除渣精炼
• 吸附作用

向金属熔体中导入情性气体 加入熔剂产生的中性气体 加入金属熔体中的低熔点熔剂
与悬浮状态的夹渣相遇时，夹 渣便可能被吸附在气泡或熔剂 表面而被带出熔体。
驱动力：界面能降低
θ<90° 能够吸附或润湿 θ>90°吸附或润湿较弱
润湿角
熔剂滴(或气泡)与固体夹渣间吸附时的能量条件
熔剂法除渣示意图 (a)上熔剂法；(b)下熔剂法 1－熔剂；2－熔剂夹渣
吸附作用—浮选法
利用通入熔体的惰性气体或加
惰性气体吹洗
入的熔剂产生的气泡，在上浮
过程与悬浮的夹杂相遇时，夹 渣被吸附在气泡表面并带到熔
体液面的熔剂中去。
对于熔点较低的铝合金、镁合 金等较为有效。 气泡数目多尺寸大，浮选效果 好。惰性气体一般为氮气和氩 气。
有色金属熔炼与铸锭
王华 工学院材料系
第二章 熔体净化技术
熔体净化技术
本章要点: 介绍熔体净化的基本原理和对应的净化处理技术， 包括： (1) 熔体脱气和除渣精炼的几种基本原理； (2) 铝、镁、铜合金熔体净化处理技术； (3) 不同金属的熔体保护措施。
第一节 熔体净化原理
4
除渣精炼
氧化夹杂
非金属夹杂物的种类和来源
精炼温度
影响熔剂除渣精炼效果的因素
• 精炼时间：熔剂和夹渣上浮或下沉需要一 定的时间。 对于镁合金等轻金属，静臵时间的长短对 除渣效果影响不明显。
• 其它因素：比如熔剂的形状，粉状颗粒能 增大熔剂与夹渣的接触面积和碰撞机率。
脱气精炼
背景
气体的主要来源 解决措施
• • • • •
炉料 炉气 耐火材料 熔剂 操作工具
影响熔剂除渣精炼效果的因素
• 精炼温度：一般先用高温进行除渣精炼， 然后在较低的温度下进行脱气，最后保温 静臵。 • 熔剂：熔剂的造渣能力越强，除渣精炼效 果越好。熔剂的熔点和表面张力越低，其 吸附造渣能力就越强。随熔剂阳离子半径 的增大，熔剂的熔点和表面张力下降。因 此可以利用半径大的物质配制熔点低，表 面张力小，流动性好的精炼熔剂。
按精炼部位：
炉内精炼
在线式精炼
炉内精炼
非吸附精炼
静臵处理 真空处理 超声波处理 预凝固处理
铝合金熔体炉内处理
惰性气体吹洗
利用通入熔体的惰性气体，在 上浮过程与悬浮的夹杂相遇时，
夹渣被吸附在气泡表面并带到
熔体液面的溶剂中去。 对于熔点较低的铝合金、镁合
金等较为有效。
CuO SiO2 CuO SiO2
氧化精炼原理
金属杂质去除的方法分为：火法精练 熔盐电解） 电解提纯（湿法电解、
化
火法精练采用氧化精练应具备三个条件： 1.基体金属的氧化物能溶解于自身金属液中，并能氧 杂质元素 2.杂质元素氧化物不溶于金属液中，并易与后者分离 3.基体金属氧化物可用其他元素还原
具体操作： 高温熔体 熔体缓慢冷却到凝固 快速重熔
注意事项
辅以保温措施，保 证冷却速度足够慢，给 予气体原子结合成分子 并逸出足够的时间 气体逸出通道畅通 注意熔体保护，防 止重新吸气
浇注
本方法缺点在于降低了生产效率
脱气精炼 方法二：预凝固脱气
延伸说明： 高温熔体 急冷凝固 抑制气体析出
1.脱氧原理及脱氧剂 氧化精练后，金属熔体中含氧量高，为降低含氧量及氧 化损失，必须进行脱氧。
脱氧就是向金属液中加入与氧亲和力比基体金属
与氧亲和力大的物质，将基体金属氧化物还原，本身形成不
溶于金属熔体的固态、液态或气态脱氧产物而被排除的工艺
过程
脱氧剂应满足下列要求：
（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 （2）脱氧剂在金属中的残留量应不损害金属性能
铝合金熔体炉内处理
混合气体精炼
混合气体精炼能充分发挥惰性气体和活性气体
的长处，并避免其害处，应用广泛。主要有：
10-20%Cl2+90-80%N2；15％Cl2+11%CO+74%N2。
氯气参加的脱气反应为放热反应，气体总量增
加，且生长的 AlCl3 气泡细小，使金属熔体与气
泡间界面积增大，可加速脱气速率。
除渣精炼
• 过滤除渣：
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。
过滤介质间的空隙越小，厚度越大，金属熔体流速越低，
机械过滤效果越好。
过滤法
填充床过滤法
• 这种过滤器由各种不同尺寸，不同材料、不同形 状的过滤介质组成的填充床。 • 过滤层越厚，介质颗粒越小，过滤效果越好。粒 度过小，会影响熔体的流量，降低生产率。
精心备料、严格 预防 控制熔化、采用 覆盖剂 在熔炼后期进行 补救 脱气精炼，降低 熔体中气体含量

目的与方法
• 目的：脱除溶解于金属中的气体。
脱气途径
气体原子扩散至金属表面，然后脱离吸附状 态而逸出； 以气泡形式从金属熔体中排除； 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。
除渣精炼
• 静置澄清除渣（密度差作用）
当金属熔体在高温静置时，非金属夹杂物与金属熔体比重不同 因而产生上浮或下沉。球形固体夹杂颗粒在液体中下沉或上浮的 速度服从Stokes定律： 2 g ( 2 1 ) 2 v r 9 T ↑ ，η↓，则：v↑，τ↓ 上升或下沉时间：
9 H 2 2r ( 2 1 ) g
浮选除渣原理示意图
除渣精炼
• 溶解除渣
非金属夹杂物溶解于液态熔剂中后，可随熔剂 的浮沉而脱离金属溶体。熔剂溶解夹渣的能力取 决于它们的分子结构和由此而产生的化学性质。
冰晶石（Na3AlF6）的化学分子 结构与氧化铝极为相似，在一 定温度下可互溶，是溶解Al2O3 的最好熔剂
除渣精炼
• 化合作用
化合作用是以夹渣和熔剂之间有一定亲和力并能形成化合 物或络合物为基础的。碱性氧化物和酸性熔剂，或酸性氧化物 与碱性熔剂在一定温度条件下是可相互作用形成体积更大，熔 点较低，且易于与金属分离的复盐式炉渣。根据其比重大小， 在熔体中可上浮或下沉而除去。 由于化合造渣反应是多相反应。其总的反应速率主要取决 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，故熔炼温度较高的钢、镍等合金更适合用化合造渣
精炼法。
除渣精炼
•化合作用：
碱性氧化物MeO与酸性溶剂MxOy发生造渣反应：
aMeO bMxOy aMeO bMxOy
熔炼铜、镍合金及钢时，广泛应用上述造渣作用。例如： 铜液中的CuO（或FeO ）与溶剂或炉衬中的 SiO2（或 Al2O3） 作用，反应为
金属中的非金属化合物，如氧化物、氮化物、 等，统称为非金属夹杂物，一般简称为夹杂或 夹渣。
形成的夹渣若不在浇 根据夹渣的形态可分为：薄膜状、团状和颗粒 注前去除，将在铸锭 状。 中形成氧化夹杂。
夹渣的来源不同分为：外来夹渣和内生夹渣。
如，铝镁合金常见的有Al2O3、MgO、SiO2等 ，铜合金、镍合金中通常为Cu2O、NiO、ZnO 、SnO2、SiO2、Al2O3等，钢铁中有硫化物、 氢化物等。
方法一：分压差脱气
动力学： 研究脱气的机制问题 脱气包括以下几个过程: (1)熔体中氢原子通过气泡边界层的扩散;
(2)氢原子在熔体-气泡界面复合为氢分子;
(3)氢气脱离吸附状态进入惰性气泡内部;
(4)气泡上浮，逸出。
其中第一个过程速度最慢
增大熔体与惰性气泡的接触界面积，有利于气泡的 脱除。
脱气精炼 方法二：预凝固脱气
方法一：分压差脱气
气体溶解度与金属液/气体接触处该气体分 压的平方根成正比。
S K1 P
K1 S0 exp[H / 2RT ]
K1:与金属及溶解气体的性质、温度和气体溶解度量单位选择有关的 常数，西维尔常数。 T:金属的热力学温度 S:溶解度 △H:气体在金属中的溶解热 p:气相中溶解气体的分压 S0:常数
除渣精炼
• 熔剂的吸附能力取决于化学组成。 • 对铝合金，在其他条件相同时，氯化物的 吸附能力比氟化物好； • 碱金属氯化物比碱土金属好； • 氯化钠和氯化钾的混合物比纯氯化物好； • 在氯化钠和氯化钾的混合物中加入少量氟 化物如冰晶石，其吸附能力大为提高。
除渣精炼
吸附作用—熔剂
根据夹杂物与金属熔体的相对 比重不同，可分别采用上熔剂 法和下熔剂法。 上熔剂法：夹渣的比重小于金 属熔体，多聚集熔池上部及表 面，此时应采用上熔剂法。(重 有色金属及钢铁) 下熔剂法：夹渣的比重大于金 属熔体，采用下熔剂法。(镁及 镁合金) 全熔剂法：熔剂均匀分布于熔 体中。(铝合金)
脱气精炼 方法一：分压差脱气
氢分压差
分压差脱气原理示意图
分压差脱气是始完全没有氢气P’H2=0，气泡周 围熔体PH2>0，存在氢的分压差，氢原子扩散至 气泡表面，复合为氢分子进入气泡，上浮从熔体 中脱除。 • 过程持续到氢在气泡内外的分压相等，处于平衡 状态为止
(3）脱氧剂要有适当的熔点和比重
(4）脱氧产物应不溶于金属熔体中，易于凝聚、上浮而被除去 (5）脱氧剂不稀贵，且无毒 2.脱氧方法及特点： 沉淀脱氧：5[Cu2O]+2[P]=P2O5+10[Cu] 扩散脱氧：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按 分配定律向界面扩散而脱氧 真空脱氧：蒸气压低的氧化物先逸出来。
r↑，则：v↑，τ↓
v是夹杂物上浮或下沉的速度cm/s，η为金属液的黏度g/(cm· s)，r表 示球形夹杂半径cm，ρ2、ρ1分别为金属熔体和夹杂的密度 g/cm3，g 是重力加速率cm/s2，H为颗粒升降的距离。