自蔓延冶金法制备CuCr合金冶炼渣的研究

摘要

CuCr合金是目前在国内外广泛应用的中高压真空开关触头材料，主要工业生产方法为粉末冶金法、熔渗法和真空电弧熔炼法等。针对其传统生产方法的高生产成本、工艺复杂、成品率低和设备投资大等缺陷，本课题组提出以氧化物为原料利用自蔓延冶金法制备CuCr合金，该方法包括三个关键步骤:首先通过铝热反应获得互溶的高温熔体，然后通过熔渣精炼去除氧化物夹杂，最后通过快速冷却获得符合要求的CuCr合金铸锭。在铝热反应和熔渣精炼过程中，冶炼渣的性能对渣金分离和夹杂物的去除有着至关重要的影响，因此本文对自蔓延冶金法制备CuCr合金的冶炼渣进行了系统研究。 目前，对Al2O3基熔渣的研究主要集中在炼钢用精炼渣和电渣重熔用渣，对Al2O3含量较高的铝热还原渣的研究尚不充分。本文对铝热还原冶炼渣的物理性能进行了研究，结果表明:当w(CaO)∶w(Al2O3)=1∶2时，渣中w(CaO)的提高会使熔渣的黏度和密度降低，凝固温度和表面张力先降低后升高，分别在30％和10％时有极小值;w(MgO)的提高会使熔渣的黏度、凝固温度、密度和表面张力先降低后升高，在3％时有极小值;w(CaF2)的提高会使熔渣的黏度、凝固温度、密度和表面张力均降低;w(SiO2)的提高会使熔渣的黏度、凝固温度、密度和表面张力均升高;w(Na3AlF6)的提高会使熔渣的黏度和表面张力降低，凝固温度和密度升高。 铝热还原过程中未参与反应的Cr2O3和生成的Al2O3将在精炼过程中被熔渣吸收、影响熔渣的性能，因此考察了熔渣吸收Al2O3和Cr2O3对其性能的影响，并用高纯刚玉棒模拟夹杂物，考察了氧化物夹杂向渣中的溶解过程，结果表明:Al2O3和Cr2O3向熔炼渣中的溶解会提高熔渣的黏度、凝固温度、密度和表面张力，恶化其冶金性能，对渣金分离过程有不利影响;分析了熔渣化学成分对Al2O3夹杂物在CaO-Al2O3-CaF2、CaF2-CaO-MgO-Al2O3-SiO2系精炼渣和CaO-Al2O3基冶炼渣中的溶解速度的影响;Al2O3向熔渣中的溶解随温度和旋转速度的上升而上升，Al2O3在熔渣中的溶解过程受扩散控制;Al2O3夹杂与熔渣之间的浓度边界层中存在CaO·2Al2O3(CA2)和CaO·6Al2O3(CA6)两个高熔点中间化合物，在溶解过程中Al2O3夹杂要依次穿过CA6层和CA2层，并在CA2层和熔渣的界面处进入熔渣基体。 熔渣物理性质的测定较为困难，因此利用数学模型通过熔渣的化学成分估算其物性具有重要意义。本文对KTH黏度模型进行了修正，使其适用于铝热还原熔渣体系，与本文的测量值对比，黏度模型估算值变化趋势一致且吻合良好，平均标准偏差△为15.7％;建立了熔渣体系电导率的估算模型，并应用于Al2O3基熔渣体系，估算结果与前人测量结果之间的平均标准偏差△为9.95％～17.4％，吻合良好。 铝热还原过程是自蔓延冶金法制备CuCr合金的关键步骤之一，本文选择了一种四元熔渣用于制备CuCr合金，考察了冶炼渣成分和Cr2O3的配入量对CuCr合金铝热还原过程的影响，结果表明:所选四元渣系渣金分离效果较好，渣相中不存在金属Cr相，且可以有效脱除合金中的气孔和夹杂物，金相照片中气孔和夹杂物相所占的比例大幅度降低;提高原料中Cr2O3的配入量，可以调控CuCr合金的成分，有效提高合金中富铬相所占的比例和Cr元素的含量，但熔渣中存在未被还原的Cr氧化物，导致Cr的损失增加;合金中富铬相颗粒的面积平均直径DA为12～～40μm，Cr2O3配入量的提高会导致合金中富铬相颗粒的尺寸增大和大尺寸富铬相的含量增加。 熔渣精炼是消除自蔓延冶金法制备CuCr合金中气孔和夹杂物的关键步骤，本文对CuCr合金的精炼过程进行了研究，结果表明:重熔精炼能够有效去除CuCr合金中的气孔和夹杂物，但不能降低合金的Al含量，而且还会导致CuCr合金中的Cr会因重力偏析而大量损失;直接精炼可以细化晶粒，去除气孔和大尺寸夹杂物，降低合金中残留的Al元素;与分批加料相比，连续加料方式的精炼效果更好;铝热还原-直接精炼制备的CuCr合金中富铬相的面积平均直径DA在6.7～21.35μm，且尺寸大于50μm的大尺寸富铬相很少出现;合金中没有大尺寸氧化物夹杂，只有极少量的尺寸约为2～3μm的氧化铝夹杂物分布在铜铬相界面和富铜相基体当中。 利用铝热还原-直接精炼法制备了Cr含量满足国家标准的CuCr25和CuCr40合金，其中残留的w(Al)小于0.2％，富铬相晶粒的面积平均直径分别为16.44μm和19.58μm。

目录

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摘要

第1章绪论

1．1 CuCr合金的性质与用途

1．2 CuCr合金的制备方法

1．2．1熔渗法

1．2．2混粉烧结法

1．2．3真空自耗电弧熔炼法

1．2．4机械合金化法

1．2．5快速凝固法

1．2．6其他方法

1．3自蔓延冶金法制备CuCr合金

1．3．1自蔓延冶金法的应用

1．3．2自蔓延冶金法制备CuCr合金的研究进展

1．4冶金熔渣

1．4．1熔渣的分类

1．4．2熔渣的物理性质

1．4．3熔渣的作用

1．5课题研究背景及内容

1．5．1课题研究背景

1．5．2课题研究内容

第2章Al2O3基熔炼渣系性能的研究

2．1引言

2．2实验原理与方法

2．2．1实验原料

2．2．2实验设备

2．2．3实验原理

2．2．4实验流程

2．3添加剂对CaO-Al2O3渣系性能的影响

2．3．1添加剂对CaO-Al2O3渣系物相组成的影响

2．3．2添加剂对CaO-Al2O3渣系黏度的影响

2．3．3添加剂对CaO-Al2O3渣系凝固温度的影响

2．3．4添加剂对CaO-Al2O3渣系密度的影响

2．3．5添加剂对CaO-Al2O3渣系表面张力的影响

2．4溶解夹杂物对铜铬合金熔炼渣系性能的影响

2．4．1溶解夹杂物对渣系黏度的影响

2．4．2溶解夹杂物对渣系凝固温度的影响

2．4．3溶解夹杂物对渣系密度的影响

2．4．4溶解夹杂物对渣系表面张力的影响

2．5夹杂物在铜铬合金熔炼渣系中的溶解速度

2．5．1 Al2O3夹杂物在重熔精炼渣系中的溶解速度

2．5．2 Al2O3夹杂物在CaO-Al2O3渣系中的溶解速度

2．5．3 Al2O3夹杂物在Al2O3基渣系中的溶解机理

2．6本章小结

第3章Al2O3基熔渣黏度和电导率估算模型

3．1引言

3．2熔渣的黏度估算模型

3．2．1模型建立

3．2．2模型中所使用的参数

3．2．3结果与讨论

3．3熔渣的电导率估算模型

3．3．1模型建立

3．3．2模型中所使用的参数

3．3．3结果与讨论

3．4本章小结

第4章CuCr合金铝热还原过程的研究

4．1引言

4．2实验原理与方法

4．2．1实验原料

4．2．2实验设备

4．2．3实验流程

4．3熔渣组成对铝热还原制备CuCr合金的影响

4．3．1熔渣组成对还原渣物相结构的影响

4．3．2熔渣组成对合金金相组织的影响

4．3．3熔渣组成对合金中夹杂物赋存状态的影响

4．4 Cr2O3的配入量对铝热还原制备CuCr合金的影响

4．4．1 Cr2O3的配入量对还原渣物相结构的影响

4．4．2 Cr2O3的配入量对合金金相组织的影响

4．4．3合金中富铬相的尺寸分布

4．4．4 Cr2O3的配入量对合金中夹杂物赋存状态的影响

4．5本章小结

第5章CuCr合金的熔渣精炼过程研究

5．1引言

5．2相关理论计算

5．2．1夹杂物在CuCr合金熔体中的上浮速度

5．2．2富铬相颗粒在CuCr合金熔体中的上浮

5．3 CuCr合金的重熔精炼

5．3．1重熔精炼对合金金相组织的影响

5．3．2重熔精炼对合金中夹杂物赋存状态的影响

5．4 CuCr合金的直接精炼

5．4．1直接精炼对合金金相组织的影响

5．4．2合金中富铬相的尺寸分布

5．4．3直接精炼对合金中夹杂物赋存状态的影响

5．5本章小结

第6章结论

参考文献

致谢

作者简介

攻读博士学位期间取得的研究成果