中南大学冶金原理第5章
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
一、熔渣的离子溶液模型
离子溶液模型的作用：计算熔渣组元活度。 建立模型的方法：假定熔渣离子的结构，离 子间的作用能，离子的分布状态以及离子浓 度的计算方法。
离子溶液模型的分类：
➢ 经典热力学模型——假定硅酸盐熔渣中的各种复合阴离 子和氧离子之间存在着聚合型的化学反应平衡。利用这 类聚合反应的平衡常数可计算熔渣组元的活度。
渣中其它氧化物较少时
Al2O3或MgO含量较高的 炉渣（高炉渣）
P2O5含量较高的炼钢炉渣 考 虑 了 MgO 、 MnO 、 A12O3、P2O5对碱度的影响
二、熔渣的酸度
有色冶金中，习惯上用酸度（硅酸度）表示熔渣 的酸碱性。
酸度 —— 熔渣中结合成酸性氧化物的氧的质量与 结合成碱性氧化物的氧的质量之比，一般用 r 表 示：
➢ 由这三个性质导出的组元的偏摩尔性质： ✓ 偏摩尔吉布斯自由能（G i ） ✓ 偏摩尔焓（H i ） ✓ 偏摩尔熵（ S i ）
➢ 偏摩尔吉布斯自由能的两种表达形式： ✓ 过剩吉布斯自由能 ✓ 活度和活度系数
G 1 RlT a n 1 ； G 2 RlT a n 2
5.5.1 熔渣组元的活度
熔渣 a O 2- 值的大小不表示该渣氧化性的强弱。
a O 2与- 熔渣中各种氧化物的数量及种类有关，而熔渣
的氧化性只与其中能提供氧的组分（如炼钢渣中的FeO
，铜氧化精炼渣中的Cu2O等）的含量有关。
5.2 熔渣的氧化性
一、氧化渣与还原渣
熔渣可分为两种：氧化渣和还原渣。 氧化渣——能向金属液输送氧、使金属液被氧饱和或 使金属液中的杂质氧化的渣。 还原渣——能从金属液中吸收氧、即发生金属液脱氧 过程的渣。
K %[O] a(FeO)
氧在铁液熔渣间的分配比（LO）：
LO
K
%[O] a(FeO)
当a(FeO)增大时，即渣的氧化性增强时，铁液中[O]的活度a[O]亦 增大。
5.3 熔渣与气体的反应
一、氢气在熔渣中的行为 二、氮气在熔渣中的行为 三、熔渣的透气性
（自学内容）
5.4 熔渣与液态金属的反应
熔渣的各种氧化物（如CaO、MgO、MnO、FeO等） 中，FeO的稳定性最差，即FeO的供氧可能性最大； 只有FeO能在金属液（钢液）中溶解。
FeO的供氧过程
(FeO ) [Fe ] [O]
K a[Fe ] a[O ] a(FeO)
对铁液而言，当以纯铁液为标准态时，a[Fe] = 1；a[O] = %[O]：
0.3632
r
60
1.44
0.10160.40160.0816
56
71.8
81.4
该炉渣为酸性渣。
三、熔渣的酸碱性与熔渣结构理论的关系
碱性氧化物向渣中提供O2，酸性氧化物吸收渣中的自 由O2。 碱性氧化物提高渣中O2的活度，酸性氧化物降低渣 中O2的活度。
在离子理论中，用渣中自由O2 的活度（即 a O）2 - 的大小 作为熔渣酸碱性的量度。 a O越2 - 大，则熔渣的碱度越大 ；反之， a O 2越- 小，则熔渣的酸度越大。
（自学内容）
图51 熔渣液态金属间的电化学反应
5.5 冶金熔体的热力学性质
5.5.0 概述 5.5.1 熔渣组元的活度
一、CaO–Al2O3–SiO2系 二、CaO–FeO–SiO2系 三、其它三元系
5.5.2 熔锍组元的活度
一、铜锍组元的活度 二、镍锍组元的活度
5.5.0 概述
➢ 溶液的三个主要的热力学性质： 恒温恒压条件下生成lmol溶液时的 ✓ 混合热（Hm） ✓ 混合熵（Sm） ✓ 混合吉布斯自由能（Gm）
熔渣的供氧能力或吸收氧的能力取决于熔渣中与金属 液中氧势的相对大小。 当熔渣中的氧势大于金属液中的氧势时，此炉渣为氧 化性渣。 当熔渣中的氧势小于金属液中的氧势时，此炉渣为还 原性渣。
二、熔渣氧化性的表示方法
熔渣的氧化性——熔渣向金属液供氧的能力。 与渣的组成和温度有关。 熔渣的氧化性用渣中能提供氧的组分的含量进行表征。 钢铁冶金中，用渣中氧化亚铁（FeO）的含量来表示熔渣 的氧化性。 严格地讲，应以渣中FeO的活度a(FeO)表示熔渣的氧化性。 用渣中FeO的活度a(FeO)值的大小来表示熔渣氧化性的强弱 的依据：
第五章 冶金熔体的化学性质 与热力学性质
5.1 熔渣的碱度与酸度 5.2 熔渣的氧化性 5.3 熔渣与气体的反应 5.4 熔渣与液态金属的反应 5.5 冶金熔体中组元的活度
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。 用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。
如 ： 图 普 （ Toop ） 及 沙 米 斯 （ Samis ） 模 型 ， 马 松 （ Masson）模型等。
常见的碱度表达式
(1 ) R % CaO
% SiO 2
(2) R
% C源自文库O
或:
% SiO 2 % Al 2 O 3
R % CaO % MgO % SiO 2 % Al 2 O 3
(3) R
% CaO
% SiO 2 % P 2 O 5
( 4 ) R % CaO % MgO % MnO % SiO 2 % Al 2 O 3 % P 2 O 5
r
mO(酸性氧化)物 mO(碱性氧化)物
一般说来，酸度小于或等于1的渣属于碱性渣。
【例题】某铅鼓风炉熔炼的炉渣成分为（质量百分数）： SiO236% 、 CaO10% 、 FeO40% 、 ZnO8% 。 试 计 算 此炉渣的酸度。
【解】此炉渣中的酸性氧化物为SiO2，碱性氧化物为CaO 和FeO，ZnO在SiO2含量高的渣中可视为碱性氧化 物。故此炉渣的酸度为：
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。
离子溶液模型的作用：计算熔渣组元活度。 建立模型的方法：假定熔渣离子的结构，离 子间的作用能，离子的分布状态以及离子浓 度的计算方法。
离子溶液模型的分类：
➢ 经典热力学模型——假定硅酸盐熔渣中的各种复合阴离 子和氧离子之间存在着聚合型的化学反应平衡。利用这 类聚合反应的平衡常数可计算熔渣组元的活度。
渣中其它氧化物较少时
Al2O3或MgO含量较高的 炉渣（高炉渣）
P2O5含量较高的炼钢炉渣 考 虑 了 MgO 、 MnO 、 A12O3、P2O5对碱度的影响
二、熔渣的酸度
有色冶金中，习惯上用酸度（硅酸度）表示熔渣 的酸碱性。
酸度 —— 熔渣中结合成酸性氧化物的氧的质量与 结合成碱性氧化物的氧的质量之比，一般用 r 表 示：
➢ 由这三个性质导出的组元的偏摩尔性质： ✓ 偏摩尔吉布斯自由能（G i ） ✓ 偏摩尔焓（H i ） ✓ 偏摩尔熵（ S i ）
➢ 偏摩尔吉布斯自由能的两种表达形式： ✓ 过剩吉布斯自由能 ✓ 活度和活度系数
G 1 RlT a n 1 ； G 2 RlT a n 2
5.5.1 熔渣组元的活度
熔渣 a O 2- 值的大小不表示该渣氧化性的强弱。
a O 2与- 熔渣中各种氧化物的数量及种类有关，而熔渣
的氧化性只与其中能提供氧的组分（如炼钢渣中的FeO
，铜氧化精炼渣中的Cu2O等）的含量有关。
5.2 熔渣的氧化性
一、氧化渣与还原渣
熔渣可分为两种：氧化渣和还原渣。 氧化渣——能向金属液输送氧、使金属液被氧饱和或 使金属液中的杂质氧化的渣。 还原渣——能从金属液中吸收氧、即发生金属液脱氧 过程的渣。
K %[O] a(FeO)
氧在铁液熔渣间的分配比（LO）：
LO
K
%[O] a(FeO)
当a(FeO)增大时，即渣的氧化性增强时，铁液中[O]的活度a[O]亦 增大。
5.3 熔渣与气体的反应
一、氢气在熔渣中的行为 二、氮气在熔渣中的行为 三、熔渣的透气性
（自学内容）
5.4 熔渣与液态金属的反应
熔渣的各种氧化物（如CaO、MgO、MnO、FeO等） 中，FeO的稳定性最差，即FeO的供氧可能性最大； 只有FeO能在金属液（钢液）中溶解。
FeO的供氧过程
(FeO ) [Fe ] [O]
K a[Fe ] a[O ] a(FeO)
对铁液而言，当以纯铁液为标准态时，a[Fe] = 1；a[O] = %[O]：
0.3632
r
60
1.44
0.10160.40160.0816
56
71.8
81.4
该炉渣为酸性渣。
三、熔渣的酸碱性与熔渣结构理论的关系
碱性氧化物向渣中提供O2，酸性氧化物吸收渣中的自 由O2。 碱性氧化物提高渣中O2的活度，酸性氧化物降低渣 中O2的活度。
在离子理论中，用渣中自由O2 的活度（即 a O）2 - 的大小 作为熔渣酸碱性的量度。 a O越2 - 大，则熔渣的碱度越大 ；反之， a O 2越- 小，则熔渣的酸度越大。
（自学内容）
图51 熔渣液态金属间的电化学反应
5.5 冶金熔体的热力学性质
5.5.0 概述 5.5.1 熔渣组元的活度
一、CaO–Al2O3–SiO2系 二、CaO–FeO–SiO2系 三、其它三元系
5.5.2 熔锍组元的活度
一、铜锍组元的活度 二、镍锍组元的活度
5.5.0 概述
➢ 溶液的三个主要的热力学性质： 恒温恒压条件下生成lmol溶液时的 ✓ 混合热（Hm） ✓ 混合熵（Sm） ✓ 混合吉布斯自由能（Gm）
熔渣的供氧能力或吸收氧的能力取决于熔渣中与金属 液中氧势的相对大小。 当熔渣中的氧势大于金属液中的氧势时，此炉渣为氧 化性渣。 当熔渣中的氧势小于金属液中的氧势时，此炉渣为还 原性渣。
二、熔渣氧化性的表示方法
熔渣的氧化性——熔渣向金属液供氧的能力。 与渣的组成和温度有关。 熔渣的氧化性用渣中能提供氧的组分的含量进行表征。 钢铁冶金中，用渣中氧化亚铁（FeO）的含量来表示熔渣 的氧化性。 严格地讲，应以渣中FeO的活度a(FeO)表示熔渣的氧化性。 用渣中FeO的活度a(FeO)值的大小来表示熔渣氧化性的强弱 的依据：
第五章 冶金熔体的化学性质 与热力学性质
5.1 熔渣的碱度与酸度 5.2 熔渣的氧化性 5.3 熔渣与气体的反应 5.4 熔渣与液态金属的反应 5.5 冶金熔体中组元的活度
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。 用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。
如 ： 图 普 （ Toop ） 及 沙 米 斯 （ Samis ） 模 型 ， 马 松 （ Masson）模型等。
常见的碱度表达式
(1 ) R % CaO
% SiO 2
(2) R
% C源自文库O
或:
% SiO 2 % Al 2 O 3
R % CaO % MgO % SiO 2 % Al 2 O 3
(3) R
% CaO
% SiO 2 % P 2 O 5
( 4 ) R % CaO % MgO % MnO % SiO 2 % Al 2 O 3 % P 2 O 5
r
mO(酸性氧化)物 mO(碱性氧化)物
一般说来，酸度小于或等于1的渣属于碱性渣。
【例题】某铅鼓风炉熔炼的炉渣成分为（质量百分数）： SiO236% 、 CaO10% 、 FeO40% 、 ZnO8% 。 试 计 算 此炉渣的酸度。
【解】此炉渣中的酸性氧化物为SiO2，碱性氧化物为CaO 和FeO，ZnO在SiO2含量高的渣中可视为碱性氧化 物。故此炉渣的酸度为：
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。