4-冶金炉渣

4冶金炉渣HebeiPolytechnicUniversitySchoolofMetallurgyandEnergy炉渣是以氧化物为主要成分的多组元熔体，是金属提炼和精炼过程中除金属熔体之外的另一产物。冶金炉渣还原渣氧化渣富集渣合成渣能够从与之接触的金属液中吸收[O]，以氧化物的形式进入的熔渣；还原渣例如：高炉渣，FeO含量2%FeO=Fe+[O]还原渣氧化渣反应向右反应向左能够向与之接触的金属液供应[O]的熔渣；氧化渣例如：转炉渣，FeO含量20%将原料中的有用成分富集于炉渣中，以利于下道工序回收的炉渣，称为富集渣；富集渣例如：钒渣、铌渣。按炉渣所起的冶金作用，而采用各种造渣材料预先配制的炉渣，称为合成渣；合成渣例如：电渣重熔用渣、LF精炼渣、中间包保护渣、结晶器保护渣等。分离或吸收杂质；富集有用金属氧化物；精炼金属；防止污染减少热损失等。冶金炉渣的作用炉渣作用都是靠控制炉渣的化学成分、温度及其所具有的物理化学性质来实现的。炉渣作用都是靠控制炉渣的化学成分、温度及其所具有的物理化学性质来实现的。吹炼前期快速化渣熔渣温度熔渣溶化性温度调整熔渣成分（FeO）含量吹炼中期脱碳(FeO)大量消耗熔渣溶化性温度升高炉渣“返干”由此可见，熔渣的组成（组分的浓度）、温度变化，熔渣的物相就会发生变化（S→L、L→S的转变），熟练了解和掌握这些过程的变化规律是冶金工作者的基本技能。要掌握这些物相转变的规律需要对相图有深刻的理解。内容大纲4.1二元系相图4.2三元系相图4.4熔渣的结构理论4.6熔渣的离子溶液结构模型4.7熔渣的活度曲线4.8熔渣的化学性质4.9熔渣的物理性质HebeiPolytechnicUniversity内容大纲4.1二元系相图4.2三元系相图4.4熔渣的结构理论4.6熔渣的离子溶液结构模型4.7熔渣的活度曲线4.8熔渣的化学性质4.9熔渣的物理性质HebeiPolytechnicUniversity4.1二元系相图4.1.1二元系相图的基本知识4.1.1.1相图对于凝聚相体系，相图是表示组分的组成和温度之间的相平衡关系。严格地说，相图是能够反映出一个多相体系中，组分的组成、体系的温度和压力不同的条件下，该体系达到平衡时所处的状态。也就是说相图能够反映出该体系在平衡状态下的相态（即反映出该体系内有哪些相，每个相的组成以及各相之间的相对数量等等），这种几何图形称为相图，也称状态图或平衡图。相图的定义4.1二元系相图4.1.1二元系相图的基本知识4.1.1.1相图相图中的点、线、面、体都代表着不同温度和压力下平衡体系中的各个相、相组成和各相之间相互转变的关系。相图三大定律吉布斯相律连续原理相应原理4.1二元系相图4.1.1二元系相图的基本知识4.1.1.2吉布斯相律表达了平衡体系中可以平衡共存的相数、独立组元数以及可以人为指定的独立变数的数目与体系自由度之间的关系：2cf式中，f——自由度数；C——独立组分数（独立组元数）；Φ——平衡共存相的数目（相数）；2——表示影响体系平衡状态的外界因素，只考虑温度和压力。4.1二元系相图4.1.1二元系相图的基本知识4.1.1.2吉布斯相律2cf这里2只考虑了温度和压力，其它因素如电场、磁场、重力场等对体系平衡的影响没有考虑。如果忽略压力对相平衡体系的影响，则可以得到冶金体系常用的减相律形式：1cf1）C—独立组元数4.1二元系相图4.1.1二元系相图的基本知识4.1.1.2吉布斯相律物种：体系中每一个能单独分离出来并独立存在的化学均匀物质。决定一个相平衡体系的成分必须的最少物种数称为独立组元数。独立组元也称为组元或组分（1）体系中不发生化学反应4.1二元系相图4.1.1二元系相图的基本知识4.1.1.2吉布斯相律独立组元数的确定独立组元数=物种数例如：盐水中的NaCl和H2O不发生化学反应，所以物种数为2，该体系的独立组元数也是2；白糖和砂子混在一起也不发生化学反应，故该体系的物种数和独立组元数也都是2。（2）体系存在化学反应例如：CaCO3加热分解存在下列反应：CaCO3=CaO+CO2独立组元数C=3-1=24.1二元系相图4.1.1二元系相图的基本知识4.1.1.2吉布斯相律独立组元数的确定独立组元数＝物种数-独立化学平衡关系式数（3）同一相内存在一定的浓度关系例如：氧化汞分解反应：2HgO(s)=2Hg(g)+O2(g)达到平衡时Hg和O2存在浓度关系，因此：独立组元数C=3-1-1=14.1二元系相图4.1.1二元系相图的基本知识4.1.1.2吉布斯相律独立组元数的确定独立组元数＝物种数-独立化学平衡关系式数-独立浓度关系数4.1.1二元系相图的基本知识4.1.1.2吉布斯相律2）φ—相体系中具有相同物理和化学性质的均匀部分的总和。相的概念相与相之间有界面，并可用机械方法把它们分开，越过界面时性质就发生突变。相与物质的数量多少无关，也与物质是否连续无关。4.1.1二元系相图的基本知识4.1.1.2吉布斯相律2）φ—相（1）一个相可以由几种物质组成例如，气相一般可由多种物质组成，空气就是由氧、氮、二氧化碳等气体组成的一个相；焦炉煤气为H2、CO、H2O等气体组成的混合物，相的特征注意：不相溶物质组成的液体则不是一个相例如，油与水互不相溶，混合在一起为两相。4.1.1二元系相图的基本知识4.1.1.2吉布斯相律2）φ—相（2）一种物质可以有几个相例如，H2O可以有固相冰、液相水和气相水蒸气等不同的相；固态铁在不同温度下也能形成不同的晶型，包括αFe、γFe和δFe，其中γFe为面心立方，αFe和δFe为体心立方。相的特征4.1.1二元系相图的基本知识4.1.1.2吉布斯相律2）φ—相（3）固体机械混合物中，有几种物质就有几个相例如，粗锑白粉中的Sb2O3、As2O3、PbO虽颗粒很细，混合得也很均匀，但仍然是不同的相；白糖和砂子混合在一起，仍然是两个相。相的特征4.1.1二元系相图的基本知识4.1.1.2吉布斯相律2）φ—相（4）一个相可以连续成一个整体，也可以不连续例如，水中的许多冰块，所有冰块的总和仍为一个相（固相），而水又为另一个相（液相）。相的特征4.1.1二元系相图的基本知识4.1.1.2吉布斯相律3）f—自由度在一定条件下，一个处于平衡的体系所具有的独立变量数目称为自由度。自由度这些独立变数在一定范围内可以任意和独立地改变，而不会影响体系中共存相的数目和相的形态，即不会引起原有相的消失或新相的产生。这些变数主要指组成（即浓度）、温度和压力等。4.1.1二元系相图的基本知识4.1.1.2吉布斯相律3）f—自由度自由度对单元系而言，如果只有一相存在，则自由度为2，故在平面图上可用一个区域表示；如果两相共存，则自由度为1，在平面图上便是一根曲线表示；如果三相共存，则自由度为零，即只能在一定的温度和压力下才能实现，在相图上仅有一个点。4.1.1二元系相图的基本知识4.1.1.2吉布斯相律3）f—自由度水的相图作为单元系，水最多可能有两个自由度。f=2时处于液相、固相和气相区。f=1时处于s-l、s-g和l-g线上。f=0时为0点。4.1.1二元系相图的基本知识4.1.1.2吉布斯相律3）f—自由度对于二元系，最多可能有三个自由度，除了温度、压力外，还有组元的相对含量（浓度）。要全面表示体系的可能情况，需要用三维的立体相图，对于凝聚体系，压力的若干变化不会对相图的形状发生显著的影响，所以可用恒压截面图表示在一般压力下的相图，如金属和合金相图、硅酸盐相图、熔盐相图等等，都只以组成和温度作为独立变量。4.1.1二元系相图的基本知识4.1.1.2吉布斯相律3）f—自由度简单的二元相图，横坐标表示组元浓度，纵坐标表示体系的温度。4.1.1二元系相图的基本知识4.1.1.3连续原理当决定体系状态的那些参数连续发生变化时，在新相不出现、旧相不消失的情况下，体系中各相的性质以及整个体系的性质也连续变化——这时自由度不会发生变化。连续原理4.1.1二元系相图的基本知识4.1.1.3连续原理在液相区，降低体系的温度，溶液的黏度会发生变化：温度由T1→T2，溶液的黏度由η1→η2，这里黏度的变化会随着温度的变化而连续变化，这里应是黏度的量变过程。4.1.1二元系相图的基本知识4.1.1.3连续原理如果体系的组元数不变，而相数发生变化，则自由度发生变化，体系各相的性质以及整个体系的性质都要发生跃变，这种跃变实际是一种质变过程。4.1.1二元系相图的基本知识4.1.1.4相应原理给定的一个热力学体系，任一互成平衡的相或相组（体系点和组分点）在相图中都有一定的几何元素（点、线、面、体）与之对应。相应原理4.1.1二元系相图的基本知识4.1.1.5二元相图的绘制具体方法：用组分A和组分B配制成分不同的样品（由纯A到纯B）放在特制的容器中，加热、熔化，然后冷却，记录样品的冷却曲线。二元系相图是通过冷却曲线（或加热曲线）绘制的冷却曲线——即样品温度随时间变化的曲线。4.1.1二元系相图的基本知识4.1.1.5二元相图的绘制4.1.1二元系相图的基本知识4.1.1.5二元相图的绘制由于实际的二元系混合体系可能发生化学反应生成多种化合物，随着温度的变化，化合物的晶型结构也会发生变化，因此实际的二元相图读取是非常复杂的过程，只有掌握了简单二元系相图的读取，才能进行复杂二元系的读取。4.1.1二元系相图的基本知识4.1.1.5二元相图的绘制简单二元系相图应掌握的内容（2）分析不同体系点的冷却过程：分析体系点不同温度下存在哪些相（落在哪个相区，就存在哪些相）、每个相的组成如何（确定液相点和固相点）、每个相的相对数量如何（利用杠杆规则确定）。（1）利用相图可以绘制不同体系点的冷却曲线；4.1内容大纲4.1.1二元系相图的基本知识4.1.2简单低共熔型二元系相图4.1.3含有中间化合物的二元系相图4.1.4含固溶体的二元系相图4.1.5冶金过程中主要的二元渣系相图HebeiPolytechnicUniversity4.1二元系相图4.1.2简单低共熔型二元系相图体系的两个组分在液态下完全互溶，固态下完全不互溶，即体系中只能出现一种液体（两个组分的液态混合物）和两种固相。特征4.1二元系相图4.1.2简单低共熔型二元系相图简单低共熔二元系由四个面、三条线和一个共晶点组成。简单低共熔型二元系相图4.1二元系相图4.1.2简单低共熔型二元系相图冷却过程分析4.1二元系相图4.1.2简单低共熔型二元系相图杠杆规则体系冷却到H点时体系液相和固相的质量关系：KHHJSl)()(体系冷却到二元共晶温度的瞬间，即刚刚到达R点时：ERRNsl)()(4.1二元系相图4.1.2简单低共熔型二元系相图杠杆规则的作用知道熔体最初的总质量，我们就可以分别求出冷却过程中不同温度时固相和液相的质量。4.1内容大纲4.1.1二元系相图的基本知识4.1.2简单低共熔型二元系相图4.1.3含有中间化合物的二元系相图4.1.4含固溶体的二元系相图4.1.5冶金过程中主要的二元渣系相图HebeiPolytechnicUniversity4.1二元系相图4.1.3含有中间化合物的二元系相图特征只有一个中间化合物，而且没有固熔体生成（或固态完全不互溶），液态完全互溶的简单的二元系相图。4.1二元系相图4.1.3含有中间化合物的二元系相图同成分熔化化合物：化合物在熔化时生成的液相组成与化合物的组成相同。异成分熔化化合物：化合物在熔化时分解为液相和另一组成与原化合物不同的固相。化合物的种类4.1二元系相图4.1.3含有中间化合物的二元系相图含有中间化合物的二元系相图(a)有同成分熔化化合物生成的二元系相图；(b)有异成分熔化化合物生成的二元系相图4.1二元系相图4.1.3含有中间化合物的二元系相图相图副分为A-C和C-B两个简单低共溶型二元系相图；熔体的结晶过程也与简单低共熔二元系相图的分析方法一致，唯一不同的是两个二级相图组分点的浓度需要换算。4.1二元系相图4.1.3含有中间化合物的二元系相图有异成分熔化化合