第四章 冶金熔体的物理性质
第四章 冶金熔体
碱度——熔渣中主要碱性氧化物含量与主要酸性氧化物含量（质量） 之比，用R（B、V）表示。
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碱度有多种表达式：
● 可在氧化物的质量百分数前引入根据化学计量关系 或通过实际观测得到的系数。
● 各种碱度表达式中氧化物的量可用其摩尔数或摩尔 分数表示。
● 对于高炉渣，碱度大于1的渣是碱性渣，碱度小于1 的渣是酸性渣。 ● 对于炼钢渣，碱性渣的碱度约为2~3.5。
FeO、 Fe3O4等
如CaO、 SiO2、 CaF2等— —改善熔渣 的物理化学 性能
如炼钢：FeO、 Fe2O3、MnO、 TiO2、P2O5等
14Biblioteka 二、常见冶金炉渣的组成4-1
15
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：
34
4-1
35
4-2
36
4.5 熔体的化学性质
4.5.1 熔渣的碱度与酸度
熔渣的碱度或酸度表示炉渣酸碱性的相对强弱 。 熔渣的化学性质主要决定于其中占优势的氧化物所显示的化学性质。 熔渣中碱性氧化物与酸性氧化物浓度的相对含量表示熔渣的碱度或酸 度。
一、熔渣的碱度
钢铁冶金中，习惯上用碱度表示熔渣的酸碱性。
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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。
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。
12
4.3 熔 渣
一、什么是熔渣
13
4.3、熔渣组分的来源
材料 如碱性 炉渣炼钢时， MgO主要来自 镁砂炉衬 如高炉冶炼： Al2O3、CaO 、SiO2等
中南大学冶金原理题库
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。
金属冶炼中的熔体流动特性
将连续的流场离散为有限个小的单元 ，通过求解每个单元的偏微分方程来 得到整个流场的特性。
04
熔体流动特性在金属冶炼中的 应用
在熔炼过程中的应用
熔炼过程中，熔体流动特性对金属的熔化、混合和去除杂质等过程具有重要影响。
通过控制熔体流动，可以提高金属的纯净度和均匀性，降低杂质含量和偏析现象。
熔体流动特性还能影响熔炼过程中的传热和传质过程，进而影响金属的熔炼效率和 能耗。
流动通道结构的影响
通道形状
流动通道的形状、尺寸和结构会影响熔体的流动特性，例如 狭窄的通道可能导致流速增加。
粗糙度
流动通道的表面粗糙度也会影响熔体的流动特性，粗糙的表 面可能会导致流动阻力增加。
外部磁场或电场的影响
磁场
外部磁场可以影响熔体的流动特性， 例如磁流体力学效应可能导致熔体的 流动行为发生变化。
促进测量技术的跨学科融合
结合物理学、化学、材料科学等多个学科的前沿技术，推动测量技 术的不断创新和应用。
THANKS
金属冶炼中的熔体流动 特性
目录
Contents
• 金属冶炼概述 • 熔体流动特性的影响因素 • 熔体流动特性的测量与表征 • 熔体流动特性在金属冶炼中的应用 • 未来研究方向与展望
01 金属冶炼概述
金属冶炼的定义与目的
定义
金属冶炼是指通过一系列物理和 化学过程，将矿石或废旧金属等 原材料中的金属元素提取出来， 并加工成纯金属或合金的过程。
发展新型金属冶炼技术
结合熔体流动特性的研究成果，开发新型金属冶炼技术和装备，推动金属工业的可持续发 展。
新型测量技术在熔体流动特性研究中的应用
开发新型传感器和测量系统
针对熔体流动特性的测量需求，研发新型传感器和测量系统，提 高测量精度和可靠性。
冶金原理复习
的相对位置关系来确定该无变点的性质。
低共熔点 —— E 转 熔 点 —— P
熔体冷却过程分析小结
根据给定熔体M的百分组成，在浓度三角形中找到M点的 位置； 由M点所在的等温线，确定熔体开始结晶的温度； 由M点所在的初晶面，确定初晶组成； 按M点所在的子三角形确定熔体结晶终了的固相组成及冷 却过程的终点。 原始体系组成点、液相组成点和固相组成点三者始终在同 一条直线上，而且体系组成点必在固、液二组成点之间， 它们的质量关系遵守杠杆规则。 液相组成和固相组成的变化是沿两条不同的路径进行的。 结晶终了时，这两条路径首尾相连，合为一条折线。
电导率为电阻率（，单位· m）的倒数：
= 1/
电导率的单位：S· m1（西门子每米）
二、电导率与其他性质的关系 1、电导率与熔体组成的关系
2、电导率与温度的关系 金属熔体及熔锍——第一类导体 当温度升高时，它们的电导率下降。 温度升高，离子的运动加剧，阻碍了自由电 子的定向 运动。 熔盐和熔渣——第二类导体 当温度升高时，它们的电导率增大。 3、电导率与粘度的关系 对于一定组成的熔盐或熔渣，降低粘度有利于离子的运动，从 而使电导率增大。
第五章 冶金熔体的化学性质 与热力学性质
• 1、熔渣的碱度、熔渣的酸度 • 2、熔渣中氧化渣及还原渣
一、熔渣的碱度
钢铁冶金中，习惯上用碱度表示熔渣的酸碱性。 碱度 —— 熔渣中主要碱性氧化物含量与主要酸性氧化 物含量（质量）之比，用R（B、V）表示。 碱度有多种表达式。 可在氧化物的质量百分数前引入根据化学计量关系或 通过实际观测得到的系数。 各种碱度表达式中氧化物的量可用其摩尔数或摩尔分 数表示。 对于高炉渣，碱度大于 1 的渣是碱性渣，碱度小于 1 的 渣是酸性渣。 对于炼钢渣，碱性渣的碱度约为2~3.5。
金属冶炼中的熔体行为与反应动力学
热导率是衡量熔体传热性能的参数，表示熔体传导热量的 能力。热导率受到温度、金属或合金的组成、气氛等因素 的影响。
熔体的结构与组成
01
金属键合
熔体中的金属原子通过金属键合相互作用，形成稳定的液态结构。金属
键合的性质决定了熔体的物理化学性质。
02
合金元素
在金属冶炼中，通常会添加一定量的合金元素，以改变熔体的物理化学
熔体行为对冶炼过程的影响
熔体粘度
熔体的粘度影响熔体的流动性和传热性能，进而 影响金属的熔炼效率和温度控制。
熔体成分
熔体中不同元素的含量和分布对金属的冶炼过程 和产品质量有重要影响。
熔体表面张力
表面张力影响熔体的润湿性和流动行为，对金属 的分离和提纯过程具有关键作用。
反应动力学在冶炼过程中的作用
反应速率
反应机理
反应机理是指化学反应发生的具体过程和步骤。在金属冶炼中，了解反应机理 有助于深入理解反应过程，从而优化反应条件和提高产物的纯度。
反应路径与能量
反应路径
反应路径描述了化学反应如何从起始 状态到达最终状态的过程。在金属冶 炼中，选择合适的反应路径可以降低 能耗和减少环境污染。
能量变化
化学反应过程中伴随着能量的变化， 包括吸热或放热。在金属冶炼中，了 解能量变化有助于合理利用能源，提 高能源利用效率。
性质。合金元素对熔体的结构与组成产生影响，进而影响熔体的性质。
03
气体和固体杂质
在金属冶炼过程中，熔体中会溶解一定量的气体（如氧气、氮气、氢气
等）和夹带部分固体杂质（如氧化物、硫化物等）。这些气体和杂质对
熔体的性质产生影响，需要进行去除或转化处理。
02
反应动力学
反应速率与机理
冶金原理复习题(stu)
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。
冶金原理3金属熔体
熔体中杂质的影响及其处理方法
熔体中杂质的存在会对金属性能产生负面影响，因此需要采取适当的处理方法来净化金属熔体。
熔体的测温与温度控制
准确测温和精确控制熔体温度对于实现高质量金属熔化以及生产工艺的稳定 性至关重要。
冶金原理3金属熔体
探索金属熔体的奇妙世界，从熔点到凝固点，从熔化过程到熔体中常见金属 元素的特性和影响，一起了解金属熔体的各个方面。
金属熔体的定义
金属熔体指的是当金属的温度升至其熔点以上时，金属固态逐渐转变为液态 的过程。
熔点与凝固点
熔点是金属在升温过程中开始熔化的温度，而凝固点是金属在降温过程中开始凝固的温度。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
熔体的物理性质
金属熔体具有高热导性、高电导性、低黏度、可流动性和较高的表面张力等 特点。
熔化过程及其控制方法
控制金属熔化过程的方法包括控制加热速率、控制熔化温度和采用合适的熔 化设备。
熔化反应的热力学分析
通过对金属熔化反应的热力学分析，可以了解金属熔体形成的热力学基础及 其影响因素。
熔体中常见的金属元素及其特性
炼钢原理5.1金属容体的物理化学性质
§5.2炼钢炉渣（1）
一 有关炼钢炉渣的基本知识 二 炼钢过程中的主要渣系相图 三 熔渣的结构理论
一 关炼钢炉渣的基本知识
1炼钢炉渣分类 2熔渣组成的主要来源 3炉渣化学组成 4炼钢生产过程中熔渣的主要作用 5固体保护渣用于连铸对提高产品的质量和产量起显著的 作用
1炼钢炉渣分类
根据炼钢过程目的的不同，炼钢炉渣可分为4类： 1）以铁水预脱硫为目的的还原渣。 2）精炼粗金属，其中元素氧化形成的氧化物组成的炉 渣，称为氧化渣，主要指转炉炼钢渣。 3）将原料中的某些有用成分富集于炉渣中，以利于下 道工序将它回收的炉渣，称为富集渣，例如吹炼含钒、 铌生铁得到的钒渣、铌渣等。 4）采用各种造渣材料预先配制的炉渣，称为合成渣。 如连铸用保护渣。炼钢工艺的发展对熔渣提出了新要 求，应选择、采用合适的渣系以满足冶金生产的需要。
S Si C Mn P lg f S e S s [ S ] e S [ Si ] e S [ C ] e S [ Mn ] e S [ P ]
s
=(-0.028×0.05)+0.063×1.0+0.11×4.0+(-0.026) ×1.0+0.029×0.20 =0.482 fs ≈3.0
例题
例题：计算滚珠轴承钢G Cr15 Si Mn的熔点，其化学成分如下： 化学成分：C Si Mn Cr P S ω，% 1.0 0.5 1.0 1.5 0.02 0.01 解：由于钢中（H、O、N）含量很低，不必单独计算。一般认为它们能使 纯铁的熔点降低2℃，并与其他因素共同作用使纯铁的熔点降低5℃，这里一 并考虑。 Tf = 1538-(90×1.0+6.2×0.5+1.7×1.0+1.8×1.5+28×0.02+40×0.01)-2-5 = 1538-98-7 = 1433℃ 由表5-2可知，碳是降低铁熔点的最显著的元素。碳素钢在冶炼终点时，钢 中其他元素含量很低，其熔点主要决定于含碳量，这样也就可以根据熔点的 高低快速地确定其含碳量。现在国内外在炼钢生产中广泛应用的“结晶定 碳法”，就是利用迅速测定终点钢水的凝固点而确定其含碳量的。
冶金熔体
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。
5.1金属容体的物理化学性质
（2）熔铁中各种元素的相互作用和相互作用系数
熔铁中各种元素不仅与铁发生作用，而且各溶质元素之间 也发生相互作用。熔铁中各元素之间的相互影响，可以通 过彼此对活度系数的影响显示出来。 例题：如果铁水成分为：0.05%S,1.0%Si，4.0%C， 1.0%Mn和0.20%P，求铁水中硫的活度系数。 解：从表中查出格相互作用系数，则由式（5-3），得
2粘度
(1)金属熔体的粘度对于冶炼和浇注操作及钢质量等都 有很大的影响。例如，传质速率、非金属夹杂物的排 除、钢的结晶和偏析等都与钢液的粘度有密切的关系。 同时它也是阐明熔融铁合金结构的重要性质。 (2)其他元素对金属熔体粘度的影响： Ni、Co、Cr等元素对金属熔体的粘度影响较小；Mn、 Si、Al、P、S等元素使金属熔体的粘度下降，特别是 Al、P、S等元素，很少的含量就能使金属熔体的粘度 大大下降；但是V、Nb、Ti等元素却使金属熔体的粘 度上升。此外，金属熔体悬浮的Al2O3、Cr2O3等固体 质点越多，粘度就越大。
S Si C Mn P lg f S = e S s ω [ S ] + e S ω [ Si ] + e S ω [ C ] + e S ω [ MБайду номын сангаас ] + e S ω [ P ]
s
=(-0.028×0.05)+0.063×1.0+0.11×4.0+(-0.026) ×1.0+0.029×0.20 =0.482 fs ≈3.0
5表面张力
金属熔体的表面(界面)张力是阐明钢铁冶炼过程中各种界面现象所不可缺少 的重要性质。因此研究液体的表面张力有助于了解液体的结构。 各种影响表面张力的因素中主要是温度和组分。 各种影响表面张力的因素中主要是温度和组分。 温度对液体的表面张力有较大的影响。金属熔体的表面张力随着温度的升 温度对液体的表面张力有较大的影响 金属熔体的表面张力随着温度的升 高而减小。 高而减小。 在液体中溶解有不同物质时，它的表面张力也会发生变化。 在液体中溶解有不同物质时，它的表面张力也会发生变化。在液体中溶解 某些元素后，凡能降低表面张力的元素 凡能降低表面张力的元素，便会自发地移到溶液表面，使表 凡能降低表面张力的元素 面浓度大于内部浓度，这时称为正吸附，该元素称为表面活性物质 称为表面活性物质；反之， 称为表面活性物质 若表面浓度低于内部浓度，则相应地称为负吸附和表面不活性物质。 溶质元素对熔铁表面张力的影响程度决定于它的性质与铁的差别， 溶质元素对熔铁表面张力的影响程度决定于它的性质与铁的差别，溶质元 素的性质与铁的差别越大，则对熔铁表面张力的影响也越大。一般说来， 一般说来， 一般说来 金属元素对熔铁表面张力的影响较小，而非金属元素的影响较大。 金属元素对熔铁表面张力的影响较小，而非金属元素的影响较大。
金属冶炼中的熔体凝固与晶体生长机制
在晶体生长过程中，原子或分子的扩散能也是影响能量平 衡的重要因素。扩散能的大小决定了原子或分子在晶体中 的扩散速度和参与晶体生长的能力。
03
金属冶炼中的熔体凝固与晶体生 长
金属冶炼过程中的熔体特性
熔体的物理性质
01
熔体的密度、粘度、热导率等物理性质对熔体的流动性和传热
特性有重要影响。
熔体的化学成分
详细描述
随着新材料需求的不断增长，新型金属材料的熔体凝固与晶 体生长研究将更加受到关注。通过深入研究新型金属材料的 熔体结构和凝固行为，有望发现具有优异性能的新型金属材 料，满足各种工程应用的需求。
高性能金属材料的制备技术
总结词
高性能金属材料的制备技术是当前研究的热点，也是未来金属冶炼行业的重要发展方向 。
02
金属冶炼过程中，熔体的化学成分直接影响其凝固点和晶体结
构，进而影响金属的性能。
熔体的纯净度
03
熔体中的杂质和气体含量会影响晶体生长的均匀性和完整性，
进而影响金属材料的性能。
金属冶炼过程中的晶体生长控制
1 2 3
冷却速度
通过控制冷却速度，可以调节晶体生长的速度和 晶体结构，从而获得所需的金属材料性能。
材料性能优化
通过控制熔体凝固与晶体生长过程，可以优化材料的微观结构和性能，提高材料的强度、 韧性、耐腐蚀性等。
材料合成与制备
熔体凝固与晶体生长技术是材料合成与制备的重要手段之一，广泛应用于金属材料、陶瓷 材料、复合材料的制备过程中。
在工业生产中的应用
01 02
金属材料生产
熔体凝固与晶体生长技术在金属材料生产中应用广泛，如钢铁、有色金 属等。通过控制熔体凝固与晶体生长过程，可以提高金属材料的性能和 产品质量。
熔体物化第四章冶金熔体热力学模型
第四章第章冶金熔体热力学模型参考数目（1）•《物理化学》复旦大学化学系物理化学教研室编，北京人民教育出版社1977阿特金斯著天津大学物理化学教研•《物理化学》英∙阿特金斯著，天津大学物理化学教研室译高教出版社1990•《物理化学》南京大学物理化学教研室，傅献彩、陈南京大学物理化学教研室傅献彩陈瑞华编人民教育出版社1980结构化学何福成朱和人民教育出版社•《结构化学》何福成、朱正和，1984 •《化学热力学》韩德刚、高执棣主编，高等教育出版社1997•《化学热力学问题300例》屈松生主编，高等教育出版社1996参考数目（2）•《钢铁冶金原理》冶金工业出版社，黄希祜•《钢铁冶金物理化学》冶金工业出版社，陈襄武•《钢铁冶金学》冶金工业出版社，陈家祥主编•《物理化学》蔡文娟主编，冶金工业出版社蔡文娟主编冶金工业出版社1994•《物理化学》冶金工业出版社梁英教•《金属学》冶金工业出版社宋维锡主编参考数目（3）•冶金工业出版社，《冶金与材料物理化学》冶金业出版社李文超主编，2001•《硅酸盐物理化学》饶东生主编，冶金工业出版社，1991出版社•《硅酸盐物理化学》贺可音主编，武汉工业大学出版社，1995•《冶金熔体的计算热力学》张鉴著，冶金工业出版社，1998工业出版社稀溶液正规溶液1亚正规溶液•几何模型经验模型•SELF-SReM Model•分子理论•离子理论•分子离子共存模型一、分子理论分子论①分子结构理论是最早出现的关于熔渣结构的理论。
②分子理论是基于对固态炉渣结构的研究结果。
分子理论是基于对固态炉渣结构的研究结果③分子结构理论在熔渣结构的研究中已很少应用。
④在冶金生产实践中仍常用分子结构理论来讨论和分析冶金现象。
分子理论的基本观点1、分子理论的基本观点z 熔渣是由电中性的分子组成的。
有的是简单氧化物或称自由氧化物如¾有的是简单氧化物（或称自由氧化物），如：CaO 、MgO 、FeO 、MnO 、SiO 2、Al 2O 3等¾有的是由碱性氧化物和酸性氧化物结合形成的复杂化合物（或称结合氧化物），如：2CaO ∙SiO 2，CaO ∙SiO 2、2FeO ∙SiO 2、3CaO ∙P 2O 5等z 分子间的作用力为范德华力。
第四章 冶金熔体的物理性质
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∙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) + SO2∙S iO2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。
冶金熔体
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。
金属冶炼中的熔体性质与流动
案例分析一：钢铁冶炼中的熔体流动控制
钢铁冶炼中的熔体流动控 制
在钢铁冶炼过程中，需要对熔体的流动进行 精确控制以实现高效、高质量的生产。通过 采用先进的熔体流动控制技术和设备，可以 优化钢铁的成分、提高产品的机械性能和耐 腐蚀性。
控制手段与效果
采用先进的传感器和自动化控制系统，实时 监测熔体的流动状态和性质变化，通过调整 工艺参数实现精确控制。这种控制手段可以 提高钢铁产品的质量和稳定性，降低能耗和
金属冶炼的主要目的是为了获取纯金 属或合金，以满足工业生产和人类生 活的需求。
金属冶炼的过程与阶段
选矿
通过物理或化学方法，将 矿石中的有用成分与无用
成分分离。
精炼
通过进一步处理，去除熔 融态金属中的杂质，获得
高纯度的金属。
01
02
03
04
05
采矿
从地下开采矿石，为冶炼 提供原料。
熔炼
将矿石或精矿中的金属提 取出来，形成熔融态的金
流动对熔体性质的影响
混合与扩散
熔体的流动有助于混合和扩散过程，使熔体成分更加均匀。在金属冶炼过程中，通过搅拌或循环流动可以使熔体 成分更加均匀，从而提高产品质量。
热传导与对流
熔体的流动可以促进热量的传递，使熔体温度更加均匀。在金属冶炼过程中，通过控制熔体的流动可以调节温度 分布，从而优化冶金过程。
生产成本。
案例分析二：有色金属冶炼中的熔体性质优化
要点一
有色金属冶炼中的熔体性质优化
要点二
优化措施与效果
在有色金属冶炼过程中，优化熔体的性质对于提高产品质 量和降低能耗具有重要意义。通过对熔体的物理性质和化 学成分进行深入研究，可以发现潜在的优化空间并采取有 效措施进行改进。
第四章 冶金熔体
二、冶金熔体的共同特征 固
整 体 有 序
晶体（实际）的特点—— 晶体（实际）的特点 晶体（理想）的特点—— 体 晶体（理想）的特点
冶金熔体的特点— 冶金熔体的特点—
近程有序远程无序
2、从能量角度分析：热力学、动力学 、从能量角度分析：热力学、
二、冶金熔体的共同特征
从能量角度分析： 从能量角度分析：
能 量
ΔGa
熔体
∆Gv
晶体 从热力学角度分析熔体与晶体
二、冶金熔体的共同特征
从能量曲线分析冶金熔体
气相冷凝获得的无定形物质 位能 熔体 玻璃 真实晶体 理想晶体 表面 内部
二、冶金熔体的共同特征
X—RAD分析 分析: 分析
气体、熔体、玻璃体和白硅石的XRD图 气体、熔体、玻璃体和白硅石的 图
二、冶金熔体的共同特征
碱性氧化物提高 aO 2 -，酸性氧化物降低aO 2 - 。
a 在离子理论中， 在离子理论中，O 2 - 大小作为熔渣酸碱性的 量度。 量度。 a
越大。 越大。 越大， 则熔渣的碱度越大；反之， O 2 - 越大 ， 则熔渣的碱度越大 ； 反之 ， 熔渣酸度
4.3 冶金炉渣
二、熔融炉渣的结构
氧化物碱性或酸性强弱的次序 熔渣中： 熔渣中：
4.3 冶金炉渣
熔渣主要来源
♦ 矿石或精矿中的脉石： 矿石或精矿中的脉石：
如高炉冶炼： 如高炉冶炼：Al2O3、CaO、SiO2等 ♦ 为满足冶炼过程需要而加入的熔剂： 为满足冶炼过程需要而加入的熔剂： CaF等 如CaO、SiO2、CaF等 ♦ 冶炼过程中金属或化合物 （ 如硫化物 ） 的氧 冶炼过程中金属或化合物（如硫化物） 化产物： 化产物： 如炼钢： 如炼钢：FeO、Fe2O3、MnO、TiO2、P2O5等 造锍熔炼：FeO、 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 如碱性炉渣炼钢时，MgO主要来自镁砂炉衬
冶金原理第4章
γ B = γ ⋅γ
0 B
(2) B
பைடு நூலகம்
⋅γ Lγ
(3) B
(K) B
4.2.1.2 以重量1%浓度溶液为标准态 以重量1%浓度溶液为标准态
K K 以w[ B]、w[ K ]、f B、代替xB、xK、γ B、ε B B
B K lg f B = lg f B0 + eB w[ B ] + L + eB w[ K ]
4.2.1 活度的相互作用系数
4.2.1.1 以纯物质为标准态
目标及条件： 目标及条件： 设铁液（组分1）内组分2的活度系数 为所求，除组分2外 的活度系数γ 设铁液（组分 ）内组分 的活度系数γ2为所求，除组分 外， 尚有组分3， ， ， ， 等存在 其浓度分别为x 等存在， 尚有组分 ，4，5，…，j等存在，其浓度分别为 2，x3，x4， x5，…，xj，则γ2在恒温恒压下是其自身浓度及其他组分浓度 ， 的函数， 的函数，即： γ2=γ(x2，x3，x4，x5，…，xj)。 γ ， 。 泰勒级数 ：
2 C
C原子半径很小，形成间隙式熔体。 原子半径很小，形成间隙式熔体。 原子半径很小
3 Si
Si在铁中的溶解焓很大，Fe—Si键很强。 在铁中的溶解焓很大，Fe Si键很强。 Si键很强 在铁中的溶解焓很大 0 ∆H Si = −75.5 KJ / mol
4 O
氧在铁液中的溶解度很小，属于稀溶液类型。 氧在铁液中的溶解度很小，属于稀溶液类型。 fO=1 气体氧溶解于铁液中是单原子状。 气体氧溶解于铁液中是单原子状。 1/2O2 = [O]
4.2铁液中组分活度的相互作用系数 4.2铁液中组分活度的相互作用系数
C.Wagner法（计算活度系数）：把lnγi函数按泰勒级数展 法 计算活度系数）：把 γ ）： ★ 开成组分浓度的多项式，代入实验测定的相互作用系数， 开成组分浓度的多项式，代入实验测定的相互作用系数， 即可计算出组分的活度系数。 即可计算出组分的活度系数。
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黏度的意义：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。 黏度的单位：Pa· s，泊(P)，厘泊(cP)
1Pa· s = 10P， 1P = 100cP
运动黏度（）： = / 黏度的本质： m2· s1或St（1m2· s1 = 104St）
流体的流动性：运动黏度的倒数
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、硫等会使熔铁的密则很小。 当几种物理化学性质相近的金属形成金属熔体时，如 Fe—Ni、Fe—Mn等，漆密度具有加和性，即：
当T >1673K时，可按下式计算任意温度下的熔渣密度：
T 1673 0.07
1673 T 3 3 ， 10 kg m 100
一、黏度的概念
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；
2 2 grM v ( M S ) 9S
V rM M,S S g
—— —— —— —— ——
沉降速度，m· s–1 金属或锍微粒的半径，m 金属和熔渣的密度，kg· m–3 熔渣的黏度，Pa· s 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：7000~11000 kg· m3
C含量在0.5%以下时对铁液黏度的影响比较复杂。
四、熔渣的黏度
1、CaO–Al2O3–SiO2系熔渣的等黏度曲线图
在 A12O3 含量不大的碱性渣 区域，等黏 度线 几乎平 行 于SiO2A12O3边。
NC
aO
当渣中CaO含量一定时，
N SiO
2
用 A12O3 取代 SiO2 时不影响
黏 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
— 酸性渣
温 度
熔渣黏度与温度的 关系
熔渣黏度与温度的关系（续）
碱性渣——短渣或不稳定性渣 在高温区域时，温度降低黏度只稍有增大，但降至 一定温度黏度突然急剧增大，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黏度迅 速增大。 熔化性温度——黏度由平缓增大到急剧增大的转变 温度。
N SiO
NC
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。
aO
2
NAl O
2
3
CaOA12O3SiO2系熔渣在1900C时的等黏度曲线 （0.1Pa· s）
CaOA12O3SiO2系熔渣在1900C时的等黏度曲线 （0.1Pa· s）
2 3
NAl O
子，即A12O3呈酸性。
四、熔渣的黏度
1、CaO–Al2O3–SiO2系熔渣的等黏度曲线图
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 黏 度降低。
铝电解质：2095~2111 kg· m3
镁电解质：1700~1800 kg· m3 熔渣：3000~4000 kg· m3 熔锍：4000~5000 kg· m3 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· m3。
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
表 42 某些熔体密度公式中的系数
对于纯铁液：T = 8580 0.853T kg· m3
熔体 纯铁 8580 0.853 纯铝 2487 0.272 冰晶石 3288 0.937 NaF 2734 0.610 CaF2 3179 0.391 MgCl2 1976 0.302 BaCl2 4015 0.681 LiCl 1884 0.433 KCl 2136 0.583
三、金属熔体的黏度
纯液态金属的黏度： (0.5~8)103 Pa· s
接近于熔盐或水的值，远小于熔渣的黏度值。 金属熔体的黏度与其中的合金元素有关。
例如，1600C时液态铁的黏度
当铁中其它元素的总量不超过 0.02~0.03%时 为 (4.7~5.0)103 Pa· s； 当 其 它 元 素 总 量 为 0.100~0.122% 时 升 高 至 (5.5~6.5)103 Pa· s。
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。 1000C时液体铅的电导率约为 0.8106 S· m1；
1200C时液体铜的电导率高达 4.35106 S· m1。
2、熔渣
熔渣的电导率差别很大，取决于其中氧化物的结构。
虚线所围成的 部分为1500℃下 的液相区
2、CaO–FeO–SiO2系炉渣的等黏度曲线图
该熔渣体系的黏度比
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。
在冶炼熔渣中常含 有 MgO 、 Cr2O3 等氧 化物 MgO 和 Cr2O3 能使渣 的黏度显著增大。
各种熔体的黏度与温度的关系
熔渣黏度与温度的关系
酸性渣——长渣、稳定性渣 黏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，黏度平缓上升。
— 碱性渣
粘 度
连铸保护渣主要成分是CaO、SiO2和Al2O3,但是仅由这三种 物质组成的保护渣的熔化温度达不到要求（低于1200℃）， 加入CaF2或Na2O，则可使熔化温度降到1200℃以下
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：
1/ (Me / Me ),
m3 kg 1
ρMe和ωMe分别是各金属的密度和质量分数。
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：
1/ (MeO / MeO ),
dv d ( m v) dp F m a m dt dt dt dp dv A dt dx
表 43 各类液体的粘度
物 液态金属 Fe Cu Pb Sn 熔盐 熔渣 熔锍 玻璃 水 Na2OSiO2 (SiO2：50~80%) H2O KCl MgCl2 FeOSiO2 (SiO2：0~4%) CaOSiO2 (SiO2：45~60%) 质 温度 / K 1823 1473 1173 593 1308 1081 1673 1825 1273 1473 298 粘度 / Pa· s 0.005 0.0032 0.0012 0.0013 0.0007 0.041 0.04~0.3 0.02~1.0 ~0.01 1~10 0.001
• •
粘度 / 103Pa•s
AlF3/(NaF+ AlF3)摩尔比
Na3A1F6A1F3A12O3 三元系的黏度
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（）
电导率为电阻率（，单位· m）的倒数：
= 1/
电导率的单位：S· m1（西门子每米）
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。
表 41 常见冶金熔体的熔化温度
物 金属 质 熔化温度 / C 1530 1538 1453 1083 327.5 ~960 580~700 350~360 1100~1400 700~1100 工业纯铁 Fe Ni Cu Pb 熔盐 铝电解质 镁电解质 锂电解质 熔渣 熔锍
m3 kg 1
MeO —— 渣中MeO的密度
ωMeO —— 渣中MeO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，
1/1673 = 0.45(SiO2) + 0.286(CaO) + 0.204(FeO) + 0.35(Fe2O3) + 0.237(MnO) + 0.367(MgO) + 0.48 (P2O5) + 0.402(A12O3)，103m3· kg1 (MxOy) —— 氧化物MxOy的质量分数。
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 能使碱性渣的黏 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 。