冶金原理课件(中南大学)

第一篇冶金熔体第一篇冶金熔体第一章冶金熔体概述第二章冶金熔体的相平衡图第三章冶金熔体的结构第四章冶金熔体的物理性质第五章冶金熔体的化学性质第一章冶金熔体概述第一章冶金熔体概述1.0概念1.1金属熔体1.2熔渣1.3熔盐1.4熔锍许多高温冶金过程，都是在熔融介质中进行的；很多冶炼过程，产物或中间产品为熔融状态物质。冶金熔体——在高温冶金过程中处于熔融状态的反应介质或反应产物冶金熔体的分类——根据组成熔体的主要成分的不同•金属熔体•熔渣•熔盐非金属熔体•熔锍1.0概念1.0概念1.1金属熔体金属熔体——液态的金属和合金如铁水、钢水、粗铜、铝液等金属熔体不仅是火法冶金过程的主要产品，而且也是冶炼过程中多相反应的直接参加者。1.1金属熔体1.2熔渣熔渣主要由冶金原料中的氧化物或冶金过程中生成的氧化物组成的熔体。如CaO、FeO、MnO、MgO、Al2O3、SiO2、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、氯化物、硫化物、硫酸盐等1.2熔渣二、常见冶金炉渣的组成表11常见冶金炉渣的主要化学成分组成/%(质量)炉渣SiO2A12O3CaOFeOMgOMnO其它高炉炼铁渣30～4010～2035～5015～100.5～1S1～2转炉炼钢渣9～200.1～2.537～595～200.6～81.3～10P2O51～6电炉炼钢渣10～250.7～8.320～650.5～350.6～2.50.3～11电渣重熔渣0～100～300～200～15CaF245～80铜闪速炉熔炼渣28～382～125～1538～541～3Fe3O412～15,S0.2～0.4,Cu0.5～0.8铅鼓风炉熔炼渣19～353～50～2028～403～5Pb1～3.5锡反射炉熔炼渣19～248～101.5～645～50Sn7～9高钛渣2.8～5.62～60.3～1.22.7～6.52～5.61～1.5TiO282～871.2熔渣结论：冶金炉渣通常由五、六种或更多的氧化物组成。炉渣常含有其他化合物，如氟化物、硫化物等。炉渣中含量最多的氧化物通常只有三种，其总含量可达80%以上。大多数有色冶金炉渣和钢渣的主要氧化物是：FeO、CaO、SiO2高炉渣和某些有色冶金炉渣的主要氧化物为：CaO、Al2O3、SiO21.2熔渣三、熔渣组分的来源矿石或精矿中的脉石如高炉冶炼：Al2O3、CaO、SiO2等为满足冶炼过程需要而加入的熔剂如CaO、SiO2、CaF2等——改善熔渣的物理化学性能冶炼过程中金属或化合物（如硫化物）的氧化产物如炼钢：FeO、Fe2O3、MnO、TiO2、P2O5等造锍熔炼：FeO、Fe3O4等。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1.2熔渣四、熔渣的主要作用与分类——不同的熔渣所起的作用是不一样的——根据熔渣在冶炼过程中的作用，可将其分成四类：1、冶炼渣（熔炼渣）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——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，高炉炼铁中，铁矿石中的大量脉石成分与燃料（焦炭）中的灰份以及添加的熔剂（石灰石、白云石、硅石等）反应，形成炉渣，从而与金属铁分离。造锍熔炼中，铜、镍的硫化物与炉料中铁的的硫化物熔融在一起，形成熔锍；铁的氧化物则与造渣熔剂SiO2及其他脉石成分形成熔渣。1.2熔渣2、精炼渣（氧化渣）是粗金属精炼过程的产物。主要作用——捕集粗金属中杂质元素的氧化产物，使之与主金属分离。例如，在冶炼生铁或废钢时，原料中杂质元素的氧化产物与加入的造渣熔剂融合成CaO和FeO含量较高的炉渣，从而除去钢液中的硫、磷等有害杂质，同时吸收钢液中的非金属夹杂物。1.2熔渣3、富集渣是某些熔炼过程的产物。作用——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。例如，钛铁矿常先在电炉中经还原熔炼得到所谓的高钛渣，再从高钛渣进一步提取金属钛。对于铜、铅、砷等杂质含量很高的锡矿，一般先进行造渣熔炼，使绝大部分锡（90%）进入渣中，而只产出少量集中了大部分杂质的金属锡，然后再冶炼含锡渣提取金属锡。1.2熔渣4、合成渣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。如电渣重熔用渣、铸钢用保护渣、钢液炉外精炼用渣等。这些炉渣所起的冶金作用差别很大。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；另一方面还能脱出金属液中的杂质、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。1.2熔渣五、熔渣的其它作用作为金属液滴或锍的液滴汇集、长大和沉降的介质冶炼中生成的金属液滴或锍的液滴最初是分散在熔渣中的，这些分散的微小液滴的汇集、长大和沉降都是在熔渣中进行的。在竖炉（如鼓风炉）冶炼过程中，炉渣的化学组成直接决定了炉缸的最高温度。对于低熔点渣型，燃料消耗量的增加，只能加大炉料的熔化量而不能进一步提高炉子的最高温度。在许多金属硫化矿物的烧结焙烧过程中，熔渣是一种粘合剂。烧结时，熔化温度较低的炉渣将细粒炉料粘结起来，冷却后形成了具有一定强度的烧结块或烧结球团。在金属和合金的精炼时，熔渣覆盖在金属熔体表面，可以防止金属熔体被氧化性气体氧化，减小有害气体（如H2、N2）在金属熔体中的溶解。1.2熔渣六、熔渣的副作用熔渣对炉衬的化学侵蚀和机械冲刷大大缩短了炉子的使用寿命炉渣带走了大量热量大大地增加了燃料消耗渣中含有各种有价金属降低了金属的直收率1.2熔渣1.3熔盐熔盐——盐的熔融态液体通常指无机盐的熔融体常见的熔盐——由碱金属或碱土金属的卤化物、碳酸盐、硝酸盐以及磷酸盐等组成。熔盐一般不含水，具有许多不同于水溶液的性质。例如，熔盐的高温稳定性好，蒸气压低，粘度低，导电性能良好，离子迁移和扩散速度较高，热容量高，具有溶解各种不同物质的能力等。广泛应用于诸多工业部门冶金、材料、化工、核工业、能源技术、环境保护等。1.3熔盐在冶金领域，熔盐主要用于金属及其合金的电解生产与精炼熔盐电解法广泛应用于铝、镁、钠、锂等轻金属和稀土金属的电解提取或精炼◇这些金属都属于负电性金属，不能从水溶液中电解沉积出来◇例如，铝的熔盐电解是工业铝生产的唯一方法其它的碱金属、碱土金属，钛、铌、钽等高熔点金属以及某些重金属（如铅）的熔盐电解法生产利用熔盐电解法制取合金或化合物如铝锂合金、铅钙合金、稀土铝合金、WC、TiB2等熔盐的冶金应用（一）1.3熔盐某些氧化物料（如TiO2、MgO）的熔盐氯化◇适合处理CaO、MgO含量高的高钛渣或金红石◇流程短、原料适应性强、设备生产率高、产物杂质含量低。用作某些金属的熔剂精炼法提纯过程中的熔剂例如，为了降低粗镁中的非金属杂质和某些金属杂质，采用由碱金属和碱土金属的氯化物、氟化物的混合熔剂进行精炼。◇熔剂在精炼中的作用：除去镁中的某些杂质在熔融的镁表面形成一层保护膜，将镁与空气隔绝防止其燃烧。熔盐的冶金应用（二）1.3熔盐表12一些冶金熔盐体系的主要化学组成熔盐体系化学组成/%(质量)铝电解的电解质Na3AlF682~90，AlF35~6，Al2O33~7，添加剂(CaF2、MgF2或LiF)3~5镁电解的电解质(电解氯化镁)MgCl210，CaCl230~40，NaCl50~60，KCl10~6镁电解的电解质(电解光卤石)MgCl26~14，NaCl13~18，KCl72~76锂电解的电解质LiCl60，KCl40铝电解精炼的电解质(氟氯化物体系)AlF325~27，NaF13~15，BaCl250~60，NaCl5~8铝电解精炼的电解质(纯氟化物体系)AlF335~48，NaF18~27，CaF216，BaF218~35镁熔剂精炼熔剂MgCl232~38，KCl31~37，NaCl4~10，CaCl24~10，BaCl25~11，CaF26~101.3熔盐1.4熔锍熔锍——多种金属硫化物（如FeS、Cu2S、Ni3S2、CoS等）的共熔体其中往往溶有少量金属氧化物及金属工业上常称作冰铜熔锍是铜、镍、钴等重金属硫化矿火法冶金过程的重要中间产物如硫化铜精矿的火法处理——造锍熔炼金属硫化物熔合锍相脉石成分+造渣熔剂熔合渣相贵金属锍相熔锍一般经过下一步的吹炼过程产出粗金属熔锍的性质对于有价金属与杂质的分离、冶炼过程的能耗等都有重要的影响。1.4熔锍表13几种工业熔锍的主要化学成分组成/%(质量)熔锍名称CuFeNiSPbZnAu注)Ag注)反射炉铜锍43.626.724.8电炉铜锍42.425.923.3闪速炉铜锍59.316.022.80.590.5728.4243诺兰达炉铜锍72.43.521.81.80.7瓦扭科夫炉铜锍40～5220～2723～24三菱法铜锍64.610.622.0低镍锍6～847～4913～1623～28高镍锍22～242～349～5422～23注)单位为g·t1。1.4熔锍