有色金属熔炼与铸锭.ppt

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1、有色金属熔炼与铸锭杨伏良副教授材料科学与工程学院（24学时）1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2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。3第一讲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41.1金属

2、的氧化特性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氧化、挥发和吸气（温度、金属及与之接触的物质）氧化氧化烧损和非金属氧化物夹渣合金成分变化的基本原因对金属熔体进行氧化精炼和真空挥发，有效去除某些有害杂质51.1.1氧化热力学条件及判据金属氧化的热力学▲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6氧化热力学条件及判据7氧化热力学条件及判据金属的氧化趋势可用氧化物生成自由焓变量表示。由于生成自由焓、分解压、生成热和反应的平衡常数相互关联，常用它们的大小来判断金属氧化反应的趋势、方向和限度。自由焓不仅可以

3、衡量标准状态下金属氧化的趋势，还可以衡量标准状态下氧化物的稳定性。89从各直线之间的相互位置比较来看，直线的位置越低，ΔG值越负，金属的氧化趋势越大，氧化程度越高，如铝、镁、钙等的氧化。反之，直线位置越高，ΔG值越大，氧化趋势和程度越小，如铜、铅、镍等金属的氧化。据直线之间的位置关系可以知道元素的氧化顺序。从图1．1可见，在熔炼温度范围内，各元素氧化先后的大致顺序是：钙、镁、铝、钛、硅、钒、锰、铬、铁、钴、镍、铅、铜。例如，凡在铜线以下的元素，其对氧的亲和力都大于铜对氧的亲和力，故在熔炼铜时它们会被氧化而进入炉渣。10氧化热力学条件及判据11氧化热力学条件及判据12氧化热力学条件及

4、判据1314氧化热力学条件及判据151.2氧化动力学机制研究氧化反应动力学的主要目的之一，是要弄清在熔炼条件下氧化反应机制、限制环节及影响氧化速度的诸因素(温度、浓度、氧化膜结构及性质等)，以便针对具体情况，改善熔炼条件，控制氧化速度，尽量减少金属的氧化烧损。161.2氧化动力学机制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17金属氧化机理和氧化膜结构18氧化动力学机制

5、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´O2K—反应速度常数，C´O2—金属-氧化膜界面上氧的浓度19Pilling-Bedworth比氧化过程由三个环节连续完成,总的反应速度取决于最慢的一个环节,即限制性环节;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;致密度: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：20当PB＞

6、l时，生成的氧化膜是致密的，连续的，有保护性的。在这种情况下结晶化学反应速度快，而内扩散速度慢，因而内扩散成为限制性环节。氧化膜逐渐增厚，扩散阻力愈来愈大，氧化速度将随时间的延续而降低。Al、Be、Si等大多数金属生成的氧化膜具有这种特性。当PB＜1时，氧化膜是疏松多孔的，无保护性的。氧在这种氧化膜内扩散阻力将比前者小得多。限制环节由扩散变为结晶化学反应。碱金属及碱土金属(如Li、Mg、Ca)的氧化膜具有这种特性。PB》1。这是一种极端情况，大量过渡族金属如铁的氧化膜就是如此。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。Pi

7、lling-Bedworth比21Pilling-Bedworth比22二、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)=KCO2两阶段速度相等可求得：1/D·x·dx+1/K·dx=CO2·dtt为时间因此，膜厚x与时间t呈曲线关系：a<1，即D>>K,则x=KCO2t------受结晶化学变化控制a>1，即D<