熔炼与铸造教程2
第二章
熔炼与铸造
第一节 除气和脱氧
一、气体的来源
能溶解于金属中的气体，主要是氢和氧。在熔炼过程中，气体的主要来源有： 1、 炉气：非真空熔炼时，炉气是金属中气体的主要来源。在炉气中除含有氧、氮外，还含有水汽、氢、一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫和碳氢化合物等。炉气的成分随使用的燃料和燃烧的情况的不同而变化；如以重油或煤气做燃料的反射炉或坩埚炉中，常含有5-10％的水汽和较多的氢、一氧化碳等。
2、炉料：电解金属表面大都有残留电解液，加工车间返回料大都含有油、水、乳液等。外来废料大都有水腐蚀物、锈蚀等。特别是露天堆放和潮湿季节，炉料表面吸附有水分。这些
都会使金属在熔炼过程中吸收较多的氢。
3、 耐火材料：耐火材料中所含水分也能促使金属吸气，新炉开始生产时尤为严重。
4、 熔剂：许多熔剂都带有水分，其中一些（如木炭、米糠等）含有吸附的水分，有些熔剂（如硼砂）本身带有结晶水。为减少熔炼过程中气体的来源，熔剂应进行干燥或脱水处理。 5、 操作工具：操作工具预热不彻底，也会增加金属的含气量。
二、气体的溶解过程及溶解度
气体在金属中溶解度：金属在固体时，气体的溶解度很小，随着温度的上升溶解度缓慢增加，到熔点温度时溶解度急剧增加，继续提高熔融金属的温度，气体溶解度继续增加，到某一最大点后开始下降，到金属的沸点温度时，气体溶解度几乎等于零。 不同的合金元素对气体在合金中的溶解度的影响也不同，某些元素如镍等与气体有较大的结合力，使合金中的气体的溶解度增加。另上些元素如铝、锡等能使气体在合金中的溶解度降低。铜合金中合金元素对氢气溶解度的影响如下： Cu+Ni
> Cu+Pb > Cu+Ag > Cu+Au > Cu+Sn > Cu+Al
三、除气方法：
1、气体除气法：一种为惰性气体（如N2等），另一种是活泼气体（如Cl2等）
气泡越小，数量越多，对除气是有益的。但由于气泡上浮的速度大，通过熔体的时间短，且气泡不可能均匀分布于整个熔体中，故用此法除气不容易彻底；随着熔体中含氢量的减少，去气效果显著降低。
2、熔剂除气法：熔剂除气是利用熔盐的热分解或与金属进行置换反应，产生不溶于熔体的挥发性气泡而将氢除去。如铝青铜常用冰晶石熔剂除气，白铜和镍合金常用萤石、硼砂、碳酸钙等熔剂除气。熔剂精炼时，一般将干燥的熔剂用带孔罩压入熔池中。为了提高除去效果，也可采用干燥氮气将粉状熔剂吹入熔池中。熔剂在除气的同时，还可去渣。
3、 沸腾除气：在工频炉熔炼高锌黄铜时常用的一种方法。但需具备两个条件：一是高锌
黄铜的沸腾温度较低，二是熔沟部分熔体温度较高。铜锌合金的沸腾温度随锌含量的增加而降低。
由于工频炉中熔沟部分熔体温度最高，首先形成锌的蒸汽泡随即上浮。伴着熔池温度的升高，炉膛内的蒸汽压也随逐渐提高；当温度升高到整个熔池接近锌的沸点时，甚至使整个熔池表面出现冒泡。当熔池上面的蒸汽压升高到超过大气压时，锌蒸汽便向炉口喷出，被氧化燃烧，形成沸腾的喷火现象。次数越多，除气效果越好，一般2-3次即可。含锌量小于20％的黄铜，不能利用沸腾除气。缺点在于低沸点金属元素（如锌等）损耗较大。
4、 其他除气法：1）冷凝除气；2）振荡除气；3）直流电解除气
四、脱氧过程
使金属熔体中的氧化物还原而除去氧的过程称为脱氧。熔融金属及合金中的脱氧过程属于置换反应，凡在操作条件下，能从熔融金属中取得氧的任何物质，即氧化物的分解压比被脱氧金属氧化物的分解压为低的元素，一般都可作为脱氧剂。
五、脱氧剂
分为表面脱氧剂和溶解于金属的脱氧剂两种。
表面脱氧剂基本上不溶于金属，脱氧作用仅在与金属接触的表面进行，脱氧速度较慢。它的优点不溶于金属，脱氧剂不会影响金属的质量。常用的表面脱氧剂有：碳化钙、硼化镁、木炭、硼
（B2O3）等。
溶于金属的脱氧剂，能在整个熔池中与熔融金属中的氧化物相互作用，脱氧效果好得多。缺点是剩余的脱氧剂将留于金属中而影响金属的性能。常用的脱氧剂有：磷、硅、锰、铝、镁、钙、钛、锂等。这些元素可以中间合金的形式加入。脱氧反应所产生的细小固体氧化物，使金属的粘度增大，或成为金属中分布不均匀的夹杂物，故应控制加入量。
对脱氧剂的要求：
1. 对金属或合金的性能无害。
2. 脱氧产物最好不溶于熔融金属，且容易除去。
3. 脱氧剂应足够活泼，即脱氧产物应与熔融金属在比重和熔点上有较大的差别。
铜磷中间合金除能脱氧外，并能改善合金的流动性，在铜合金生产中应用较广。
第二节
精炼
1、 氧化精炼
2、 除渣精炼社会关系网络
3、 熔剂：
使用熔剂的作用是：防止吸气、氧化；除气、除渣；细化晶粒；通过熔剂加入某些元素。
熔剂按用途分覆盖剂、精炼剂、氧化剂、还原剂、变质剂。按化学性质又分为酸性、碱性、中性三大类。酸性熔剂如硼砂、硅砂等，用来除去碱性和中性如氧化物；而碱性熔剂如苏打、碳酸钙，则用以除去酸性及中性氧化物；中性熔剂有碱金属、碱土金属的氯盐和氟盐，如KCL、NaCl、CaCl2、CaF2等以及木炭、米糠、玻璃等。
铜和铜合金常用木炭、米糠等作覆盖剂，既可保温和防氧化，又可结渣和改善流动性。
第三节
变质处理
变质处理是金属或合金在熔铸过程中，广泛应用于改善材料性能、提高产品质量的重要手段。变质处理的方法很多，如加变质剂、机械振动、超声波振动、快速冷却等。
变质剂的作用有：
1） 细化晶粒
2） 使合金中高熔点化合物的粗大晶粒改变形状，并均匀分；
3） 使晶界上的链状低熔点物减少并球化，或形成细粒高熔点化合物；
4） 提高高温塑性。
常用变质剂有：
合金 变质剂
加入方法 变质效果
H62 Fe 铜铁中间合金加入炉内 细化晶粒、提高冷加工塑性
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Ce 铜基中间合金，出炉前加入 细化晶粒、提高高温塑性、提高抗张强度
铝青铜 Mn 纯金属，出炉前加入
细化晶粒
B10、B30 Ti 纯金属，出炉前加入 细化晶粒、提高高温塑性
孟奈尔 Ti 纯金属，完全熔化后加入
细化晶粒、消除硫的影响
第四节 熔炼工艺参数
一、熔炼工艺参数选择
1、制定加料顺序的原则：
1） 先加数量较多的炉料，在实际生产中，一般先加不少于炉料的30％的金属；
2） 具有较高蒸汽压的金属应最后加入；
3） 熔解时能产生很大热效应的金属，不作最后一批料加入，以防金属熔体过热；
4） 先加较难氧化烧损而较易还原的金属，或较难与炉气及炉衬相互作用的金属。
2、熔炼温度
熔炼温度对铸锭质量影响较大，温度过高不仅容易产生粗大晶粒、裂纹、偏析等缺陷，而且会促使金属与炉气、炉渣、熔剂、炉衬间的相互作用加强，增加金属的氧化及挥发损失，并促使金属吸气；而温度过低又会使熔体去渣效果降低、铸锭操作困难。
确定出炉温度的原则：
1） 保证金属液有一定的流动性；
2） 保证浇铸操作的正常进行，防止产生冷隔、夹渣等缺陷；
3） 根据不同合金的铸造特性，在保证浇铸操作正常进行的情况下，尽量彩低温出炉。
第五节
铜及铜合金的熔炼
一、黄铜熔炼
工艺特性及操作要点：
1） 锌的除气和脱氧性能很好，操作中加入脱氧剂铜-磷的目的，主要是改善合金的流动性；
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2） 含锌大于20％的黄铜，一般可按喷火次数作为实际出炉依据；
3） 尽量低温加锌，高温捞渣，以减少熔炼损耗；
四氯化硅4） 以冰晶石作熔剂的合金，冰晶石加入量约为炉料重量的0.1％；
5） 铁以Cu-Fe或Al-Fe中间合金加入，易氧化元素如砷、铍等与铜制成中间合金加入。
二、青铜熔炼
工艺特性及操作要点：
1）青铜宜采用中频感应电炉熔炼，硅砂或镁砂炉衬，但用有芯感应炉熔炼铝青铜时，最好使用中性或碱性炉衬；
2）硅青铜、锡锌铅青铜吸气性强，应使用煅烧木炭作覆盖剂，装料后立即加入足够木炭，直到浇铸完毕不再向炉内添加木炭。
三、白铜熔炼工艺
1、 白铜宜采用工频或中频感应电炉熔炼，硅砂或镁砂炉衬；
2、 为提高普通白铜的热塑性，可加入钛、锆作变质剂。
3、 装料时如炉内残留铜水过少，镍、铁不易熔化时，允许先加入少量紫铜以加速熔化。
四、镍和镍合金熔炼工艺
1、 镍和镍合金采用中频或高频感应电炉熔炼，高铝砂或镁砂炉衬；
2、为提高纯镍和镍合金的热塑性，细化晶粒，可加入少量钛作变质剂，在炉料全部熔化后加入；
樟宜医院3、加炭脱氧时，可用小块木炭慢慢加于液面，一次加入过多或过快易造成金属液上涨，甚至外溢。木炭加入量视木炭与金属液反应情况而增减；
4、加镁脱氧时，镁用镍片包住，迅速插入金属液中。也可采用镍镁中间合金作脱氧剂。
第六节
铜合金铸锭
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一、锭模铸锭
分圆锭对开立模、圆锭整体模、圆锭水冷模、斜模及无流模等
影响锭模铸锭品质的因素：
1、浇注时间：
不同牌号的铜合金都有最适宜的铸造温度，高于或低于这个温度将直接影响铸锭的质量。对于锭模铸锭的方式来说，铸造温度的控制与浇注时间密切相关，因为浇注时间越长，先后浇注的金属熔体的温度差越大。对于铸造温度范围较窄的合金来说，浇注时间越长，浇注也益越难控制。
2、气氛;
熔体从出炉到浇注完毕的整个过程中，气氛
始终对熔体的质量产生影响。影响的程度取决于浇注方式、流柱大小与长度，通常在大气下浇注时，熔体易受到明显的氧化，因为流柱越短，与大气接触表面积越小，氧化损失就越少。流柱越平稳，氧化机会也越少。一旦流柱保护得不严密，不可避免产生氧化，氧化膜与液流俱下，裹入熔体中，凝固后便成夹渣。
3、烧注温度
温度过高或过低都是不利的。因为采用较高的浇注温度，势必就要使炉内熔体的温度作相应的提高。这将引起铜或铜合金在熔化和保温过程中大量的吸气，同时也会增加烧损，在浇注时会使氧化加剧。此外，过高的浇注温度也会对锭查的寿命产生不利影响，尤其是平查浇注时查底板更容易遭到破坏。
当浇注温度偏低时，熔体流动性变差，不利于气体和夹渣上浮，也易使铸锭产生冷隔缺陷。因此，必须根据合金的性质，结合具体的工艺条件，制定适当的浇注温度范围。
4、浇注速度
1）在保证铸锭产品质量的前提下，适当提高浇注速度；
2）对于某一确定的金属或合金，若合金化程度低，结晶温度范围小，导热性好，可适当提高浇注速度；
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