèi)生夾渣。 除渣精煉原理除渣精煉原理 o比重差作用：當(dāng)金屬熔體在高溫靜置時(shí)，非 金屬夾雜物與金屬熔體比重不同因而產(chǎn)生上 浮或下沉。球形固體夾雜顆粒在液體中下沉 或上浮的速度服從stokes定律。 o吸附作用：向金屬熔體中導(dǎo)入情性氣體或加入熔 劑產(chǎn)生的中性氣體，在氣泡上浮過程

6、中，與懸浮 狀態(tài)的夾渣相遇時(shí)，夾渣便可能被吸附在氣泡表 而而被帶出熔體。 除渣精煉原理除渣精煉原理 o熔劑的吸附能力取決于化學(xué)組成。 o對(duì)鋁合金，在其他條件相同時(shí)，氯化物的 吸附能力比氟化物好； o堿金屬氯化物比堿土金屬好； o氯化鈉和氯化鉀的混合物比純氯化物好； o在氯化鈉和氯化鉀的混合物中加入少量氟 化物如冰晶石，其吸附能力大為提高。 除渣精煉原理除渣精煉原理 o溶解作用：非金屬夾雜物溶解于液態(tài)熔體 中后，可隨熔劑的浮沉而脫離金屬溶體。 熔劑溶解夾渣的能力取決于它們的分子結(jié) 構(gòu)和由此而產(chǎn)生的化學(xué)性質(zhì)。 除渣精煉原理除渣精煉原理 o化合作用：化合作用是以夾渣和熔劑之間有 一定親和力并能形成化

7、合物或絡(luò)合物為基礎(chǔ) 的。堿性氧化物和酸性熔劑，或酸性氧化物 與堿性熔劑在一定溫度條件下是可相互作用 形成體積更大，熔點(diǎn)較低，且易于與金屬分 離的復(fù)鹽式爐渣。根據(jù)其比重大小，在熔體 中可上浮或下沉而除去。 除渣精煉原理除渣精煉原理 化合作用化合作用 由于化合造渣反應(yīng)是多相反應(yīng)。其總的反應(yīng)速率主要取 決于擴(kuò)散傳質(zhì)速率。因此，反應(yīng)的溫度和濃度等條件對(duì)化合 造渣影響很大，故熔煉溫度較高的鋼、鎳等合金更適合用化 合造渣精煉法。 o機(jī)械過濾作用：所謂機(jī)械過濾作用，是指當(dāng)金屬熔體通過 過濾介質(zhì)時(shí)，對(duì)非金屬夾雜物的機(jī)械阻擋作用。此外，過 濾介質(zhì)還有對(duì)夾雜物的吸附作用。 除渣精煉原理除渣精煉原理 過濾介質(zhì)間的空

8、隙 越小，厚度越大， 金屬流體流速越低， 機(jī)械過濾效果越好。 除渣精煉方法除渣精煉方法 o靜置澄清法：適用于金屬熔體與非金屬夾 雜物的密度差較大，且夾雜物了里不太小 的合金。 o靜置時(shí)間為： h為夾渣上浮或下沉的深度。 靜置時(shí)間的長短主要由合金和夾渣的性狀來決 定。如鋁合金通常靜置20-30分鐘,效果仍有限 2 9 2 () mei h t gr 浮選法浮選法 o利用通入熔體的惰性氣體或 加入的熔劑所產(chǎn)生的氣泡， 在上浮過程與懸浮的夾雜相 遇時(shí)，夾渣被吸附在氣泡表 面并帶到熔體液面的溶劑中 去。 o對(duì)于熔點(diǎn)較低的鋁合金、鎂 合金等較為有效。 o氣泡數(shù)目多,尺寸小,浮選效 果好。 o氣體一般為氮

9、氣、氬氣，鋁 合金常用氯鹽為主的熔劑。 熔劑法熔劑法 o通過熔劑與夾渣之間的吸附、溶解和化合等作用而實(shí) 現(xiàn)除渣的。根據(jù)夾雜物與金屬熔體的相對(duì)比重不同， 可分別采用上熔劑法和下熔劑法。 o上熔劑法上熔劑法：夾渣的比重小于金屬熔體，多聚集熔池上 部及表面，此時(shí)應(yīng)采用上熔劑法。所用熔劑在熔煉溫 度下的比重應(yīng)小于金屬液，加在熔池表面與上層的夾 渣接觸發(fā)生吸附、溶解或化合作用。重有色金屬及鋼 鐵多采用此法。 o下熔劑法下熔劑法：夾渣的比重大于金屬熔體，采用下熔劑法 （沉淀熔劑）。所用熔劑在熔煉溫度下的比重應(yīng)大于 金屬液，加在熔池表面后，逐漸向下沉，下沉過程中 與夾渣發(fā)生吸附、溶解或化合作用，并一起沉至爐

10、底。 鎂及鎂合金多采用此法。 熔劑法熔劑法 過濾法過濾法 o網(wǎng)狀過濾法：讓熔體通過由玻璃絲或耐熱 金屬絲制成的網(wǎng)狀過濾器，夾渣受到機(jī)械 阻擋而與熔體分離。 o適用與薄片氧化膜或大塊夾渣。 o結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，可安裝在靜置爐到 結(jié)晶器的任何部位。 o只能濾掉比網(wǎng)格尺寸大的夾渣，過濾器易 破損，壽命短。 過濾法過濾法 填充床過濾法填充床過濾法 o這種過濾器由各種不同尺寸，不同材料、 不同形狀的過濾介質(zhì)組成的填充床。 o過濾層越厚，介質(zhì)顆粒越小，過濾效果越 好。粒度過小，會(huì)影響熔體的流量，降低 生產(chǎn)率。 影響熔劑除渣精煉效果的因素影響熔劑除渣精煉效果的因素 o精煉溫度：一般先用高溫進(jìn)行除渣精煉， 然后在較低的溫度下進(jìn)行脫氣，最后保溫 靜置。 o熔劑：熔劑的造渣能力越強(qiáng)，除渣精煉效 果越好。熔劑的熔點(diǎn)和表面張力越低，其 吸附造渣能力就越強(qiáng)。隨熔劑陽離子半徑 的增大，熔劑的熔點(diǎn)和表面張力下降。