第四章冶金熔体 4.1概介 许多高温冶金过程都是在熔融的反应介质中进行的 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 ——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 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
第四章 冶金熔体 4.1 概 介 许多高温冶金过程都是在熔融的反应介质中进行的 ——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 ——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 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
4.2金属熔体 ●金属熔体——一液态的金属和合金 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。 例如,炼钢中的许多物理过程和化学反应都是在钢 液与熔渣之间进行的。 ●金属熔体的物理化学性质对冶炼过程的热力学和 动力学都有很重要的影响
4.2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。 例如，炼钢中的许多物理过程和化学反应都是在钢 液与熔渣之间进行的。 ⚫ 金属熔体的物理化学性质对冶炼过程的热力学和 动力学都有很重要的影响
42.1金属熔体的结构 基本事实 金属的熔化潜热仅为汽化潜热的3%~8% 对于纯铁,熔化潜热为152kJmo1,汽化潜热是340.2 KJ mol1 液态金属与固态金属的原子间结合力差别很小 金属熔化时,熵值的变化也不大,约为5~10Jmol-1·K1 熔化时金属中原子分布的无序度改变很小 熔化时大多数金属的体积仅增加2.5%~5%,相当于原子间距增加 0.8%~1.6% →在液态和固态下原子分布大体相同,原子间结合力相近 金属液、固态的比热容差别一般在10%以下,而液、气态比热容相差 为20%~50%
4.2.1 金属熔体的结构 基本事实 金属的熔化潜热仅为汽化潜热的 3%～8% 对于纯铁，熔化潜热为15.2 kJ·mol-1，汽化潜热是 340.2 kJ·mol-1 → 液态金属与固态金属的原子间结合力差别很小 金属熔化时，熵值的变化也不大，约为5～10 J·mol-1·K-1 → 熔化时金属中原子分布的无序度改变很小。 熔化时大多数金属的体积仅增加 2.5%～5%，相当于原子间距增加 0.8%～1.6% → 在液态和固态下原子分布大体相同，原子间结合力相近。 金属液、固态的比热容差别一般在10%以下，而液、气态比热容相差 为20%～50%
金属液、固态中的原子运动状态相近。 大多数金属熔化后电阻增加,且具有正电阻温度系 数 液态金属仍具有金属键结合 结论 在熔点附近液态金属和固态金属具有相同的结合键 和近似的原子间结合力; 原子的热运动特性大致相同,原子在大部分时间仍 是在其平衡位(结点)附近振动,只有少数原子从 平衡位向另一平衡位以跳跃方式移动
→ 金属液、固态中的原子运动状态相近。 大多数金属熔化后电阻增加，且具有正电阻温度系 数。 → 液态金属仍具有金属键结合 结论I 在熔点附近液态金属和固态金属具有相同的结合键 和近似的原子间结合力； 原子的热运动特性大致相同，原子在大部分时间仍 是在其平衡位（结点）附近振动，只有少数原子从一 平衡位向另一平衡位以跳跃方式移动
基本事实l 液态金属中原子之间的平均间距比固态中原子间距 略大,而配位数略小,通常在8~10范围内 →熔化时形成空隙使自由体积略有增加,固体中的 远距有序排列在熔融状态下会消失而成为近距有序排 列。 结论Ⅱ 金属熔体在过热度不高的温度下具有准晶态的结 构 →熔体中接近中心原子处原子基本上呈有序的分布, 与晶体中的相同(保持了近程序); 在稍远处原子的分布几乎是无序的(远程序消 失)
基本事实II 液态金属中原子之间的平均间距比固态中原子间距 略大，而配位数略小，通常在 8～l0 范围内 → 熔化时形成空隙使自由体积略有增加，固体中的 远距有序排列在熔融状态下会消失而成为近距有序排 列。 结论II 金属熔体在过热度不高的温度下具有准晶态的结 构—— → 熔体中接近中心原子处原子基本上呈有序的分布， 与晶体中的相同（保持了近程序）； → 在稍远处原子的分布几乎是无序的（远程序消 失）
液态金属结构模型 模型 接近熔点时,液态金属中部分原子的排列方式与固态金属相似,它们 构成了许多晶态小集团 这些小集团并不稳定,随着时间延续,不断分裂消失,又不断在新的 位置形成。 这些小集团之间存在着广泛的原子紊乱排列区 模型l突出了液态金属原子存在局部排列的规则性
液态金属结构模型 模型 I 接近熔点时，液态金属中部分原子的排列方式与固态金属相似，它们 构成了许多晶态小集团。 这些小集团并不稳定，随着时间延续，不断分裂消失，又不断在新的 位置形成。 这些小集团之间存在着广泛的原子紊乱排列区。 模型I突出了液态金属原子存在局部排列的规则性
模型Ⅲ 液态金属中的原子相当于紊乱的密集球堆,这里 既没有晶态区,也没有能容纳其他原子的空洞。 在紊乱密集的球堆中,有着被称为“伪晶核”的 高致密区 模型川突出了液态金属原子的随机密堆性 液态金属的结构起伏 液态金属中的“晶态小集团”或“伪晶核”都在 不停地变化,它们的大小不等,时而产生又时而消 失,此起彼伏。 结构起伏的尺寸大小与温度有关。温度愈低,结 构起伏的尺寸愈大
模型II 液态金属中的原子相当于紊乱的密集球堆，这里 既没有晶态区，也没有能容纳其他原子的空洞。 在紊乱密集的球堆中，有着被称为“伪晶核”的 高致密区。 模型II突出了液态金属原子的随机密堆性。 液态金属的结构起伏 液态金属中的“晶态小集团”或 “伪晶核”都在 不停地变化，它们的大小不等，时而产生又时而消 失，此起彼伏。 结构起伏的尺寸大小与温度有关。温度愈低，结 构起伏的尺寸愈大
4.2.2金属熔体的物理化学性质 ●金属熔体的物理化学性质包括密度、黏 度、扩散系数、熔点、表面张力、蒸汽压、 电阻率等。 ●金属熔体的物理化学性质和其基本结构 有关 ●熔体物理化学性质直接影响到金属和熔 渣的分离、化学反应等过程。 ●对熔渣而言,也有对应的物理化学性质 为便于学习,将金属和熔渣的物理化学性 质合并在一起介绍,详见43
4.2.2金属熔体的物理化学性质 ⚫金属熔体的物理化学性质包括密度、黏 度、扩散系数、熔点、表面张力、蒸汽压、 电阻率等。 ⚫金属熔体的物理化学性质和其基本结构 有关。 ⚫熔体物理化学性质直接影响到金属和熔 渣的分离、化学反应等过程。 ⚫对熔渣而言，也有对应的物理化学性质， 为便于学习，将金属和熔渣的物理化学性 质合并在一起介绍，详见4.3
4.3熔渣 、什么是熔渣 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 ●熔渣是一种非常复杂的多组分体系 如CaO、FeO、MnO、MgO、A2O3、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(如caF2)、氯化物(如NaC)、硫化物(如 cas、MnS)、硫酸盐等
4.3 熔 渣 一、什么是熔渣 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。 ⚫ 熔渣是一种非常复杂的多组分体系 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（如CaF2）、氯化物（如NaCl）、硫化物（如 CaS、MnS） 、硫酸盐等
、常见冶金炉渣的组成 表41常见冶金炉渣的主要化学成分 组成/%(质量) SiO2 Al20 Cao Feo Mgo MnO 其它 高炉炼铁渣30-4010~2035~50<15~1005~1s1~2 转炉炼钢渣9-200.~2.537~595~2006~813~10P2051~6 电炉炼钢渣10~250.7~8320~650.5~3506~2.50.3~11 电渣重熔渣0~100~300~20 0~15 CaF245~80 铜闪速炉熔炼渣28-382-125~1538-541~3 Fe2O412~15, s02~04.cu05~08 铅鼓风炉炼渣19~353~50~2028-40 pb1~3.5 锡反射炉熔炼渣19-248-101.5~645~50 sn7~9 高钛渣28-562~603~1227~652~5.61~1.5T282~87
二、常见冶金炉渣的组成 4-1