影響熔劑除渣精煉效果的因素
除渣精煉劑,有吸附、溶解和化合三種造渣作用,這三者不是孤立的。
從熔劑和夾渣的性質(zhì)、熔煉溫度和造渣情況來看:熔煉溫度較高的銅、鎳、鋼鐵等合金,造渣以化合作用為主;而熔煉溫度較低的輕合金以吸附造渣作用為主導。
分析熔煉溫度、時間、熔劑性質(zhì)等對除渣精煉效果的影響。
1、精煉溫度
熔劑一定時,影響熔劑吸附、溶解和化合造渣作用的主要因素是溫度。整個造渣過程中,尤其是化合和溶解過程,是由擴散傳質(zhì)速度所控制的。合金熔體中非金屬夾雜物(特別是氧化物)熔點很高,在熔煉溫度下多呈固態(tài)。盡管它們能為液態(tài)熔劑所潤濕,但氧化物在熔劑中溶解和化合反應(yīng)的限制性環(huán)節(jié)是擴散過程。因此,要提高化合和溶解造渣效果,就要提高精煉溫度。
提高精煉溫度對吸附造渣也是有利的,因為溫度高時,金屬粘度小,可提高熔劑的潤濕能力和夾渣上浮或下沉的速度。
但是過高的精煉溫度對脫氣不利,并且可能粗化晶粒,所以控制精煉溫度時要兼顧除渣、脫氣兩方面。一般是先用高溫進行除渣精煉,然后再進行低溫脫氣,最后保溫靜置。
2、熔劑
熔劑的吸附、溶解和化合造渣能力與其結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及熔點等有關(guān)。
氧化物熔點高,且不為金屬潤濕,在金屬熔體中多呈分散的固體質(zhì)點存在,要造渣除去這些固體夾渣,首先熔劑要有潤濕氧化物的能力。熔劑的熔點和表面張力越低,其吸附造渣能力就越強。
熔劑的化合造渣能力,主要取決于熔劑與夾渣間的化學親和力。酸性或堿性較強的熔劑,其化合造渣能力也強,如玻璃、硼酸、蘇打、石灰等。熔點較高的熔劑,在銅、鎳及其合金熔煉溫度下的粘度仍很高,故必須同時加入一些降低熔點和粘度的稀釋劑以提高造渣能力。
3、精煉時間
精煉除渣效果還與精煉后的靜置時間有關(guān),一般在加入精煉熔劑并充分攪拌后,或在金屬液轉(zhuǎn)注到保溫爐或中間澆包后,應(yīng)使金屬液靜置一段時間,使熔劑和夾渣能上浮到液面或下沉到底部去。靜置時間對輕合金來說是一個決定性影響因素。因為含有夾渣的熔劑與金屬液的比重差較小,溫度較低,即使靜置較長時間,熔劑和夾渣仍可在熔體中呈懸浮狀態(tài)。
金屬動量流動
連續(xù)鑄錠過程中,在金屬液面下垂直導入液流時,其落點周圍會形成一個循環(huán)流動的區(qū)域,渦流區(qū),其特征是在落點中心產(chǎn)生向下的流股,在落點周圍則引起一向上的流股,從而造成上下循環(huán)的對流。這種沿液穴軸向?qū)α魍卵由斓木嚯x,即流柱在液穴中的穿透深度,是與澆速、澆溫、流柱下落高度、結(jié)晶器尺寸及注管直徑等有關(guān),流柱穿透深度隨其下落高度的增加而減小。因為流柱下落高度增加,其散亂程度增大,卷入的氣體多,氣泡浮力對流柱的阻滯作用增強。流柱穿透深度隨澆速增大而增大;隨結(jié)晶器斷面尺寸的減小,氣泡上浮的區(qū)域縮小,存留在流柱落點下方的氣泡數(shù)量相應(yīng)增多,對流柱的阻滯作用增強,因而流柱的穿透深度減小。同時,隨著結(jié)晶器斷面尺寸的減小,流柱落點周圍的渦流增強,使流柱軸向速度降低,也導致穿透深度減小。
在金屬液面下水平或斜向?qū)胍毫鲿r,對流分布特征將發(fā)生顯著變化,固液界面前沿的溫度和凝殼厚度變得較均勻,因而有利于降低鑄錠的熱裂傾向,減少鑄錠中心區(qū)域的縮松,尤其有利于防止扁錠大面產(chǎn)生縱向裂紋。同時,由于沒有強烈的軸向循環(huán)對流,因而可減少金屬的二次氧化,有利于夾渣和氣體的上浮。
自然對流
金屬液內(nèi)溫度和濃度不均引起的對流,稱為自然對流,由溫度不均引起的對流又叫熱對流。自然對流的驅(qū)動力是因密度不同而產(chǎn)生的浮力。由于溫度不均造成熱膨脹不均,致使金屬液密度不均而產(chǎn)生浮力。當浮力大于金屬液的粘滯力時就會發(fā)生自然對流。
枝晶間液體金屬的流動。在鑄錠凝固時,在凝固區(qū)內(nèi)(固液兩相共存區(qū)),枝晶間的液體金屬仍能流動,其驅(qū)動力是液體體收縮、凝固體收縮,枝晶間相通的液體靜壓力及析出的氣體壓力等。金屬液流經(jīng)枝晶間隙如同流體流經(jīng)細小的多孔介質(zhì)一樣。
影響凝固傳熱的因素
金屬性質(zhì)。金屬的導溫系數(shù)a代表其導熱能力的大小,α大,鑄錠內(nèi)部溫度易于均勻,溫度分布曲線就比較平坦,溫度梯度小;例如,紫銅α=1.17,黃銅α=0.37,在相同的工藝條件下,紫銅鑄錠斷面的溫度分布曲線比黃銅的要平坦些。通常,隨合金程度的提高,金屬導熱性降低,因而鑄錠斷面的溫度梯度增大。金屬的結(jié)晶潛熱大,向凝殼傳輸?shù)臒崃慷?,模壁溫度高,故降低鑄錠的冷卻速度和斷面的溫度梯度。
錠模和涂料性質(zhì)
鑄錠的凝固速度主要取決于錠模的冷卻能力。熔點較高的紫銅等厚大鑄錠,模壁厚薄對其凝固傳熱過程的影響無明顯差別。
涂料分為耐火涂料和揮發(fā)性涂料兩種。氧化鋅等耐火性涂料,因?qū)嵝圆?,增大模?鑄錠界面的熱阻,故降低鑄錠凝固速度,延長凝固時間。揮發(fā)性涂料留在模壁上的殘焦,可減小界面熱阻,使傳熱性能有所改善。生產(chǎn)中常用改變涂料層厚度、組成及性質(zhì)的方法來調(diào)節(jié)鑄錠的冷卻速度,改善鑄錠的表面質(zhì)量。例如,易氧化生渣的黃銅鑄錠,涂料可用機油或煤油和適量煙灰
澆注工藝
澆注工藝主要包括澆注溫度、澆注速度及冷卻強度,三者互相配合才能有效地控制凝固傳熱過程,從而獲得所要求的鑄錠組織和質(zhì)量。
連續(xù)鑄錠的冷卻強度主要取決于冷卻水用量或水壓。鑄錠在結(jié)晶器內(nèi)的一次冷卻,僅導出總熱量的15-20%,其余熱量主要由二次冷卻來導出。一次冷卻的作用是使鑄錠成型,并且有足夠厚的凝殼,能抵抗金屬液的靜壓力,鑄錠與結(jié)晶器之間的摩擦力和凝固收縮力,使鑄錠不致變形或開裂。二次冷越大,液穴越淺平,越有利于軸向凝固,鑄錠組織越致密。
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