熔炼与铸锭
金属熔炼与铸锭—第二章
第二章
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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
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冶金工程学院
2.1 熔铸的基本任务
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冶金工程学院
2.2 熔铸的基本要求
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冶金工程学院
2.2 熔铸的基本要求
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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
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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？
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冶金工程学院
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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
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冶金工程学院
2.3 熔铸工艺规程的制定
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冶金工程学院
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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
《熔炼与铸锭》课件
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熔炼与铸造在实际应用中的应用
探索熔炼和铸造在各行各业的实际应用，如汽车制造和航空航天。
总结
熔炼与铸造的重要性
总结熔炼和铸造在材料加 工中的重要作用。
熔炼与铸造的发展趋 势
展望熔炼和铸造技术的未 来发展趋势。
展望未来熔炼与铸造 的发展前景
探索熔炼和铸造领域的未 来前景和新的发展方向。
铸造流程及铸造缺陷处理
了解铸造的具体流程，以及如 何处理铸造中的常见缺陷。
熔炼与铸造的关系
熔炼和铸造的区别与联系
比较熔炼和铸造的不同点和相互关系，深入理 解二者的作用。
熔炼与铸造的关联关系及作用
探索熔炼和铸造之间的联系及其在材料加工中 的重要作用。
实例分析
1
典型案例介绍
通过实例分析，展示熔炼和铸造在实际工程项目中的应用。
《熔炼与铸锭》PPT课件
欢迎来到《熔炼与铸锭》PPT课件！在这个课程中，我们将深入探讨熔炼和 铸锭的原理、设备、工艺以及其重要性和发展趋势。
熔炼原理
金属材料特点
了解金属材料的特性，为 熔炼过程做出合理选择。
熔炼基本原理
揭示熔炼是如何实现材料 物态转变的过程。
熔炼方式和分类
介绍不同的熔炼方式和分 类，如火法和电法熔炼。
回顾铸造技术的发展历史，从古代手工铸造到现代自动化铸造。
2 铸造材料分类
介绍铸造中常用的材料分类，如铸铁和铸钢。
3 铸造基本原理
揭示铸造是如何通过熔融金属注入模具，形成所需形状的工艺
了解常见的铸造方法，如砂铸 和压铸。
常见铸造设备介绍
介绍铸造中常用的设备，如模 具和液态金属处理设备。
熔炼设备与工艺
火法熔炼
探索使用火焰进行 熔炼的设备和工艺， 如高频感应炉和电 阻炉。
有色金属熔炼与铸锭
有色金属熔炼与铸锭有色金属是指除了铁之外的金属，包括铜、铝、镁、锌、铅等。
这些金属在工业和日常生活中都有广泛的应用，因此其熔炼和铸造技术也非常重要。
本文将介绍有色金属熔炼和铸锭的基本原理和流程。
一、有色金属熔炼有色金属熔炼是将固态金属加热至液态并进行加工的过程。
有色金属熔炼通常采用电炉、燃气炉或高频感应炉等加热设备。
在熔炼过程中，有色金属会发生氧化、蒸发和挥发等反应，因此需要加入熔剂和保护气体来控制反应的发生。
1. 熔剂熔剂是一种能够与金属氧化物反应生成氧化还原剂的物质。
在熔炼过程中，熔剂可以吸收金属表面的氧化物，并将其还原为金属。
熔剂的选择要根据金属的特性和熔剂的成分来确定。
以铝为例，铝的氧化物（Al2O3）在高温下很难还原为金属铝。
因此，需要加入熔剂（如纯碳或氟化铝钠等）来将氧化物还原为铝。
另外，熔剂还可以调节熔炼温度、改善金属的流动性和减少金属表面的氧化。
2. 保护气体保护气体是一种用于保护金属表面不受氧化的气体。
在熔炼过程中，金属表面会受到空气中的氧化物的影响，导致氧化和污染。
因此，需要加入保护气体，如氮气、氩气、氢气等，来隔绝金属和空气的接触。
以铜为例，铜熔点较低，容易氧化，因此需要使用保护气体来防止氧化。
常用的保护气体是氢气，因为氢气可以还原铜表面的氧化物，并且不会对铜产生污染。
二、有色金属铸造有色金属铸造是将熔化的金属倒入模具中，使其冷却固化成型的过程。
有色金属铸造通常采用砂型铸造、永久模铸造、压铸和注射成型等方法。
1. 砂型铸造砂型铸造是将熔化的金属倒入沙子制成的模具中，使其冷却固化成型的方法。
砂型铸造可以制造大型和复杂的零件，但是生产周期较长，成本较高。
2. 永久模铸造永久模铸造是将熔化的金属倒入金属模具中，使其冷却固化成型的方法。
永久模铸造可以制造高精度、高表面质量和高产量的零件，但是模具成本较高。
3. 压铸压铸是将熔化的金属注入压铸机中，经过高压快速冷却成型的方法。
压铸可以制造高精度、高表面质量和高产量的零件，但是一般只适用于小型和中型零件。
金属熔炼与铸锭 第五讲 有色金属及合金熔体的净化
与悬浮状态的夹渣相遇时，夹 渣便可能被吸附在气泡或熔剂 表面而被带出熔体。
驱动力：界面能降低
润湿角
θ<90° 能够吸附或润湿 θ>90°吸附或润湿较弱
熔剂滴(或气泡)与固体夹渣间吸附时的能量条件
除渣精炼
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
吸附作用—熔剂
根据夹杂物与金属熔体的相对比 重不同，可分别采用上熔剂法和 下熔剂法。
上熔剂法：夹渣的比重小于金 属熔体，多聚集熔池上部及表面 ，此时应采用上熔剂法。(重有 色金属及钢铁)
方法四：氧化除气
同时存在于铜液中的氢和氧有一定的比例关系，氧 化法除氢就是有意识提高熔体中氧含量，降低氢含量。
举例说明
向铜液中吹入氧气，大量的铜将被氧化：
4Cu+O2=2Cu2O 生成的Cu2O溶于铜液中，随后Cu2O又与铜液中 的氢发生反应：
Cu2O+2[H]=2Cu+H2O↑
本方法仅适用于紫铜的精炼
下熔剂法：夹渣的比重大于金 属熔体，采用下熔剂法。(镁及 镁合金)
全熔剂法：熔剂均匀分布于熔 体中。(铝合金)
熔剂法除渣示意图 (a)上熔剂法；(b)下熔剂法
1－熔剂；2－熔剂夹渣
除渣精炼
影响吸附的因素
熔剂的吸附能力取决于化学组成。 对铝合金，在其他条件相同时，氯化物的
吸附能力比氟化物好； 碱金属氯化物比碱土金属好； 氯化钠和氯化钾的混合物比纯氯化物好； 在氯化钠和氯化钾的混合物中加入少量氟
解决措施
精心备料、严格 预防 控制熔化、采用
覆盖剂 在熔炼后期进行 补救 脱气精炼，降低
熔体中气体含量
脱气精炼
目的与方法
目的：脱除溶解于金属中的气体。
脱气途径
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
铝合金冷轧及薄板生产技术
铝合金冷轧及薄板生产技术一、熔炼与铸锭1.1铝合金熔炼铝合金熔炼是生产过程中的重要环节，主要通过将铝合金材料加热至熔点后进行熔炼、精炼、除气、除渣等操作，以获得高质量的熔体。
1.2铸锭铸锭是将熔炼后的铝合金熔体倒入模具中，冷却凝固后形成一定形状和尺寸的铝合金锭。
铸锭的质量对后续的加工和制品质量有重要影响。
二、热轧与冷轧2.1热轧热轧是一种将铝合金铸锭加热至一定温度后进行轧制的工艺，主要目的是通过施加压力使铝合金材料产生塑性变形，获得一定形状和尺寸的板材或带材。
2.2冷轧冷轧是在室温下对铝合金材料进行轧制的过程，主要通过机械外力使铝合金材料产生塑性变形，获得更薄的板材或带材。
三、薄板成型3.1拉伸成型拉伸成型是一种将铝合金板材或带材通过模具进行拉伸变形的过程，主要应用于生产各种形状的铝合金制品。
3.2弯曲成型弯曲成型是一种将铝合金板材或带材通过模具进行弯曲变形的过程，主要应用于生产各种弯曲形状的铝合金制品。
四、表面处理4.1抛光抛光是通过机械或化学方法对铝合金表面进行加工，以获得光滑、亮泽的表面效果。
常用的抛光方法包括机械抛光、化学抛光和电化学抛光等。
4.2喷涂与电镀喷涂和电镀是在铝合金表面涂覆或镀覆其他金属或非金属材料，以提高铝合金制品的耐腐蚀性、美观度和功能性。
常用的喷涂和电镀材料包括油漆、塑胶、金属等。
五、质量检测5.1外观检测外观检测是对铝合金制品的表面质量进行检测的过程，主要通过目视、触觉等方法对制品的外观缺陷进行检查。
5.2尺寸检测尺寸检测是对铝合金制品的尺寸精度进行检测的过程，主要通过测量工具对制品的尺寸进行精确测量。
5.3力学性能检测力学性能检测是对铝合金制品的力学性能进行检测的过程，主要包括硬度、抗拉强度、屈服强度、延伸率等指标的检测。
六、环保与安全6.1有害物质控制铝合金冷轧及薄板生产过程中会产生一些有害物质，如废气、废水、废渣等，需要进行有效的控制和处理，以减少对环境和人体的危害。
铜合金熔炼与铸锭1
铜合金熔炼与铸锭要得到合格的铜合金制品，必须先制得合格的铜、铜合金液。
故此，铜合金的熔炼和铸造是获得优质铜合金制品和材料的关键工效之一。
铜合金铸造成锭坯的常见缺陷，如力学性能不合格、气孔、氧化夹杂、偏析等。
主要原因之一是熔炼工艺控制不当造成。
所以，对铜合金液的质量有如下的要求。
①必须严格控制铜合金的化学成份，要符合国家标准规定的指标。
②铜合金液要纯净，不得含有气体和氧化物。
③铜合金液不得过烧，不得有偏析。
要获得合格的合金液，除了严格控制熔炼工艺外，首要的是要有合格的原材料。
在熔炼铜合金是所用的原材料有新金属、回炉料和中间合金。
1.1铜合金熔炼时的金属损耗和配料1、我司黄铜用料：电铜、锌锭、光亮丝、纯漆线、Q料、拉伸料、普通角料（回料）、四类搭用料。
2、我司磷铜用料：镀白磷、镀锡紫铜、普磷、普紫铜。
3、熔炼时的金属损耗金属熔炼损耗通常是指熔炼过程中，金属的挥发、氧化烧损、与炉衬作用的消耗等全部损耗的总和。
1）金属的挥发在熔炼过程中，金属的挥发是难以避免的，尤其是一些易挥发的元素有所回因挥发损失过大致使控制成份发生困难；故在熔炼工艺上应视其情况采取相应的措施。
2）氧化烧损熔融金属中合金元素的氧化烧损，与合金元素对氧的亲合力及含量有关，凡与氧的亲合力比基体金属大、表面活性强的金属，必然易烧损。
4、降低熔炼损耗的途径①用熔池面积小的炉子熔炼。
②制定合理的工艺操作规程。
易氧化、挥发的合金元素应制成中间合金在最后加入，或在溶剂覆盖下溶化。
③碎屑散料应打包。
④选用适宜的覆盖剂覆盖。
⑤正确选用溶剂，同时采取高温扒渣或捞渣，降低渣中金属损耗。
5 配料原则与配料计算1）配料原则①确定合金各组元的配料比及易耗组元的补偿量。
②在保证合金的主要成份及杂质含量合乎国家标准的前提下，尽可能少用新金属，以扩大低品位原料及回料的使用量。
③在保证合金质量的前提下，对合金中贵金属尽可能按标准的下限含量配料。
④为保证某些制品的特殊要求，在国家标准范围内科适当调整某些元素的含量，及制度生产中实际控制的内部标准。
熔炼与铸锭课程-成分控制
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烘炉
图3-1
18吨天然气反射炉烘炉曲线
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低温段升温慢；高温段升温略快，提供足够的时间消除水分。
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。 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 进行清炉。这时应均匀地向炉内撒入 层粉状熔剂，将炉膛 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。
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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。
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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。
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中间合金制备—熔合法
Al-Ni中间合金的制备
纯Ni熔点（1452℃）；Al Al-20%Ni 20%Ni熔点（780℃） 3/4铝块 坩埚
加热
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中间合金制备—熔合法
Al-Ni中间合金的制备
纯Ni熔点（1452℃）；Al Al-20%Ni 20%Ni熔点（780℃） 镍块预热 继续加热 至950~1000℃
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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 序依次送往炉 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。
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➢ 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
思 考：若要避免柱状晶的出现，应采用哪种凝固方式，并 如何实现？
二 铸锭的收缩：
定义：收缩是指合金从浇注、凝固到冷却至室温的过
程中，其体积或尺寸缩减的现象。
分类：分为三类，液态收缩、凝固收缩和固态收缩。
浇注温
铸 液态收缩 度
锭 温
开始凝固温度
体
度 降
凝固收缩
积 收
低
凝固终止温度
缩
固态收缩
线收
室温பைடு நூலகம்
缩
防止措施：采取顺序凝固的办法避免缩孔、疏松的出现。
顺序凝固：是指通过在铸件上可能出现疏松的后大部位 安装冒口或放置冷铁等工艺措施，使铸件上远 离冒口的部位先凝固（图中Ⅰ），尔后在靠近 冒口的部位凝固（图中Ⅱ、Ⅲ），最后是冒口 本身凝固。
➢ 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：
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
一 铸锭的凝固方式：
在铸锭凝固过程中，对铸锭质量影响较大的主要 是固液两相并存的凝固区的宽窄。铸锭的“凝固方式 ”就是依据凝固区的宽窄来划分的。
逐层凝固
纯金属和共晶成分的合 金在凝固中因为不存在固液 两相并存的凝固区，所以固 体与液体分界面清晰可见， 一直向铸件中心移动。
糊状凝固
铸件在结晶过程中，当结 晶温度范围很宽，且铸件截面 上的温度梯度较小，则不存在 固相层，固液两相共存的凝固 区贯穿整个区域。
2.柱状晶区 弱面
3.中心等轴晶区 1.激冷层（表面细晶区）
铸锭（铸件）的宏观组织控制：特殊情况 下可得到全部为柱状晶和等轴晶
柱状 晶形 成弱 面， 热轧 时开 裂
铸锭（铸件）的宏观组织控制：特殊情况 下可得到全部为柱状晶和等轴晶
铸锭中心等轴晶粒的来源：
仔晶卷入，枝晶漂移 ，晶体下沉
➢ 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。
➢ 疏松：
定义：疏松是指金属液在铸模中冷却和凝固时，在铸锭
的厚大部位及最后凝固部位形成一些分散性的小孔洞。
收缩率：
体积收缩是指单位体积的收缩量（体积收缩率）。
线收缩是指单位长度上的收缩量（线收缩率）。
体积收缩率：
V
V0 V1 100% V1
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
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
器的特殊容器中，凝固的铸件不断从结晶器的另一端被引 出，从而获得任意长度的等横截面铸件的铸造方法。
产生原因： 当合金的结晶温度范围很宽或铸锭断面温
度梯度较小时，凝固过程中有较宽的糊状凝固两相并存 的区域。随着树枝晶长大，该区域被分割成许多孤立的小 熔池，各部分熔池内剩余液态合金的收缩得不到补充，最 后形成了形状不一的分散性孔洞即缩松。
另外，疏松还可能由凝固时被截留在铸锭内的气体无 法排除所致。不过，疏松内表面应该是光滑，近似球状。
b.变质处理 c.振动，搅拌
AlMg合金没有变质处理晶粒 AlMg合金经过变质处理晶粒
有色合金的熔炼
熔炼工艺对有色合金铸件的性能和缺陷有很大影 响。多数有色合金易产生气孔和夹杂，尤其是钛 合金、铝合金、镁合金和某些铜合金。一般的熔 炼工艺流程是： 1）根据铸件技术要求所规定的合金牌号，可 查出合金的化学成分范围，从中选定化学成分； 2）根据元素的烧损率和成分要求，进行配料 计算，得出各种炉料的加入量，并选择炉料。若 炉料受到污染，则需要进行处理，保证所有的炉 料清洁、无锈，并在投料前进行预热； 3）检查和准备化用具，涂刷涂料，并预热， 防止气体、夹杂物和有害元素的污染；
4）加料。一般加料顺序为：回炉料、中间合 金和金属料，低熔点易氧化的金属料，如镁， 在炉料熔化之后加入； 5）为了减少合金液的吸气和氧化的污染， 应尽快熔化，防止过热，根据需要，有的合金 液须加覆盖剂保护； 6）炉料熔化后，进行精炼处理，以净化合 金液，并进行精炼效果的检验； 7）根据需要，进行变质处理和细分组织处 理以提高性能，并检验处理效果； 8）调整温度，进行浇注。有的合金在浇注 前要进行搅拌，以防发生比重偏析。
中间凝固
大多数合金的凝固是介于逐 层凝固和糊状凝固之间，称为中 间凝固。
讨 论：
一般认为：铸模的冷却能力越大，越有利于在结晶 过程中保持较大的温度梯度，从而利于柱状晶区的发展。
柱状晶择优取向，晶界往往容易富集第二相，特别是 在两种位向交叉面是受力的薄弱环节，轧制时容易开裂。
因此，钢铁或镍合金（塑形较差）应避免柱状晶的出 现；而有色金属，有时要求获得柱状晶。