第七章 合金的熔炼

1第七章

典型合金的熔炼工艺方法2钢的熔炼

钢的熔炼方法：电弧炉感应炉平炉转炉碱性电弧炉熔炼

3电弧炉熔炼

碱性电弧炉酸性电弧炉通过炉衬材料划分：氧化硅砖氧化镁砖4碱性电弧炉炼钢常用两种冶炼方法：氧化法不氧化法氧化法熔炼的特点是：炉料熔化后要加入矿石或吹入氧气。使钢液产生剧烈的氧化沸腾，其目的是为了脱碳、脱磷、除气和去除非金属夹杂物，这种方法对炉料要求不十分苛刻，料源很广。氧化法适用于冶炼大多数碳素结构钢、合金结构钢及某些特殊钢种，如不锈钢。不氧化法熔炼的特点是：在熔炼过程中无氧化期，不加入氧化剂；不发生剧烈沸腾，熔炼时间短。合金元素烧损少。对纯洁的炉料，或含有大量合金元素时，最好采用这种熔炼方法。5氧化法炼钢工艺过程氧化法炼钢的工艺过程包括：补炉装料熔化期氧化期还原期出钢

61．补炉

一般熔炼完一炉钢以后，装入下一炉的炉料以前，照例要进行补炉。其目的是修补被浸蚀和被碰坏的炉底和炉壁。补炉采用与打底相同的材料。补炉需要掌握“高温、补层薄、操作快”的要点。72．装料

补炉完后即可装料。往料罐中装料时，需要合理地布置炉料。同时炉料要装得紧密利于导电和导热，加速熔炼过程。装料以前先在炉底上铺一层重量约为炉料重达1％的石灰。其作用是在熔化炉料过程中，造渣脱磷，并减小装料对炉底的冲击。

83．熔化期熔化期的任务:

将固体炉料熔化成钢液，并脱去钢中部分磷。炉料在熔化过程中，铁、硅、锰、磷等元素被炉气中的氧所氧化，生成FeO、SiO2、MnO及P2O5氧化物，这些氧化物又与石灰(主要成分为CaO)化合成炉渣，覆盖在钢液表面。为了脱磷，在熔化末期分批加入小块铁矿石，其总量根据炉料的含磷量决定，一般为装料量的1％一2％。炉料熔化以后，熔化期就结束。此时，应扒去富磷炉渣，然后加入石灰、萤石等造渣材料——另造新渣。94．氧化期

氧化期的任务：将钢液中的含磷量降低到规定的要求，去除钢液中的气体和非金属夹杂物，并提高钢液的温度。在氧化期的前一阶段，钢液温度较低，这时主要是造渣脱磷。待钢液温度提高(1530℃以上)后，进入第二阶段，这时主要进行氧化脱碳沸腾精炼，以去除钢液中的夹杂物和气体。常用的氧化脱碳方法：矿石脱碳法吹氧脱碳法矿石一氧气联合脱碳法。10

矿石脱碳法是在氧化期分批加入经过焙烧的铁矿石。铁矿石中的氧化铁与钢液中的铁发生吸热反应：

Fe203＋Fe→3FeO-Q(1)

反应生成的氧化亚铁溶解在钢液中，起脱碳作用：

FeO＋C→Fe十CO-Q(2)

碳氧化生成大量的CO气泡，造成钢液沸腾，具有清除钢液中的气体和非金属夹杂物的作用。矿石用量根据脱碳量来确定。一般加入矿石l.0kg/t钢液，可脱碳0.01％左右。为了达到有效地去除钢液中的气体，应使钢液激烈沸腾。为了使钢液温度不致于因加入铁矿石大幅度降低，应采取分批加入矿石的方法，以保证维持钢液的激烈沸腾状态，提高除气排渣的效果。11

吹氧法

用直径(12～25)mm的普通钢管从炉门插入钢液(100~200）mm内吹氧；并通过调节供氧压入控制熔池的沸腾。吹入的氧与铁首先发生放热反应：

2Fe+02＝2FeO＋Q(3)

形成的FeO与铁水中的碳发生吸热反应：

FeO+C＝Fe+CO-Q(4)

吹氧过程的耗氧量与脱碳量有关，为保证除气及去除非金属夹杂物的效果，脱碳量应达到0.3～0.4％，因而每吨钢液的耗氧量约为(4～5)m3。12矿石一吹氧结合法

该方法是分批加入矿石，并在加每批矿石之间吹氧。

经过氧化脱碳后，钢液中含有大量的氧化亚铁，同时残存未熔的矿石致使在停止供氧的条件下，钢液仍继续沸腾一段时间，这一阶段的沸腾称为净沸腾，钢液净沸腾时间(5~15)min。为使脱碳效果更好。在氧化期内还要加入新鲜石灰(CaO)造渣并加入萤石(CaF2)调整炉渣的粘度。当钢液中含磷量和含碳量都已符合规定要求，钢液温度足够高时，可以扒出氧化渣，进入还原期。135．还原期氧化期结束后扒去氧化渣，造稀薄渣覆盖钢液表面，减少降温和吸气。渣料组成比为，石灰：萤石：砖块＝4：1.5：0.2，渣料加入量相当于钢液重量的2％~3％。还原初期加锰铁预脱氧、锰铁加入量按规格成分下限含锰量计算。预脱氧后开始造还原渣，它有很好的脱氧脱硫能力。还原渣有两种，即白渣和电石渣。白渣适于冶炼含碳量低于0.35％的钢种，电石渣适于冶炼含碳量高于0.25％的钢种。14造白渣方法稀薄渣形成后，按比例加入渣料：

石灰(8～12)kg/t钢水，氟石(1～2)kg/t钢水，炭粉(1.8～2.0)kg/t钢水。关上炉门(10～15)min，即形成白渣。白渣的成分为：(55％～65％)CaO，(15％～20％)SiO2，＜10％MgO，(5％～10％)CaF2，(2％～3％)AI2O3，余为FeO、CaS等。白色，冷却后粉化。15白渣形成以后钢液在白渣覆盖下(20～30)min，促进炭粉脱氧和石灰脱硫。白渣的脱氧脱硫能力随时间延长而减弱，为恢复其还原能力，在白渣覆盖期间，每隔(6～8)min，分批加入，调整渣料，每批渣料包括：石灰4～6kg/t钢水，硅铁粉2～3kg/t钢水。16造电石渣的方法稀薄渣形成后，加入：石灰(8～12)kg/t钢水，氟石(2~4)kg/t钢水和炭粉(4~5)kg/t钢水，(15~20)min后形成电石渣。电石渣成分为：(55％～65％)CaO，(10％～15％)SiO2，(8％～10％)MgO，(2％～3％)Al2O3，(8％～10％)CaF2，(2％～5%)CaC2，余为FeO、CaS、MnO等。其颜色为暗灰色或灰黄色，浸入水中有电石气味。17为了使钢液充分脱氧、脱硫，钢液应在电石渣覆盖下保持(15～25)min的还原时间。在此期间每隔(8～12)min分批加入补充渣料，如石灰(4～6)kg/t钢水及炭粉(1～2)kg/t钢水，以保持电石渣的还原能力。电石渣的还原能力优于白渣，缺点是钢液增碳太快，每小时约增碳0.1％。所以这种方法不能冶炼低碳钢。此外，电石渣与钢液的润湿性好，与钢液不易分离，易引起铸件夹渣。18出钢前要使电石渣变成白渣。其方法是打开炉门，让空气大量进入炉内，渣中的电石成分就会被氧化而成为石灰：

2CaC2＋3O2＝2CaO＋4CO(5)钢液经过充分还原以后，含氧量和含硫量都已降到合格的程度。这时可以测量钢液温度。当钢液温度达到出钢温度要求时，可以调整钢液的化学成分。冶炼碳钢时，加入适量的硅铁和锰铁来调整含硅量和含锰量。冶炼合金钢时，除了调整含硅量和含锰量以外，还要调整合金元素含量。196．出钢

钢液化学成分调整好后，即可用铝进行终脱氧。终脱氧的加铝量与钢炉和铸型状况有关：一般为钢液重的0.10％～0.15％。用铝终脱氧的方法有两种：插铝法和冲铝法。插铝法是在临出钢前，用钢针将铝块插入钢液中进行脱氧，操作时应切断电源。冲铝法是将铝块放在出钢槽上。利用钢液将铝块冲熔进行脱氧。插铝法脱氧效果较好；冲铝法操作简单，但有时铝块会被炉渣裹住，不能起到应有的脱氧作用。20

终脱氧后，升起电极，倾炉出钢。出钢时钢流要大，且要钢、渣齐出。这样，炉渣可起到保护作用。减小钢液的氧化、吸气和冷却。此外，由于钢、渣同时注入包内，得到充分搅拌和接触，可起到进一步脱硫作用。对于少数含有易氧化元素的钢种，为了提高元素的收得率和稳定钢液的化学成分，则采用先出钢后出渣的出钢方法。21铝合金的熔炼

根据所熔炼的合金种类和熔化炉的种类决定铝合金的具体工艺流程，一般的流程：22熔炼前的各项准备(一)配料计算及调整合金成分的办法(二)金属炉料的准备(三)非金属材料的准备231.配料的原则1)在保证产品质量的前提条件下，根据产品的用途和加工要求，应充分利用重熔的废料，尽量少用新料，把成分合格的废料都利用掉；对于质量、性能要求高的产品，则应少用废料，多用高品位的新料。2)多次使用废料的比例，应考虑尽量使用低品位的纯金属，废料多次循环使用后，炉料质量降低(杂质增加、含气量增加)和可能出现遗传效应的情况，一般＜50％。

3)如加入的合金元素熔点比基体金属高很多，或在基体金属易产生偏析、或其本身极易烧损，或要求其含量精确控制的，多采用中间合金而不采用纯金属。242．配料计算程序及其方法

根据所提供的各种金属材料(炉料)的牌号、质保单或化验报告等炉料的准确资料，进行配料计算。其程序为：1)确定所需合金牌号的合金液的重量及所使用的炉料的组成比例和回炉料的重量，可参考表3—17的经验数据。2)考虑元素的烧损，计算出100kg炉料各元素的需要量。各元素的经验烧损值见表3—18。3)根据1)所需熔化的合金重量，算出各元素的实际需要量。一般元素，多按上下限的平均化学成分来计算．对烧损大的或要取上限的，则取上限值计算。254)计算出在回炉料中已有的上述各元素的含量。5)计算出扣除回炉料中，已有的合金元素的含量之外，还应补加新的合金元素的重量。6)根据5)计算出应添加的各种中间合金的重量或纯金属的重量。7)根据6)计算出除回炉料和中间合金带入的铝的重量外，还应补加进去纯铝的重量。8)计算出实际的炉料总重量。9)核算杂质含量，看看杂质含量是否越标．以便提出降低的措施。10)填写配料单一式两份，一份留底析查，一份交生产现场备料。2627(二)金属炉料的准备

对金属炉料的表面状态、块度大小、烘烤预热等应达到下列要求：1)必须破碎或切割到一定的块度、重量。纯铝锭，一般为4~5kg/块，结晶硅、金属锰、金属钛等都要碎成1～2mm的小块；镁锭的大小，以可以放入钟罩为宜；中间合金应沿锭块缺口处破断；电解铜、电解镍要锯成＜100xl00mm的块状。2)各种炉料的表面，必须经过吹砂处理，无氧化斑痕、泥土水分、油污；无钢、铁铸件及过滤网(板)等杂质。3)在装炉前，必须把它们预热到400℃左右，保温3～4h；混合稀土、镁锭要预热到250℃左右，保温3h。28(三)非金属材料的准备1)配制所需用的各种涂料。2)氯气、氮气、氩气、氟里昂气，都要在使用前经过硫酸干燥器和氯化钙干燥器作脱水处理，含水量应＜0.06％。硫酸和氯化钙，应50天左右更换1次。氯化钙在装入前，要在70℃下烘烤1.5小时。3)六氯乙烷要按每份80～100g在模具内压成Φ50x30mm的圆饼，存于干燥处，使用前在80～100℃的烘箱内烘烤1h左右。294)氯化锰应盛在不锈钢盘中并摊平，厚度为30mm左右，放在200~250℃的干燥箱中烘烤3~5h，然后粉碎，保存在干燥器内或保存在100～120℃的烘箱中，或在140℃温度下烘烤2h呈浅红色，然后比成团饼，在使用前再在140℃下烘烤4h。5)二氧化钛：应在400℃的烘箱市烘烤2h，按规定比例与六氯乙烷混合。6)氮化锌：使用前要在350~400℃温度下重熔脱水，当由白色蒸气转变为黄色蒸气时，立即浇注到预热至125~150℃的模具内或干净的铁板上，然后将其保存在110~120℃的烘箱中。307)氟硅酸钠、氟硼酸钠：应平铺在盘内(厚度在10～15mm左右)，在350～400℃的烘箱内烘烤3h，然后按规定比例与六氯乙烷混合压块，或与其他材料配合使用。在使用前仍要在120℃温度下烘烤1h。8)氯化铝：使用的应在120～150℃温度下烘烤3～4h，再放入干燥器或110～120℃的烘烤箱中备用。9)无毒精炼剂：为了避免氯气、六氯乙烷等产生刺激性气体的危害而选用硝酸钠(或硝酸钾)、石墨粉、冰晶石、食盐及耐火砖屑等成分，技不同比例配制成精炼剂。例如，34％NaNO346％石墨粉＋2％冰晶石(Na3AlF6)＋10％NaCl＋30％耐火砖屑。先将上述原料在120温度下烘烤1～1.5h，然后用100＃～150＃筛过筛，筛后将混合物在模具内压成Φ45x30的圆饼，放入干燥器中或100℃左右的烘箱中备用。3110)配制好的精炼剂应放在干燥器中或80℃烘箱中保存备用，在使用前再放在200℃烘箱内烘烤2h。11)变质剂：各种变质剂此经过40＃过筛，在350温度下烘烤3h后放在干燥处保存，使用前再放在熔化炉预热。32铸造铝合金的典型熔炼工艺1.熔炼前的准备工作

1)清炉和洗炉(电阻炉或小频感应炉)2)预热熔炉(坩埚)及熔炼工具到200～300℃

，喷刷涂料；

3)清理和预热炉料；

4)准备好熔剂。2.配料计算

由于熔炼中Si和Mg的烧损很大，应按上限计算配料。3.装料次序及装料

1)回炉料；

2)铝硅中间合金或2L102合金；

3)铝锭。333.装料次序及装料1)回炉料；2)铝硅中间合金或ZL102合金3)铝锭。4.熔化及精炼

装完料后，升温熔化炉料。等炉料全熔后，除净熔渣，加入熔剂，当温度达到680℃时，用钟罩将预热到200～300℃的金属镁块或A1—Mg中间合金块压入熔池中心。离坩埚底150mm深处，并缓慢回转和移动，时间为3～5min。然后升温到730～750℃，用炉料总重量的0.7％～0.75％的六氯乙烷分2～3次用钟罩压入合金液内精炼合金液，总时间为10～15mm，缓慢在炉内绕圈。待精炼剂反应完后，静置l～2min后，取试样作炉前分析。如炉前分析发现合金成分不合格，则应马上进行调整成分的补加或冲淡工作。345.变质处理

当合金液的温度达到730～750℃时，用炉料重量的1.0～1.5％变质剂作变质处理，总时间为15～18min。6.浇注

当温度达到760℃时，扒渣出炉，用坩埚或手抬式浇包盛取合金液，将合金液浇入铸型中，同时浇注化学成分、机械性能等试样。注：应根据各厂的具体情况选用精炼剂和变质剂。35变型铝合金的典型熔炼工艺(一)熔化前的准备工作

1．熔炉的准备

1)清炉：在炉底撒上一层熔剂然后将炉温升到800℃

，清除炉内上次熔化残留下来的熔渣。

2)洗炉：按技术工艺进行。

3)烘炉：根据本次熔化所选用的炉体，按工艺制度进行。2.准备炉料变形铝合金熔炼用炉料主要是以下三类：1)工业纯铝；2)回炉重熔的废铝料；3)中间合金及配制合金的各种纯金属：通常Ti、Be、Si、Ni等元素，多采用中间合金的形式加入合金中，其余的合金元素则多由纯金属直接配入合金炉料中。3.配料计算同前述铸造铝合金的配料计算。36(二)变型铝合金的熔炼工艺

变形铝合金的熔炼工艺与铸造铝合金的熔炼工艺基本相同，只是由于变形铝合金的生产量大、连续性强，因而其所使用的设备型号、容量均比铸造铝合金的大(但结构、原理基本一样)。一般而言，掌握了铸造铝合金的熔炼工艺，也就基本掌握了变形铝合金的熔炼工艺。37铝合金液的精炼净化

铝合金液的精炼，各国研究和开发很多方法。综合起来，可分为：炉内精炼炉外精炼按精炼原理又划分：吸附法非吸附法过滤法等38技术要求1）含H2量：航空航天材料，H2<0.1ml/100g(Al)；一般工业材料，H2<0.15～0.2ml/100g(Al)。2）碱（碱土）金属含量：一般，Na<20×10-6%；高品质，Na<5×10-6%；3）有害杂质元素含量：国家标准4）非金属夹杂物：没有国标，按实验数据自定。39钛及钛合金

熔炼与浇注

用于钛合金熔炼、浇注的设备种类包括：真空自耗电弧凝壳炉真空非自耗凝壳炉电子束凝壳炉冷壁坩埚感应炉等离子凝壳炉40它们的共同特点是都采用“凝壳”坩埚、即使用强制水冷的铜坩埚或石墨坩埚，熔炼时钛在坩埚上形成一个薄薄的凝固壳体。保护钛在熔融状态下不受污染，从而获得足够浇注铸件用的“纯净”液体钛。

真空自耗电弧凝壳炉是最早用于钛铸件生产的设备，虽然它存在自己的缺点，但在众多新的熔铸方法竞争的形势下，仍然是目前用于生产的主要工艺设备。41真空自耗电弧凝壳炉利用电弧作热能，在低压环境下熔炼金属，始于1839年。到1903年，首次利用自耗电极和水冷结晶器，在低压氩气保护下熔炼钛金属。从1937年起，真空自耗电弧重熔的方法获得了很大的进展，这是与钛冶金的发展紧密相联的。1949年后，大型真空电弧熔炼，已具备了工业生产的规模，工艺与设备也日趋完备。42

水冷铜坩埚应用最为广泛，欧美、中国都主要采用这种坩埚。铜材埚的直径D由炉容量与电极直径d所决定，一般为d/D为0.45~0.75，而坩埚的合理深度H则与电流强度有关，一般铜坩埚的深度直径比H/D约为1.2～1.5。434445464748495051525354钛合金真空自耗电弧凝壳熔炼浇注工艺1．炉料淮备自耗电极是电弧凝壳熔铸的炉料，另外在坩埚里还可预置少量的炉料，自耗电极又称铸钛母合金棒，它的合金成分应严格符合铸件要求。母合金来源主要有三种：

铸锭：航空铸件应采用真空自耗电弧炉生产的二次自耗熔炼铸锭，用作凝壳炉电极；而一般铸件则可采用一次锭。每炉批铸锭应检验其化学成分及杂质。铸锭直径和长度应符合所采用凝壳炉的技术条件，短锭可用焊接或螺纹机械联结。铸锭两端必须机加成平面，锭身可带原始铸造表面使用，但必须仔细清除锭身的沾污物；如果表面氧化严重，必须以机加工方法去除。

55棒料：大铸锭可锻造成园棒，经加工去除氧化皮至规定尺寸，用作凝壳炉母合金电极使用。加工棒料表面光洁，熔炼中不易引发侧弧。铸锭经锻造变形后，合金成分希望得到均匀化。从成本计算，锻棒电极的整体成本低于小型铸锭的成本。因此，在钛铸件大批量生产中，全部使用扒皮钛合金棒料。

回炉料：利用钛铸件废品和浇冒口等回炉料，是降低铸件生产成本重要途径。用处理干净的回炉料制造的母合金电极有两种。一种方法是将切成小块的回炉料，经吹砂、酸洗后，装填入人造石墨的锭模中，在凝壳熔炼炉中挠入部分钛液(～30％重量)，镶合成符合电极尺寸的棒料，它的密度虽然只有致密金属的70％—80％，但已具有足够的强度与导电率，完全符合自耗电极的使用要求；另一种方法是将回炉料逐块焊接成一根棒料，这样的自耗电极，表面不规则，在熔炼过程中，容易出现爬弧、侧弧，因此应尽量控制较短的电弧，保持较低的熔炼电压，避免因侧弧引发击穿坩埚的危险。

56钛合金铸造产生的废料，一般占母合金投入的70％-80％。废料一般由以下部分组成：铸件浇冒口系统(75％-80％)；报废铸件浇口杯制壳、废凝壳、炉内飞溅物和铸件初加工钛屑。通常应用作回炉料的是化学成分合格的前面三个部分。572．电弧凝壳熔炼工序58电弧凝壳熔炼的特点

电弧在熔池表面导入热能，达到一定的过热度，而熔池与凝壳交界处的温度为金属的结晶温度。这样池面与界面产生一个温度差，熔池形成一个变化的温度场。这个温度场的变化，决定于：1)电弧输入能量——电流、电压、电弧长短与熔炼速度；2)池面辐射能量损失——电极直径及与坩埚的比例；3)坩埚冷却水热传导——温度、压力，坩埚材料与结构；4)熔池尺寸及搅拌——弧压搅拌和电磁搅拌。59钛合金其他熔炼浇注方法1．电子束凝壳熔炼浇注法早在1905年就开始研究利用电子束作为熔炼高熔点金属的能源。直到60～70年代，电子束熔炼才获得工业规模的发展。1964年，日本真空技术公司试制第一台120千瓦的电子束凝壳炉，能够熔炼浇注4.5公斤的钛铸件。随后其他国家也相继建立试验型和生产型的电子束凝壳炉，如表所列，其中，德国和意大利制造的500千瓦电子束炉，能浇注100kg的液体钛，该炉子装备有铸型预热室和冷却室，可以连续生产钛铸件。6061622．真空非自耗电极电弧凝壳熔炼浇注法

非自耗电极电弧熔炼法是在惰性气体保护下、在水冷铜结晶器上，采用钨棒或石墨棒作电极进行电弧熔炼的一种方法。早在1937年，W.J.Kroll就用这一方法熔炼出第一批钛，在1941年他用同样的方法浇铸出钛铸件。63643．等离子弧和等离子电子束熔炼浇注法

被称为“物质第四态”的等离子体，是一种由电子、离子及中性粒子组成的电离气体。虽然等离子体中存在自由电荷。但正、负电荷相互抵消，因此从整体来看，等离于体是电中性的。电流流经气体即可产生等离子。等离子弧熔炼法是利用等离子体加热熔化金属的一种方法。等离子枪由含钍的钨电极和水冷的等离子枪体组成。在高频(HF)放电的作用下，作为负极的钨棒与带正极的坩埚间产生等离子弧。所谓等离子弧，也是一种电弧，不过在惰性气体介质中，其电离度更高。65与自由电弧相比，等离子弧具有较好的稳定性、较大的长度和较广的扫描能力，从而使它在熔炼铸造领域中具备了特有的优势。等离子弧熔炼，可以利用散装料，如海绵钛、钛屑、烧道切块等，也可用料棒送料，即缓慢将料棒伸入等离子室使金属熔化，滴入坩埚。等离子弧熔炼法设备结构简单、操作方便、熔融金属温度高。它的缺点是：由于等离子体被引入炉膛，炉膛气压较高，不利于金属除气，由于惰性气体纯度问题，金属难免会受到沾污。66

熔炼钛合金时，等离子