第一章冶金炉渣

冶金原理精品课程任务八、配制火法冶金炉渣上一章冶金原理精品课程任务内容一、任务目标二、解决思路三、任务实践冶金原理精品课程任务目标一）炉渣的概念二）炉渣的作用三）配制炉渣应该达到的要求冶金原理精品课程一）炉渣的概念炉渣是火法冶金的必然产物，其组成主要来自矿石、熔剂中的脉石和燃料中的灰分。炉渣主要是由各种氧化物组成的共熔体。冶金原理精品课程二）炉渣的作用1、冶金炉渣的主要作用是使矿石和熔剂中的脉石、燃料中的灰分集中，并在高温下与主要的冶炼产物金属、硫等分离。冶金原理精品课程二）炉渣的作用2、炉渣是一种介质，进行着许多冶金反应。例如，在铅还原熔炼时，溶解在炉渣中的硅酸铅便可直接从炉渣中被还原剂（CO或C）还原。金属在炉渣中的损失主要决定于这些反应的完全程度。冶金原理精品课程二）炉渣的作用3、在炉渣中发生金属液滴或锍液滴的沉降分离，沉降分离的完全程度对金属在炉渣中的机械夹杂损失起着决定性的作用。冶金原理精品课程二）炉渣的作用4、对鼓风炉这一类竖炉来说，炉内可能达到的最高冶炼温度取决于炉渣的熔化化温度。最高冶炼温度大致为炉渣熔化温度加上一定的过热度（423～523Ｋ）。在炉渣组成的一定的情况下，企图用向炉子增加热量的办法来提高炉温是不可能的，因为多供应的热量只能促使更多的炉料熔化。冶金原理精品课程二）炉渣的作用5、在金属和合金的熔炼和精炼时，炉渣与金属熔体的组分相互进行反应，从而可以通过炉渣对杂质的脱除和浓度加以控制。在某些情况下，炉渣可用来覆盖在金属或合金之上，作为一种保护层，以防止金属熔体受炉气的饱和和氧化。冶金原理精品课程二）炉渣的作用6、在某些情况下，炉渣不是冶炼厂的废弃物，而是一种中间产物。例如，钛铁矿常用电炉冶炼成高钛渣，再进而提取钛。又如对铜、铅、砷和其它杂质很多的锡矿，常先进行造渣熔炼使90％的锡成渣，然后再冶炼含锡渣提取金属锡。冶金原理精品课程二）炉渣的作用7、用矿热式电炉冶炼时，炉渣是电阻发热体，可用调节电极插入渣中深度的方法来调节电炉的功率。用反射炉熔炼时，炉渣是传热介质，通过它把热量传递给金属熔体。冶金原理精品课程三）配制炉渣应该达到的要求要使炉渣在冶炼过程中发挥其有利的作用，就必须根据各种有色金属冶炼过程的特点，合理地选择炉渣成分，使之具有合适要求的物理化学性质，如适当的熔化温度和酸碱性、较低的粘度和密度等。下一节冶金原理精品课程解决思路一）了解炉渣中氧化物的分类二）通过硅酸度、碱度控制渣型上一节冶金原理精品课程教学内容一）氧化物的分类二）炉渣酸、碱度的计算冶金原理精品课程一）氧化物的分类1、冶金炉渣是极为复杂的体系，常由五、六种或更多的氧化物组成，并含有如氟化物、硫化物等化合物。2、炉渣中含量最多的氧化物通常只有三个，其总含量可达80%以上。对有色冶金中的大多数炉渣来说，这三种氧化物是SiO2、FeO、CaO,而另一些有色冶金炉渣则为SiO2、CaO、Al2O3冶金原理精品课程表１-１某些有色冶金炉渣的成分（％质量）冶金原理精品课程一）氧化物的分类1、碱性氧化物：能供给氧离子的氧化物O2-，如CaO、MnO、FeO、MgO等CaO=Ca2+＋O２-冶金原理精品课程一）氧化物的分类2、酸性氧化物：能吸收氧离子而形成配合阴离子的氧化物，如SiO2、P2O5等SiO2＋2O2-=SiO44-冶金原理精品课程一）氧化物的分类3、两性氧化物：在酸性氧化物过剩时可供给氧离子而呈碱性，而在碱性氧化物过剩时则又会吸收氧离子形成配合阴离子而呈酸性的氧化物，如Al2O3、ZnO、Fe2O3、PbO等Al2O3＝2Al3+＋3O2-Al2O3＋O2-=2AlO2-冶金原理精品课程二）炉渣酸、碱度的计算1、酸、碱度的表示方法：熔渣的酸性或碱性取决于其中占优势的氧化物是酸性或碱性。对于冶金炉渣，习惯上常用硅酸度表明渣的酸、碱性，有时也用碱度表示。冶金原理精品课程酸性氧化物中氧的含量之和硅酸度＝————————————碱性氧化物中氧的含量之和二）炉渣酸、碱度的计算冶金原理精品课程CaO(%含量)碱度＝——————SiO2(%含量)二）炉渣酸、碱度的计算冶金原理精品课程例题1某炼铜厂所产炉渣的成分为：SiO237.9%、Al2O3８.５％、FeO46.7%、CaO1.7%、MgO1.9%,求其硅酸度。二）炉渣酸、碱度的计算冶金原理精品课程解：按100炉渣计算，渣中酸性氧化物为SiO2、碱性氧化物为CaO、MgO、FeO，两性氧化物Al2O3在渣中SiO2含量高时可将其看成碱性氧化物，该炉渣的硅酸度为：3237.9601.29481616168.546.71.71.910271.85640.3硅酸度冶金原理精品课程例题2某高炉炼铁渣含CaO44%、SiO240%,求其碱度？解：按100kg渣量计算，该炉渣的碱度为：碱度＝44/40＝1.1二）炉渣酸、碱度的计算冶金原理精品课程小结硅酸度这个概念并不十分科学，它不能全面地表示出炉渣的本质，但它在很大成度上确实表明了炉渣的酸碱性，对有色冶金炉选择耐火材料来说，炉渣的硅酸度是必须考虑的重要因素之一。下一节冶金原理精品课程任务实践一）炉渣系状态图（相图）基本知识二）炉渣系二、三元状态图上一节冶金原理精品课程教学内容一）炉渣系状态图（相图）基本知识1、SiO2-CaO二元系2、FeO-SiO2二元系3、CaO-FeO-SiO２三元系4、Al2O3-SiO2二元系5、CaO-AL2O3二元系6、CaO-Al2O3-SiO2三元系冶金原理精品课程炉渣系状态图（相图）基本知识1、冶金炉渣的组成和物理化学性质杂很大程度上与CaO-FeO-SiO2三元系状态图和CaO-Al2O3三元系状态图有关。冶金原理精品课程炉渣系状态图（相图）基本知识2、通过对炉渣系二、三元状态图的研究，可以了解炉渣的熔化温度与组成之间的关系以及一定温度与组成下的相结构。冶金原理精品课程炉渣系状态图（相图）基本知识1、冶金炉渣的组成和物理化学性质杂很大程度上与CaO-FeO-SiO2三元系状态图和CaO-Al2O3三元系状态图有关。冶金原理精品课程炉渣系状态图（相图）基本知识1、冶金炉渣的组成和物理化学性质杂很大程度上与CaO-FeO-SiO2三元系状态图和CaO-Al2O3三元系状态图有关。冶金原理精品课程概述3、状态图又称相图，是用几何图形表示一个平衡体系的温度、压力和组成的关系。对于炉渣的研究，常用的状态图是温度和组成的平衡图。冶金原理精品课程炉渣系状态图（相图）基本知识1、冶金炉渣的组成和物理化学性质杂很大程度上与CaO-FeO-SiO2三元系状态图和CaO-Al2O3三元系状态图有关。冶金原理精品课程1、SiO2-CaO二元系图1-1是CaO-SiO2系的状态图，这个体系内有下列化合物生成：（１）CaO·SiO2即CaOSiO3,称偏硅酸钙。它有α和ß两中晶体，1817K熔化。（２）３CaO·2SiO2即Ca3SiO7,称焦硅酸钙1737Κ分解。（３）2CaO·SiO2即Ca2SiO4,称正硅酸钙，有γ、β和α三种晶型，2403Κ熔化。（４）3CaO·SiO2即Ca3SiO5,在1523Κ形成，2173Κ分解。冶金原理精品课程体系内形成三种共晶：（１）SiO与CaO·SiO2组成的共晶，共晶温度为1709Κ。（２）CaO·SiO2与３CaO·2SiO2组成的共晶温度为1733Κ。（３）CaO·SiO2与CaO组成的共晶，共晶温度为2338Κ。1、SiO2-CaO二元系冶金原理精品课程纯CaO的熔点为2843Κ，纯SiO2的熔点为2001Κ。SiO2在下列温度下发生晶型转变：α－石英=α－磷石英=α－石英此外，体系乃还存在液相分层区，大约在1973K以上二液相平衡共存，它们的组成由二边界线（虚线）表示。1、SiO2-CaO二元系冶金原理精品课程从图1-1可见，各种硅酸钙盐的熔化温度都很高，熔点低于1873Κ的硅酸钙位于含CaO32~59%的狭窄组成范围内，而且如在含CaO59%时再增加CaO,则熔点将急剧升高。所以纯石灰质的硅酸盐在熔化温度上就不适于用作有色金属冶炼渣。但CaO能使炉渣的密度降低，且石灰质硅酸盐溶解重金属硫化物的能力比较小，所以作为一个造渣成分，还是有其有利的一面1、SiO2-CaO二元系冶金原理精品课程冶金原理精品课程2、FeO-SiO2二元系图1-2是FeO-SiO2二元系壮态图。严格说来，这不是一个真正的二元系。因为FeO并不是一个固定组成的化合物，而是溶解有Fe3O4的固熔体，将Fe3O4看成FeO·Fe2O3,因而有一部分Fe系以Fe2O3形态存在。此外，FeO的硅酸盐在熔化后易分解，FeO也容易被氧化成高价氧化物。在作该二元系状态图时已将各种含铁氧化物皆折算为FeO,因而此图实际上是一个假二元系状态图。冶金原理精品课程在图上部算出了液相中Fe2O3含量随着SiO2含量而改变的曲线。当液相成分接近于铁橄榄石（２FeO·SiO2）时，Fe2O3含量为2.25％。如图1-2所示，这个二元系只有一个稳定的化合物，叫做铁橄榄石，其熔点为1478Κ，它的液相线是平滑的，说明它熔化后易分解。此外，这个二元系有两个共晶，其共晶温度几乎相等（1450Κ和1451Κ）。2、FeO-SiO2二元系冶金原理精品课程由图1-2可见，当SiO2含量在30％左右时，系统的熔化温度最低（1460Κ左右），与有色冶炼炉渣的熔化温度相近。因此，单就熔点来说，理论上用熔化温度为1473Κ，而成为接近纯2FeO·SiO2的炉渣进行造硫或还原熔炼是可行的。2、FeO-SiO2二元系冶金原理精品课程但是，这种熔渣的缺点是密度较大（含FeO高达70％），因而与锍或金属的分离效果不好。又因硅酸盐中的FeO含量愈高，其对硫化物的溶解能力愈大，导致金属损失增大。因此，在实践中不能单独用氧化亚铁硅酸盐作炉渣，而必须加入CaO以改善炉渣的性能。2、FeO-SiO2二元系冶金原理精品课程冶金原理精品课程3、CaO-FeO-SiO２三元系以上分析说明纯氧化亚铁硅酸盐或纯氧化钙硅酸盐都不适宜于单独有色冶炼炉渣。在实践中，能符合有色冶金过程要求的炉渣是铁钙硅酸盐的熔合体，其中基本组成部分为FeO、CaO和SiO2。因此，CaO-FeO-SiO2三元系是有色冶金炉渣的主要造渣系。冶金原理精品课程3、CaO-FeO-SiO２三元系与FeO-SiO2二元系相同，由于存在氧化铁分解、氧化等原因，给CaO-FeO-SiO2三元系平衡状态图的研究带来一定困难，研究结果亦互有差异。三元系内有三个组分，如再考虑温度的影响，则用等边三角形平面表示组分浓度的变化，再在此三角形平面上竖立垂直纵轴以表示温度，这样就构成了三棱柱体的空间相图。冶金原理精品课程3、CaO-FeO-SiO２三元系由于三元系的立体状态图比较复杂，实践中应用较少，常将立体图中的面、线及点的关系投影到浓度三角形平面上，使空间的相图平衡关系简化成水平投影图。利用这种投影图就易于分析炉渣的组成与温度之间的关系。冶金原理精品课程3、CaO-FeO-SiO２三元系图１－３为CaO-FeO-SiO2三元系水平投影状态图，简称三元系相图，这个系统的特点是其中有许多固熔体，而且在固相内进行着复杂的变化。图中靠近SiO2顶角有较大范围的硅酸盐的液相分层区，而在偏CaO顶角则是高熔点的CaO存在区。在此两区之间为1673Κ以下的单一液相区。冶金原理精品课程3、CaO-FeO-SiO２三元系其等温线由CaO-SiO边倾斜横越全图，直达FeO-SiO2边，呈狭谷形状，其熔度最低的成分位于45％FeO、20％CaO和35％SiO2附近，其最低温度约为1273Κ，这个组成与铅鼓风炉的炉渣成分大致相同。在这个系统内有一个三元系化合物CaO·FeO·SiO2（钙铁橄榄石）。冶金原理精品课程3、CaO-FeO-SiO２三元系由图1-3看出，在成分接近于2FeO·SiO2（铁橄榄石）的炉渣中加入一定量的CaO,可以造出熔化温度在1