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文檔簡介
1、第二講 金屬的氧化、揮發(fā)和除渣精煉 1.5 揮發(fā)及揮發(fā)損失 1.6 夾渣和除渣精煉 1.5 揮發(fā)及揮發(fā)損失揮發(fā)及揮發(fā)損失 o金屬由固態(tài)或液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)的現(xiàn)象稱為揮發(fā)。 o精煉提純 o揮發(fā)損失、合金成分控制困難、污染環(huán)境、危害健 康。 1.5.1 揮發(fā)的熱力學 金屬的揮發(fā)相變反應(yīng)式:me(l,s)=me(g) 飽和蒸氣壓:在某一溫度達到平衡時,氣相中金屬 的蒸氣分壓。 金屬的揮發(fā)能力:可用蒸氣壓、蒸發(fā)熱或沸點來判 斷。 1.5 揮發(fā)及揮發(fā)損失揮發(fā)及揮發(fā)損失 在外壓一定時,純金屬的蒸氣壓只取決于該金屬所處的溫度。 蒸氣壓可以通過實驗測定,也可由相變反應(yīng)的熱力學數(shù)據(jù)進 行計算。對反應(yīng)(151),利用
2、克勞休斯克拉佩龍方程,可 得到溫度與金屬升華或蒸發(fā)時蒸氣壓的關(guān)系式: 1.5 揮發(fā)及揮發(fā)損失揮發(fā)及揮發(fā)損失 1.5 揮發(fā)及揮發(fā)損失揮發(fā)及揮發(fā)損失 o合金熔體的蒸氣總壓為各組元蒸氣分壓之和。 o為確定合金中某組元的揮發(fā)趨勢,必須知道該組 元在一定溫度和一定成分合金液面上的蒸氣分壓, 這就需要知道純元素的蒸氣壓和溫度的關(guān)系以及 在合金熔體個的活度數(shù)據(jù)。 1.5 揮發(fā)及揮發(fā)損失揮發(fā)及揮發(fā)損失 1.5.2 揮發(fā)動力學揮發(fā)動力學 o揮發(fā)速率隨著體系趨于平衡狀態(tài)而減小,可 用道爾頓(dalton)公式表示: vr揮發(fā)速率,p外壓,p me實際分壓,p0me金屬蒸氣壓 當pme0pme時,揮發(fā)速率為正;反之
3、為負,即不是凝聚相的揮 發(fā),而是蒸氣相的凝聚。 1.5.2 揮發(fā)動力學揮發(fā)動力學 1.5.2 揮發(fā)動力學揮發(fā)動力學 向真空室內(nèi)通入惰性氣體,可降低揮發(fā)速率和揮發(fā)損失。 1.5.2 揮發(fā)動力學揮發(fā)動力學 1.5.3影響金屬揮發(fā)損失的因素和降低揮發(fā)損失的方影響金屬揮發(fā)損失的因素和降低揮發(fā)損失的方 法法 o揮發(fā)損失除與合金本身蒸氣壓有關(guān)外,還與下列因素有關(guān)。 o熔體溫度:溫度越高,其蒸氣壓越大,揮發(fā)速率越快, 揮發(fā)損失越大。 o金屬及合金元素:蒸氣壓大、蒸發(fā)熱小、沸點低的金屬 易揮發(fā)損失。如所有堿金屬及b族金屬鋅、鎘等易揮發(fā); 而b族金屬鉻、鉬、鎢等揮發(fā)損失較小。 o爐膛壓力(影響很大):壓力越小,
4、揮發(fā)損失越大。 o其它因素:處于高溫液態(tài)的時間,金屬的比表面積,氧 化膜性質(zhì)。金屬處于高溫液態(tài)的時間越長,比表面積越 大,攪拌及扒渣次數(shù)越多,揮發(fā)損失越大。熔體表面有 致密氧化膜或熔劑及爐渣覆蓋時,可降低揮發(fā)損失。 o防止和降低揮發(fā)損失的方法與降低氧化燒損的方 法基本相同 o易揮發(fā)元素宜在脫氧后或熔煉后期加入; o真空熔煉時,為提高精煉效果和降低氧化燒損, 采用較高真空度,但會增大揮發(fā)損失; o為減少揮發(fā)損失和準確控制合金成分,在熔煉蒸 氣壓高和揮發(fā)速率大的金屬時,在爐內(nèi)充入惰性 氣體。 1.5.3影響金屬揮發(fā)損失的因素和降低揮發(fā)損失的方法影響金屬揮發(fā)損失的因素和降低揮發(fā)損失的方法 1.6 夾
5、渣和除渣精煉夾渣和除渣精煉 o非金屬夾雜物的種類和來源 金屬中的非金屬化合物,如氧化物、氮化物、硫化 物以及硅酸鹽等大都以獨立相存在,統(tǒng)稱為非金屬 夾雜物,一般簡稱為夾雜或夾渣。 根據(jù)化學成分不同可分為:氧化物、氮化物、碳化 物等。 根據(jù)夾渣的形態(tài)可分為:薄膜狀、團狀和顆粒狀。 夾渣的來源不同分為:外來夾渣外來夾渣和內(nèi)生夾渣內(nèi)生夾渣。 除渣精煉原理除渣精煉原理 o比重差作用:當金屬熔體在高溫靜置時,非 金屬夾雜物與金屬熔體比重不同因而產(chǎn)生上 浮或下沉。球形固體夾雜顆粒在液體中下沉 或上浮的速度服從stokes定律。 o吸附作用:向金屬熔體中導入情性氣體或加入熔 劑產(chǎn)生的中性氣體,在氣泡上浮過程
6、中,與懸浮 狀態(tài)的夾渣相遇時,夾渣便可能被吸附在氣泡表 而而被帶出熔體。 除渣精煉原理除渣精煉原理 o熔劑的吸附能力取決于化學組成。 o對鋁合金,在其他條件相同時,氯化物的 吸附能力比氟化物好; o堿金屬氯化物比堿土金屬好; o氯化鈉和氯化鉀的混合物比純氯化物好; o在氯化鈉和氯化鉀的混合物中加入少量氟 化物如冰晶石,其吸附能力大為提高。 除渣精煉原理除渣精煉原理 o溶解作用:非金屬夾雜物溶解于液態(tài)熔體 中后,可隨熔劑的浮沉而脫離金屬溶體。 熔劑溶解夾渣的能力取決于它們的分子結(jié) 構(gòu)和由此而產(chǎn)生的化學性質(zhì)。 除渣精煉原理除渣精煉原理 o化合作用:化合作用是以夾渣和熔劑之間有 一定親和力并能形成化
7、合物或絡(luò)合物為基礎(chǔ) 的。堿性氧化物和酸性熔劑,或酸性氧化物 與堿性熔劑在一定溫度條件下是可相互作用 形成體積更大,熔點較低,且易于與金屬分 離的復鹽式爐渣。根據(jù)其比重大小,在熔體 中可上浮或下沉而除去。 除渣精煉原理除渣精煉原理 化合作用化合作用 由于化合造渣反應(yīng)是多相反應(yīng)。其總的反應(yīng)速率主要取 決于擴散傳質(zhì)速率。因此,反應(yīng)的溫度和濃度等條件對化合 造渣影響很大,故熔煉溫度較高的鋼、鎳等合金更適合用化 合造渣精煉法。 o機械過濾作用:所謂機械過濾作用,是指當金屬熔體通過 過濾介質(zhì)時,對非金屬夾雜物的機械阻擋作用。此外,過 濾介質(zhì)還有對夾雜物的吸附作用。 除渣精煉原理除渣精煉原理 過濾介質(zhì)間的空
8、隙 越小,厚度越大, 金屬流體流速越低, 機械過濾效果越好。 除渣精煉方法除渣精煉方法 o靜置澄清法:適用于金屬熔體與非金屬夾 雜物的密度差較大,且夾雜物了里不太小 的合金。 o靜置時間為: h為夾渣上浮或下沉的深度。 靜置時間的長短主要由合金和夾渣的性狀來決 定。如鋁合金通常靜置20-30分鐘,效果仍有限 2 9 2 () mei h t gr 浮選法浮選法 o利用通入熔體的惰性氣體或 加入的熔劑所產(chǎn)生的氣泡, 在上浮過程與懸浮的夾雜相 遇時,夾渣被吸附在氣泡表 面并帶到熔體液面的溶劑中 去。 o對于熔點較低的鋁合金、鎂 合金等較為有效。 o氣泡數(shù)目多,尺寸小,浮選效 果好。 o氣體一般為氮
9、氣、氬氣,鋁 合金常用氯鹽為主的熔劑。 熔劑法熔劑法 o通過熔劑與夾渣之間的吸附、溶解和化合等作用而實 現(xiàn)除渣的。根據(jù)夾雜物與金屬熔體的相對比重不同, 可分別采用上熔劑法和下熔劑法。 o上熔劑法上熔劑法:夾渣的比重小于金屬熔體,多聚集熔池上 部及表面,此時應(yīng)采用上熔劑法。所用熔劑在熔煉溫 度下的比重應(yīng)小于金屬液,加在熔池表面與上層的夾 渣接觸發(fā)生吸附、溶解或化合作用。重有色金屬及鋼 鐵多采用此法。 o下熔劑法下熔劑法:夾渣的比重大于金屬熔體,采用下熔劑法 (沉淀熔劑)。所用熔劑在熔煉溫度下的比重應(yīng)大于 金屬液,加在熔池表面后,逐漸向下沉,下沉過程中 與夾渣發(fā)生吸附、溶解或化合作用,并一起沉至爐
10、底。 鎂及鎂合金多采用此法。 熔劑法熔劑法 過濾法過濾法 o網(wǎng)狀過濾法:讓熔體通過由玻璃絲或耐熱 金屬絲制成的網(wǎng)狀過濾器,夾渣受到機械 阻擋而與熔體分離。 o適用與薄片氧化膜或大塊夾渣。 o結(jié)構(gòu)簡單,制造方便,可安裝在靜置爐到 結(jié)晶器的任何部位。 o只能濾掉比網(wǎng)格尺寸大的夾渣,過濾器易 破損,壽命短。 過濾法過濾法 填充床過濾法填充床過濾法 o這種過濾器由各種不同尺寸,不同材料、 不同形狀的過濾介質(zhì)組成的填充床。 o過濾層越厚,介質(zhì)顆粒越小,過濾效果越 好。粒度過小,會影響熔體的流量,降低 生產(chǎn)率。 影響熔劑除渣精煉效果的因素影響熔劑除渣精煉效果的因素 o精煉溫度:一般先用高溫進行除渣精煉, 然后在較低的溫度下進行脫氣,最后保溫 靜置。 o熔劑:熔劑的造渣能力越強,除渣精煉效 果越好。熔劑的熔點和表面張力越低,其 吸附造渣能力就越強。隨熔劑陽離子半徑 的增大,熔劑的熔點和表面張力下降。
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