中南大学有色金属熔炼与铸锭考试资料.pdf

有色金属熔炼与铸锭 一、名词解释 1、内生夹渣 内生夹渣是金属加热及熔炼时，金属与炉气和其他物质相互作用生成的化合物，如氧化 物、碳化物、氮化物和氢化物等。 2、成分过冷 如果固液 熔融 界面 前沿溶质的富集而引起成分再分配 ，且与此同时界面前沿温度（ T 实） 低于平衡液相线温度（ TL），则这部分液体处于过冷状态。这一现象称为成分过冷。 3、同时凝固 当合金的结晶温度范围宽或铸锭断面的温度梯度小，凝固区宽，铸锭就会以同时凝固方 式进行凝固。在靠近固相区前沿的液体中出现小晶体并不断增多，很快布满整个凝固区，此 过程几乎是在整个 凝固区同时进行的，故称为同时凝固，又称体积凝固。 4、正极性操作 使用真空自耗电极电弧炉熔炼时，以熔池为阳极，电极为阴极，称为正极性操作。 5、溶解作用 非金属夹杂物溶解于液态熔剂后，可随溶剂的浮沉而脱离金属熔体，这种作用称为溶解 作用。 6、变质处理 向金属液内添加少量物质，促进金属液生核或改变晶体生长过程的方法。 7、熔体质量检验 是指熔炼过程中或铸造前对金属熔体进行炉前质量检验，是保证得到高质量金属熔体及 合格铸锭的重要工序，包括含气量测定和非金属夹杂物检测等。 8、羽毛状晶 目前只发现存在于铝合金连续铸 锭中的一种异常晶粒组织，晶粒由许多羽毛状片晶组 成，是一种变态柱状晶，多分布于铸锭周边处， 宏观上成群分布，互相交错。 9、全体溶剂法 与上溶剂法和下溶剂法相比的一种除渣精炼方法，是用钟罩或多孔容器将熔剂加入到熔 体内部，并随之充分搅拌，使熔剂均匀分布于整个熔池中去的方法。 10、枝晶偏析 在生产条件下，由于铸锭冷凝较快，固液两相中溶质来不及扩散均匀，枝晶内部先后结 晶部分的成分不同，这就是枝晶偏析。 11、液态合金的充型能力 液态 合金 充满铸型型腔，获得尺寸精确、轮廓清晰的成型件的能力。 12、扩散脱氧 将脱氧剂加 在金属熔体表面或炉渣中，脱氧反应仅在炉渣 /金属熔体界面上进行。溶于 金属中的氧会不断地根据分配定律向界面扩散而脱氧，故称扩散脱氧 二、金属熔炼时的熔损有哪几种，怎么减少熔损？ 金属熔损是 指熔炼过程中，金属的挥发、氧化烧损、与炉衬作用的消耗等全部损耗的总 和 。 除挥发、氧化烧损外，还有： 熔融金属或金属氧化物与炉衬材料之间的化学作用， 造成 的 损耗 ， 金属在熔炼时 ，熔融金属因静压力作用可能渗入炉衬缝隙，而导致高温区局 部熔化，造成的损耗，机械混入渣中的金属，以及扒渣、飞溅等 造成 的损耗。 减少熔损：选择合理炉型， 制定合理的规程、工艺和顺序， 正确选择覆盖剂或熔 剂 ， 正确控制炉温， 正确控制炉气性质，一般以控制微氧化性气氛较好， 碎屑散料 应制成捆或团使用 ，利用脱氧剂使基体金属的氧化物还原，采用真空熔炼或保护性气体 熔炼，加入少量的 1 的表面活性元素 三、黄铜的熔铸技术特点？ （ 1）锌易挥发熔损，特别是高锌黄铜，有脱氧和去气作用，故易于熔炼且不需用特殊 精炼措施。 （ 2）在铸造过程中易氧化生渣，造成表面夹渣，复杂黄铜则易生裂纹，要特别注意保 护熔体。 四、在熔炼合金时为什么要使用中间合金，怎么制备中间合金？ 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。 制备方法有四种：熔合法，热还原法， 熔盐电解法，粉末法。 五、影响凝固传热的因素有哪些？它们是怎么影响凝固传热的？ （ 1）金属性质。金属的导温系数代表其导温能力的大小，大，铸锭内部温度易于 均匀，温度分布曲线就比较平坦，温度梯度小；反之，温度分布曲线就比较陡，温度梯度大。 （ 2）锭模涂料性质。铸锭的凝固主要是因为模壁吸热而进行的，铸锭的凝固速度主要 取决于锭模的冷却能力。涂料分为耐火性和挥发性两 种。耐火涂料导热性差，增大铸锭 /模 壁界面的热阻，故降低铸锭的凝固速度，延长凝固时间。挥发涂料留在模壁上的残焦，可减 少界面热阻，使传热性能有所改善。 （ 3）浇注工艺。浇注温度，对铸锭断面的温度分布影响不大，但是影响金属流动性、 二次氧化、吸气、缩松、表面质量等。浇注速度，提高浇注速度，带入模中的热量多，因 此铸锭断面的温度梯度大，同时凝固速度增大。冷却强度 ，冷却强度大，铸锭断面的温度 梯度大，铸锭的凝固速度也大。 六、浇注温度 是怎样影响铸锭的组织的？ 浇注温度高，将促进枝晶粗化； 浇注温度高会使表面等轴晶 区变窄； 随着浇注温度提高，柱状晶区变宽，等轴晶变粗； 适当提高浇注温度，充分预热注管，有助于光亮晶的减少； 适当提高浇注温度，可减少游离化合物初晶的数目，有利于防止粗大化合物初晶的形 成； 浇注温度高有利于形成羽毛状晶，反之则抑制羽毛状晶形成； 适当降低浇注温度，一定程度上能使晶粒细化； 浇注温度浇注速度过高、冷却速度过大 ， 会增大铸锭的热裂倾向 ； 浇注温度会 影响金属流动性、二次氧化、吸气、缩松、表面质量等 。 缩孔与缩松：在铸锭中部，头部晶界及枝晶间等地方常有些宏观和微观的收缩孔洞，通称缩 孔。缩小而分散的缩孔称为缩松。 中间合金：冶炼时为了加入某些熔点较高且不易溶解或易氧化、挥发的金属元素而将他们与 母体金属制成合金而冶炼中间加入此合金称为中间合金。 金属的吸气性：在加热和熔炼过程中，固态和液态金属都有一定的吸收 H2,O2,N2 等气体的能 力这种性质叫金属的吸气性。 变质机理：是指向金属液内添加少量物质，促进金属液生核或改变晶体生长过程的一种方法。 配料程序：首先据化学成分加工及使用性能，不确定就算成分。其次据原材料库存情况及化 学成分合理选择炉料种类品味和配料比。最后根据铸锭规格尺寸及熔炉容量，计算每炉的所 有炉料量进行过称及吊装。 偏析 :铸锭中化学成分不均匀的现象。 铸造热应力：铸锭凝固过程中由于温度变化引起的应力。 金属中的非金属夹渣物：金属中非金属化合物如氧化物氮化物硫化物以及硅酸盐等大都以独 立相存在，统称为非金属夹渣物。 比重差除渣精炼原理： 当金属熔体在高温静置时，非金属夹渣物和金属比重不同，因而产生 上浮下沉。 过冷度：熔融金属平衡状态下的相变温 度与实际相变温度的差值。纯金属的过冷度等于其熔 点与实际结晶温度的差值，合金的过冷度等于其相图中液相线温度与实际结晶温度的差值。 顺序凝固：纯金属和共晶合金的结晶温度范围等于零，他们在凝固过程中固相区和液相区， 没有凝固区，铸锭已顺序方式进行凝固。 金属的脱氧：向金属液中加入与氧亲和力比基本金属与氧亲和力大的物质。 宏观偏析：在较大范围内的偏析称为宏观偏析。 热裂：在凝固过程中产生的裂纹。 变质剂：促进金属液生核或改变晶体生长过程的物质。 成分过冷：如果界面前沿液体实际温度低于 TL，则这部分液体处于过冷状态。 正偏析：在顺序凝固条件下，溶质 KL 的合金越是后结晶的固相。溶质含量越低。 配料和加料的基本原则？ 答：成分原则，质量原则，工艺原则，经济原则，物料平衡原则 如何进行 熔体质量炉前检查？ 答：主要评价熔体的精炼效果和非金属夹杂物的检验。 影响金属凝固传热的因素？ 答：金属性质，锭模涂料性质，浇注工艺 什么铸锭组织被称为具备正常的晶粒组织？ 答：表面细等轴晶区然后柱状晶区和中心等轴晶区 为什么提高浇注温度有可能形成较大的 等轴晶、较长的柱状晶？ 答：提高浇注温度，游离晶重熔的可能性增大，固有利于扩大柱状晶区，但浇注温度提高延 长了形成稳定凝壳的时间，温度起伏大，固也有利于等轴晶的形成 。所以随着浇注温度的提 高，柱状晶区变宽，等轴晶变粗 试分析铸锭中热裂与冷裂形成的原因，如何防止？ 答：热裂：液膜理论认为，铸锭收缩受阻，液膜在拉应力作用下被拉神，当拉应力或拉伸量 足够大时，液膜破裂，形成晶间热裂纹。强度理论认为：合金在线收缩开始温度非平衡固相 点的有效结晶温度范围，强度和塑形极低，故在铸造应力作用下易于热裂，裂纹形成功理论 认为：裂纹形 成功小 ，裂纹易形核，铸锭热裂倾向大。 冷裂：铸锭冷却到温度极低的弹性状态时，因铸锭内外温差大，铸锭应力超过合金的强度极 限而产生 如何防止：合理控制合金成分，选择合适的工艺。变质处理。 减少铸锭中的非金属夹渣有哪些主要方法？ 静置澄清法，浮选法，溶剂法，过滤法 为什么圆锭形成中心裂纹的倾向大？ 答：浇注速度一定的情况下，铸锭拉出结晶器后，外层受 二次水冷而强烈收缩，但此时内层 温度高收缩量小，阻碍外层收缩产生拉应力，内层受压应力，一段时间后，外部温度低冷却 速度小，中部温度高冷却速度大，收缩量大，内部受拉应力而易产生中心裂纹 向金属体中吹入惰性气体，有什么精炼作用？为什么？如何提高其精炼效果？ 答：充入惰性气体会产生吸附作用。向金属熔体中导入惰性气体或加入的溶剂能产生中性气 体，在气泡上浮过程中，与悬浮状态的夹渣相遇时，夹渣便可能被吸附在气泡表面而被带出 熔体。溶剂的吸附能力取决于化学组成，当增大金属与溶剂间的界面张力，金属与夹渣间的 界面张力，降低夹渣与溶 剂间的界面张力会加速金属与夹渣的分离 分析铸锭对金属熔体质量的要求？ 答： 1.金属熔体中金属晶粒的细化度，防止出现异常粗大晶粒与羽毛状晶。出现表层粗晶粒 会让铸锭表面产生条纹，出现悬浮晶会降低板材表面质量，出现粗大金属间化合物会降低铸 锭的塑性 ，出现羽毛状晶会影响加工制品组织和性能的均匀性 2.金属熔体中是否脱除溶解于金属熔体中的气体，对于提高金属熔体质量和保证获得合格铸 锭溶解于合金中的氢是使铸锭产生气孔，疏松，板带材气泡及分层的主要原因，甚至使材料 发生氢脆 S 和 P 在钢中的再分布系数 KpO2 条件，反应才能自动向右进行。大气中氧的分压 为 2.1104Pa，而在熔炼温度下，大多数金属氧化物的分解压都很小。在大气中熔炼金属时 氧化反应是不可避免的。 合金熔体的氧化： 在熔炼过程中，氧化反应主要是在合金熔体和炉渣中进行。自由焓变量的计算式与纯金属的 氧化类似，但必须考虑分别为组元的浓度、活度系数 和质量百分比浓度。 在实际熔炼条件下，元素的氧化反应不仅与 G0有关，而且与反应物的活度和分压有关。改 变反应物或生成物的活度与炉气中反应物的分压，可影响氧化反应进行的趋势、顺序及程度， 甚至改变反应进行的方向。这就是人们进行控制或调整氧化还原反应的理论依据。 氧化的动力学： 金属氧化机理和氧化膜结构： 氧化过程的几个环节： 1.外扩散； 2.内扩散； 3.界面化学反应 控制性环节：内扩散和界面化学反应两个环节哪一个是控制环节，取决于氧化膜的性质。而 氧化膜的性质主要是其致密度，它可以用 Pilling-Bedworth 比 （ P-B 比），即氧化膜致密性 系数来衡量。定义为氧化物的分子体积 VM 与形成该氧化物的金属原子体积 VA 之比，及 =VM/VA 各种金属由于其氧化膜结构不同，对氧扩散的阻力不一样，因而氧化反应的控制性环节及氧 化速率随着时间变化的规律也各不相同。当 1 时，生成的氧化膜一般致密，连续，有保 护性作用。当 1 的表面活性元素 金属的吸气性 气体在金属中的存在形式及来源： 气体存在形式： 气体在铸锭中有 3 种存在形态：固溶体、化合物、气孔。气体和其他元素一样多以原子状态 固溶于金属晶格内，形成固溶体。超过溶解度的气体及不溶解的气体，则多以气体分子吸附 于固溶体夹渣上，或以气孔形 态存在。若气体与金属中某元素间的化学亲和力大于气体原子 间的亲和力，则可与该元素形成化合物，如 TiN、 ZrN、 TiH、 BeH、 Al3O3、 MgO 等夹渣。在 熔炼过程中，最常与金属熔体接触且危害较大的化合物气体是水蒸气，其次是 SO2，另外还 有 CO、 CO2 等。水蒸气与金属接触反应产生的氢和氧易被金属吸收。 SO2能与铜、镍及铁等 反应，使金属中的硫含量和氧含量增加。无论是分子气体还是化合物气体，都不能直接溶解 于金属熔体中。首先，它们要在金属表面分解成单质气体的原子，然后才能被金属吸收。另 外，金属熔体中的气体还可以 -Al2O3 xH 等络合物形式存在。有时也可以吸附层或气泡状 态少量地存在于非金属夹杂物中。 气体的来源： 1.炉料 2.炉气 3.耐火材料 4.溶剂及精练气体 5.操作工具 气体的溶解度及影响因素： 金属和气体的性质： 金属吸气的能力是由气体与金属的亲和力决定的。在一定温度和压力下，气体在金属中的溶 解度是金属与气体亲和力大小的标志。金属与气体的亲和力不同，气体在金属中的溶解度也 不同。在熔点温度，无论是固态或是液态，氢在铁、镍、镁、钛、锆等金属中的溶解度都比 在铝和铜中的高。同时，金属在相变温度时，氢的溶解度变化较大。因此 ，在金属凝固时， 过饱和的氢就会析出，此时最易在铸锭中形成气孔。在凝固温度范围的金属中，固液态含气 量相对变化值越大，则金属铸锭中越易形成气孔缺陷。蒸汽压高的金属，由于具有挥发去吸 附作用，会显著降低其他在金属中的溶解度。 气体的分压 ： 双原子气体在金属中的溶解度与其分压的平方根成正比。在含有水蒸气的炉气中，即使水蒸 气的含量甚微，也足以使铝、镁中的氢含量增加。 温度： 温度对溶解度的影响取决于溶解热。当溶解热为正值吸热时，溶解度随温度升高而增大，以 原子状态溶解于金属熔体的气体都如此。当气体能与金属形成化合物且熔解 热为负（即放热 反应）时，其溶解度随温度升高而降低。 合金元素： 在实际的多元系合金熔体中，气体的溶解度除受制于气体的温度和分压外，还在一定程度上 受到合金成分的影响。与气体有较大亲和力的合金元素，通常会使合金中的气体溶解度增大； 与气体亲和力较小的合金元素则相反。 吸气的动力学过程及影响因素： 吸气过程 ： 吸气过程即气体在金属中溶解过程，主要分为吸附和扩散两个阶段。 （ 1） 吸附阶段： 金属吸附气体有两种形式，即物理吸附和化学吸附。物理吸附最多只能 覆盖单分子层厚度。气体能否稳定地吸附在金属表面，取决于金属表面张力场的强 弱 、温度的高低及气压的大小。表面张力场大，则易吸附而不易脱落。随温度的升 高，气体分压的减小，或金属蒸汽压的增大，物理吸附逐渐减弱，吸附气体的浓度 就降低；反之则有利于物理吸附。物理吸附热不大，很快就能打到平衡。只有在气 体离解为原子时，气体才能为金属液所吸收。惰性气体虽属单原子气体，但它们与 金属原子之间没有亲和力，只能进行物理吸附而没有化学吸附，故不能溶解在金属 中。化学吸附速度随温度升高而加快，至一定温度后达到最大；继续升温反而减小。 化学吸附是金属吸收气体必经的过渡阶段。 （ 2） 扩散阶段 ：被吸附在金属表面的气体原子，只 有向金属内部扩散，才能溶解于金属 中。扩散过程就是气体原子从浓度高的表面向浓度低的内部运动的过程。显然，浓 度差越大，温度越高，扩散速度也越快。 综上所述，金属吸收气体由以下 4 个过程祖成： 1.气体分子碰撞到金属表面 2.在金属表面上 气体分子离解为原子 3.以气体原子状态吸附在金属表面上 4.气体原子扩散进入金属内部。 前三个过程是吸附过程，最后一个过程是扩散溶解过程。金属吸收气体时，实际上这四个过 程是同时存在的。而占支配地位的是扩散过程，它决定着金属的吸气速度。在溶解气体达到 饱和浓度以前，吸气速度越快，金属与气体接触 的时间越长，金属吸收的气体量就越多。 影响金属实际吸气量的因素： 在合金一定时，熔体中的实际气体含气量取决于吸气速度、熔炼温度及时间等。从气体溶解 机制可知，金属吸气速度主要决定于气体的扩散速度。由菲克第一扩散定律和平方根定律可 知，气体分压越大，温度越高，扩散系数越大，金属吸气速度就越快。气体分压越大，气体 在金属表面的浓度就越高，故气体在金属中的浓度梯度越大，致使扩散速度加快。 金属中气体的扩散系数与合金元素有关。例如：镁和钛都显著降低氢在铝液中的扩散系数。 上面分析了金属吸气的一般规律即热力学和动力学条件。 在熔炼一定成分的合金时，熔体的 实际含气量主要取决于熔炼工艺和操作。 首先是尽可能减少金属吸气，严防水分和氢的载体接触炉料或熔体；然后配合以有效的脱气 措施，尽可能降低金属熔体的含气量。 金属的挥发性 金属由固态或液态转变为气态的现象统称为挥发，它是金属重要的熔炼特性之一。金属的回 复有利于精练提纯，但在高温熔炼时会导致有效金属成分的挥发损失。由于各金属元素的挥 发程度不同，挥发损失各异，故使合金成分控制困难。挥发的金属蒸气及其氧化物污染环境， 危害人身健康。因此，应研究金属挥发的规律，以便采取适当的措施减少挥发损失 。 挥发的热力学 金属的挥发相变反应式为 Me（ l， s） =Me（ g） 在某一温度达到平衡时，气相中金属的蒸气分压称为该金属在该温度下的饱和蒸气压，简称 蒸气压。在相同条件下，蒸气压高的金属一般易于挥发。金属的挥发能力也可用其蒸气热或 沸点来判断，一般蒸发热小、沸点低的金属较易挥发。在外压一定时，纯金属的蒸气压只取 决于该金属所处的温度。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。 温度升高，金属蒸气压增大，即挥发趋势增强。 挥发的动力学 挥发速率随着体系趋于平衡状态而减小，其数量关系可用 Dalton 经验公式表示， )(bU 0V MeMe ppp ，式中 uV 表示挥发速率； p、 p0Me 及 pMe分别表示体系的外压、金属的 蒸气压和实际分压； b 是量度单位和金属性质有关的常数。 金属的挥发速率与金属蒸气压和实际分压的差值成正比。当金属的蒸气压大于实际分压时， 挥发速率为正；反之为负，不是凝聚相的挥发，而是蒸气相的凝聚。因此凡影响金属蒸气压 和实际分压的因素都会影响挥发速率。外压对金属蒸气压的影响很小，但外压对挥发过程的 动力学却有着显著的影响。外压减小，挥发速率将迅速 增大。 在真空熔炼过程中，金属的挥发随着压力的降低而加速。这是因为在挥发的同时，存在一个 金属蒸气原子相互之间或与气体分子之间的碰撞而返回熔体的“回凝”过程。真空度高时， 炉气中金属蒸气原子和气体分子的平均自由程增大，质点间碰撞的几率减少，回凝速率减小， 因而净挥发速率增大，同理，向真空室内通入惰性气体，可降低挥发速率和挥发损失，这对 于真空熔炼具有重要意义。 影响金属挥发损失的因素和降低挥发损失的方法 影响因素： 1.熔体温度 ：在其他条件一定时，金属的温度越高，其蒸气压越大，挥发速率越快，挥发损 失就越大； 2.金 属及合金元素： 凡增大该组元活度系数的合金元素，都会增大其挥发损失； 3.炉膛压力： 炉膛压力对金属挥发损失影响很大，一般炉膛压力越小，挥发损失越大； 4.其他因素： 金属的挥发损失还与金属处于高温液态的时间、金属的比表面积和氧化膜的性 质有关。金属处于高温液态的时间越长，比表面积越大，搅拌及扒渣次数越多，其挥发损失 也越大。熔体表面有致密氧化膜或溶剂及炉渣覆盖时，可降低挥发损失。反之，在还原性炉 气中熔炼时，由于熔体表面无保护性氧化膜，挥发损失会加大。 降低挥发损失的方法： 与降低氧化烧损的方法基本相同。易挥发元素宜 在脱氧后或熔炼后期加入。在真空熔炼时， 用较高的真空度来提高精炼效果和降低氧化烧损；在炉内冲入惰性气体来减少挥发损失和准 确控制合金成分。 金属的吸杂性 杂质的吸收和积累： 金属中的杂质除来自金属炉料外，在熔炼过程中还可能从炉衬、炉渣或炉气中吸收。旧料的 多次重熔，其吸收的杂质可能积累起来。 杂质的吸收和积累主要是金属熔体与炉衬、炉渣、炉气吸收及操作工具相互作用，或因混料 造成的结果。这与合金和炉衬的性质、纯度和熔炼工艺有关。 从炉衬中吸收杂质 ：炉衬材料一般由氧化物，如 MgO、 Al2O3、 Cr2O3、 SiO2 等组成 。当熔体 中某元素氧化物的分解压低于炉衬中某氧化物的分解压时，就可能发生置换反应。在酸性炉 衬的熔炉内熔炼铝青铜、铝白铜或含铝镍合金时，或用铁坩埚熔炼铝合金及含镁铝合金时， 都会因产生下列反应而使合金增硅或增铁。 3SiO2+4Al=2Al2O3+3Si 3FeO+2Al=Al2O3+3Fe 反应生成的硅或铁为熔体所吸收。熔炼温度越高，金属在炉内运动越强烈，这种固液两相间 的反应进行得越剧烈。尽管每次熔炼所吸收的杂质量有限，但由于部分炉料的多次重复使用， 杂质会逐步积累而增多。 在真空、高温下熔炼化学活性强的钛 锆等金属时，它们几乎能与所有耐火材料反应而吸收杂 质。只有用水冷铜坩埚代替耐火材料坩埚或用磁悬浮法或自耗电极的方法才能解决炉衬污染 问题。 从炉气中吸收杂质： 使用含硫的煤气或重油燃料时，在加热和熔炼铜、镍的过程中，就可使 下列反应向右进行而增硫 2Cu+S=Cu2S 3Ni+S=Ni3S 即使吸收微量的硫，其危害性都是非常明显的。例如，镍锭中的硫含量超过 0.0012%时热轧 即开裂，铜锭中硫的质量分数超过 0.0021%时热加工易裂。 从熔剂和熔炼添加剂中吸收杂质： 熔剂选用不当时，不仅精练及保护作用不佳，有时反 而 会使溶剂中的某些元素进入熔体中，增加杂质含量。如用木炭作为某些白铜熔体的覆盖剂时， 在高温下会使熔体增碳。当合金碳含量超过其溶解度时，结晶过程中碳就会以石墨形态沿晶 界析出，导致合金轧制困难。在米糠或麦麸覆盖下熔炼铜及铜合金时，发现随着重熔次数增 加，熔体中磷含量会随之增加。钠盐熔剂覆盖高镁铝合金时易出现钠脆。在熔炼紫铜及各种 铜合金时，大都需要向熔体中加入一定数量的覆盖剂、脱氧剂等添加剂。当旧料多次反复使 用时，这类添加剂的残留量以及积累情况必须引起注意。 从炉料及炉渣中吸收杂质： 金属炉料尤其是回炉废料含多种杂质 。用同一熔炼炉先后熔炼两 种成分不同的合金时，由于两种合金的主要成分及杂质含量各不相同，残留在炉内的熔体及 炉渣都可能是杂质的来源之一。 减少杂质污染金属的途径 1.选用化学稳定性高的耐火材料 2.在可能的条件下才用纯度较高的新金属料以保证某些合 金的纯度要求 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，或用适当的涂料保护好 5.变料或转换合金时，应根据前后两种合金的纯度 和性能要求，对熔炉进行必要的清洗处理 6.注意辅助材料的选用 7.将强炉料管理，杜绝混料 现象。 第二章 熔体净 化技术 将金属中杂质去除的精炼提纯方法，分为火法精炼和电解提纯两大类。电解提纯法通常又分 为湿法电解和熔盐电解两种。火法精练中，氧化精炼是除去某些杂质的经济有效的方法。采 用氧化精炼应具备 3 个条件： 1.基体金属的氧化物能溶解于自身金属液中，并能氧化杂质元 素 2.杂质元素氧化物不溶于金属液体中，并易与后者分离 3.基体金属氧化物可用其他元素还 原。分析表明，铝、镁等金属都不能满足上述条件，这种方法一般只适用于铁、铜、镍等金 属。在有色金属中，紫铜是可用氧化精炼法除去杂质的典型金属。氧化精炼过程通常分为杂 质的氧化和基体金属 的还原两个阶段。 除渣精炼 非金属夹杂物的种类和来源 金属中非金属夹杂物，如氧化物、硫化物、氯化物以及硅酸盐等大都以独立相存在，统称为 非金属夹杂物，一般简称为夹杂或夹渣。 按夹渣的存在形态可分为两类： 1.薄膜状，如铝合金中的氧化铝膜，其危害甚大，加工时易 造成开裂和分层 2.不同大小的团块状或粒状夹渣，尺寸小的夹渣以微粒状弥散分布于金属熔 体中，不易去除。 按夹渣的来源可分为 :1.外来夹渣，由原材料带入的或在熔炼过程中进入熔体的耐火材料、熔 剂、锈蚀产物、炉气中的灰尘以及工具上的污物等 2.内生夹渣，金属加热及熔炼时 ，金属与 炉气和其他物质相互作用生成的化合物（如氧化物、碳化物、氮化物和氢化物等）。 除渣精炼的原理： 密度差作用： 机理：当金属熔体在高温静置时，非金属夹杂物与金属熔体因密度不同而产生分离，发生上 浮或下沉。球形固体夹杂颗粒在液体中上浮或下沉的速度服从 Stokes 定律： 9 )(g2u 2rpp iMe 由定律可知，夹渣的上浮和下沉速度与两者的密度差成正比，与熔体的黏度成反比，与夹渣 颗粒半径平方成正比。夹渣主要是靠增大尺寸以便与熔体分离。夹渣颗粒一般以不同尺 寸的 混杂存在，较大颗粒上浮得快，在其上浮的过程中，将吸收其他较小夹杂而急速长大。但 r 0.001mm 的球形夹杂难以用静置法除去。 吸附作用 : 机理：向金属熔体中导入惰性气体或采取加入熔剂产生中性气体，在气泡上浮过程中，与悬 浮状态的夹渣相遇时，夹渣便可能被吸附在气泡表面而被带出熔体。加入金属熔体中的低熔 点熔剂，在高温下与非金属夹杂物接触时，也会产生润湿和吸附作用。熔剂之所以能吸附熔 体中的非金属夹杂物，主要是受到界面能的作用，驱动力来自于界面能的降低。 熔剂的吸附能力取决于化学组成。就铝合金而言，其他条件相同时 ，氯化物的润湿吸附能力 要比氟化物好；碱金属氯化物比碱土金属好；氯化物和氯化钾的混合物要比纯氯化物好。在 氯化物和氯化钾的混合物中加入少量氟化物如冰晶石，其吸附能力可大大提高。 溶解作用： 机理：非金属夹杂物溶解于液态熔剂后，可随溶剂的浮沉而脱离金属熔体。熔剂溶解夹渣的 能力取决于其分子结构和由此产生的化学性质。当它们的分子结构和化学性质相近时，在一 定温度下就能互溶。 化合作用： 机理：以夹渣和熔剂之间有一定亲和力并能形成化合物或络合物为基础。碱性氧化物和酸性 熔剂，或酸性氧化物和碱性熔剂在一定温度条件下可相互作用 形成体积更大，熔点更低，且 易于与金属分离的复盐式炉渣。根据其密度大小，在熔体中可上浮或下沉而去除。 化合造渣作用主要在金属熔体表面进行，在炉渣与炉衬接触处也会发生这种反应。悬浮于金 属熔体中的非金属夹杂物，在分配定律和密度差的作用下，不断从熔体内部上浮到表面炉渣 中参与造渣反应。熔炼铜、镍合金及钢时，造渣反应得到广泛的应用。 由于化合造渣反应是多相反应，其总的反应速度主要取决于扩散传质速率，因此，反应的温 度和浓度等条件对化合造渣影响很大，故熔炼温度较高的铜、镍等合金更适合用化合造渣精 炼法除渣。 氧化精炼机理：利 用氧将金属中的杂质氧化成渣或生成气体而将渣排除的过程，其实质是利 用化合作用除渣。杂质含量较高的金属原料往往采用此方法除杂精炼。 氧化精炼热力学条件：杂质元素对氧的亲和力大于基体对氧的亲和力。 氧化精炼方法：把含有杂质的金属熔体在氧化气氛下熔化，或将纯氧、空气或富氧空气导入 金属池或熔池表面，有时也可加入固体氧化物（如基体金属氧化物）。此时杂质元素 Me氧 化生成氧化物 MeO,或以独立固相析出，或溶入炉渣中，或以气体形式挥发而与基体金属液 分离。当氧化性炉气直接与金属熔体接触，或以气体形式导入熔体中时，在气体与熔 体接触 界面发生如下反应，即 2Me+O2=2MeO 2Me+O2=2MeO 由于杂质 Me的浓度小，直接与氧气接触几率小，故杂质按上式直接被氧化的反应可能性小。 因此，主要发生下列反应而使杂质 Me氧化： MeO+Me=MeO+Me 转炉法炼铜以及现代转炉法炼钢均用这种传氧方式来氧化杂质。 脱氧原理及脱氧剂：氧化精炼后，金属熔体中含氧量高，为降低其含氧量和氧化损失，必须 进行脱氧。所谓脱氧就是向金属液中加入与氧亲和力比基体金属与亲和力更大的物质，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 态和气态脱氧产物而排除的工艺过 程。 元素的脱氧能力是指在一定温度下，与一定浓度的脱氧元素相平衡的含氧量的高低，平衡的 含氧量高则脱氧能力弱；反之，平衡的氧含量低则脱氧能力强。 脱氧剂的选择： 1. 脱氧剂与氧的亲和力应明显地大于基体金属与氧的亲和力，它们相差越大，其脱氧能力 越强，脱氧反应进行得越完全、越迅速； 2. 脱氧剂在金属中的残留量应不损害金属性能； 3. 脱氧剂要有适当的熔点和密度，通常多用基体金属与脱氧元素组成中间合金作为脱氧 剂； 4. 脱氧产物应不溶于金属熔体中，易于凝固、上浮而被去除； 5. 脱氧剂来源广、无毒，与环境的相容 性好。 脱氧方法及特点： 沉淀脱氧：将脱氧剂 M 加入到金属熔体中，使它直接与金属中的氧进行反应，脱氧产物以 沉淀形式排除，故名沉淀脱氧。沉淀脱氧反应是在熔体内部进行的，作用快，耗时少。但脱 氧产物不能排除干净时将增加金属中的非金属夹杂物含量，残余的脱氧剂很可能恶化金属的 使用性能。 扩散脱氧：将脱氧剂加在金属熔体表面或炉渣中，脱氧反应仅在炉渣 /金属熔体界面上进行。 溶于金属中的氧会不断地根据分配定律向界面扩散而脱氧，故称扩散脱氧。与沉淀脱氧比较， 扩散脱氧的最大优点是脱氧剂及脱氧产物很少或不会污染金属，因而可得到高质 量高纯洁度 的金属液。其缺点就是脱氧反应速度慢、时间长。 真空脱氧：在低压下，凡伴随有气相形成的反应过程都进行的迅速、完全，如形成 CO 和 H2O 等气体或镁、锰等金属蒸气的各种反应都能顺利进行。真空条件下，元素及其氧化物的 挥发程度与常压不同。某些金属的蒸气压比其氧化物的蒸气压高，而另一些金属的蒸气压则 比其氧化物的蒸气压低。，后一种情况，在足够高的温度和真空度下，氧化物容易从金属中 蒸发出来而明显增强脱氧效果。这种由于氧化物的蒸发而使金属脱氧的现象称为自脱氧。总 之，真空脱氧的特点是，借助形成气态脱氧产物，可增强脱氧剂 的脱氧能力，加快脱氧过程， 提高脱氧程度。 机械过滤作用： 所谓机械过滤作用，是指当金属熔体通过过滤介质时，对非金属夹杂物的机械阻挡作用。此 外，过滤介质还有对夹杂物的吸附作用。通常过滤介质间的孔隙越小，厚度越大，金属熔体 流速越低，机械过滤效果越好。但在实际生产中，如果静压过小，流速太低，会影响生产效 率，增加过滤层厚度也可以获得较好的净化效果。 除渣精练的方法： 静置澄清法： 此法适用于金属熔体与非金属夹杂物密度差较大，且夹杂物颗粒尺寸适中的合金。静置除渣 所需时间随着金属熔体黏度的增大而延长，金属液的黏度与温度 、化学成分及固体夹渣的形 状、尺寸、数量等因素有关。 该法费时耗能，且难以除去细小分散的夹渣。一般要在一定的过热温度下，用熔剂搅拌结渣， 然后静置一段时间，才能收到一定的效果。 浮选法： 浮选法是利用通入熔体的惰性气体或加入的熔剂所产生的气泡，在上浮过程中与悬浮的夹渣 相遇时，夹渣被吸附到气泡表面并被带到熔体液面的熔剂中去。此法对熔点较低的铝合金、 镁合金等较为有效。气泡的数目多、尺寸大、浮选效果好。所用惰性气体一般为氮气或氩气。 铝合金还常用以氯盐为主的熔剂作浮选剂。 溶剂法： 熔剂法通过熔剂与夹渣之间的吸附、溶解 和化合作用而实现除渣。根据夹渣与金属熔体的相 对密度不同，可分别采用上熔剂法和下熔剂法。 1. 上熔剂法：若夹渣的密度小于金属熔体，它们多聚集于熔池上部及表面，此时应采用上 熔剂法。上熔剂法所使用的熔剂在熔炼温度下的密度小于金属液。熔剂加在熔池表面， 熔池上层的夹渣与熔剂接触，发生吸附、溶解或化合作用而进入熔剂中。此时，与熔剂 接触的一薄层金属液较纯，其密度比含渣的金属液大而向下运动。与此同时，含夹渣较 多的下层金属液则上升与熔剂接触，其中的夹渣又不断地与熔剂发生吸附、溶解或化合 而滞留在熔剂中。这一过程一直进行到整个熔池内 的夹渣几乎都被熔剂吸收为止。重有 色金属及钢铁多采用这种除渣方法。 2. 下熔剂法：若夹渣的密度大于金属熔体，则多聚集于熔池下部或炉底，且自上而下逐渐 增多，此时应采用下熔剂法，又称沉淀熔剂除渣精炼法。下熔剂法所使用的熔剂，在熔 炼温度下密度大于金属液的密度。加入熔池表面后，它们逐渐向炉底下沉。在下沉的过 程中与夹渣发生吸附、溶解或化合作用，并一起沉入炉底。镁及镁合金多采用这种除渣 法。 过滤法： 根据所使用的过滤介质不同，过滤法可分为下列几种， 1. 网状过滤法：此法是让熔体通过由玻璃丝或耐热金属丝制成的网状过滤器，夹渣受到机 械力阻挡而与熔体分离。这对于除去薄片状氧化膜和大块夹渣效果显著。这种过滤器结 构简单，制造方便，可安装在静置炉到结晶器之间的任何部位。但它只能滤掉那些比网 格尺寸大的夹渣，因而净化作用较差，过滤器易于破损，寿命短，需频繁更换。 2. 填充床过滤法：这种过滤器是由不同尺寸，不同材料（熔剂、耐火材料、陶瓷等），不 同形状（球形、块状、颗粒状、片状等）的过滤介质组成的填充床。填充床除具有机械 阻挡作用外，还有过滤介质与夹渣之间的吸附、溶解或化合作用。该法的优点是熔体与 过滤介质之间有较大的接触面积，过滤除渣效果要比网状过滤法要好 。通常过滤层越厚， 介质粒度越小，过滤效果越好，但粒度过小会影响熔体的流量，降低生产率。该法的缺 点是装置笨重，占用场地面积大，使用过程中要加热保温，能耗高，有时还易产生“沟 流”现象。 3. 刚性微孔过滤法：刚性微孔过滤器分陶瓷微孔管过滤器和陶瓷泡沫过滤器。陶瓷微孔过 滤管是一种具有均匀贯穿微孔的刚性过滤器。当含有夹渣的金属液从中通过时，夹渣在 管壁的摩擦、吸附、惯性沉降等作用下与金属熔体分离而留在管内，金属熔体则可通过 此微孔。此法可滤除比微孔尺寸小的微粒夹渣。它是目前最可靠的熔体过滤法之一。其 缺点是过滤成本高，且晶粒细 化剂有时也可能被截留。陶瓷泡沫过滤器是用氧化铝、氧 化铬等制成的海绵状多孔物质，简称 CFF。其厚度大约为 50mm，原则上每通过一次熔 体后就要更换 CFF。此法设备费用便宜，操作使用也简单，已得到广发采用。不足之处 是 CFF 性脆，安装后要仔细清扫。 影响溶剂除渣精练效果的因素： 精练温度： 在熔剂一定时，影响熔剂吸附、溶解和化合造渣作用的主要因素是温度。 整个造渣过程，尤其是化合和溶解过程，是由扩散传质速率所控制的。要提高化合和溶解造 渣效果，就要提高精炼温度。另外，提高精炼温度对吸附造渣也是有利的。过高的精炼温度 对 脱气不利，而且可能粗化铸锭晶粒。 一般是在高温进行除渣精炼，然后在较低温度下进行脱气，最后保温静置。 溶剂： 熔剂的吸附、溶解和化合造渣能力与其结构、性质及熔点等有关。 氧化物熔点高，且不为金属液润湿，在金属熔体中多呈分散的固相质点。要造渣除去这些固 体夹渣，首先熔剂要有润湿氧化物的能力。实际表明，熔剂的熔点和表面张力越低，其吸附 造渣能力就越强。 熔剂的化合造渣能力，主要取决于熔剂与夹渣之间的化学亲和力。酸性或碱性较强的熔剂， 其化合造渣能力也强，如玻璃、硼酸、苏打、石灰等。 在结构上与夹渣接近的熔剂，一般都具 有一定的溶解造渣能力。 精练时间： 一般在加入精炼熔剂并充分搅拌后，或在金属液转注到保温炉或中间浇包后，应使金属液静 置一段时间，使熔剂和夹渣能上浮到液面或下沉到底部去。 轻合金中含有夹渣的熔剂与金属液的密度差较小，即使静置较长时间，熔剂和夹渣仍可在熔 体中呈悬浮状态。 随着静置时间的延长，金属可能继续氧化生渣，使熔体逐渐变稠，故轻合金即使采用较长的 静置时间也难以获得满意的除渣效果。 其他因素： 熔剂与夹渣接触面积越大，它们之间的吸附、溶解和化合作用就进行的越充分。夹渣或吸收 夹渣的熔剂颗粒由于碰撞而聚集长大，可 加速与金属熔体的分离过程。 生产中通常使粉状熔剂，并在熔体上充分搅拌以增大熔剂与夹渣的接触面积和碰撞几率。 脱气精练 分压差脱气的热力学 气体溶于金属熔体和从金属熔体中脱除，在一定条件下可逆。在一定温度和压力下达到平衡 时： 2 2-R Tl n-R Tl nK pG HP H 若金属中气体含量一定，而气体的实际分压为 H 2p ，从热力学分析，平衡移动时， HHp0 2 2ppR Tl nR Tl n QGG 当 H 2p 2Hp 时， Gw(Si) 试样成分 2.40 0.60 0.06 0.25 0.25 余量 Al-Mn 10.00 0.50 0.40 余量 3.0 Al-Fe 10.00 0.50 余量 5.2 Al-Ti 4.00 0.60 0.40 余量 5.9 Mg-1 100 43.7 由表可知，主要成分镁、钛和杂质铁含量不足，需要补料。按上述要点应先计算铁，然后计 算钛和镁。即 ： Al-Fe 1000（ 0.30-0.25） /(10-0.30)=5.2kg Al-Ti 1000(0.08-0.06)+5.2*0.08/(4-0.08)=5.9kg 锰和硅本不需要补料，但因补加其他炉料后会失去平衡。锰为合金元素，需补加；硅属杂质， 其他补料中也会带人一些，故不另加。为了补锰，须先近似地算出镁的补料量： Mg 1000(6.4%-2.4%)=40kg 所以 Al-Mn (40+5.2+5.9)0.6/10=3kg Mg-1 (6.4+2.4)1000+(5.2+5.9+3)*6.4/(100-6.4)=43.7kg 核算镁：补料后熔体的总质量为 1000+5.2+5.9+3+43.7=1057.8kg 应含镁量为： 1057*6.4%=67.7kg。补料后实际含镁量为： 1000*2.4%+43.7=67.7kg。核算表明， 计算正确。 补料一般都用中间合金。熔点较高的纯金属也可以用，但不应使用熔点较高和难于溶解的新 金属料，以免延长熔炼时间。补料的投料量应越少越好。 冲淡 当炉前分析发现某元素含量超过标准化学成分范围上限时，则应根据下式进行冲淡处理 ma abx 式中 x 为冲淡应补加炉 料质量， kg； a 为冲淡后元素应有含量， %； b 为冲淡前元素含量， %； m 为炉内金属熔体质量， kg。 例如：已知炉内有 QA19-2 合金熔体 1000kg，炉前分析结果为 10.2%Al， 2.1%Mn，余量为铜。 设 QA19-2 的计算成分为 Cu-9.5%Al-2.1%Mn。可见，铝应冲淡。 将熔体内含铝量从 10.2%冲淡至 9.5%需冲淡料 kgx 7.731 0 0 05.9 5.92.10 冲淡料包括铜和锰，其中 kgCux kgx 2.725.17.73)( 5.1%1.27.73)Mn( 如冲淡用锰为 Cu-30%Mn 中间合金，则需 1.530%=5kg 需铜量为 72.2-（ 50.7） =68.7kg 核算铝和锰（从略）均符合要求，计算无误，可以投料。 冲淡要用新金属料。如用料较多，一方面要消耗大量纯金属，大幅度降低炉温，延长熔炼时 间，另一方面会使其他成分相应降低，应而还要追加补料量。这不仅计算繁杂，而且还可能 因冲淡和补料的投料量过多，使总投料量超过熔炼的最大容量，导致熔体溢出，所以冲淡在 生产上应尽量避免。 熔体质量检验 含气量测定： 测定金属含气量的方法有真空固体加热抽气法、真空 熔融抽气法。其分析精度和可靠性较高， 多应用于标准试样分析及质量管理的最终检查，不宜于炉前。 测定熔体含气量有定量法和定性法两类，定量法有常压凝固法和减压凝固法；定性法有第一 气泡法、惰性气体载体法（即惰性气体携带 -热导测定法或平衡压力法）、气体遥测法、同 位素测氢法、光谱测氢法、气相色谱法等。最近，气体遥测法已实现计算机控制，市场上已 出现了高速、可靠的机种。 减压凝固法： 精炼后的熔体，在一定真空度下凝固，观察试样凝固过程中气泡析出情况，或其表面，或断 口状态，即可定性地断定熔体含气量的多寡和精炼脱气的效果，凝 固后试样上表面边缘与中 心的高度差大，断口有较多的疏松和气孔，则熔体含气量多；反之，含气量就少。 第一气泡法： 该法的原理是在一定真空度下，当熔体表面出现第一个气泡时，即可认为氢的分压和在该真 空度下的相应压力相等。测量当时的压力和温度，并将与合金成分有关的常数 A、 B 带入式 pBTAc lg5.0lg ，就可以算出此时熔体的含气量。这种方法的设备简单、使用方便。 但第一气泡出现受到合金成分、温度、粘滞性、表面张力和氧化膜等因素的影响，不能连续 测量，且测量精度不 高。因此，该法使用受到限制。 惰性气体携带 -导热测定法： 利用循环泵将定量惰性气体反复导入熔体中，使扩散到惰性气体中的氢与熔体中氢达到平 衡，于是惰性气体中氢的分压就等于金属熔体中的氢分压。用分子筛分离，导热仪测定所建 立的氢的平衡压力。与此同时，测定熔体温度，将氢分压及熔体温度带人式 RTEepKc 2 ，即可求得熔体含气量。 非金属夹杂物检测 金属中非金属夹杂物检测包括鉴定其种类，观察其形态、大小及分析其含量。根据实际需要 与可能，对某种夹杂物的 某一项指标进行检测。 金属中非金属夹杂物含量的测定方法，按照样品处理情况及所用设备不同可分为化学分析法 （用溴甲醇分离，再用比色法定量分析铝合金中氧化铝含量）、金相法、特制工艺试样的断 口检查法、水浸超声波探伤法及电子探针显微分析法等。 正确地评价熔体质量仍是检验精炼效果及控制精炼工艺参数的重要依据，为此，必须解决检 测手段这种首要问题，亟待研制开发更精确实用的熔体质量在线检测技术。 第四章 凝固过程的液体金属流动和传热 液体金属的流动 （对流粘性流动） 液体金属的对流 （动量传输过程） 产生原因： 1.动量对流（浇 注时流体冲击引起）（不利影响：易卷入大量气体，增加金属的 吸气和二次氧化，不利于夹渣的上浮，使杂质含量增加） 2.自然对流（金属液内温度和浓度 不均引起） 3.强制对流（电磁场或机械搅拌及振动引起） 枝晶间液体金属的流动 （驱动力：液体收缩、凝固体收缩、枝晶间相通的液体静压力及 析出的气体压力）遵循 Darcy 定律（枝晶间金属液的流速 v 与压力梯度呈直线） 对流对晶体过程的影响 铸锭自下而上凝固（温度较低的液体难于上浮）对流不发生，金属液体内无温度起伏； 铸锭自上而下凝固（温度较低的液体易于下沉）对流强烈，温度起伏大； 水 平定向凝固（水平引起自然对流）温度起伏； 强制对流可能增强或抑制温度起伏（视强制对流加强 or 削弱金属液内已有对流）； 对流造成的温度起伏，可促使枝晶熔断 凝固过程的传热 凝固传热的基本微分方程 绝热模 （ 糠模、砂模和石墨 ） 中铸锭的凝固 M=Kt（凝壳厚度的平方根定律） 水冷模中铸锭的凝固 特点： 冷却迅速，凝壳断面的温度变化陡，模壁温度几乎不变。 以凝壳热阻为主 （大型铸锭，水冷模激冷作用影响有限） 铸锭中心的传热过程主要由凝壳导热能力决定 以界面热阻为主 （水冷模或结晶器内表面涂导热性差的涂料或润滑油模壁与 凝壳间由于凝固收缩存在气 隙）模壁与凝壳间存在较大界面热阻。 无水冷模中铸锭的凝固 特点：模壁与凝壳内部都有温度梯度。 影响凝固传热的因素 1.金属性质 （导温系数） 2.锭模及涂料性质 （凝固速率取决于锭模的冷却能力， 耐火性 /挥发性涂料增大 /减小热阻） 3.浇注工艺 （浇注温度、浇注速度和冷却强 度） 凝固区及凝固方式 凝固区 固液区 （固相为主） ： 固相骨架，发育完全，枝晶间残留的少量液体互不流通。 液固区 （液相为主） ： 固相悬浮在液体当中，可自由移动和长大。 凝固区宽度 b=(Ti-Ts)/G（取决于 合金结晶温度范围 和 铸 锭断面的温度梯度 ）。铸锭的许多 缺陷都是在凝固区形成，所以 b对铸锭质量影响很大。 凝固方式 （根据 b划分 ：合金确定时由 G划分， G大时主要以中间甚至顺序凝固， G小时可能是同时凝固 ） 顺序凝固 （易得到柱状晶（狭小凝固区宽度为条件）： 1.纯金属和共晶合金凝固时只有固相 区和液相区，铸锭便以顺序方式凝固。凝固中，随温度降低，平滑的固 /液界面逐步向铸锭 中心推进。当液体凝固收缩时，液体不断补充，故铸锭产生分散性缩孔倾向小，但在铸锭最 后易形成 集中缩孔 。 2.合金凝固区窄时也是顺序凝固，但固 /液界面呈锯齿状。 同时凝固 （体积凝固 ） ：结晶温度范围宽或温度梯度小凝固区宽，发生同时凝固。最后凝 固的地方得不到补充形成分散性缩孔。 特点：靠近固相区前沿的液体中首先形成小晶体，周围液体溶质偏析（液体凝固点下降限制 晶体生长）偏析区外围过冷液体中形成另一批小晶体溶质偏析液体围住，长大受阻，形 成第三批。整个过程同时进行。 中间凝固 ： b介于上述两者间，既有柱状晶也有等轴晶，产生热裂和缩孔的倾向也介于两者 间。 第五章 凝固过程的传质 溶质再分布 铸锭的组织特征：成分的均匀性、晶体组织及热裂，都与溶质再分布有关。 平衡分布系数 k 表示同一温度下固相成 分 CS与之平衡的液相成分 CL之比值， k=CS/CL（当合 金的液相线和固相线向下倾斜时， CSCL， k1。大多数合金元素及杂质在基体金属中 k1）。 液相完全混合均匀的溶质再分布 非平衡凝固的杠杆定律： C*S=kC0(1-fS)(k-1) 将 C*S=kCL*=kCL,fS=1-fL代入得 C*L=CL=C0fL(k-1) fS， fL分别为固相、液相质量分数。分别表示凝固过程中某一温度 T*的固相和液相成分。 这种情况下溶质再分布，会导致铸锭成分不均匀。在凝固后期，液相成分远高于 C0，甚至可 达到共晶成分， 使单向合金中出现共晶组织。 液相部分混合均匀的溶质再分布 液相中仅有扩散 ：温度下降至固相线温度 Ts 时，固相成分就是合金的原始成分 C0，而固液 界面处的液相成分为 C0/k，此时，凝固将在 Ts温度下进行，且固相中排出的溶质的溶质量 等于扩散至液相中的溶质量，凝固过程处于 稳定态 。 液相中有对流 成分过冷 （如果界面前沿液体的实际温度 T 实 低于 TL，则这部分液体处于过冷状态。） 成分过冷的形成及其过冷度 溶质再分布的结果，使溶质在固 /液界面前沿发生偏析。 k1的合金，界面前沿溶质变化。二者使 界面前沿液体的平衡液相线温度 TL降低。 成分过冷的判据 合金一定时，主要是通过调整工艺参数，来控制 G1/R 值，进而改变产生成分过冷的条件， 达到控制凝固过程的目的。 成分过冷对晶体生长方式的影响 （成分过冷由弱到强）界面生长方式： 1.平面状 2.胞状 3.胞状 -树枝状 4.树枝状。 相应得到的晶体： 1.平面柱状晶 2.胞状晶 3.胞状枝晶与柱状枝晶 4.自由枝晶 枝晶粗化与枝晶臂间距 枝晶粗化过程 :铸锭在凝固过程中，由于温度起伏等因素的影响，一些小的枝晶可能被重 熔而消失，一些大的枝晶变粗，且枝晶臂间距增大。 模型表明， 当枝晶粗细不均匀时，由于曲率半径对熔点的影响，那些 曲率半径较小的枝晶， 熔点要低于曲率半径较大的枝晶，在凝固过程中可能要被熔化，而曲率半径大的枝晶变粗； 模型指枝晶根部形成缩颈后逐渐熔化及游离； 模型表示细枝晶逐渐萎缩而消失。浇温高，冷却速度小，将促进枝晶的氧化过程。 枝晶臂间距 d随冷却速度 v增大而减小，力学加工性能改善。枝晶的细化程度及枝晶间的缩松、偏析 和夹杂的多少（而不是晶粒大小），影响其力学性能。 第六章 凝固晶粒组织及其细化 铸锭正常晶粒组织 （宏观组织） 表面细等轴晶区的形成 条件：液体金属的 对流 动量对流、自由对流及（对流引起的）温度起伏 ，均 模壁上形成晶粒脱落和游离增加凝 固区内晶核数目形成表面细等轴晶区。 （激冷无对流，模壁上形成稳定凝壳，晶粒难于脱 离模壁，无晶核增殖作用，不 形成表面细等轴晶区 ） 柱状晶区的形成 条件：单向导热及顺序凝固 表面细等轴晶区内，生长方向与散热方向平行的晶粒优先长大，不平行的被抑制越往铸锭 内部晶粒数目越少，优先生长的晶粒单向生长并相互接触形成柱状晶区。 中心等轴晶区的形成 主要原因：溶质偏析产生的成分过冷 原因：表面细晶的游离，枝晶的熔断及游离，液面或凝壳上晶