【正文】 自由度 ： 在一定范圍內(nèi)可以任意獨(dú)立改變而不致發(fā)生相變化的變數(shù)（如溫度、壓力和濃度等）的個(gè)數(shù)。描述多相體系中相狀態(tài)與 T、 P、 xB等的關(guān)系。 ? 下面介紹幾個(gè)主要二元渣系相圖，它們是構(gòu)成冶金基本渣系（ CaO－ SiO2－ Al2O3系、 CaO－ SiO2－ FeO系等）的三元系相圖的基礎(chǔ)。 ? 相圖是表示凝聚相體系的組成和溫度的相平衡關(guān)系。 ? 高溫冶金過(guò)程中，物質(zhì)蒸氣壓一般都很小，對(duì)凝聚相體系可不考慮壓力的影響。 消極作用： 1. 侵蝕和沖刷爐襯，減少爐襯的使用壽命； 2. 金屬損失，降低回收率； 3. 帶走熱量，增加冶煉能耗。 第四章 冶金爐渣 14 一、 基本概念 熔渣主要作用： 積極作用： 1. 減少金屬的熱損失 。 ? 如電渣重熔渣 、 鑄鋼保護(hù)渣 、 鋼液爐外精煉渣等 。 ? 例如 ， 鈦鐵礦先在電爐中經(jīng)還原熔煉得到高鈦渣 ， 再進(jìn)一步提取鈦 。 ? 例如 ， 煉鋼時(shí) ， 加入的造渣熔劑 ， 與原料中雜質(zhì)元素的氧化產(chǎn)物融合成爐渣 ， 除硫 、 磷 ， 吸收非金屬夾雜 。 第四章 冶金爐渣 12 一、 基本概念 精煉渣 ? 是粗金屬精煉過(guò)程的產(chǎn)物 。 ? 高爐煉鐵 ：脈石成分與燃料的灰份以及熔劑 （ 石灰石 、 白云石 、 硅石等 ） 反應(yīng) ， 形成爐渣 ， 從而與金屬鐵分離 。 冶煉渣 （ 熔煉渣 ） ? 在以礦石或精礦為原料 、 以粗金屬或熔锍為冶煉產(chǎn)物的熔煉過(guò)程中 。 一、 基本概念 第四章 冶金爐渣 10 一、 基本概念 熔渣主要來(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 CaF等 ? 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 。 含量最多的氧化物通常只有三種 ， 其總含量可達(dá) 80%以上 。 如氟化物 （ CaF2） 、 氯化物 （ NaCl） 、 硫化物 （ CaS、MnS） 、 硫酸鹽等 。 第四章 冶金爐渣 7 一、 基本概念 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 。 一、 基本概念 冶金熔體 ：在高溫冶金過(guò)程中處于熔融狀態(tài)的反應(yīng)介質(zhì)或反應(yīng)產(chǎn)物。例如，制成水泥、建筑材料和磷肥工業(yè)等的原料。 ② 綜合利用處理。 b）若不加以綜合利用，也是極大的浪費(fèi) 。 ? 爐渣的處理 ： ① 作為廢物送到渣場(chǎng)堆放。 5 第四章 冶金爐渣 ? 爐渣所起的各種作用都是通過(guò)控制爐渣的化學(xué)組成、溫度及其所具有的物理化學(xué)性質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)的 。 ? 爐渣在保證冶煉操作的順利進(jìn)行，冶煉金屬熔體的成分和質(zhì)量，金屬的回收率以及冶煉的各項(xiàng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)等方面都起了決定性的作用。 4 第四章 冶金爐渣 ? 冶煉過(guò)程中的爐渣組成 ： ? 還原熔煉中未被還原的氧化物；氧化熔煉中氧化形成的 氧化物 ；為適應(yīng)冶煉要求而加入的熔劑；及被侵蝕的耐火爐襯的氧化物；以及少量硫化物及 CaF2等鹵化物組成的；其中也還夾帶著少量金屬粒。 ? 4)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，稱為 合成渣 。例如，鈦精礦還原熔煉所得的高鈦渣，吹煉含釩、鈮生鐵得到的釩渣、鈮渣等。例如，由生鐵冶煉成鋼產(chǎn)生的煉鋼渣。例如，冶煉鐵礦石得到的高爐渣。1 《 鋼鐵冶金原理 》 第四章 冶金爐渣 制 作 人：陳永范 單 位：材料學(xué)院 冶金系 2 第四章 冶金爐渣 ? 本章主要內(nèi)容 教學(xué)重點(diǎn)難點(diǎn) ? 第一節(jié) 二元渣系相圖 掌握 ? 第二節(jié) 三元系相圖基本知識(shí) 掌握 、 難點(diǎn) ? 第三節(jié) 三元渣系的相圖 重點(diǎn)掌握 、 難點(diǎn) ? 第四節(jié) 熔渣的結(jié)構(gòu)理論 重點(diǎn)掌握 ? 第五節(jié) 熔渣的離子溶液模型 了解 、 難點(diǎn) ? 第六節(jié) 熔渣的化學(xué)性質(zhì) 重點(diǎn)掌握 、 難點(diǎn) ? 第七節(jié) 熔渣的物理性質(zhì) 掌握 3 第四章 冶金爐渣 ? 爐渣 是火法冶金中形成的以氧化物為主要成分的多組分熔體 。 ? 爐渣分類 －根據(jù)冶煉過(guò)程目的的不同，爐渣可分為下列 4類： ? 1)以礦石或精礦為原料進(jìn)行還原熔煉，得到粗金屬的同時(shí)，未被還原的氧化物和加入的熔劑形成的爐渣，稱為 冶煉渣或還原渣 。 ? 2)精煉粗金屬，由其中元素氧化形成的氧化物組成的爐渣，稱為 精煉渣或氧化渣 。 ? 3)將原料中的某有用成分富集于爐渣中，以利于下道工序?qū)⑺厥盏臓t渣，稱為 富集渣 。它們分別用作提取金屬鈦和鈮的原料。如電渣重熔用渣，澆鑄鋼錠或鋼坯的保護(hù)渣及爐外精煉渣。 ? 爐渣在金屬冶煉過(guò)程的作用 ： ? 分離或吸收雜質(zhì) ； 除去粗金屬中有害于金屬產(chǎn)品性能的雜質(zhì) ；富集有用金屬氧化物及精煉金屬的作用 ； 并能保護(hù)金屬不受環(huán)境的玷污及減少金屬的熱損失 ； 在電爐冶煉中，爐渣還起著電阻發(fā)熱的作用。俗話說(shuō)“煉鋼在于煉渣，好渣之下出好鋼”，生動(dòng)地說(shuō)明了爐渣在冶煉過(guò)程中所起的作用 。 ? 熔渣的物理化學(xué)性質(zhì)與其結(jié)構(gòu)有關(guān)，通過(guò)熔渣結(jié)構(gòu)研究，可以查明熔渣物理化學(xué)性質(zhì)變化規(guī)律，從而達(dá)到控制冶金反應(yīng)的目的 。 a）影響國(guó)土的利用 。 c）環(huán)境污染問(wèn)題。 a）保護(hù)環(huán)境； a）可以回收爐渣中有用成分。 6 高溫冶金過(guò)程多數(shù)在熔融的反應(yīng)介質(zhì)中進(jìn)行 , —如煉鋼、鋁電解、粗銅的火法精煉等 在很多冶煉過(guò)程中，產(chǎn)物或中間產(chǎn)品為熔融狀態(tài)物質(zhì) , —如高爐煉鐵、硫化銅精礦的造锍熔煉、鉛燒結(jié)塊的鼓風(fēng)爐熔煉等。 冶金熔體分類 ——根據(jù)組成熔體的主要成分的不同 ： ? 金屬熔體 : ? 非金屬熔體 : 熔渣、熔鹽、熔锍。 ? 熔渣是一種非常復(fù)雜的多組分體系： 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型的化合物甚至金屬 。 ? 熔渣是火法冶金過(guò)程產(chǎn)物 第四章 冶金爐渣 8 表 1 ? 1 常見(jiàn)冶金爐渣的主要化學(xué)成分 組 成 / %( 質(zhì)量 ) 爐 渣 S iO2 A12O3 Ca O F e O M g O M n O 其 它 高爐煉鐵渣 3 0 ～ 4 0 10 ～ 2 0 35 ～ 5 0 1 5 ～ 10 0 . 5 ～ 1 S 1 ～ 2 轉(zhuǎn)爐煉鋼渣 9 ～ 20 0 . 1 ～ 2 . 5 37 ～ 59 5 ～ 20 0 . 6 ～ 8 1 . 3 ～ 10 P2O5 1 ～ 6 電爐煉鋼渣 10 ～ 2 5 0. 7 ～ 8 . 3 20 ～ 65 0 .5 ～ 35 0 . 6 ～ 2 . 5 0 . 3 ～ 11 電渣重熔渣 0 ～ 10 0 ～ 30 0 ～ 20 0 ～ 15 Ca F2 45 ～ 8 0 銅閃速爐熔煉渣 28 ～ 38 2 ～ 1 2 5 ～ 1 5 38 ～ 5 4 1 ～ 3 Fe3O4 12 ～ 1 5 , S 0 . 2 ～ 0 . 4 , Cu 0 . 5 ～ 0. 8 鉛鼓風(fēng)爐熔煉渣 19 ～ 35 3 ～ 5 0 ～ 20 28 ～ 40 3 ～ 5 P b 1 ～ 3 . 5 錫反射爐熔煉渣 19 ～ 24 8 ～ 10 1 . 5 ～ 6 45 ～ 50 S n 7 ～ 9 高 鈦 渣 2 . 8 ～ 5 . 6 2 ～ 6 0 . 3 ～ 1 . 2 2 . 7 ～ 6 . 5 2 ～ 5 . 6 1 ～ 1 . 5 T iO2 8 2 ～ 87 一、 基本概念 第四章 冶金爐渣 9 通常由五 、 六種或更多的氧化物組成 。 多數(shù)有色冶金爐渣和鋼渣的主要氧化物是： CaO、 SiO2 、 FeO 高爐渣和某些有色冶金爐渣的主要氧化物為： CaO、 SiO2 、 Al2O3 常含有其他化合物 ， 如氟化物 、 硫化物等 。 ? 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 第四章 冶金爐渣 11 一、 基本概念 熔渣主要作用： 不同的熔渣所起的作用不一樣 。 ? 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) ， 使其 與冶煉產(chǎn)物 （金屬 、 熔锍等 ） 分離 。 ? 造锍熔煉 ：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 。 ? 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 。 富集渣 ? 作用 ——使原料中的某些有用成分富集于爐渣中 ， 以便回收利用 。 第四章 冶金爐渣 13 一、 基本概念 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 。 ? 這類爐渣的作用差別很大 。 2. 避免金屬氧化（減少金屬?gòu)臓t氣中吸收有害氣體）； 3. 匯集金屬中雜質(zhì)元素的氧化生成物。 第四章 冶金爐渣 15 第一節(jié) 二元渣系相圖 ? 一、相圖或狀態(tài)圖 ：即在多相平衡體系中，表示物質(zhì)相的狀態(tài)與影響相態(tài)變化的溫度、壓力及組成等變量之間的幾何圖形。因此，相圖就變成了 “溫度－組成”之相圖 。由相圖可以確定氧化物在高溫下相互反應(yīng)，形成的不同相組分 (純凝聚相、液溶體及固溶體、簡(jiǎn)單氧化物及復(fù)雜化合物、共晶體、包晶體、液相分層等 )和其有關(guān)參數(shù) (相數(shù)、成分和相對(duì)量 )，以及各相在不同條件下 (溫度、組成 )的相互轉(zhuǎn)變關(guān)系，為選擇某種性能的相成分提供了依據(jù)。 16 第一節(jié) 二元渣系相圖 二、基本概念 ： ? 相圖 ： 相平衡體系的幾何圖示。 ? 凝聚系 ： 沒(méi)有或不考慮氣相的體系。 17 第一節(jié) 二元渣系相圖 ? 相律 ： ? 多相體系平衡的基本規(guī)律。 ? 考慮到溫度、壓力兩個(gè)變數(shù)時(shí)： f=K–φ+2 ? f：自由度； K：獨(dú)立組元數(shù)； φ ：相數(shù) ? 對(duì)有其他影響因素的平衡體系，如磁場(chǎng)、電場(chǎng)等：為：f= K–φ+n ? 對(duì)于凝聚系，可以不考慮體系壓力： 為： f= K–φ+1 18 第一節(jié) 二元渣系相圖 一、 CaOSiO2系相圖 ? CaOSiO2二元系相圖比較復(fù)雜 ， 因?yàn)樾纬闪诵再|(zhì)不同 (穩(wěn)定或不穩(wěn)定 )的幾種硅酸鈣化合物 ， 而且還出現(xiàn)了多晶型轉(zhuǎn)變 。SiO2(用 CS表示 )； ② 正硅酸鈣 2CaO ? 有兩個(gè) 不穩(wěn)定化合物 ： ① 硅酸三鈣 3CaO2SiO2(C3S2)。 ? 不穩(wěn)定化合物又稱異份熔化化合物 ：即在高于其熔點(diǎn)溫度時(shí)就發(fā)生分解，所以在液態(tài)時(shí)不存在。 ? 判斷化合物性質(zhì)的方法 ：即看其組成線與液相線的關(guān)系和特征： ① 有交點(diǎn)且出現(xiàn)最高點(diǎn)者，為穩(wěn)定化合物； ② 沒(méi)有交點(diǎn)者，為不穩(wěn)定化合物。 ? 拆分“ 子相圖 ”方法 ： ? 由于穩(wěn)定化合物是體系相組成的組分，分析 CaOSiO2系相圖 可從 CS和 C2S垂直線處，將此相圖劃分為 3個(gè)“子相圖”來(lái)分析。 ? 分析相圖目的 ： ① 確定化合物的性質(zhì)； ② 分析相變反應(yīng)（包括晶型轉(zhuǎn)變）性質(zhì)； ③ 確定液相線最低溫度范圍即其組成； ④ 分析不同溫度下相平衡關(guān)系或冷卻過(guò)程相變化情況。 ? CaO－堿性氧化物，化學(xué)名為氧化鈣，礦物學(xué)名為石灰。 ? 其內(nèi)有一個(gè)僅在 1250～ 1900℃ 內(nèi) (固相內(nèi) )穩(wěn)定存在的 C2S，高于或低于此溫度范圍， C3S均不能存在，將分解為 C3S＝ CaO+C2S。只有在 1250℃ 以下急冷淬火可把 C3S保持到常溫， C3S有水硬性，是水泥熟料組分。 ① 當(dāng)溫度下降時(shí)， C3S2由轉(zhuǎn)熔反應(yīng)形成： L+C2S＝ C3S2； ② 在加熱時(shí)，它在 1475℃ 發(fā)生分解： C3S2→L ＋ C2S。 ② 在互為飽和的二液相中， L1是 SiO2在 CS相內(nèi)的飽和熔體； L2是CS在 SiO2相內(nèi)