冶金原理课件(中南大学)

2.2熔渣的相平衡图2.2.1重要的二元熔渣系相平衡图一、CaO-SiO2二元系二、Al2O3-SiO2二元系三、CaO-Al2O3二元系四、FeO-SiO2二元系五、CaO-FeO与CaO-Fe2O3二元系2.2.2CaO-Al2O3-SiO2三元系相平衡图2.2.3CaO-FeO-SiO2三元系相平衡图2.2熔渣的相平衡图2.2.1重要的二元熔渣系相平衡图一、CaO-SiO2二元系体系特点体系中有四个化合物硅酸三钙：3CaO·SiO2（C3S）——一致熔融正硅酸钙：2CaO·SiO2（C2S）——不一致熔融二硅酸三钙：3CaO·2SiO2（C3S2）——不一致熔融偏硅酸钙：CaO·SiO2（CS）——一致熔融2.2.1重要的二元熔渣系相平衡图返回①②③④2.2.1重要的二元熔渣系相平衡图体系特点（续）一致熔融化合物C2S及CS将整个相图分为三个独立部分CaO－C2S系——低共熔型含有一个在低温及高温下均会分解的化合物C3S。T1250°C时，C3S-C2S+CaO；T1900°C时，C3S-C2S+CaO。C2S－CS系——转熔型含有一个不一致熔融化合物C3S2（1475°C）CS－SiO2系——包含一液相分层的低共熔型液相分层区：SiO274~99.4%，T1700°C。图222①2.2.1重要的二元熔渣系相平衡图图222②体系特点（续）一致熔融化合物C2S及CS的稳定程度是不同的。C2S比较稳定，熔化时只部分分解；CS在熔化时则几乎完全分解。一般而言，可根据化合物组成点处液相线的形状（平滑程度），近似推断熔融态内化合物的分解程度。若化合物组成点处的液相线出现尖峭高峰形，则该化合物非常稳定，甚至在熔融时也不分解；若化合物组成点处的液相线比较平滑，则该化合物熔融时会部分分解；化合物组成点处的液相线越平滑，该化合物熔融时的分解程度也越大。2.2.1重要的二元熔渣系相平衡图库尔纳柯夫规则(1)2.2.1重要的二元熔渣系相平衡图库尔纳柯夫规则(2)2.2.1重要的二元熔渣系相平衡图体系特点（续）图中水平线可分为五大类低共熔线：3条（2065°C，1455°C，1436°C）转熔线：1条（1475°C）偏晶线：l条（1700°C）固相分解线：2条（1250°C，1900°C）晶型转变线：6条（1470°C，1420°C，1210°C，870°C，725°C，575°C）图222③2.2.1重要的二元熔渣系相平衡图体系特点（续）各种钙硅酸盐的熔化温度都很高熔化温度不超过1600°C的体系只局限于含32~59%CaO范围内。超过50%CaO的体系，熔化温度急剧上升。高炉渣中CaO含量控制在35～50%之间；有色冶金炉渣CaO含量一般在15%以下。CaO的作用降低炉渣密度、减少重金属硫化物在炉渣中的溶解度→降低金属在炉渣中的损失。图222④2.2.1重要的二元熔渣系相平衡图二、Al2O3-SiO2二元系历史回顾莫来石3Al2O3·2SiO2（A3S2）是否一致熔融化合物?当试样中含有少量碱金属杂质，或相平衡实验是在非密闭条件下进行时，A3S2为不一致熔融化合物；当使用高纯试样并在密闭条件下进行实验时，A3S2为一致熔融化合物。莫来石是否形成固溶体?莫来石（A3S2）和刚玉（Al2O3）之间能够形成固溶体，固溶体的组成范围为71.8～77.5%Al2O3；常以化合物A3S2的组成点表示固溶体的组成。2.2.1重要的二元熔渣系相平衡图2.2.1重要的二元熔渣系相平衡图体系特点体系中生成一个一致熔融化合物——A3S2，具有确定的熔点（1850C）。A3S2将SiO2Al2O3二元系划分成两个子二元系——SiO2A3S2和A3S2Al2O3。SiO2A3S2子二元系：简单低共熔型，低共熔温度1595C。A3S2Al2O3子二元系：简单低共熔型，低共熔温度1840C。莫来石质（A3S2）及刚玉质（A12O3）耐火砖可作为性能优良的耐火材料。2.2.1重要的二元熔渣系相平衡图三、CaO-Al2O3二元系体系特点3个一致熔融化合物将体系分解为4个独立的二元系12CaO·7Al2O3（Cl2A7）或5CaO·3Al2O3（C5A3）CaO·Al2O3（CA）CaO·2Al2O3（CA2）2个不一致熔融化合物3CaO·Al2O3（C3A）CaO·6Al2O3（CA6）所有化合物的熔化温度普遍较高，体系的最低熔化温度为1395°C。在CaO含量为45~52%范围内，本体系能在1450~1550C温度范围内出现液相区配制的炉外合成渣常选择这一成分范围。2.2.1重要的二元熔渣系相平衡图2.2.1重要的二元熔渣系相平衡图2.2.1重要的二元熔渣系相平衡图四、FeO-SiO2二元系体系特点体系中有一个一致熔融化合物2FeO·SiO2（F2S，正硅酸铁或铁橄榄石），熔点1205°C。该化合物熔化时不稳定，分解为偏硅酸亚铁：2FeO·SiO2+SiO2=2(FeO·SiO2)△Hm＞0T1205°C时，反应向左进行。FeO·SiO2（FS）仅存在于熔体中，不会在熔度图中出现。2.2.1重要的二元熔渣系相平衡图返回①②③2.2.1重要的二元熔渣系相平衡图体系特点（续）F2S将FeOSiO2二元系分成SiO2F2S和F2SFeO两个分二元系。F2SFeO分二元系：简单低共熔型，低共熔温度1180C。SiO2F2S分二元系：靠近SiO2一侧，当温度高于1698C时，体系中出现一个很宽的液相分层区；此分二元系包含一个低共熔点（1175C）。体系中还存在一些高价铁的氧化物，如Fe2O3或Fe3O4。图225①2.2.1重要的二元熔渣系相平衡图附：Fe2O3含量的折算FeO为非定组成化合物，而是溶解有Fe3O4的固溶体，其中一部分Fe以Fe2O3形态存在；FeO的硅酸盐熔化后易分解：3FeO=Fe2O3+Fe，FeO容易氧化为Fe2O3；在大气压力下，沿液相线温度，相应组成的熔体中含有的Fe2O3由正硅酸铁（F2S）处的2.25%增高至纯FeO处的11.56%；在作该二元系状态图时，须将Fe2O3折算为FeO：∑(%FeO)=%FeO+y(%Fe2O3)%FeO——体系中FeO（Fe2+）的化学分析数据（重量百分数）；%Fe2O3——体系中Fe2O3（Fe3+）的化学分析数据（重量百分数）；y——折算系数。图225②2.2.1重要的二元熔渣系相平衡图全氧折合法3FeO＝Fe2O3+Fey全氧＝215.55/159.7=1.35全铁折合法2FeO＋(1/2)O2＝Fe2O3y全铁＝143.7/159.7=0.9通常采用全铁折合法在相平衡实验中或取样分析过程中，试样（特别是表面层）中的低价铁很可能部分地被空气氧化为高价铁。2.2.1重要的二元熔渣系相平衡图体系特点（续）当SiO2含量为30%左右时，亚铁硅酸盐炉渣的熔化温度约为1200°C。理论上，这样的熔化温度符合有色金属矿物的造流熔炼及还原熔炼的要求。实际选用的炉渣中，FeO含量不宜过高。这种熔渣的比重大，不利于渣–锍或渣–金属的分离。随FeO含量增加，重金属硫化物在渣中的溶解度（损失）增大。用高铁质碱性炉渣进行还原熔炼时，FeO也可能部分地被还原为金属铁，可能造成炉缸积铁。加入CaO，改善炉渣的性能。图225③2.2.1重要的二元熔渣系相平衡图五、CaO-FeO二元系体系特点此体系不是一个真正的二元系，而是与金属铁平衡的CaOFeOFe2O3三元系相图在CaOFeO边的投影。体系中有一个不一致熔融化合物2CaO·Fe2O3，分解温度1133C。2CaO·Fe2O3与FexO形成低共熔体，低共熔温度1125C。2.2.1重要的二元熔渣系相平衡图2.2.1重要的二元熔渣系相平衡图六、CaO-Fe2O3二元系体系特点两性氧化物Fe2O3与CaO形成一个一致熔融化合物：2CaO·Fe2O3（C2F），熔点1449C。2个不一致熔融化合物：CaO·Fe2O3（CF）和CaO·2Fe2O3（CF2）CaO·Fe2O3：分解温度1218C；CaO·2Fe2O3仅在1150~1240C范围内稳定存在。CF和CF2的熔化温度均在1440C以下Fe2O3是石灰（CaO）的有效助熔剂。2.2.1重要的二元熔渣系相平衡图2.2.1重要的二元熔渣系相平衡图1、CaO-Al2O3-SiO2三元系的应用冶金炉渣如高炉炼铁炉渣、铸钢保护渣、炉外精炼渣、锡电炉炉渣、氧化铝生产熟料硅酸盐领域如耐火材料、玻璃、水泥、陶瓷……2.2.2CaO-Al2O3-SiO2三元系相平衡图2.2.1重要的二元熔渣系相平衡图1—硅酸盐水泥2—高炉渣3—玻璃，4—耐火材料5—陶瓷6—高铝砖、莫来石、刚玉图228CaOAl2O3SiO2体系中各种材料的组成范围2.2.1重要的二元熔渣系相平衡图该体系有10个二元化合物和2个三元化合物。共有15个组元及与之相应的15个初晶区。可划分为15个子三角形，对应15个无变点。其中8个低共熔点8个独立三角形；7个转熔点无对应的独立三角形。23条二元低共熔线，5条二元转熔线。8个二元低共熔点，5个二元转熔点。2、CaO-Al2O3-SiO2三元系相图及其特点2.2.1重要的二元熔渣系相平衡图返回①②③④⑤⑥2.2.1重要的二元熔渣系相平衡图在靠近纯SiO2附近有一个不大的液相分层区。当Al2O3含量达到3％时，液相分层区消失。SiO2初晶区内，有一条1470C的方石英与鳞石英之间的晶型转变线。组成位于以三元低共熔点1和2（1170C和1310C）为中心的周围区域中的炉渣体系具有较低的熔化温度。高炉渣的组成通常位于此区域内。体系特点（续）图229①2.2.1重要的二元熔渣系相平衡图化合物熔点或分解温度/C化合物熔点或分解温度/C钙长石CAS21553莫来石A3S21850铝方柱石C2AS1593铝酸三钙C3A1535(分解)硅灰石CS1544C12A71455硅钙石C3S21475(分解)铝酸钙CA1605硅酸二钙C2S2130二铝酸钙CA21750硅酸三钙C3S1900(分解)六铝酸钙CA61830(分解)表21CaOAl2O3SiO2系中的化合物图229②2.2.1重要的二元熔渣系相平衡图无变点对应子三角形性质相平衡关系温度/C1S-CSCAS2低共熔L=CAS2+S+-CS11702CAS2C2AS-CS低共熔L=CAS2+C2AS+-CS13103C2ASC3S2-CS低共熔L=C2AS+C3S2+-CS13804C3S2C2ASC2S转熔L+C2S=C3S2+C2AS13155C2SC2ASCA转熔L+C2AS=C2S+CA13806C2SCAC12A7低共熔L=C2S+CA+C12A713357C2SC3AC12A7低共熔L=C2S+C3A+C12A713358C3SC2SC3A转熔L+C3S=C2S+C3A14559CC3SC3A转熔L+C=C3SC3A147010C2ASCACA2低共熔L=C2AS+CS+CA2150511C2ASCA2CA6转熔L+CA2=C2AS+CA6147512CAS2C2ASCA6低共熔L=CAS2+C2AS+CA6138013ACAS2CA6转熔L+A=CAS2+CA6149514ACAS2A3S2转熔L+A=CAS2+A3S2151215SCAS2A3S2低共熔L=CAS2+A3S2+S1345表22CaOAl2O3SiO2系中的无变点图229③2.2.1重要的二元熔渣系相平衡图3、CaO-Al2O3-SiO2三元系的等温截面图图229④2.2.1重要的二元熔渣系相平衡图图229⑤2.2.1重要的二元熔渣系相平衡图图229⑥2.2.1重要的二元熔渣系相平衡图1、CaO