銅的熔點(diǎn)為1083℃。

熔化是一種金屬由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)的相變過程,是需要吸收大量熱能的過程。

理論上金屬從室溫到某一高于熔點(diǎn)的溫度所需的熱能可通過下式計(jì)算

銅的熔化熱Q熔為209kJ/kg,固態(tài)銅的平均比熱容為0.42kJ/(kg·℃),液態(tài)銅的比熱容為0.45kJ/(kg·℃)。因此1kg銅從20℃加熱到澆鑄溫度(1200℃)時(shí),按式(1-1)計(jì)算,理論上共需708kJ的熱量。

在實(shí)際加熱條件下,金屬被加熱到熔點(diǎn)溫度時(shí)并不熔化,即使在此溫度下長時(shí)間保溫也無濟(jì)于事,而要到達(dá)更高的溫度才熔化。也就是說,金屬的熔點(diǎn)只是理論熔化溫度,實(shí)際熔化溫度要比理論熔化溫度高。圖1-3是金屬的熔化曲線示意圖。

 

在圖1-3中,金屬溫升曲線的“平臺”表示到達(dá)實(shí)際熔化溫度后,在一段時(shí)間內(nèi)金屬溫度不再升高,熱能被金屬由固態(tài)轉(zhuǎn)化為液態(tài)的相變消耗了。

金屬的實(shí)際熔化溫度與理論熔化溫度的差稱為過熱度,用ΔT表示

ΔT=Tn-T0    (1-2)

過熱是金屬熔化必要的熱力學(xué)條件。金屬的過熱度與金屬自身的性質(zhì)和純度有關(guān),也與加熱速度有關(guān)。加熱速度越快,過熱度越大;加熱速度越慢,過熱度越小,即加熱越緩慢,實(shí)際熔化溫度越接近理論熔化溫度。

由于特定金屬的熔化所需能量是一定的,因此過熱度越大,金屬完成熔化的時(shí)間越短(圖1-3中平臺越窄)。故高溫熔煉有利于提高生產(chǎn)效率。

銅在固態(tài)時(shí)具有密集的面心立方晶格,液態(tài)金屬則是由許多原子集團(tuán)組成的,加熱到一定溫度后,由于原子的能量增加,液態(tài)銅具有更大的原子遷移速率,某些物理性能發(fā)生變化:熔化時(shí),液態(tài)銅的電阻系數(shù)ρ突增約1.04倍,即從100μΩ·mm增加到212μΩ·mm。當(dāng)溫度達(dá)到1197℃時(shí),電阻系數(shù)ρ則為221μΩ·mm;熔化時(shí),銅的原子體積為7.95cm3/g·原子;臨近熔點(diǎn)時(shí),固態(tài)銅的體積膨脹系數(shù)α固為0.051cm3/(mol·K),液態(tài)銅的體積膨脹系數(shù)α液為0.100cm3/(mol·K),二者比值(α固/α液)為0.5。

液態(tài)銅的密度大大低于固態(tài)銅,而且與溫度呈線性關(guān)系,即隨溫度升高而減小。

液態(tài)銅的黏度隨溫度的升高而減小,而且與銅的純度關(guān)系密切,特別是與氧的含量有明顯的關(guān)聯(lián)。當(dāng)銅中氧的含量從0.1%增加到0.45%時(shí),銅的黏度提高了5倍。

 

1.2.2金屬液溫度的均勻性

一般地說,爐料剛剛?cè)刍旰鬆t內(nèi)的溫度各處很不均勻,經(jīng)過一段時(shí)間的保溫,溫度逐漸趨于均勻。但均勻的程度受爐內(nèi)熱量傳遞方式的影響很大。而熱量的傳遞方式主要取決于爐型。銅加工熔煉爐中熱量傳遞方式歸納起來有3類。

(1)熱能從金屬液面上向液面以下傳遞

在所有的反射爐(包括火焰反射爐、電阻反射爐)以及單相電弧爐中,熱量都是直接傳到熔渣(或覆蓋劑)上,然后傳到表層金屬。這樣熔池中的金屬液上層熱下層冷。而熱金屬液輕浮在上面,冷金屬液重沉在下面,不能通過對流傳熱的方式將熱量傳到爐子下部,不能達(dá)到上下層溫度均勻的目的。

在反射爐中,上層與底層的溫度差常達(dá)100~200℃,并且,隨著熱源溫度越高、金屬的熱傳導(dǎo)率越低、熔池越深,溫差會變得越大。

表層金屬的過熱會加劇金屬液的氧化和蒸發(fā),并且會加速氣體在熔體中的溶解。為了減輕上述不利影響,常采用攪拌金屬液或搖晃整個(gè)爐體的方法來縮小熔體的溫差。

豎爐是一種特殊的反射爐,固態(tài)爐料自上而下通過燃燒后的熱氣流,在熔池上方變成液滴落入熔池,并不斷地流進(jìn)保溫爐,因此豎爐的熔池一般較淺,溫差不大。

(2)熱量從側(cè)面和下面?zhèn)鬟f給金屬液

這種方式見于所有坩堝爐中。此時(shí),從側(cè)面和下面被加熱的金屬液由于密度輕而上浮,較冷的金屬液則由于比較重而下沉。因?yàn)榇嬖谶@種自發(fā)的對流作用,坩鍋內(nèi)各部分金屬液的溫度比較均勻,最大溫差不會超過20℃。

(3)熱量從金屬內(nèi)部向外表傳遞的方式

在感應(yīng)電爐內(nèi),交變電流在金屬內(nèi)部所產(chǎn)生的感應(yīng)電流會使整個(gè)金屬都被加熱,與此同時(shí),由于感應(yīng)電流的磁力作用而使金屬液被攪拌,使?fàn)t內(nèi)金屬液的溫度均勻一致。

感應(yīng)電爐分有芯爐和無芯爐兩類。無芯爐一般為坩鍋式,電磁攪拌力較強(qiáng),溫度易于均勻。而有芯爐熔溝處溫度最高,熔池上部溫度較低,但金屬對流作用也使?fàn)t內(nèi)溫度易于均勻?，F(xiàn)代設(shè)計(jì)的噴流式感應(yīng)器更是加強(qiáng)了這種對流作用,不但提高了熔化速度,而且使溫度更加均勻。

1.2.3銅的溶解

當(dāng)一種物質(zhì)(稱為“溶質(zhì)”)均勻分布于另一種物質(zhì)(稱為“溶劑”)而成為溶液的過程稱為溶解。許多金屬可在液態(tài)銅中溶解,如鋅、鎳、銀、錫、鋁等。溶解的實(shí)質(zhì)是溶質(zhì)原子或離子進(jìn)入溶劑的原子之間成為溶液的過程。達(dá)到平衡的溶液不能容納更多的溶質(zhì)稱之為飽和溶液。在特殊條件下,溶液中溶解的溶質(zhì)會比正常飽和狀態(tài)下更多,這時(shí)它便成為過飽和溶液。每份溶劑所能溶解的溶質(zhì)的最大值就是“溶質(zhì)在這種溶劑中的溶解度”。溶解度并不是一個(gè)恒定的值。一種溶質(zhì)在溶劑中的溶解度由它們的分子間作用力、溫度、溶解過程中所伴隨的熵的變化以及其他物質(zhì)的存在及多少來決定,有時(shí)還與氣壓或氣體溶質(zhì)的分壓有關(guān)。

各種元素在銅中的溶解能力很不一樣,有的和銅無限互溶,如鎳;有的幾乎不溶于銅中,如鉛、鈣、鉍等。一般情況下固態(tài)元素溶入銅的過程都與熔化相伴進(jìn)行,熔化的條件是過熱,而溶解無須過熱,但隨著溫度的升高,溶解速度加快。

溶解總是伴隨擴(kuò)散而進(jìn)行的,因此,雖然影響金屬溶解速度的因素很多,但主要是溫度、溶質(zhì)的表面積。溫度越高原子的動能越大,越有利于擴(kuò)散和溶解的進(jìn)行;表面積越大,溶質(zhì)與溶劑的接觸面積越大,溶質(zhì)原子擴(kuò)散到溶劑中的機(jī)會越多,因而溶解速度就越快。金屬的溶解速度還和熔體的運(yùn)動有關(guān),當(dāng)熔體流動或有劇烈的攪動時(shí)溶解速度大于靜止熔體內(nèi)金屬的溶解速度,并且熔體流動或攪拌速度越快,溶解速度就會越快。

1.2.4銅的揮發(fā)

金屬由固態(tài)或液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)的過程統(tǒng)稱為揮發(fā)。它是金屬熔煉的重要特征之一。通常人們把物質(zhì)從固態(tài)直接轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)的現(xiàn)象稱為升華,而把液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)的現(xiàn)象稱為蒸發(fā)。揮發(fā)增加了合金成分控制的難度,也給環(huán)境帶來污染,因此應(yīng)當(dāng)盡量避免。

(1)揮發(fā)的熱力學(xué)條件

揮發(fā)是一種相變,即物質(zhì)由固相或液相轉(zhuǎn)變?yōu)闅庀嗟倪^程。可表述為下式

Me(s,l)=Me(g)    (1-3)

從物質(zhì)固、液、氣三態(tài)的結(jié)構(gòu)看,固態(tài)原子結(jié)合緊密、液態(tài)時(shí)次之,而氣態(tài)時(shí)原子最松散。要使固、液態(tài)物質(zhì)向氣態(tài)轉(zhuǎn)變,必須給原子以更多的熱能克服原子之間的引力,這是揮發(fā)的熱力學(xué)條件。

在某一溫度下達(dá)到平衡時(shí),氣相中金屬的蒸氣分壓稱為該金屬在該溫度下的飽和蒸氣壓,簡稱蒸氣壓。記為pMe。蒸氣壓是衡量金屬揮發(fā)趨勢大小的一個(gè)重要參數(shù)。在相同條件下,蒸氣壓高的容易揮發(fā)。金屬揮發(fā)的難易程度還可以用其沸點(diǎn)來衡量。通常,沸點(diǎn)低的金屬易于揮發(fā)。部分元素的沸點(diǎn)見表1-1。

在外部壓強(qiáng)一定的情況下,純金屬的蒸氣壓只取決于該金屬所處的溫度,換言之,外壓一定時(shí)純金屬的蒸氣壓是溫度的函數(shù),即

p0Me=f(T)    (1-4)

金屬蒸氣壓可以由實(shí)驗(yàn)測定,也可以由相變反應(yīng)的熱力學(xué)數(shù)據(jù)計(jì)算。通常,蒸氣壓采用以下實(shí)驗(yàn)公式近似計(jì)算