冶金物理化学冶金专业课件

1、冶金物理化学 东北大学材料与冶金学院东北大学材料与冶金学院冶金物理化学 高温冶金过程多数在熔融的反应介质中进行高温冶金过程多数在熔融的反应介质中进行,如炼钢、铝电解、粗铜的火法精炼等如炼钢、铝电解、粗铜的火法精炼等 在很多冶炼过程中，产物或中间产品为熔融状态物质在很多冶炼过程中，产物或中间产品为熔融状态物质,如高炉炼铁、硫化铜精矿的造锍熔炼、铅烧结块的鼓风如高炉炼铁、硫化铜精矿的造锍熔炼、铅烧结块的鼓风炉熔炼等。炉熔炼等。一、一、 基本概念基本概念 1 熔渣理论及模型 冶金熔体冶金熔体：在高温冶金过程中处于熔融状态的反应介质或：在高温冶金过程中处于熔融状态的反应介质或反应产物。反应产物。 冶金

2、熔体分类冶金熔体分类根据组成熔体的主要成分的不同根据组成熔体的主要成分的不同 ：金属熔体金属熔体: 非金属熔体非金属熔体: 熔渣、熔盐、熔锍。熔渣、熔盐、熔锍。一、一、 基本概念基本概念 1 熔渣理论及模型主要主要由由冶金原料中的冶金原料中的氧化物氧化物或冶金过程中生或冶金过程中生成的成的氧化物氧化物组成的组成的熔体熔体。l 熔渣是火法冶金过程产物一、一、 基本概念基本概念 1 熔渣理论及模型一、一、 基本概念基本概念 1 熔渣理论及模型一、一、 基本概念基本概念 1 熔渣理论及模型一、一、 基本概念基本概念 1 熔渣理论及模型 在以矿石或精矿为原料、以粗金属或熔锍为冶炼产物的熔在以矿石或精矿

3、为原料、以粗金属或熔锍为冶炼产物的熔炼过程中。炼过程中。 主要作用主要作用：汇集炉料（矿石或精矿、燃料、熔剂等）中的汇集炉料（矿石或精矿、燃料、熔剂等）中的全部全部脉石成分脉石成分、灰分灰分以及大部分以及大部分杂质杂质，使其使其与冶炼产物（与冶炼产物（金属、熔锍等）金属、熔锍等）分离分离。 高炉炼铁高炉炼铁：脉石成分与燃料的灰份以及熔剂（石灰石、白：脉石成分与燃料的灰份以及熔剂（石灰石、白云石、硅石等）反应，形成炉渣，从而与金属铁分离。云石、硅石等）反应，形成炉渣，从而与金属铁分离。 造锍熔炼造锍熔炼：铜、镍的硫化物与炉料中铁的的硫化物熔融在：铜、镍的硫化物与炉料中铁的的硫化物熔融在一起，形成

4、熔锍；铁的氧化物则与造渣熔剂一起，形成熔锍；铁的氧化物则与造渣熔剂SiO2及其他脉及其他脉石成分形成熔渣。石成分形成熔渣。一、一、 基本概念基本概念 1 熔渣理论及模型 是粗金属精炼过程的产物。是粗金属精炼过程的产物。 主要作用主要作用捕集粗金属中杂质元素的氧化产物，使之与主捕集粗金属中杂质元素的氧化产物，使之与主金属分离。金属分离。 例如，炼钢时，加入的造渣熔剂，与原料中杂质元素的氧化例如，炼钢时，加入的造渣熔剂，与原料中杂质元素的氧化产物融合成炉渣，除硫、磷，吸收非金属夹杂。产物融合成炉渣，除硫、磷，吸收非金属夹杂。 作用作用使原料中的某些有用成分富集于炉渣中，以便回收使原料中的某些有用成

5、分富集于炉渣中，以便回收利用。利用。 例如，钛铁矿先在电炉中经还原熔炼得到高钛渣，再进一步例如，钛铁矿先在电炉中经还原熔炼得到高钛渣，再进一步提取钛。提取钛。 一、一、 基本概念基本概念 1 熔渣理论及模型 是指由为达到一定的冶炼目的、按一定成分预先配制是指由为达到一定的冶炼目的、按一定成分预先配制的渣料熔合而成的炉渣。的渣料熔合而成的炉渣。 如电渣重熔渣、铸钢保护渣、钢液炉外精炼渣等。如电渣重熔渣、铸钢保护渣、钢液炉外精炼渣等。 这类炉渣的作用差别很大。这类炉渣的作用差别很大。 一、一、 基本概念基本概念 1 熔渣理论及模型熔渣主要作用：熔渣主要作用： 积极：积极： l减少金属的热损失减少金

6、属的热损失;l避免金属氧化（减少金属从炉气中吸收有害气体）；避免金属氧化（减少金属从炉气中吸收有害气体）；l汇集金属中杂质元素的氧化生成物。汇集金属中杂质元素的氧化生成物。 消极：消极： l侵蚀和冲刷炉衬，减少炉衬的使用寿命；侵蚀和冲刷炉衬，减少炉衬的使用寿命；l金属损失，降低回收率；金属损失，降低回收率；1.带走热量，增加冶炼能耗。带走热量，增加冶炼能耗。二、二、 熔渣结构及理论熔渣结构及理论 1 熔渣理论及模型二、二、 熔渣结构及理论熔渣结构及理论 1 熔渣理论及模型结构单元：分子。 简单氧化物（或称自由氧化物） 如：CaO、 MgO、 FeO、 MnO、 SiO2、Al2O3等 复杂化合

7、物（或称结合氧化物）： 如2CaOSiO2， CaOSiO2、3CaOP2O5等基本观点基本观点分子间的作用力为范德华力。 作用力很弱，分子运动容易，高温时分子呈无序状态分布； 可假定熔渣为理想溶液，各组元活度用浓度表示。 在一定条件下，熔渣中的简单氧化物分子与复杂化合物分子间处于动态平衡，如： CaO + SiO2 = CaOSiO2 G = 992470 + 2.15T Jmol1当反应达平衡时，其平衡常数为 熔渣的性质主要取决于自由氧化物的浓度，只有自由氧化物参加与熔渣中其它组元的化学反应。22SiOCaOSiOCaOxxxK二、二、 熔渣结构及理论熔渣结构及理论 1 熔渣理论及模型基本

8、观点基本观点二、二、 熔渣结构及理论熔渣结构及理论 1 熔渣理论及模型应用应用（FeO）=Fe（l）+O （CaO）+S=（CaS）+O二、二、 熔渣结构及理论熔渣结构及理论 1 熔渣理论及模型缺陷缺陷 不能运用分子理论进行定量计算。 对于脱硫反应，将一定温度下平衡时各组元的活度值代入上面的平衡常数 K 表达式中，结果发现 K 不为常数。 分子理论不能解释FeO在脱硫中的作用。 根据分子理论，降低渣的FeO含量有利于脱硫。 实验发现，无论是纯FeO渣还是含FeO的渣均具有一定的脱硫作用。 与熔渣性能缺乏联系，无法解释熔渣的导电性。 熔渣可导电、可电解。 二、二、 熔渣结构及理论熔渣结构及理论

9、1 熔渣理论及模型 熔渣导电，可以电解； X射线结构分析表明，组成炉渣的简单氧化物和复杂化合物的基本单元均为离子； 统计热力学为离子理论的建立提供了理论基础。基本观点基本观点离子存在状态：简单正、负离子：CaO、MnO、MgO、CaS的离子平衡；复合负离子：由SiO2、P2O5、Al2O3形成。222224242232CaOCaOCaFCa2FSiO2OSiOAl OO2AlO二、二、 熔渣结构及理论熔渣结构及理论 1 熔渣理论及模型基本观点基本观点离子间作用力：库仑力2222orreZF222orrZIF=Ie2rZem广义力矩：Z/r称为电荷半径比。正离子的电荷半径比愈大，其对O2-的引力

10、也就愈强。二、二、 熔渣结构及理论熔渣结构及理论 1 熔渣理论及模型基本观点基本观点复合阴离子的聚合和解体：4-4-62-44274-6-6-2-42739SiO +SiOSi O +OSiO +Si OSi O +2O 硅氧复合离子的聚合 随着渣中Si氧化物增加，需消耗O2转变成复合离子，许多个离子SiO44聚合起来共用O2，形成复杂的复合离子。 硅氧复合离子的解体 随着渣中的O/Si原子比增加，O2可使熔渣中复杂硅氧复合离子分裂成结构比较简单的硅氧复合离子。 熔渣中可能有许多种硅氧复合离子平衡共存。二、二、 熔渣结构及理论熔渣结构及理论 1 熔渣理论及模型二、二、 熔渣结构及理论熔渣结构及

11、理论 1 熔渣理论及模型二、二、 熔渣结构及理论熔渣结构及理论 1 熔渣理论及模型基本观点基本观点 氧的三种存在形态： （1）桥键氧O0（饱和氧）（2）非桥键氧O-（非饱和氧）（3）自由氧离子O2-02-2OO +O三种离子间存在平衡 不少复合离子的结构是人为的揣测和假定。 如铝氧离子：AlO2、AlO33、Al2O42铁氧离子：FeO2、Fe2O42、Fe2O52、FeO33 熔渣中同时存在游离的离子、游离氧化物和类似于化合物分子的络合物。 例如，在含FeO和SiO2的熔渣中，络合物分子Fe2SiO4与游离的离子Fe2+、SiO44以及游离氧化物FeO和SiO2之间存在平衡：24244242

12、SiOFeOSiOFeSiOFe2SiOFe二、二、 熔渣结构及理论熔渣结构及理论 1 熔渣理论及模型二、二、 熔渣结构及理论熔渣结构及理论 1 熔渣理论及模型 熔渣由简单离子（Na+、Ca2+、Mg2+、Mn2+、Fe2+，O2、S2、F等）和SiO2、硅酸盐、磷酸盐、铝酸盐等分子组成。 简单离子与分子间存在动态平衡。 熔体的物理化学性能取决于其聚合程度。 熔体的聚合程度可用NBO/T表示。NBO/T：每个四次配位阳离子所具有的非桥氧数。NBO/T值越小，聚合程度越高。三、三、 熔渣模型熔渣模型 1 熔渣理论及模型利用统计方法分别由离子间的作用能（用混合热表示）和离子分布的组态来计算离子溶液

13、形成的偏摩尔焓变量和偏摩尔熵变量，再由此计算熔渣组元的活度。 如：完全离子溶液模型，正规离子溶液模型等。假定硅酸盐熔渣中的各种复合阴离子和氧离子之间存在着聚合型的化学反应平衡。利用这类聚合反应的平衡常数计算熔渣组元的活度。 如：马松（Masson）模型等。三、三、 熔渣模型熔渣模型 1 熔渣理论及模型假设：（1）熔渣完全电离，且正、负离子电荷总数相等；（2）同号离子不论电荷数多少，与其相邻的异号离子间的相互作用完全相同， 同号离子位置交换后，能量不变。偏摩尔焓变Hi=0，同样Hm=0。AAAnaxnBBBnaxn三、三、 熔渣模型熔渣模型 1 熔渣理论及模型lnlnlnmnmnmnA BA B

14、AABBRTamRTanRTaBAnBAnmmBABAnmNmmnmnA BABaxx如 CaF2=Ca2+2F-222CaFCaFaxxmnmnA BABaaaAmBn=mA+nB-三、三、 熔渣模型熔渣模型 1 熔渣理论及模型例:渣成分 CaO SiO2 Al2O3 MnO MgO FeO P2O5 S %SFe wt% 46.9 10.22 2.27 3.09 6.88 29.0 1.2 0.45 0.041 利用完全离子模型求硫的分配比LS=aFeS/ aS。 解： 222()2()lFeeFeSeS 22()()lFeSFeS平衡常数 2FeSFeSSSSxxaLaa取100g渣作为

15、计算单元，则ni=(wi/w)/Mi三、三、 熔渣模型熔渣模型 1 熔渣理论及模型 CaO SiO2 Al2O3 MnO MgO FeO P2O5 Sni/100g渣中 0.083 0.170 0.022 0.044 0.172 0.400 0.008 0.014计算正离子总数：依2+2-2+2-2+2-2+2-CaOCa+OFeOFe +OMnOMn+OMgOMg +OFeOMgOMnOCaOFeMgMnCannnnnnnnn2222453. 1044. 0400. 0172. 0837. 0三、三、 熔渣模型熔渣模型 1 熔渣理论及模型负离子总数：碱性氧化物提供O2-，而酸性氧化物消耗O2

16、-，同时产生复杂阴离子。4-2422-4-24SiOSiO2-SiOSiO +2O =SiO n=n 2nO消耗的3-254252-3-254P OPO2-P OP O +3O =2PO n=2n 3nO消耗的3-233232-3-233Al OAlO2-Al OAl O +3O =2AlO n=2n 3nO消耗的三、三、 熔渣模型熔渣模型 1 熔渣理论及模型综上，243324423OSiOPOAl OSnnnnnn 222523SiOP OAl OSnnnnn 014. 0022. 0008. 017. 0453. 1267. 1所以，011. 0267. 1014. 0277. 0453.

17、 140. 02222nnxnnxSSFeFe则22 0.277 0.0110.074/0.041FeSSSxxLww三、三、 熔渣模型熔渣模型 1 熔渣理论及模型由实验知，反应（1）的平衡常数与温度关系：920log0.5784SLT完全离子溶液理论计算结果与实验数据较为吻合。222222FeSFeSFeSFeSFeSaxxSS1873 L0.0851773 L0.080TKTK离子平均活度系数：前提：仅适用于高碱度渣（wSiO2）10%当熔渣（wSiO2）为10%30%，考虑对完全离子溶液的偏差：（1）电当量分数：一个n价正离子应相当于n个一价正离子。2222 22ABABABABnnxx

18、nnnn三、三、 熔渣模型熔渣模型 1 熔渣理论及模型针对完全离子溶液模型的修正。AX-BX2熔体中：电当量分数通式：kkkAAAknxkn（2）离子反应的平衡商 异号离子间反应相互干扰，对反应有影响；且各自影响程度不同。例，钢液的脱硫反应：S+（O2-）=（S2-）+O （1）渣中有Ca2+、 Fe2+、 Mn2+、 Mg2+。仅考虑Ca2+、 Fe2+，则可写成： 22,Ca FeCa FeSOSO三、三、 熔渣模型熔渣模型 1 熔渣理论及模型 SCaOCaSO SFeOFeSO22CaFeCaFeGxGxG三、三、 熔渣模型熔渣模型 1 熔渣理论及模型对G亦有类似的等式：2222lnln

19、lnCaFeCaFeCaFeCaFeGxGxGKxKxK 222222OOSSSSSOOOxKKfx 22lnlnlnlnCaFeCaFeKxKxKf一般情况下，lnf（）很小，可忽略，故得：lnKlniixK（1）依有关离子反应的平衡实验，以lnKxi作图， xi1（xj 0）（2）由已知数据（含离子i化合物单独参加反应的Gi）， Gi=-RTlnKi，若两者相差不大，表明处理得当。若相差大，说明不可略，用平衡商处理则误差大。 SOOSxxK22反应中的O2-分别由(CaO)、(FeO)、( MnO)、( MgO)、( Na2O)提供，例如Ward等对含Ca2+、 Fe2+、 Mn2+、 M

20、g2+、 Na+的渣与铁中S 反应 S+（O2-）= （S2-） +O，由定义三、三、 熔渣模型熔渣模型 1 熔渣理论及模型 42.66 63. 1logK 102.82 55. 3logK 101.32 88. 1logK 102.51 60. 1logK 106.45 19. 1logK K Na222-Mg2-Mn2-Fe2-Ca1873OSNaSONaOMgSSMgOOMnSSMnOOFeSSFeOOCaSSCaO22222222 logKlogloglogloglog 1.191.601.883.551.63 CaFeMnMgNaCaFeMnMgNaCaFeMnMgNaxKxKxKx

21、KxKxxxxx 根据S在渣金间的平衡实验，用logK对xi作图，外推 至xi1logK= logKi，对logKi进行修正，如logKFe由-1.60 -1.90。三、三、 熔渣模型熔渣模型 1 熔渣理论及模型2222log3.5CaFeMnMgKxxxx三、三、 熔渣模型熔渣模型 1 熔渣理论及模型假设：（1）氧化物离解为Si2+、Ca2+、O2-等离子；（2）正离子在负离子间隙无规则分布，作用能不等。iERTGHiiln1nnEmmijijij iHGx x 适用于高碱度氧化渣，处理钢液与渣中S、P分配； 不涉及SixOy的结构问题。三、三、 熔渣模型熔渣模型 1 熔渣

22、理论及模型结构相关模型：（1）MOM2+O2-，SiO2+O2-SiO42-聚合；（2）所有硅氧离子聚合反应的K相等；（3）熔体为理想溶液。（正离子、负离子理想溶液）aMO的计算公式：21112111(1)SiOMOMOxaaK 适用于二元渣系硅酸盐内aMeO的计算。冶金物理化学 2 熔渣物理化学性质东北大学材料与冶金学院东北大学材料与冶金学院冶金物理化学 熔渣中： CaO、MnO、FeO、MgO、CaF2、Fe2O3、A12O3、TiO2、SiO2、P2O5 碱性增强中性（两性）酸性增强 对于同一种金属，通常其高价氧化物显酸性或两性，而其低价氧化物显碱性。如Fe、V等。一、一、 熔渣碱度（酸

23、度）熔渣碱度（酸度） 2熔渣物理化学性质 碱性氧化物：能供给氧离子O2的氧化物如：CaO、MnO、FeO、MgO、Na2O、TiO等， CaO Ca2+ + O2 酸性氧化物：能吸收O2而形成复合阴离子的氧化物 如：SiO2、P2O5、 V2O5等， SiO2 + 2O2 = SiO42 两性氧化物：在强酸性渣中可供给O2而呈碱性，而在强碱性 渣中会吸收O2形成复合阴离子而呈酸性的氧化物 如： Al2O3、Fe2O3、Cr2O3、ZnO等， Al2O3 2Al3+ + 3O2Al2O3 + O2 = 2AlO2一、一、 熔渣碱度（酸度）熔渣碱度（酸度） 2熔渣物理化学性质冶金中常用的碱度表示方

24、法 （1）质量百分比：2%CaOR=%SiO（2）用xi表示：2CaOSiOxR=x223CaOMgOSiOAl Ox+xR=x+x（3）光学碱度：测O2-活度。离子理论把渣中aO2-的大小作为判断熔渣酸碱性强弱的标准， 而渣中aO2- 大小由渣中存在的正离子静电势大小决定。)(%18. 1%522OPSiOCaOR一、一、 熔渣碱度（酸度）熔渣碱度（酸度） 2熔渣物理化学性质 碱性氧化物向渣中提供O2，酸性氧化物吸收渣中的自由O2。 碱性氧化物提高a(O2)，酸性氧化物降低a(O2) 。 在离子理论中，aO2 大小作为熔渣酸碱性的量度。 aO2越大，则熔渣的碱度越大；反之，熔渣酸度越大。 2

25、熔渣物理化学性质一、一、 熔渣碱度（酸度）熔渣碱度（酸度） 熔渣aO2 值的大小不表示该渣氧化性的强弱不表示该渣氧化性的强弱。 与熔渣中各种氧化物的数量及种类有关，而熔渣的氧化性只与其中能提供氧的组分（如炼钢渣中的FeO，铜氧化精炼渣中的Cu2O等）的含量有关。44. 14 .811608. 08 .711640. 0561610. 0603236. 0r 2熔渣物理化学性质一、一、 熔渣碱度（酸度）熔渣碱度（酸度） 2熔渣物理化学性质二、二、 熔渣的氧化性熔渣的氧化性熔渣的氧化性熔渣的氧化性熔渣向金属液供氧的能力。 按离子理论，氧由渣金属转移：22 (MO) (M)(O )M O 2e -2

26、e M O 氧化渣向金属液输送氧； (使金属液被氧饱和，或使金属液中的杂质氧化。) 还原渣从金属液中吸收氧； （使金属液脱氧的渣。 ） 熔渣的供氧能力或吸收氧的能力取决于熔渣中与金属液中氧势的相对大小。 2熔渣物理化学性质二、二、 熔渣的氧化性熔渣的氧化性 与渣的组成和温度有关，用渣中能提供氧的组分的含量进行表征。 2熔渣物理化学性质二、二、 熔渣的氧化性熔渣的氧化性氧的转移（MO） M+O )(MOMOaaaK ()MOMOaaaK一定温度下，熔渣的氧化性由a(MeO)、aM决定。 熔渣的各种氧化物（如CaO、MgO、MnO、FeO等）中，FeO最不稳定性，供氧可能性最大； 2熔渣物理化学性

27、质二、二、 熔渣的氧化性熔渣的氧化性氧的转移（MO） M+O )(MOMOaaaK ()MOMOaaaK一定温度下，熔渣的氧化性由a(MeO)、aM决定。由于a(Mg)、a(Mn)等在钢液中不恒定，而a(Fe)恒定，因此： 钢铁冶金中，用渣中FeO的活度a(FeO)表示熔渣的氧化性。注意：a(FeO)、 a(O2-)不要混淆； 不能以a(O2-)的大小判定渣的氧化性。 2熔渣物理化学性质二、二、 熔渣的氧化性熔渣的氧化性(FeO)OFeOFe)FeO(aaaKOO(FeO)/wwKLa 2熔渣物理化学性质二、二、 熔渣的氧化性熔渣的氧化性（1）全铁折合法Fe2O3 2FeO322OFeFeOO

28、Fennnt23()()()0.9tFe OFeOFe Owwwmol分数质量分数（2）全氧折合法 Fe2O3 3FeO23()()()1.35tFe OFeOFe Owwwmol分数质量分数233tFe OFeOFe Onnn23 (FeO+Fe O ) Fe(l) 渣金界面 2熔渣物理化学性质二、二、 熔渣的氧化性熔渣的氧化性（1）渣气平衡法（FeO）+CO（g）=Fe（s）+CO2（g） FeOCOCOFeOFeCOCOaPPaaPPK1221RTGaPPKFeOCOCO11lnlnln2COCOFeOPPRTGa2lnln1*,FefusTT 仅适用于 2熔渣物理化学性质二、二、 熔渣

29、的氧化性熔渣的氧化性（2）渣铁平衡法 （FeO）渣 含O铁液 纯FeO（l） 氧饱和铁液（FeO）=Fe（l）+O 待测渣 (/)OOOFeOfwwKa(/)OOFeOOfwwaK1750log(0.76)(/)( /)OOfwwT K 2熔渣物理化学性质二、二、 熔渣的氧化性熔渣的氧化性（2）渣铁平衡法 纯FeO（l） 氧饱和铁液FeO=Fe（l）+Osat 2(/)satO satOOsatKafww2OKKlogloglog(/)loglog(/)satFeOOOOOsatafwwfww(/)OOFeOOfwwaK(/)(/)satOOFeOOOsatfwwafww 2熔渣物理化学性质二

30、、二、 熔渣的氧化性熔渣的氧化性（2）渣铁平衡法logloglog(/)loglog(/)satFeOOOOOsatafwwfww1750log(0.76)(/)( /)OOfwwT K (/),(/)FeOOOsatafwwww方法1、直接实验测定。方法2、日本学者盛利真利用Chipman经验公式（1943年）：6320log(/)2.734( /)OsatwwT K 2熔渣物理化学性质二、二、 熔渣的氧化性熔渣的氧化性（2）渣铁平衡法logloglog(/)loglog(/)satFeOOOOOsatafwwfww方法3、近似计算1Of(/)(/)satOOFeOOOsatfwwafww1

31、O satf(/)(/)OFeOOsatwwaww(/)0.23OFeOwwa1600铁液中氧溶解度0.23%， 2熔渣物理化学性质二、二、 熔渣的氧化性熔渣的氧化性（1）SiO2 Chipman法，1954Si-Fe平衡，测CaO-SiO2二元系和CaO-SiO2-Al2O3三元系中aSiO2 （SiO2）+2C（石墨）=SiFe+2CO（g） 221()SiCOSiOaPKaPPPCO21()SiSiOaKa2()1SiSiOaaK1lnGKRT SiSiSiSiFe(/)axww（1）精确度受他人工作限制；（2）仅适用于SiO2含量不太高的渣系。 2熔渣物理化学性质二、二、 熔渣的氧化性

32、熔渣的氧化性（1）SiO2 Chipman法，当SiO2含量较高时，（SiO2）+2C（石墨）= SiFe+2CO（g） SiFe+C（石墨）= SiC（S）（SiO2）+3C（石墨）=SiC（S）+2CO（g） 223SiOCOaPPK322KPPaCOSiO 2熔渣物理化学性质二、二、 熔渣的氧化性熔渣的氧化性（1）SiO2 邹元燨法（SiO2）+2H2= SiCu+2H2O（g） 技巧：（1）溶剂选择；（2）参考渣CaO-SiO2、CaO-SiO2-Al2O3中： 21222HOHSiOSiPPaaK1Sif21222HOHSiOSiPPaxK 2熔渣物理化学性质二、二、 熔渣的氧化性熔

33、渣的氧化性（1）SiO2 邹元燨法（SiO2）饱和+2H2= SiCu+2H2O（g） 技巧：（1）溶剂选择；（2）参考渣CaO-SiO2、CaO-SiO2-Al2O3中： 22222222H OH OSiSiSiOHHPPxKxaPP21KK 2SiSiSiOxxa2SiSiOSixax 2熔渣物理化学性质二、二、 熔渣的氧化性熔渣的氧化性（1）SiO2 2熔渣物理化学性质二、二、 熔渣的氧化性熔渣的氧化性（2）CaO平衡反应 （CaO）+C（石墨）=CaSn+CO（g） 参考渣 （CaO）饱和+C（石墨）=CaSn+CO（g） 1COCaCaOCPaPKaaCaCaOxa2COCaCaOC

34、PaPKaaCax21KK 2熔渣物理化学性质二、二、 熔渣的氧化性熔渣的氧化性（3）MnO在FeO-MnO二元渣系与铁液间的分配平衡 （FeO）+Mn=Fe（l）+（MnO） (/)MnOFeOMnxKxww（1）FeO-MnO构成理想溶液；（2）MnFe服从亨利定律。 6440loglog2.95%( /)MnOFeOxKxMnT K 2熔渣物理化学性质二、二、 熔渣的氧化性熔渣的氧化性（4）P2O52P+5O+3(CaO) =(3CaOP2O5) 2P+5O+3(MnO)=(3MnOP2O5) 2P+5O+3(MgO)=(3MgOP2O5) 2P+5O+3(FeO) =(3FeOP2O5

35、) 2P+5O =（P2O5） 2525loglogP OPOaKaa252525logP OP OPOxaa252525 logloglogP OP OPOxKaaK 2熔渣物理化学性质二、二、 熔渣的氧化性熔渣的氧化性（4）P2O525loglogP OKK25logloglogP OKK22222211513122iiCaMgMnFeSiAxxxxxxK，K是与炉渣组成、温度有关的量。经验公式： 25log1.12P OiiAxB 4200023.58( /)BT K 2熔渣物理化学性质三、三、 熔渣的其它性质熔渣的其它性质 影响金属与熔渣、熔锍与熔渣的分离，影响回收率。影响金属与熔渣、

36、熔锍与熔渣的分离，影响回收率。 随着温度升高而减小。随着温度升高而减小。 熔融的铁及常见重有色金属：熔融的铁及常见重有色金属：711 103 kgm 3 熔渣：熔渣：30004000 kgm 3 生产实践中，金属（或熔锍）与熔渣的密度差通常不生产实践中，金属（或熔锍）与熔渣的密度差通常不应低于应低于1500 kgm 3。 温度温度 / K温度温度 / C密度密度 / 103kgm 3铁液的密度与温度的关系 2熔渣物理化学性质三、三、 熔渣的其它性质熔渣的其它性质 2熔渣物理化学性质三、三、 熔渣的其它性质熔渣的其它性质 在一定温度范围内熔化，无确定熔点，冷却曲线上无平台。在一定温度范围内熔化，

37、无确定熔点，冷却曲线上无平台。 熔化温度熔化温度：由其固态物质由其固态物质均匀液态时的温度。均匀液态时的温度。 凝固温度：冷却时，开始析出固相的温度。凝固温度：冷却时，开始析出固相的温度。 熔化温度与熔体组成有关。熔化温度与熔体组成有关。 例如，铁液中：例如，铁液中： 非金属元素非金属元素C、O、S、P等使能其熔化温度显著降低，等使能其熔化温度显著降低，含含1%C的铁液的熔化温度比纯铁熔点低的铁液的熔化温度比纯铁熔点低90 C； 由由Mn、Cr、Ni、Co、Mo等金属元素引起的铁液熔化温等金属元素引起的铁液熔化温度的降低很小。度的降低很小。 2熔渣物理化学性质三、三、 熔渣的其它性质熔渣的其它

38、性质熔化等温线图 2熔渣物理化学性质 层流体之间产生的内摩擦力，阻止两流体层的相对运动。层流体之间产生的内摩擦力，阻止两流体层的相对运动。内摩擦力内摩擦力 F 的由的由牛顿粘性定律牛顿粘性定律确定：确定： dxdvAF 2熔渣物理化学性质三、三、 熔渣的其它性质熔渣的其它性质 单位单位：Pas，泊，泊(P)，厘泊，厘泊(cP) 1Pas = 10P， 1P = 100cP 运动粘度运动粘度（ ）：）： = / m2s 1 或或St（1m2s 1 = 104St） 流体的流动性流体的流动性：运动粘度的倒数：运动粘度的倒数 。 2熔渣物理化学性质三、三、 熔渣的其它性质熔渣的其它性质温温 度度粘粘

39、 度度 2熔渣物理化学性质三、三、 熔渣的其它性质熔渣的其它性质Al2O3NCaONSiO2 N图49 CaOA12O3SiO2系熔渣在1900C时的等粘度曲线（0.1Pas） 2熔渣物理化学性质三、三、 熔渣的其它性质熔渣的其它性质 熔体导电性能重要：熔体导电性能重要： 电弧炉炼钢、电渣重熔电弧炉炼钢、电渣重熔 ，熔盐电解，熔盐电解 导电性的表示：导电性的表示：电导率（电导率（ ）为电阻率（）为电阻率（ ，单位，单位 m）的倒数：）的倒数： = 1/ 2熔渣物理化学性质三、三、 熔渣的其它性质熔渣的其它性质 金属熔体：通常是电的良好导体。金属熔体：通常是电的良好导体。 熔渣：电导率差别很大，

40、取决于其中氧化物的结构。熔渣：电导率差别很大，取决于其中氧化物的结构。 熔盐：离子熔体，通常具有良好的导电性能。熔盐：离子熔体，通常具有良好的导电性能。 熔锍：导电性能远好于熔盐和熔渣，但明显低于金属熔体。熔锍：导电性能远好于熔盐和熔渣，但明显低于金属熔体。 2熔渣物理化学性质三、三、 熔渣的其它性质熔渣的其它性质界面张力表面张力 2熔渣物理化学性质三、三、 熔渣的其它性质熔渣的其它性质当达到平衡时，固相与熔体间的界面张力为：当达到平衡时，固相与熔体间的界面张力为： 12 固相与熔体间的界面张力；固相与熔体间的界面张力； 1 固相与气相间的表面张力固相与气相间的表面张力； 2 熔体与气相间的表

41、面张力；熔体与气相间的表面张力； 接触角或润湿角。接触角或润湿角。 cos2112 2熔渣物理化学性质三、三、 熔渣的其它性质熔渣的其它性质cos2sm2s2mms 2熔渣物理化学性质三、三、 熔渣的其它性质熔渣的其它性质添加物含量添加物含量 / %(质量质量)界面张力界面张力 / Nm 1图 熔渣组成对铁液熔渣间界面张力的影响 2熔渣物理化学性质三、三、 熔渣的其它性质熔渣的其它性质冶金物理化学 5.3 脱硫热力学脱硫热力学东北大学材料与冶金学院东北大学材料与冶金学院冶金物理化学5.3 脱硫热力学脱硫热力学以往授课内容的回顾以往授课内容的回顾pJTGGlnR5.3 脱硫热力学脱硫热力学5.3

42、.1 硫对钢性能影响硫对钢性能影响以硫化铁的形式存在时，导致以硫化铁的形式存在时，导致“热脆现象热脆现象” 以硫化物夹杂形式存在，降低钢的延展性和韧性等以硫化物夹杂形式存在，降低钢的延展性和韧性等力学性能力学性能利用热脆现象，生产易切削钢。利用热脆现象，生产易切削钢。 Fe-FeS相图相图5.3 脱硫热力学脱硫热力学5.3.1 硫对钢性能影响硫对钢性能影响 (续续)FeFeS5.3 脱硫热力学脱硫热力学5.3.1 硫对钢性能影响硫对钢性能影响(续）续）5.3 脱硫热力学脱硫热力学5.3.1 硫对钢性能影响硫对钢性能影响 (续续)生铁：合格品生铁：合格品 ws /w0.07 一级品一级品 ws

43、/w0.03 钢：根据钢种不同，一般钢：根据钢种不同，一般ws /w=0.0160.045 特殊材料电机及变压器用的软磁材料，特殊材料电机及变压器用的软磁材料， ws /w 0.01 为提高钢材力学性能，必须进一步脱硫为提高钢材力学性能，必须进一步脱硫生产纯净钢生产纯净钢5.3 脱硫热力学脱硫热力学气化脱硫气化脱硫渣化渣化气化脱硫：气化脱硫：S SO2(g)制约条件：制约条件： 高炉炼铁流程中，烧结和高炉工艺可以部分气化脱硫高炉炼铁流程中，烧结和高炉工艺可以部分气化脱硫 但实际上但实际上 1）烧结矿高碱度，难以气化脱硫）烧结矿高碱度，难以气化脱硫 2）环境保护，不允许气化脱硫）环境保护，不允许

44、气化脱硫5.3.1 硫对钢性能影响硫对钢性能影响 (续续)渣化脱硫：渣化脱硫：S (CaS) or (CaSO4) 固化于渣中固化于渣中5.3 脱硫热力学脱硫热力学5.3.2 硫在炉渣中赋存形态硫在炉渣中赋存形态（S2-）+2O2（g）（SO2-）（CaS）+2O2（g）(CaSO ）1molJ)K/(4 .377952000TG2OSSO)(2224ppaaK当 时， 1224SSOaa5OO4OO1081. 6,5948. 9lnK,17731082. 3,8708. 7lnK,1873ln22222ppppppppPPO5.3 脱硫热力学脱硫热力学5.3.2 硫在炉渣中赋存形态硫在炉渣中

45、赋存形态 (续续)10-4, 以以SO42-存在存在10-6，以，以S2-存在存在pp2O钢铁冶金中：钢铁冶金中：炼铁：炼铁：电炉炼钢还原期：电炉炼钢还原期：1614O10102pp98O10102pp硫在渣中主要硫在渣中主要以以S2-形态存在形态存在5.3 脱硫热力学脱硫热力学5.3.3 脱硫热力学脱硫热力学S从钢液中向渣中转移过程：从钢液中向渣中转移过程： S + 2e =（S2-）(O2-) - 2e = OS + (O2-) = (S2-) + O )(OSO)(S)(OSO)(SS2222S%S)(%afafaaaaK5.3 脱硫热力学脱硫热力学5.3.3 脱硫热力学脱硫热力学 (续

46、续)硫在渣硫在渣-金间的分配比：金间的分配比： )(S%S%)(SO)(OSS)(SO)(OSSS2222faafKffaafKL，温度温度钢水成分钢水成分碱度碱度氧势氧势 氧势（炉渣氧化性）氧势（炉渣氧化性） aO，Ls 但注意：若但注意：若FeO10mol， FeO，Ls（碱度）（碱度）渣组成渣组成5.3 脱硫热力学脱硫热力学5.3.3 脱硫热力学（续）脱硫热力学（续）钢水成分钢水成分 fS 温度温度 渣成分渣成分a（CaO），aO2-，Ls但但CaO过高过高，导致渣熔点上升恶化渣的流动性，导致渣熔点上升恶化渣的流动性，Ls wj/wS+（CaO）（）（CaS）+O1molJ)K/(25.29109000TG属于吸热反应属于吸热反应:T ，K，Ls5.3 脱硫热力学脱硫热力学5.3.3 脱硫热力学（续）脱硫热力学（续）C、脱硫的最佳热力学条件：脱硫的最佳热力学条件：高温高温高碱度高碱度低氧势（还原气氛）低氧势（还原气氛）铁（钢）水成分合适铁（钢）水成分合适高硫容渣高硫容渣5.3 脱硫热力学脱硫热力学根据热力学分析根据热力学分析5.3.4 关于脱硫的几个问题关于脱硫的几个问题气化脱硫气化脱硫渣化渣化 高温高温高碱度高碱度低氧势（还原气氛）低氧