冶金熔渣的物理化学性质

1、熔渣的物理化学性质直接关系到冶炼过程能否顺利进行和技术经济指标是否符合要求，是能否实现优质高产低消耗的重要因素。如熔渣的熔化温度和热含量影响热能消耗，熔渣的密度、表面张力和黏度影响冶炼过程金属的回收率。研究熔渣的性能也是认识熔渣结构的重要途径（如电导、黏度）。冶金工作者除了应对熔渣性能的原理和规律有所认识外，还要掌握组成性能图和根据已知数据计算熔渣性能的方法，从而可以了解已知成分的熔渣性能是否能满足冶炼过程的要求，或由所要求的性质来选择合理的熔渣成分。熔化性是指熔渣熔化的难易程度。它可用熔化温度和熔化性温度这两个指标来表示。一、熔化温度：熔化温度（或称熔度、初晶温度）是指固态熔渣完全熔化为液相

2、时的温度，或液态熔渣冷却时开始析出固相的温度。熔渣不是纯物质，没有一个固定的熔点，熔渣从开始熔化到完全熔化是在一定的温度范围内完成的，即从固相线到液相线的温度区间。它可由熔渣状态图的液相线或液相面的温度来确定。熔渣的熔化温度高表明它难熔，熔化温度低表明它易熔。熔化温度主要与组成有关。图3-5为CaO-FeO-SiO2系等熔度图。从熔渣的状态图可以看出各种渣系的熔化温度区。处在等温线上的各种组成的熔渣，其熔化温度相同。根据该线可以确定某一熔化温度时的熔渣成分，或根据熔渣成分估算出该组成下的熔化温度。 图35 CaO-FeO-SiO2系等熔度图，黄兴无，有色冶金原理，2002年，p13，图1-11

3、二、熔化性温度熔化性温度是指熔渣从不能流动转变为能自由流动时的温度。冶金上一般要求熔渣熔化后必须具有良好的流动性。有的熔渣（特别是酸性渣），加热到熔化温度后并不能自由流动，仍然十分粘稠，例如，成分为SiO262%，Al2O314.25%，CaO22.25%的高炉炼铁炉渣，在1165熔化后再加热300400它的流动性仍然很差；成分为CaO24.1%，SiO247.2%，Al2O318.6%的高炉炼铁炉渣，在1290熔化，再加热到1400就能自由流动。因此，为了保证冶金生产的正常进行，只了解炉渣的熔化温度还不够，还必须了解炉渣自由流动的温度，即熔化性温度。熔化性温度把熔化和流动联系起来考虑，能较确

4、切地表明炉渣由不能自由流动变为能自由流动时的温度，这就克服了熔化温度的局限性。熔化性温度高表明熔渣难熔，熔化性温度低表明熔渣易熔。熔化性温度可通过测定该熔渣在不同温度下的黏度，画出黏度温度（t）曲线来确定，如图3-6所示。曲线上的转折点所对应的温度即是熔渣的熔化温度。成分为A的炉渣，转折点为a，当温度高于a时，渣的黏度较小（d点），有很好的流动性。a就是A渣的熔化性温度。一般碱性渣属于这种情况，取样时这种熔渣的渣滴不能拉成长丝，渣样断面呈石头状，俗称短渣或石头渣。B渣黏度随温度降低逐渐升高，在t曲线上无明显转折点，高炉炼铁炉渣一般取其黏度值为2.02.5Pas时的温度（相当于b）为熔化性温度。

5、为统一标准起见，常取45直线与t曲线相切点e所对应的b为熔化性温度。一般酸性渣类似B渣特性，取样时这种渣的渣滴能拉成长丝，且渣样断面呈玻璃状，俗称长渣或玻璃渣。图3-6 熔渣黏度温度图（A渣碱性熔渣；B渣酸性熔渣） 卢宇飞，炼铁工艺，2006年，p79，图5-5图3-7为三元系等熔化性温度图，其准确性差些，但仍有一定实用价值。图3-7 CaOSiO2Al2O3三元系等熔化性温度图任贵义，炼铁学，上册，2005，p249，图117黏度黏度是熔渣的重要性质，直接关系到熔渣的流动性、冶炼过程能否进行，也关系到金属或锍能否充分地通过渣层沉降分离。它是冶金工作者最关心的熔渣性能指标。一、黏度的定义熔渣黏

6、度与流动性在数值上互为倒数关系。黏度（）是指速度不同的两层液体之间的内摩擦力计算公式中的比例系数（）。当流体在管道中流动时，管道与流体、流体与流体之间内部的内摩擦力，使靠近管道的流体流速最小，而中心的流速最大。实验表明，流速不同的两层液体之间的内摩擦力（F）与其接触面积（S）和流速差值（d）成正比，与两液层之间的距离（dx）成反比，可用如下公式表示：内摩擦力 ， 黏度 比例系数（）称为黏度系数，亦称黏度。单位用Pa·s（帕秒）表示。过去使用泊（P）为单位。10P=1Pa·s。表36为某些液体的黏度数据，由表可看出，流动的渣，其黏度相当于甘油的室温黏度0.5Pa·s

7、。黏度1.52.0Pa·s的渣，虽然比较粘稠，但尚能满足冶炼要求。当渣的黏度达3.05.0Pa·s或更高时，则会造成冶炼过程难以进行，导致熔渣不易由炉内放出。表36 某些液体的黏度液体温度黏度液体温度黏度水2980.00089汞2730.0017蓖麻油2980.8流动好的渣<0.50甘油2980.5稠渣1.52.0生铁液16980.0015很稠的渣>3.0钢液1868<0.0025二、温度对黏度的影响在组成熔渣的各种氧化物中，SiO2对熔渣的黏度影响最大。前已述及，熔渣中SiO2含量愈高，硅氧配合阴离子的结构越复杂，离子半径愈大，熔体的黏度也愈大。Al2O

8、3、ZnO等也有类似的影响。而碱性氧化物的含量增加时，硅氧配合阴离子的离子半径变小，黏度将有所下降，但并不是说熔渣中碱性氧化物含量愈高黏度愈低，相反，碱度太高的熔渣是粘而难熔的。任何组成的熔渣，其黏度都是随着温度的升高而降低的。但是温度对碱性渣和酸性渣的影响有显著的区别，如图36所示。碱性熔渣（含SiO2小于35%）在受热熔化时，立即转变为各种Me2+和半径较小的硅氧配合阴离子，黏度迅速下降，如图3-6所示，其黏度温度曲线A上有明显的转折点，该点的对应温度a称为熔化性温度，当温度超过a后，曲线变得比较平缓，此时温度对黏度的影响已不明显了。酸性熔渣因含SiO2高（SiO2大于40%），当升高温度

9、时，复杂的硅氧配合阴离子逐步离解为简单的硅氧配合阴离子，离子半径逐步减小，因而黏度也是逐步降低的，其黏度温度曲线B上不存在明显的熔化性温度，见图3-6。三、成分对黏度的影响熔渣的黏度随成分的改变而改变。例如，在高炉炼铁冶金生产中，常因炉料成分变化大，造成熔渣黏度过高难于流动，严重时还会生成炉瘤，致使炉矿异常。常用加入萤石（CaF2）、并同时升高炉温的方法降低熔渣的黏度，改善其流动性，从而能够冲刷洗去炉瘤。原因是CaF2能与CaO生成低共晶（熔点1659.15K），促使CaO熔于渣中，同时CaF2中的F可取代熔渣中硅氧配合离子中的O2，促使硅氧配合阴离子解体分离成较小的硅氧配合阴离子，使熔渣黏度

10、降低。所以CaF2不论对酸性渣还是碱性渣都具有大幅度降低黏度的作用。成分对黏度的影响，可以用CaOFeOSiO2系熔渣在1623.15k时的等黏度图来说明。CaOFeOSiO2系熔渣的黏度已有大量的测定数据，并已在浓度三角形中绘成等黏度曲线。图38为在1623.15K时CaOFeOSiO2系熔渣的等黏度图。由于黏度仅能在均一液相内测定，所以等黏度曲线图仅占有浓度三角形的局部（给定的等熔化温度曲线以内的液相区）。由图可见，在一定温度下，在每条曲线上的熔渣，虽然成分不同但却具有相同的黏度；在一定温度下，熔渣的黏度随成分的改变而改变。图3-8 CaO-FeO-SiO2系熔渣1623.15K等黏度图黄

11、兴无，有色冶金原理，2002年，p15，图1-14应用等黏度图，可以查得各种熔渣在给定温度下的黏度。在应用等黏度图时，首先应将熔渣中的三种主要氧化物换算为总和100%，然后再查图可得各种熔渣在给定温度下的黏度值。例如，铜精矿的造锍熔炼熔渣中主要成分的质量分数浓度为w(SiO2)37.3%、w(CaO)4.7%、w(FeO)46.0%，如何查该熔渣的黏度？解：先将三成分总和换算成百分之百，即：w（SiO2）= 37.3 / (37.3+4.7+46.0)42.4w（CaO） = 4.7 / (37.7+4.7+46.0) 5.3%w（FeO）= 46.0 / (37.7+4.7+46.0) 52

12、.3%然后，再从图3-8中查得这种熔渣在1623K下的黏度约为1.5Pa·s（因为这种熔渣并不是纯粹的三元系，因此查出的此数据只能作参考）。由图还可得知：该熔渣系黏度最低的组成为：w(CaO)1030%、w(SiO2)1530%，w(FeO)4060%。熔渣密度的大小直接影响到冶炼过程中熔渣与金属之间分离的难易，所以在生产实践中具有重要意义。熔渣的密度测定的数据较少，而固态熔渣熔化后的密度变化很小，故可近似地采用固态熔渣的密度值。这虽然不够精确，但生产实用是可取的。熔渣的密度与所含的成分有关。当熔渣中含有有较多质量大的氧化物如PbO、FeO、Fe3O4、ZnO等时，其密度增加；反之，

13、若含质量小的氧化物如SiO2，CaO等时，则熔渣的密度较小。熔渣的密度值常介于2.54.0之间，见表37。表37 各种氧化物的密度（g·cm3）氧化物密度氧化物密度氧化物密度SiO22.202.55MgO3.65PbO9.21CaO3.40CaF22.8ZnO5.60FeO5.0Al2O33.97Cu2O6.0Fe3O455.4MnO5.4NaO2.27 习题与思考题1、什么是金属熔体？它分为几种类型？2、何为冶金熔渣？简述冶金熔渣的主要成分。3、简述冶炼渣和精炼渣的主要作用。4、什么是富集渣？它与冶炼渣的根本区别在哪里？5、试说明熔盐在冶金中的主要应用。6、冶金熔锍的主要成分是什么？7、简述分子理论并分析它在实际应用中的优缺点。8、简述离