冶金熔体金属熔体的结构ppt55

第四章 冶金熔体
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。 金属熔体的物理化学性质和其基本结构有关。 熔体物理化学性质直接影响到金属和熔渣的分离、化 学反应等过程。 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。
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
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4.3 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
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
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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。 例如，高炉炼铁中，铁矿石中的大量脉石成分与燃料（焦炭）中的灰份以 及添加的熔剂（石灰石、白云石、硅石等）反应，形成炉渣，从而与金属 铁分离。
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3、富集渣 是某些熔炼过程的产物。 作用——使原料中的某些有用成分富集于炉渣中，以便在后续工 序中将它们回收利用。 例如，钛铁矿常先在电炉中经还原熔炼得到所谓的高钛渣，再从 高钛渣进一步提取金属钛。 对于铜、铅、砷等杂质含量很高的锡矿，一般先进行造渣熔炼， 使绝大部分锡（90%）进入渣中，而只产出少量集中了大部分杂 质的金属锡，然后再冶炼含锡渣提取金属锡。
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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%。
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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。 结论II 金属熔体在过热度不高的温度下具有准晶态的结构—— → 熔体中接近中心原子处原子基本上呈有序的分布，与晶体 中的相同（保持了近程序）； → 在稍远处原子的分布几乎是无序的（远程序消失）。
造锍熔炼中，铜、镍的硫化物与炉料中铁的的硫化物熔融在一起，形成熔 锍；铁的氧化物则与造渣熔剂SiO2及其他脉石成分形成熔渣。
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2、精炼渣（氧化渣） 是粗金属精炼过程的产物。 主要作用——捕集粗金属中杂质元素的氧 化产物，使之与主金属分离。 例如，在冶炼生铁或废钢时，原料中杂质 元素的氧化产物与加入的造渣熔剂融合成 CaO和FeO含量较高的炉渣，从而除去钢液 中的硫、磷等有害杂质，同时吸收钢液中的 非金属夹杂物。
模型II 液态金属中的原子相当于紊乱的密集球堆，这里既没有晶态区，也 没有能容纳其他原子的空洞。 在紊乱密集的球堆中，有着被称为“伪晶核”的高致密区。 模型II突出了液态金属原子的随机密堆性。 液态金属的结构起伏 液态金属中的“晶态小集团”或 “伪晶核”都在不停地变化，它们 的大小不等，时而产生又时而消失，此起彼伏。 结构起伏的尺寸大小与温度有关。温度愈低，结构起伏的尺寸愈大。
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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。
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→ 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。
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液态金属结构模型 模型 I 接近熔点时，液态金属中部分原子的排列方式与固态金属相似，它们 构成了许多晶态小集团。 这些小集团并不稳定，随着时间延续，不断分裂消失，又不断在新的 位置形成。 这些小集团之间存在着广泛的原子紊乱排列区。 模型I突出了液态金属原子存在局部排列的规则性
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二、常见冶金炉渣的组成
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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