1、坩埚熔炼的特点与高效操作修毓平摘 要 介绍了目前主要应用于有色合金的坩埚炉熔炼的特点和发展概况，对国内外在坩埚熔炼高效操作方面的经验进行了分析和评述。关键词：坩埚炉 熔炼 有色合金The Features and High Efficient Processing of Crucible Melting Xiu Yuping(Guangzhou Xinda Cast-Equipment Factory)ABSTRACT In this paper,the features and development of crucible furnace melting mainly used for n
2、onferrous alloys have been introduced briefly.The domestic and overseas experiences on the high efficient processing have been remarked.Key Words:Crucible Furnace,Melting,Nonferrous Alloys 1 坩埚熔炼的优点16 世纪中叶，陶瓷业者及炼金术士利用粘土制造坩埚，开始使用时先以慢火预热使水气蒸发，然后以猛火加热坩埚至金属熔化所需的温度。至 18 世纪末期，开始生产石墨质坩埚，但因成形技术落后，故与现代标准相比，寿
3、命仍嫌太短。1820 年，美国的 JOSEPH 开发了一种坩埚，采用天然石墨和耐火粘土，因石墨导热性好且化学性能稳定，耐火力强，故坩埚寿命大大提高。从早期耐高温石墨坩埚逐步发展到超级超强坩埚，直到当今的高级碳化硅/石墨坩埚，人类走过了一段漫长的历史过程。与此同时，随着耐热耐蚀铸铁材质的进步和表面涂层防止渗铁技术的发展，合金铸铁坩埚亦在近几十年获得广泛的应用。特别是有色金属熔炼领域，采用石墨或铸铁坩埚的熔炉占有很大的比例。这主要得益于坩埚熔炼的一系列优点。(1) 烧损少因被熔化的金属与火焰隔离，且从坩埚底部加热，充分利用了热对流作用，有利于炉料成分和温度的均匀，避免局部高温，使贵重合金元素的氧化
4、烧损及高温挥发减少。一般坩埚炉的金属烧损仅为 1%2%，而无坩埚炉高达 5%25%。(2) 冶金质量高由于坩埚使火焰及燃烧产物与金属隔离，大大减少了氧化性气体对金属液的侵入。此外，便于对坩埚内的全部金属液进行净化处理，保证冶金质量的稳定。(3) 生产组织灵活在生产不同种类和牌号的合金时，只需更换坩埚，不会象无坩埚炉那样，有金属液可能被污染之忧。此外，根据生产规模，可选用一个或多个可倾斜式坩埚炉作为集中熔解和分汤，再用数个坩埚可提出式保温炉置于铸机旁；也可不采用集中熔化而在每一台铸机旁配一个可提出式坩埚熔解兼保温炉。当某个熔炉出现故障或需维修时，不会对全局产生较大影响。即使增加几台备用炉，其投资
5、的增加也较小。而且，当生产规模不断扩大时，熔炉添置的应对方案及实施也比较灵活。(4) 成本低，占地省与相同熔化能力的无坩埚炉相比，投资成本低，且占空间小，移动方便。(5) 安装调试简便可直接放在地面上，接通能源即可开始作业。(6) 保养费用低，停工时间短因炉衬不接触金属液，不易腐蚀，故炉衬寿命长。坩埚更换简便，对作业影响小。2 现代坩埚熔炉的主要类型一般坩埚炉所用热源为燃油、燃气及电力。主要类型有以下几种。(1) 可提出式坩埚炉一般容量较小，坩埚可自炉内取出，将金属液直接倒入型内。不同合金可用不同的坩埚，同一熔炉也可用不同大小的坩埚，因此，有很大的弹性。(2) 汲出式坩埚炉(如图 1) 对铝合
6、金而言，一般容量 50500 kg，主要用于压铸和重力铸造。每次用勺子自坩埚内取出液体送入铸模，具有自动点火(指燃油)，自动温控等功能，故生产成本较手工控制减少 30%。电热坩埚炉主要用于保温，其熔解能力有限，往往因设计上的缺点使电热体过早失效，导致输入动力损失近三分之一，而且更换电热体频繁，费时费工，影响生产。(3) 倾倒式坩埚炉(如图 2) 图 2 倾倒式坩埚炉Fig1 Drawing crucible furnace一般容量(铝)2001 600 kg，用于单一合金生产且出汤量较大时。金属自熔炉倾倒进包内，然后倒入保温炉或铸模中。未改良的炉体倾倒机构是绕中央支轴旋转，缺点是出水口位置不能
7、定点出料。后来开发了一种边缘支点式倾斜炉，其最新设计是装有两个油压缸，可严格控制倾倒的流量和保证液流的平稳。若炉体损坏时，可吊起更换一备用炉体，30 min 即可恢复作业。相对于传统的窄而高的坩埚，目前又发展了矮而阔的盆型坩埚，便于加入大型金属废料。表面上看，盆型的受热面积较小，金属表露面积较大，热损失较大。其实，它有利于坩埚上缘部分金属的预热，使熔解速度比老式炉提高 30%左右。此外，老式炉为了防止上下温差过大导致坩埚损坏，一般用人工操作的低压燃烧器缓慢加热至设定的温度，而用盆型坩埚因上下温差小，采用控制盒自动控制式燃烧器，无须先缓慢加热，减少预热时间，当达到设定温度时，可自动关闭燃烧机，既
8、防止过热又节省燃油。(4) 沉浸式坩埚炉(如图 3)是最新式炉。采用一般炉之逆向设计，将燃烧器火焰直接喷入坩埚内，而金属置于坩埚外壁和耐火炉衬之间。选用特殊强力短火焰燃烧机可保证火力充满坩埚，其排放的燃气被引出预热炉料。满负荷时热效率高达 40%，烧损率仅 1%2%，综合效益远高于一般开放式火焰炉或保温炉。目前有 4 种标准，可用于熔化、保温及大容量炉，熔化率为 3001 000 kg/h。该炉结构紧凑，与铸机匹配协调方便。由于热源在炉中心部，故工作环境温度较低，坩埚伸入金属液底部，使金属整体受热均匀，坩埚热疲劳程度轻，寿命延长。该炉可用机械加料而无坩埚损坏之虞。图 3 沉浸式坩埚炉Fig3
9、Immersing crucible furnace(5) 旋转式坩埚炉炉身及坩埚可旋转，主要用来处理有色金属屑及细废料。坩埚呈一瓶状，容量为铜屑 600 kg。工作时炉体与垂直面成 50倾角，炉身与坩埚同时旋转，始终保持熔化金属与坩埚的受热面接触而将未熔的金属屑旋进熔液内部及下方。旋转可加快熔化速度，并防止金属料在液面上的漂浮。窄颈状坩埚有利于防止金属的氧化，提高金属回收率。如含油3%的铜屑，其标准回收率达 94%。根据我厂多年生产坩埚和去使用厂家调试熔炉的经验，在组织生产时，应从以下几方面考虑坩埚炉的选用。(1) 使用对象对较大规模的铸造车间宜选用汲出式坩埚炉用于保温。但当考虑下列因素时，
10、应选兼具熔化和保温功能的坩埚炉。a. 希望自动定时预先将待熔料熔化，保证一上班即可浇铸。b. 适应熔化少量多牌号合金。c. 为要较快捷和准确控制炉温波动。(2) 合金种类和日产量对要求合金成分严格且种类较多时，为避免误混，应适当增加炉子的数量。(3) 最大的铸件尺寸应购置比正常熔化能力稍大些的熔炉，以便应对铸件最大尺寸的变化。(4) 金属液供应的连续性：可采用几个熔炉轮流供应，或由一大型熔化炉分汤至各保温炉，但必须考虑应急备用设备。(5) 熔炉的大小除铭牌上标记的熔炉性能数据外，还应考虑容量，加料的难易及出炉温度等。为保证温度的稳定，熔炉内任何时候都要保持不少于 1/3 容量的金属液。(6)
11、能源选择a. 要考虑成本。b. 燃油的储存方法。c. 安装费用。d. 对一些特殊要求，优先考虑保持产品的品质和操作便利。 3 高效操作应注意的问题为了充分发挥坩埚炉的效能，根据作者的经验，建议注意以下问题。(1) 熔炉检查安装前要仔细检查坩埚有无裂痕，石墨坩埚不明显的瓷釉损坏也会使内层被氧化。检查炉壁并作必要的整修，保证尺寸正确，特别是喷火道和排气口。要彻底清除炉底部的杂物并确保漏汤口能快速打开。底座和坩埚应放在炉中心，坩埚和支撑导火柱及上盖板之间的接触点均应留有一定的膨胀间隙。(2) 点火点火前检查油温及气压是否正常，仪表是否良好，燃烧机的位置及角度是否合理，空气开关及调节杆须能自由活动。为
12、防止坩埚因热震早期损坏，要逐步加温，火焰不要直接冲击坩埚。温度未达到高热时，不能移动倾斜式熔炉，以确保接合剂有足够力量固定坩埚。(3) 加料料未开始熔化前不要加入助熔剂，否则，因大部分助熔剂的熔点较金属低，当坩埚未被熔化金属盖住前，已熔化的助熔剂就会浸入坩埚内壁侵蚀坩埚。坩埚内的液面太低，则使其内壁暴露而氧化。(4) 熔化及出料正确调节空气和燃料的混合比例，用短而暗明的火焰 沿坩埚外缘加热。当燃油燃烧不完全时，炉内壁相对位置有积碳现象，要在未冷却前尽快清除使之烧光。过量积碳的原因是：油料温度太低，燃烧机位置未校正及过度损耗，喷嘴磨损，火道尺寸及角度不对，炉底部有杂物，导火柱或坩埚未放在炉中央。
13、快速熔解，到达设定温度立刻出料，尽快使坩埚倒清，除去附在埚壁上的熔渣，开始再熔化，保持不间断使用才能省油和延长坩埚寿命。绝不能使金属在坩埚内冻结。如需要暂时终止作业，应关闭熔炉所有孔穴，盖住坩埚，以保温和防止坩埚被氧化。(5) 清理在每炉熔化的间隔，应利用坩埚的热度刮净熔渣，否则会导致熔化容量减少，导热能力下降，变硬的熔渣层与坩埚的膨胀系数不同会使坩埚受损。此外，熔渣吸收水分将使金属液内含气量增加。应定期使用强力除渣剂清理。4 熔解高品质金属的冶金因素高品质的金属液是保证铸件质量的第一关，用坩埚炉熔炼高品质金属的冶金因素往往被淡化或忽视，应予以足够的关注。(1) 金属液温度控制合理的浇铸温度由
14、模具设计、铸件形状、壁厚、复杂程度以及合金种类决定。温度过低，将导致误流(Missruns)及冷凝结(Cold Shuts)；过高，则易被氧化，形成氧化夹渣，恶化结晶组织，降低铸件品质。尤其是金属液高温停留时间过长，将造成“死煎”。因此，须用浸入式感温棒连续测定金属的温度，并与自动燃烧机协同控温。(2) 除气气体特别是氢以原子态溶于金属液中的数量是在固体中的 10 余倍。当铸件凝固时，从金属液中析出的气体残留在铸件中而形成气孔或针孔。因此，必须防止熔化时气体的侵入并在浇铸前进行除气，以净化金属液。a. 确保金属料、工具、耐火材料、助熔剂等的干燥。b. 因金属液吸气量与温度和时间成正比，故应缩短
15、高温保持时间，不要炖煮金属液。c. 使用覆盖剂可减少气体的侵入。但要注意覆盖剂对坩埚的负面作用。如熔化铜合金，可用少量氧化助剂使之在轻度氧化状态下熔化，然后在浇铸前作除氧处理。但该氧化助剂生成的金属氧化物对坩埚有影响，故改用干燥的木炭块覆盖，在出炉时再吹干燥的氮气除气。有些合金如黄铜含较多的低熔点可挥发性的锌，熔化时锌蒸气可有效地阻止吸氢，在化学反应上可作为除氧剂，因此熔黄铜时，必须加一盖子以防止表面氧化。又如铅合金有很强的亲氧性，但可形成一坚固的氧化膜防止进一步氧化，气体的侵入量也不会太多。在汲出式炉中，气体的侵入难以防止，必须使用各种助剂才有效。(3) 助剂为了获得纯净的金属液和改善品质，须使用各种助剂，如除渣剂、去气剂、精炼剂、晶粒细化剂等。但由于大部分助剂对坩埚有侵蚀作用，且对环境有污染，故选用时不仅要对症下药，还要选择最适宜的加入时间和最少的投入量，以达到最好的综合效果。*修毓平，女，1954 年 9 月出生，工程师，广州鑫达铸造设备厂经理，广州天河北路 86 号 1006 室（510620）作者单位：广州鑫达铸造设备厂(编辑： 张振斌)收稿日期：1999-06-30
