冶金熔体的物理性质讲义.ppt

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4—1 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~90C； 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2800C) 的危害，同时使Fe3O4造渣： 2MgO + SiO2 = 2MgO·SiO2 2Fe3O4 + FeS + 5SiO2 = 5(2FeO·SiO2) + 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1400~1500C之间 炼镍鼓风炉的风口区温度可达1500~1800C，足以保证渣的过热与排放4.1 熔化温度,图41 MgOFeOSiO2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42中的C点为高钙渣CaO含量的下限，位于鳞石英相区内1200C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1100C等温线 高钙渣的熔化温度处于1100～1200C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42 CaOFeOSiO2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 金属或熔锍微粒在熔渣中的沉降——斯托克斯公式：V —— 沉降速度，m·s–1 rM —— 金属或锍微粒的半径，m M,S —— 金属和熔渣的密度，kg·m–3 S —— 熔渣的粘度，Pa·s g —— 重力加速度， 9.80m·s–2,4.2 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：7000~11000 kg·m3 铝电解质：2095~2111 kg·m3 镁电解质：1700~1800 kg·m3 熔渣：3000~4000 kg·m3 熔锍：4000~5000 kg·m3 生产实践中，金属（或熔锍）与熔渣的密度差通常不应低于1500 kg·m3。

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 kg·m3,4.2 密 度,图43 铁液的密度与温度的关系,4.2 密 度,图44 A12O3CaOSiO2Na2O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)，103m3·kg1(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45 A12O3CaOSiO2渣系的密度 （1500C，单位为103kg·m3）,图46 CaOFeOSiO2渣系的密度 （1500C，单位为103kg·m3）,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， Pa·s [kg·m-1·s-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：Pa·s，泊(P)，厘泊(cP)1Pa·s = 10P， 1P = 100cP 运动粘度（）： = / m2·s1或St（1m2·s1 = 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数关系式二、粘度与温度的关系,图47,4.3 粘 度,图47 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48,4.3 粘 度,图48 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： (0.5~8)103 Pa·s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，1600C时液态铁的粘度 当铁中其它元素的总量不超过0.02~0.03%时为 (4.7~5.0)103 Pa·s； 当其它元素总量为0.100~0.122%时升高至 (5.5~6.5)103 Pa·s4.3 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SiO2A12O3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、CaO–Al2O3–SiO2系熔渣的等粘度曲线图,图49,4.3 粘 度,图49 CaOA12O3SiO2系熔渣在1900C时的等粘度曲线（0.1Pa·s）,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 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410,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CaO–Al2O3–SiO2系熔渣的等粘度曲线图（续1）,4.3 粘 度,图410 CaOA12O3SiO2系熔渣在1500C时的等粘度曲线（0.1Pa·s）,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 =1.1~1.2，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、Na2CO3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1500C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 Pa·s）图410,CaO–Al2O3–SiO2系熔渣的等粘度曲线图（续2）,4.3 粘 度,2、CaO–FeO–SiO2系炉渣的等粘度曲线图,图411,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，>10~12%；对Cr2O3，>5~6%）时，渣中就会出现方镁石、铬铁矿，尖晶石（FeO·Cr2O3，MgO·Cr2O3）等难溶解的固相物4.3 粘 度,图411 CaOFeOSiO2系熔渣在1400C时的等粘度曲线（0.1 Pa·s）,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2~3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=2.33~3），随着A12O3浓度的增大，铝电解质的粘度显著增大；增加A1F3的含量，电解质的粘度则显著降低在冶炼温度下，熔锍的粘度约为0.01 Pa·s 熔锍的粘度远小于熔渣的粘度，与熔融金属和熔盐比较接近。