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铝、铜冶金及现代冶金技术,,,铝冶金,(Al2O33H2O)和Al2O3H2O,,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)3Al(OH)3-Al2O3+H2O(3)500-550℃为γ-Al2O3900℃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℃2Na3AlF6能熔10%的Al2O3,,,,,,,,,Na3AlF6,Al2O3,,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。,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+H2OAl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,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。,,,,,,表层致密的Al2O3膜,[H],,,,,,,,,,,,O2,,,,Al2O3,,静,铝合金精炼目的和方法,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]kPH21/2,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。,排,2,2.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。,,,溶,,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。,,,,,,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。,,,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]-CuH2O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。,0.39,α+Cu2O,Cu,O,,αα,铜的脱氧,,1.扩散脱氧借助液面上的反应还原Cu2O1)液面上撒碳化钙或Ma3Be硼化镁CaC2+Cu2O-CaO+CO+CuMg3Be+Cu2O-MgO+BeO3+Cu2)还原气氛Cu2O+CO-Cu+CO2Cu2O+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+P2O5P2O5+Cu2O-CuPO3(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),,铜除气[H],,Cu2/100gAl0.14/100g,,,,[0],[H],,,出现水气泡区,无水气泡区,,,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]2K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。,,真空技术的应用,1脱气[H]kPH21/22脱氧以钢为例(回忆钢脱氧方法)C+FeO-CO+Fe3挥发4分解5脱气动力学,,,循环脱气法(RH),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。,RH的改进形式,主要的精炼工艺,LFLadleFurnaceprocess;AODArgon-oxygendecaburizitionprocess;VODVacuumoxygendecreaseprocess;RHRuhrstahlHeraeusprocess;CAS-OBCompositionadjustmentsbysealedargon-oxygenblowingprocess;喂线Insertthread;钢包吹氩搅拌Ladleargonstirring;喷粉powderinjection。,自选内容,钢包吹氩和喷吹,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,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,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。,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≤0.510-6,N≤2510-6,C≤1010-6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]≤510-6的超低硫钢。,KTB,VAD,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,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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