金屬熔煉與鑄錠第六講熔體成分控制

1熔體成分控制7.1備料7.2配料7.3熔爐準(zhǔn)備7.4成分調(diào)整7.5熔體質(zhì)量檢驗(yàn)27.1備料配制合金所用的爐料一般包括新金屬料、廢料、中間合金及某些化工原料等。備料包括選擇爐料、處理廢料、配制中間合金及熔劑等。3新金屬料新金屬料是指冶煉廠供給的純金屬，其中包括火法冶煉、蒸餾及電解精煉得到的金屬。每種金屬料依其品位(即純度)不同分為高純金屬和工業(yè)純金屬，都有若干牌號(hào)，每種牌號(hào)都標(biāo)定出主元素含量及一些主要雜質(zhì)元素限量。鋁銅錳4廢料廢料亦稱回爐料或舊料，是配制合金的主要原料之一。（鋁加工成品率60%-75%，部分高性能構(gòu)件成品率甚至低于10%）有色金屬?gòu)U料按照來源不同，可分為本廠廢料和廠外廢料兩大類。本廠廢料：熔鑄車間及各加工車間所產(chǎn)生的加工余料及不合格的報(bào)廢料。廠外廢料：源于各機(jī)制工廠或商業(yè)部門所回收的廢料，成分復(fù)雜，質(zhì)量低劣。5中間合金合金元素的加入方式有兩種：純金屬、中間合金（母合金）。利用含有合金元素的化合物來加入，通過與基體金屬的置換反應(yīng)而還原出來并進(jìn)入熔體。使用中間合金的目的是為了便于加入某些熔點(diǎn)較高且不易溶解或易氧化、揮發(fā)的合金元素、以便更準(zhǔn)確地控制成分。使用中間合金作爐料，可以避免熔體過熱、縮短熔煉時(shí)間和降低熔損。工業(yè)上常用二元或三元的中間合金。6中間合金應(yīng)滿足下列要求：熔點(diǎn)應(yīng)低于或接近于合金熔煉溫度；含有盡可能高的合金元素且成分均勻一致；氣體、雜質(zhì)及非金屬夾雜物含量低；具有足夠的脆性，易破碎，便于配料；不易被腐蝕，在大氣下保存時(shí)不應(yīng)破裂成粉末。中間合金7中間合金制備熔合法熱還原法熔鹽電解法粉末法除粉末法外，熔制中間合金時(shí)都要脫氣除渣精煉。8中間合金制備—熔合法熔合法是把兩種和多種金屬直接熔化混合成中間合金。熔制的依據(jù)是相圖。熔合類型先熔化易熔金屬，并過熱至一定溫度后，再將難熔金屬分批加入而制成。先熔化難熔金屬，而后加易熔金屬。先將兩種金屬分別在兩臺(tái)爐內(nèi)進(jìn)行熔化，然后將其混合。9中間合金制備—熔合法Al-Ni中間合金的制備純Ni熔點(diǎn)（1452℃）；Al-20%Ni熔點(diǎn)（780℃）坩堝加熱3/4鋁塊10中間合金制備—熔合法Al-Ni中間合金的制備純Ni熔點(diǎn)（1452℃）；Al-20%Ni熔點(diǎn)（780℃）繼續(xù)加熱至950~1000℃鎳塊預(yù)熱鋁熔體11中間合金制備—熔合法Al-Ni中間合金的制備純Ni熔點(diǎn)（1452℃）；Al-20%Ni熔點(diǎn)（780℃）鎳塊分批少量加入12中間合金制備—熔合法Al-Ni中間合金的制備純Ni熔點(diǎn)（1452℃）；Al-20%Ni熔點(diǎn)（780℃）石墨棒攪拌13中間合金制備—熔合法Al-Ni中間合金的制備純Ni熔點(diǎn)（1452℃）；Al-20%Ni熔點(diǎn)（780℃）1/4鋁塊14中間合金制備—熔合法Al-Ni中間合金的制備純Ni熔點(diǎn)（1452℃）ZnO15中間合金制備—熱還原法該法也稱置換法，鋁鈦和銅鈹中間合金可用這種方法熔制。鋁鈦和銅鈹中間合金，采用TiO2和BeO作原料，分別以鋁、碳作還原劑，使鈦和鈹從TiO2和BeO中還原出來，分別溶于鋁和銅液中而成中間合金。前者叫做鋁熱還原法或鋁熱法；后者叫做碳熱法。16中間合金制備—熔鹽電解法可用于制備鋁鈰中間合金。其工藝為：以電解槽的石墨內(nèi)襯為陽極，用鉬插入鋁液中作陰極，以KCl和CeCl2熔鹽作電解液。將鋁液加熱至850℃左右時(shí)，通電進(jìn)行電解，即可制得10~25%Ce-Al中間合金。17中間合金制備—粉末法將兩種不易熔合的金屬(如銅和鉛)分別制成粉末，混合壓塊，然后加熱擴(kuò)散制成中間合金。銅粉鉛粉銅鉛中間合金18熔劑熔劑的作用和要求：通過對(duì)所使用的熔劑成分、性能和加入量的調(diào)整，可以提高除渣脫氣精練效果，減少金屬氧化、吸氣、揮發(fā)和爐襯的相互作用，提高金屬質(zhì)量和回收率以及延長(zhǎng)爐襯壽命。同時(shí)還可借熔劑來加入合金微量元素和作變質(zhì)劑，以抑制一些微量雜質(zhì)的有害作用，改善合金的工藝性能。此外，電渣爐中的熔劑作為電阻發(fā)熱體，起著重要的精練作用。19根據(jù)熔劑的作用，它應(yīng)滿足以下要求：具有較強(qiáng)的吸附、溶解和化合造渣能力；與金屬熔體有較大的比重差；與金屬熔體間的界面張力要大，便于與金屬分離；具有較高的比學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，不應(yīng)對(duì)金屬和爐襯有腐蝕作用，或產(chǎn)生有害氣體或雜質(zhì)；有較低的熔點(diǎn)、適當(dāng)?shù)恼扯?；吸濕性小，蒸氣壓低；制造方便，價(jià)格便宜。熔劑20熔劑的制備與保管熔劑的制備方法一般有混合法和熔化法兩種?；旌戏ㄊ窍葘⒏鞣N制備熔劑用原料在高溫下焙燒，除去潮濕和結(jié)晶水，氯鹽和氟鹽要在250-300℃溫度下烘焙4-6小時(shí)，有的要加熱到更高的溫度才能去盡水分。然后破碎過篩，再按比例混合均勻即可使用。熔化法制備熔劑是按一定加料順序?qū)⒏鞣N原料加入爐內(nèi)并加熱直至熔化，經(jīng)充分?jǐn)嚢枞ニ趾?，出爐澆入經(jīng)加熱干燥的鐵模中，然后裝入密封箱內(nèi)，使用前再破碎。21配料基本任務(wù)（1）控制合金成分和雜質(zhì)含量，使之符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。（2）合理利用各種爐料，降低生產(chǎn)成本。（3）保證爐料質(zhì)量，正確配料，為提高熔鑄產(chǎn)品的質(zhì)量和成品率創(chuàng)造有力條件22配料配料包括確定計(jì)算成分、爐料的計(jì)算和過秤吊裝，是決定產(chǎn)品質(zhì)量和成本的重要一環(huán)。配料的首要任務(wù)是根據(jù)熔煉合金的化學(xué)成分、加工和使用性能，確定其計(jì)算成分；其次是根據(jù)原材料的庫存情況及化學(xué)成分，合理選擇爐料種類、品位和配料比。最后根據(jù)鑄錠規(guī)格尺寸及熔爐容量，按照一定程序，正確計(jì)算出每爐的全部爐料量，并進(jìn)行過秤和吊裝。23計(jì)算成分的確定從合金產(chǎn)品的用途和便用性能來看，凡重要用途及使用性能要求高者，應(yīng)按照元素在合金中的作用，具體分析后確定其計(jì)算成分。合金中較易氧化和揮發(fā)的元素，在確定計(jì)算成分時(shí)要考慮熔損率，把在生產(chǎn)條件下得出的實(shí)際熔損率加入計(jì)算成分內(nèi)。同時(shí)，在熔煉過程中，熔體與爐材、熔劑及爐氣的相互作用，會(huì)導(dǎo)致某些元素或雜質(zhì)的吸收和積累。因此，在確定計(jì)算成分時(shí)，應(yīng)該將這些雜質(zhì)控制在下限以下。24爐料品位及爐料比的選擇對(duì)爐料品位及新舊料比的選擇，須以產(chǎn)品質(zhì)量和成本均衡為原則。在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，參考熔鑄及加工工藝條件、應(yīng)合理地充分利用舊料，以降低產(chǎn)品成本。另外，所用金屬爐料的化學(xué)成分及雜質(zhì)含量必須符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)清潔干燥，無灰塵及油污等。對(duì)某些控制較嚴(yán)或含量波動(dòng)范圍較窄的合金元素，應(yīng)選用中間合金來加入。25配料計(jì)算配料計(jì)算有不計(jì)算雜質(zhì)和計(jì)算雜質(zhì)兩種方法。當(dāng)爐料全部是新金屬料和中間合金，或僅有少量一級(jí)廢料，或單個(gè)雜質(zhì)限量要求不嚴(yán)或雜質(zhì)總限量較高時(shí)，可不計(jì)算雜質(zhì)。重要用途或雜質(zhì)控制較嚴(yán)的合金，或使用爐料級(jí)別低．雜質(zhì)較多的廢料，特別是在半連續(xù)鑄造規(guī)格較大或易于產(chǎn)少裂紋的合金鑄錠時(shí)，就要計(jì)算雜質(zhì)。26在計(jì)算出新金屬料帶入的雜質(zhì)元素時(shí)，若該元素是合金元素之一，則取下限計(jì)算；若為雜質(zhì)，則按上限計(jì)算。配料計(jì)算程序如下：首先計(jì)算包括熔損在內(nèi)的各成分需要量；其次計(jì)算由廢料帶人的各成分量；再計(jì)算所需中間合金和新金屬料量；最后核算。核算表明，計(jì)算基本正確，可以投料。如果核算結(jié)果不符合要求，則需復(fù)查計(jì)算數(shù)據(jù)，或重新選擇爐料及料比，再進(jìn)行計(jì)算，直到核算正確為止。配料計(jì)算27配料計(jì)算廢料鑄錠銅板鎂錠Al-Mn中間合金鋁錠新料28配料計(jì)算29配料計(jì)算30配料計(jì)算31配料計(jì)算32配料計(jì)算鑄錠銅板鎂錠鋁錠（新料：廢料=6:4）Al-Mn中間合金新料Cu：460-174=286kgMg：155-60=95kgMn：70-24=46kgAl：10000-（4000+287+95+460）=5158kg計(jì)算要加入的金屬量（總質(zhì)量-廢料量）33(4)計(jì)算所需中間合金及新金屬量配料計(jì)算34配料計(jì)算（4）核算核算各種爐料的裝入量之和與配料總量是否相符，爐料中各元素的加入量之和與合金中各該元素需要量是否相等。35配料計(jì)算（4）核算計(jì)算雜質(zhì)及雜質(zhì)總量是否在允許范圍內(nèi)。36配料計(jì)算核算表明，計(jì)算基本正確，可以投料。如果核算結(jié)果不符合要求，則需要復(fù)查計(jì)算數(shù)據(jù)，或重新選擇爐料及料比，再進(jìn)行計(jì)算，直到核算正確為止。應(yīng)該指出，化學(xué)成分中Fe、Si、Zn、Ni系雜質(zhì)，一般不需要特意加入這些元素。配料計(jì)算完成后，應(yīng)根據(jù)配料計(jì)算卡片標(biāo)明的爐料規(guī)格、牌號(hào)、廢料級(jí)別和數(shù)量，將爐料過稱并按裝料順序依次送往爐臺(tái)。電解銅板要剪切成小塊，便于快速溶解。超過規(guī)定尺寸的廢料，應(yīng)預(yù)先剪切整理，便于機(jī)械裝爐。37熔爐準(zhǔn)備根據(jù)合金的熔煉特性、產(chǎn)品要求、產(chǎn)量及設(shè)備條件等來選定熔爐。熔爐準(zhǔn)備烘爐潔爐洗爐38烘爐新修或中修過的熔爐及停歇后的熔爐，在生產(chǎn)前都要進(jìn)行烘爐。烘爐的目的在于使?fàn)t體干燥和預(yù)熱。為排除水分和防止加熱過快造成爐體開裂，烘爐時(shí)要緩慢升溫。低頻感應(yīng)電爐烘爐時(shí)既要注意爐底石，同時(shí)將熔溝樣板熔化以得到所需的起熔體。39烘爐圖3-118噸天然氣反射爐烘爐曲線低溫段升溫慢；高溫段升溫略快，提供足夠的時(shí)間消除水分。40清爐清爐就是將殘存在爐內(nèi)的金屬及結(jié)渣清除干凈。每次金屬熔體出爐后都要進(jìn)行一次清爐。對(duì)鋁鎂合金而言，當(dāng)合金更換品種及熔煉特殊制品時(shí)，都要進(jìn)行清爐。這時(shí)應(yīng)均勻地向爐內(nèi)撒入一層粉狀熔劑，將爐膛溫度升至800℃以上，然后將爐內(nèi)各處的殘存物清除干凈。41換爐和洗爐在實(shí)際生產(chǎn)中往往需要用同一個(gè)熔爐熔煉各種合金。由一種合金轉(zhuǎn)換熔煉另一種合金(即換爐)時(shí)，可根據(jù)具體情況直接換爐或預(yù)先洗爐。換爐：換爐順序的原則前一爐合金的合金元素不是后一爐合金的雜質(zhì)前一爐合金的雜質(zhì)含量低于后一爐合金者同一合金系，前一爐的合金元素低于后一爐合金者42洗爐洗爐的目的是要將殘留在熔池各處的金屬和爐渣清洗干凈以免污染另一種合金。下列情況一般必須洗爐：前一爐的合金元素為后一爐合金的雜質(zhì)；由雜質(zhì)高的合金轉(zhuǎn)換焙煉純度高的合金新修、大修和中修后的熔爐長(zhǎng)期停歇的熔爐投產(chǎn)前，爐內(nèi)清潔情況較差或合金制品要求較嚴(yán)者必要時(shí)，必須更換熔爐，否則會(huì)導(dǎo)致廢品43成分調(diào)整當(dāng)爐前分析發(fā)現(xiàn)個(gè)別元素的含量低于標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)成分范圍下限時(shí)，則應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)料。一般按下式近似地計(jì)算出補(bǔ)料量，然后再進(jìn)行核算控制合金成分的最后一關(guān)！式中，P為所需補(bǔ)加的爐料量，kg；Q為熔體總重量，kg；a1為某元素的標(biāo)準(zhǔn)成分，%；a2為爐前分析該元素含量，%；b1為補(bǔ)料用中間合金該元素含量，%；P1，P2，P3...為補(bǔ)入其它各合金元素的補(bǔ)料量，kg。44為了使補(bǔ)料較為準(zhǔn)確，應(yīng)用上式時(shí)可按下列要點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算：先調(diào)整雜質(zhì)元素含量先算量少者后算量多者先算低成分中間合金后算高成分中間合金最后計(jì)算新金屬料成分調(diào)整45成分調(diào)整例如，設(shè)爐內(nèi)有5A06熔體重10000公斤，其試樣成分、計(jì)算成分及中間合金成分列于下表中，求應(yīng)補(bǔ)加的各種爐料量。成分調(diào)整成分調(diào)整由上表可知，成分鎂、鈦和鐵含量不足，需要補(bǔ)料。按上述要點(diǎn)應(yīng)先計(jì)算鐵，然后計(jì)算鈦和鎂：錳和硅本不需要補(bǔ)料，但因補(bǔ)加其他爐料后濃度會(huì)下降。錳為合金元素，需補(bǔ)加；硅是雜質(zhì)，其他補(bǔ)料中也會(huì)帶入一些，故不另加。為了補(bǔ)錳，必須先近似地算出鎂的補(bǔ)料量：核算，補(bǔ)料后熔體總重量為：47成分調(diào)整補(bǔ)料后，各成分含量為：核算表明，計(jì)算基本上正確，可以投料。補(bǔ)料一般都用中間合金。熔點(diǎn)較低的純金屬也可以使用，但不應(yīng)使用熔點(diǎn)較高和難于溶解的新金屬料，以免延長(zhǎng)熔煉時(shí)間。補(bǔ)料的投料量應(yīng)越少越好。48沖淡當(dāng)爐前分析發(fā)現(xiàn)某元素含量超過標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)成分范圍上限時(shí)，則應(yīng)根據(jù)下式進(jìn)行沖淡處理：式中x為沖淡應(yīng)補(bǔ)加爐料重量，kg；a為沖淡后元素應(yīng)有含量，％；b為沖淡前元素含量，％；Q為爐內(nèi)金屬熔體重量，kg。49沖淡已知爐內(nèi)有QA19-2銅合金熔體1000kg，爐前分析結(jié)果為10.2%Al，2.1%Mn，其余為銅。設(shè)QA19-2的計(jì)算成分為Cu-9.5%Al-2.1Mn。可見，鋁應(yīng)沖淡。將熔體內(nèi)鋁含量從10.2%沖淡至9.5%需沖淡料：沖淡料包括銅和錳，其中如沖淡用錳為Cu-30%Mn中間合金，則需需銅量50熔體質(zhì)量檢驗(yàn)爐前熔體質(zhì)量檢驗(yàn)，除前述的快速分析和溫度測(cè)量外，主要是指評(píng)價(jià)熔體的精煉效果，即含氣(氫)量的測(cè)定和非金屬夾雜物的檢驗(yàn)。含氣量測(cè)定方法有真空固體加熱抽氣法、真空熔融抽氣法等，分析精度高，但不適于爐前使用。定性方法有常壓凝固法和減壓凝固法；定量方法有第一氣泡法、惰性氣體載體法、氣體遙測(cè)法、同位素測(cè)氫法、光譜測(cè)氫法、氣相色譜法。51熔體中氣體檢測(cè)方法液態(tài)金屬直接檢測(cè)從爐內(nèi)或澆注系統(tǒng)中直接取樣在線直接檢測(cè)快速獲得檢測(cè)結(jié)果檢測(cè)精度稍低金屬凝固試樣檢測(cè)采取試樣或在鑄件中切取試樣對(duì)試樣要求高周期長(zhǎng)測(cè)試精度較高52常壓凝固法觀察液面合金液精煉處理澆注試樣刮去表層觀察氣泡氣泡多氣泡少效果差效果好原理：利用氣體在鋁合金中溶解度隨溫度下降而降低的特性操作者經(jīng)驗(yàn)影響大53常壓凝固法分析斷口合金液精煉處理澆注試樣擊斷觀察白斑白斑多白斑少效果差效果好制備試片針孔評(píng)級(jí)54減壓凝固法合金熔體在一定真空度下凝固，觀察試樣凝固過程中氣泡析出情況，或其表面，或斷口狀態(tài)，即可定性地?cái)喽ㄈ垠w含氣量的多少和精煉脫氣的效果。測(cè)量試樣減壓凝固時(shí)的凸起上漲高度，越高，含氣量越大將試樣沿垂直方向鋸成兩半，用一半制成宏觀磨片，確定氣泡的數(shù)量、尺寸及分布情況，求出面積比進(jìn)行量化切去冒口，加工成一定尺寸，在空氣中及水中稱重，計(jì)算相對(duì)密度，越小，含氣量越少。55減壓凝固法56第一氣泡法在一定真空度下，當(dāng)熔體表面出現(xiàn)第一個(gè)氣泡時(shí)，即可認(rèn)為氫的分壓和在該真空度下的相應(yīng)壓力相等。測(cè)量當(dāng)時(shí)的溫度和壓力，并將與合金成分有關(guān)的常數(shù)代入下式，就可以算出此時(shí)熔體的含氣量。這種方法，設(shè)備簡(jiǎn)單，使用方便。但第一氣泡出現(xiàn)受到合金成分、溫度、粘滯性、表面張力、氧化夾雜和氧化膜等因素的影響，不能連續(xù)測(cè)量，測(cè)量精度不高。57第一氣泡法58惰性氣體攜帶——熱導(dǎo)測(cè)定法利用