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铝、铜冶金及现代冶金技术

铝、铜冶金及现代冶金技术. 铝冶金. （ Al 2 O 3 ·3H 2 O ）和 Al 2 O 3 ·H 2 O. 铝冶金. 生产氧化铝 1 ） 在高温压煮器中： Al2O3 ＋ NaOH － NaAlO2 ＋ H2O （ 1 ） （等于 Al2O3 进入到溶液中，而 SiO2 ， Fe2O3 等或反应沉淀，或不溶成为渣） 2 ）在 NaAlO2 溶液中加入 Al （ OH ） 3 晶种并机械搅拌：

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铝、铜冶金及现代冶金技术

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  1. 铝、铜冶金及现代冶金技术

  2. 铝冶金 （Al2O3·3H2O）和Al2O3·H2O

  3. 铝冶金 • 生产氧化铝 • 1） 在高温压煮器中： • Al2O3＋NaOH － NaAlO2 ＋H2O （1） • （等于Al2O3 进入到溶液中，而SiO2，Fe2O3等或反应沉淀，或不溶成为渣） • 2）在 NaAlO2 溶液中加入Al（OH）3晶种并机械搅拌： • NaAlO2 ＋ H2O － Al（OH）3 ＋ NaOH （2） • 3）煅烧Al（OH）3 • Al（OH）3 － Al2O3 ＋ H2O （3） • 500－550℃ 为γ－ Al2O3 • 900℃以上为α － Al2O3 • 氧化铝电解 － 熔盐的电解法 • Na3AlF6的作用 • 1） 晶温度938 ℃，电解温度950－970 ℃ • 2) Na3AlF6能熔10％的Al2O3 Na3AlF6 Al2O3

  4. 铝合金 固溶强化 铸造铝合金 变形铝合金 变形铝合金: 加热可形成单相合金 铸造铝合金：具有共晶组织－不可变形 （Al－Si；Al－Mg；Al－Cu；Al－Zn） Al－Si铸造铝合金共晶点Si10％，当Si大于6％时必须变质。

  5. 铝合金的熔炼 要求：1）成分合格：靠配料计算，注意烧损元素； 2） 温度合适：适中，720－750℃； 3） 含氢量[ H ]少；夹杂少（固相Al2O3）； 4） 进行变质（Al－Si合金Si量大于6%时）。 前二条是熔炼所有合金的共性，2，3条是铝合金 的特性，也就是重点。 熔炼特点 1）吸氢：夹杂 Al (固)＋ H2O － Al（OH）3 ＋ [ H ] Al（OH）3 － Al2O3 ＋ H2O Al (液)＋ H2O － Al2O3 ＋ [ H ] Al ＋ CmHn － Al4C3 ＋ [ H ] 由于溶解度变化凝固时形成针孔 [ H ] － H2 防

  6. 2） 夹杂（Al2O3）； 上述反应形成的Al2O3细小，比重与Al相差不多，漂浮在铝液中。 3）夹杂和[ H ]的关系： a）表面的Al2O3膜能 保护Al液不继续被氧化； b) 同时也使过饱和的 [ H ]不能向大气扩散。 c） 当温度＞900℃时， γ－ Al2O3 转变为α － Al2O3 ， 比重变大，膜开裂，α － Al2O3 膜下沉，铝液夹杂增多。所以必须低温熔炼。 O2 表层致密的Al2O3膜 [ H ] Al2O3 静

  7. 铝合金精炼目的和方法 排 目的 ：去Al2O3和[ H ] 方法： 1） 吹泡法：形成不溶 不反应的气泡。 液铝的和气泡的氢分压： [H] = k(PH2)1/2，当PH2 ＝0， [H] 向气泡扩散， 气泡上升将H和杂质带出 。 采用的气体有：N2，Cl2 （Cl2，N2，CO）三气。 其中Cl2能和[H] 直接反应： Cl ＋ [H] ＝ HCl（气）， 效果最好，劳动条件最差。 此外：ZnCl2＋Al＝ALCl3 （气）＋Zn。最清洁的是N2，但效果最差。

  8. 2. 熔剂法：扩散法 • 原理：在液面上撒放熔剂：1）让熔剂吸附Al2O3 ；2）破坏表面Al2O3的 • 连 续性，使[ H ] 。 • 对熔剂的要求： • 1） 对Al2O3有吸附性； • 2） 熔点低于铝液，起覆盖作用； • 3） 比重轻，上浮在铝液表面。 • 熔剂种类：NaCl，KCl 和冰晶石 （Na3AlF6） • 过滤 ，真空 • 加压： 氢气孔形成条件： PH2＞Pa ＋γh ＋2σ/γ≈ Pa ； • Pa越大，氢气孔越难形成。 • 快速凝固法。氢气孔 • 6. 精练效果检查：表面观察法 • 一点说明：精练[ H ] ，Al2O3排一即可，只防出现H2 针孔。 • 铝熔炼要掌握一个“静” 字；具体内容是“防，排，溶”三字。 2 溶

  9. 铝硅合金的变质处理 目的 － 改变（α（Al）＋Si）共晶体中Si的形貌。 效果 － Si 的形貌，三维的菜花状变为树枝状，二维的片状变为椭圆状。 方法 － NaF ＋ Al － AlF ＋ Na 。Na溶在铝液中。 注意： 1）变质后要在20 分钟内浇注完毕，否则失效。 2） 长效变质剂 － Sr ，Bi ，Te。 3） 过共晶Si的变质用P，但Na对过共晶Si无变质效果，P对共晶Si无变质 效果。

  10. Cu 合金和熔炼 特点： 1） 导电性 － 用途占50％以上； 2） 导热，无磁性，耐磨。 所以一般不作为结构材料。 铜合金的分类： － 纯铜 － 无氧铜 － 熔炼的难点 －重点 －铜合金 ： 黄铜 － 以Zn为主 青铜：Sn为主的锡青铜和以Al为主的铝青铜 白铜 － 以Ni为主 。

  11. 0.0036 纯Cu 熔炼－要求Cu99.994％ 相图特点： 1）含氧大于0.0036％出 现共晶体； 2）大于0.001％也会出现Cu2O。 氧化特征：Cu2O没有保护作用。至少氧小于0.0036时，生成的Cu2O是溶于α 中。 凝固： Cu2O ＋ [H]－ Cu + H2O 形成水气泡。事实和理论上都表 明：水气泡是最主要的气孔。 任务： 去Cu2O（脱氧），去氢。如果说 铝合金的精练[ H ] ，Al2O3排一即 可，但是铜合金Cu2O ＋ [H]二者 都必须排除。 α α 0.39 α ＋ Cu2O Cu O

  12. 铜的脱氧 • 1. 扩散脱氧： 借助液面上的反应还原Cu2O • 1） 液面上撒碳化钙或Ma3Be硼化镁 • CaC2 ＋ Cu2O － CaO ＋CO ＋ Cu • Mg3Be ＋ Cu2O － MgO ＋ BeO3 ＋ Cu • 2） 还原气氛 • Cu2O ＋ CO － Cu ＋CO2 • Cu2O ＋ C － Cu ＋ CO • 沉淀脱氧： • Mg，Al，Si，Mn，Sn ，P ……等都能还原Cu2O。然而只有 • 用P还原时 生成的P2O5是气态，易于排除。 • Cu2O ＋ P － Cu ＋ P2O5 • P2O5 ＋ Cu2O － Cu PO3（偏磷酸铜）（上浮） • 实施操作中采用含P8－14％的磷铜中间合金 • （ 讲一点Mg）

  13. Cu：6/100g Al： 2/100g [ H ] 温度 来源： 碳氢化合物的分解 危害：凝固时析出H，产生气泡： 有Cu2O时产生水气泡。 排除方法： 1） 氧化除气法： 原理：氫氧平衡：[O][H]2 = K 所以： [O] [H] 方法：加入氧化剂： MnO2，高 锰酸钾，CuO等。 2）通气法： 与Al相同－ 通N2气 3）沸腾除气：利用Zn的沸点只有 900℃的特点 4）真空 检查方法：弯曲180度 注： 一般采用氧化除气后再进行脱氧。 铜除气[ H ] Cu：2/100g Al： 0.14/100g [H] 出现水气泡区 无水气泡区 [0]

  14. 真空技术的应用 1 脱气： [H] = k(PH2)1/2 2 脱氧： 以钢为例（回忆钢脱氧方法）： C ＋ FeO － CO ＋ Fe 3 挥发 4分解 5 脱气动力学 • 原理： • 抽真空，使液面上升1.5米左右； • 上升管吹入氩气，带动钢水流动，速度高达5m/s； • 在真空室内，钢水呈滴状与真空接触。 循环脱气法（RH）

  15. RH的改进形式

  16. 自选内容 主要的精炼工艺 • LF(Ladle Furnace process)； • AOD(Argon-oxygen decaburizition process ); • VOD (Vacuum oxygen decrease process) ; • RH (Ruhrstahl Heraeus process); • CAS-OB( Composition adjustments by sealed argon -oxygen blowing process) ； • 喂线 (Insert thread) ； • 钢包吹氩搅拌(Ladle argon stirring)； • 喷粉( powder injection )。

  17. 钢包吹氩和喷吹

  18. LF 工艺优点：  精炼功能强，适宜生产超低硫、超低氧钢  具备电弧加热功能，热效率高，升温幅度大，温度控制精度高  具备搅拌和合金化功能，易于实现窄成分控制，提高产品的稳定性  采用渣钢精炼工艺，精炼成本较低  设备简单，投资较少

  19. O2 CAS和CAS-OB 工艺优点：  钢液升温和精确控制钢水温度  促进夹杂物上浮，提高钢水纯净度  精确控制钢液成分，实现窄成分控制  均匀钢水成分和温度  与喂线配合，可进行夹杂物的变性处理

  20. VD和VOD 在电炉钢厂，VD炉作为真空脱气设备通常与LF炉双联，生产各种合金结构钢、优质碳钢和低合金高强度钢。在VD炉上增加顶吹供氧系统，构成VOD炉，可以完成真空吹氧脱碳的功能，适宜冶炼超低碳不锈钢。

  21. RH 工艺优点：  反应速度快，表观脱碳速度常数kC可达到3.5min-1。  处理周期短，生产效率高，常与转炉配套使用。  反应效率高，钢水直接在真空室内进行反应，可生产H≤0.5×10-6，N≤25×10-6，C≤10×10-6的超纯净钢。  可进行吹氧脱碳和二次燃烧进行热补偿，减少处理温降；  可进行喷粉脱硫，生产[S]≤5×10-6的超低硫钢。

  22. VAD KTB

  23. 单晶生长 意义：无晶界，少位错。无机物单晶具有功能性。 关键：不形核，只生长。驱动力都是过冷度，所幸 生核过冷度大于生长的过冷度。 所以： i. 过冷度小；ii. 准备籽晶。 1） 熔体法

  24. 单晶生长 2）常温溶液生长法 － 以水或液体有机物作为熔剂。 原理：右图分过饱和区和不饱和区 ； 在过饱和区分为不稳定区和 亚稳定区。在不稳定区会生 核和生长，而在亚稳定区只能 生长。 关键： 溶液状态保持在亚稳定区。 溶解度和温度的关系

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