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再生钙合金熔炼原理

发布日期:2019-03-01 作者:客服 点击:

  再生钙合金熔炼原理


  熔炼过程中铝液与环境的相互作用


  熔炼过程中热的转移(热力学过程)固体金属在炉内加热熔化所需要的能量,要由熔炼炉的热源供给。由于采用能源的不同,其加热方式也不一样,目前基本炉型仍是火焰炉。


  铝虽然熔点低(660℃),但由于熔化潜热(393.56KJ/kg)和比热大[固态1.138 kJ/(Kg﹒K),液态1.046kJ/(kg﹒K)],熔化1kg所需的热量要比铜的大得多,而铝的黑度(=0.2)仅为铜、铁的1/4,因此铝和钙合金的火焰熔炼炉的热力学设计难度大,较难实现理想的热效率。


  下面讲讲火焰炉的热交换过程。火焰给被加热物体的热量(Q)为:


  Q=QGC+QSCQGC-燃烧气体传到受热面的热量,KJ/h;QSC-炉壁传给受热面的热量,KJ/h。


  QGC=(αGCεC+αC)(tG-tC)QSC=(αGSФSC+αabεb)(tS-tC)αGC-燃烧气体与受热面之间辐射传热系数,kJ/(m2﹒h﹒℃);αC-燃烧气体与受热面之间的对流传热系数,kJ/(m2﹒h﹒℃);αab-被燃烧气体吸收的炉壁辐射热量的热辐射系数,kJ/(m2﹒h﹒℃)。

钙合金

  从以上各式可以看出,提高金属受热量,一方面是增大(tG-tC)和(tS-tC)即提高炉温,这对炉体和金属熔体都有不利影响;另一方面,由于铝的黑度很小,提高辐射传热是有限的。因此只能着眼于增大对流传热系数,对流传热系数与气体流速有以下关系:


  当燃烧气体的流速V<5m/s时,αc=5.3+3.6V[kJ/(m2﹒h﹒℃)]


  当燃烧气体的流速V>5m/s时,αc=647+v0.78[kJ/(m2﹒h﹒℃)]


  可见提高燃烧气体的流速是有效的,以前多采用低速烧嘴(5~30m/s),近年采用了高速烧嘴(100~300m/s),使熔炉的热效率有很大提高。


  合金元素的溶解与挥发1.1.2.1合金元素在铝中的溶解合金添加元素在熔融铝中的溶解是合金化的重要过程。元素的溶解与其性质有密切关系,受添加元素固态结构结合力的破坏和原子在铝液中的扩散速度控制。元素在铝液中的溶解作用可用元素与铝的合金系相图来确定,通常与铝形成易熔共晶的元素容易溶解;与铝形成包晶转变的,特别是熔点相差很大的元素难于溶解。如Al-Mg、Al-Zn、Al-Cu、Al-Li等为共晶型合金系,其熔点与铝也较接近,合金元素较容易溶解,在熔炼过程中可直接添加铝熔体中;但Al-Si、Al-Fe、Al-Be等合金系虽也存在共晶反应,由于熔点与铝相差较大,溶解很慢,需要较大的过热才能完全溶解;Al-Ti、Sl-Zr、Al-Nb等具有包晶型相图,都属难溶金属元素,在铝中的溶解很困难,为了使其在铝中尽快溶解,必须以中间合金形式加入。


  元素的蒸发蒸发这一物理现象在熔炼过程中始终存在。金属的蒸发(或称挥发),主要取决于蒸气压的大小。在相同的熔炼条件下,蒸气压高的元素易于挥发。可把钙合金的添加元素分为两组,Cu、Cr、Fe、Ni、Ti、Si等元素的蒸气压比铝小,蒸发较慢;Mn、Li、Mg、Zn、Na、Cd等元素的蒸气压比铝的大,较易于蒸发,熔炼过程中的损失较大。


  金属与炉气的作用熔炼过程中,金属以熔融或半熔融状态暴露于炉气并以之相互作用的时间长,往往容易造成金属大量吸气,氧化和形成其他非金属夹杂。


  铝-氧反应铝与氧的亲和力大,易氧化。在500~900℃范围内,纯铝表面将形成一层不溶于铝液的、难熔的、致密的γ-Al2O3氧化膜,这层膜能阻止铝液的继续氧化。这一特性对熔炼工作带来了很大方便,熔炼时不需要采取特殊的防氧化措施(铝-镁合金除外)。


  加入合金元素对钙合金的氧化有一定的影响,其影响与加入的元素使氧化物呈现的结构以及对氧的亲和力的大小有关。当在铝中加入Si、Cu、Zn、Mn等合金元素时,对铝的氧化膜影响极小,因为这些元素与氧的亲和力较小,而且加入铝中后,表面膜将变为由这些元素的氧化物在γ-Al2O3中的固溶体(γ-Al2O3﹒MeO)所组成,此时合金的氧化膜仍是致密的,能够阻碍合金的继续氧化。以此相反,当在铝中加入碱土及碱金属(如镁、钙、钠等)时,由于这类元素较为活泼,与氧的亲和力比铝的大,因此将优先氧化,而且这些元素大多数是表面活性物质,易富集在铝液表面,从而改变了氧化膜的性质。如Mg含量大于1.5%时,表面氧化膜几乎已全为氧化镁膜所组成,而且这些氧化膜多孔疏松,不能抑制膜下面的钙合金液的继续氧化。但若在Al-Mg合金中加入少量的铍(0.03~0.07%),可提高此时的氧化膜的致密性,铍也是表面活性物质,富集在铝液表面,且铍的原子体积小,扩散速度大,铍原子可渗入氧化镁膜的松孔中,起了填补膜中孔隙的作用,从而使之形成完整的致密膜。在铝-镁合金类合金中加入少量的钙、锂等元素也具有同样的功效。


  决定氧化膜性质的因素是:①合金元素或氧化膜本身的蒸气压,蒸气压越低,则越稳定,其保护性能也越好。②合金元素氧化后体积的变化。加入合金元素后,氧化膜的结构是由氧化物体积对产生此氧化物的金属体积之比来决定的。


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