《钢铁冶金原理》课程授课教案（讲稿）04 冶金炉渣.doc_大学文库

《钢铁冶金原理》一4.冶金炉渣4冶金炉渣自的要求：使学生了解金属熔体不仅是冶金过程的最终产品，而且也是治金过程中多元多相反应的主要参加者和重要的物质基础，其物理化学性质或结构对治金反应的热力学和动力学有重要的影响。在使学生了解和掌握金属熔体的相关理论的基础上，使学生进一步掌握通过控制金属熔体的物理化学性质来控制冶金反应的方法，以实现冶金生产的优质、高产、低耗和长寿。教学内容：（1）金属熔体的结构：（2）相互作用系数及其测定方法、活度系数的计算方法；（3）铁液中溶解元素的溶解及存在形式：（4）金属熔体的物理性质。重点难点：相互作用系数、氮氢氧在铁液中溶解的热力学性质、铁液的物理性质。炉渣是以氧化物为主要成分的多组元熔体，是金属提炼和精炼过程中除金属熔体之外的另一产物。根据冶炼目的不同炉渣可分为四类：1）还原渣：能够从与之接触的金属液中吸收[O]，以氧化物的形式进入的熔渣，例如高炉渣，其FeO含量较低，含量<2%2）氧化渣：能够向与之接触的金属液供应O的熔渣，例如炼钢渣，其FeO含量较高，达到20%左右：3）富集渣：为了提钒、提而得到的钒渣、锯渣；4）合成渣：炉外精炼渣（可吸收夹杂物，脱硫等），中间包保护渣、结晶器保护渣，起到隔绝空气、防止污染和热量损失。综合来看，在治金过程中炉渣起着非常重要的作用：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。炉渣的这些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。例如转炉炼钢过程中造渣是非常重要的。吹炼前期除了Si、Mn氧化外，希望快速化渣脱磷，而达到快速化渣，一方面熔渣需要一定的温度，另一方面就是要降低熔渣的熔化性温度，而熔渣的熔化性温度往往与熔渣的化学成分有关，例如：渣中复合氧化物的熔点为一一2CaO·SiO2熔点为2130℃，Fe0·Si02熔点为1204℃，Ca0·Fe0.Si02（钙铁橄榄石）熔点为1204℃，Ca0Fe203（铁酸钙）熔点为1230℃，2Ca0·Fe203（正铁酸钙）熔点为1420℃。由此可见，提高渣中FeO含量，可降低熔渣的熔化性温度，从而快速化渣。吹炼中期，渣铁乳化较好，碳氧反应开始后即非常剧烈，渣中大量FeO分解向铁液中供氧，如果此时控制不好，将使得渣中FeO含量急剧下降，渣熔化性温度急2

《钢铁冶金原理》－4.冶金炉渣 2 4 冶金炉渣目的要求：使学生了解金属熔体不仅是冶金过程的最终产品，而且也是冶金过程中多元多相反应的主要参加者和重要的物质基础，其物理化学性质或结构对冶金反应的热力学和动力学有重要的影响。在使学生了解和掌握金属熔体的相关理论的基础上，使学生进一步掌握通过控制金属熔体的物理化学性质来控制冶金反应的方法，以实现冶金生产的优质、高产、低耗和长寿。教学内容：（1）金属熔体的结构；（2）相互作用系数及其测定方法、活度系数的计算方法；（3）铁液中溶解元素的溶解及存在形式；（4）金属熔体的物理性质。重点难点：相互作用系数、氮氢氧在铁液中溶解的热力学性质、铁液的物理性质。炉渣是以氧化物为主要成分的多组元熔体，是金属提炼和精炼过程中除金属熔体之外的另一产物。根据冶炼目的不同炉渣可分为四类： 1）还原渣：能够从与之接触的金属液中吸收[O]，以氧化物的形式进入的熔渣，例如高炉渣，其 FeO 含量较低，含量<2%； 2）氧化渣：能够向与之接触的金属液供应[O]的熔渣，例如炼钢渣，其 FeO 含量较高，达到 20%左右； 3）富集渣：为了提钒、提铌而得到的钒渣、铌渣； 4）合成渣：炉外精炼渣（可吸收夹杂物，脱硫等），中间包保护渣、结晶器保护渣，起到隔绝空气、防止污染和热量损失。综合来看，在冶金过程中炉渣起着非常重要的作用：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。炉渣的这些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。例如转炉炼钢过程中造渣是非常重要的。吹炼前期除了 Si、Mn 氧化外，希望快速化渣脱磷，而达到快速化渣，一方面熔渣需要一定的温度，另一方面就是要降低熔渣的熔化性温度，而熔渣的熔化性温度往往与熔渣的化学成分有关，例如：渣中复合氧化物的熔点为——2CaO•SiO2 熔点为 2130℃，FeO•SiO2 熔点为 1204℃，CaO•FeO•SiO2（钙铁橄榄石）熔点为 1204℃， CaO•Fe2O3（铁酸钙）熔点为 1230℃，2CaO• Fe2O3（正铁酸钙）熔点为 1420℃。由此可见，提高渣中 FeO 含量，可降低熔渣的熔化性温度，从而快速化渣。吹炼中期，渣铁乳化较好，碳氧反应开始后即非常剧烈，渣中大量 FeO 分解向铁液中供氧，如果此时控制不好，将使得渣中 FeO 含量急剧下降，渣熔化性温度急

《钢铁冶金原理》一4.冶金炉渣4.1二元系相图目的要求：使学生掌握二元系相图的基本知识，了解几种二元系相图的特点，掌握它们的分析方法。教学内容：（1）二元系相图的基本知识：（2）简单低共熔型二元系相图：（3）含有中间化合物的二元系相图：（4）含固溶体的二元系相图：（5）冶金过程中主要的二元渣系相图重点难点：二元系相图的冷却过程分析。引入：在冶金领域里，物料的造渣、熔体的析晶、晶体的熔融、氧化还原反应等过程都涉及相变的过程，需要冶金工作者充分掌握相图的基本知识和分析方法。4.1.1二元系相图的基本知识4.1.1.1相图对于凝聚相体系，相图是表示组分的组成和温度之间的相平衡关系。严格地说，相图是能够反映出一个多相体系中，组分的组成、体系的温度和压力不同的条件下，该体系达到平衡时所处的状态。也就是说相图能够反映出该体系在平衡状态下的相态（即反映出该体系内有哪些相，每个相的组成以及各相之间的相对数量等等），这种几何图形称为相图，也称状态图或平衡图。相图中的点、线、面、体都代表着不同温度和压力下平衡体系中的各个相、相组成和各相之间相互转变的关系。相图遵循三大定律。4.1.1.2吉布斯相律相律用一种非常简单的形式表达了平衡体系中可以平衡共存的相数、独立组元数以及可以人为指定的独立变数的数目与体系自由度之间的关系，数学关系式非常简单：f=C-o+2式中，f一一热力学平衡体系的独立变数的数目，即自由度数：C一一独立组分数（独立组元数）；Φ一一平衡共存相的数目（相数）；2一一表示影响体系平衡状态的外界因素，只考虑温度和压力，其它因素如电场、磁场、重力场等对体系平衡的影响没有考虑。如果忽略压力对相平衡体系的影响，则可以得到治金体系常用的减相律形式：4

《钢铁冶金原理》－4.冶金炉渣 4 4.1 二元系相图目的要求：使学生掌握二元系相图的基本知识，了解几种二元系相图的特点，掌握它们的分析方法。教学内容：（1）二元系相图的基本知识；（2）简单低共熔型二元系相图；（3）含有中间化合物的二元系相图；（4）含固溶体的二元系相图；（5）冶金过程中主要的二元渣系相图。重点难点：二元系相图的冷却过程分析。引入：在冶金领域里，物料的造渣、熔体的析晶、晶体的熔融、氧化还原反应等过程都涉及相变的过程，需要冶金工作者充分掌握相图的基本知识和分析方法。 4.1.1 二元系相图的基本知识 4.1.1.1 相图对于凝聚相体系，相图是表示组分的组成和温度之间的相平衡关系。严格地说，相图是能够反映出一个多相体系中，组分的组成、体系的温度和压力不同的条件下，该体系达到平衡时所处的状态。也就是说相图能够反映出该体系在平衡状态下的相态（即反映出该体系内有哪些相，每个相的组成以及各相之间的相对数量等等），这种几何图形称为相图，也称状态图或平衡图。相图中的点、线、面、体都代表着不同温度和压力下平衡体系中的各个相、相组成和各相之间相互转变的关系。相图遵循三大定律。 4.1.1.2 吉布斯相律相律用一种非常简单的形式表达了平衡体系中可以平衡共存的相数、独立组元数以及可以人为指定的独立变数的数目与体系自由度之间的关系，数学关系式非常简单： f=C-φ+2 式中，f——热力学平衡体系的独立变数的数目，即自由度数； C——独立组分数（独立组元数）； Φ——平衡共存相的数目（相数）； 2——表示影响体系平衡状态的外界因素，只考虑温度和压力，其它因素如电场、磁场、重力场等对体系平衡的影响没有考虑。如果忽略压力对相平衡体系的影响，则可以得到冶金体系常用的减相律形式：

《钢铁冶金原理》一4.冶金炉渣f=C-β+1为了深入理解和熟练应用吉布斯相律，必须弄清下列几个概念：1）C一一独立组分数独立组元也称组元或组分。决定一个相平衡体系的成分必须的最少物种数称为独立组元数。物种是指体系中每一个能单独分离出来并独立存在的化学均匀物质。如果体系中不发生化学反应，则独立组元数便等于物种数。例如盐水中的NaCI和H20不发生化学反应，所以物种数为2，独立组元数也是2。白糖和砂子混在一起也不发生化学反应，故其物种数和独立组元数也都是2。如果体系存在化学反应，则每一个化学反应都要建立一个化学反应平衡关系式，且有一个化学反应平衡常数K。此时假使有n个物种参与反个物种应且只存在一个化学平衡，则应该有n-1物种的组成可以任意指定，剩下的一个物种的组成便由化学平衡常数K来确定而不能随意改变了。所以，在一个体系中，如果发生一个独立的化学反应，则独立组元数便比物种数减少一个，即：独立组元数一物种数一独立化学平衡关系式数例如：CaCO3加热分解存在下列反应：CaCO3=CaO+CO2在一定的温度和压力下，三种物质以一个化学反应关系式建立平衡关系，有一个独立化学反应平衡常数K，独立组元数C=3-1=2，因此，该体系就是二元体系，而非三元体系。如果一个体系中在同一相内存在一定的浓度关系，则独立组元数应为：独立组元数一物种数一独立化学平衡关系式数一独立浓度关系数例如：氧化汞分解反应：2HgO(s)=2Hg(g)+O2(g)，达到平衡时Hg和O2存在浓度关系nHg=2no2（摩尔比1:2），因此该体系的独立组元数应为：C=3-1-1=12）一一相相的概念：一个相便是体系中具有相同物理和化学性质的均匀部分的总和。而相与相之间有界面，并可用机械方法把它们分开，越过界面时性质就发生突变。相与物质的数量多少无关，也与物质是否连续无关。相具有下列的几种特征：（1）一个相可以由几种物质组成例如，气相一般可由多种物质组成，空气就是由氧、氮、二氧化碳等气体组成的5

《钢铁冶金原理》－4.冶金炉渣 5 f=C-φ+1 为了深入理解和熟练应用吉布斯相律，必须弄清下列几个概念： 1）C——独立组分数独立组元也称组元或组分。决定一个相平衡体系的成分必须的最少物种数称为独立组元数。物种是指体系中每一个能单独分离出来并独立存在的化学均匀物质。如果体系中不发生化学反应，则独立组元数便等于物种数。例如盐水中的 NaCl 和 H2O 不发生化学反应，所以物种数为 2，独立组元数也是 2。白糖和砂子混在一起也不发生化学反应，故其物种数和独立组元数也都是 2。如果体系存在化学反应，则每一个化学反应都要建立一个化学反应平衡关系式，且有一个化学反应平衡常数 K。此时假使有 n 个物种参与反个物种应且只存在一个化学平衡，则应该有 n-1 物种的组成可以任意指定，剩下的一个物种的组成便由化学平衡常数 K 来确定而不能随意改变了。所以，在一个体系中，如果发生一个独立的化学反应，则独立组元数便比物种数减少一个，即：独立组元数＝物种数一独立化学平衡关系式数例如：CaCO3 加热分解存在下列反应： CaCO3=CaO+CO2 在一定的温度和压力下，三种物质以一个化学反应关系式建立平衡关系，有一个独立化学反应平衡常数 K，独立组元数 C=3-1=2，因此，该体系就是二元体系，而非三元体系。如果一个体系中在同一相内存在一定的浓度关系，则独立组元数应为：独立组元数＝物种数一独立化学平衡关系式数一独立浓度关系数例如：氧化汞分解反应：2HgO(s)=2Hg(g)+O2(g)，达到平衡时 Hg 和 O2 存在浓度关系 nHg=2nO2（摩尔比 1:2），因此该体系的独立组元数应为： C=3-1-1=1 2）φ——相相的概念：一个相便是体系中具有相同物理和化学性质的均匀部分的总和。而相与相之间有界面，并可用机械方法把它们分开，越过界面时性质就发生突变。相与物质的数量多少无关，也与物质是否连续无关。相具有下列的几种特征：（1）一个相可以由几种物质组成例如，气相一般可由多种物质组成，空气就是由氧、氮、二氧化碳等气体组成的

《钢铁冶金原理》一4.冶金炉渣一个相；焦炉煤气为H2、CO、H2O等气体组成的混合物，也称为一个相。所以，凡是能以任何比例混合的不同气体，都可以形成一个相一一气相。纯液体或真溶液也是一个相，如NaCI溶于水中成为NaCI水溶液，C、Si、Mn、P、S溶于Fe中形成铁液，它们仍然是组成一个相一一液相。注意，不相溶物质组成的液体则不是一个相，例如油与水互不相溶，混合在一起则为乳浊液，为两相。两种或几种固体也可以完全互溶形成一个均匀的固态溶液，叫固溶体，例如通常见到的不锈钢、硅钢都是固熔体，但严格意义上讲，它们都不是固熔体，因为其中存在部分硫化物和氧化物夹杂。因此，如果液体或固体只能部分互溶或完全不互溶，那么这种液体或固体混合时，就不是一个相而是两相了。（2）一种物质可以有几个相例如，H2O可以有固相冰、液相水和气相水蒸气等不同的相；碳可能是金刚石，也可能是石墨等不同的相。如果统一固体存在不同的晶体构型，由于它们的物理性质彼此各异，因此仍不属于同一种相，而称为同素异形体，例如锡在不同温度下能形成灰锡（α锡）、白锡（β锡）和斜方锡（Y锡）三种不同的相。固态铁在不同温度下也能形成不同的晶型，包括aFe、YFe和8Fe，其中YFe为面心立方，其它状态为体心立方。（3）固体机械混合物中，有几种物质就有几个相粗锑白粉中的Sb2O3、As2O3、PbO虽颗粒很细，混合得也很均匀，但仍然是不同的相；白糖和砂子混合在一起，仍然是两个相。（4）一个相可以连续成一个整体，也可以不连续如水中的许多冰块，所有冰块的总和仍为一个相（固相），而水又为另一个相（液相）。所以说，相与相之间必存在界面，但反过来说存在界面的便是不同的相却是不对的。因为，同一组成的冰可分成许多块，但仍是同一个相：同一组成的水也可分成许多水珠，可它仍属同一个相。所以，虽然一个相是均匀的，但不一定是连续的。4）自由度在一定条件下，一个处于平衡的体系所具有的独立变量数目称为自由度。这些独立变数在一定范围内可以任意和独立地改变，而不会影响体系中共存相的数目和相的形态，即不会引起原有相的消失或新相的产生。这些变数主要指组成（即浓度）、温度和压力等。6

《钢铁冶金原理》－4.冶金炉渣 6 一个相；焦炉煤气为 H2、CO、H2O 等气体组成的混合物，也称为一个相。所以，凡是能以任何比例混合的不同气体，都可以形成一个相——气相。纯液体或真溶液也是一个相，如 NaCl 溶于水中成为 NaCl 水溶液，C、Si、Mn、 P、S 溶于 Fe 中形成铁液，它们仍然是组成一个相——液相。注意，不相溶物质组成的液体则不是一个相，例如油与水互不相溶，混合在一起则为乳浊液，为两相。两种或几种固体也可以完全互溶形成一个均匀的固态溶液，叫固溶体，例如通常见到的不锈钢、硅钢都是固熔体，但严格意义上讲，它们都不是固熔体，因为其中存在部分硫化物和氧化物夹杂。因此，如果液体或固体只能部分互溶或完全不互溶，那么这种液体或固体混合时，就不是一个相而是两相了。（2）一种物质可以有几个相例如，H2O 可以有固相冰、液相水和气相水蒸气等不同的相；碳可能是金刚石，也可能是石墨等不同的相。如果统一固体存在不同的晶体构型，由于它们的物理性质彼此各异，因此仍不属于同一种相，而称为同素异形体，例如锡在不同温度下能形成灰锡（α锡）、白锡（β锡）和斜方锡（γ锡）三种不同的相。固态铁在不同温度下也能形成不同的晶型，包括αFe、γFe 和δFe，其中γFe 为面心立方，其它状态为体心立方。（3）固体机械混合物中，有几种物质就有几个相粗锑白粉中的 Sb2O3、As2O3、PbO 虽颗粒很细，混合得也很均匀，但仍然是不同的相；白糖和砂子混合在一起，仍然是两个相。（4）一个相可以连续成一个整体，也可以不连续如水中的许多冰块，所有冰块的总和仍为一个相（固相），而水又为另一个相（液相）。所以说，相与相之间必存在界面，但反过来说存在界面的便是不同的相却是不对的。因为，同一组成的冰可分成许多块，但仍是同一个相；同一组成的水也可分成许多水珠，可它仍属同一个相。所以，虽然一个相是均匀的，但不一定是连续的。 4）自由度在一定条件下，一个处于平衡的体系所具有的独立变量数目称为自由度。这些独立变数在一定范围内可以任意和独立地改变，而不会影响体系中共存相的数目和相的形态，即不会引起原有相的消失或新相的产生。这些变数主要指组成（即浓度）、温度和压力等

《钢铁冶金原理》一4.冶金炉渣由C-0+2得知，对单元系而言，如果只有一相存在，则自由度为2，故在平面图上可用一个区域表示；如果两相共存，则自由度为1，在平面图上便是一根曲线表示；如果三相共存，则自由度为零，即只能在一定的温度和压力下才能实现，在相图上仅有一个点。以H20为例，它在大气压为101325Pa及2.5℃时为液态，在101325Pa及50℃和水（液态）50662.5Pa及25℃时也为液态。可见在压力定范围内改变温度和压力，水仍能保持为冰(固态)液态水，此时的自由度便是2。如果体系水蒸汽（气态）中出现水和水蒸气两相的平衡，体系的压374100力就由温度来确定，或者温度由压力来确温度(℃)定了，或者说指定的温度只有一个压力下可以使水和水蒸气两相平衡共存，或者在指定的压力下只有一个温度可以使水和水蒸气两相平衡共存。在温度为25℃时，与液态水平衡的蒸气压必定是3167.2Pa；蒸气压指定为大气压101325Pa时，温度必定是100℃，只有这样才能两相平衡共存，改变任何一个变数（温度或压力）都会导致有新相的产生或旧相的消失。同理，水、汽、冰三相平衡共存时，自由度为零，即体系的温度和压力都只能各为某一确定值，都不能任意改变了。要确定一个二元系状态，除了温度和压力以外，还要知道这两个组元的相对含量（组成或浓度）。所以二元系比单元系多一个变数（自由度），其自由度最多为3。例如在一定压力（如大气压101325Pa）下，纯物质（如水、铜等）均有固定的熔点和沸点，但要知道不纯物质的熔点和沸点，除指定压力外，还要指定浓度。所以，一个二元系若以单相存在时，要指定压力、温度和浓度才能确定体系的状态，即有三个自由度；若两相平衡，则有两个自由度，即温度、压力和浓度三者必须指定两者，该体系的状态才能确定下来。由于二元系最多可能有三个自由度，要全面表示体系的可能情况，需要用三维的立体相图，也可以用恒温或恒压的截面图来表示二元系在特定情况下的状态。对于凝聚体系，压力的若干变化不会对相图的形状发生显著的影响，所以可用恒压截面图表示在一般压力下的相图，如金属和合金相图、硅酸盐相图、熔盐相图等等，都只以组成和温度作为独立变量。如果压力变化很大（如相差上万帕或更高）或压力对相系状7

《钢铁冶金原理》－4.冶金炉渣 7 由 f=C-φ+2 得知，对单元系而言，如果只有一相存在，则自由度为 2，故在平面图上可用一个区域表示；如果两相共存，则自由度为 1，在平面图上便是一根曲线表示；如果三相共存，则自由度为零，即只能在一定的温度和压力下才能实现，在相图上仅有一个点。以 H2O 为例，它在大气压为 101325Pa 及 2.5℃时为液态，在 101325Pa 及 50℃和 50662.5Pa 及 25℃时也为液态。可见在一定范围内改变温度和压力，水仍能保持为液态水，此时的自由度便是 2。如果体系中出现水和水蒸气两相的平衡，体系的压力就由温度来确定，或者温度由压力来确定了，或者说指定的温度只有一个压力下可以使水和水蒸气两相平衡共存，或者在指定的压力下只有一个温度可以使水和水蒸气两相平衡共存。在温度为 25℃时，与液态水平衡的蒸气压必定是 3167.2Pa；蒸气压指定为大气压 101325Pa 时，温度必定是 100℃，只有这样才能两相平衡共存，改变任何一个变数（温度或压力）都会导致有新相的产生或旧相的消失。同理，水、汽、冰三相平衡共存时，自由度为零，即体系的温度和压力都只能各为某一确定值，都不能任意改变了。要确定一个二元系状态，除了温度和压力以外，还要知道这两个组元的相对含量（组成或浓度）。所以二元系比单元系多一个变数（自由度），其自由度最多为 3。例如在一定压力（如大气压 101325Pa）下，纯物质（如水、铜等）均有固定的熔点和沸点，但要知道不纯物质的熔点和沸点，除指定压力外，还要指定浓度。所以，一个二元系若以单相存在时，要指定压力、温度和浓度才能确定体系的状态，即有三个自由度；若两相平衡，则有两个自由度，即温度、压力和浓度三者必须指定两者，该体系的状态才能确定下来。由于二元系最多可能有三个自由度，要全面表示体系的可能情况，需要用三维的立体相图，也可以用恒温或恒压的截面图来表示二元系在特定情况下的状态。对于凝聚体系，压力的若干变化不会对相图的形状发生显著的影响，所以可用恒压截面图表示在一般压力下的相图，如金属和合金相图、硅酸盐相图、熔盐相图等等，都只以组成和温度作为独立变量。如果压力变化很大（如相差上万帕或更高）或压力对相系状温度(℃) 压力水(液态) 水蒸汽(气态) 冰(固态)

《钢铁冶金原理》一4.冶金炉渣态影响不可忽略时，也必须使用包含有压力变量的相图。有些体系除固相（或液相）外，始终有气相存在，如Fe-O体系及碳酸钙分解体系等，其体系的最小相数为2，自由度最大亦为2，也可用二维平面图来描述。多元系的自由度数更多，全面的相图不可能用平面或立体模型来表示。此时也可像二元系一样，将其中某些变量恒定不变来减少自由度数，也可以令某些相始终存在来减少自由度数，从而使其相图能在平面或立体模型上表示出来。4.1.1.3连续原理当决定体系状态的那些参数连续发生变化时，在新相不出现、旧相不消失的情况下，体系中各相的性质以及整个体系的性质也连续变化一一这时自由度不会发生变化。例如在右图的液相区，降低体系的温度，仍然保L+BL+A持影响，但溶液的黏度会发生变化：温度由Ti→T2，溶液的黏度由n1→n2，这里黏度的变化会随着温度的变A+B化而连续变化，这里只是黏度的量变过程。如果体系的组元数不变，而相数发生变化，则自由度发生变化，体系各相的性质以及整个体系的性质都要发生跃变，这种跃变实际是一种质变过程。4.1.1.4相应原理给定的一个热力学体系，任一互成平衡的相或相组（体系点和组分点）在相图中都有一定的几何元素（点、线、面、体）与之对应。4.1.1.5二元相图的绘制二元系相图是通过冷却曲线（或加热曲线）绘制的。具体方法：用组分A和组分B配制成分不同的样品（由纯A到纯B）放在特制的容器中，加热、熔化，然后冷却，记(b)录样品的冷却曲线一一即样品温度随时间w(B)变化的曲线。由于实际的二元系混合体系可能发生化学反应生成多种化合物，随着温度的变化，化合物的晶型结构也会发生变化，因此实际的二元相图读取是非常复杂的过程，只有掌握了简单二元系相图的读取，才能进行复杂二元系的读取。对于简单二元系相图我们需要掌握以下两方面的内容：8

《钢铁冶金原理》－4.冶金炉渣 8 态影响不可忽略时，也必须使用包含有压力变量的相图。有些体系除固相（或液相）外，始终有气相存在，如 Fe-O 体系及碳酸钙分解体系等，其体系的最小相数为 2，自由度最大亦为 2，也可用二维平面图来描述。多元系的自由度数更多，全面的相图不可能用平面或立体模型来表示。此时也可像二元系一样，将其中某些变量恒定不变来减少自由度数，也可以令某些相始终存在来减少自由度数，从而使其相图能在平面或立体模型上表示出来。 4.1.1.3 连续原理当决定体系状态的那些参数连续发生变化时，在新相不出现、旧相不消失的情况下，体系中各相的性质以及整个体系的性质也连续变化——这时自由度不会发生变化。例如在右图的液相区，降低体系的温度，仍然保持影响，但溶液的黏度会发生变化：温度由 T1→T2，溶液的黏度由η1→η2，这里黏度的变化会随着温度的变化而连续变化，这里只是黏度的量变过程。如果体系的组元数不变，而相数发生变化，则自由度发生变化，体系各相的性质以及整个体系的性质都要发生跃变，这种跃变实际是一种质变过程。 4.1.1.4 相应原理给定的一个热力学体系，任一互成平衡的相或相组（体系点和组分点）在相图中都有一定的几何元素（点、线、面、体）与之对应。 4.1.1.5 二元相图的绘制二元系相图是通过冷却曲线（或加热曲线）绘制的。具体方法：用组分 A 和组分 B 配制成分不同的样品（由纯 A 到纯 B）放在特制的容器中，加热、熔化，然后冷却，记录样品的冷却曲线——即样品温度随时间变化的曲线。由于实际的二元系混合体系可能发生化学反应生成多种化合物，随着温度的变化，化合物的晶型结构也会发生变化，因此实际的二元相图读取是非常复杂的过程，只有掌握了简单二元系相图的读取，才能进行复杂二元系的读取。对于简单二元系相图我们需要掌握以下两方面的内容：

《钢铁冶金原理》一4.冶金炉渣系只有纯A的液相，故相数P=l；体系与压力无关，故只与温度有关）；（2）冷到a点时开始析出A的晶体，并放出熔化热，此时的自由度F=1-2+1=0（C=1体系存在纯A的液相和固相，故相数P=2），因此，冷却曲线上出现平台，温度保持不变，平台温度即为纯A的熔点。（3）当A的液相完全转变为固相后，体系的自由度F=1-1+1=1，此时体系的温度开始下降，对应a点以后（即平台以下的部分）的固态冷却曲线。在利用冷却曲线制作相图时，只要将a点所在的平台线延长，交A（纯A对应的坐标点）的纵坐标于A。曲线2是含B低于低共熔混合物，称亚低共熔混合物的冷却曲线。（1）冷却曲线P点以上是熔体的冷却过程，此时体系自由度F=2-1+1=2，体系随温度和浓度（纯A中B的浓度）变化时，不会有新相产生，也不会有旧相消失：（2）温度降到p点时开始析出晶体A，并放出熔化，冷却速度减慢，曲线上出现转折（也叫折点），自由度为F=2-2+1=1，结晶的温度随着组成改变。（3）冷却到e2点时，A、B的晶体同时析出，自由度F=2-3+1=0，冷却曲线上出现温度停歇平台。（4）e2点以后是A、B晶体的冷却过程，自由度为1。利用冷却曲线制作相图时，过P点引水平线交试样2组成点相应的纵坐标于p点一一即液相点，过e2平台延长交试样2组成点相应的纵坐标于E2点，该点即为样品2的低共熔温度点。曲线3是低共熔物的冷却曲线。（1）e点以上为熔体的冷却过程；（2）冷到e点时同时析出A和B的晶体，体系自由度F=2-3+1=0，故温度保持不变，冷却曲线出现平台；（3）e点以下为A、B晶体的冷却过程。利用冷却曲线制作相图时，延长e点平台线交低共熔物组分点的纵坐标于E，E点就是相图的最低共熔点（也叫共晶点）。同理可分析样品4和样品5的冷却过程。制作相图时，将液相和固相平衡的点连结起来，得到两条液相线A'PE和B'QE；连结三相平衡点E2、E和E4等得到共晶线MN（也叫固相线）。由此得到二元系的简单共晶相图。杠杆规则由图4-3所示（P组分点的对应体系PQ的冷却过程），当温度开始下降到○点时有纯固态LB晶体析出，随着冷却进行，晶体B逐渐增加，液2L+B相逐渐减少；冷却到H点时体系仍然是固液两相平J衡，液相的组分点（或组成点）对应K点坐标，当然固相的组分点对应纯B。如果我们需要计算冷却NF到H点时体系液相和固相的质量，我们就可以利用A+B杠杆规则来计算，此时液相量の()和纯B晶体量w (B)0(B)之间的关系可以下式计算：0()HJ图4-3二元系相图杠杆规则示意图0(B)KH10

《钢铁冶金原理》－4.冶金炉渣 10 系只有纯 A 的液相，故相数 P=1；体系与压力无关，故只与温度有关）；（2）冷到 a 点时开始析出 A 的晶体，并放出熔化热，此时的自由度 F=1-2+1=0（C=1；体系存在纯 A 的液相和固相，故相数 P=2），因此，冷却曲线上出现平台，温度保持不变，平台温度即为纯 A 的熔点。（3）当 A 的液相完全转变为固相后，体系的自由度 F=1-1+1=1，此时体系的温度开始下降，对应 a 点以后（即平台以下的部分）的固态冷却曲线。在利用冷却曲线制作相图时，只要将 a 点所在的平台线延长，交 A（纯 A 对应的坐标点）的纵坐标于 A’。曲线 2 是含 B 低于低共熔混合物，称亚低共熔混合物的冷却曲线。（1）冷却曲线 p 点以上是熔体的冷却过程，此时体系自由度 F=2-1+1=2，体系随温度和浓度（纯 A 中 B 的浓度）变化时，不会有新相产生，也不会有旧相消失；（2）温度降到 p 点时开始析出晶体 A，并放出熔化焓，冷却速度减慢，曲线上出现转折（也叫折点），自由度为 F=2-2+1=1，结晶的温度随着组成改变。（3）冷却到 e2 点时，A、B 的晶体同时析出，自由度 F=2-3+1=0，冷却曲线上出现温度停歇平台。（4）e2 点以后是 A、B 晶体的冷却过程，自由度为 1。利用冷却曲线制作相图时，过 p 点引水平线交试样 2 组成点相应的纵坐标于 p 点——即液相点，过 e2 平台延长交试样 2 组成点相应的纵坐标于 E2 点，该点即为样品 2 的低共熔温度点。曲线 3 是低共熔物的冷却曲线。（1）e 点以上为熔体的冷却过程；（2）冷到 e 点时同时析出 A 和 B 的晶体，体系自由度 F=2-3+1=0，故温度保持不变，冷却曲线出现平台；（3）e 点以下为 A、B 晶体的冷却过程。利用冷却曲线制作相图时，延长 e 点平台线交低共熔物组分点的纵坐标于 E，E 点就是相图的最低共熔点（也叫共晶点）。同理可分析样品 4 和样品 5 的冷却过程。制作相图时，将液相和固相平衡的点连结起来，得到两条液相线 A’PE 和 B’QE；连结三相平衡点 E2、E 和 E4 等得到共晶线 MN（也叫固相线）。由此得到二元系的简单共晶相图。杠杆规则由图 4-3 所示（P 组分点的对应体系的冷却过程），当温度开始下降到 Q 点时有纯固态 B 晶体析出，随着冷却进行，晶体 B 逐渐增加，液相逐渐减少；冷却到 H 点时体系仍然是固液两相平衡，液相的组分点（或组成点）对应 K 点坐标，当然固相的组分点对应纯 B。如果我们需要计算冷却到 H 点时体系液相和固相的质量，我们就可以利用杠杆规则来计算，此时液相量 (l) 和纯 B 晶体量 (B) 之间的关系可以下式计算： KH HJ B l = ( ) ( )   图 4-3 二元系相图杠杆规则示意图