铸造熔炼时的化学反应总结.docx

铸造熔炼过程中涉及多种化学反应，以下是一些常见的类型：
氧化反应
铸造熔炼时的氧化反应是一个较为复杂的过程，以下是更详细的介绍：
铁的氧化
生成氧化亚铁：在一般的熔炼温度和炉气氛围下，铁首先容易与氧气发生反应生成氧化亚铁，反应方程式为2Fe + O2 = 2FeO。氧化亚铁在高温下不稳定，可能会继续与氧气反应。
生成三氧化二铁和四氧化三铁：当炉气中氧气含量较高或温度变化等条件下，氧化亚铁可能进一步被氧化为三氧化二铁4FeO + O2 = 2Fe_2O3，或者生成四氧化三铁3Fe + 2O2 = Fe3O4。
其他常见金属的氧化
铝的氧化：铝是一种活泼金属，在熔炼过程中极易与氧气反应，在铝液表面迅速形成一层氧化铝薄膜，反应方程式为4Al + 3O2 = 2Al_2O3。
镁的氧化：镁的化学性质也很活泼，在熔炼时容易被氧化，反应方程式为2Mg + O2 = 2MgO。
合金元素的氧化
铬的氧化：铬在高温下与氧气反应，可能生成三氧化二铬等氧化物，反应方程式为4Cr + 3O2 = 2Cr2O3。
锰的氧化：锰在熔炼过程中也会发生氧化反应，如2Mn + O2 = 2MnO。
有害影响
降低金属质量：氧化反应会使金属液中的金属元素损失，降低金属的有效含量，影响铸件的力学性能和化学成分。
产生夹杂：生成的金属氧化物可能会在金属液中形成夹杂，导致铸件内部出现缺陷，降低铸件的致密性和表面质量。
增加熔炼损耗：金属氧化后形成的氧化物会进入炉渣，增加了金属的烧损，提高了生产成本。
还原反应
铸造熔炼时的还原反应对于去除杂质、调整成分及提高金属质量至关重要，以下是一些常见的还原反应：
脱氧反应
硅铁脱氧：硅铁中的硅与铁液中的氧化亚铁反应，将铁还原出来，同时生成二氧化硅，反应方程式为2FeO + Si = 2Fe + SiO2。
锰铁脱氧：锰铁中的锰可与氧化亚铁发生还原反应，反应方程式为FeO + Mn = Fe + MnO。
铝脱氧：铝是很强的脱氧剂，在高温下与氧化亚铁反应，反应方程式为3FeO + 2Al = 3Fe + Al2O3。
矿石及杂质还原
氧化铁还原：以一氧化碳还原氧化铁为例，反应方程式为Fe2O3 + 3CO = 2Fe + 3CO2。若用碳还原氧化铁，则反应方程式为2Fe2O3 + 3C = 4Fe + 3CO2↑。
氧化铜还原：当炉料中有氧化铜杂质时，氢气可将其还原，反应方程式为CuO + H_2 = Cu + H_2O。也可用一氧化碳还原氧化铜，反应方程式为CuO + CO = Cu + CO_2。
金属氧化物还原为低价态
氧化亚铁还原为铁：在一定条件下，氧化亚铁可被碳或一氧化碳等还原为铁，用一氧化碳还原氧化亚铁的反应方程式为FeO + CO = Fe + CO_2。
三氧化二铁还原为氧化亚铁：三氧化二铁在较弱的还原气氛中可被还原为氧化亚铁，如与一氧化碳反应，反应方程式为Fe2O3 + CO = 2FeO + CO2。
造渣反应
铸造熔炼时的造渣化学反应主要是通过各种氧化物等物质之间的相互作用，形成炉渣，以去除杂质、调整成分等，以下是一些常见的造渣化学反应：
碱性氧化物与酸性氧化物反应
氧化钙与二氧化硅反应：氧化钙（CaO）作为碱性氧化物，与酸性氧化物二氧化硅（SiO₂）可发生反应生成硅酸钙（CaSiO₃），其反应方程式为CaO + SiO_2 = CaSiO3。硅酸钙密度较小，会浮在金属液表面形成炉渣，从而将硅等杂质从金属液中分离出来。
氧化镁与氧化铝反应：氧化镁（MgO）与氧化铝（Al₂O₃）可反应生成镁铝尖晶石（MgAl₂O₄），反应方程式为MgO + Al2O3 = MgAl2O4。
硫化物与碱性氧化物反应
氧化钙与硫化亚铁反应：在铁的熔炼过程中，氧化钙可与硫化亚铁（FeS）发生反应，生成硫化钙（CaS）和氧化亚铁（FeO），反应方程式为CaO + FeS = CaS + FeO。生成的硫化钙进入炉渣，实现了硫的去除。
氧化镁与硫化锰反应：氧化镁与硫化锰（MnS）可发生反应，反应方程式为MgO + MnS = MgS + MnO。
复杂多元反应形成复合炉渣
多元成分形成钙铝硅酸盐：在含有多种成分的熔炼体系中，氧化钙、氧化铝和二氧化硅等可发生反应形成钙铝硅酸盐，如3CaO·Al2O3·3SiO2等复杂化合物，其反应过程可能涉及多个步骤，例如3CaO + Al2O3 + 3SiO2 = 3CaO·Al2O3·3SiO2。
形成铁铝酸盐：在一些情况下，铁的氧化物、氧化铝与氧化钙等也会发生反应形成铁铝酸盐，如4CaO· Al2O3·Fe2O3，有助于调整炉渣的性能和成分。
合金化反应
铸造熔炼时的合金化反应是向金属液中加入合金元素，使其与基体金属发生反应或固溶，以改善金属性能。以下是一些常见的合金化反应：
钢铁中的合金化反应
铬的合金化：铬（Cr）加入钢中可与铁形成固溶体，部分铬还会与碳结合形成碳化铬（Cr₇C₃、Cr₂₃C₆等），提高钢的硬度、强度和耐腐蚀性，如7Cr + 3C = Cr₇C₃。
镍的合金化：镍（Ni）主要与铁形成固溶体，能提高钢的强度和韧性，同时增强钢的耐腐蚀性和低温性能。
钼的合金化：钼（Mo）可固溶到铁中，还能形成钼的碳化物（Mo₂C等），提高钢的高温强度、硬度和耐磨性，如2Mo + C = Mo₂C。
铝合金中的合金化反应
铜的合金化：在铝合金中加入铜（Cu），铜与铝会形成金属间化合物，如Al₂Cu等，能提高铝合金的强度和硬度，反应可表示为2Al + Cu = Al₂Cu。
镁的合金化：镁（Mg）加入铝合金中主要以固溶形式存在，部分会与铝形成Mg₂Al₃等化合物，提高铝合金的强度、韧性和耐蚀性。
硅的合金化：硅（Si）在铝合金中可与铝形成共晶组织，还能与其他元素形成复杂化合物，如Mg₂Si等，能提高铝合金的强度、硬度和铸造性能，如2Mg + Si = Mg₂Si。
铜合金中的合金化反应
锌的合金化：在铜合金中加入锌（Zn），锌与铜形成固溶体，形成黄铜合金，随着锌含量的增加，会出现β相（CuZn）等金属间化合物，提高铜合金的强度、硬度和耐蚀性。
锡的合金化：锡（Sn）加入铜中主要形成固溶体，能提高铜合金的耐蚀性、耐磨性和强度，在一定条件下可能形成Cu₃Sn等金属间化合物。
气体反应
铸造熔炼时的气体反应对铸件质量有重要影响，以下是一些常见的气体反应：
氢气相关反应
水煤气反应生成氢气：在以碳为燃料的熔炉中，存在水煤气反应C + H2O = CO + H2，生成的氢气可能会溶解在金属液中。
金属与水蒸气反应：高温下金属如铁与水蒸气会发生反应3Fe + 4H2O = Fe3O4 + 4H2，产生的氢气同样可能溶入金属液，在冷却凝固时可能形成气孔等缺陷。
氧气相关反应
金属氧化：许多金属在熔炼时易与空气中的氧气发生氧化反应，如铁的氧化4Fe + 3O2 = 2Fe2O3，铝的氧化4Al + 3O2 = 2Al2O3，生成的金属氧化物会影响金属的性能和质量。
一氧化碳生成二氧化碳：熔炉内一氧化碳燃烧生成二氧化碳2CO + O2 = 2CO2，这是一个常见的气体反应，有助于维持炉内的氧化还原气氛。
氮气相关反应
氮化反应：在特定条件下，一些金属会与氮气发生氮化反应，如铁与氮气在高温下可能发生3Fe + N2 = Fe3N，氮化反应会改变金属表面的性能，有时可用于表面强化处理，但在一般铸造熔炼中可能会导致金属变脆等问题。
氮与合金元素反应：某些合金元素如钛、铝等更容易与氮发生反应，如2Al + N2 = 2AlN，生成的氮化物可能会影响合金的组织和性能。
碳氢化合物相关反应
裂解反应：在使用碳氢化合物作为燃料或保护气氛时，会发生裂解反应，如甲烷的裂解CH4 = C + 2H2，裂解产生的碳可能会在金属表面沉积，影响金属的表面质量，而氢气则可能溶入金属液。
不完全燃烧反应：碳氢化合物不完全燃烧时会产生一氧化碳和氢气等，如2C2H6 + 5O2 = 4CO + 6H2O，这些产物会影响炉内气氛和金属液的成分。