第二章热力学状态图

2 热力学参数状态图 2 1埃林汉姆 Ellingham 图及其应用 2 2相图分析方法及基本规则 热力学参数状态图 参数状态图 从广义上说 任何物质体系中两物理或化学量之间的关系图 统称为参数状态图 热力学参数状态图 凡能明确指出处于热力学平衡的单元及多元体系中各不同相稳定存在区域的几何图形 都称为热力学参数状态图 2 1埃林汉姆 Ellingham 图及其应用 2 1 1氧势图的形成原理 2 1 2氧势图的热力学特征 特殊的线 直线斜率 直线位置 2 1 3氧势图的应用 氧气标尺 Jeffes图学生自学 把上式的DrG 与温度T的二项式关系绘制成图 该图又称为氧势图 或称为埃林汉姆图 埃林汉将氧化物的标准生成吉布斯自由能数值折合成元素与1mol氧气反应的标准吉布斯自由能变化即 将反应 2 1 1氧势图的形成原理 2 1埃林汉姆 Ellingham 图及其应用 注 1 关于要注意标准生成自由能 最稳定的单质生成1mol的化合物 与该反应标准自由能的关系2 Ellinham图不仅是氧化反应的标准自由能与T的关系图 也是反应平衡的氧分压与温度的关系图 因此化学反应自由能变化最常见的形式如下 热力学数据中化合物的标准生成自由能都以如下形式列出 2 1 2氧势图的热力学特征 斜率 与 位置 关于斜率 直线的斜率 1 斜率是反应的熵变的负值 3 CO的特殊斜率具有重要的意义 2 转折点一定是在该温度有反应物或产物的相变 关于斜率 热力学公理 处于相同体系中的凝聚态 固 液 的熵值远小于气态熵值 即 关于斜率 几个典型的曲线的斜率 1 曲线的斜率小于零反应 如 关于斜率 2 曲线的斜率等于零 关于斜率 3 曲线的斜率大于零 关于斜率 4 某一温度斜率发生突变 变大或变小 关于斜率 关于斜率 而 溶化过程 吸热为正 也就是说 T点以后 M发生固态变为液态的相变后 曲线的斜率比相变前增大了 关于斜率 结论 对于反应1 若M在T1点发生相变 则T1点后 曲线斜率变大 2 若在T1点发生相变 则T1点 曲线斜率变小 关于斜率 CO直线的斜率及其意义 1 斜率是反应的熵变的负值 2 从统计意义上 物质的熵是物质体系的混乱度决定的 3 通常情况下 气态物质的混乱度比凝聚态物质的混乱度大得多 因此 气态物质的熵值比凝聚态物质的熵值也大得多 关于斜率 直线的位置的热力学原理 1 位置越低 标准自由能负值越大 在标准状态下所生成的氧化物越稳定 越难被其他元素还原 1 位置高 2 位置低 3 关于位置 2 在同一温度下 若几种元素同时与氧相遇 则位置低的元素最先氧化 如1673K时 元素Si Mn Ca Al Mg同时与氧相遇时 最先氧化的是金属Ca 然后依次为Mg Al Si Mn 3 位置低的元素在标准状态下可以将位置高的氧化物还原 如1600 时 Mg可以还原SiO2得到液态硅 此原理是金属热还原的理论基础 注意 先氧化是指同样条件 氧化所需的最低氧分压低 关于位置 4 973 1873K 范围 CO线将图分成三个区域 在CO线上的区域元素Fe W Pb Mo Sn Ni Co As及Cu等的氧化物均可以被C还原 高炉冶炼中 矿石中若含Cu As Sn等有害元素将进入生铁 给炼钢带来困难 在CO线以下区域元素Al Ba Mg Ca以及稀土元素等氧化物不能被C还原 在冶炼中它们以氧化物形式进入炉渣 中间区域 CO线与其他线相交当温度高于交点温度时 元素C氧化 低于交点温度时 其他元素氧化 交点温度称为碳和相交元素的氧化转化温度 5 必须注意 埃林汉图原则上只适用于标准状态 2 1 3氧势图的应用 氧气标尺 设1molO2从1标准大压等温膨胀到压力为Po2 1 Po2标尺的画法 2 Po2标尺与氧化物的分解压的关系 1 2 2 在指定氧分压下 可以直接得到金属氧化物的分解平衡温度 1 利用Po2标尺可以直接得到某一温度下金属氧化物的分解压力 3 Po2标尺的作用 3 在指定温度与氧分压下 可以直接判定气氛对金属性质的影响 a 指定温度下 按照 1 将与T平衡的氧分压PO2平求出b 若PO2平 PO2 则氧化物分解 若PO2平 PO2 则金属易于氧化 若PO2平 PO2时 G 0 则反应向生成金属的方向进行 即氧化物易于分解 若PO2平 PO2时 G 0 则反应向生成氧化物的方向进行 即金属易于氧化 对于反应M O2 MO2 证明 思考 利用CO作还原剂和利用H2作还原剂的特点 O C氧化生成CO反应的 fG T线的斜率为负 C氧化生成CO2反应的 fG T线的斜率约为0 CO氧化生成CO2反应的 fG T线的斜率为正 特点 对于反应2H2 O2 2H2O fG T线的斜率为正 但较一般金属氧化物的 fG T线的斜率为小 H2 H2O线与反应2CO O2 2CO2的 fG T线相交于1083K 810 高于810 H2的还原能力强于CO 作业 P318 319 习题15 16 17 18 2 2相图分析方法及基本规则 2 2 1冶金中常用的二元系相图及相图的基本定律2 2 2三元系相图的构成 2 2 3三元系浓度三角形性质 2 2 4简单共晶型三元系2 2 5具有一个稳定二元化合物的三元系 2 2 6具有一个不稳定二元化合物的三元系 2 2 7CaO SiO2 Al2O3和CaO SiO2 FeO相图 热力学平衡 热平衡 力学平衡 相平衡 化学平衡 相图 又称为物相平衡图 是热力学体系平衡时的相关系图 是以几何图形反映出物质体系的状态与温度 压力及组成的关系 2 2 1冶金中常用的二元系相图及相图的基本定律 化学热力学平衡热平衡 相平衡 化学平衡 相律 热力学平衡体系中的独立组元数C 相数P和自由度F之间的关系 注意 1 相律 吉布斯相律 可以从多元 多相平衡推导 2 上式是在只考虑体系温度 压力与各物质量或化学势的条件下得到的 没有考虑其他如电场 磁场等作用 式中 2表示体系的温度和压力两个热力学参数 2 2 1冶金中常用的二元系相图及相图的基本定律 单元相图的基本类型与特点 对于单元系 C 1 单相体系 P 1 F 2 自由度为2 三相共存体系 P 3 F 1 自由度为0 两相共存体系 P 2 F 1 自由度为1 O点称为三相点 现在国际单位规定水的三相点为 273 16K 610 62Pa 通常我们说的水的冰点温度00C 273 15K 压力为101 325KPa 被空气饱和的水 对于二元系 C 2 则有 单相体系 P 1 F 3 自由度为3 最大 三相共存体系 P 3 F 1 自由度为1 两相共存体系 P 2 F 2 自由度为2 四相共存体系 P 4 F 0 自由度为0 最小 二元系相图 对于等压条件下的二元系 C 2 则有 单相体系 P 1 F 2 自由度为2 三相共存体系 P 3 F 0 自由度为0 两相共存体系 P 2 F 1 自由度为1 1 连续原理 当决定体系状态的参数连续发生变化时 在新相不出现 旧相不消失的情况下 体系中各相的性质以及整个体系的性质也连续变化 如果体系的相数发生变化 自由度变了 体系各相的性质以及整个体系的性质都要发生跃变 2 相应原理 在一给定的热力学体系中 任何互成平衡的相或相组成在相图中都有一定的几何元素 点 线 面 体 与之对应 相图的基本原理与规则 组成规则回答了两个问题 1 在两相区内某一温度下 两个平衡共存相是什么相 2 平衡共存的两个相的组成是什么 3 组成规则 两相共存区内某一确定点 其各平衡相的组成由其 联结线 所指示的两相组成决定 因此 组成规则有时又称为 结线规则 4 杠杆规则 两相共存区内某一确定点 其两平衡相的量的比例与其结线被该点所截的线段的比例相等 并满足杠杆规则 如 当温度开始下降到H点时是固液两相平衡 液相的组成在K点所对应的坐标 液相的质量为ml 对应的固体为纯固体 纯B的质量为mB 固 液质量满足如下关系式ml mB HJ KH 二元相图类型 1 简单低共熔 共晶 型二元系 特点 液相完全互溶固相完全不互溶 Cd Bi Sn Zn KBr AgBr CaO MgO等 T t L f 2 L Cd L Cd L f 1 L Cd Bi f 0 Cd Bi f 1 步冷曲线 2 有固溶体的低共熔 共晶 型二元系 特点 液相完全互溶固相部分互溶 CaO MgO相图 3 有固溶体 化合物 的转溶型二元系 特点 液相完全互溶固相部分互溶在三相线有一转溶或包晶过程 4 有化合物的二元系 同分熔点化合物 特点 有化合物把相图分为两个 或多个 简单的共晶体系 同分熔点化合物C 温度升高至化合物C的熔点 C才成为同成分的液体 例1 例2 5 有化合物的二元系 异分熔点化合物 异分熔点化合物C 温度升高到PK线 还没有到达熔点 化合物已经分解为成分为P的液相和纯固相B 反应为C 固 L P B 固 例1 6 完全互溶型二元系 异成分熔化 特点 液相完全互溶固相完全互溶 1 简单共晶 2 有一个稳定化合物生成的二元系 3 有一个不稳定化合物生成的二元系 钢铁冶金过程常见的基本二元系相图 同成分熔化化合物 异成分熔化化合物 简单共晶 独立组元数为3 所以F C P 1 4 P若相数P 1 至少 则最大自由度F 3 若相数F 0 至少 则最多相数P 4 2 2 2三元系相图的构成 2 2 3三元系浓度三角形的性质 在图中 各字母及线的意义如下 浓度三角形的构成 在等边三角形上 沿反时针方向标出三个顶点 三个顶点表示纯组分A B和C 三条边上的点表示相应两个组分的质量分数 三角形内任一点都代表三组分体系 通过三角形内任一点O 引平行于各边的平行线 在各边上的截距就代表对应顶点组分的含量 即a 代表A在O中的含量 同理b c 分别代表B和C在O点代表的物系中的含量 显然 三元系中任一组成点如何在浓度三角形中表示 1 垂线 平行线定理 从等边三角形ABC内任一点P向三个边画三条垂线 这三条垂线之和等于三角形的高度 也即 PG PE PF AD 如图4 10 从等边三角形ABC内任一点P画三个边的平行线 则三条平行线之和等于任一边长 也即 PM PL PK AC 或AB或BC 如图4 11 2 2 3三元系浓度三角形的性质 2 等含量规则 在等边三角形中画一条平行于任一边的线 则该条线任何一点有一个组元的成分是不变的 这个组元就是对应这个边的顶点的物质 如图4 12中 x1 x2 x3点含A相同 3 定比例规则 从一顶点画一条斜线到对边 则该条斜线上的任何点 由其它二顶点所代表的二组分成分之比是不变的 如图4 13中 x1 x2 x3三点 常数 4 杠杆规则 直线规则 若三元系中有两个组成点P1和P2构成一个新的三元系点P 则在浓度三角形内新成分点P必在原始组成点P1和P2的连线上 P点的组成由P1和P2的质量按杠杆规则确定 即 反之 当一个已知成分和质量mP的三元系点P 分解出两个相互平衡的相P1和P2 则此两相的组成代表点P1和P2必在通过P点的直线上 分解出的两相质量mP1和mP2可按杠杆规则计算 即 4 杠杆规则 直线规则 P1 P2和P3为三元系A B C中三个已知成分点 假设这三个三元物系的质量分别为m1 m2 m3 将它们混合 形成的新体系对应于成分点为P 可以证明P点必定位于此三角形的重心位置 并且 有下列关系式成立 面积比 5 重心规则 6 直线规则的推论 推论1 背向规则在浓度三角形ABC中 某体系M冷却时 若从液相中结晶出纯组元A 则液相的组成沿A M的延长线方向变化 背向 推论2 交叉位规则在浓度三角形ABC中 有D E F三个体系混合得到一个新体系P 则P点的位置有以下三种情况 1 质心位 物质的质量中心 在三角形DEF内部 发生三元共晶反应 2 交叉位 新体系P在三角形DEF外部 并在ED EF延长线范围内 发生三元包晶反应 3 共轭位 新体系P在三角形DEF某顶角的外侧 在形成顶角的两条线的延长线的范围内 发生于三元包晶反应 缺点 难以表达清楚解决办法 1 投影平面图2 等温截面图3 注意点 线 面 体及其变化 2 2 4简单共晶型三元系相图 1 三元系图的构成 2 2 4简单共晶型三元系相图 三元系实际是由三个二元系组成 A B二元系 液相线ae1 be1 e1为二元共晶点 加入组元C 共晶点e1将沿e1e下降到e e1e称为二元共晶线 液相线ae1下降为液相面ae1ee3 三元共晶系相图 A C二元系 液相线ae3 ce3 e3为二元共晶点 加入组元B 共晶点e3将沿e3e下降到e 形成e3e二元共晶线和ae1ee3共晶面 B C二元系 液相线be2 ce2 e2为二元共晶点 加入组元A 共晶点e2将沿e2e下降到e 形成e2e二元共晶线和be1ee2共晶面 三元共晶系相图 1 三条共晶线 e1e e2e e3e 2 三个液相面 分别为ae1ee3 be1ee2 ce2ee3 三个液相面上分别是三个固相纯组元与一个液相平衡 3 一个四相共晶点e L SA SB SCF 0 三元系相图构成特点 将空间结构的三元系投影到三元系的浓度三角形上 三个二元系的共晶点分别为E1 E2 E3 三元共晶点e的投影是E 三条二元共晶线的投影分别是E1E E2E E3E 三元共晶系相图 投影平面图 把立体图中所有的点 线 面都垂直投射到浓度三角形上 即得下图所示的投影图 图中标有温度数据的曲线称为等温线 是等温截面与液相面交线的投影 等温线即相应温度的液相线 其值越低 表示体系开始凝固 熔化终了 的温度越低 越接近纯组元 温度就越高 等温线与等温截面图 用与底平面的平行一系列平面去截三元相图的立体图 得到三元相图的等温截面图 在生产和研究实践中常用等温图来研究某一定温度时的相态关系 L A L C L B L A C 假设在三元系液相中一体系P点 分析其冷却过程 首先将P点投影到浓度三角形中 得x点 一相 三组元 自由度为3 1 P点冷却到液相面上 析出A 二相 三组元 自由度为2 2 随着A的析出 液相成分变化沿Ax方向进行 背向规则 到E3E线上的m点时 发生二元共晶反应Lm A C纯A C共同析出 三相 自由度为1 在C即将析出但还没有析出的时刻 纯A与液相m的量可由杠杆定律求出 三元共晶系相图 2 三元系相图冷却过程分析 3 继续冷却 液相成份沿二元共晶线mE移动 直至E 固相A C同时析出 其组成沿A C方向移动 液相成分到E点时 固相成分到n点 液相到E点发生三元共晶反应 其成分不变 但量在减少Lm A C B固相在n点的成分由n点向x点移动 量增加 成分变化 全部体系 四相 自由度为0 液相初至E点时 固相B即将析出但还没有析出 纯固相A C的量与液相的量可由直线规则求出 三元共晶系相图 4 发生三元共晶反应的任意时刻 都可以由杠杆原理求出液相与固相的量 三元共晶系相图 液相全部结晶为固体A B C 液相消失 固相的成分由n点移动到x点 此时体系为三相 自由度为1 例题3 1已知如图3 12中F点表示A B C三元的熔体质量为mF 试分别回答以下的三个问题 1 能获得多少一次结晶的A 2 在二次结晶过程 液相组成由H L变化时 达到L时 获得多少固相 分别是什么 3 三元共晶开始前 尚余多少液相 解 1 当液相组成点由F H变化时 析出的全部是固态A 到H点时 所得A的量即为可能得到的全部初晶A量 依据杠杆规则 所得A的质量mA为 图3 12 图3 12 2 当液相成分变化到H点 固相B开始从液相中结晶出来 这就是所谓的二次结晶过程 之后液相组成沿H L变化 当液相组成达到L时 得到的全部固相的量为 注意 这时的固相为A s 和B s 其中既有初晶A 又有A B的二元共晶 此时 固相的组成同样可以用杠杆原理求得 3 三元共晶开始前 液相的量为 图3 12 此mLE即是该熔体所能获得的三元共晶总质量 思考 熔体完全凝固后 固相体系中有多少是二元共晶 多少是三元共晶 作业p344习题 3 阅读 相图的基本规则 2 2 5具有一个稳定二元化合物的三元系相图 2 2 5具有一个稳定二元化合物的三元系相图 化合物D与C点相连 D C形成一个新的二元系 K点是该二元系的共晶点 共晶线的箭头代表温度降低的方向 CD线将ABC三元系分成ACD DCB两个三元系 每个三元系的处理与单个三元系的处理方法相同 2 2 6具有一个二元不稳定化合物的三元系相图 1 该图的特点 1 AB二元系中存在一个不稳定化合物AmBn 组成为D AB边的I点是A B二元包晶点的投影 由于组元C的加入 该包晶点变成包晶线IP 2 在包晶线IP上 发生二元包晶反应 A L D 由于包晶反应的发生 液相的变化沿着I P的方向变化 3 到P点 与AC的二元共晶线E3P重合 析出C 发生三元包晶反应 A LP D C 4 液态LP发生包晶反应完成后 将有两种情况发生 液相LP消耗完 冷却过程结束 LP过剩 包晶反应将固相A消耗完 液相将继续沿P E的方向冷却 直至E点 进行三元共晶 冷却完成 2 几个特殊点的冷却过程分析 M1点的冷却过程 分析之前必须明白以下两点 1 M1在 ADC中 冷凝结束后 所得固相为A D C 2 M1点位于CD线的左侧 当液相成分移动到P点时发生三元包晶反应 液相不足 而固相A过剩 所以凝固结束在P点 M1点的冷却过程 1 连接AM1 当组成为M1的液相冷却到液相面上时 体系中析出固相A 随着体系中固相A的不断析出 液相组分沿着AM1延长线方向变化 直至液相组成变化到二元包晶线IP上的a点 同时固相成分点不变 纯A 但其量在不断增加 液相量WL与固态量Ws遵守杠杆原理 例如 液态组分刚到a点时 WL M1a WA AM1 F C P 1 3 2 1 2 2 液相变化到a点时 发生包晶反应 La A D 随着包晶反应的进行 固相A不断减少 化合物D不断增加 液相成分点沿着a p方向变化 固相成分点沿着A a 方向变化 当液相变化到p点时 固相变化到a 点 液态量WL与固态量Ws遵守杠杆原理 例如 液相进行到b点 则固相组成变化到b 点 液相与固相的含量为WLb bM1 WSb b M1 固相中A与D的含量为WA Ab WD b D F C P 1 3 3 1 1 3 冷却继续进行 液相在p点发生三元包晶反应Lp A D C 随着包晶反应的进行 固相A不断减少 化合物D不断增加 液相Lp 成分不变 但其量越来越少 直至消失 固相 成分由a 点向M1点变化 当液相Lp消失时 固相的组分变化到M1点 此时冷却过程结束 构成M1点的三个固相A D C的比例由浓度 ADC中M1点的A C D的含量决定 F C P 1 3 4 1 0 M2点的冷却过程 分析前 必须明白以下三点 1 M2在 DCB中 冷凝结束后 所得固相为B C D 2 M2点位于CD线的右侧 首先发生二元包晶反应 是液相与先结晶出的固相A反应生成D 当液相组分变化到P点时 发生三元包晶反应 反应结束后液相过剩 3 三元包晶反应结束后 随着冷却的进行 过剩的液相组分沿着P E方向变化 同时发生二元共晶反应 LP E D C 移动至E 发生三元共晶反应 得D C B三元共晶体结束 M2点的冷却过程分析 1 连接AM2 当组成为M2的液相冷却到液相面上时 体系中析出固相A 随着体系中固相A的不断析出 液相 组分沿着AM2延长线方向变化 直至液相组成变化到二元包晶线IP上的a点 固相 成分点不变 但其量在增加 液态量WL与固态量Ws遵守杠杆原理 例如 液态组分刚到a点时 WL M2a WA AM2 自由度F C P 1 3 2 1 2 2 液相变化到a点时 在a发生包晶反应 La A D 随着包晶反应的进行 固相A不断减少 化合物D不断增加 液相 成分点沿着a p方向变化 固相 成分点沿着A D方向变化 当液相变化到p点时 固相变化到a 点 液相与固相的含量以及固相中A与D的含量分别由杠杆原理给出 F C P 1 3 3 1 1 3 随着冷却的进行 液相组分变化到P点 在p点发生三元包晶反应 Lp A D C 三元包晶反应进行液相Lp 成分不变 量不断减少 固相C 组成由a 点变化到b 点 其中A不断减少 固态C与D不断增加 液相Lp成分不变 固相A D F C P 1 3 4 1 0 4 在p点发生的三元包晶反应最终以固相A的消失而结束 此时 液相组分由P点向E点移动 与此同时发生二元共晶反应 LP E D C 固相组分由b 点变化到c 点 5 液相组分变化到E点 在E点发生三元共晶反应 LE C D B 随着共晶反应的进行 液相LE成分不变 液相的量不断减少 直至完全消失 固相在c 点 由于B的生成 其组成由c 点变化到M2点 F C P 1 3 4 1 0 6 液相在E点消失后 固相组分移动到M2点 M2是由C D B组成的共晶体 其总量与冷却前的液相量相当 三固相的分量由浓度 DCB确定 再继续冷却 自由度F 3 3 1 1 M3点的冷却过程 必须明白以下三点 1 M3在 DCB中 冷凝结束后 所得固相为B C D 2 M3点位于CD线的右下侧 首先发生二元包晶反应 是液相与先结晶出的固相A反应生成D 当液相组分没有变化到P点时 由于固相A的提前消失 二元包晶反应结束 不会发生三元包晶反应 3 随着冷却的进行 过剩的液相组分沿着a b 方向变化 同时析出固相D 当液相组分变化到b 点时 发生二元共晶反应 Lb E D C 移动至E 发生三元共晶反应LE C D B 得D C B三元共晶体结束 作业分析M3点的冷却过程 根据炼钢过程目的的不同 炼钢炉渣可分为4类 1 以铁水预脱硫为目的的还原渣 2 精炼粗金属 其中元素氧化形成的氧化物组成的炉渣 称为氧化渣 主要指转炉炼钢渣 3 将原料中的某些有用成分富集于炉渣中 以利于下道工序将它回收的炉渣 称为富集渣 例如吹炼含钒 铌生铁得到的钒渣 铌渣等 4 采用各种造渣材料预先配制的炉渣 称为合成渣 如连铸用保护渣 炼钢工艺的发展对熔渣提出了新要求 应选择 采用合适的渣系以满足冶金生产的需要 2 2 7CaO SiO2 Al2O3和CaO SiO2 FeO相图 熔渣组成的主要来源 1 生铁或废钢中所含元素 铝 锰 磷 硫 钒 铬 铁等 氧化时形成的氧化物 2 作为氧化剂或冷却剂使用的矿石和烧结矿等 3 金属材料带入的泥沙或铁锈 4 加入的造渣材料 石灰 石灰石 萤石 铁钒土 粘土砖块等 5 由炉衬浸蚀熔于炉渣的耐火材料 6 脱氧剂 合金的脱氧产物 熔渣的脱硫产物 炉渣化学组成 不同冶炼方法对熔渣的要求不一样 其成分也不同 同一冶炼方法的不同阶段熔渣成分是不断变化的 碱性渣可以去除钢中的有害元素P S 酸性渣可以降低气体和夹杂 氧化渣可以向熔池传氧 还原渣可以脱氧并提高脱硫效率 炼钢生产过程中熔渣的主要作用 1 通过调整熔渣成分氧化还原钢液 使钢液中硅 锰 铬等元素氧化或还原的硫 磷 氧等元素 2 吸收钢液中的非金属夹杂物 3 防止炉衬的过分侵蚀 4 覆盖钢液 减少散热和防止二次氧化和吸氢 固体保护渣用于连铸对提高产品的质量和产量起显著的作用 1 起隔热保温 防止钢液的氧化和氮化作用 2 吸收钢液中的非金属夹杂物 3 改善钢凝固时的传热 减少凝固过程中的热应力 炼钢过程中的主要渣系相图 主要二元渣系相图 1 CaO SiO2相图 2 MnO SiO2相图 3 CaO CaF2相图 4 CaO Al2O3相图 1 CaO SiO2相图 相图中有2CaO SiO2 用C2S表示 CaO SiO2 用CS表示 两个稳定化合物 其中2CaO SiO2的熔点高达2130 会造成熔渣返干 相图中还有两个不稳定的3CaO SiO2 用C3S表示 和3CaO 2SiO2 用C3S2表示 化合物 CaO SiO2系对碱性熔渣来说是最重要的二元系 C2S 熔点2130 由熔点到常温有三种晶型 冷却到675 体积膨胀高达12 这个转变往注导致炉渣和耐火材料的粉化或碎裂 2 MnO SiO2相图 相图中有MnO SiO2和2MnO SiO2两种较低熔点的稳定化合物 MnO SiO2熔点1251 2MnO SiO2熔点1345 为了保证浇铸时钢液的流动性 促使夹杂物上浮 应尽量使得钢液中形成MnO SiO2和2MnO SiO2脱氧产物 MnO SiO2中一个锰原子 一个硅原子 两者原子量比值为 56 28 2 0 故一般钢种要求 2 5 有时要求大于2 8 甚至在3 0以上 3 CaO CaF2相图 CaF2的熔点仅为1390 与CaO形成的共晶熔点为1360 对CaO来说 随CaF2成分增加 熔点迅速降低 可见CaF2有利于渣化 4 CaO Al2O3相图 CaO Al2O3相图中有12CaO 7Al2O3 CaO Al2O3 CaO 2Al2O3 CaO 6Al2O3等多个稳定化合物 这些化合物的熔点随Al2O3含量增多而升高 以12CaO 7Al2O3的熔点最低 1455 为了防止连铸钢水中Al2O3夹杂堵塞水口 可以通过喷粉 喂线等措施生成12CaO 7Al2O3加以解决 主要三元相图 1 CaO FeO SiO2相图 2 CaO SiO2 Al2O3相图 1 CaO SiO2 Al2O3相图 为获得良好的连铸结晶器保护渣的性能 保证炉外精炼渣的熔化以及保证脱氧产物的上浮排出 需要应用CaO SiO2 Al2O3相图 具体选择在 CaO SiO2 0 65 1 10 Al2O3 10 熔化温度在1000 的范围较为合适 CaO SiO2 Al2O3相图特点 图CaO SiO2 Al2O3系相图 1 体系生成三个三元化合物 其中 钙斜长石CaO Al2O3 2SiO2 CAS2 和铝方柱石C2AS都是稳定化合物 不稳定化合物C3AS在图中没有标明 2 有十种二元化合物 它们在相图中都位于三角形的边上 3 标有数字的虚线是等温线 粗实线表示二元共晶线或二元包晶线 线上的箭头表示温度下降方向 4 整个相图被二元共晶线以及二元包晶线分割成许多小块 每小块属于各化合物的初晶区 图内已标明了各初晶物质的名称 5 此体系共有十五个初晶区 即CaO SiO2 Al2O3三个纯组元以及十个二元化合物和两个三元化合物的初晶区 除此之外 在CaO SiO2边附近还出现一个狭长的液相分层区 用细实线把SiO2 CS和CAS2三个顶点联结起来 得到一个小三角形 把三顶点的组元SiO2 CS和CAS2看作是这个三元系的三个组元 位于上面的属于SiO2初晶区 左下方为CS的初晶区 而右下方则是CAS2的初晶区 E1是三元共晶点 在此点上 SiO2 CS和CAS2三个固相与组成为E1的液相平衡共存 f 3 4 1 0 CaO SiO2 Al2O3相图的分解解析 a SiO2 CS CAS2系 CaO SiO2 Al2O3系初晶区分布图 b CS CAS2 C2AS系联结图中CS CAS2 C2AS三点 得到另一小三角形 它属于CaO SiO2 Al2O3系中的一个生成简单共晶的三元子体系 E2是三元共晶点 可用前述办法可以确定CS CAS2 C2AS体系各初晶区 在图中已