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最新整理、冶⾦原理（赵俊学主编）教案：第四章冶⾦熔体（加⼯制造类）钢铁冶炼）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——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。
4.2.1 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 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 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。
中南大学冶金原理题库第一篇冶金熔体第一章概述1．什么是冶金熔体？它分为几种类型？2．何为熔渣？简述冶炼渣和精炼渣的主要作用。
3．什么是富集渣？它与冶炼渣的根本区别在哪里？4．试说明熔盐在冶金中的主要应用。
5．熔锍的主要成分是什么？6．为什么熔盐电解是铝、镁、钠、锂等金属的惟一的或占主导地位的生产方法？第二章冶金熔体的相平衡1．在三元系的浓度三角形中画出下列熔体的组成点，并说明其变化规律。
X：A 10%，B 70%，C 20%；Y：A 10%，B 20%，C 70%；Z：A 70%，B 20%，C 10%；若将3kg X熔体与2kg Y熔体和5kg Z熔体混合，试依据杠杆规则用作图法和计算法求出混合后熔体的组成点。
2．试找出图2-44所示的三元系相图中的错误，说明原因并更正。
3．图2-45是生成了一个二元不一致熔融化合物的三元系相图（1）写出各界线上的平衡反应；（2）写出P、E两个无变点的平衡反应；（3）分析熔体1、2、3、4、5、6的冷却结晶路线。
4．某三元系相图如图2-46中所示，AmBn为二元不一致熔融化合物。
试分析熔体1、2、3的冷却结晶过程。
5．图2-47为生成一个三元化合物的三元相图，（1）判断三元化合物N的性质；（2）标出边界线的温度降低方向；（3）指出无变点K、L、M的性质，写出它们的平衡反应；（4）分析熔体1、2的冷却过程。
6．试分析图2-23熔体3、4、5、6的冷却过程。
7．试根据CaO-SiO2-A12O3系相图说明组成为（wB / %）CaO 40.53，SiO2 32.94，A12O3 17.23，MgO 2.55的熔渣冷却过程中液相及固相成分的变化。
8．试根据图2-30绘制CaO- A12O3- SiO2三元系1500°C时的等温截面图。
9．给出CaO-SiO2-FeO系相图中1500°C的等温截面图，标出各相区内的相平衡关系。
组成为（wB / %）CaO 45、SiO2 25、FeO 20的熔渣在此温度下析出什么晶相？怎样才能使此熔渣中的固相减少或消除?10．假定炉渣碱度为= 2。
第一篇冶金熔体第一章冶金熔体概述1. 什么是冶金熔体？它分为几种类型？2. 何为熔渣？简述熔渣成分的主要来源及冶炼渣和精炼渣的主要作用。
3. 熔锍的主要成分是什么？第二章冶金熔体的相平衡图1. 在三元系的浓度三角形中画出下列熔体的组成点，并说明其变化规律。
X ：A 10% ，B 70% ，C 20% ；Y ：A 10% ，B 20% ，C 70% ；Z ：A 70% ，B 20% ，C 10% ；若将3kg X 熔体与2kg Y 熔体和5kg Z 熔体混合，试求出混合后熔体的组成点。
2. 试分析下图中熔体1 、2 、3 、4 、5 、6 的冷却结晶路线。
第三章冶金熔体的结构1. 熔体远程结构无序的实质是什么？2. 试比较液态金属与固态金属以及液态金属与熔盐结构的异同点。
3. 简述熔渣结构的聚合物理论。
其核心内容是什么？第四章冶金熔体的物理性质1. 试用离子理论观点说明熔渣的温度及碱度对熔渣的粘度、表面张力、氧化能力及组元活度的影响。
2. 什么是熔化温度？什么是熔渣的熔化性温度？3. 实验发现，某炼铅厂的鼓风炉炉渣中存在大量细颗粒铅珠，造成铅的损失。
你认为这是什么原因引起的？应采取何种措施降低铅的损失？第五章冶金熔体的化学性质与热力学性质1. 某工厂炉渣的组成为：44.5% SiO 2 ，13.8%CaO ，36.8%FeO ，4.9%MgO 。
试计算该炉渣的碱度和酸度。
原子量：Mg 24 Si 28 Ca 40 Fe 56 Mn 55 P 31 Zn 652. 什么是熔渣的碱度和酸度？3. 熔渣的氧化性主要取决于渣中碱性氧化物的含量，这种说法对吗？为什么？4. 已知某炉渣的组成为（W B / % ）：CaO 20.78 、SiO2 20.50 、FeO 38.86 、Fe2O3 4.98 、MgO10.51 、MnO 2.51 、P2O5 1.67 ，试求该炉渣的碱度。
原子量：Mg 24 Si 28 Ca 40 Fe 56 Mn 55 P 31 Zn 65 5. 某铅鼓风炉熔炼的炉渣成分为（W B / % ）：CaO 10 、SiO2 36 、FeO 40 、ZnO 8 ，试求该炉渣的酸度。
第四章 冶金熔体冶金熔体包括金属熔体和熔渣。
在火法冶金的冶炼和铸錠过程中，许多物理化学反应都与金属熔体和熔渣的物理化学性质有密切的关系。
例如炼钢过程中的脱碳、脱磷、脱硫和脱氧反应，铸锭过程中各种元素的偏析和非金属夹杂物的排除等，均与钢液中参与该反应的元素的浓度和活度有密切的关系。
同时也与钢液的粘度、表面张力和各元素在钢液中的扩散性有关。
因此研究他们的物理化学性质对冶金过程十分重要。
由于高温熔体本身的复杂性和高温下的实验研究比困难，至今对他们的理化性质的研究还很不够。
很多数据差别较大，还有许多问题尚待进一步研究。
这里只是根据某些实验研究结果，主要以铁合金和炼钢炉渣为例，来分析讨论金属熔体的结构、金属熔体的物理性质、各种元素在金属熔体中的溶解度和相作用、熔渣的结构、熔渣的物理性质、熔渣的化学性质和熔渣相图等问题。
4.1 金属溶体的结构在冶金过程中，金属熔体的温度一般只比其熔点高100～150℃左右，在这种情况下，金属熔体的性质和结构是与固体相近的。
下列事实可以作为证明。
1)金属熔化时体积增加很少，通常只有3％左右，纯铁熔化时体积只增加3．5％，即熔化时质点间的距离只增大l%左右。
这就说明各种金属在液态时其质点之间的距离是与固体相近的。
2）各种物质在熔化时的熔化潜热和熵变比蒸发和升华时的潜热及相应的熵变要小得多。
这就说明固体在熔化时质点间的作用力变化不大，并且体系的无秩序排列程度增加不多。
3）金属在熔化时的热容量变化不大。
这就证明液体中质点的热运动特点与固体中的很相近，而没有很大的变化。
4)用X射线衍射法研究金属熔体的结构，证明在熔点附近其结构与固体相近。
熔铁的原子径向分布曲线如图4—1所示。
图中竖线是晶体的衍射线，它们表示晶体中的原子分布情况，由于晶体的晶格很规则而各个原子有固定的空间排列，因此只在某几个球面上有原子分布，所以分布曲线是不连续的竖线。
液体中缺乏规则的晶格且原子位置经常发生变化，只能得到具有一个个峰的曲线，因此表示液体中原子分布的情况只能用原子径向分布函数这个概率的概念。
第一篇冶金熔体第一章冶金熔体概述1.0 概念∙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1.1 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。
1.2 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）、硫酸盐等二、常见冶金炉渣的组成结论：∙冶金炉渣通常由五、六种或更多的氧化物组成。
∙炉渣常含有其他化合物，如氟化物、硫化物等。
∙炉渣中含量最多的氧化物通常只有三种，其总含量可达80%以上。
∙大多数有色冶金炉渣和钢渣的主要氧化物是：FeO、CaO、SiO2∙高炉渣和某些有色冶金炉渣的主要氧化物为：CaO、Al2O3、SiO2三、熔渣组分的来源∙矿石或精矿中的脉石如高炉冶炼：Al2O3、CaO、SiO2等∙为满足冶炼过程需要而加入的熔剂如CaO、SiO2、CaF2等——改善熔渣的物理化学性能∙冶炼过程中金属或化合物（如硫化物）的氧化产物如炼钢：FeO、Fe2O3、MnO、TiO2、P2O5等造锍熔炼：FeO、Fe3O4等。
∙被熔融金属或熔渣侵蚀和冲刷下来的炉衬材料如碱性炉渣炼钢时，MgO主要来自镁砂炉衬∙高炉渣和某些有色冶金炉渣的主要氧化物为：CaO、Al2O3、SiO2四、熔渣的主要作用与分类——不同的熔渣所起的作用是不一样的——根据熔渣在冶炼过程中的作用，可将其分成四类：1、冶炼渣（熔炼渣）∙是在以矿石或精矿为原料、以粗金属或熔锍为冶炼产物的熔炼过程中生成的∙主要作用——汇集炉料（矿石或精矿、燃料、熔剂等）中的全部脉石成分、灰分以及大部分杂质，从而使其与熔融的主要冶炼产物（金属、熔锍等）分离。
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℃；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。
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℃)的危害，同时使Fe3O4造渣：2MgO+SiO2=2MgO·SiO22Fe3O4+FeS+5SiO2=5(2FeO·SiO2)+SO2SiO2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℃之间。
炼镍鼓风炉的风口区温度可达1500～800℃，足以保证渣的过热与排放。
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℃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℃等温线。
高钙渣的熔化温度处于1100～1200℃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。
4.2密度密度——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–1rM——金属或锍微粒的半径，mρM,ρS——金属和熔渣的密度，kg·m–3ηS——熔渣的粘度，Pa·sg——重力加速度，9.80m·s–2一、常见冶金熔体的密度范围熔融的铁及常见重有色金属：7000～11000kg·m-3铝电解质：2095～2111kg·m-3镁电解质：1700～1800kg·m-3熔渣：3000～4000kg·m-3熔锍：4000～5000kg·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1500kg·m-3。
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：ρT=ρm-α(T-Tm)ρT——熔体在某一温度T时的密度；ρm——熔体在熔化温度Tm时的密度；α——与熔体性质有关的常数。
或：ρT=β-αT对于纯铁液：ρT=8580-0.853T kg·m-3三、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。
2、熔渣缺乏实验数据时，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：ρMO——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。
估算冶炼温度下熔渣密度的经验公式：当T=1673K时，1/ρ1673=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：4.3粘度一、粘度的概念在层流流体中，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，NA—相邻两液层的接触面积，m2dv/dx—垂直于流体流动方向上的速度梯度，s-1η—粘度系数，动力粘度，简称粘度，Pa·s[kg·m-1·s-1]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（v）：v=η/ρm2·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：二、粘度与温度的关系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：An——常数，En——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。
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。
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。
三、金属熔体的粘度纯液态金属的粘度：(0.5～8)*10-3Pa·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℃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)*10-3Pa·s；→当其它元素总量为0.100～0.122%时升高至(5.5～6.5)*10-3Pa·s。
→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。
四、熔渣的粘度1、CaO–Al2O3–SiO2系熔渣的等粘度曲线图在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。
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。
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。
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℃左右，CaO为40%～55%、A12O3为5%～20%的组成范围内，该渣系的粘度最小（<0.2Pa·s）。
2、CaO–FeO–SiO2系炉渣的等粘度曲线图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。
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。
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0.01Pa·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。
4.4导电性一、电导率的概念熔体导电性能的重要性→电弧炉炼钢、电渣重熔→熔盐电解导电性的表示方法——电导率（γ）→电导率为电阻率（ρ，单位Ω·m）的倒数：γ=1/ρ→电导率的单位：S·m-1（西门子每米）二、电导率与熔体组成的关系1、金属熔体金属熔体通常都是电的良好导体。
1000℃时液体铅的电导率约为0.8*106S·m-1；1200℃时液体铜的电导率高达4.35*106S·m-1。
2、熔渣熔渣的电导率差别很大，取决于其中氧化物的结构。
共价键成分很大的氧化物——SiO2、B2O3和GeO2等在熔渣中形成聚合阴离子；这种大尺寸的聚合阴离子在电场作用下难以实现电迁移，故电导率很小，在熔点时γ<10-3S·m-1。
