第四章 冶金熔体.

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1、14.1 概介4.2 金属熔体4.3 熔渣4.4 冶金熔体的物理化学性质4.5 熔体的化学性质2u冶金熔体的物理化学性质及其应用；u熔体结构与物理化学性质的关系，熔体物理化学性质的控制；u建立冶金熔体相关物理化学性质的量化概念；u冶金熔体组元的活度计算问题；3许多高温冶金过程都是在熔融的反应介质中进行的 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 4.14.1概介概介4金属熔体 熔渣 熔盐 非金属熔体 熔锍 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根据组成熔体的主要成分的不同5金属

2、熔体液态的金属和合金 例如铁水、钢水、粗铜、铝液等 金属熔体不仅是火法冶金过程的主要产品，而且也是冶炼过程中多相反应的直接参加者。 炼钢中的许多物理过程和化学反应都是在钢液与熔渣之间进行的。 金属熔体的物理化学性质对冶炼过程的热力学和动力学都有很重要的影响。 4.2 金属熔体 6金属的熔化潜热仅为汽化潜热的 3%8%，对于纯铁，熔化潜热为15.2 kJmol-1，汽化潜热是 340.2 kJmol-1金属熔化时，熵值的变化也不大，约为510 Jmol-1K-1熔化时金属中原子分布的无序度改变很小。熔化时大多数金属的体积仅增加 2.5%5%，相当于原子间距增加 0.8%1.6% 在液态和固态下原

3、子分布大体相同，原子间结合力相近。 金属液、固态的比热容差别一般在10%以下，而液、气态比热容相差为20%50%。4.2.1 金属熔体的结构 基本事实基本事实 I I71、在熔点附近液态金属和固态金属具有相同的结合键和近似的原子间结合力；2、原子的热运动特性大致相同，原子在大部分时间仍是在其平衡位（结点）附近振动，只有少数原子从一平衡位向另一平衡位以跳跃方式移动。结论：8基本事实基本事实 液态金属中原子之间的平均间距比固态中原子间距略大，而配位数略小，通常在 8l0 范围内熔化时形成空隙使自由体积略有增加，固体中的远距有序排列在熔融状态下会消失而成为近距有序排列91、金属熔体在过热度不高的温度

4、下具有准晶态的结构；2、熔体中接近中心原子处原子基本上呈有序的分布，与晶体中的相同（保持了近程序）；3、在稍远处原子的分布几乎是无序的（远程序消失）。结论：10模型 I 接近熔点时，液态金属中部分原子的排列方式与固态金属相似，它们构成了许多晶态小集团。 这些小集团并不稳定，随着时间延续，不断分裂消失，又不断在新的位置形成。 这些小集团之间存在着广泛的原子紊乱排列区。u 模型I 突出了液态金属原子存在局部排列的规则性液态金属结构模型 模型II 液态金属中的原子相当于紊乱的密集球堆，这里既没有晶态区，也没有能容纳其他原子的空洞。 在紊乱密集的球堆中，有着被称为“伪晶核”的高致密区。 u 模型II

5、突出了液态金属原子的随机密堆性。 11液态金属的结构起伏 液态金属中的“晶态小集团”或 “伪晶核”都在不停地变化，它们的大小不等，时而产生又时而消失，此起彼伏。 结构起伏的尺寸大小与温度有关。温度愈低，结构起伏的尺寸愈大。124.2.2金属熔体的物理化学性质金属熔体的物理化学性质和其基本结构有关。熔体物理化学性质直接影响到金属和熔渣的分离、化学反应等过程。金属熔体的物理化学性质包括密度、黏度、扩散系数密度、黏度、扩散系数、熔点、表面张力、蒸汽压、电阻率、熔点、表面张力、蒸汽压、电阻率等。对熔渣而言，也有对应的物理化学性质，为便于学习，将金属和熔渣的物理化学性质合并在一起介绍，详见4.3。13

6、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，由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（如CaF2）、氯化物（如NaCl）、硫化 物（如CaS、MnS） 、硫酸盐等 4.3 熔 渣 一、什么是熔渣14矿石或精矿中的脉石为满足冶炼过程需要而加入的熔剂 冶炼过程中金属或化合物（如硫化物）的氧化产物 造锍熔炼被熔融金属或熔渣侵蚀和冲刷下来的炉衬材料4.3、熔渣组分的来源 如高炉冶炼：Al2O3、CaO、SiO2等 如CaO、SiO2、CaF2等改

7、善熔渣的物理化学性能如炼钢：FeO、Fe2O3、MnO、TiO2、P2O5等 FeO、Fe3O4等材料 如碱性炉渣炼钢时，MgO主要来自镁砂炉衬15二、常见冶金炉渣的组成4-1161、冶炼渣（熔炼渣）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生成的主要作用：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，从而使其与熔融的主要冶炼产物（金属、熔锍等）分离。 高炉炼铁中，铁矿石中的大量脉石成分与燃料（焦炭）中的灰份以及添加的熔剂（石灰石、白云石、硅石等）反应，形成炉渣，从而与金 属铁分离。四、熔渣的主要作用与分类 l 不同的熔渣所起的作用是 不一样的l 根据

8、熔渣在冶炼过程中的 作用，可将其分成四类： 172.精炼渣（氧化渣）：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，在冶炼生铁或废钢时，原料中杂质元素的氧化产物与加入的造渣熔剂融合成CaO和FeO含量较高的炉渣，从而除去钢液中的硫、磷等有害杂质，同时吸收钢液中的非金属夹杂物。 3.富集渣 ：是某些熔炼过程的产物。 主要作用：使原料中的某些有用成分富集于炉渣中，以便在后续工序中将它们回收利用。 钛铁矿常先在电炉中经还原熔炼得到所谓的高钛渣，再从高钛渣进一步提取金属钛。 对于铜、铅、砷等杂质含量很高的锡矿，一般先进行造渣熔炼，使绝大部分锡（90%）进

9、入渣中，而只产出少量集中了大部分杂质的金属锡，然后再冶炼含锡渣提取金属锡。 造锍熔炼中，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。 184、合成渣 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。 如电渣重熔用渣、铸钢用保护渣、钢液炉外精炼用渣等。 这些炉渣所起的冶金作用差别很大。 电渣重熔渣一方面作为发热体，为精炼提供所需要的热量；另一方面还能脱出金属液中的杂质、吸收非金属夹杂物。 保护渣的主要作用是减少熔融金属液面与大气的接触、防止其二次氧化，减少金属液面的热损失。19五、熔渣的其它作用 作为金属液滴或

10、锍的液滴汇集、长大和沉降的介质。在竖炉（如鼓风炉）冶炼过程中，炉渣的化学组成直接决定了炉缸的最高温度。对于低熔点渣型，燃料消耗量的增加，只能加大炉料的熔化量而不能进一步提高炉子的最高温度。 在许多金属硫化矿物的烧结焙烧过程中，熔渣是一种粘合剂。烧结时，熔化温度较低的炉渣将细粒炉料粘结起来，冷却后形成了具有一定强度的烧结块或烧结球团。 在金属和合金的精炼时，熔渣覆盖在金属熔体表面，可以防止金属熔体被氧化性气体氧化，减小有害气体（如H2、N2）在金属熔体中的溶解 20六、熔渣的副作用 u总之，不同的熔渣所起的作用是不一样的，但利弊共存。1、熔渣对炉衬的化学侵蚀和机械冲刷大大缩短了炉子的使用寿命 3

11、、渣中含有各种有价金属降低了金属的直收率 2、炉渣带走了大量热量大大地增加了燃料消耗 211、分子结构理论是最早出现的关于熔渣结构的理论。2、分子理论是基于对固态炉渣结构的研究结果。 3、分子结构理论在熔渣结构的研究中已很少应用。 4、在冶金生产实践中仍常用分子结构理论来讨论和分析冶金现象。 4.3 .2 熔渣的结构 一、 分子结构理论221、分子理论的基本观点熔渣是由电中性的分子组成的。有的是简单氧化物（或称自由氧化物），如：CaO、 MgO、 FeO、 MnO、 SiO2、Al2O3等有的是由碱性氧化物和酸性氧化物结合形成的复杂化合物（或称结合氧化物），如：2CaOSiO2， CaOSiO