中南大学冶金原理PPT第4章

第四章冶金熔体的物理性质4.1熔化温度4.2密度4.3粘度4.4导电性4.5熔体组分的扩散系数4.6表面性质与界面性质第四章冶金熔体的物理性质4.1熔化温度冶金熔体在一定的温度范围内熔化，没有确定的熔点，冷却曲线上无平台。熔化温度——冶金熔体由其固态物质完全转变成均匀的液态时的温度。凝固温度或凝固点——冶金熔体在冷却时开始析出固相时的温度。常见冶金熔体的熔化温度范围表4—1熔化温度与熔体组成有关。例如，在铁液中非金属元素C、O、S、P等使能其熔化温度显著降低，含1%C的铁液的熔化温度比纯铁熔点低~90C；由Mn、Cr、Ni、Co、Mo等金属元素引起的铁液熔化温度的降低很小。4.1熔化温度表41常见冶金熔体的熔化温度物质熔化温度/C金属工业纯铁1530Fe1538Ni1453Cu1083Pb327.5熔盐铝电解质~960镁电解质580~700锂电解质350~360熔渣1100~1400熔锍700~11004.1熔化温度冶炼镍铜品位低、钙镁含量高的镍精矿时的渣型选择根据矿石成分的变化可选择两种酸性渣型：高硅渣和高钙渣两种渣型都能抑制氧化镁和磁性氧化铁的有害作用。对于含镁高的矿石，采用高硅渣可以增加炉渣硅酸度，抑制MgO(熔点约2800C)的危害，同时使Fe3O4造渣：2MgO+SiO2=2MgO·SiO22Fe3O4+FeS+5SiO2=5(2FeO·SiO2)+SO2SiO2的加入量随原料成分而变化。图中A点代表高硅渣中SiO2含量的下限，B点代表其上限。高硅渣的熔化温度大致在1400~1500C之间。炼镍鼓风炉的风口区温度可达1500~1800C，足以保证渣的过热与排放。4.1熔化温度图41MgOFeOSiO2渣系熔化等温线图4.1熔化温度当炼镍原料中含有较多的CaO时，可选用高钙渣。图42中的C点为高钙渣CaO含量的下限，位于鳞石英相区内1200C等温线下面。D点代表高钙渣CaO含量的上限，位于硅灰石CaOSiO2相区，紧靠1100C等温线。高钙渣的熔化温度处于1100～1200C之间。由于渣中MgO含量约为4%~9%或更高，高钙渣的熔化温度可能更高。结论高钙渣的熔化温度比高硅渣低。对于高镁原料，在强化熔炼和其它因素变化不大的情况下，选用高硅渣或高钙渣，均能正常冶炼并得到低的渣含镍。4.1熔化温度图42CaOFeOSiO2渣系熔化等温线图4.1熔化温度密度——单位体积的质量。密度影响金属与熔渣、熔锍与熔渣、金属与熔盐的分离，影响金属的回收率。金属或熔锍微粒在熔渣中的沉降——斯托克斯公式：V——沉降速度，m·s–1rM——金属或锍微粒的半径，mM,S——金属和熔渣的密度，kg·m–3S——熔渣的粘度，Pa·sg——重力加速度，9.80m·s–24.2密度)(92SMS2Mgrv4.2密度一、常见冶金熔体的密度范围熔融的铁及常见重有色金属：7000~11000kg·m3铝电解质：2095~2111kg·m3镁电解质：1700~1800kg·m3熔渣：3000~4000kg·m3熔锍：4000~5000kg·m3生产实践中，金属（或熔锍）与熔渣的密度差通常不应低于1500kg·m3。4.2密度二、密度与温度的关系熔体的密度随着温度升高而减小，且通常遵从线性关系：T=m(TTm)T——熔体在某一温度T时的密度；m——熔体在熔化温度Tm时的密度；——与熔体性质有关的常数。或：T=T对于纯铁液：T=85800.853Tkg·m3表42某些熔体密度公式中的系数熔体纯铁纯铝冰晶石NaFCaF2MgCl2BaCl2LiClKCl8580248732882734317919764015188421360.8530.2720.9370.6100.3910.3020.6810.4330.5834.2密度温度/K温度/°C密度/103kg•m3图43铁液的密度与温度的关系4.2密度温度/°C密度/103kg•m3图44A12O3CaOSiO2Na2O渣系的密度4.2密度三、密度与熔体成分的关系1、金属熔体熔融金属的密度与原子量、原子的半径和配位数有关。金属熔体的密度与其中溶解元素的种类有关。溶于铁液的元素中，钨、钼等能提高熔铁的密度。铝、硅、锰、磷、硫等会使熔铁的密度降低。镍、钴、铬等过渡金属对铁液密度的影响则很小。4.2密度缺乏实验数据时，可用固体炉渣的密度代替熔融炉渣的密度。缺乏固态炉渣密度资料的实验数据时，可以近似地由纯氧化物密度，按加和规则估算熔渣的密度：MO——渣中MO的密度%MO——渣中MO的质量分数高温下的熔渣密度可按经验公式计算。13MOMOkgm,)/(%/12、熔渣4.2密度331673mkg10100167307.0，TT当T=1673K时，1/1673=0.45(SiO2)+0.286(CaO)+0.204(FeO)+0.35(Fe2O3)+0.237(MnO)+0.367(MgO)+0.48(P2O5)+0.402(A12O3)，103m3·kg1(MxOy)——氧化物MxOy的质量分数。当T1673K时，可按下式计算任意温度下的熔渣密度：估算冶炼温度下熔渣密度的经验公式：4.2密度CaO/%(质量)Al2O3/%(质量)SiO2SiO2/%(质量)CaO/%(mol)SiO2/%(mol)FeO/%(mol)FeOCaO图45A12O3CaOSiO2渣系的密度（1500C，单位为103kg·m3）图46CaOFeOSiO2渣系的密度（1500C，单位为103kg·m3）4.2密度4.3粘度在层流流体中，流体是由无数互相平行的流体层组成的；相距dx的二相邻流体层，以速度v和v+dv同向流动；两层流体之间将产生一种内摩擦力，力图阻止两流体层的相对运动。内摩擦力F的由牛顿粘性定律确定：F—内摩擦力，NA—相邻两液层的接触面积，m2dv/dx—垂直于流体流动方向上的速度梯度，s-1—粘度系数，动力粘度，简称粘度，Pa·s[kg·m-1·s-1]dxdvAF一、粘度的概念4.3粘度粘度的意义：在单位速度梯度下，作用于平行的液层间单位面积上的摩擦力。粘度的单位：Pa·s，泊(P)，厘泊(cP)1Pa·s=10P，1P=100cP运动粘度（）：=/m2·s1或St（1m2·s1=104St）流体的流动性：运动粘度的倒数粘度的本质：dxdvAdtdpdtdpdtmvddtdvmmaF)(4.3粘度表43各类液体的粘度物质温度/K粘度/Pa·s液态金属Fe18230.005Cu14730.0032Pb11730.0012Sn5930.0013熔盐KCl13080.0007MgCl210810.041熔渣FeOSiO2(SiO2：0~4%)16730.04~0.3CaOSiO2(SiO2：45~60%)18250.02~1.0熔锍1273~0.01玻璃Na2OSiO2(SiO2：50~80%)14731~10水H2O2980.0014.3粘度粘度随着温度的升高而降低升高温度有利于克服熔体中质点流动的能碍——粘流活化能。粘度与温度之间的关系——指数关系式或阿累尼乌斯表达式：A——常数，E——粘流活化能对于大多数冶金熔体，粘度与温度的关系均遵守指数关系式。二、粘度与温度的关系RTEAexp图474.3粘度图47各种熔体的粘度与温度的关系4.3粘度熔渣粘度与温度的关系酸性渣——长渣、稳定性渣粘度随着温度下降平缓地增大，凝固过程的温度范围较宽。酸性渣中硅氧阴离子聚合程度大，结晶性能差，即使冷却到液相线温度以下仍能保持过冷液体的状态。温度降低时，酸性渣中质点活动能力逐渐变差，粘度平缓上升。图484.3粘度温度粘度图48熔渣粘度与温度的关系—碱性渣—酸性渣4.3粘度熔渣粘度与温度的关系（续）碱性渣——短渣或不稳定性渣在高温区域时，温度降低粘度只稍有增大，但降至一定温度粘度突然急剧增大，凝固过程的温度范围较窄。碱性渣的结晶性能强，在接近液相线温度时仍有大量晶体析出，熔渣变成非均相使得粘度迅速增大。熔化性温度——粘度由平缓增大到急剧增大的转变温度。4.3粘度三、金属熔体的粘度纯液态金属的粘度：(0.5~8)103Pa·s接近于熔盐或水的值，远小于熔渣的粘度值。金属熔体的粘度与其中的合金元素有关。例如，1600C时液态铁的粘度当铁中其它元素的总量不超过0.02~0.03%时为(4.7~5.0)103Pa·s；当其它元素总量为0.100~0.122%时升高至(5.5~6.5)103Pa·s。4.3粘度铁液中其它元素对液铁粘度的影响：Si、Mn、Cr、As、A1、Ni、Co和Ge等元素使铁液的粘度下降；V、Ta、Nb、Ti、W和Mo等使铁液的粘度增加；Cu、H和N等元素对铁液粘度的影响很小；C含量在0.5%~1.0%范围内可使铁液粘度降低20%~30%；C含量在0.5%以下时对铁液粘度的影响比较复杂。4.3粘度在A12O3含量不大的碱性渣区域，等粘度线几乎平行于SiO2A12O3边。当渣中CaO含量一定时，用A12O3取代SiO2时不影响粘度值——在碱性渣范围内Al3+可以取代硅氧阴离子中的Si4+而形成硅铝氧阴离子，即A12O3呈酸性。四、熔渣的粘度1、CaO–Al2O3–SiO2系熔渣的等粘度曲线图图494.3粘度Al2O3NCaONSiO2N图49CaOA12O3SiO2系熔渣在1900C时的等粘度曲线（0.1Pa·s）4.3粘度在酸性渣和高A12O3的区域，当CaO含量不变时用A12O3取代SiO2则渣的粘度降低。A12O3呈碱性，对硅氧阴离子有一定的解聚作用。在CaO/A12O3摩尔比等于1的直线AB以左的CaO一侧，A12O3表现出酸性氧化物的行为；在AB线以右的A12O3一侧，A12O3表现出碱性氧化物的性质。4.3粘度图410CaO含量的影响当CaO浓度增加时，等粘度曲线分布的密度增大，即粘度增加得很快。熔渣中出现固相物或使渣的熔化温度升高。SiO2含量的影响当SiO2含量增加时，或SiO2含量不变而CaO含量降低时，等粘度线分布变疏，粘度增大。随SiO2含量增加，硅氧复杂阴离子而进一步聚合形成结构单元更大的离子，致使粘流活化能进一步增大。CaO–Al2O3–SiO2系熔渣的等粘度曲线图（续1）4.3粘度Al2O3/%(质量)CaO/%(质量)SiO2/%(质量)图410CaOA12O3SiO2系熔渣在1500C时的等粘度曲线（0.1Pa·s）4.3粘度A12O3含量的影响A12O3对该渣系粘度的影响没有碱度明显。当碱度一定时，如R=1.1~1.2，当A12O3含量小于10%(质量)时，渣的粘度较小，而且熔化性温度低。当A12O3含量大于10%(质量)时，渣的熔化温度升高，粘度显著提高。其它组元的影响MgO、BaO、Na2O、Na2CO3及CaF2等均能降低渣的熔化温度，并使复杂阴离子解体——它们都使渣的粘度降低。在1500C左右，CaO为40%~55%、A12O3为5%~20%的组成范围内，该渣系的粘度最小（0.2Pa·s）。图410CaO–Al2O3–SiO2系熔渣的等粘度曲线图（续2）4.3粘度2、CaO–FeO–SiO2系炉渣的等粘度曲线图图411该熔渣体系的粘度比较小，并且随着FeO含量的增加而降低。熔渣的碱度（2）及FeO含量（10%）高，硅氧络离子为最简单的SiO44–结构单元，而且这种渣的熔化温度也比较低。•MgO和Cr2O3能使渣的粘度显著增大。当它们的含量超过熔渣的最大溶解能力（对MgO，10~12%；对Cr2O3，5~6%）时，渣中就会出现方镁石、铬铁矿，尖晶石（FeO·Cr2O3，MgO·Cr2O3）等难溶解的固相物。4.3粘度FeO/%(质量)CaO/%(质