有色金屬熔煉與鑄錠1

1、 Northeastern University熔煉與鑄錠熔煉與鑄錠2教師：李英龍教師：李英龍電話：電話ortheastern University本次課內(nèi)容本次課內(nèi)容Northeastern University1234構(gòu)成構(gòu)成 Technology Northeastern University Northeastern University本課程內(nèi)容目錄本課程內(nèi)容目錄2.1熔煉過(guò)程中的熱的轉(zhuǎn)移熔煉過(guò)程中的熱的轉(zhuǎn)移： 2.1.1金屬熔體加熱到一定溫度需要熱量金屬熔體加熱到一定溫度需要熱量 2.1.2熱平衡關(guān)系熱平衡關(guān)系 2.1.3熱效率熱效率2.2熔煉過(guò)程中的傳質(zhì)

2、過(guò)程熔煉過(guò)程中的傳質(zhì)過(guò)程：（1.微觀傳質(zhì)（擴(kuò)散傳質(zhì)），2.宏觀傳質(zhì)（對(duì)流傳質(zhì)）；在熔體界面存在傳質(zhì)（蒸發(fā)傳質(zhì)）。 2.2.1菲克第一定律菲克第一定律（微觀傳質(zhì)） 2.2.2宏觀傳質(zhì)與傳質(zhì)通量宏觀傳質(zhì)與傳質(zhì)通量（擴(kuò)散宏觀） 2.2.3金屬的蒸發(fā)金屬的蒸發(fā) （1）蒸發(fā)概念; （2）蒸發(fā)的條件; （3）后果 （4）影響因素Northeastern University2.3熔體與爐氣的作用熔體與爐氣的作用 2.3.1爐氣成分與作用過(guò)程， 2.3.2鋁與爐氣的反應(yīng)作用 （1）鋁氧反應(yīng)（鋁和合金元素與氧反應(yīng)）； （2）鋁水反應(yīng)； （3）鋁氫反應(yīng)。2.4熔體與爐襯的作用熔體與爐襯的作用 2.4.1爐襯成分

3、; 2.4.2熔體與爐襯的作用（物理、化學(xué)）。2.5Cu與爐氣的作用與爐氣的作用 2.5.1CuO相圖，CuO反應(yīng)，Cu2OH2反應(yīng)。 Cu2OM反應(yīng); 2.5.2Cu2OCO2CuCO2使鑄錠產(chǎn)生氣孔Northeastern University2.1熔煉過(guò)程中的熱的轉(zhuǎn)移熔煉過(guò)程中的熱的轉(zhuǎn)移 2.1.1金屬熔體加熱到一定溫度T需要熱量 LdTCdTCWTTMtpTCsp20式中：spC為固態(tài)比熱容；lpC為液態(tài)比熱容；Tm 為熔點(diǎn)溫度；L 為溶化潛熱。 Add Your TextAdd Your Text氣化熱氣化熱液態(tài)加熱液態(tài)加熱熔化熱熔化熱固態(tài)加熱固態(tài)加熱 加熱過(guò)程示意圖加熱過(guò)程示意圖N

4、ortheastern University2.1.2熱平衡關(guān)系熱平衡關(guān)系熱平衡關(guān)系：其中 Q1(agcc+ac)(tg-tc) agc為燃燒氣體與被加熱體間的輻射系數(shù) ac為燃燒氣體與被加熱體間的對(duì)流傳熱系數(shù) tg為燃燒氣體的溫度 tc被加熱體溫度 Q2(ascs caab)(ts-tc) asc爐壁與被加熱體間的輻射系數(shù) aab為爐壁輻射給燃燒氣體的輻射系數(shù) 傳熱分析 ts為爐壁的溫度 tc被加熱體溫度傳熱過(guò)傳熱過(guò)程示意程示意圖圖Q=Q1(加熱體（火焰被加熱體)Q2(爐壁被加熱體)被加熱體金屬熱源加熱體爐壁Northeastern University傳熱過(guò)傳熱過(guò)程示意程示意圖圖被加熱體金

5、屬熱源加熱體爐壁2.1.3熱效率熱效率 總熱量總熱量被加熱體被加熱體爐壁損失爐壁損失排氣損失排氣損失2880Northeastern University擴(kuò)散傳質(zhì)擴(kuò)散傳質(zhì)對(duì)流傳質(zhì)對(duì)流傳質(zhì)2.2 熔煉過(guò)程中的傳質(zhì)過(guò)程熔煉過(guò)程中的傳質(zhì)過(guò)程 擴(kuò)散傳質(zhì)擴(kuò)散傳質(zhì)（微觀原子運(yùn)動(dòng)）（微觀原子運(yùn)動(dòng)） 發(fā)生在固態(tài)內(nèi)、發(fā)生在固態(tài)內(nèi)、 熔體內(nèi)和相界面上。熔體內(nèi)和相界面上。 對(duì)流傳質(zhì)對(duì)流傳質(zhì)（原子集團(tuán)的宏觀運(yùn)動(dòng)）（原子集團(tuán)的宏觀運(yùn)動(dòng)） 在熔體對(duì)流條件下進(jìn)行。在熔體對(duì)流條件下進(jìn)行。 固體固體邊界層邊界層液體液體A 盡管熔體為紊流狀態(tài), 但在界面存在層流的 穩(wěn)定層液體，由于反應(yīng)產(chǎn)物和反應(yīng)物的運(yùn) 動(dòng)，存在濃度梯度，故屬于單

6、純單純 的的擴(kuò)散傳質(zhì)擴(kuò)散傳質(zhì)；B 當(dāng)邊界層存在對(duì)流時(shí)候，則存 在對(duì)流傳質(zhì)對(duì)流傳質(zhì)。.Northeastern University2.2.1菲克第一定律菲克第一定律 當(dāng)有濃度梯度存在時(shí)，伴隨物質(zhì)的擴(kuò)散過(guò)程，恒溫、恒壓下，當(dāng)有濃度梯度存在時(shí)，伴隨物質(zhì)的擴(kuò)散過(guò)程，恒溫、恒壓下，物質(zhì)的擴(kuò)散速度與其擴(kuò)散截面積物質(zhì)的擴(kuò)散速度與其擴(kuò)散截面積A和濃度梯度成正比：和濃度梯度成正比： xcDAtn式中：A為截面積，D為擴(kuò)散系數(shù)擴(kuò)散通量（單位時(shí)間，單位面積擴(kuò)散物質(zhì)的量）JxcDJ 金屬熔體中D的數(shù)值為：10-410-5 cm2/s，并且，隨溫度的提高，D增大。擴(kuò)散系數(shù)見(jiàn)圖14 Northeastern Unive

7、rsity 2.2.2界面層擴(kuò)散傳質(zhì)界面層擴(kuò)散傳質(zhì)ucxcDJu為對(duì)流速度，c為單位體積內(nèi)物質(zhì)量 當(dāng)界面層有對(duì)流存在時(shí)，擴(kuò)散通量 在金屬的熔煉過(guò)程，冶金反應(yīng)通常處于擴(kuò)散范圍，所以熔煉過(guò)程的速度受到一定的限制。 為了改善傳質(zhì)條件，強(qiáng)化熔體過(guò)程，熔煉中通常強(qiáng)制對(duì)流方式進(jìn)行冶金反應(yīng)，或采用噴射冶金方法進(jìn)行精練。Northeastern University2.2.3金屬的蒸發(fā)金屬的蒸發(fā) 蒸發(fā)蒸發(fā)：表明具有過(guò)剩能量的原子或分子脫離金屬表面形成氣體的現(xiàn)象。：表明具有過(guò)剩能量的原子或分子脫離金屬表面形成氣體的現(xiàn)象。 影響蒸發(fā)的條件影響蒸發(fā)的條件：蒸汽壓高、沸點(diǎn)低、蒸發(fā)熱小，溶解度低的金屬易揮發(fā)。蒸發(fā)的后果

8、蒸發(fā)的后果：提純金屬，揮發(fā)損失，污染環(huán)境。影響揮發(fā)的因素影響揮發(fā)的因素： a溫度溫度 b壓力壓力 c合金元素合金元素 (a)理想溶液 (b)稀溶液 (c)實(shí)際溶液 金屬的蒸汽壓見(jiàn)圖15 Northeastern University2.3熔體與爐氣的作用熔體與爐氣的作用 2.3.1爐氣成分與作用過(guò)程爐氣成分與作用過(guò)程（1）爐氣成分爐氣成分：H2O、CO、CO2、N2、碳?xì)浠衔?，爐型不同成分差異。（2）熔體與爐氣的作用過(guò)程：熔體與爐氣的作用過(guò)程：吸附，界面反應(yīng)，溶解擴(kuò)散。2.3.2鋁熔體與爐氣的作用鋁熔體與爐氣的作用 （1）鋁氧反應(yīng)鋁氧反應(yīng):（a）鋁組元與氧反應(yīng)鋁組元與氧反應(yīng)： Al2OAlO

9、Al2O3O2Al -Al2O3致密（致密（900度以下）度以下）-Al2O3體積收縮（體積收縮（900度以上）破裂度以上）破裂a(bǔ)氧化膜致密，b低價(jià)氧化物潤(rùn)濕性好，于鋁熔體中造渣Northeastern University(b) 鋁中元素與氧反應(yīng)：鋁中元素與氧反應(yīng)：按合金元素與氧的親和力的大小，由大到小依次排列為：BeLiMgNaCaAlTiSiMn CrZnFeNiCuAl以下的與氧和力小，非活性元素，形成復(fù)雜的氧化物。 Al以上的與氧親和力大，是表面活性，所形成的組織硫松，對(duì)鋁液無(wú)屏蔽和保 護(hù)作用，所以，要覆蓋劑保護(hù)下。排序排序鍛造鍛造部分課程總結(jié)Northeastern Univers

10、ity（2）鋁水反應(yīng)）鋁水反應(yīng)(a) 溫度低于250度：2Al6H2O=2Al(OH)3+3H2(b) 溫度高于400度：2Al3H2O=Al2O3+6H 造成的析氫現(xiàn)象：H分壓遠(yuǎn)大于H2，是析氫的主要原因， 2Al(OH)3Al2O32H2O，又會(huì)形成H（3）鋁熔體與）鋁熔體與H的作用的作用（a）鋁熔體中含氣量，H約占7090；（b）H的存在形式：H與Al可形成間隙固熔體H與氧化物吸附H2H的化合物的化合物（c）H與Al可形成間隙固熔體，溶解在Al熔體中是金屬熔體的流動(dòng)性降低屬熔體的流動(dòng)性降低，使固態(tài)金屬的塑性降低，金屬凝固時(shí)金屬凝固時(shí)，H的溶解度降低18倍，H可能變成可能變成H2，機(jī)械性能

11、降低，并影響導(dǎo)電和導(dǎo)熱等物理性能，同時(shí)，在塑性變形時(shí)產(chǎn)生氫脆。在塑性變形時(shí)產(chǎn)生氫脆。Northeastern University（d）影響H溶解的因素壓力壓力：鋁中H2的溶解度S： SK HP其中，PH為熔體界面處氣體分壓； 溫度溫度：04001000659200800溶解度溫度溫度對(duì)溶解度的影響影響Northeastern University合金元素：合金元素： 某一合金元素對(duì)H在鋁中的溶解度影響，與其自身成分和其它元素的加入有關(guān)所以，純考核這一合金元素的影響時(shí)，應(yīng)該對(duì)其成分進(jìn)行修正活度，影響影響活度活度系數(shù)自身成分（H溶解于Al合金中的）活度系數(shù)fH= f1（H在純Al中的活度系數(shù)）f

12、2（合金元素2的加入使H在純Al中的活度相互作用系數(shù)）f3（合金元素3的加入使H在純Al中的活度相互作用系數(shù)）.以Cu為例：合金元素的加入，會(huì)影響合金元素的加入，會(huì)影響H在鋁熔體中的溶解度或形成在鋁熔體中的溶解度或形成H化合物?；衔?。Northeastern University10502030400H活度系數(shù)Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)10502030400H溶解度Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù) Cu對(duì)H活度系數(shù)的影響 Cu對(duì)H溶解度的影響Northeastern University2.4熔體與爐襯的作用熔體與爐襯的作用 2.4.1爐襯成分：爐襯成分： 爐襯爐子內(nèi)襯，氣主要成分是MgO、Al2O3、SiO2等氧化物，它們

13、熔點(diǎn)很高，故具有良好的耐熱性能和熱穩(wěn)定性。 2.4.2熔體與爐襯的作用熔體與爐襯的作用 物理作用：物理作用：壓力、高溫、沖刷；化學(xué)作用：化學(xué)作用：金屬熔體、熔劑、氧化物與爐襯的作用。 （1）金屬熔體與爐襯的作用。置換反應(yīng): 置換反應(yīng) MM，OMOM， 式中：M為熔體金屬， 爐襯金屬 M，Northeastern University 見(jiàn)表：生成熱大的化合物，表明其結(jié)合力強(qiáng)，穩(wěn)定性好。（Mg、Al、Si氧化物穩(wěn)定，用作爐襯），但3SiO24Al2Al2O33Si反應(yīng)，所以Al熔煉不適于SiO2作爐襯。（2）熔劑與爐襯的作用。包括十大類(lèi)：覆蓋、凈化、除氣、晶粒細(xì)化劑、 變質(zhì)劑、除渣劑等。（3）氧化物與爐襯的作用。當(dāng)熔體中的氧化物與爐襯的氧化物的酸堿性不同時(shí)， 就會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的反應(yīng)，造成爐襯腐蝕。2.5 Cu熔體與爐氣的作用熔體與爐氣的作用見(jiàn)見(jiàn)P9Cu與氧的作用，及與CO2的作用Northeastern University 1.5.1 CuO相圖，CuO反應(yīng)，Cu2OH2反應(yīng)。 Cu2OM反應(yīng)反應(yīng); 1.5.2 Cu2OCO