【正文】 4 冶金爐渣Hebei Polytechnic UniversitySchool of Metallurgy and Energy 爐渣是以氧化物為主要成分的多組元熔體，是金屬提煉和精煉過(guò)程中除金屬熔體之外的另一產(chǎn)物。冶金爐渣還原渣氧化渣富集渣合成渣 能夠從與之接觸的金屬液中吸收 [O]，以氧化物的形式進(jìn)入的熔渣；還原渣 例如：高爐渣， FeO含量 2%FeO=Fe+[O]還原渣 氧化渣反應(yīng)向右反應(yīng)向左 能夠向與之接觸的金屬液供應(yīng) [O]的熔渣 ；氧化渣 例如：轉(zhuǎn)爐渣， FeO含量 20% 將原料中的有用成分富集于爐渣中，以利于下道工序回收的爐渣，稱(chēng)為富集渣；富集渣 例如：釩渣、鈮渣。 按爐渣所起的冶金作用，而采用各種造渣材料預(yù)先配制的爐渣，稱(chēng)為合成渣；合成渣 例如：電渣重熔用渣、 LF精煉渣、中間包保護(hù)渣、結(jié)晶器保護(hù)渣等。 分離或吸收雜質(zhì)； 富集有用金屬氧化物； 精煉金屬； 防止污染 減少熱損失等。冶 金 爐 渣 的 作 用 爐渣作用都是靠控制爐渣的化學(xué)成分、溫度及其所具有的物理化學(xué)性質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 爐渣作用都是靠控制爐渣的化學(xué)成分、溫度及其所具有的物理化學(xué)性質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。吹煉前期 快速化渣 熔渣溫度熔渣溶化性溫度調(diào)整熔渣成分（ FeO）含量吹煉中期 脫碳 (FeO)大量消耗熔渣溶化性溫度升高爐渣 “返干 ” 由此可見(jiàn)，熔渣的組成（組分的濃度）、溫度變化，熔渣的物相就會(huì)發(fā)生變化（ S→L 、 L→S的轉(zhuǎn)變），熟練了解和掌握這些過(guò)程的變化規(guī)律是冶金工作者的基本技能。 要掌握這些物相轉(zhuǎn)變的規(guī)律需要對(duì)相圖有深刻的理解。內(nèi)容大綱 二元系相圖 三元系相圖 熔渣的結(jié)構(gòu)理論 熔渣的離子溶液結(jié)構(gòu)模型 熔渣的活度曲線(xiàn) 熔渣的化學(xué)性質(zhì) 熔渣的物理性質(zhì)Hebei Polytechnic University內(nèi)容大綱 二元系相圖 三元系相圖 熔渣的結(jié)構(gòu)理論 熔渣的離子溶液結(jié)構(gòu)模型 熔渣的活度曲線(xiàn) 熔渣的化學(xué)性質(zhì) 熔渣的物理性質(zhì)Hebei Polytechnic University 二元系相圖 二元系相圖的基本知識(shí) 對(duì)于凝聚相體系，相圖是表示組分的組成和溫度之間的相平衡關(guān)系。 嚴(yán)格地說(shuō)，相圖是能夠反映出一個(gè)多相體系中，組分的組成、體系的溫度和壓力不同的條件下，該體系達(dá)到平衡時(shí)所處的狀態(tài)。也就是說(shuō)相圖能夠反映出該體系在平衡狀態(tài)下的相態(tài)（即反映出該體系內(nèi)有哪些相，每個(gè)相的組成以及各相之間的相對(duì)數(shù)量等等），這種幾何圖形稱(chēng)為相圖，也稱(chēng)狀態(tài)圖或平衡圖。相圖的定義 二元系相圖 二元系相圖的基本知識(shí) 相圖中的點(diǎn)、線(xiàn)、面、體都代表著不同溫度和壓力下平衡體系中的各個(gè)相、相組成和各相之間相互轉(zhuǎn)變的關(guān)系。相圖三大定律吉布斯相律連續(xù)原理相應(yīng)原理 二元系相圖 二元系相圖的基本知識(shí) 吉布斯相律 表達(dá)了平衡體系中可以平衡共存的相數(shù)、獨(dú)立組元數(shù)以及可以人為指定的獨(dú)立變數(shù)的數(shù)目與體系自由度之間的關(guān)系 ：式中， f—— 自由度數(shù)； C—— 獨(dú)立組分?jǐn)?shù)（獨(dú)立組元數(shù)）； Φ —— 平衡共存相的數(shù)目（相數(shù)）； 2—— 表示影響體系平衡狀態(tài)的外界因素，只考慮溫度和壓力。 二元系相圖 二元系相圖的基本知識(shí) 吉布斯相律 這里 2只考慮了溫度和壓力，其它因素如電場(chǎng)、磁場(chǎng)、重力場(chǎng)等對(duì)體系平衡的影響沒(méi)有考慮。如果忽略壓力對(duì)相平衡體系的影響，則可以得到冶金體系常用的減相律形式： 1） C— 獨(dú)立組元數(shù) 二元系相圖 二元系相圖的基本知識(shí) 吉布斯相律 物種 ：體系中每一個(gè)能單獨(dú)分離出來(lái)并獨(dú)立存在的化學(xué)均勻物質(zhì)。 決定一個(gè)相平衡體系的成分必須的 最少物種數(shù)稱(chēng)為 獨(dú)立組元數(shù) 。 獨(dú)立組元也稱(chēng)為 組元或組分 （ 1）體系中不發(fā)生化學(xué)反應(yīng) 二元系相圖 二元系相圖的基本知識(shí) 吉布斯相律 獨(dú)立組元數(shù)的確定獨(dú)立組元數(shù) = 物種數(shù) 例如： 鹽水中的 NaCl和 H2O不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，所以物種數(shù)為 2，該體系的獨(dú)立組元數(shù)也是 2； 白糖和砂子混在一起也不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，故該體系的物種數(shù)和獨(dú)立組元數(shù)也都是 2。（ 2）體系存在化學(xué)反應(yīng)例如 ： CaCO3加熱分解存在下列反應(yīng)： CaCO3=CaO+CO2 獨(dú)立組元數(shù) C=31=2 二元系相圖 二元系相圖的基本知識(shí) 吉布斯相律 獨(dú)立組元數(shù)的確定獨(dú)立組元數(shù)＝物種數(shù) 獨(dú)立化學(xué)平衡關(guān)系式數(shù) （ 3）同一相內(nèi)存在一定的濃度關(guān)系例如 ： 氧化汞分解反應(yīng)： 2HgO(s)=2Hg(g)+O2(g) 達(dá)到平衡時(shí) Hg和 O2存在濃度關(guān)系，因此： 獨(dú)立組元數(shù) C=311=1 二元系相圖 二元系相圖的基本知識(shí) 吉布斯相律 獨(dú)立組元數(shù)的確定獨(dú)立組元數(shù)＝物種數(shù) 獨(dú)立化學(xué)平衡關(guān)系式數(shù) 獨(dú)立濃度關(guān)系數(shù) 二元系相圖的基本知識(shí) 吉布斯相律 2） φ — 相體系中具有相同物理和化學(xué)性質(zhì)的均勻部分的總和。相的概念 相與相之間有界面，并可用機(jī)械方法把它們分開(kāi)，越過(guò)界面時(shí)性質(zhì)就發(fā)生突變。相與物質(zhì)的數(shù)量多少無(wú)關(guān)，也與物質(zhì)是否連續(xù)無(wú)關(guān)。 二元系相圖的基本知識(shí) 吉布斯相律 2） φ — 相（ 1）一個(gè)相可以由幾種物質(zhì)組成 例如 ，氣相一般可由多種物質(zhì)組成，空氣就是由氧、氮、二氧化碳等氣體組成的一個(gè)相；焦?fàn)t煤氣為 H CO、 H2O等氣體組成的混合物，相的特征注意 ：不相溶物質(zhì)組成的液體則不是一個(gè)相 例如 ，油與水互不相溶，混合在一起為兩相。 二元系相圖的基本知識(shí) 吉布斯相律 2） φ — 相（ 2）一種物質(zhì)可以有幾個(gè)相 例如 ， H2O可以有固相冰、液相水和氣相水蒸氣等不同的相； 固態(tài)鐵在不同溫度下也能形成不同的晶型，包括 αFe、 γFe和 δFe，其中 γFe為面心立方， αFe和 δFe為體心立方。相的特征 二元系相圖的基本知識(shí) 吉布斯相律 2） φ — 相（ 3）固體機(jī)械混合物中，有幾種物質(zhì)就有幾個(gè)相 例如 ， 粗銻白粉中的 Sb2O As2O PbO雖顆粒很細(xì)，混合得也很均勻，但仍然是不同的相； 白糖和砂子混合在一起，仍然是兩個(gè)相。相的特征 二元系相圖的基本知識(shí) 吉布斯相律 2） φ — 相（ 4）一個(gè)相可以連續(xù)成一個(gè)整體，也可以不連續(xù) 例如 ，水中的許多冰塊，所有冰塊的總和仍為一個(gè)相（固相），而水又為另一個(gè)相（液相）。相的特征 二元系相圖的基本知識(shí) 吉布斯相律 3） f— 自由度 在一定條件下，一個(gè)處于平衡的體系所具有的獨(dú)立變量數(shù)目稱(chēng)為自由度。 自由度 這些獨(dú)立變數(shù)在一定范圍內(nèi)可以任意和獨(dú)立地改變，而不會(huì)影響體系中共存相的數(shù)目和相的形態(tài)，即不會(huì)引起原有相的消失或新相的產(chǎn)生。這些變數(shù)主要指組成（即濃度）、溫度和壓力等。 二元系相圖的基本知識(shí) 吉布斯相律 3） f— 自由度 自由度 對(duì)單元系而言，如果只有一相存在，則自由度為 2，故在平面圖上可用一個(gè)區(qū)域表示；如果兩相共存，則自由度為 1，在平面圖上便是一根曲線(xiàn)表示；如果三相共存，則自由度為零，即只能在一定的溫度和壓力下才能實(shí)現(xiàn)，在相圖上僅有一個(gè)點(diǎn)。 二元系相圖的基本知識(shí) 吉布斯相律 3） f— 自由度 水的相圖 作為單元系，水最多可能有兩個(gè)自由度。 f=2時(shí)處于液相、固相和氣相區(qū)。 f=1時(shí)處于 sl、 sg和 lg線(xiàn)上。 f=0時(shí)為 0點(diǎn)。 二元系相圖的基本知識(shí) 吉布斯相律 3） f— 自由度 對(duì)于二元系，最多可能有三個(gè)自由度，除了溫度、壓力外，還有組元的相對(duì)含量（濃度）。要全面表示體系的可能情況，需要用三維的立體相圖， 對(duì)于凝聚體系，壓力的若干變化不會(huì)對(duì)相圖的形狀發(fā)生顯著的影響，所以可用恒壓截面圖表示在一般壓力下的相圖，如金屬和合金相圖、硅酸鹽相圖、熔鹽相圖等等，都只以組成和溫度作為獨(dú)立變量。 二元系相圖的基本知識(shí) 吉布斯相律 3） f— 自由度 簡(jiǎn)單的二元相圖，橫坐標(biāo)表示組元濃度，縱坐標(biāo)表示體系的溫度。 二元系相圖的基本知識(shí) 連續(xù)原理 當(dāng)決定體系狀態(tài)的那些參數(shù)連續(xù)發(fā)生變化時(shí)，在新相不出現(xiàn)、舊相不消失的情況下，體系中各相的性質(zhì)以及整個(gè)體系的性質(zhì)也連續(xù)變化 —— 這時(shí)自由度不會(huì)發(fā)生變化。 連續(xù)原理 二元系相圖的基本知識(shí) 連續(xù)原理 在液相區(qū)，降低體系的溫度，溶液的黏度會(huì)發(fā)生變化：溫度由 T1→T 2，溶液的黏度由 η 1→η 2，這里黏度的變化會(huì)隨著溫度的變化而連續(xù)變化，這里應(yīng)是黏度的量變過(guò)程。 二元系相圖的基本知識(shí) 連續(xù)原理 如果體系的組元數(shù)不變，而相數(shù)發(fā)生變化，則自由度發(fā)生變化，體系各相的性質(zhì)以及整個(gè)體系的性質(zhì)都要發(fā)生躍變，這種躍變實(shí)際是一種質(zhì)變過(guò)程。 二元系相圖的基本知識(shí) 相應(yīng)原理 給定的一個(gè)熱力學(xué)體系，任一互成平衡的相或相組（體系點(diǎn)和組分點(diǎn)）在相圖中都有一定的幾何元素（點(diǎn)、線(xiàn)、面、體）與之對(duì)應(yīng)。相應(yīng)原理 二元系相圖的基本知識(shí) 二元相圖的繪制 具體方法 ： 用組分 A和組分 B配制成分不同的樣品（由純 A到純 B）放在特制的容器中，加熱、熔化，然后冷卻，記錄樣品的冷卻曲線(xiàn)。二元系相圖是通過(guò) 冷卻曲線(xiàn) （或加熱曲線(xiàn)）繪制的冷卻曲線(xiàn) —— 即樣品溫度隨時(shí)間變化的曲線(xiàn)。 二元系相圖的基本知識(shí) 二元相圖的繪制 二元系相圖的基本知識(shí) 二元相圖的繪制 由于實(shí)際的二元系混合體系可能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成多種化合物，隨著溫度的變化，化合物的晶型結(jié)構(gòu)也會(huì)發(fā)生變化，因此實(shí)際的二元相圖讀取是非常復(fù)雜的過(guò)程，只有掌握了簡(jiǎn)單二元系相圖的讀取，才能進(jìn)行復(fù)雜二元系的讀取。 二元系相圖的基本知識(shí) 二元相圖的繪制 簡(jiǎn)單二元系相圖應(yīng)掌握的內(nèi)容（ 2）分析不同體系點(diǎn)的冷卻過(guò)程：分析體系點(diǎn)不同溫度下存在哪些相（落在哪個(gè)相區(qū)，就存在哪些相）、每個(gè)相的組成如何（確定液相點(diǎn)和固相點(diǎn)）、每個(gè)相的相對(duì)數(shù)量如何（利用杠桿規(guī)則確定）。（ 1）利用相圖可以繪制不同體系點(diǎn)的冷卻曲線(xiàn)； 內(nèi)容大綱 二元系相圖的基本知識(shí) 簡(jiǎn)單低共熔型二元系相圖 含有中間化合物的二元系相圖 含固溶體的二元系相圖 冶金過(guò)程中主要的二元渣系相圖Hebei Polytechnic University 二元系相圖 簡(jiǎn)單低共熔型二元系相圖 體系的兩個(gè)組分在 液態(tài)下完全互溶，固態(tài)下完全不互溶 ，即體系中只能出現(xiàn)一種液體（兩個(gè)組分的液態(tài)混合物）和兩種固相。特 征 二元系相圖 簡(jiǎn)單低共熔型二元系相圖 簡(jiǎn)單低共熔二元系由四個(gè)面、三條線(xiàn)和一個(gè)共晶點(diǎn)組成。 簡(jiǎn)單低共熔型二元系相圖 二元系相圖 簡(jiǎn)單低共熔型二元系相圖冷卻過(guò)程分析 二元系相圖 簡(jiǎn)單低共熔型二元系相圖杠桿規(guī)則 體系冷卻到 H 點(diǎn)時(shí)體系液相和固相的質(zhì)量關(guān)系： 體系冷卻到二元共晶溫度的瞬間，即剛剛到達(dá) R 點(diǎn)時(shí)： 二元系相圖 簡(jiǎn)單低共熔型二元系相圖杠桿規(guī)則的作用 知道熔體最初的總質(zhì)量，我們就可以分別求出冷卻過(guò)程中不同溫度時(shí)固相和液相的質(zhì)量。 內(nèi)容大綱 二元系相圖的基本知識(shí) 簡(jiǎn)單低共熔型二元系相圖 含有中間化合物的二元系相圖 含固溶體的二元系相圖 冶金過(guò)程中主要的二元渣系相圖Hebei Polytechnic University 二元系相圖 含有中間化合物的二元系相圖特 征 只有一個(gè)中間化合物，而且 沒(méi)有固熔體生成（或固態(tài)完全不互溶），液態(tài)完全互溶 的簡(jiǎn)單的二元系相圖。 二元系相圖 含有中間化合物的二元系相圖 同成分熔化化合物 ：化合物在熔化時(shí)生成的液相組成與化合物的組成相同。 異成分熔化化合物 ：化合物在熔化時(shí)分解為液相和另一組成與原化合物不同的固相。 化合物的種類(lèi) 二元系相圖 含有中間化合物的二元系相圖含有中間化合