影响熔剂除渣精炼效果的因素
除渣精炼剂,有吸附、溶解和化合三种造渣作用,这三者不是孤立的。
从熔剂和夹渣的性质、熔炼温度和造渣情况来看:熔炼温度较高的铜、镍、钢铁等合金,造渣以化合作用为主;而熔炼温度较低的轻合金以吸附造渣作用为主导。
分析熔炼温度、时间、熔剂性质等对除渣精炼效果的影响。
1、精炼温度
熔剂一定时,影响熔剂吸附、溶解和化合造渣作用的主要因素是温度。整个造渣过程中,尤其是化合和溶解过程,是由扩散传质速度所控制的。合金熔体中非金属夹杂物(特别是氧化物)熔点很高,在熔炼温度下多呈固态。尽管它们能为液态熔剂所润湿,但氧化物在熔剂中溶解和化合反应的限制性环节是扩散过程。因此,要提高化合和溶解造渣效果,就要提高精炼温度。
提高精炼温度对吸附造渣也是有利的,因为温度高时,金属粘度小,可提高熔剂的润湿能力和夹渣上浮或下沉的速度。
但是过高的精炼温度对脱气不利,并且可能粗化晶粒,所以控制精炼温度时要兼顾除渣、脱气两方面。一般是先用高温进行除渣精炼,然后再进行低温脱气,最后保温静置。
2、熔剂
熔剂的吸附、溶解和化合造渣能力与其结构、性质及熔点等有关。
氧化物熔点高,且不为金属润湿,在金属熔体中多呈分散的固体质点存在,要造渣除去这些固体夹渣,首先熔剂要有润湿氧化物的能力。熔剂的熔点和表面张力越低,其吸附造渣能力就越强。
熔剂的化合造渣能力,主要取决于熔剂与夹渣间的化学亲和力。酸性或碱性较强的熔剂,其化合造渣能力也强,如玻璃、硼酸、苏打、石灰等。熔点较高的熔剂,在铜、镍及其合金熔炼温度下的粘度仍很高,故必须同时加入一些降低熔点和粘度的稀释剂以提高造渣能力。
3、精炼时间
精炼除渣效果还与精炼后的静置时间有关,一般在加入精炼熔剂并充分搅拌后,或在金属液转注到保温炉或中间浇包后,应使金属液静置一段时间,使熔剂和夹渣能上浮到液面或下沉到底部去。静置时间对轻合金来说是一个决定性影响因素。因为含有夹渣的熔剂与金属液的比重差较小,温度较低,即使静置较长时间,熔剂和夹渣仍可在熔体中呈悬浮状态。
金属动量流动
连续铸锭过程中,在金属液面下垂直导入液流时,其落点周围会形成一个循环流动的区域,涡流区,其特征是在落点中心产生向下的流股,在落点周围则引起一向上的流股,从而造成上下循环的对流。这种沿液穴轴向对流往下延伸的距离,即流柱在液穴中的穿透深度,是与浇速、浇温、流柱下落高度、结晶器尺寸及注管直径等有关,流柱穿透深度随其下落高度的增加而减小。因为流柱下落高度增加,其散乱程度增大,卷入的气体多,气泡浮力对流柱的阻滞作用增强。流柱穿透深度随浇速增大而增大;随结晶器断面尺寸的减小,气泡上浮的区域缩小,存留在流柱落点下方的气泡数量相应增多,对流柱的阻滞作用增强,因而流柱的穿透深度减小。同时,随着结晶器断面尺寸的减小,流柱落点周围的涡流增强,使流柱轴向速度降低,也导致穿透深度减小。
在金属液面下水平或斜向导入液流时,对流分布特征将发生显著变化,固液界面前沿的温度和凝壳厚度变得较均匀,因而有利于降低铸锭的热裂倾向,减少铸锭中心区域的缩松,尤其有利于防止扁锭大面产生纵向裂纹。同时,由于没有强烈的轴向循环对流,因而可减少金属的二次氧化,有利于夹渣和气体的上浮。
自然对流
金属液内温度和浓度不均引起的对流,称为自然对流,由温度不均引起的对流又叫热对流。自然对流的驱动力是因密度不同而产生的浮力。由于温度不均造成热膨胀不均,致使金属液密度不均而产生浮力。当浮力大于金属液的粘滞力时就会发生自然对流。
枝晶间液体金属的流动。在铸锭凝固时,在凝固区内(固液两相共存区),枝晶间的液体金属仍能流动,其驱动力是液体体收缩、凝固体收缩,枝晶间相通的液体静压力及析出的气体压力等。金属液流经枝晶间隙如同流体流经细小的多孔介质一样。
影响凝固传热的因素
金属性质。金属的导温系数a代表其导热能力的大小,α大,铸锭内部温度易于均匀,温度分布曲线就比较平坦,温度梯度小;例如,紫铜α=1.17,黄铜α=0.37,在相同的工艺条件下,紫铜铸锭断面的温度分布曲线比黄铜的要平坦些。通常,随合金程度的提高,金属导热性降低,因而铸锭断面的温度梯度增大。金属的结晶潜热大,向凝壳传输的热量多,模壁温度高,故降低铸锭的冷却速度和断面的温度梯度。
锭模和涂料性质
铸锭的凝固速度主要取决于锭模的冷却能力。熔点较高的紫铜等厚大铸锭,模壁厚薄对其凝固传热过程的影响无明显差别。
涂料分为耐火涂料和挥发性涂料两种。氧化锌等耐火性涂料,因导热性差,增大模壁/铸锭界面的热阻,故降低铸锭凝固速度,延长凝固时间。挥发性涂料留在模壁上的残焦,可减小界面热阻,使传热性能有所改善。生产中常用改变涂料层厚度、组成及性质的方法来调节铸锭的冷却速度,改善铸锭的表面质量。例如,易氧化生渣的黄铜铸锭,涂料可用机油或煤油和适量烟灰
浇注工艺
浇注工艺主要包括浇注温度、浇注速度及冷却强度,三者互相配合才能有效地控制凝固传热过程,从而获得所要求的铸锭组织和质量。
连续铸锭的冷却强度主要取决于冷却水用量或水压。铸锭在结晶器内的一次冷却,仅导出总热量的15-20%,其余热量主要由二次冷却来导出。一次冷却的作用是使铸锭成型,并且有足够厚的凝壳,能抵抗金属液的静压力,铸锭与结晶器之间的摩擦力和凝固收缩力,使铸锭不致变形或开裂。二次冷越大,液穴越浅平,越有利于轴向凝固,铸锭组织越致密。