钢铁冶金原理04

1第三章冶金炉渣引言三元系相图的基本知识及基本类型钢铁冶金主要二元渣系相图三元渣系的相图熔渣的结构理论012342金属液与熔渣的电化学反应原理熔渣的离子溶液结构模型熔渣组分的等活度曲线图熔渣的化学性质熔渣的物理性质567893引言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。●组成04●分类冶炼渣（还原渣）：以矿石为原料进行还原熔炼，得到粗金属的同时形成的炉渣，称为冶炼渣。如：冶炼铁矿石得到的高炉渣。精炼渣（氧化渣）：精炼粗金属如用生铁冶炼成钢产生的炉渣，称为精炼渣。富集渣：将原料的某些有用成分富集于炉渣中，以利用下道工序将其回收的炉渣称为富集渣。如：钛精矿还原熔炼所得的高钛渣，吹炼含钒、生铁得到的钒渣、铌渣等。合成渣：按炉渣所起的冶金作用，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，保护渣，炉外精炼用渣。●炉渣综合利用5钢铁冶金主要二元渣系相图炉渣是多种氧化物构成的熔体。CaO、SiO2、Al2O3、FeO、MgO、Fe2O3主要的二元渣系相图：炉渣化学成分：CaO-SiO2；Al2O3-SiO2；CaO-Al2O3；FeO-SiO2；CaO-Fe2O3复习161.1CaO-SiO2系相图稳定化合物(同份熔化化合物)：偏硅酸钙CaO·SiO2（CS）正硅酸钙2CaO·SiO2（C2S）。不稳定化合物(异份熔化化合物)：硅酸三钙3CaO·SiO2（C3S）二硅酸三钙3CaO·2SiO2（C3S2）。1.1.1化合物类型7C-C2S：具有一个共晶体的相图1250-19000C存在C3S，C3S=C+C2SC2S-CS：具有一个不稳定化合物C3S2的相图14750C发生转熔反应（包晶反应）：L+C2S=C3S2CS-S：液相有分层现象L1—S在CS相内的饱和熔体L2—CS在S内的饱和熔体。1.1.2分相图三个分相图：C-C2S，C2S-CS，CS-S81.2Al2O3-SiO2系相图一个稳定化合物：莫来石3Al2O3.2SiO2(A3S2)，可溶解微量的Al2O3形成的固溶体。1.3CaO-Al2O3系相图三个同份熔化化合物：C12A7、CA、CA2，两个异份熔化化合物：C3A、CA6。1.4FeO-SiO2系相图一个同份熔化化合物：铁橄榄石2FeO.SiO2(F2S)，SiO2高浓度端有液相分层1.5CaO-Fe2O3系相图三个异份熔化化合物：2CaO.Fe2O3、CaO.Fe2O3、CaO.2Fe2O3。9三元系相图的基本知识及基本类型2.1三元相图的基本知识体系有三个独立变量：温度及任意两个组分浓度。三元相图表示方法：以等边三角形表示三个组分浓度的变化，以垂直坐标轴表示温度。★2102.1.1浓度三角形含义三顶点A、B、C：表示体系的纯组分。三条边：分别为三个二元系。三角形内的点：三元系的组成点。物系点浓度的读取方法(1)过O作BC、CA、AB边的垂线，长度为a、b、c%100cbaaA%100cbabB%100cbacC11(2)过O作BC、CA、AB边的平行线a’a’’、b’b’’、c’c’’A=a，B=b，C=c122.1.2浓度三角形的基本规则等含量规则：平行于一边的直线上，各物系点所含对应顶角组分的浓度相同。等比规则：任一顶角与对边点的连线上各点组成中，其两旁顶角组分的浓度比相同。背向规则：若物系点降到O点温度时开始析出C，则液相线CO的延长线向移动，而其他两组分（A，B）的浓度比保持不变。13杠杆规则：原物系点重量分别为m，n，混合后形成新物系点O，则：O必位于M，N连线上。mnNOMO此规则亦适用于一个相分解为两个相。如O点重量为W，分解为M，N两相，则M，O，N必位于同一条直线上。WMNNOmWMNMOnWnm重心规则：原物系点M1，M2，M3的重量分别为m1，m2，m3，混合后形成新物系点M，则M必位于连线三角形△M1M2M3的重心上。此规则亦适用于一个相分解为三个相的计算。如，M分解为M1、M2、M3三个新相时，则有：mammam11mbmmbm22mcmmcm33mmmm321142.2三元相图的基本类型初晶面：组分从液相析出固相的面，固液两相平衡共存L→S1，自由度：f=C-φ+1=3-2+1=2二元共晶线：液相面两两相交的交线，两个固相组分同时从液相结晶析出，三相共存，L→S1+S2。自由度：f=C-φ+1=3-3+1=1三元共晶点（无变量点）：三条二元共晶线的交点，三个组分同时从液相析出，四相共存，L=S1+S2+S3。自由度：f=C-φ+1=3-4+1=0。等温线：标有温度值的投影曲线，用虚线表示。连接线：两个纯组分组成点的连接线。边界线（相界线）：两个结晶面（液相面）的交线152.2.1具有简单三元共晶体的相图面：三个组分A、B、C的初晶面线：三条二元共晶线e1E(L→A+B)e2E(L→A+C)e3E(L→B+C)点：E为三元共晶点(LE=A+B+C)结晶过程分析面、线、点分析162.2.2具有一个稳定二元化合物的相图面：A、B、C、D四个组元的初晶面线：六条二元共晶线点：两个三元共晶点E1、E2鞍心点e3●此三元系可分为两个独立的子三元系：A-B-D系、A-C-D系；●子三元系为具有简单三元共晶点的相图；●位于各分三角形内的物系点的结晶过程在各自的三角形内完成。面、线、点分析结晶过程分析172.2.3具有一个稳定三元化合物的相图面：A、B、C、D四个组元的初晶面线：九条二元共晶线点：三个三元共晶点E1、E2、E3三个鞍心点e4、e5、e6●此三元系可分为三个独立的子三元系：A-B-D系，A-C-D系，B-C-D系；●子三元系为具有简单三元共晶点的相图；●位于各分三角形内的物系点的结晶过程在各自的三角形内完成。面、线、点分析结晶过程分析182.2.4具有一个不稳定二元化合物的相图面：A、B、C、D四个组元的初晶面线：五条相界线e1E：二元共晶线L→B+Ce2P：二元共晶线L→A+Ce3E：二元共晶线L→B+DP’P：二元包晶线（转熔线）L+A→DPE：二元共晶线L→C+D点：三元共晶点E，LE=B+C+D三元包晶点（转熔点）P：LP+A=C+D面、线、点分析19结晶过程分析20a点杠杆规则的应用举例：刚到E点时，固、液相重量各为多少？固相中B、D重量各为多少？aEaaWWSL222BaDaWWDBSDB212223242526三元相图分析方法要点：物系点所在的初晶面（结晶面），是最先析出的组元物系点所在的三角形，决定了液相最终消失的四相点，也决定了最终的固相由哪三个组元组成★272.3三元相图中线和无变量点的性质及确定法2.3.1线的种类相界线（边界线），连接线2.3.2相界线（边界线）液相面的交线称为相界线，有两类：共晶线：L→S1+S2包晶线：L+S1→S2性质确定：切线规则N分相界线Pe1为两部分：PN段和Ne1段Ne1段：共晶线PN段：包晶线282.3.3连接线有相界线（边界线）的组分才能做连接线。连接线规则若连接线与相界线相交，则：a交点是相界线上的温度最高点；b化合物D在其初晶面内，是一个稳定化合物；c连接线分三角形为两个独立的三元系；d两个四相平衡点分别在它们的三角形内。若连接线与相界线不相交，则：a相界线（PE）向背离连接线（CD）的方向倾斜；b化合物D不在其初晶面内，是一个不稳定化合物；c连接线把三元系分为两个部分，但两部分不独立；d△BCD内无四相平衡点，其四相平衡点P在相邻的三角形内，是包晶点：LP+B=C+D292.4二元化合物的稳定性发生变化的三元系二元化合物D在二元系中是稳定的，在三元系中是不稳定的化合物。e4N：共晶线，L→B+DNP：包晶线，L+B→D二元化合物D在二元相图中是不稳定的，在三元相图中是稳定的化合物。PN：包晶线，L+B→DNE2：共晶线，L→B+D302.5有两个二元异份熔化化合物的三元系相图初晶面A、B、C、D1、D2线P’P：包晶线L+C→D1P’’P：包晶线L+C→D2其余均为共晶线点P：包晶点L+C=D1+D2P1：包晶点L+C=D1+D2P2：包晶点L+D1=A+D2E1、E2、E均为共晶点31三元渣系的相图3.1三元系相图的分析方法3.2CaO-SiO2-Al2O3(C-S-A)系相图分析3.2.1确定化合物的种类及稳定性两个三元稳定化合物CAS2=CaO·Al2O3·2SiO2钙斜长石C2AS=2CaO·Al2O3·2SiO2铝方柱石五个稳定的二元化合物CS=CaO·SiO2；C2S=2CaO·SiO2；C12A7=12CaO·7Al2O3；CA=CaO·Al2O3A3S2=3Al2O3·2SiO2五个不稳定的二元化合物C3S2=3CaO·2SiO2；C3S=3CaO·SiO2；C3A=3CaO·Al2O3；CA2=CaO·2Al2O3；CA6=CaO·6Al2O33323.2.2分三角形、无变量点及相平衡关系确定化合物的初晶面作连接线a有相界线的化合物之间才能做连接线；b稳定化合物之间作实线；c不稳定化合物之间（或稳定与不稳定化合物之间）做虚线。确定相界线上温度下降的方向及相界线的性质（转熔线、共晶线）确定三元共晶点和包晶点由实线组成的三角形或多边形是独立的可以单独分析33a△S-CAS2-A共晶点1L=CAS2+A3S2+S包晶点7L+A=CAS2+A3S2b△S-CAS2-CS共晶点2L=CAS2+CS+Sc△CS-C2AS-CAS2共晶点4L=CS+C2AS+CAS2d△CS-C2AS–C2S包晶点3L+C2S=C3S2+C2AS共晶点5L=CS+C3S2+C2ASe四边形C2AS–CAS2-A-CA共晶点6L=C2AS+CAS2+CA6包晶点8L+A=CAS2+CA6包晶点9L+CA2=C2AS+CA6共晶点10L=C2AS+CA2+CAf四边形CA-C2AS–C2S-C12A7包晶点11L+C2AS=C2S+CA共晶点12L=CA+C2S+C12A7g△C2S-C12A7–C共晶点13L=C2S+C12A7+C3A包晶点14L+C3S=C2S+C3A包晶点15L+C=C3A+C3S343.2.3应用举例例题1：利用相图选择合适的材料例题2：利用相图计算某种组成的熔渣凝固后的相成分（具体参考书）353.3CaO-SiO2-FeO渣系的相图3.3.1确定化合物的稳定性一个三元稳定化合物CFS=CaO·FeO·SiO2三个稳定二元化合物CS=CaO·SiO2C2S=2CaO·SiO2F2S=2FeO·SiO2两个不稳定的二元化合物C3S2=3CaO·2SiO2C3S=3CaO·SiO23.3.2相图的特点靠近SiO2顶角侧有较大范围的液相分层区，靠近CaO顶角处，是高熔点存在区由相界线构成两个特相区363.2.2分三角形、无变量点及相平衡关系a△S-CS-F2S共晶点1L=S+CS+F2Sb△C2S-CFS-CS共晶点2L=CS+C3S2+CFS包晶点3L+C2S=C3S2+CFSc△C2S-CFS-F共晶点4L=C2S+CFS+Fd△C2S-F-C包晶点5L+C=C3S+F37熔渣的结构理论4.1分子结构模型理论4.1.1实验基础4.1.2要点固体渣的化学分析、矿相分析、相图。（1）熔渣是由氧化物、硫化物、磷化物以及它们之间形成的复杂化合物分子组成。简单氧化物：FeO,CaO,MgO,Al2O3,SiO2,P2O5,MnO等。复杂氧化物：CaO·SiO2,2CaO·SiO2,2FeO·SiO2,2MnO·SiO2,4CaO·P2O5438（2）各种氧化物与其复杂化合物之间的反应处于动态平衡。)()(2)2(22SiOCaOSiOCaO2222SiOCaOSiOCaODxxxK（3）氧化物有两种存在状态，以简单氧化物分子存在的自由氧化物和以复杂化合物存在的结合氧化，只有自由氧化物才具有很高的反应能力。结自ii