第十二講有色金屬及合金的熔煉技術(shù)課件

第十二講有色金屬及合金的熔煉技術(shù)

第十二講有色金屬及合金的熔煉技術(shù)有色金屬及合金的熔煉技術(shù)本章要點:介紹目前工業(yè)應(yīng)用的一些典型熔煉技術(shù)（設(shè)備）。主要包括:(1)感應(yīng)爐熔煉技術(shù)的基本原理與特點(2)真空熔煉技術(shù)特點；(3)其它多種熔煉技術(shù)的優(yōu)缺點。有色金屬及合金的熔煉技術(shù)本章要點:12.1熔煉爐的基本要求和種類

12.1.1

熔煉爐的基本要求(1)爐料快速熔化升溫，縮短熔煉時間，減少元素?zé)龘p和吸氣；(2)能耗低、熱效率高和坩堝爐襯壽命長；(3)操作簡單，爐溫便于調(diào)整和控制，工作環(huán)境好。

12.1熔煉爐的基本要求和種類12.1.1熔煉爐

12.1.2

熔煉爐的種類和應(yīng)用

常用有色金屬及合金熔煉爐可分為燃料爐和電爐兩大類。燃料爐常用的有焦炭爐和燃油爐。

焦炭爐燃油爐12.1.2熔煉爐的種類和應(yīng)用常用

電爐分為電阻熔化爐、感應(yīng)熔化爐和電弧爐。

12.1.2

熔煉爐的種類和應(yīng)用

井式電阻熔化爐電阻絲電爐分為電阻熔化爐、感應(yīng)熔化爐和電弧爐。12.1

電爐分為電阻熔化爐、感應(yīng)熔化爐和電弧爐。

12.1.2

熔煉爐的種類和應(yīng)用

感應(yīng)熔化爐電爐分為電阻熔化爐、感應(yīng)熔化爐和電弧爐。12.1

電爐分為電阻熔化爐、感應(yīng)熔化爐和電弧爐。

12.1.2

熔煉爐的種類和應(yīng)用

電弧爐電爐分為電阻熔化爐、感應(yīng)熔化爐和電弧爐。12.112.2

坩堝爐和反射爐熔煉技術(shù)12.2.1

坩堝爐熔煉

坩堝爐熔煉是一種古老的冶煉方法，一直沿用至今。

坩堝12.2坩堝爐和反射爐熔煉技術(shù)12.2.1坩堝爐熔煉坩12.2

坩堝爐和反射爐熔煉技術(shù)坩堝一般是用耐火材料制成，也有使用石墨、鑄鐵或鑄鋼制成，金屬坩堝在使用時內(nèi)表面應(yīng)涂覆涂料保護(hù)，還有用剛玉和鉑金制作。

鑄鐵坩堝鑄鋼坩堝石英坩堝石墨坩堝剛玉坩堝鉑金坩堝12.2坩堝爐和反射爐熔煉技術(shù)坩12.2

坩堝爐和反射爐熔煉技術(shù)12.2.1

坩堝爐熔煉

坩堝爐的加熱可用固體、液體、氣體燃料，也可用電加熱。坩堝爐熔煉的特點是:靈活、小批量、多品種、合金成分控制精確、燒損小?，F(xiàn)多用電阻或感應(yīng)加熱，用于小型鑄造廠、實驗室或用于中間合金生產(chǎn)。12.2坩堝爐和反射爐熔煉技術(shù)12.2.1坩堝爐熔煉第十二講有色金屬及合金的熔煉技術(shù)課件第十二講有色金屬及合金的熔煉技術(shù)課件12.2.1.1坩堝電阻爐

利用電流通過電加熱元件發(fā)熱，輻射坩堝傳導(dǎo)給金屬使其熔化升溫。

鎳鉻合金鐵鋁鉻合金鉑銠硅化鉬12.2.1.1坩堝電阻爐利用12.2.1.1坩堝電阻爐

組成部分電爐本體

控制柜（控溫儀表）

坩堝結(jié)構(gòu)形式固定式

傾斜式12.2.1.1坩堝電阻爐組成部分電爐本體結(jié)構(gòu)形式12.2.1.1坩堝電阻爐

優(yōu)點結(jié)構(gòu)緊湊

電器設(shè)備簡單

價格低廉溫度易控制元素?zé)龘p小合金吸氣少工作環(huán)境好缺點熔煉時間長耗電量大生產(chǎn)效率低12.2.1.1坩堝電阻爐優(yōu)點結(jié)構(gòu)緊湊缺點熔煉時間

12.2.1.2

燃料坩堝爐通過燃料燃燒加熱坩堝傳導(dǎo)給金屬爐料升溫熔化。分為焦炭、燃油和燃?xì)?煤氣)坩堝爐。焦炭坩堝爐熔煉銅、鋁合金自然通風(fēng)鼓風(fēng)

燃油坩堝爐12.2.1.2燃料坩堝爐通過燃12.2.2反射爐熔煉

4.2.2.1

火焰反射爐熔煉技術(shù)

是目前生產(chǎn)的主要用爐，利用高溫火焰加熱爐頂，靠爐頂和火焰的輻射傳熱加熱和熔化爐料。燃料可用煤、石油、煤氣和天然氣等。優(yōu)點

熔池面積大，容量大

溫度高，熔化速度快，生產(chǎn)效率高

缺點

上下溫差大，熔池不能太深，應(yīng)加強攪動大熔池加劇了氧化和吸氣，應(yīng)加強覆蓋12.2.2反射爐熔煉4.2.2.1火焰反射爐熔煉技靠安裝在爐頂?shù)碾娮璋l(fā)熱元件（鎳鉻高溫合金、或碳化硅棒等）產(chǎn)生的熱量輻射加熱爐料。

12.2.2.2

電阻反射爐熔煉技術(shù)

·靠安裝在爐頂?shù)碾娮璋l(fā)熱元件（鎳鉻高溫12.2.2.2

電阻反射爐熔煉技術(shù)

電阻反射爐

優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，電熱效率高（70%-80%），溫度和氣氛容易控制，熔體受爐氣污染小，金屬損耗僅次于感應(yīng)爐、遠(yuǎn)低于火焰反射爐，熔體質(zhì)量高。

缺點：電阻發(fā)熱體是易耗品，受爐氣、熔劑、飛濺金屬的腐蝕，容易損壞，使用壽命短。

應(yīng)用：多用于鋁及鋁合金、鎂及鎂合金的熔化和保溫，容量一般不超過l0t（大容量的鋁合金熔化爐均不采用電阻加熱）。

·12.2.2.2電阻反射爐熔煉技術(shù)電阻反射爐·12.3感應(yīng)爐熔煉技術(shù)

12.3.1感應(yīng)加熱原理感應(yīng)線圈中通入交變電流，則在線圈內(nèi)產(chǎn)生相應(yīng)的交變磁場。當(dāng)把金屬放在線圈內(nèi)時，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，金屬內(nèi)必定會產(chǎn)生感生電勢。由于金屬是導(dǎo)體，于是在感生電勢的作用下，金屬內(nèi)就有感應(yīng)電流產(chǎn)生，而金屬又具有電阻，因此金屬被加熱甚至熔化。（電-磁-電-熱）感應(yīng)爐就是利用電磁感應(yīng)原理，使處于交變磁場中的金屬材料內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而把材料加熱直至熔化的一種電熱設(shè)備。12.3感應(yīng)爐熔煉技術(shù)12.3.1感應(yīng)加熱原理12.3.2

感應(yīng)爐的分類和特點

12.3.2.1感應(yīng)爐的分類按工作頻率分類

(1)工頻感應(yīng)爐：工作頻率為50Hz，可由單相、兩相和三相電源供電。(2)中頻感應(yīng)爐：50Hz-100kHz。常用的有：150、(250)、450、1000、2500、4000、8000、10000，現(xiàn)可擴(kuò)大到100kHz，單相供電。(3)高頻感應(yīng)爐：高于100kHz。12.3.2感應(yīng)爐的分類和特點12.3.2.112.3.2

感應(yīng)爐的分類和特點

按結(jié)構(gòu)分類根據(jù)有無鐵芯穿過被熔化的金屬熔池，又可把感應(yīng)熔煉爐分為無(鐵)芯和有(鐵)芯兩種。

(1)無芯感應(yīng)熔煉爐：無鐵芯穿過被熔化的金屬熔池，分為真空和非真空兩種。(2)有芯感應(yīng)熔煉爐：有圍繞鐵芯的液體金屬熔溝，又叫熔溝爐或溝槽式感應(yīng)爐。熱效率較高，熔化速率快，熔溝部分容易出現(xiàn)局部過熱。12.3.2感應(yīng)爐的分類和特點按結(jié)構(gòu)分類12.3.3.1

工頻無芯熔煉爐

20世紀(jì)40年代發(fā)展起來，用于熔化銅、鋁、鈦及鐵合金。不需變頻設(shè)備，發(fā)展迅速。右圖例：容量1.5t，坩堝尺寸580×1190，最高溫度1600℃，熔化時間2-3h，功率為420kW，供電560kV·A，電壓380V（50Hz），最大傾轉(zhuǎn)角度900。12.3.3.1工頻無芯熔煉爐212.3.3.2中頻無芯熔煉爐

工作頻率通常在4kHz以下，結(jié)構(gòu)和工頻爐結(jié)構(gòu)基本相同，但存在以下差異：中頻爐電動效應(yīng)較弱，所以不必使熔體液面高度顯著超過感應(yīng)圈的上端，通常維持兩者大體上平齊。感應(yīng)圈靠物料的一側(cè)的管壁較工頻爐薄，因為其頻率較高，穿透深度小。所需補償電容多，一般配有獨立的補償電容器架或柜。單耗（kW·h／t）:銅400-500，鎳650-700，黃銅220～360。12.3.3.2中頻無芯熔煉爐工作頻率通常在12.3.3.3

高頻無芯感應(yīng)爐

工作頻率通常高于100kHz。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，坩堝傾倒采用手動。適合于實驗或小規(guī)模生產(chǎn)，或供特種鋼和特種合金熔煉使用。裝料量一般在50kg以下，輸入功率在100kW以下。高頻爐起熔容易，可處理碎料，熔池穩(wěn)定，熔體凸起小，產(chǎn)品質(zhì)純且金屬損耗小。缺點：高頻變頻器效率低，設(shè)備費用較高。電能單耗較高，為中頻爐電耗2～3倍。例如：10kg的爐子輸入功率為30-60kW，熔化時間為15-25min，電能單耗為1500-2000kW·h/t。12.3.3.3高頻無芯感應(yīng)爐12.3.4有芯感應(yīng)爐熔煉

也稱熔溝感應(yīng)爐，由熔池、熔溝爐襯、感應(yīng)器及爐殼等組成。熔溝爐襯中有一或兩條環(huán)溝，其中充滿和熔池聯(lián)通的熔體，稱為熔溝。鐵芯由硅鋼片制作，感應(yīng)圈套在鐵芯上。

12.3.4有芯感應(yīng)爐熔煉也稱熔溝感應(yīng)爐，由熔12.3.4有芯感應(yīng)爐熔煉工作原理與坩堝感應(yīng)爐相同。

特點：使用工頻電，電氣設(shè)備費較少。熔溝部分易局部過熱，爐襯壽命較長，熔煉溫度較低。熔溝金屬感生電流大、可作起熔體，故熔化速率較高，熱電效率較高。爐子容量0.3-40t，并正向大型化發(fā)展。常用來熔煉鋼與銅合金。12.3.4有芯感應(yīng)爐熔煉工作原12.3.4有芯感應(yīng)爐熔煉

單熔溝感應(yīng)爐問題：1）熔溝金屬液流紊亂，局部過熱（100-200℃）；2）熔溝底部泄漏磁場對熔溝金屬施加電磁力，產(chǎn)生局域性渦流而出現(xiàn)死區(qū)。

已發(fā)展出一種單向流動單熔溝，可減小熔體溫差、消除死區(qū)、縮短熔煉時間10%-30%、增加爐襯壽命0.5-1.0倍、降低電耗和成本。12.3.4有芯感應(yīng)爐熔煉單熔溝感應(yīng)爐12.3.4有芯感應(yīng)爐熔煉

多相雙熔溝也可得到單向流動。利用中部共用熔溝與邊部熔溝磁場強度的差異，使中部熔溝熔體向下流動，兩側(cè)熔溝熔體向上流動。如：3t熔煉黃銅鐵芯感應(yīng)爐，750kW，三鐵芯感應(yīng)器，生產(chǎn)率5t/h，電耗200kW.h/t，電效率0.95，熱效率0.89。T12.3.4有芯感應(yīng)爐熔煉多相雙熔溝第十二講有色金屬及合金的熔煉技術(shù)課件12.3.2.2

感應(yīng)熔煉爐的特點

優(yōu)點:

(1)金屬本身感應(yīng)電流加熱，加熱溫度均勻，燒損少。這對于稀貴金屬的熔煉有重要意義，例如，鎳、鉻、釩、鎢在感應(yīng)爐中熔煉的燒損比在電弧爐中少2/3。(2)電磁力引起金屬液攪動，金屬成分均勻，質(zhì)量高。(3)升溫快，爐溫容易控制，生產(chǎn)效率高，廣泛應(yīng)用于黑色及有色金屬的熔煉。(4)爐周圍溫度低，煙塵少，噪聲小，環(huán)境好。(5)可以間歇或連續(xù)運行。12.3.2.2感應(yīng)熔煉爐的特點優(yōu)點:12.3.2.2

感應(yīng)熔煉爐的特點

缺點:

(1)對加熱對象有導(dǎo)電要求，只能用于金屬和合金的重熔。(2)冷料開爐時，需要起熔塊(頻率較低的爐子)，升溫慢。(3)爐渣本身不導(dǎo)電，爐渣溫度比金屬液低，不利于造渣精煉，從而影響精煉的進(jìn)行。這一缺點，決定它只適宜于熔化金屬，而不適于金屬精煉。(4)功率因數(shù)低，需要輔之以一定數(shù)量的補償電容器，提高了成本。(5)難以實現(xiàn)對熔體保溫，不便靜置處理12.3.2.2感應(yīng)熔煉爐的特點缺點:第十二講有色金屬及合金的熔煉技術(shù)課件12.4真空熔煉

真空熔煉可防止大氣污染，利于除氣和雜質(zhì)。1905年采用自耗電極、水冷銅結(jié)晶器、低壓氬氣下熔煉鉭獲得成功。20世紀(jì)50年代后，隨著真空技術(shù)、密封材料等的發(fā)展，以及鈦合金、高純金屬及合金、鎢鉬鉭鈮鋯等稀有金屬、耐熱材料、磁性及超導(dǎo)材料、電真空材料、核材料、高強度鋼等的應(yīng)用需求，相繼出現(xiàn)了真空自耗電弧爐、真空電弧爐、真空感應(yīng)熔煉、真空電子束爐、真空等離子爐熔煉等多種方法。真空熔煉已成為高品質(zhì)金屬材料生產(chǎn)的一個重要手段。已出現(xiàn)了100t的真空感應(yīng)爐，以及50t、直徑1.5m鑄錠的真空電弧爐。12.4真空熔煉真空熔煉可防止大氣12.4真空熔煉

真空熔煉特點:(1)采用水冷銅結(jié)晶器時，可防止受大氣和耐火材料的污染；(2)真空有凈化提純作用，可獲得含氣量低、夾雜少、偏析小、力學(xué)性能及加工性能優(yōu)良的金屬及合金。是獲得高純、高質(zhì)量金屬材料的最好方法；(3)真空電弧可獲得2000℃以上的高溫，可滿足高熔點金屬的熔煉要求。12.4真空熔煉真空熔煉特點:12.4.1

真空感應(yīng)爐熔煉技術(shù)

無鐵芯感應(yīng)熔煉爐，坩堝裝在真空室里，熔煉時抽成真空，爐料在真空或惰性氣氛下熔煉和澆鑄。坩堝用耐火材料做成，不能熔煉與坩堝起作用的活潑金屬，如鈦、鋯等純金屬及其合金，也不能熔煉高熔點的難熔金屬，如鎢、鉬等。12.4.1真空感應(yīng)爐熔煉技術(shù)第十二講有色金屬及合金的熔煉技術(shù)課件第十二講有色金屬及合金的熔煉技術(shù)課件第十二講有色金屬及合金的熔煉技術(shù)課件12.4.2真空電弧爐熔煉技術(shù)

真空下，通過低電壓、強電流形成電弧熔煉金屬產(chǎn)生鑄錠。產(chǎn)生電弧的電極可以是損耗的(自耗，如鈦等)，也可以是不損耗的(非自耗，如石墨等)。自耗基本過程：金屬電極在直流電弧高溫（5000℃）作用下，迅速熔化、精煉，并在水冷紫銅結(jié)晶器內(nèi)凝固。用于鈦、鎢、鉬、釩、鋯、鎳基合金等的熔煉。設(shè)備包括:電路本體、電源設(shè)備、真空系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)等幾部分。12.4.2真空電弧爐熔煉技術(shù)12.5

快速熔爐熔煉技術(shù)

近來，利用電解鋁液直接輸入保溫爐，合金化、精煉后鑄錠和加工成材，可節(jié)約能耗、縮短生產(chǎn)周期、降低成本。（減少中間過程、節(jié)能）為強化熔煉過程，節(jié)約能耗，提高熱效率和生產(chǎn)率，已開發(fā)出一些新的熔爐和熔煉工藝。下面介紹幾種快速熔煉爐技術(shù)。12.5快速熔爐熔煉技術(shù)近來，利用電解鋁液12.5.1豎爐熔煉技術(shù)

爐料由爐頂側(cè)裝入，與燃燒爐氣接觸、吸收熱量而熔化。燃燒爐氣由多個可控高速噴嘴產(chǎn)生，廢氣由爐頂導(dǎo)入換熱器以預(yù)熱空氣和煤氣。特點:可連續(xù)快速熔化金屬，熔化率高，設(shè)備簡單，爐襯壽命長。但要嚴(yán)格控制空氣過剩量，既能完全燃燒又不氧化產(chǎn)品?？捎糜谧香~、鋁的連鑄連軋等。12.5.1豎爐熔煉技術(shù)爐料由12.5.2

噴射式熔爐熔煉技術(shù)

用火焰爐熔鋁時，因鋁的黑度低，吸熱性差，所以加熱速度慢，熱效率低(15%-30%)。用高速燃?xì)庵苯訃娚錉t料熔鋁法可使熔化速率及熱效率提高，金屬燒損和能耗顯著降低。

黑度概念：

一定溫度下，將灰體的吸收輻射能力與同溫度下黑體的吸收輻射能力之比定義為物體的黑度，或物體的發(fā)射率。黑度越高，則吸收輻射熱的能力越強，反之亦然。凡是將輻射熱全部反射的物體稱為絕對白體，能全部吸收的稱為絕對黑體，能全部透過的則稱為絕對透明體或熱透體。物體的黑度與物體的性質(zhì)、表面狀況和溫度等因素有關(guān)，是物體本身的固有特性。

12.5.2噴射式熔爐熔煉技術(shù)12.5.2

噴射式熔爐熔煉技術(shù)

在爐頂及爐墻上裝有加氧的、燒油的高速(200-250m／s)旋轉(zhuǎn)噴嘴，使火焰直接噴到爐料上，以強制對流傳熱，使傳熱速度提高到(12.6-16.7)×105kJ／(m2·h)，為普通反射爐的5倍，縮短熔煉時間30%-50%，熱效率提高到50%以上，降低金屬燒損20%-26%。12.5.2噴射式熔爐熔煉技術(shù)在爐頂及爐墻上12.6

電子束爐熔煉技術(shù)

原理：加熱陰極—熱陰極表面發(fā)射電子—高壓作用下電子做高速運動（聚焦、偏轉(zhuǎn)控制）—高速電子轟擊陽極使陽極金屬熔化。

應(yīng)用：用于蒸氣壓低（不易揮發(fā)）的金屬材料，如鎢、鉬、鉭、鋯以及鈦等，這些材料應(yīng)用電子束爐熔煉，被公認(rèn)為是最理想的熔煉方法。對于優(yōu)質(zhì)合金鋼，特別是鎳基和鈷基合金鋼，電子束爐熔煉也得到了廣泛的應(yīng)用。電子束爐的功率已達(dá)幾千千瓦，能熔煉重達(dá)l0t以上的鋼錠。12.6電子束爐熔煉技術(shù)原12.6

電子束爐熔煉技術(shù)

優(yōu)點:(1)高真空度(0.00027-0.027Pa)，使蒸氣壓較高的雜質(zhì)被除去，如碳、釩、鐵、硅、鋁、鎳、鉻、銅等比精煉前可降低兩個數(shù)量級，可得到無氧化物的鉬和鎢，氧可從0.002%降至0.0004%-0.0009%，氮降至0.004%-0.008%，氫含量低于0.0001%-0.0002%。(2)熔煉速度和加熱速度可以在較大范圍調(diào)節(jié)，有利于液態(tài)中的碳和氧反應(yīng)，擴(kuò)散能力低的雜質(zhì)能擴(kuò)散到熔體蒸發(fā)去除。(3)功率密度高，可達(dá)到104~108W／cm2，熔池表面溫度高、可調(diào)；同時，電子束對金屬熔體有攪拌作用。(4)用水冷銅坩堝凝固鑄錠，不被耐火材料污染。(5)可得到很高的溫度，能熔化任何難熔金屬，也可熔化非金屬。12.6電子束爐熔煉技術(shù)優(yōu)點:12.6

電子束爐熔煉技術(shù)缺點:(1)熔煉合金時，添加元素易于揮發(fā)，合金的成分及均勻性不易控制。(2)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，需采用直流高壓電源，運行費用較高。(3)采用高壓加速電子流，會產(chǎn)生對人體有害的x射線，需采取防護(hù)措施。12.6電子束爐熔煉技術(shù)缺點:

12.7

等離子爐熔煉技術(shù)

等離子爐是利用氣體電離產(chǎn)生的等離子體的能量進(jìn)行加熱的電爐。由氣體電離產(chǎn)生的等離子體，是物質(zhì)第四態(tài)（氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)），由正離子、負(fù)離子、自由電子以及中性分子組成。20世紀(jì)60年代發(fā)展起來，用于熔煉鎢、鉬、鉭、鈮、鈦、鋯等難熔、活潑金屬，也可熔煉工具鋼、耐熱鋼、耐蝕鋼、高強度鋼等優(yōu)質(zhì)鋼。

12.7等離子爐熔煉技術(shù)等離子12.7.1基本原理

等離子電熱原理：在等離子槍（空心電極、電場、電火化高頻發(fā)生器）的作用下，陰、陽極間觸發(fā)電弧，使期間的工作氣體弧光放電，產(chǎn)生等離子流束，等離子體中的自由電子、負(fù)離子與正離子隨即復(fù)合為氣體原子或分子，并放出原先電離時吸收的能量，生成等離子焰，從而實現(xiàn)對物料的加熱。

等離子焰可達(dá)比電弧更高的溫度，如Ar等離子焰中心溫度可達(dá)15000℃。這種等離子焰可供金屬噴涂或焊接等使用。12.7.1基本原理等離子電熱原理：12.7.1基本原理

陰、陽極：陰極為鎢、或者空心電極（鉭管）；陽極為銅電極或被加熱材料。

起弧方式：電火化高頻發(fā)生器、或石墨或鎢引發(fā)棒+高頻感應(yīng)電流。

工作氣體：氬、氦、氫、氮、氬氫混合氣，氬氮混合氣等。氬氣用得最多，因其為單原子氣體、容易電離、惰性、便宜。

12.7.1基本原理陰、陽極4.7.2爐型與爐體構(gòu)造

等離子體熔煉爐爐型：按配置等離子槍的類型，有轉(zhuǎn)移弧式、非轉(zhuǎn)移弧式、中空陰極式等。按爐體結(jié)構(gòu)，有耐火材料爐襯，也有水冷銅結(jié)晶器。就爐內(nèi)壓力而言，有常壓爐和真空爐。4.7.2爐型與爐體構(gòu)造等離子體熔煉爐爐型12.7.1基本原理

12.7.1基本原理12.7.2

爐型與爐體構(gòu)造圖為2000kW中空（鉭管）陰極等離子電爐。

爐體結(jié)構(gòu)類似于真空非自耗電極電弧爐，中空陰極與水冷銅結(jié)晶器之間(陰極與被熔爐料之間)，在高頻電源的激發(fā)下，使通過陰極管的氬氣電離產(chǎn)生低壓等離子弧?；》€(wěn)定后，單獨由直流電源工作。依靠中空陰極的熱電子發(fā)射激發(fā)氬氣電離來維持穩(wěn)定的電弧。12.7.2爐型與爐體構(gòu)造圖為12.8

電渣爐熔煉技術(shù)

電渣熔煉是將一般熔鑄方法產(chǎn)生出來的鑄錠進(jìn)行重新熔鑄，以獲得質(zhì)量更為優(yōu)良的合金鑄錠的方法，因此又稱為電渣重熔。在鋼鐵上許多特殊鋼都是用電渣熔煉法生產(chǎn)出來的。在有色金屬中，目前應(yīng)用電渣重熔的合金數(shù)量還不很多。12.8電渣爐熔煉技術(shù)12.8.1

電渣熔煉工作原理

自耗電極（待重熔的鑄錠）、結(jié)晶器之間存在電場，熔池上面的熔渣電阻較大，電熱作用使自耗電極熔化(可達(dá)1700~1800℃)，熔化的金屬液滴穿過渣層匯聚于結(jié)晶器中，凝結(jié)成錠。

12.8.1電渣熔煉工作原理12.8.1

電渣熔煉工作原理電渣熔煉特點：（1）用重熔料制作自耗電極，工序長，費用高。只在生產(chǎn)要求特別嚴(yán)格的合金時才應(yīng)用。（2）在熔滴離開電渣端面時，往往會形成微電弧，熔滴在電磁力作用下破碎，因而與熔渣接觸面積大，熔渣溫度高且始終與金屬液接觸，有利于吸附、化合造渣精煉、防止金屬氧化和吸氣，因而可得到較純潔的金屬熔體。12.8.1電渣熔煉工作原理電渣熔煉特點：12.8.2

電渣爐的構(gòu)造

電渣爐由電氣、機(jī)械、熔鑄三部分組成。電氣部分包括變壓器等。機(jī)械部分包括電極升降機(jī)構(gòu)、排煙裝置、抽錠裝置、密封設(shè)備等。熔鑄部分包括結(jié)晶器和底板。

電渣爐還可配備真空設(shè)備。圖為雙支臂抽錠式電渣爐。12.8.2電渣爐的構(gòu)造ThankYou!ThankYou!第十二講有色金屬及合金的熔煉技術(shù)

第十二講有色金屬及合金的熔煉技術(shù)有色金屬及合金的熔煉技術(shù)本章要點:介紹目前工業(yè)應(yīng)用的一些典型熔煉技術(shù)（設(shè)備）。主要包括:(1)感應(yīng)爐熔煉技術(shù)的基本原理與特點(2)真空熔煉技術(shù)特點；(3)其它多種熔煉技術(shù)的優(yōu)缺點。有色金屬及合金的熔煉技術(shù)本章要點:12.1熔煉爐的基本要求和種類

12.1.1

熔煉爐的基本要求(1)爐料快速熔化升溫，縮短熔煉時間，減少元素?zé)龘p和吸氣；(2)能耗低、熱效率高和坩堝爐襯壽命長；(3)操作簡單，爐溫便于調(diào)整和控制，工作環(huán)境好。

12.1熔煉爐的基本要求和種類12.1.1熔煉爐

12.1.2

熔煉爐的種類和應(yīng)用

常用有色金屬及合金熔煉爐可分為燃料爐和電爐兩大類。燃料爐常用的有焦炭爐和燃油爐。

焦炭爐燃油爐12.1.2熔煉爐的種類和應(yīng)用常用

電爐分為電阻熔化爐、感應(yīng)熔化爐和電弧爐。

12.1.2

熔煉爐的種類和應(yīng)用

井式電阻熔化爐電阻絲電爐分為電阻熔化爐、感應(yīng)熔化爐和電弧爐。12.1

電爐分為電阻熔化爐、感應(yīng)熔化爐和電弧爐。

12.1.2

熔煉爐的種類和應(yīng)用

感應(yīng)熔化爐電爐分為電阻熔化爐、感應(yīng)熔化爐和電弧爐。12.1

電爐分為電阻熔化爐、感應(yīng)熔化爐和電弧爐。

12.1.2

熔煉爐的種類和應(yīng)用

電弧爐電爐分為電阻熔化爐、感應(yīng)熔化爐和電弧爐。12.112.2

坩堝爐和反射爐熔煉技術(shù)12.2.1

坩堝爐熔煉

坩堝爐熔煉是一種古老的冶煉方法，一直沿用至今。

坩堝12.2坩堝爐和反射爐熔煉技術(shù)12.2.1坩堝爐熔煉坩12.2

坩堝爐和反射爐熔煉技術(shù)坩堝一般是用耐火材料制成，也有使用石墨、鑄鐵或鑄鋼制成，金屬坩堝在使用時內(nèi)表面應(yīng)涂覆涂料保護(hù)，還有用剛玉和鉑金制作。

鑄鐵坩堝鑄鋼坩堝石英坩堝石墨坩堝剛玉坩堝鉑金坩堝12.2坩堝爐和反射爐熔煉技術(shù)坩12.2

坩堝爐和反射爐熔煉技術(shù)12.2.1

坩堝爐熔煉

坩堝爐的加熱可用固體、液體、氣體燃料，也可用電加熱。坩堝爐熔煉的特點是:靈活、小批量、多品種、合金成分控制精確、燒損小。現(xiàn)多用電阻或感應(yīng)加熱，用于小型鑄造廠、實驗室或用于中間合金生產(chǎn)。12.2坩堝爐和反射爐熔煉技術(shù)12.2.1坩堝爐熔煉第十二講有色金屬及合金的熔煉技術(shù)課件第十二講有色金屬及合金的熔煉技術(shù)課件12.2.1.1坩堝電阻爐

利用電流通過電加熱元件發(fā)熱，輻射坩堝傳導(dǎo)給金屬使其熔化升溫。

鎳鉻合金鐵鋁鉻合金鉑銠硅化鉬12.2.1.1坩堝電阻爐利用12.2.1.1坩堝電阻爐

組成部分電爐本體

控制柜（控溫儀表）

坩堝結(jié)構(gòu)形式固定式

傾斜式12.2.1.1坩堝電阻爐組成部分電爐本體結(jié)構(gòu)形式12.2.1.1坩堝電阻爐

優(yōu)點結(jié)構(gòu)緊湊

電器設(shè)備簡單

價格低廉溫度易控制元素?zé)龘p小合金吸氣少工作環(huán)境好缺點熔煉時間長耗電量大生產(chǎn)效率低12.2.1.1坩堝電阻爐優(yōu)點結(jié)構(gòu)緊湊缺點熔煉時間

12.2.1.2

燃料坩堝爐通過燃料燃燒加熱坩堝傳導(dǎo)給金屬爐料升溫熔化。分為焦炭、燃油和燃?xì)?煤氣)坩堝爐。焦炭坩堝爐熔煉銅、鋁合金自然通風(fēng)鼓風(fēng)

燃油坩堝爐12.2.1.2燃料坩堝爐通過燃12.2.2反射爐熔煉

4.2.2.1

火焰反射爐熔煉技術(shù)

是目前生產(chǎn)的主要用爐，利用高溫火焰加熱爐頂，靠爐頂和火焰的輻射傳熱加熱和熔化爐料。燃料可用煤、石油、煤氣和天然氣等。優(yōu)點

熔池面積大，容量大

溫度高，熔化速度快，生產(chǎn)效率高

缺點

上下溫差大，熔池不能太深，應(yīng)加強攪動大熔池加劇了氧化和吸氣，應(yīng)加強覆蓋12.2.2反射爐熔煉4.2.2.1火焰反射爐熔煉技靠安裝在爐頂?shù)碾娮璋l(fā)熱元件（鎳鉻高溫合金、或碳化硅棒等）產(chǎn)生的熱量輻射加熱爐料。

12.2.2.2

電阻反射爐熔煉技術(shù)

·靠安裝在爐頂?shù)碾娮璋l(fā)熱元件（鎳鉻高溫12.2.2.2

電阻反射爐熔煉技術(shù)

電阻反射爐

優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，電熱效率高（70%-80%），溫度和氣氛容易控制，熔體受爐氣污染小，金屬損耗僅次于感應(yīng)爐、遠(yuǎn)低于火焰反射爐，熔體質(zhì)量高。

缺點：電阻發(fā)熱體是易耗品，受爐氣、熔劑、飛濺金屬的腐蝕，容易損壞，使用壽命短。

應(yīng)用：多用于鋁及鋁合金、鎂及鎂合金的熔化和保溫，容量一般不超過l0t（大容量的鋁合金熔化爐均不采用電阻加熱）。

·12.2.2.2電阻反射爐熔煉技術(shù)電阻反射爐·12.3感應(yīng)爐熔煉技術(shù)

12.3.1感應(yīng)加熱原理感應(yīng)線圈中通入交變電流，則在線圈內(nèi)產(chǎn)生相應(yīng)的交變磁場。當(dāng)把金屬放在線圈內(nèi)時，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，金屬內(nèi)必定會產(chǎn)生感生電勢。由于金屬是導(dǎo)體，于是在感生電勢的作用下，金屬內(nèi)就有感應(yīng)電流產(chǎn)生，而金屬又具有電阻，因此金屬被加熱甚至熔化。（電-磁-電-熱）感應(yīng)爐就是利用電磁感應(yīng)原理，使處于交變磁場中的金屬材料內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而把材料加熱直至熔化的一種電熱設(shè)備。12.3感應(yīng)爐熔煉技術(shù)12.3.1感應(yīng)加熱原理12.3.2

感應(yīng)爐的分類和特點

12.3.2.1感應(yīng)爐的分類按工作頻率分類

(1)工頻感應(yīng)爐：工作頻率為50Hz，可由單相、兩相和三相電源供電。(2)中頻感應(yīng)爐：50Hz-100kHz。常用的有：150、(250)、450、1000、2500、4000、8000、10000，現(xiàn)可擴(kuò)大到100kHz，單相供電。(3)高頻感應(yīng)爐：高于100kHz。12.3.2感應(yīng)爐的分類和特點12.3.2.112.3.2

感應(yīng)爐的分類和特點

按結(jié)構(gòu)分類根據(jù)有無鐵芯穿過被熔化的金屬熔池，又可把感應(yīng)熔煉爐分為無(鐵)芯和有(鐵)芯兩種。

(1)無芯感應(yīng)熔煉爐：無鐵芯穿過被熔化的金屬熔池，分為真空和非真空兩種。(2)有芯感應(yīng)熔煉爐：有圍繞鐵芯的液體金屬熔溝，又叫熔溝爐或溝槽式感應(yīng)爐。熱效率較高，熔化速率快，熔溝部分容易出現(xiàn)局部過熱。12.3.2感應(yīng)爐的分類和特點按結(jié)構(gòu)分類12.3.3.1

工頻無芯熔煉爐

20世紀(jì)40年代發(fā)展起來，用于熔化銅、鋁、鈦及鐵合金。不需變頻設(shè)備，發(fā)展迅速。右圖例：容量1.5t，坩堝尺寸580×1190，最高溫度1600℃，熔化時間2-3h，功率為420kW，供電560kV·A，電壓380V（50Hz），最大傾轉(zhuǎn)角度900。12.3.3.1工頻無芯熔煉爐212.3.3.2中頻無芯熔煉爐

工作頻率通常在4kHz以下，結(jié)構(gòu)和工頻爐結(jié)構(gòu)基本相同，但存在以下差異：中頻爐電動效應(yīng)較弱，所以不必使熔體液面高度顯著超過感應(yīng)圈的上端，通常維持兩者大體上平齊。感應(yīng)圈靠物料的一側(cè)的管壁較工頻爐薄，因為其頻率較高，穿透深度小。所需補償電容多，一般配有獨立的補償電容器架或柜。單耗（kW·h／t）:銅400-500，鎳650-700，黃銅220～360。12.3.3.2中頻無芯熔煉爐工作頻率通常在12.3.3.3

高頻無芯感應(yīng)爐

工作頻率通常高于100kHz。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，坩堝傾倒采用手動。適合于實驗或小規(guī)模生產(chǎn)，或供特種鋼和特種合金熔煉使用。裝料量一般在50kg以下，輸入功率在100kW以下。高頻爐起熔容易，可處理碎料，熔池穩(wěn)定，熔體凸起小，產(chǎn)品質(zhì)純且金屬損耗小。缺點：高頻變頻器效率低，設(shè)備費用較高。電能單耗較高，為中頻爐電耗2～3倍。例如：10kg的爐子輸入功率為30-60kW，熔化時間為15-25min，電能單耗為1500-2000kW·h/t。12.3.3.3高頻無芯感應(yīng)爐12.3.4有芯感應(yīng)爐熔煉

也稱熔溝感應(yīng)爐，由熔池、熔溝爐襯、感應(yīng)器及爐殼等組成。熔溝爐襯中有一或兩條環(huán)溝，其中充滿和熔池聯(lián)通的熔體，稱為熔溝。鐵芯由硅鋼片制作，感應(yīng)圈套在鐵芯上。

12.3.4有芯感應(yīng)爐熔煉也稱熔溝感應(yīng)爐，由熔12.3.4有芯感應(yīng)爐熔煉工作原理與坩堝感應(yīng)爐相同。

特點：使用工頻電，電氣設(shè)備費較少。熔溝部分易局部過熱，爐襯壽命較長，熔煉溫度較低。熔溝金屬感生電流大、可作起熔體，故熔化速率較高，熱電效率較高。爐子容量0.3-40t，并正向大型化發(fā)展。常用來熔煉鋼與銅合金。12.3.4有芯感應(yīng)爐熔煉工作原12.3.4有芯感應(yīng)爐熔煉

單熔溝感應(yīng)爐問題：1）熔溝金屬液流紊亂，局部過熱（100-200℃）；2）熔溝底部泄漏磁場對熔溝金屬施加電磁力，產(chǎn)生局域性渦流而出現(xiàn)死區(qū)。

已發(fā)展出一種單向流動單熔溝，可減小熔體溫差、消除死區(qū)、縮短熔煉時間10%-30%、增加爐襯壽命0.5-1.0倍、降低電耗和成本。12.3.4有芯感應(yīng)爐熔煉單熔溝感應(yīng)爐12.3.4有芯感應(yīng)爐熔煉

多相雙熔溝也可得到單向流動。利用中部共用熔溝與邊部熔溝磁場強度的差異，使中部熔溝熔體向下流動，兩側(cè)熔溝熔體向上流動。如：3t熔煉黃銅鐵芯感應(yīng)爐，750kW，三鐵芯感應(yīng)器，生產(chǎn)率5t/h，電耗200kW.h/t，電效率0.95，熱效率0.89。T12.3.4有芯感應(yīng)爐熔煉多相雙熔溝第十二講有色金屬及合金的熔煉技術(shù)課件12.3.2.2

感應(yīng)熔煉爐的特點

優(yōu)點:

(1)金屬本身感應(yīng)電流加熱，加熱溫度均勻，燒損少。這對于稀貴金屬的熔煉有重要意義，例如，鎳、鉻、釩、鎢在感應(yīng)爐中熔煉的燒損比在電弧爐中少2/3。(2)電磁力引起金屬液攪動，金屬成分均勻，質(zhì)量高。(3)升溫快，爐溫容易控制，生產(chǎn)效率高，廣泛應(yīng)用于黑色及有色金屬的熔煉。(4)爐周圍溫度低，煙塵少，噪聲小，環(huán)境好。(5)可以間歇或連續(xù)運行。12.3.2.2感應(yīng)熔煉爐的特點優(yōu)點:12.3.2.2

感應(yīng)熔煉爐的特點

缺點:

(1)對加熱對象有導(dǎo)電要求，只能用于金屬和合金的重熔。(2)冷料開爐時，需要起熔塊(頻率較低的爐子)，升溫慢。(3)爐渣本身不導(dǎo)電，爐渣溫度比金屬液低，不利于造渣精煉，從而影響精煉的進(jìn)行。這一缺點，決定它只適宜于熔化金屬，而不適于金屬精煉。(4)功率因數(shù)低，需要輔之以一定數(shù)量的補償電容器，提高了成本。(5)難以實現(xiàn)對熔體保溫，不便靜置處理12.3.2.2感應(yīng)熔煉爐的特點缺點:第十二講有色金屬及合金的熔煉技術(shù)課件12.4真空熔煉

真空熔煉可防止大氣污染，利于除氣和雜質(zhì)。1905年采用自耗電極、水冷銅結(jié)晶器、低壓氬氣下熔煉鉭獲得成功。20世紀(jì)50年代后，隨著真空技術(shù)、密封材料等的發(fā)展，以及鈦合金、高純金屬及合金、鎢鉬鉭鈮鋯等稀有金屬、耐熱材料、磁性及超導(dǎo)材料、電真空材料、核材料、高強度鋼等的應(yīng)用需求，相繼出現(xiàn)了真空自耗電弧爐、真空電弧爐、真空感應(yīng)熔煉、真空電子束爐、真空等離子爐熔煉等多種方法。真空熔煉已成為高品質(zhì)金屬材料生產(chǎn)的一個重要手段。已出現(xiàn)了100t的真空感應(yīng)爐，以及50t、直徑1.5m鑄錠的真空電弧爐。12.4真空熔煉真空熔煉可防止大氣12.4真空熔煉

真空熔煉特點:(1)采用水冷銅結(jié)晶器時，可防止受大氣和耐火材料的污染；(2)真空有凈化提純作用，可獲得含氣量低、夾雜少、偏析小、力學(xué)性能及加工性能優(yōu)良的金屬及合金。是獲得高純、高質(zhì)量金屬材料的最好方法；(3)真空電弧可獲得2000℃以上的高溫，可滿足高熔點金屬的熔煉要求。12.4真空熔煉真空熔煉特點:12.4.1

真空感應(yīng)爐熔煉技術(shù)

無鐵芯感應(yīng)熔煉爐，坩堝裝在真空室里，熔煉時抽成真空，爐料在真空或惰性氣氛下熔煉和澆鑄。坩堝用耐火材料做成，不能熔煉與坩堝起作用的活潑金屬，如鈦、鋯等純金屬及其合金，也不能熔煉高熔點的難熔金屬，如鎢、鉬等。12.4.1真空感應(yīng)爐熔煉技術(shù)第十二講有色金屬及合金的熔煉技術(shù)課件第十二講有色金屬及合金的熔煉技術(shù)課件第十二講有色金屬及合金的熔煉技術(shù)課件12.4.2真空電弧爐熔煉技術(shù)

真空下，通過低電壓、強電流形成電弧熔煉金屬產(chǎn)生鑄錠。產(chǎn)生電弧的電極可以是損耗的(自耗，如鈦等)，也可以是不損耗的(非自耗，如石墨等)。自耗基本過程：金屬電極在直流電弧高溫（5000℃）作用下，迅速熔化、精煉，并在水冷紫銅結(jié)晶器內(nèi)凝固。用于鈦、鎢、鉬、釩、鋯、鎳基合金等的熔煉。設(shè)備包括:電路本體、電源設(shè)備、真空系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)等幾部分。12.4.2真空電弧爐熔煉技術(shù)12.5

快速熔爐熔煉技術(shù)

近來，利用電解鋁液直接輸入保溫爐，合金化、精煉后鑄錠和加工成材，可節(jié)約能耗、縮短生產(chǎn)周期、降低成本。（減少中間過程、節(jié)能）為強化熔煉過程，節(jié)約能耗，提高熱效率和生產(chǎn)率，已開發(fā)出一些新的熔爐和熔煉工藝。下面介紹幾種快速熔煉爐技術(shù)。12.5快速熔爐熔煉技術(shù)近來，利用電解鋁液12.5.1豎爐熔煉技術(shù)

爐料由爐頂側(cè)裝入，與燃燒爐氣接觸、吸收熱量而熔化。燃燒爐氣由多個可控高速噴嘴產(chǎn)生，廢氣由爐頂導(dǎo)入換熱器以預(yù)熱空氣和煤氣。特點:可連續(xù)快速熔化金屬，熔化率高，設(shè)備簡單，爐襯壽命長。但要嚴(yán)格控制空氣過剩量，既能完全燃燒又不氧化產(chǎn)品?？捎糜谧香~、鋁的連鑄連軋等。12.5.1豎爐熔煉技術(shù)爐料由12.5.2

噴射式熔爐熔煉技術(shù)

用火焰爐熔鋁時，因鋁的黑度低，吸熱性差，所以加熱速度慢，熱效率低(15%-30%)。用高速燃?xì)庵苯訃娚錉t料熔鋁法可使熔化速率及熱效率提高，金屬燒損和能耗顯著降低。

黑度概念：

一定溫度下，將灰體的吸收輻射能力與同溫度下黑體的吸收輻射能力之比定義為物體的黑度，或物體的發(fā)射率。黑度越高，則吸收輻射熱的能力越強，反之亦然。凡是將輻射熱全部反射的物體稱為絕對白體，能全部吸收的稱為絕對黑體，能全部透過的則稱為絕對透明體或熱透體。物體的黑度與物體的性質(zhì)、表面狀況和溫度等因素有關(guān)，是物體本身的固有特性。

12.5.2噴射式熔爐熔煉技術(shù)12.5.2

噴射式熔爐熔煉技術(shù)

在爐頂及爐墻上裝有加氧的、燒油的高速(200-250m／s)旋轉(zhuǎn)噴嘴，使火焰直接噴到爐料上，以強制對流傳熱，使傳熱速度提高到(12.6-16.7)×105kJ／(m2·h)，為普通反射爐的5倍，縮短熔煉時間30%-50%，熱效率提高到50%以上，降低金屬燒損20%-26%。12.5.2噴射式熔爐熔煉技術(shù)在爐頂及爐墻上12.6

電子束爐熔煉技術(shù)

原理：加熱陰極—熱陰極表面發(fā)射電子—高壓作用下電子做高速運動（聚焦、偏轉(zhuǎn)控制）—高速電子轟擊陽極使陽極金屬熔化。

應(yīng)用：用于蒸氣壓低（不易揮發(fā)）的金屬材料，如鎢、鉬、鉭、鋯以及鈦等，這些材料應(yīng)用電子束爐熔煉，被公認(rèn)為是最理想的熔煉方法。對于優(yōu)質(zhì)合金鋼，特別是鎳基和鈷基合金鋼，電子束爐熔煉也得到了廣泛的應(yīng)用。電子束爐的功率已達(dá)幾千千瓦，能熔煉重達(dá)l0t以上的鋼錠。12.6電子束爐熔煉技術(shù)原12.6

電子束爐熔煉技術(shù)

優(yōu)點:(1)高真空度(0.00027-0.027Pa)，使蒸氣壓較高的雜質(zhì)被除去，如碳、釩、鐵、硅、鋁、鎳、鉻、銅等比精煉前可降低兩個數(shù)量級，可得到無氧化物的鉬和鎢，氧可從0.002%降至0.0004%-0.0009%，氮降至0.004%-0.008%，氫含量低于0.0001%-0.0002%。(2)熔煉速度和加熱速度可以在較大范圍調(diào)節(jié)，有利于液態(tài)中的碳和氧反應(yīng)，擴(kuò)散能力低的雜質(zhì)能擴(kuò)散到熔體蒸發(fā)去除。(3)功率密度高，可達(dá)到104~108W／cm2，熔池表面溫度高、可調(diào)；同時，電子束對金屬熔體有攪拌作用。(4)用水冷銅坩堝凝固鑄錠，不被耐火材料污染。(5)可得到很高的溫度，能熔化任何難熔金屬，也可熔化非金屬。12.6電子束爐熔煉技術(shù)優(yōu)點:12.6

電子束爐熔煉技術(shù)缺點:(1)熔煉合金