《钢铁冶金原理》课件

1《钢铁冶金原理》第四章冶金炉渣制作人：陈永范单位：材料学院冶金系2第四章冶金炉渣本章主要内容教学重点难点第一节二元渣系相图掌握第二节三元系相图基本知识掌握、难点第三节三元渣系的相图重点掌握、难点第四节熔渣的结构理论重点掌握第五节熔渣的离子溶液模型了解、难点第六节熔渣的化学性质重点掌握、难点第七节熔渣的物理性质掌握3第四章冶金炉渣炉渣是火法冶金中形成的以氧化物为主要成分的多组分熔体。1、炉渣分类－根据冶炼过程目的的不同，炉渣可分为下列4类：1)以矿石或精矿为原料进行还原熔炼，得到粗金属的同时，未被还原的氧化物和加入的熔剂形成的炉渣，称为冶炼渣或还原渣。例如，冶炼铁矿石得到的高炉渣。2)精炼粗金属，由其中元素氧化形成的氧化物组成的炉渣，称为精炼渣或氧化渣。例如，由生铁冶炼成钢产生的炼钢渣。3)将原料中的某有用成分富集于炉渣中，以利于下道工序将它回收的炉渣，称为富集渣。例如，钛精矿还原熔炼所得的高钛渣，吹炼含钒、铌生铁得到的钒渣、铌渣等。它们分别用作提取金属钛和铌的原料。4)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。如电渣重熔用渣，浇铸钢锭或钢坯的保护渣及炉外精炼渣。4第四章冶金炉渣2、冶炼过程中的炉渣组成：还原熔炼中未被还原的氧化物；氧化熔炼中氧化形成的氧化物；为适应冶炼要求而加入的熔剂；及被侵蚀的耐火炉衬的氧化物；以及少量硫化物及CaF2等卤化物组成的；其中也还夹带着少量金属粒。3、炉渣在金属冶炼过程的作用：分离或吸收杂质；除去粗金属中有害于金属产品性能的杂质；富集有用金属氧化物及精炼金属的作用；并能保护金属不受环境的玷污及减少金属的热损失；在电炉冶炼中，炉渣还起着电阻发热的作用。炉渣在保证冶炼操作的顺利进行，冶炼金属熔体的成分和质量，金属的回收率以及冶炼的各项技术经济指标等方面都起了决定性的作用。俗话说“炼钢在于炼渣，好渣之下出好钢”，生动地说明了炉渣在冶炼过程中所起的作用。5第四章冶金炉渣炉渣所起的各种作用都是通过控制炉渣的化学组成、温度及其所具有的物理化学性质来实现的。熔渣的物理化学性质与其结构有关，通过熔渣结构研究，可以查明熔渣物理化学性质变化规律，从而达到控制冶金反应的目的。4、炉渣的处理：①作为废物送到渣场堆放。a）影响国土的利用;b）若不加以综合利用，也是极大的浪费;c）环境污染问题。②综合利用处理。a）保护环境；a）可以回收炉渣中有用成分。例如，制成水泥、建筑材料和磷肥工业等的原料。6高温冶金过程多数在熔融的反应介质中进行,—如炼钢、铝电解、粗铜的火法精炼等在很多冶炼过程中，产物或中间产品为熔融状态物质,—如高炉炼铁、硫化铜精矿的造锍熔炼、铅烧结块的鼓风炉熔炼等。一、基本概念冶金熔体：在高温冶金过程中处于熔融状态的反应介质或反应产物。冶金熔体分类——根据组成熔体的主要成分的不同：金属熔体:非金属熔体:熔渣、熔盐、熔锍。第四章冶金炉渣7一、基本概念主要由冶金原料中的氧化物或冶金过程中生成的氧化物组成的熔体。熔渣是一种非常复杂的多组分体系：如CaO、FeO、MnO、MgO、Al2O3、SiO2、P2O5、Fe2O3除氧化物外，炉渣还可能含有少量其它类型的化合物甚至金属。如氟化物（CaF2）、氯化物（NaCl）、硫化物（CaS、MnS）、硫酸盐等。熔渣是火法冶金过程产物第四章冶金炉渣8表11常见冶金炉渣的主要化学成分组成/%(质量)炉渣SiO2A12O3CaOFeOMgOMnO其它高炉炼铁渣30～4010～2035～5015～100.5～1S1～2转炉炼钢渣9～200.1～2.537～595～200.6～81.3～10P2O51～6电炉炼钢渣10～250.7～8.320～650.5～350.6～2.50.3～11电渣重熔渣0～100～300～200～15CaF245～80铜闪速炉熔炼渣28～382～125～1538～541～3Fe3O412～15,S0.2～0.4,Cu0.5～0.8铅鼓风炉熔炼渣19～353～50～2028～403～5Pb1～3.5锡反射炉熔炼渣19～248～101.5～645～50Sn7～9高钛渣2.8～5.62～60.3～1.22.7～6.52～5.61～1.5TiO282～87一、基本概念第四章冶金炉渣9通常由五、六种或更多的氧化物组成。含量最多的氧化物通常只有三种，其总含量可达80%以上。多数有色冶金炉渣和钢渣的主要氧化物是：CaO、SiO2、FeO高炉渣和某些有色冶金炉渣的主要氧化物为：CaO、SiO2、Al2O3常含有其他化合物，如氟化物、硫化物等。一、基本概念第四章冶金炉渣10一、基本概念熔渣主要来源：矿石或精矿中的脉石：如高炉冶炼：Al2O3、CaO、SiO2等为满足冶炼过程需要而加入的熔剂：如CaO、SiO2、CaF等冶炼过程中金属或化合物（如硫化物）的氧化产物：如炼钢：FeO、Fe2O3、MnO、TiO2、P2O5等造锍熔炼：FeO、Fe3O4等。被熔融金属或熔渣侵蚀和冲刷下来的炉衬材料：如碱性炉渣炼钢时，MgO主要来自镁砂炉衬第四章冶金炉渣11一、基本概念熔渣主要作用：不同的熔渣所起的作用不一样。1、冶炼渣（熔炼渣）在以矿石或精矿为原料、以粗金属或熔锍为冶炼产物的熔炼过程中。主要作用：汇集炉料（矿石或精矿、燃料、熔剂等）中的全部脉石成分、灰分以及大部分杂质，使其与冶炼产物（金属、熔锍等）分离。高炉炼铁：脉石成分与燃料的灰份以及熔剂（石灰石、白云石、硅石等）反应，形成炉渣，从而与金属铁分离。造锍熔炼：铜、镍的硫化物与炉料中铁的的硫化物熔融在一起，形成熔锍；铁的氧化物则与造渣熔剂SiO2及其他脉石成分形成熔渣。第四章冶金炉渣12一、基本概念2、精炼渣是粗金属精炼过程的产物。主要作用——捕集粗金属中杂质元素的氧化产物，使之与主金属分离。例如，炼钢时，加入的造渣熔剂，与原料中杂质元素的氧化产物融合成炉渣，除硫、磷，吸收非金属夹杂。3、富集渣作用——使原料中的某些有用成分富集于炉渣中，以便回收利用。例如，钛铁矿先在电炉中经还原熔炼得到高钛渣，再进一步提取钛。第四章冶金炉渣13一、基本概念4、合成渣是指由为达到一定的冶炼目的、按一定成分预先配制的渣料熔合而成的炉渣。如电渣重熔渣、铸钢保护渣、钢液炉外精炼渣等。这类炉渣的作用差别很大。第四章冶金炉渣14一、基本概念熔渣主要作用：积极作用：1.减少金属的热损失;2.避免金属氧化（减少金属从炉气中吸收有害气体）；3.汇集金属中杂质元素的氧化生成物。消极作用：1.侵蚀和冲刷炉衬，减少炉衬的使用寿命；2.金属损失，降低回收率；3.带走热量，增加冶炼能耗。第四章冶金炉渣15第一节二元渣系相图一、相图或状态图：即在多相平衡体系中，表示物质相的状态与影响相态变化的温度、压力及组成等变量之间的几何图形。高温冶金过程中，物质蒸气压一般都很小，对凝聚相体系可不考虑压力的影响。因此，相图就变成了“温度－组成”之相图。相图是表示凝聚相体系的组成和温度的相平衡关系。由相图可以确定氧化物在高温下相互反应，形成的不同相组分(纯凝聚相、液溶体及固溶体、简单氧化物及复杂化合物、共晶体、包晶体、液相分层等)和其有关参数(相数、成分和相对量)，以及各相在不同条件下(温度、组成)的相互转变关系，为选择某种性能的相成分提供了依据。下面介绍几个主要二元渣系相图，它们是构成冶金基本渣系（CaO－SiO2－Al2O3系、CaO－SiO2－FeO系等）的三元系相图的基础。16第一节二元渣系相图二、基本概念：1、相图：相平衡体系的几何图示。描述多相体系中相状态与T、P、xB等的关系。2、凝聚系：没有或不考虑气相的体系。3、自由度：在一定范围内可以任意独立改变而不致发生相变化的变数（如温度、压力和浓度等）的个数。17第一节二元渣系相图4、相律：多相体系平衡的基本规律。说明平衡体系中相数、独立组元数与自由度的关系。考虑到温度、压力两个变数时：f=K–φ+2f：自由度；K：独立组元数；φ：相数对有其他影响因素的平衡体系，如磁场、电场等：为：f=K–φ+n对于凝聚系，可以不考虑体系压力：为：f=K–φ+118第一节二元渣系相图一、CaO-SiO2系相图CaO-SiO2二元系相图比较复杂，因为形成了性质不同(稳定或不稳定)的几种硅酸钙化合物，而且还出现了多晶型转变。体系有两个稳定化合物：①偏硅酸钙CaO·SiO2(用CS表示)；②正硅酸钙2CaO·SiO2(用C2S表示)。有两个不稳定化合物：①硅酸三钙3CaO·SiO2(C3S)；②二硅酸三钙3CaO·2SiO2(C3S2)。稳定化合物又称同份熔化化合物：即在熔化成液态时也是稳定的。不稳定化合物又称异份熔化化合物：即在高于其熔点温度时就发生分解，所以在液态时不存在。19第一节二元渣系相图一、CaO-SiO2系相图1、稳定化合物又称同份熔化化合物的特征：a)当其熔点在液相线为尖峰点且尖锐，则其在液态中也不分解；b)当其组成线与液相线有交点但不尖锐，则其在液态中会有部分发生分解；2、不稳定化合物又称异份熔化化合物的特征：其组成线不与液相线相交。3、判断化合物性质的方法：即看其组成线与液相线的关系和特征：①有交点且出现最高点者，为稳定化合物；②没有交点者，为不稳定化合物。20第一节二元渣系相图一、CaO-SiO2系相图稳定化合物是体系相组成的组分。4、拆分“子相图”方法：由于稳定化合物是体系相组成的组分，分析CaO-SiO2系相图可从CS和C2S垂直线处，将此相图划分为3个“子相图”来分析。①CaO－C2S系；②C2S－CS系；③CS－SiO2系。5、分析相图目的：①确定化合物的性质；②分析相变反应（包括晶型转变）性质；③确定液相线最低温度范围即其组成；④分析不同温度下相平衡关系或冷却过程相变化情况。CaO－C2SC2S－CSCS－SiO222第一节二元渣系相图一、CaO-SiO2系相图1、CaO－C2S系“子相图”：为具有一个共晶体的相图。CaO－碱性氧化物，化学名为氧化钙，矿物学名为石灰。SiO2－酸性氧化物，化学名为二氧化硅，矿物学名为石英。其内有一个仅在1250～1900℃内(固相内)稳定存在的C2S，高于或低于此温度范围，C3S均不能存在，将分解为C3S＝CaO+C2S。相图内的垂直线代表C3S。只有在1250℃以下急冷淬火可把C3S保持到常温，C3S有水硬性，是水泥熟料组分。2、C2S-CS系“子相图”：为具有一个不稳定化合物(C3S2)的相图。①当温度下降时，C3S2由转熔反应形成：L+C2S＝C3S2；②在加热时，它在1475℃发生分解：C3S2→L＋C2S。23第一节二元渣系相图一、CaO-SiO2系相图3、CS－SiO2系“子相图”①由于液相时组分的溶解度有限，形成两液相共存的相图。②在互为饱和的二液相中，L1是SiO2在CS相内的饱和熔体；L2是CS在SiO2相内的饱和熔体，大约在1700℃以上两者平衡共存，它们的平衡成分分别由两条虚线表出，称为分溶曲线。③在1700℃时，相平衡关系为L2＝L1＋SiO2(偏晶反应)。④温度高于1700℃时，SiO2逐渐消失，仅两液相共存，它们的饱和溶解度随温度的升高，不断变化，逐渐接近，最后达到相同(曲线上的此点称为临界点)，成为均匀液相。⑤温度低于1700℃时，L2消失，但L1存在，随着温度的下降，将不断析出SiO2。⑥当温度冷却到1436℃时，有L1＝CS＋SiO2共晶体形成。24第一节二元渣系相图一、CaO-SiO2系相图4、相图中固相区内的水平线是SiO2、CS及C2S的多晶型转变线。1）SiO2的晶型转变关系：25第一节二元渣系相图一、CaO-SiO2系相图SiO2的晶型转变可分为两大类：第一类(横向)转变是：α石英(六方双锥)≒α鳞石英(六方晶系板状)≒α方英石(立方八面体)之间的转变。它们的晶格中任两个Si-O四面体间结合的方式不一样，因此彼此间的转变很慢，发生在缓慢的加热或冷却的条件