【正文】 有色冶金原理 馬良 第一 章 冶金 爐渣 、三元狀態(tài)圖 爐渣，熔化后稱(chēng)為熔渣，是火法冶金的一種產(chǎn)物，其 組成 主要來(lái)自礦石，熔劑和燃料灰份中的造渣成份。 不同的熔渣所起的作用是不一樣的，根據(jù)熔渣在冶煉 過(guò)程中的作用，可將其分成 冶煉渣 、 精煉渣 、富集渣和 合 成渣 四類(lèi)。 ?冶煉渣 (熔煉渣 ) ? 是在以礦石或精礦為原料、以粗金屬或熔流為冶煉產(chǎn)物的熔煉過(guò)程 中生成的。 ? 主要作用 —匯集爐料 (礦石或精礦、燃料、熔劑等 )中的全部脈石 成分、灰分以及大部分雜質(zhì)，從而使其與熔融的主要冶煉產(chǎn)物 (金屬、熔锍等 )分離。 ? 例如，高爐煉鐵中，鐵礦石中的大量脈石成分與燃料 (焦炭 )中的灰份以及添加的熔劑 (石灰石、白云石、硅石等 )反應(yīng)，形成爐渣，從而與金屬鐵分離。 ? 造锍熔煉中，銅、鎳的硫化物與爐料中鐵的的硫化物熔融在一起，形成熔锍；鐵的氧化物則與造渣熔劑 SiO2及其他脈石成分形成熔渣。 精煉渣 (氧化渣 ) ?是粗金屬精煉過(guò)程的產(chǎn)物。 ?主要作用 —捕集粗金屬中雜質(zhì)元素的氧化產(chǎn)物，使之與主金屬分離。 ?例如，在冶煉生鐵或廢鋼時(shí)，原料中雜質(zhì)元素的氧化產(chǎn)物與加入的造渣熔劑融合成 CaO和 FeO含量較高的爐渣 ，從而除去鋼液中的硫、磷等有害雜質(zhì)，同時(shí)吸收鋼液中的非金屬夾雜物。 富集渣 ?是某些熔煉過(guò)程的產(chǎn)物。 ?主要作用 —使原料中的某些有用成分富集于爐渣中，以便在后續(xù)工序中將它們回收利用。 ?例如，鈦鐵礦常先在電爐中經(jīng)還原熔煉得到所謂的高鈦渣，再?gòu)母哜佋M(jìn)一步提取金屬鈦。 對(duì)于 銅、鉛、砷等雜質(zhì)含量很高的錫礦，一般先進(jìn)行造渣熔煉 ，使 絕大部分錫（ 90%）進(jìn)入渣中，而只產(chǎn)出少量集中了大部分雜質(zhì) 的金屬 錫，然后再冶煉含錫渣提取金屬錫。 合成渣 ?是指由為達(dá)到一定的冶煉目的、按一定成分預(yù)先配制的渣料熔合而成的爐渣。 ?如電渣重熔用渣、鑄鋼用保護(hù)渣、鋼液爐外精煉用渣等。 ?這些爐渣所起的冶金作用差別很大。 ?例如，電渣重熔渣一方面作為發(fā)熱體，為精煉提供所需要的熱量；另一方面還能脫出金屬液中的雜質(zhì)、吸收非金屬夾雜物。 ?保護(hù)渣的主要作用是減少熔融金屬液面與大氣的接觸、防止其二次氧化，減少金屬液面的熱損失。 熔渣的其它作用 ? 作為金屬液滴或梳的 液滴匯集、長(zhǎng)大和沉降的 介質(zhì) 冶煉 中生成的金屬液滴或流的液滴最初是分散在熔渣中的， 這些分散 的微小液滴的匯集、長(zhǎng)大和沉降都是在熔渣中進(jìn)行的。 ? 在豎爐 (如鼓風(fēng)爐 )冶煉過(guò)程中，爐渣的化學(xué)組成直接決定了爐缸的 最高溫度 。對(duì)于 低熔點(diǎn)渣型，燃料消耗量的增加，只能加大爐料的熔化量 而不能 進(jìn)一步提高爐子的最高溫度。 ? 在許多金屬硫化礦物的燒結(jié)焙燒過(guò)程中，熔渣是一種 粘合劑 。 燒結(jié)時(shí)，熔化溫度較低的爐渣將細(xì)粒爐料粘結(jié)起來(lái)，冷卻后形成 了具有一定強(qiáng)度的燒結(jié)塊或燒結(jié)球團(tuán)。 ? 在金屬和合金的精煉時(shí)，熔渣覆蓋在金屬熔體表面，可以防止金屬熔體被氧化性氣體 氧化 ，減小有害氣體 (如 H N2)在金屬熔體中的 溶解 。 熔渣的副作用 ?熔渣對(duì)爐襯的化學(xué)侵蝕和機(jī)械沖刷 →大大縮短了爐子的使用壽命 ?爐渣帶走了大量熱量 →大大地增加了燃料消耗 ?渣中含有各種有價(jià)金屬 →降低了金屬的直收率 爐渣的組成 ? 熔渣 主要由冶金原料中的氧化物或冶金過(guò)程中生成的氧化物組成的熔體。 如 CaO、 FeO、 MnO、 MgO、 Al2O SiO P2O Fe2O3 ? 除氧化物外，爐渣還可能含有少量其它類(lèi)型的化合物甚至金屬 如氟化物、氯化物、硫化物、硫酸鹽等 ? 冶金爐渣通常由五、六種或更多的氧化物組成。 ? 爐渣常含有其他化合物，如氟化物、硫化物等。 ? 爐渣中含量最多的氧化物通常只有三種，其總含量可達(dá) 80%以上。 ? 大多數(shù)有色冶金爐渣和鋼渣的主要氧化物是 : FeO、 CaO、 SiO2 ? 高爐渣和某些有色冶金爐渣的主要氧化物為 : CaO、 Al2O SiO2 常見(jiàn)冶金爐渣的組成 熔渣組分的來(lái)源 ? 礦石或精礦中的脈石 如高爐冶煉： Al2O CaO、 SiO2等 ? 為滿足冶煉過(guò)程需要而加入的熔劑 如 CaO、 SiO CaF2等 ——改善熔渣的物理化學(xué)性能 ? 冶煉過(guò)程中金屬或化合物 (如硫化物 )的氧化產(chǎn)物 如煉鋼： FeO、 Fe2O MnO、 TiO P2O5等 造锍熔煉： FeO、 Fe3O4等。 ? 被熔融金屬或熔渣侵蝕和沖刷下來(lái)的爐襯材料 如堿性爐渣煉鋼時(shí)， MgO主要來(lái)自鎂砂爐襯 爐渣氧化物 組成爐渣的氧化物可分為三類(lèi) : ? 堿性氧化物：能提供氧離子 O2，如 CaO、 MnO、 FeO、 MgO等。 ? 酸性氧化物：能吸收氧離子而形成絡(luò)合陰離子， 如 SiO P2O5 ? 兩性氧化物：酸性氧化物過(guò)剩時(shí)可供給氧離子而呈堿 性，而在堿性氧化物過(guò)剩時(shí)，則又會(huì)吸收氧離子形成 絡(luò)合陰離子而呈酸性。如 Al2O ZnO等。 硅酸度的概念和計(jì)算 在有色冶金中，習(xí)慣上用酸度（或硅酸度）表示 爐渣的酸堿性。它指爐渣中所有酸性氧化物中氧的質(zhì) 量之和與堿性氧化物中氧的質(zhì)量之和之比。用 r表示。 一般來(lái)說(shuō)，酸度小于或等于 1的渣屬于堿性渣； 反之，屬于酸性渣。 ? ?? ????堿性氧化物酸性氧化物oowwr例：計(jì)算成分為： CaO 10%、 FeO 40%、 SiO2 36%、 ZnO 8% 的爐渣的硅酸度 。 注意：此渣的 SiO2 含量較高，故其中的兩性氧化物可視為堿性氧化物。 ?????? ??r、三元狀態(tài)圖 重要的二元熔渣系相平衡圖 一、 AI2O3—S iO2 二元系 二、 CaO—SiO2 二元系 三、 CaO—AI2O3 二元系 四、 FeO—SiO2 二元系 五、 CaO—FeO 與 CaOFe2O3 二元系 CaO—Al2O3—SiO3 三元系相平衡圖 CaO—FeO—SiO2 三元系相平衡圖 一、 Al2O3SiO2二元系 ? 莫來(lái)石 3Al2O32SiO2（ A3S2）是否一致熔融化合物 ? ①當(dāng)試樣中含有少量堿金屬雜質(zhì)，或相平衡實(shí)驗(yàn)是在 非密閉條件下進(jìn)行時(shí)， A3S2為不一致熔融化合物； ②當(dāng)使用高純?cè)嚇硬⒃诿荛]條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)， A3S2 為一致熔融化合物。 ? 莫來(lái)石是否形成固溶體 ? ①莫來(lái)石 (A3S2)和剛玉 (Al2O3)之間能夠形成固溶體，固 溶體的組成范圍為 — % Al2O3； ②常以化合物 A2S3的組成點(diǎn)表示固溶體的組成。 Al2O3—SiO2 系狀態(tài)圖 體系特點(diǎn) ?體系中生成一個(gè)一致熔融化合物 —A3S2， 具有確定 的熔點(diǎn) (1850℃ )。 A3S2將 SiO2 —Al2O3二元系劃分 成兩個(gè)子二元系 —— SiO2—A3S2和 A3S2—Al2O3。 ? SiO2—A3S2子二元系：簡(jiǎn)單低共熔型，低共熔溫度1595℃ 。 ? A3S2—Al2O3子二元系：簡(jiǎn)單低共熔型，低共熔溫度1840℃ 。 →莫來(lái)石質(zhì) (A3S3)及剛玉質(zhì) (Al2O3)耐火磚可作為性 能優(yōu)良的耐火材料。 二、 CaO—Al2O3二元系 體系特點(diǎn) ? 3個(gè)一致熔融化合物將體系分解為 4個(gè)獨(dú)立的二元系 12CaO7Al2O3(C12A7)或 5CaO3Al2O3(C5A3) CaOAl2O3(CA) CaO2Al2O3(CA2) ? 2個(gè)不一致熔融化合物 3CaOAl2O3(C3A) CaO6Al2O3(CA6) ? 所有化合物的熔化溫度普遍較高，體系的最低熔化溫度為 1395 ℃ 。 ? 在 CaO含量為 45～ 52 %范圍內(nèi)，本體系能在 1450～ 1550 ℃ 溫度范圍 內(nèi)出現(xiàn)液相區(qū) 。 →配制的爐外合成酒常選擇這一成分范圍。 CaO—Al2O3系狀態(tài)圖 CaO—Al2O3系狀態(tài)圖 三、 CaO—SiO2二元系 體系特點(diǎn) ? 體系中有四個(gè)化合物 Ⅰ 硅酸三鈣： 3CaOSiO2(C3S)——不一致熔融 Ⅱ 正硅酸鈣： 2CaOSiO2(C3S)——一致熔融 Ⅲ 二硅酸三鈣： 3CaOSiO2(C3S2)——不一致熔融 Ⅳ 偏硅酸鈣： CaOSiO2(CS)——一致熔融 CaO—SiO2系狀態(tài)圖 體系特點(diǎn) (續(xù) ) ? 一致熔融化合物 C2S及 CS將整個(gè)相圖分為三個(gè)獨(dú)立部分 ?CaO—C2S 系 ——低共熔型 含有一個(gè)在低溫及高溫下均會(huì)分解的化合物 C3S。 T 1250 ℃ 時(shí)， C3S → α‘ C2S + CaO ； T 1900 ℃ 時(shí)， C3S → α C2S + CaO 。 ? CaO—CS 系 ——轉(zhuǎn)熔型 含有一個(gè)不一致熔融化合物 C3S2(1475℃ ) ? CS—SiO2系 ——一包含一液相分層的低共熔型 液相分層區(qū) ： SiO2 74— %， T 1700 ℃ 。 體系特點(diǎn) (續(xù) ) ? 一致熔融化合物 C2S及 CS的穩(wěn)定程度是不同的。 C2S比較穩(wěn)定，熔化時(shí)只部分分解 。 CS在