冶金炉渣 中南大学

1、冶 金 炉 渣,中南大学 戴 曦 2008-10,炉渣在冶炼过程中的作用,炉渣定义 炉渣是火法冶金过程的一种产物，是各种氧化物的熔合体。 冶金炉渣的由来 火法冶金过程中由脉石成分构成的、各种氧化物的熔体。,炉渣在冶炼过程中的作用,冶炼炉渣的作用 冶金炉渣的主要作用是使矿石和熔剂中的脉石、燃料中的灰分集中，并在高温下与主要的冶炼产物金属、锍等分离。 （1）熔渣是一种介质； （2）金属或锍液滴通过渣沉降分离； （3）冶炼温度取决于炉渣熔化温度；,炉渣在冶炼过程中的作用,（4）通过炉渣可脱除金属或合金中的杂质，并保护金属熔体免受氧化； （5）炉渣有时也是一种中间产物； （6）对电炉冶炼过程，炉渣起着电阻作用。,炉渣的组成,氧化物分类 碱性氧化物：能供给O2 的氧化物 CaO,MgO,FeO,MnO,Na2O,K2O等 酸性氧化物：能吸收O2 的氧化物 SiO2,B2O3,TiO2,P2O5等 两性氧化物：依不同条件既能供给O2 又 能吸收O2 的氧化物 Al2O3,Fe2O3,Cr2O3,ZnO等,炉渣二元状态图,相图相关知识复习 液相线： 垂直线：表示二组元生成的化合物 化合物：稳定化合物

2、 熔融时所产生液相的组成与化合物 固相的组成完全相同 不稳定化合物,炉渣二元状态图,横 线：在横线的温度有相变过程或相变反 应发生 相变过程：横线上下相的变化不引起化 学组成的变化 相变反应：横线上下有旧相的分解或化 合及新相生成的反应发生 共晶反应：L=S1+S2,炉渣二元状态图,共析反应：固溶体或固态化合物分 解为两种固体物质的过程 包析反应：两种固态物质化合为另 一种固态物质的过程 包晶反应：L+S1=S2 单晶反应：液态溶液分解为一个固 体及另一组成的液相,炉渣二元状态图,点：二元共晶点（e/E）（低共熔点） 二元包晶点（P） 面：单相面区 L 两相面区 L+S S1+S2,炉渣二元状态图,Al2O3-SiO2系 P3图11 垂直线：一条，不稳定化合物，A3S2 （莫来石） 横 线：三条（相变过程、共晶、包晶） 液相线：体系最低熔化温度，1545 结论：该二元系适合耐火材料，不适于冶 金炉渣,炉渣二元状态图,CaO-Al2O3二元系 P4 图12 垂直线：5条 （两个不稳定化合物，三个稳定化合物） 横 线：6条（共晶、包晶） 液相线：体系最低熔化温度 1395 结论：该二元系不

3、适于作冶金炉渣,炉渣二元状态图,CaO-SiO2二元系 P5 图13 垂直线：4条 （两个不稳定化合物，两个稳定化合物） 横 线：7条（单晶反应、共晶反应、包 晶反应、共析反应） 液相线：体系最低熔化温度 1436 结论：该二元系不适于作冶金炉渣,炉渣二元状态图,CaO-Fe2O3二元系 PP36图2-28 垂直线：3条 （两个不稳定化合物，一个稳定化合物） 横 线：6条（共晶、包晶、共析等） 液相线：体系最低熔化温度 1218,Fe2O3是石灰（CaO）的有效助熔剂,炉渣二元状态图,应用：三菱吹炼渣 闪速吹炼渣 特点：粘度低 可避免形成固体磁铁矿 可最大限度减小泡沫渣的形成 具有一定的腐蚀性,炉渣二元状态图,三菱吹炼渣组成： 12%-16%Cu （约60%生成Cu2O，剩余部分是铜） 40%-55%Fe （约70%生成Fe3+，剩余部分是Fe2+） 15%-20%CaO,炉渣二元状态图,FeO-SiO2二元系 P6 图14/PP35图2-27 假二元系 垂直线：1条，稳定化合物，F2S 横 线：4条（共晶、晶型转变等） 液相线：体系最低熔化温度 1175 结论：该二元系适于作冶金炉渣

4、,炉渣二元状态图,应用：贵冶闪速炉渣 大冶诺兰达炉渣 金川自热炉渣 各炼铜厂转炉渣 缺点：渣密度大、渣含金属较高,炉渣二元状态图,措施： （1）加入CaO，构成三元系 （2）进入贫化电炉 （3）渣选矿 （4）渣返回上道工序（或配料）,炉渣三元状态图,三元系相图基础知识 PP11-15 三元系的组成表示法 浓度三角形 PP11 图2-1 浓度三角形的性质 PP12-15 等含量规则 PP12图2-3 在浓度三角形中平行于某一边的任一直线上，其所有体系点中对面顶点组分的含量均相等。,炉渣三元状态图,等比例规则 PP12图2-4 在三角形某一顶点到其对边的任一直线上，各物系点中所含另两个顶点所表示的组分的含量之比为一定值。 b1/c1=b2/c2=b3/c3=常数,炉渣三元状态图,背向规则 PP13图2-5 浓度三角形ABC中任一物系点P在冷却至其初晶温度（即物系点到达液相面）时首先自液相中析出固相A，则当体系继续冷却时，由于只析出了固相A，而剩余液相中B、C两组分含量的比值不变，故根据等比例规则可知，剩余液相的组成点L必定在AP连线的延长线AS上变化。随着冷却结晶,炉渣三元状态图,过程的进

5、行，液相中A组分的含量不断减少，因此L点将沿着AS线，朝着背向顶点A的方向移动。,炉渣三元状态图,直线规则 PP13图2-6 重心原理 PP13图2-7 交叉位规则 PP14图2-8 共轭位规则 PP15图2-9 温度最高点规则PP21图2-15 二元共晶线与相平衡的两固相 组成点的联线交点即二元共晶线上的温度最高点。,炉渣三元状态图,三元系相图的表示方法 PP16-20 立体相图 PP16图2-10,特点：三个组分A、B、C 在液态时完全互溶，而 在固态时则完全不互 溶；体系中不生成化合 物，只形成一个三元低 共熔混合物 液相面： 界线：e1e、e2e、e3e 无变点：e 空间区域： 液相单相区 固相面：a0b0co 结晶空间（液-固相面之间的空间） 一次结晶空间（析出一个固相） 二次结晶空间（析出两个固相）,P16-17,炉渣三元状态图,平面投影图 PP18图2-12 将立体图向浓度三角形底面投影即为平面投影图。在平面投影图上，立体图上的三个空间曲面（液相面）分别投影为相应的平面区域，即三个初晶区A、B、C；三条空间界线e1e、e2e、e3e相应地投影为平面界线E1E、E2E、E3

6、E，并且用箭头表示其温度下降的方向。E1、E2、E3分别为三个二元低共熔点e1、e2、e3在平面上的投影，E则是三元低共熔点e的投影。,炉渣三元状态图,等温截面图 PP19图2-13 在一定温度下的等温截面与立体相图相截，所得截面在浓度三角形上的投影叫等温截面图。 所谓等温截面是指立体图上平行于浓度三角形底面、与立体图相截的平面。以一定的温度间隔作一系列的等温截面，与液相面相截得到一系列的截线，即空间等温,炉渣三元状态图,线。将所得的空间等温线投影到底面上，并标出相应的温度值，即得到平面投影图上的等温线（图2-12）。 图2-13（b）是t1温度下的等温截面图。图中扇形区域Aa1a1A和Bb1b1B分别是A、B的一次结晶空间与等温截面的截线在底面的投影，所以这两个区域分别是A、B两固相与液相平衡共存的两相区（L+A）和（L+B）；两相区中绘有从顶角发出的放射,二次结晶空间,一次结晶空间,炉渣三元状态图,线，表示固相组分与液相平衡。区域Ca1a1b1b1C是液相区，表明在t1温度下位于此区域的体系均处于液态。 图2-13（c）是该三元系在t2温度下的等温截面图。由于t2低于低共熔点e1的

7、温度，因此等温截面与A和B两液相面的截线相交于m点，由此形成的两个扇形区域Aa2mA和Bb2mB分别是A、B两固相与液相平衡共存,炉渣三元状态图,的两相区；扇形区域Cc2c2C则是固相C与液相的两相共存区。三角形区域AmBA是（A+B）的二次结晶空间与等温截面的截线在底面的投影，因此该区域是（L+A+B）三相平衡区。三条等温线之间的面区a2mb2c2c2a2是液相区。,炉渣三元状态图,等温线与二元共晶线或二元包晶线相交时，由交点向与共晶线、包晶线的两固相的组成点联成一三角形，此三角形内为三相区（二次结晶区）。 检查所绘等温截面图是否正确，最基本的一条是相邻两区域的相数差1。,炉渣三元状态图,等温截面图反映了体系在指定温度下所处的相态以及体系相态随组成的变化。对于具体的冶炼过程而言，其作业温度的变化范围通常不大，因此一般可利用若干温度下的等温截面图了解相关的冶金熔体体系在冶炼温度下的状态及其随温度变化的规律，从而选择合适的熔体组成和作业温度。,炉渣三元状态图,三元系相图的基本类型 PP21-30 简单低共熔型三元系相图 PP21图2-15 冷却过程分析 液相组成点变化规律 固相组成点变化

8、规律 PP22图2-16,炉渣三元状态图,生成一致熔融化合物的三元系相图 生成一个二元一致熔融化合物的三元系相图 一致熔融化合物是指在熔融时所产生液相的组成与化合物固相的组成完全相同的化合物。一致熔融化合物与纯物质一样具有确定的熔点，是一种稳定的化合物。,炉渣三元状态图,P23图2-17 分解为两个相图进行分析 初晶液相面：4个 一致熔融化合物特点（二元或三元）： 组成点位于其初晶区内,炉渣三元状态图,二元共晶点： e1：L=SA+SD e2： L=SB+SD e3： L=SB+SC e4：L=SA+SC 三元共晶点： E1： L=SA+SC+SD E2： L=SB+SC+SD,炉渣三元状态图,m点是C-D二元系的低共熔点 m点是E1E2界线上的温度最高点 二元共晶线： e1E1 ：L=SA+SD e2E2 ：L=SB+SD e3E2 ：L=SB+SC e4E1 ：L=SA+SC E1E2：L=SC+SD,炉渣三元状态图,如果原始熔体的组成落在某个子三角形内，则液相析晶过程必然在其相应的低共熔点结束，最终析晶产物为该子三角形的三个顶点组分。,炉渣三元状态图,生成两个二元一致熔融化合物的

9、三元系相图 PP24图2-18 分解为三个相图分析 如何划分三角形？ PP24 通过确定正确的连线来划分三角形 三元相图中的界线代表了液相与两个固相平衡共存的状态。在三元相图中，连线指的是连接与界线上的液相平衡的两个,炉渣三元状态图,固相组成点的直线。一般地，在三元相图中，每一条界线都有与之相应的连线。子三角形是通过连线来划分的。 生成一个三元一致熔融化合物的三元系相图 P25图2-19 分解为三个相图分析 综上说述，如果某三元系中只生成二元或三元一致熔融化合物，那么就可以将该三元系划分为若干个独立的简单三元系。,炉渣三元状态图,生成不一致熔融化合物的三元系相图 生成一个二元不一致熔融化合物的三元系相图 如果一个化合物被加热至某一温度时发生分解，形成一个液相和另一个固相，且二者的组成皆不同于化合物固相的组成，则称该化合物为不一致熔融化合物。不一致熔融化合物是一种不稳定的化合物。,炉渣三元状态图,PP26图2-20 D为不一致熔融化合物 划分为两个子三元系，但子三元系不是独立的。 初晶液相面：4个 不一致熔融化合物特点： 组成点不在其初晶区范围内,炉渣三元状态图,二元共晶点： e1：L=SA+SD e2： L=SB+SC e3： L=SA+SC 二元包晶点： p： L+SB=SD,炉渣三元状态图,三元共晶点： E： L=SA+SC+SD 三元包晶点： P： Lp+SB=SC+SD 三元相图中的每一个无变点都对应于一个子三角形，它是由与该无变点液相平衡的三个固相组成点连成的。如果无变点处于其相应的子三角形之内，则该无变点为,炉渣三元状态图,低共熔点；相反地，如果无变点位于其相应的子三角形之外，则该无变点为转熔点。 当三条界线上的温度下降方向（箭头）均指向无变点时，表明该无变点是三条界线的温度最低点，因此是三元低共熔点。而当三条界线中至少有一条界线的温度下降方向（箭头）背向无变点时，说明该无变点不是三条线的温度最低点，在该无变,炉渣三元状态图,点发生转熔反应，故该无变点为三元转熔点。 PP27图2-21 当三条界线中有一条界线的温度下降方向（箭头）背向转熔点时，该转熔点称为双升点（单转熔点），发生的转熔反应为一个固相溶解，同时从液相中析出另两个固

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