必威金属熔炼与铸锭 第四讲 有色金属及合金熔炼的基本原理在外压一定时，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。

　　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

　　有色金属熔炼与铸锭是一种主要的加工方式，可以将各种有色金属加热至高温状态，使其融化后进行处理，并最终铸造成形状不同的铸锭。

　　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。

　　41、实际上，我们想要的不是针对犯 罪的法 律，而 是针对 疯狂的 法律。 ——马 克·吐温 42、法律的力量应当跟随着公民，就 像影子 跟随着 身体一 样。— —贝卡 利亚 43、法律和制度必须跟上人类思想进 步。— —杰弗 逊 44、人类受制于法律，法律受制于情 理。— —托·富 勒

　　45、法律的制定是为了保证每一个人 自由发 挥自己 的才能 ，而不 是为了 束缚他 的才能 。—— 罗伯斯 庇尔

　　21、要知道对好事的称颂过于夸大，也会招来人们的反感轻蔑和嫉妒。——培根 22、业精于勤，荒于嬉；行成于思，毁于随。——韩愈

　　23、一切节省，归根到底都归结为时间的节省。——马克思 24、意志命运往往背道而驰，决心到最后会全部推倒。——莎士比亚Байду номын сангаас

　　• 水冷模或结晶器内表面常涂以导热性差的涂料或润滑油， 并且模壁与凝壳之间由于凝固收缩而存在气隙，所以，模 壁与凝壳之间有较大的界面热阻。

　　• 以凝壳热阻为主： 对于大型铸锭，水冷模激冷作用的影 响有限，铸锭中心的传热过程主要由凝壳导热能力来决定。 因此，这里所讨论的问题，对分析大型铸锭的凝固传热是 有益的。

　　• 连续铸锭过程中，在金属液面下垂直导入液流时，其落点 周围会形成一个循环流动的区域，称为涡流区，其特征是 在落点中心产生向下的流股，在落点周围则引起一向上的 流股，从而造成上下循环的对流。

　　熔剂的作用和要求：通过对所使用的熔剂成分、 性能和加入量的调整，可以提高除渣脱气精练 效果，减少金属氧化、吸气、挥发和炉衬的相 互作用，提高金属质量和收的率以及延长炉衬 寿命。 同时还可借熔剂来加入合金微量元素和作变质 剂，以抑制一些微量杂质的有害作用，改善合 金的工艺性能。此外，电渣炉中的熔剂作为电 阻发热体，起着重要的精练作用。

　　可用于制备铝铈中间合金。 其工艺为：以电解槽的石墨内衬为阳极， 用钼插入铝液中作阴极，以KCl和CeCl2 熔盐作电解液。将铝液加热至850℃左方 时 ， 通 电 进 行 电 解 ， 即 可 制 得 10~25%Ce-Al中间合金。

　　在计算出新金属料带入的杂质元素时，若该元 素是合金元素之一，则取下限计算；若为杂质， 则按上限计算。 配料计算程序如下：首先计算包括熔损在内的 各成分需要量；其次计算由废料带人的各成分 量；再计算所需中间合金和新金属料量；最后 核算。 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。

　　废料亦称回炉料或旧料，是配制合金的主 要原料之一。 有色金属废料按照来源不同，可分为本厂 废科和厂外废料两大类。 本厂废料：熔铸车间及各加工车间所产生 的加工余料及不合格的报废料。 厂外废料：源于各机制工厂或商入方式有两种：纯金属、中 间合金（母合金）。 使用中间合金的目的是为了便于加入某些 熔点较高且不易溶解或易氧化、挥发的合 金元素、以便更准确地控制成分。

　　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C则按直线C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

　　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a1，氧化烧损大 Al、Be 与氧亲和力大，但a1，氧化烧损小 Au、Ag、Pt与氧亲和力小，a1，故很难氧化

　　例外情况：a1，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

　　铸锭的凝固传热： 1）金属性质 2）锭模和涂料性质 3）浇注工艺（浇注温度、浇注速度、冷却强度）

　　有色金属熔炼和铸造一． 基本原理1．熔炼和铸造的定义：熔炼的含义:就是将各种胚锭通过加温重熔的方法,实现由固态向液态转变的同时,进行合金化的过程.在熔炼的过程中,将实现净化除杂的目的.铸造的含义:将符合铸锭要求的金属熔体通过转注工具浇入到具有一定形状的铸模 中，使熔体在重力场或外力场的作用下充满模腔,冷却并凝固成型的工艺过程.它不仅要实现外部定型,而且还要实现对内部的微观组织结构的调控.二． 铝及其合金的熔炼1．熔炼的传热过程铝的熔点虽然很低（660℃），但由于熔化潜热（395.56kJ/kg）、固态热容（1.1386kJ/kg. ℃）和液态热容（1.046kJ/kg. ℃）都较高，而铝的黑度是铜铁的1/4，所以铝熔炼耗能大，很难实现理想的热效率。

　　要提高金属的受热量，一方面提高炉温，这对炉体和熔体都不利，另一方面铝的黑度小，故提高辐射传热也是有限的，因此只能着眼于增大对流的传热系数（αc）,它与气流速度的关系：αc=5.3+3.6v[kJ/(m2 h.℃)] V5m/s时αc=647+v0.78 [kJ/(m2 h.℃)] V5m/s时可见提高燃烧的气流速度是有效的。

　　2．合金元素的溶解和蒸发熔炼温度下（700℃）几种元素在铝中的扩散系数为（cm2/s）：Ti：0.66，Mo：1.38（760℃），Co：0.79必威，Ni：1.44，Si：14.4，通常情况下，与铝形成易熔共晶的元素，一般较易熔解，与铝形成包晶转变的，特别是熔点相差大的元素较难于溶解。

　　在相同溶解条件下，一般蒸气压高的元素容易挥发，可把常用的铝合金分为两组：Cu、Cr、Fe、Ni、Ti、Si、V、Zr等元素的蒸气压比铝的小，蒸发慢，Mn、Li、Mg、Zn、Na、Cd等元素蒸气压比铝的大，容易蒸发，在熔炼过程中损失较大。

　　3．熔炼的吸气过程铝—氧反应金属以熔融态或半熔融态暴露于炉气中并与之相互作用时间越长，往往造成金属大量吸气，氧化和形成非金属夹杂，其反应分为：吸附、界面反应和熔解（扩散）。

　　这份是老师上课讲过的内容，整理出来的，可能存在遗漏，仅供大家参考Ⅰ有色金属熔炼的基本原理（1）1.2.1 α定义为氧化物的分子体积MV与形成该氧化物的金属原子体积AV之比，即：α=MV/AV(如αAl2O3=MV Al2O3/2AV AL）（2）1.2.1各种金属由于其氧化膜结构不同，对氧扩散的阻力不一样，因而氧化反应的限制性环节及氧化速度随时间的变化规律也不同。

　　当α＞1时，生成的氧化膜一般是致密的、连续的、有保护性的，氧在这种氧化膜内扩散无疑会遇到较大的阻力。

　　这种十分致密但内应力很大的氧化膜增长到一定厚度后即行破裂，这种现象周期性出现，故氧化膜也是非保护性的。

　　(严格地讲，金属不仅依靠氧在氧化膜中的扩散，还存在着金属在离子向气相-氧化膜界面扩散和氧负离子向金属-氧化膜界面扩散。

　　研究表明，氧化物的晶体与金属一样，在绝对零度以上的温度时包含有点阵缺陷，例如阴离子空位或阳离子空位及填隙原子等。

　　01 金属的熔点是指金属由固态转变为液态的温度。 02 金属的沸点是指金属由液态转变为气态的温度。 03 不同金属的熔点和沸点不同，熔点和沸点的高低

　　在钢铁工业中，金属熔炼需要考虑到原料的来源、品质、价格等因素，同时也需 要掌握熔炼过程中的温度、气氛、成分控制等关键技术，以确保最终产品的质量 和性能。

　　有色金属是指铁、铬、锰以外的金属，这些金属具有独特的物理和化学性质，广泛应用于电子、通讯、航空航天、汽车等领 域。金属熔炼是有色金属工业中的重要环节，通过熔炼各种有色金属矿石和废料，再经过一系列的冶炼和加工过程，最终得 到不同规格和用途的有色金属材料。

　　智能化、自动化的熔炼技术通过引入物联网、大数据、人工智能等先进技术，实现熔炼 过程的自动化控制和智能化管理。这种技术可以提高生产效率、减少人为操作失误、降 低劳动成本，并为企业提供更加精准的数据分析和决策支持。同时，智能化、自动化的

　　采取严格的安全措施和操作规程，如穿戴防护服、定期检查设备、控制熔炼速 度和温度等，以确保操作人员的安全。同时，进行安全培训和教育，提高员工 的安全意识和应对能力。

　　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：

　　吸附精炼：吹气精炼、氯盐精 炼、熔剂精炼、熔体过滤 非吸附精炼：静置处理、真空 处理、处理、预凝固处 理

　　水蒸气含量少，烧损少，炉温控制准确，熔炼金属的质量高； 没有噪音、燃烧废气；结构简单造价低 缺点是单位功率低、生产率低、占地面积大 熔化速度快，炉子容量可以很大，产量高成本低 缺点：火焰与金属接触易烧损，炉子中水蒸气含量高，熔体 吸气量多 合金烧损少，熔化速度快，热效率高；有电动搅拌作用；减 小了合金氧化、吸气的机会，熔体质量高；烟尘少，噪音小 缺点：电气设备费用高

　　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 例如AZ91D代表含铝量为9% ，含锌量为1%的镁合金，D 表明该合金发展的合 金

　　熔炼是有色金属生产中重要的一步，它涉及到将原料加热至熔融状态，通过化学反应和 物理作用，将杂质去除并使金属或合金成分均匀混合的过程。

　　热力学的主要任务是研究熔炼过程中能量的转化与物质平衡的问题。通过热力学分析，可 以确定熔炼过程的自发性和方向，以及反应的标准摩尔焓变、熵变等参数。

　　动力学研究反应速率和反应机制的问题。在熔炼过程中，动力学因素决定了反应的快慢和 进行的程度。通过控制熔炼温度、搅拌速率等参数，可以调节反应速率，优化熔炼过程。

　　选用纯净的原材料，加强原材料 的保管和运输，采用合理的熔炼 和浇注工艺，以及进行有效的精 炼处理。

　　第一部分有色金属熔炼的基本原理第一章：金属的氧化、挥发和除渣精炼一、响氧化烧损的因素及降低烧损的方法1、影响因素：(1) 金属及其氧化物的性质：与氧的亲和力越大，烧损就越大致密度越大，则烧损就越大(2) 熔炼温度越高，氧化反应就越厉害，烧损也就越严重(3) 炉气性质：炉气的氧化性强，一般烧损程度也大对于Cu熔炼来说，CO2、H2O呈中性，但有时H2O会有烧损影响，H2、CO呈还原性。

　　Cu+H2O=Cu2O+H2(4) 因素：炉料的块度越大，烧损程度就越大；熔炼时间越长，烧损程度也会越大；2、降低氧化烧损的方法从分析影响氧化烧损的诸因素可以看出，当所熔炼的合金一定时，主要从熔炼设备和熔炼工艺两方面来考虑。

　　(2) 采用合理的加料顺序和炉料处理工艺：易氧化烧损的炉料应加在炉料下层或待其他炉料熔化后再加入到熔体中，也可以中间合多形式加入。

　　(3) 采用覆盖剂(4) 正确控制炉温(5) 正确控制炉气性质：对于氧化精炼的紫铜及易于吸氢的合金，宜采用氧化性炉气。

　　(6) 合理的操作方法：例如熔炼含铝、硅的青铜时，应注意操作方法，避免频繁搅拌，以保持氧化膜完整。

　　(7) 加入少量α1的表面活性元素，其目的是改善熔体表面氧化膜的性质，能有效地降低烧损。

　　3、火焰炉应选用低硫燃料4、所有与金属炉料接触的工具，尽可能采用不会带入杂质的材料制作，或用适当涂料保护好。

　　三、金属的脱氧所谓脱氧就是向金属液中加入与氧亲和力比基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。

　　研究表明，上式反应的热力学条件为 ΔGMeOΔGMO，即Me对 氧的亲和力大于M对氧的亲和力。所以位于ΔG-T图下方的金属可 被位于上方的氧化物所氧化。它们相距的垂直距离越远，反应的 趋势越大。例如： 3 1 Al(l) H 2 O(g) Al2 O3( 晶体 ) 3H (溶于Al液中) 2 2

　　若△G＜0，即G产＜G反，则反应按方程式所给定的方向自动进行； 若△G＞0，即G产＞ G反，则反应将逆向自动进行；

　　固体纯金属或熔融合金与炉气、炉衬和炉渣发生一系列物理化 学作用。熔炼过程中，金属与氧反应生成金属氧化物造成不可 回收的金属损失 ——熔损。同时，金属氧化物的生成又是导致 铸锭产生杂质的主要原因。

　　真空熔炼利用了金属在高温、低氧压条件下， 气体在金属中的溶解度降低的原理，通过去除 气体和挥发性杂质，提高金属的纯度和性能。

　　真空熔炼过程中，金属与坩埚或耐火材料接触 ，可能会发生反应，形成炉渣或污染物，因此 需要选择合适的坩埚和耐火材料。

　　真空熔炼具有高纯度、高精度的优点，能够去除气体和挥发 性杂质，提高金属的纯度和性能。同时，由于在真空中进行 熔炼，可以避免金属与空气接触，减少氧化和吸气。

　　熔炼过程中的物理变化主要包括金属熔化和相变。随着温度的升高，金属从固态逐渐转变为液态，并 可能经历多相转变。

　　化程中，金属可能发生氧化反应，生成相应的氧 化物。为了获得纯净的金属液，需要进行还原反应，将金属氧化物还原成金属单质。同时，为了提高 金属的质量，需要进行脱硫反应，将金属中的硫去除。

　　适用于处理难以直接熔炼的金属或合金，可以获得高纯度金属。通过调整原料和熔剂的组成，可以控制金属的成 分和性能。

　　41、俯仰终宇宙，不乐复何如。 42、夏日长抱饥，寒夜无被眠。 43、不戚戚于贫贱，不汲汲于富贵。 44、欲言无予和，挥杯劝孤影。 45、盛年不重来，一日难再晨。及时 当勉励 ，岁月 不待人 。

　　16、业余生活要有意义，不要越轨。——华盛顿 17、一个人即使已登上顶峰，也仍要自强不息。——罗素·贝克 18、最大的挑战和突破在于用人，而用人最大的突破在于信任人。——马云 19、自己活着，就是为了使别人过得更美好。——雷锋 20、要掌握书，莫被书掌握；要为生而读，莫为读而生。——布尔沃

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　　当poMepme时，蒸发速率为正；反之为负，即不是凝聚相的蒸 发，而是蒸气相的凝聚。

　　S 为固体质量热容必威，kJ/（kg· ℃） Cp ℃） CpL 为液相质量热容，kJ/（kg·

　　L为熔化潜热，kJ/kg 实际熔化所需要的总热量（W实）比W理大很多。它们的 比值即为热效率

　　金属的蒸发相变反应式：Me(L,S)=Me(g) 饱和蒸汽压：在某一温度达到平衡时，气相 中金属的蒸汽分压。 金属的蒸发能力的表征：

　　从本质上说，它是依赖微观粒子（分子、原子、离子）的 随机的分子运动所引起的。对某一传输的物质体系而言，当体 系存在浓度差时，浓度大的分子破坏了均衡态而导致了定向的 分子运动，促使浓度大的区域的分子趋向浓度小的区域，而达 到浓度一致，从而完成宏观的质量传输。通常情况下，分子扩 散传质是很缓慢的，传递的质量亦是很少的。

　　热传导 热传输的三种基本方式：传导、对流和热辐射 金属熔炼过程中的主要方式是对流和热辐射 热辐射 热传导 对流

　　可分析温度对氧化物稳定性的影响并比较各氧化物 的稳定性大小。 可定性分析元素的氧化还原规律。

　　ΔG还是衡量标准状态下氧化物稳定性的一种判据，某一金属 氧化物的ΔG值越小(越负)必威，则该元素可还原ΔG值较大的氧化物。

　　燃烧气体与受热面之间辐射传热系数，kJ/（m2· h· ℃）h; 燃烧气体与受热面之间的对流传热系数，kJ/（m2· h· ℃）h; 炉壁与受热面之间辐射传热系数，kJ/（m2· h· ℃）h;

　　金属的蒸发随压力的降低而加速，真空熔炼时，向真空室内 通入惰性气体，可降低蒸发速率和蒸发损失，这对于真空熔 炼具有重要意义。例如真空熔炼钛、铌、锆等难熔金属时， 充入0.1atm的惰性气体，就能使蒸发损失大为降低。

　　被燃烧气体吸收的炉壁辐射热量的热辐射系数，kJ/（m2· h· ℃）h; 炉料受热面的黑度; 燃烧气体的黑度; 炉壁总辐射; 金属受热的面积，m2; 炉顶、炉壁的面积，m2;

　　本章要点: 介绍有色金属及合金熔炼过程的热量、质量传 输等基本原理，包括： (1) 熔炼的热交换过程； (2) 熔炼过程金属氧化机理以及防止金属氧化的 方法； （3）控制和减少金属熔体气体夹杂的措施。

　　炉内压力对金属的蒸发有很大的影响。一般情况下，压 力愈低，蒸发愈大。在低压下或在真空状态下熔炼，蒸气压 较大的金属，其蒸发损失非常严重。 在真空状态下，脱离金属表面的原子或分子的平均自由 程大大增加，原子或分子间相互碰撞的概念会大大减少，返

　　温度升高，pome增大，蒸发速率增大； 当蒸发空间的体积一定，蒸发面积越大，pme升高得越快，并迅速 达到饱和值，此时， uV→0； 当蒸发表面积一定，蒸发空间体积越大，pme值升高越慢，使蒸发 速率达到零值所需时间就越长； 在蒸发表面上不断有气流流过的蒸发过程中，蒸发速率随金属蒸 气在气相中的传质速率的增大而加快； 在气流速度大，能把金属蒸气及时带离蒸发空间时，则金属的蒸 发过程可一直进行到凝聚相消失。

　　若△G＜0，即G产＜G反，则反应按方程式所给定的方向自动进行； 若△G＞0，即G产＞ G反，则反应将逆向自动进行；

　　蒸发是一种产生于表面的现象，所以蒸发损失与金属表面 状态关系很大。金属表面有氧化膜覆盖时，金属的蒸发量可

　　相间传质：通过不同的相界面进行。既有分子或原子 的扩散、又有流体中的对流传质，是多种传质过程的 综合 。与界面上的化学反应、相界面两侧介质的性质、 运动状态有关。 如：中间合金锭加入铝液中。

　　外压对蒸发过程的动力学有着显著的影响。外压 减小，蒸发速率uV增大，即金属在低于pome很多的真 空下熔炼时，可在较低的温度下达到较高的蒸发速率。

　　式中umax为最大蒸发速率，T为蒸发表面蒸气的温度，M 和R分别表示金属的原子量和气体常数。

　　Δ G 是衡量标准状态下金属氧化趋势的判据，某一金属 氧化物的ΔG值越小(越负)，则该元素与氧的亲和力越大，氧 化反应的趋势亦越大，氧化物就越稳定。