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铜合金熔炼的除气方法

2018-9-4 13:29:37      点击:


金属熔体除气的途径有:

1、是气体原子扩散至金属表面,然后脱离吸附状而逸出;

2、是以气泡形式从金属熔体中排除;

3、是与加入金属中的元素形成化合物,以非金属夹杂物形式排除。

当铜合金中含有一定数量的锌、铝、硅等一类对氧有较大亲和力的元素时,由于这些元素本身就是良好的脱氧剂,因此合金中可能存在的主要气体是氢,而不会是氧。溶解于金属中的气体,在铸锭凝固时析出来最易形成气孔。


(1)氧化除气法

氧化除气法是利用,当铜液中的水蒸气的分解压一定的条件下,氢和氧之间存在一个动态平衡关系的原理,有意识地使铜液中的含氧量增加,以降低氢的含量。凡氧化物能溶于金属中、最后又能脱氧的金属,均可采用氧化除气法。如在大气下熔炼铜、镍时,氧化压成的Cu2ONio分别溶于铜液中,增高含氧量即可相应降低铜、镍中的含氢量。

当向熔体中鼓入氧时,大量的铜将被氧化生产氧化亚铜,生成的氧化亚铜溶于铜液中。随后,氧化亚铜又与铜液中的氢发生反应,结果铜被还原,水蒸气从熔体中逸出。当上述两个反应能够连续不断地进行时。铜液中的氢将不断减少。

这种除气方法只适用于紫铜和Cu-SnCu-Pb等合金。如果合金中含有铝、硅、锰等活泼元素,则在加入这些元素前,先用氧化方法除气,脱氧后再加入合金元素,这样仍可获得良好的除气和脱氧效果;如果铜液中已加入某些活泼元素(如炉料中有回炉料时),则采用氧化法处理铜液时,只能使合金元素剧烈氧化,加剧氧化夹杂,而不能除氢。

氧化除气时铜液增氧的方法主要有:造成氧化性炉气、加入氧化性熔剂和吹入压缩空气的方法。


铜液中常加的氧化性熔剂是一些高温下不稳定的高价氧化物,如MnO2(锰矿石)K2MnO4(高锰酸钾)CuO(氧化铜)等,熔剂装在坩埚底部,与炉料同时加热。高温下,这些熔剂分解并析出的氧溶解在铜液中,而本身变为低价氧化物。生成的低价氧化物中,Mn0K20虽溶于铜液,但可脱氧除去。该方法实施方便,效果好,特别是带有油污的杂铜,含氢量又较高时,采用此法补救,可达到较彻底的除氢。通常,氧化性熔剂加入量为1%~2%,处理后用Cu-P合金脱氧,其Cu-P合金加入量要比正常的高,并且应由铜液氧化程度来决定。一般在氧化性熔剂下熔炼时,加磷量为0.15%~0.2%


(2)沸腾除气法

沸腾除气法是利用金属本身在熔炼过程中产生的蒸气泡内外气体分压差来除气的。该法是在工频感应电炉熔炼高锌黄铜时常采用的一种特殊方法。黄铜中锌的蒸气压高,且随温度的升高而增加,沸点只有907℃。含锌高的黄铜受其影响,也有较高的蒸气压,而且黄铜的沸腾温度随含锌量的增加而降低。

在工频有芯感应电炉中熔炼黄铜时,熔沟部分温度高,形成锌蒸气泡随即上浮,由于熔沟上部的金属液温度低,在气泡上浮过程中,可能有部分蒸气泡冷凝下来,只有那些吸收了氢以及来不及冷凝的蒸气泡,才能顺利逸出熔池。随着熔池温度升高,金属蒸气压也逐渐增大。当整个熔池温度升高到接近或超过沸点时,大量蒸气从熔池喷出,形成“喷火”现象。这种喷火程度越强烈,喷的次数越多,则熔体中的氢进入蒸气泡也越多,除气效果就越好。由于蒸气泡自下向上分布较均匀,所以沸腾除气的效果较好,一般喷火2~3次即可达到除气的目的。此现象还可作为工频有芯感应电炉熔炼黄铜时出炉的标志。


对于含锌量低于30%的黄铜由于沸点较高些在熔炼温度下不沸腾,因此对于低锌普通黄铜及HSi80-3等低锌特殊黄铜必须在熔炼后期,快速加热至沸点以上(1200~1300℃),使铜液短时沸腾,以除去溶于其中的气体,然后立即降温至浇注温度进行浇注。含锌低于20%的黄铜,一般不用沸腾除气。沸腾除气的缺点是低沸点元素(如锌等)的熔炼损耗较大。

(3)惰性气体法

用钢管将氮气、氩气等通入金属熔体时,气泡内的氢气分压为零,而溶于气泡附近熔体中的氢气分压远大于零,基于氢气在气泡内外分压力之差,使溶于熔体中的氢不断向气泡扩散,并随着气泡的上升和逸出而排除到大气中,达到除气目的。

气泡越小,数量越多,对除气越有益。但由于气泡上浮的速度大,通过熔体的时间短,且气泡不可能均匀地分布于整个熔体中,故用此法除气不容易彻底;随着熔体中含氢量的减少,除气效果显著降低。为提高除气精炼效果,应注意控制气体的纯度。精炼气体中氧含量不得超过0.03%(体积数分数),水分不得超过3.0g/L

(4)真空除气法

在真空条件下,由于熔池表面的气压极低,原来溶于铜液中的氢等气体,很容易逸出。其特点是除气速度和程度高,是一种有效的除气方法。难熔金属及其合金、耐热及精密合金等,采用真空熔铸法除气效果较好。

(5)熔剂除气法

使用固态熔剂除气时,将脱水的熔剂用干燥的带孔罩压入熔池内,依靠熔剂热分解或与金属进行置换反应,产生不溶于熔体的挥发性气泡而将氢除去。

例如铝青铜常用冰晶石熔剂除气,白铜常用熔剂除气。为提髙除气效果,也可采用干燥氮气将粉状熔剂吹入熔池罩。熔剂在除气的同时,还可去渣。

加氟盐、氯化物等除气的基本要点:①铜液中加入受热能分解出气体的物质(除气剂)。常用的除气剂有ZnCl2MnCl2、石灰石、大理石、锰矿石等。前两种主要用于铝青铜的除气,除气剂在使用前一律要烘干。②ZnCl2MnCl2的加入量,为铜液重量的0.2%0.4%,以钟覃压入。③ZnCl2脱水方法:缓慢加热至熔点(365℃)以上温度,然后倒在铁板上使之成玻璃状物质。