除渣精炼方法及应用研究

2023-06-22 理论教育版权反馈

【摘要】：杂质的来源和产生时期各不相同，在熔体内的分布状态也千差万别，合金在浇注前必须进行除渣精炼才能获得性能优良的铸件或铸锭。除渣精炼方法主要有静置澄清法除渣、浮选法除渣和溶剂除渣。除渣用溶剂由42%的硼砂、8%的碳酸钠、50%的焦炭粉混合而成，该精炼剂的密度小，熔点低，在熔炼下料时即与炉料一起加入。熔炼时，精炼剂加入量为炉料总重的0.1%～0.15%左右。使用结果表明，加入熔剂熔炼1.2t黄铜产生24.3kg的铜渣，与不加熔剂比较，减少了21.55kg。

铜及铜合金熔炼过程中产生的夹杂主要是Al₂O₃、SiO₂、SnO₂等高熔点氧化物，它们呈弥散分布在铜液中。SiO₂和SnO₂呈酸性，Al₂O₃呈中性，可用碱性溶剂去除。氧化渣的来源很多，熔炼前，炉料本身会带进一些夹杂物；在熔炼过程中，金属氧化会生成大量的渣，而且炉衬、工具和炉气中的灰尘也会带入很多夹杂。杂质的来源和产生时期各不相同，在熔体内的分布状态也千差万别，合金在浇注前必须进行除渣精炼才能获得性能优良的铸件或铸锭。

除渣精炼方法主要有静置澄清法除渣、浮选法除渣和溶剂除渣。

静置澄清法是利用氧化夹渣与铜合金熔体存在密度差来除渣。当铜合金熔体在高温静置时，由于夹杂物与熔体的密度不同，使得夹杂物上浮或下沉。若将夹杂看成球体，其上浮或下沉的速度遵循斯托克斯定律，即速度与夹杂物半径的平方、夹杂物与熔体密度差这两个参数成正比，而与熔体的粘度成反比。金属熔体中夹杂物尺寸一般很小，且分布在熔池的各个部位，若单纯采用静置法来除杂，不但操作时间长，效果也较差。通常是在一定的过热度下，先投入溶剂搅拌结渣后再静置除渣，这样才能取得较好的效果。受夹杂物上浮（下沉）运动速度的影响，静置除渣法只适合熔体与夹杂物密度差别大、夹杂颗粒尺寸较大的情况下使用。

浮选法是通过向铜合金熔体通入惰性气体或加入溶剂来产生气泡，利用上浮的气泡将悬浮在熔体中的夹渣吸附后带到液面加以去除的。精炼含铝的铜合金（如铝青铜）时，可用氯盐除去氧化铝夹渣。需要注意的是，氯盐一般都含水，为避免熔体内再产生氢气，氯盐在使用前因充分预热除水。

溶剂除渣更为复杂，它是利用溶剂的溶解作用、化合作用和吸附作用来除渣的。夹杂物的分子结构和化学性质与溶剂接近时，在一定的温度下就能与溶剂互溶，并随溶剂的沉浮而脱离熔体。溶剂与夹杂物要化合，两者之间要有一定的亲和力，且能够形成化合物或络合物，化合物最好是体积更大、熔点更低、更容易与熔体分离的复盐，如碱性氧化物与酸性溶剂、酸性氧化与碱性溶剂在一定温度下形成的复盐炉渣。

下面列举高锌黄铜H62的溶剂除渣工艺及除渣效果。

除渣用溶剂由42%的硼砂（Na₂B₄O₇·H₂O）、8%的碳酸钠、50%的焦炭粉混合而成（质量分数），该精炼剂的密度小，熔点低，在熔炼下料时即与炉料一起加入。硼砂是黄铜良好的熔炼剂，煅烧至320℃即失去结晶水，随后熔化并覆盖在熔池表面，可有效防止熔体吸气和氧化，同时还分离出硼酸酐（B₂O₃）。硼酸酐在高温状态下很不稳定，在分离出来的瞬间就与金属氧化物（MeO）反应，然后再生成Na₂O·MeO（B₂O₃）复盐并被分离出来，发生的化学反应如下：

最后的产物Na₂O·MeO（B₂O₃）2复盐不仅起到除渣的作用，还减少了渣量，有效降低了金属损耗量；另外，熔融状态下的硼砂也保护了熔体免遭进一步氧化。

在回收的废料中难免不含SiO₂和Al₂O₃等杂质，加入质量分数为8%的碳酸钠就是为了去除这类氧化物。碳酸钠在高温熔融状态下粘度很低，容易发生如下反应：

为进一步降低生产成本，可用焦炭粉代替一半的硼砂。

精炼剂用量不能太大，一方面因为所用除渣剂为碱性，对酸性炉衬有一定的影响；另一方面，用量过多，熔剂成本太高。熔炼时，精炼剂加入量为炉料总重的0.1%～0.15%左右。每炉H62投料1.2t，加入2kg熔剂。溶剂分两次投放：加炉料时先加入2/3，炉料完全熔化后再投入剩下的1/3，然后取样、搅拌、静置5min后扒渣浇注。使用结果表明，加入熔剂熔炼1.2t黄铜产生24.3kg（占炉料的质量2.03%）的铜渣，与不加熔剂比较，减少了21.55kg。而且扒出的炉渣形态改变较大，由未加熔剂时的粘稠状变成疏松的细砂状，降低了炉渣夹带合金造成的损失。另外，ZnO和炉渣在炉膛、炉头沉积结垢的现象大为减少，清炉时间缩短了将近一半，生产效率得到了提高。

为进一步降低生产成本，可用焦炭粉代替一半的硼砂。

除渣精炼方法及应用研究

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