铜的熔点为1083℃。
熔化是一种金属由固态转变为液态的相变过程,是需要吸收大量热能的过程。
理论上金属从室温到某一高于熔点的温度所需的热能可通过下式计算
铜的熔化热Q熔为209kJ/kg,固态铜的平均比热容为0.42kJ/(kg·℃),液态铜的比热容为0.45kJ/(kg·℃)。因此1kg铜从20℃加热到浇铸温度(1200℃)时,按式(1-1)计算,理论上共需708kJ的热量。
在实际加热条件下,金属被加热到熔点温度时并不熔化,即使在此温度下长时间保温也无济于事,而要到达更高的温度才熔化。也就是说,金属的熔点只是理论熔化温度,实际熔化温度要比理论熔化温度高。图1-3是金属的熔化曲线示意图。
在图1-3中,金属温升曲线的“平台”表示到达实际熔化温度后,在一段时间内金属温度不再升高,热能被金属由固态转化为液态的相变消耗了。
金属的实际熔化温度与理论熔化温度的差称为过热度,用ΔT表示
ΔT=Tn-T0 (1-2)
过热是金属熔化必要的热力学条件。金属的过热度与金属自身的性质和纯度有关,也与加热速度有关。加热速度越快,过热度越大;加热速度越慢,过热度越小,即加热越缓慢,实际熔化温度越接近理论熔化温度。
由于特定金属的熔化所需能量是一定的,因此过热度越大,金属完成熔化的时间越短(图1-3中平台越窄)。故高温熔炼有利于提高生产效率。
铜在固态时具有密集的面心立方晶格,液态金属则是由许多原子集团组成的,加热到一定温度后,由于原子的能量增加,液态铜具有更大的原子迁移速率,某些物理性能发生变化:熔化时,液态铜的电阻系数ρ突增约1.04倍,即从100μΩ·mm增加到212μΩ·mm。当温度达到1197℃时,电阻系数ρ则为221μΩ·mm;熔化时,铜的原子体积为7.95cm3/g·原子;临近熔点时,固态铜的体积膨胀系数α固为0.051cm3/(mol·K),液态铜的体积膨胀系数α液为0.100cm3/(mol·K),二者比值(α固/α液)为0.5。
液态铜的密度大大低于固态铜,而且与温度呈线性关系,即随温度升高而减小。
液态铜的黏度随温度的升高而减小,而且与铜的纯度关系密切,特别是与氧的含量有明显的关联。当铜中氧的含量从0.1%增加到0.45%时,铜的黏度提高了5倍。
1.2.2金属液温度的均匀性
一般地说,炉料刚刚熔化完后炉内的温度各处很不均匀,经过一段时间的保温,温度逐渐趋于均匀。但均匀的程度受炉内热量传递方式的影响很大。而热量的传递方式主要取决于炉型。铜加工熔炼炉中热量传递方式归纳起来有3类。
(1)热能从金属液面上向液面以下传递
在所有的反射炉(包括火焰反射炉、电阻反射炉)以及单相电弧炉中,热量都是直接传到熔渣(或覆盖剂)上,然后传到表层金属。这样熔池中的金属液上层热下层冷。而热金属液轻浮在上面,冷金属液重沉在下面,不能通过对流传热的方式将热量传到炉子下部,不能达到上下层温度均匀的目的。
在反射炉中,上层与底层的温度差常达100~200℃,并且,随着热源温度越高、金属的热传导率越低、熔池越深,温差会变得越大。
表层金属的过热会加剧金属液的氧化和蒸发,并且会加速气体在熔体中的溶解。为了减轻上述不利影响,常采用搅拌金属液或摇晃整个炉体的方法来缩小熔体的温差。
竖炉是一种特殊的反射炉,固态炉料自上而下通过燃烧后的热气流,在熔池上方变成液滴落入熔池,并不断地流进保温炉,因此竖炉的熔池一般较浅,温差不大。
(2)热量从侧面和下面传递给金属液
这种方式见于所有坩埚炉中。此时,从侧面和下面被加热的金属液由于密度轻而上浮,较冷的金属液则由于比较重而下沉。因为存在这种自发的对流作用,坩锅内各部分金属液的温度比较均匀,最大温差不会超过20℃。
(3)热量从金属内部向外表传递的方式
在感应电炉内,交变电流在金属内部所产生的感应电流会使整个金属都被加热,与此同时,由于感应电流的磁力作用而使金属液被搅拌,使炉内金属液的温度均匀一致。
感应电炉分有芯炉和无芯炉两类。无芯炉一般为坩锅式,电磁搅拌力较强,温度易于均匀。而有芯炉熔沟处温度最高,熔池上部温度较低,但金属对流作用也使炉内温度易于均匀。现代设计的喷流式感应器更是加强了这种对流作用,不但提高了熔化速度,而且使温度更加均匀。
1.2.3铜的溶解
当一种物质(称为“溶质”)均匀分布于另一种物质(称为“溶剂”)而成为溶液的过程称为溶解。许多金属可在液态铜中溶解,如锌、镍、银、锡、铝等。溶解的实质是溶质原子或离子进入溶剂的原子之间成为溶液的过程。达到平衡的溶液不能容纳更多的溶质称之为饱和溶液。在特殊条件下,溶液中溶解的溶质会比正常饱和状态下更多,这时它便成为过饱和溶液。每份溶剂所能溶解的溶质的最大值就是“溶质在这种溶剂中的溶解度”。溶解度并不是一个恒定的值。一种溶质在溶剂中的溶解度由它们的分子间作用力、温度、溶解过程中所伴随的熵的变化以及其他物质的存在及多少来决定,有时还与气压或气体溶质的分压有关。
各种元素在铜中的溶解能力很不一样,有的和铜无限互溶,如镍;有的几乎不溶于铜中,如铅、钙、铋等。一般情况下固态元素溶入铜的过程都与熔化相伴进行,熔化的条件是过热,而溶解无须过热,但随着温度的升高,溶解速度加快。
溶解总是伴随扩散而进行的,因此,虽然影响金属溶解速度的因素很多,但主要是温度、溶质的表面积。温度越高原子的动能越大,越有利于扩散和溶解的进行;表面积越大,溶质与溶剂的接触面积越大,溶质原子扩散到溶剂中的机会越多,因而溶解速度就越快。金属的溶解速度还和熔体的运动有关,当熔体流动或有剧烈的搅动时溶解速度大于静止熔体内金属的溶解速度,并且熔体流动或搅拌速度越快,溶解速度就会越快。
1.2.4铜的挥发
金属由固态或液态转变为气态的过程统称为挥发。它是金属熔炼的重要特征之一。通常人们把物质从固态直接转变为气态的现象称为升华,而把液态转变为气态的现象称为蒸发。挥发增加了合金成分控制的难度,也给环境带来污染,因此应当尽量避免。
(1)挥发的热力学条件
挥发是一种相变,即物质由固相或液相转变为气相的过程。可表述为下式
Me(s,l)=Me(g) (1-3)
从物质固、液、气三态的结构看,固态原子结合紧密、液态时次之,而气态时原子最松散。要使固、液态物质向气态转变,必须给原子以更多的热能克服原子之间的引力,这是挥发的热力学条件。
在某一温度下达到平衡时,气相中金属的蒸气分压称为该金属在该温度下的饱和蒸气压,简称蒸气压。记为pMe。蒸气压是衡量金属挥发趋势大小的一个重要参数。在相同条件下,蒸气压高的容易挥发。金属挥发的难易程度还可以用其沸点来衡量。通常,沸点低的金属易于挥发。部分元素的沸点见表1-1。
在外部压强一定的情况下,纯金属的蒸气压只取决于该金属所处的温度,换言之,外压一定时纯金属的蒸气压是温度的函数,即
p0Me=f(T) (1-4)
金属蒸气压可以由实验测定,也可以由相变反应的热力学数据计算。通常,蒸气压采用以下实验公式近似计算
