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再生鈣合金熔煉原理

發布日期:2019-03-01 作者:客服 點擊:

  再生鈣合金熔煉原理


  熔煉過程中鋁液與環境的相互作用


  熔煉過程中熱的轉移(熱力學過程)固體金屬在爐內加熱熔化所需要的能量,要由熔煉爐的熱源供給。由于采用能源的不同,其加熱方式也不一樣,目前基本爐型仍是火焰爐。


  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,因此铝和鈣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。


  下面講講火焰爐的熱交換過程。火焰給被加熱物體的熱量(Q)爲:


  Q=QGC+QSCQGC-燃燒氣體傳到受熱面的熱量,KJ/h;QSC-爐壁傳給受熱面的熱量,KJ/h。


  QGC=(αGCεC+αC)(tG-tC)QSC=(αGSФSC+αabεb)(tS-tC)αGC-燃燒氣體與受熱面之間輻射傳熱系數,kJ/(m2﹒h﹒℃);αC-燃燒氣體與受熱面之間的對流傳熱系數,kJ/(m2﹒h﹒℃);αab-被燃燒氣體吸收的爐壁輻射熱量的熱輻射系數,kJ/(m2﹒h﹒℃)。

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  從以上各式可以看出,提高金屬受熱量,一方面是增大(tG-tC)和(tS-tC)即提高爐溫,這對爐體和金屬熔體都有不利影響;另一方面,由于鋁的黑度很小,提高輻射傳熱是有限的。因此只能著眼于增大對流傳熱系數,對流傳熱系數與氣體流速有以下關系:


  當燃燒氣體的流速V<5m/s時,αc=5.3+3.6V[kJ/(m2﹒h﹒℃)]


  當燃燒氣體的流速V>5m/s時,αc=647+v0.78[kJ/(m2﹒h﹒℃)]


  可見提高燃燒氣體的流速是有效的,以前多采用低速燒嘴(5~30m/s),近年采用了高速燒嘴(100~300m/s),使熔爐的熱效率有很大提高。


  合金元素的溶解與揮發1.1.2.1合金元素在鋁中的溶解合金添加元素在熔融鋁中的溶解是合金化的重要過程。元素的溶解與其性質有密切關系,受添加元素固態結構結合力的破壞和原子在鋁液中的擴散速度控制。元素在鋁液中的溶解作用可用元素與鋁的合金系相圖來確定,通常與鋁形成易熔共晶的元素容易溶解;與鋁形成包晶轉變的,特別是熔點相差很大的元素難于溶解。如Al-Mg、Al-Zn、Al-Cu、Al-Li等爲共晶型合金系,其熔點與鋁也較接近,合金元素較容易溶解,在熔煉過程中可直接添加鋁熔體中;但Al-Si、Al-Fe、Al-Be等合金系雖也存在共晶反應,由于熔點與鋁相差較大,溶解很慢,需要較大的過熱才能完全溶解;Al-Ti、Sl-Zr、Al-Nb等具有包晶型相圖,都屬難溶金屬元素,在鋁中的溶解很困難,爲了使其在鋁中盡快溶解,必須以中間合金形式加入。


  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。可把鈣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。


  金屬與爐氣的作用熔煉過程中,金屬以熔融或半熔融狀態暴露于爐氣並以之相互作用的時間長,往往容易造成金屬大量吸氣,氧化和形成其他非金屬夾雜。


  鋁-氧反應鋁與氧的親和力大,易氧化。在500~900℃範圍內,純鋁表面將形成一層不溶于鋁液的、難熔的、致密的γ-Al2O3氧化膜,這層膜能阻止鋁液的繼續氧化。這一特性對熔煉工作帶來了很大方便,熔煉時不需要采取特殊的防氧化措施(鋁-鎂合金除外)。


  加入合金元素对鈣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,不能抑制膜下面的鈣合金液的继续氧化。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。


  決定氧化膜性質的因素是:①合金元素或氧化膜本身的蒸氣壓,蒸氣壓越低,則越穩定,其保護性能也越好。②合金元素氧化後體積的變化。加入合金元素後,氧化膜的結構是由氧化物體積對産生此氧化物的金屬體積之比來決定的。


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