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液态金属凝固时会收缩,有缩孔和缩松现象,造成金属的性能下降,应设法控制。
(①液态金属具有短程有序、长程无序结构。
②温度、化学成分及固态颗粒物含量对液体金属的粘度有很大的影响。
③液态金属和气体组成的体系中,由于表面层原子处于力不平衡状态,产生了垂直于液体表面、指向液体内部的力,即表面张力,该力总是力图使表面减小。
④金属的密度随温度的提高而降低;
工程上,液态金属凝固时会收缩,有缩孔和缩松现象,造成金属的性能下降。
)
3、影响金属熔体粘度的因素有哪些?
(1)温度,粘度随温度的提高而降低。
(2)化学成分,共晶成分的液态合金的粘度最低。
(3)固态颗粒含量,粘度随颗粒体积百分含量的提高而提高。
4、金属氧化的热力学判据是什么?
①在标准状态下,金属的氧化趋势、氧化顺序和可能的氧化烧损程度,一般可用氧化物的标准生成自由焓变量△G0,分解压Po2或氧化物的生成热△H0作判据。
通常△G0、Po2或△H0越小,元素氧化趋势越大,可能的氧化程度越高。
②在实际熔炼条件下,元素的氧化反应不仅与△G0有关,反应物的活度和分压也起很大作用。
气相氧的分压PO2实高,组元含量[i%]多及活度系数大,则氧化反应趋势大。
(标准状态下,金属与一摩尔氧作用生成金属氧化物的自由焓变量称为氧化物的标准生成自由焓变△G0,氧化时,△G0<
0某金属氧化物的△G0值越小,则该元素与氧的亲和力越大,氧化反应的趋势亦越大,氧化物越稳定。
△G0=-RTlnKp=RTlnPo2△G0=△H0-T△S0
氧化物的分解压Po2、热焓变量△H0是衡量金属与氧亲和力大小常用的另外两个参数。
Po2和△H0越小,金属与氧的亲和力越大,金属的氧化趋势大,氧化程度高。
•熔炼温度越高,氧化烧损就越大。
•高温快速熔炼,可减少氧化烧损。
)
5、氧化精练的原理和过程是什么?
原理:
利用氧将金属中的杂质氧化成渣或生成气体而排除。
工艺步骤:
(1)将杂质元素及部分基体金属氧化;
(2)去除杂质元素氧化物;
(3)将氧化的基体金属氧化物还原。
6、氧化精炼的实质及热力学条件是什么?
氧化精炼的实质是利用氧将金属中的杂质氧化成渣或生成气体而排除的过程;
热力学条件是:
杂质元素对氧的亲和力大于基体金属对氧的亲和力。
(1)正或负偏差时,该组元的挥发趋势如何?
正偏差,减压增大挥发;
负偏差,减压减小挥发
(2)真空情况下,挥发趋势如何?
在真空熔炼过程中,金属的挥发随压力的降低而加速。
因为真空度高时,炉气中金属蒸气原子和气体分子的平均自由程增大,质点间碰撞的机率减少,回凝速率减小,因而净挥发速率增大。
向真空室内通入惰性气体,可降低挥发速率和挥发损失,这对于真空熔炼具有重要意义。
7、金属挥发的影响因数有那些?
(1)熔体温度;
温度越高,蒸气压越大,挥发速率越快,挥发损失就越大;
(2)金属及合金元素;
蒸气压大,蒸发热小,沸点低的金属易发损失;
(3)炉膛压力:
炉膛压力对金属挥发损失影响很大。
一般压力越小,挥发损失越大。
(4)其他因素:
时间、比表面积和氧化膜的性质。
金属处于高温液态的时间越长,比表面积越大,搅拌及扒渣次数越多,熔体表面无致密氧化膜或熔剂及炉渣覆盖,则挥发损失越大。
8、简述夹渣的来源及去除方法;
夹渣的来源可分为外来夹渣和内生夹渣两种。
外来夹渣是由原材料带入的或在熔炼过程中进入熔体的耐火材料、熔剂、锈蚀产物、炉气中的灰尘以及工具上的污物等。
内生夹渣是在金属加热及熔炼过程中,金属与炉气和其他物质相互作用生成的化合物(如氧化物、碳化物、氮化物和氢化物等)。
除渣精炼方法:
(1)静置澄清法:
静置除渣所需时间,随金属熔体粘度的增大而延长。
夹渣的形状和尺寸对上浮或下沉时间的影响较大。
(2)浮选法(吸附):
浮选法是利用通入熔体的惰性气体或加入的熔剂所产生的气泡,在上浮过程与悬浮的夹杂相遇时,夹渣被吸附在气泡表面并带到熔体液面的熔剂中去除。
(3)熔剂法:
上熔剂法、下熔剂法和全体熔剂法;
熔剂法是通过熔剂与夹渣之间的吸附、溶解和化合等作用而实现除
渣的。
(4)过滤法:
有网状过滤法、填充床过滤法及刚性微孔过滤法。
9、金属熔体中气体的存在形式有哪些?
气体在铸锭中有三种存在形态:
固溶体、化合物和气孔。
10、影响金属熔体中含气量的因素有哪些?
重点说明挥发及溶解热对气体溶解度的影响。
1、金属吸收气体的饱和浓度即为气体在金属中的溶解度。
常用每100克金属中在标准状态下的气体体积cm3/100g来表示,因其值很小,故又以溶解气体重量百万分之一的浓度即ppm表示,气体在金属中的溶解度,与金属和气体的性质、合金元素、温度及压力等因素有关。
①气体的亲和力,在一定温度和压力下,气体在金属中的溶解度是金属和气体亲和力大小的标志。
②金属在相变温度时,氢的溶解度变化较大。
③蒸气压高的金属,由于具有挥发作用,会显著降低气体在金属液中的溶解度(挥发的影响)。
④气体分压在一定的温度下,气体的溶解度随分压的增大而增大。
⑤在气体分压一定时,温度对溶解度的影响取决于溶解热。
⑥合金成分,活度交互作用系数大于零的合金元素,降低氢在合金中的溶解度;
相反,小于零的合金元素,则增大氢在合金中的溶解度。
2、蒸气压高的金属,由于具有挥发作用,会显著降低气体在金属液中的溶解度(挥发的影响)。
当溶解为吸热时,E为正值,C随T升高而增大。
当溶解为放热时,E为负值,C随T升高而减小。
11、简述分压差脱气精练的原理和方法。
把N2、Ar等惰性气体通入熔体中,或将能产生气体的熔剂压入熔体中。
由于气泡内部开始完全没有氢气,即氢分压为零,而气泡周围的熔体中,氢的分压>
0,在气泡内外氢分压差的作用下,使溶解的氢原子向熔体-气泡界面扩散,并在该处复合氢分子进入气泡内,然后随气泡一起上浮而自熔体逸出。
(原理:
利用气体分压对熔体中气体溶解度影响的原理,控制气相中氢的分压,造成与熔体中溶解气体浓度平衡的氢分压和实际气体的氢分压间存在很大的分压差,这样就产生较大的脱气驱动力,使氢很快排除)(热力学:
将溶解有气体的金属熔体置于氢分压很小的真空中,或将惰性气体导入熔体,便提供了脱氢的驱动力。
动力学:
分压差脱气过程包括:
金属熔体中的气体原子向熔体-气泡界面扩散;
在熔体-气泡界面发生2[H]={H2}反应和氢气进入惰性气泡内;
氢气随气泡上浮并自熔体逸出。
分压差脱气精炼法可分为气体脱气法、熔剂脱气法,沸腾脱气法和真空脱气法四种。
(1)气体脱气法:
1)惰性气体精炼:
惰性气体是指那些本身不溶于金属熔体,且不与熔体发生化学反应的气体,如铝合金常用的氮气和氩气等。
2)活性气体精炼(铝合金用氯气脱气效果较好)
2Al+3Cl2=2AlCl3↑(主要反应)2[H]+Cl2=2HCl↑
3)混合气体精炼
混合气体精炼能充分发挥惰性气体和活性气体的长处,并减免其害处
(2)熔剂脱气法:
使用固态熔剂脱气时,将脱水的熔剂用钟罩压入熔池内,依靠熔剂的热分解或与金属进行的化学反应所产生的挥发性气泡,达到脱氢的目的。
(3)真空脱气法:
一般在10托真空度下能使铝熔体中的氢含量降到0.1cm3/100g。
12、配料的计算方法和过程是怎么样的?
配料计算其实是基于元素的含量平衡而进行的,因此在数学上有许多方法,如用求解多元一次方程的方法。
配料计算程序如下:
首先计算包括熔损在内的各成分需要量;
其次计算由废料带入的各成分量;
再计算所需中间合金和新金属料量;
最后核算。
配料计算的其他方法:
配料计算其实是基于元素的含量平衡而进行的,因此在数学上有许多方法,如用求解多元一次方程的方法,设所需要的物料量为未知数,以每种元素平衡为一个方程,建立方程组进行求解即可。
13、什么是中间合金,采用中间合金的理由是什么?
中间合金:
将有些单质做成合金,使其便于加入到合金中,解决烧损,高熔点合金不易熔入等问题同时对原材料影响不大的特种合金。
(为便于向铸造合金中加入一种或多种元素而特别配制的合金)(为了便于加入某些熔点较高且不易溶解或易氧化、挥发的合金元素,以便更准确地控制成分而预先制成的母合金称为中间合金。
理由:
(1)是为了便于加入某些熔点较高且不易溶解或易氧化、挥发的合金元素,以便更准确地控制成分。
(2)使用中间合金作炉料,可以避免熔体过热、缩短熔炼时间和降低熔损。
14、真空情况下,挥发趋势如何?
真空情况下炉气中金属蒸气原子和气体分子的平均自由程增大,质点间碰撞的机率减少,回凝速率减小,因而净挥发速率增大。
15、什么是氧势图?
有何作用?
氧势图又称氧位图。
稳定单质(M)与1摩尔氧结合成氧化物(MxOy)的反应的标准自由焓变量ΔG°
(即氧势)与温度T的关系图。
氧势图能直观地表明各种氧化物稳定性的次序,图中直线位置越低,它所代表的氧化物越稳定;
位于△G0-T图(氧势图)下方的金属可被位于上方的氧化物所氧化。
(作用:
标准状态下,金属的氧化趋势、氧化顺序和可能的氧化烧损程度,一般可用氧化物的标准生成自由焓变量△G0,分解压Po2或氧化物的生成热△H0作判据。
16、金属氧化动力学的限制性环节怎么确定?
金属氧化过程由外扩散、内扩散和结晶化学转变三个环节构成。
然而各个环节的速度是不相同的,总的反应速度将取决于最慢的一个环节,即限制性环节。
在金属熔炼过程中,气流速度较快,常常高于形成边界层的临界速度,因而外扩散一般不是限制性环节。
内扩散和结晶-化学变化两个环节中哪一个是限制性环节,这取决于氧化膜的性质。
17、什么是金属氧化膜的致密度?
金属氧化膜的致密度为氧化物的分子体积MV与形成该氧化物的金属原子体积AV之比。
即α=MV/AV,α越大,则氧化物越致密。
当α>1时,生成的氧化膜一般是致密的,连续的,有保护性的,内扩散速度慢,因而内扩散成为限制性环节。
Al、Be、Si等大多数金属生成的氧化膜具有这种特性;
当α<1时,氧化膜是疏松多孔的,无保护性的。
限制性环节将由内扩散变为结晶化学反应。
碱金属及碱土金属(如Li、Mg、Ca)的氧化膜具有这种特性;
当α》1时,氧化物十分致密,但内应力很大,氧化膜增长到一定厚度后即行破裂,这种现象周期性出现,故该氧化膜是非保护性的。
如Fe的氧化膜。
作用:
确定金属氧化动力学的限制性环节。
18、氧化精炼过程中,氧是如何传递的?
氧的传递:
金属熔体为[MeO]所饱和,且常有少量MeO呈独立相析出、聚集在熔池表面,与加入的熔剂一起形成炉渣溶体。
MeO既可溶于炉渣,也能溶于金属,它起着传氧媒介的作用。
当炉渣中(MeO)高时,可按分配定律由炉渣传入金属液中:
(MeO)=[MeO]
因此,通过炉渣间接传氧而氧化杂质的反应可用下式表示:
(MeO)+[Me′]=(Me′O)+[Me]紫铜氧化精炼时的表面氧化法,传统的平炉炼钢法就是用这种传氧方式氧化杂质的。
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