有色金属熔炼与铸锭
金属熔炼与铸锭 第四讲 有色金属及合金熔炼的基本原理
沸点
3.2 金属的蒸发
一些元素的沸点及蒸发热
蒸发热小，沸点低的金属较易蒸发。
3.2 金属的蒸发
影响因素—温度
在外压一定时，纯金属的蒸气压只取决于该金属的温度。 蒸气压可以通过实验测定，也可由相变反应的热力学数据进 行计算。利用克劳休斯－克拉佩龙方程，可得到温度与金属 升华或蒸发时蒸气压的关系式： o H d ln pMe ( S ,V ) dT RT 2 式中，ΔH0(S,V)表示一摩尔金属在温度T时的标准升华热或蒸 发热。
合金元素的摩尔浓度
合金元素的活度越大，其蒸气压也越大。一般合金中沸点 低，蒸气压高的组元容易挥发，而易挥发元素在合金中含量 越高，合金的蒸气压就越高，合金的挥发损失也越大。
超硬铝合金中的锌和镁挥发大
例如：
黄铜中的锌元素挥发大
铝合金中铜损失小 隔青铜铸锭头、尾部分含镉量极不均匀
3.2 金属的蒸发
3.2 金属的蒸发
控制蒸发的措施
金属的性质 温度 外压
易蒸发元素宜在熔炼后期加入。
控制熔炼温度，降低金属的蒸发 在熔炼时，增加外压，在炉内充入惰性气体。 采用炉口小的熔炼炉； 减少搅拌次数，降低液面气流速度 控制熔炼时间
比表面积
物质交换 时间 改善表面
形成氧化膜，使用覆盖剂，减少扒渣次数
第三节 金属的氧化及防护
3.1.1 金属熔炼过程中的传热
举例说明：火焰炉熔炼热交换
Q QGC QSC QGC (GC C C )(tG tC )
QSC ( SCSC ab b )(tS tC )
QGC：燃烧气体传到熔炼金属受热面上的热量，kJ/h;
金属熔炼与铸锭—第二章
第二章
1
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
2
冶金工程学院
2.1 熔铸的基本任务
3
冶金工程学院
2.2 熔铸的基本要求
4
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
20
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？
21
冶金工程学院
15
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
16
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
2
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。
熔炼与铸锭
➢ 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
金属熔炼与铸锭 第一章 有色金属及合金材料 ppt课件
山西
河南 贵州
广西
中国铝土矿资源丰度属中等水平， 产地310处，分布于19个省(区)。总 保有储量矿石22.7亿吨，居世界第7 位。山西铝资源最多，保有储量占 全国储量41%；贵州、广西、河南 次之，各占17%左右。
.李会强：《合金熔炼与铸锭》
15
铝工业发展简史
1746年，德国科学家波特用明矾制得
Si 0.40 0.15 0.10 0.12 0.12 0.1200
杂质
在晶界形成大尺寸的富铁 化合物，具有高的熔点，很 难再固溶过程中溶入基体， 降低合金性能
铝合金中的富铁化合物EDS分析结果
消耗了基体中的铜原子， 降低了合金的时效强化效果
.李会强：《合金熔炼与铸锭》
21
纯铝
纯铝的牌号 L04
金属熔炼与铸锭
湖南科技大学 机电工程学院
.李会强：《合金熔炼与铸锭》
1
金属熔炼与铸锭课程
简介
金属材料广泛应用于航海、航空、航天、汽车、 建筑、通讯、家电等领域,在国民经济中占有重要的 地位。
.李会强：《合金熔炼与铸锭》
2
金属熔炼与铸锭课程
简介
包装绝用大铝箔多数的金属材料，是通过熔炼-铸造-塑性加 工的方法获得，铸锭成分及冶金质量是关系产品是
4#高纯铝 99.996%
L03 3#高纯铝 99.99%
L02 2#高纯铝
99.96%
L0 1#工业高纯铝
99.90%
L00 2#工业高纯铝
99.85%
L1
L2 … … L7
1#工业纯铝
2#工业纯铝
7 工业纯铝 #
.李会强：《合金熔炼与铸锭》
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力学性能
铝合金
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。
有色金属熔炼与铸锭第一章绪论
1.6 金属材料的分类
通常金属材料分为黑色金属和有色金属两大类。 黑色金属：以铁、锰、铬或以它们为主而形成的具有
金属特性的物质，称为黑色金属。如碳素钢、合金钢、 铸铁等。 有色金属：除黑色金属以外的其它金属材料，称为有 色金属，如铜、铝、镁以及它们的合金等。
1.7 有色金属及合金材料
有色金属（基本概念）：狭义的有色金属又称非铁金属，是铁、 锰、铬以外的所有金属的统称。广义的有色金属还包括有色合金。 有色合金是以一种有色金属为基体（通常大于50%），加入一种 或几种其他元素而构成的合金。
和元件的材料。 工程材料的分类： ⑴ 按使用功能分类
• 结构材料（structural material） 实现运动、传递运动，承担力、负荷为主（机械工程等）。
• 功能材料（functional material） 理化功能为主，力性为辅（导电材料、磁盘、光纤、散热器等）。
1.5 工程材料分类
按成分分类----三大类或四大类材料
2
1. 《有色金属熔炼与铸锭(第二版)》黄 劲松 编著 ，化学工业出版社。
2. 《有色金属熔炼与铸锭》王文礼 等 编著主编，冶金工业出版社 。
绪论
1.1熔炼与铸造在金属制品生产过程中的作用
矿石 分选
矿石——金属材料 ——零件的过程
1.2 熔炼的基本概念、目的和任务
熔炼：将金属材料在熔炼炉中熔化，通过添加元素调质、并通过 添加精炼剂，静置、过滤等手段除去金属熔体中的“杂质”的过 程。
到17世纪末被人类明确认识和应用的有色金属共8种。中华民族在这些有色金属的发 现和生产方面有过重大的贡献。进入18世纪后，科学技术的迅速发展，促进了许多新 的有色金属元素的发现。上述的64种有色金属除在17世纪前已被认识应用的8种外， 在18世纪共发现13种。19世纪发现39种，进入20世纪,又发现4种。目前为止有色金 属有64种。
有色金属熔炼与铸锭教学大纲
有色金属熔炼与铸造教学基本要求（78学时）一、课程性质和任务《有色金属熔炼与铸锭》是有色金属压力加工专门化方向的一门主干专业课。
其任务是：本课程主要学习熔炼炉的基本知识、重有色金属合金成分控制、铸造相关知识、铸锭凝固基本原理以及有色金属熔铸技术知识等内容。
使学生具备高素质劳动者和中初级专门人才所必需的金属压力加工专业的基本知识和操作技能，毕业后能从事有色金属压力加工车间的生产和技术管理工作。
二、课程教学目标本课程的教学目标是：通过对本课程的学习，使学生应具备初步的选用合金、配制原材料和选择熔炼工艺的能力；具备分析生产中有关问题和提供解决方案的能力；同时对国内外有关的新知识、新材料、新技术和新工艺等有较全面的了解，提高学生的全面素质，为学生以后的毕业实习、职业技能鉴定等打下基础。
(一) 知识教学目标1．掌握各种合金的成分、物理、化学性质及其特点。
2．熟悉常用几类熔炼炉的结构特点及作用。
3．能准确调配合金的成分。
4．掌握各类合金的熔炼工艺。
5．了解重有色金属及其合金铸锭生产设备装置、原理特点、生产操作及铸造工艺。
6．要求基本掌握铸锭凝固基本原理以及铸锭常见缺陷分析。
7. 掌握有色金属熔铸技术知识。
(二) 能力培养目标1．初步掌握有色金属及合金的成分，能够辨别各类有色金属。
2．初步掌握熔炼炉的结构特点及其维护的能力。
3．具有常见合金成分的调配能力。
4．掌握基本的熔炼工艺知识。
5．掌握铸锭生产的基本方法，能进行重有色金属及其合金铸锭生产的基本操作能力与设备维护能力。
6．能进行铸锭质量的检查。
7．具有安全操作生产的技术知识。
(三) 思想教育目标1．具有热爱科学、实事求是的学风和创新意识、创新精神。
2．具有良好的职业道德，热爱本专业工作，具有为本职工作献身的精神。
三、教学内容和要求基础模块(一) 有色全属熔炼的基本原理1.金属的氧化、挥发和除渣精炼1．1氧化的热力学原理掌握金属氧化的热力学条件和判据掌握非标准状态下金属氧化的热力学条件和判据1.2氧化的动力学掌握金属氧化机理和氧化膜结构。
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三、杂质元素的氧化： 氧化精练的实质是利用氧将金属中的杂质氧化成渣或生成气体而排
除的过程 四、金属脱氧： 1.脱氧原理及脱氧剂
脱氧就是向金属液中加入与氧亲和力比基体金属与氧亲和力更大的物 质，将基体金属氧化物还原，本身形成不溶于金属熔体的固态、液态 或气态脱氧产物而被排除的工艺过程 脱氧剂应满足下列要求： （1）脱氧剂与氧的亲和力应明显地大于基体金属与氧的亲和力 （2）脱氧剂在金属中的残留量应不损害金属性能
有色金属熔炼与铸锭
金属的氧化精练原理 火法精练 电解提纯（湿法电解、熔盐电解） 火法精练采用氧化精练应具备三个条件： 1.基体金属的氧化物能溶解于自身金属液中，并能氧化 杂质元素 2.杂质元素氧化物不溶于金属液中，并易与后者分离 3.基体金属氧化物可用其他元素还原 铝、镁等不适合上述条件，铁、铜、镍符合
有色金属熔炼与铸锭
一、有色金属熔炼的基本原理 二、有色金属铸锭凝固的基本原理 三、铝锂合金熔炼与铸造的特点
有色金属熔炼与铸锭
有色金属熔炼与铸锭 主要内容
● 有色金属在熔炼和铸锭过程中与炉气、炉衬、 溶剂、涂料、空气和水蒸气等环境因素相互作用 的基本规律
● 熔铸工艺参数对熔体中的气体及夹渣含量 和铸锭的凝固过程、结晶组织、溶质再分布及 偏析、裂纹等缺陷所产生的影响及变化规律
有色金属熔炼与铸锭
四、其他因素
如料的表面积、熔炼炉设备等
降低氧化烧损的方法：
主要从熔炼设备和熔炼工艺两方面来考虑：
1.选择合理炉型（熔池面积小、加热速度快）
2.采用合理的加料顺序和炉料处理工艺（如中间合金、锂最后加入）
3.采用覆盖剂
4.正确控制炉温
5.正确控制炉气性质
6.合理的操作方法
7.加入少量a>1的表面活性元素
例外情况：a>1，但线膨胀系数与基体金属不相适应则 易产生分层，断裂而脱落—显然也属于易氧化烧损金属
有色金属熔炼与铸锭
二、熔炼温度 温度升高，氧化速度加快 如，4000C以下，氧化铝膜强度高，线膨胀系数与铝接近，膜保护良好 （抛物线规律），但高于5000C则按直线氧化规律，7500C时易于断裂
三、炉气性质 存在诸如O2、H2O、CO2、CO、H2、CmHm、SO2、N2等气体 体系对金属是 氧化性还是还原性或中性应视具体情况而定 金属的亲和力大于C、H与氧的亲和力则含有CO2、CO或H2O的炉气就会 使其氧化
有色金属熔炼与铸锭
杂质的吸收和积累： 1.从炉衬中吸收杂质 2.从炉气中吸收杂质 3.从溶剂和熔炼添加剂中吸收杂质 4.从炉料及炉渣中吸收杂质 减少杂质污染金属的途径： 1.选用化学稳定性高的耐火材料 2.尽可能采用纯度较高的新金属料 3.火焰炉应选用低硫燃料 4.工具采用不会带入杂质的材料制作和采用涂料保护 5.变料或转换合金时要清洗熔炉 6.注意辅助材料的选用 7.加强炉料管理，杜绝混料现象
有色金属熔炼与铸锭
(3）脱氧剂要有适当的熔点和比重 (4）脱氧产物应不溶于金属熔体中，易于凝聚、上浮而被除去 (5）脱氧剂不稀贵，且无毒 2.脱氧方法及特点：
沉淀脱氧：5[Cu2O]+2[P]=P2O3+10[Cu] 扩散脱氧：脱氧剂加在金属熔体表面或炉渣中，脱氧反应 仅在炉渣-金属熔体界面上进行（溶于金属中的氧会不断地 按分配定律向界面扩散而脱氧 真空脱氧：蒸气压低的氧化物先逸出来
图1-2
有色金属熔炼与铸锭
2.氧通过固体氧化膜向氧化膜-金属界面扩散（即内扩散）
VD=DA/δ *(CO2-C´O2)
D—氧在氧化膜中的扩散系数，δ—氧化膜的厚度 C´O2—反应界面上的浓度
3.在金属-氧化膜界面上，氧和金属发生界面化学反应，与 此同时金属晶格转变为氧化物
VK=KAC´O2
K—反应属熔炼与铸锭
氧化膜的性质决定以上哪一个环节是限制性环节，而 氧化膜的主要性质是其致密度:
a=MV/AV
MV—氧化物的分子体积， AV—氧化物的
金属原子体积
a 举例说明： Al2O3=MVAl2O3/2AVAl
当a>1时，氧化膜致密、连续，有保护性 当a<1时，氧化膜疏松多孔，无保护性
有色金属熔炼与铸锭
有色金属熔炼的基本原理
1、氧化的热力学原理 2、氧化的动力学机制 3、影响氧化烧损的因素及降低氧化烧损的方法 4、金属氧化精炼的原理 5、挥发及挥发损失 6、夹渣和除渣精炼
有色金属熔炼与铸锭
金属氧化的热力学
趋势问题
▲金属氧化的趋势 ▲各合金元素的氧化顺序 ▲氧化程度
决定因素：金属与氧的亲和力大小 也与合金成分、温度和压力有关
因此，膜厚x与时间t呈曲线关系： a<1，D>>K, x = K CO2t------受结晶化学变化控制 a>1，D<<K，x2 = 2 D CO2t----内扩散速度控制
有色金属熔炼与铸锭
▲但实验观察和理论研究指出，某些金属符合 对数规律或立方规律----研究还有待深入。
▲ 固体纯金属的氧化动力学规律也适用于液 态金属，必须指出，合金熔体氧化动力学的实验研 究很少，但添加合金元素能强烈地影响金属的氧化 特性----改变膜的性质所致
有色金属熔炼与铸锭
影响氧化烧损的因素及降低氧化烧损的方法
影响金属氧化烧损的因素：
一、金属及氧化物的性质
纯金属氧化烧损取决于金属与氧的亲和力和金属表面氧 化膜的性质 Mg、Li与氧亲和力大，而且a<1，氧化烧损大 Al、Be 与氧亲和力大，但a>1，氧化烧损小 Au、Ag、Pt与氧亲和力小，a>1，故很难氧化
有色金属熔炼与铸锭
二、金属氧化的动力学方程
平面金属的氧化速度可用氧化膜厚度随时间的变化来表示：
1.温度、面积一定，内扩散速度： (dx/dt)=D/x * (CO2-C´O2)
2.结晶化学反应速度： (dx/dt)=K CO2
两阶段速度相等可求得：1/D*x*dx+1/K*dx= CO2*dt t为时间
有色金属熔炼与铸锭
金属氧化的动力学
速度问题
一、金属氧化机理和氧化膜结构（重点了解三个环节）
1.氧由气相通过边界层向氧-氧化膜界面扩散（即外扩散）
VD=DA/δ *(C0O2-CO2)
D—氧在边界层中的扩散系数，A、δ—边界层面积和 厚度
C0O2、CO2—边界层外和相界面上氧的浓度
有色金属熔炼与铸锭