冶金原理第三章

3.1概述冶金熔体：在火法冶金过程中处于熔融状态的反应介质和反应产物。冶金熔体分为四类：金属熔体、冶金熔渣、冶金熔盐和冶金熔锍。1.金属熔体：指液态的金属和合金。（铁水、钢水）2.冶金熔盐：是盐类熔化形成的熔体，由阴离子和阳离子组成的离子熔体。（冶金中主要用于金属及其合金的电解与精炼）3.冶金熔锍：多种金属硫化物的共熔体。熔锍：有色重金属硫化物与铁的硫化物的共熔体。一般写成MeS+FeS的共熔体。4.冶金熔渣：各种氧化物组成的熔体。1）熔渣的概念和组成熔渣：主要是各种氧化物组成的熔体。成分：熔渣是一种非常复杂的多组分体系如CaO、FeO、SiO2、MnO、MgO、Al2O3、P2O5、Fe2O3。除氧化物外，炉渣还可能含有少量其它类型的化合物甚至金属如氟化物（如CaF2)，氯化物（NaCl），硫化物（CaS、MnS),硫酸盐等。(1)熔渣中单独的氧化物的熔点都很高。(2)原料中加入溶剂的目的是为了调整熔渣的酸碱性，形成冶金条件下能熔化并自由流动的低熔点熔渣。(助熔）(3)冶金熔渣中含量最多的氧化物只有三个：CaO、SiO2、FeO高炉炼铁熔渣：CaO，SiO2，Al2O3，MgO炼钢熔渣：CaO，SiO2，FeO，Fe2O3有色冶金熔渣为：CaO，Al2O3，SiO2、FeO2）炉渣的分类(1)冶炼渣是在以矿石或精矿为原料、以粗金属或熔锍为冶炼产物的熔炼过程中生成的。主要作用:在于汇集炉料（矿石或精矿、燃料、熔剂等）中的全部脉石成分、灰分以及大部分杂质，从而使其与熔融的主要冶炼产物（金属、熔锍等）分离。例如，高炉炼铁。(2)精炼渣（氧化渣）是粗金属精炼过程的产物。主要作用:是捕集粗金属中杂质元素的氧化产物，使之与主金属分离。RHLF(3)富集渣作用:在于使原料中的某些有用成分富集于炉渣中，以便在后续工序中将它们回收利用。钒钛铌渣(4)合成渣按炉渣所起的冶金作用，而采用各种造渣材料预先配制的炉渣，称为合成渣；例如：电渣重熔用渣、LF精炼渣、中间包保护渣、结晶器保护渣等。例如，电渣重熔渣一方面作为发热体，为精炼提供所需要的热量；另一方面还能脱除金属液中的杂质，吸收非金属夹杂物。保护渣的主要作用是减少熔融金属液面与大气的接触，防止其二次氧化，减少金属液面的热损失。3）熔渣组分的来源主要来自矿石、熔剂和燃料灰分中的造渣成分。还有被熔融金属或熔渣侵蚀和冲刷下来的炉衬材料如碱性炉渣炼钢时，MgO主要来自镁砂炉衬。4）熔渣在冶金中的作用分离或吸收杂质；富集有用金属氧化物；精炼金属；防止污染减少热损失等。炉渣作用都是靠控制炉渣的化学成分、温度及其所具有的物理化学性质来实现的。3.2炉渣的结构1.分子结构假说（理论）分子结构要点1）熔渣的基本结构单位为电中性的分子简单分子：以简单氧化物存在的为自由氧化物，又称自由分子。例如：CaO、MgO、FeO、Al2O3、FeS复杂分子：以复杂氧化物存在的为复合氧化物，又称结合分子。例如：2CaO.SiO2、3CaO.SiO2、3CaO.P2O5、2FeO.SiO22）结构单元间的作用力为分子间的引力（范德华力）3）熔渣可视为理想溶液4）简单分子与复杂分子之间存在动态平衡（2CaO.SiO2）=2（CaO）+（SiO2）2（FeO）+（SiO2）=（2FeO.SiO2）5）只有自由氧化物分子具有反应能力，而复杂化合物只有分解或被置换成简单化合物后，才能参与反应。自由的CaO能脱硫，但CaO.SiO2则不能脱硫；熔渣的氧化能力取决于自由FeO的浓度2（FeO）+[Si]=(SiO2)+2Fe分子理论缺点1）定量计算困难，容易产生很大误差。原因是熔渣中复合化合物种类多、数量大，分子式很难确定。2）不能解释FeO也能脱硫的事实。硫在FeO渣和铁水中的分配比可达3.6。（FeO）+[FeS]=(FeS)+[FeO]3）无法解释熔融炉渣的带电现象。2.离子结构假说（理论）离子结构要点1）熔渣的基本结构单元为带电质子简单阴离子：O2-、S2-、F-简单阳离子：Ca2+、Mg2+、Mn2+、Fe2+复合阴离子：SiO44-、Si2O76-、AlO2-、AlO33-、PO43-2）正负离子间的作用力是静电引力（库仑力）3）渣—金反应为电化学反应：正极反应：[S]+2e=(S2-)负极反应：O2--2e=[O]电池反应：(O2-)+[S]=(S2-)+[O]4）熔渣中，电荷大而离子半径小的简单阳离子最容易与阴离子结合成配合阴离子。P5++O2-PO43-5）配合阴离子是由阴离子将阳离子包围起来形成的紧密结合体，如硅氧配合阴离子SiO44-，磷氧配合阴离子P2O74-，铝氧配合AlO45-3.硅氧复合阴离子的种类硅氧复合阴离子（SixOyz-)是硅酸盐渣系中最主要的复合阴离子，它的基本构成单位是正硅酸根离子：SiO44-硅氧复合阴离子的聚合和解体反应：3SiO44-Si3O96-+3O2-随O/Si比下降，O2-共用数量基本上增加，粘度增加，离子半径增加。在相同温度下，SiO44-组成的熔渣粘度П最小，由SiO2组成的炉渣粘度最大。