1、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41 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90C; 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,4.1 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2800C) 的危害,同时使Fe3O4造渣: 2MgO + SiO2 = 2MgOSiO2 2Fe3O4 + FeS +
2、5SiO2 = 5(2FeOSiO2) + SO2 SiO2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14001500C之间。 炼镍鼓风炉的风口区温度可达15001800C,足以保证渣的过热与排放。,4.1 熔化温度,图41 MgOFeOSiO2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42中的C点为高钙渣CaO含量的下限,位于鳞石英相区内1200C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1100C等温线。 高钙渣的熔化温度处于11001200C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42 CaOFeOSiO2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
3、锍微粒在熔渣中的沉降斯托克斯公式: V 沉降速度,ms1 rM 金属或锍微粒的半径,m M,S 金属和熔渣的密度,kgm3 S 熔渣的粘度,Pas g 重力加速度, 9.80ms2,4.2 密 度,4.2 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:700011000 kgm3 铝电解质:20952111 kgm3 镁电解质:17001800 kgm3 熔渣:30004000 kgm3 熔锍:40005000 kgm3 生产实践中,金属(或熔锍)与熔渣的密度差通常不应低于1500 kgm3。,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 0.853T kgm3,4.2 密 度,图43 铁液的密度与温度的关系,4.2 密 度,图44 A12O3CaOSiO2Na2O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
4、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。,2、熔 渣,4.2 密 度,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),103m3kg1 (MxOy) 氧化物MxOy的质量分数。 当T 1673K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,图45 A12O3CaOSiO2渣系的密度 (1500C,单位为103kgm3),图46 CaOFeOSiO2
5、渣系的密度 (1500C,单位为103kgm3),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,N A 相邻两液层的接触面积,m2 dv/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, Pas kgm-1s-1,一、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:Pas,泊(P),厘泊(cP) 1Pas = 10P, 1P = 100cP 运动粘度(): = / m2s1或St(1m2s1 = 104St) 流体的流动性:运动粘度的倒数 粘度的本质:,4.3 粘 度,4.3 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
6、数关系式。,二、粘度与温度的关系,图47,4.3 粘 度,图47 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48,4.3 粘 度,图48 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: (0.58)103 Pas 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,1600C时液态铁的粘度 当铁中其它元素的总量不超过0.020.03%时为 (4.75.0)
7、103 Pas; 当其它元素总量为0.1000.122%时升高至 (5.56.5)103 Pas。,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SiO2A12O3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、CaOAl2O3SiO2系熔渣的等粘度曲线图,图49,4.3 粘 度,图49 CaOA12O3SiO2系熔渣在1900C时的等粘度曲线(0.1Pas),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
8、。 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410,CaO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。,CaOAl2O3SiO2系熔渣的等粘度曲线图(续1),4.3 粘 度,图410 CaOA12O3SiO2系熔渣在1500C时的等粘度曲线(0.1Pas),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 =1.11.2,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、Na2CO
9、3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1500C左右,CaO为40%55%、A12O3为5%20%的组成范围内,该渣系的粘度最小(0.2 Pas)。,图410,CaOAl2O3SiO2系熔渣的等粘度曲线图(续2),4.3 粘 度,2、CaOFeOSiO2系炉渣的等粘度曲线图,图411,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,1012%;对Cr2O3,56%)时,渣中就会出现方镁石、铬铁矿,尖晶石(FeOCr2O3,MgOCr2O3)等难溶解的固相物。,4.3 粘 度,图411 CaOFeOSiO2系熔渣在1400C时的等粘度曲线(0.1 Pas),4.3 粘 度,提高温度,加入助熔剂,如A12O3(5% 7%),CaF2(2%5%),SiO2,Fe2O3等均能使碱性渣的粘度降低。 适当增加渣中氧化铁的含量,可以有效地促进渣中石灰块的迅速溶解,使渣转变为均匀的液相。 氧化熔炼时,熔渣中应保持足够的氧化铁含量。,4.3 粘 度,五、熔盐和熔锍的粘度,熔体粘度随着A12O3浓度的增大而增大。 熔体中生成了如AlOF2、AlOF32等体积庞大的铝氧氟络离子。 随着A12O3浓度的进一步增大,这些络离子数目增多,而且还会缔合生成含有23个氧原子的更加庞大的络离子。 在工业铝电解质的组成范围内(NaF:A1F3=2.333),随着A12O3浓度的增大,铝电解质的粘度显著增大;增
《冶金原理课件(中南)-第4章》由会员F****n分享,可在线阅读,更多相关《冶金原理课件(中南)-第4章》请在金锄头文库上搜索。