冶金炉渣结构理论
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冶金炉渣结构理论
4.2 三元系相图的基本知识及基本类型
4.2.1 三元系相图的基本知识 4.2.1.1 三元系立体相图
三元凝聚体系，自由度数 最大为3，表明体系有三个 独立变量，因此，相图要 用三维空间图形表达
C
共晶体的三元相图的空间图形
4.2 三元系相图的基本知识及基本类型
(1)三元系组成的表示法—浓度三角形
❖ 简单共晶体的三元立体相图：
初晶面:曲面tAe2’E’e1’、tBe1’E’e3’、 tCe3’E’e2’ 是固、液两相平衡共存的液相 面，自由度数为2(f＝3+l-2＝2)。 二元共晶线:液相面两两相交的交线，是两组 分同时从液相析出的液相线，此曲线上是液 相及两固相平衡,自由度数为l。 三元共晶点:二元共晶线最后交于E‘点，3组 分同时从液相析出。此点是四相平衡共存， 自由度数为零，是体系的最后凝固点。
4.2 三元系相图的基本知识及基本类型
4.2.2 三元系相图的基本类型
4.2.2.1 具有简单三元共晶体的相图
由三组分中两两形成二元共晶体构成的三元共晶系相图。 ❖ 结晶过程分析
4.2 三元系相图的基本知识及基本类型
❖ 结晶过程中各相量及成分的变 化：原物系点、液相点及析出的固 相点遵循直线规则，液相点及析出 的固相量可由杠杆原理计算。
❖ 浓度三角形内某点浓度的确定： ① 垂线长度法：由等边三角形内任意点向三边作垂线，每根垂线之长
代表它所指向的该顶角组分的浓度。
② 平行线法：通过等边三角形内任意点作3根平行于各边的直线，其在
边上所截线段之长，分别代表该平行线所对应顶角组分的浓度，而在三边 上所截线段长度之和等于三角形的边长。
4.2 三元系相图的基本知识及基本类型
(1)CaO—Si02系相图
冶金炉渣电子理论的研究
学 与 量 子 统 计 原 理 ， 出 炉 渣 正 规 离 子 理 论 给 出 得 的炉 渣 组 元 ｉ 活 度 仅 是 局 部 活 度 的 结 论 。 炉 渣 的
点 状夹 杂物 ， 接 影 响到 轴 承 钢 的 质量 。然 而 到 直
目前 为 止 ， 冶 金 工 艺 理 论 中 ， 钢 液 脱 氢 和 点 状 在 对
外精炼 技术 、 高功 率 电炉技 术 以及连铸 技 术等 ， 超 其 中要着重 指 出 的是氧气 炼钢 技术 与氩 氧精 炼不 锈 钢技 术 的应用 与实 践 。这些 技术 的应 用不 仅使
冶 金 生 产 告 别 了 用 铁 矿 石 脱 碳 炼 钢 的 历 史 ， 重 更
年获 得一 项前 苏联 国家发 明专利 ｊ， 基 本原 理 其 是 ： 大气 条 件 下 向钢 液 中 吹人 氩一 在 氯混 合 气 体 ，
夹 杂物 生成 和消 除 的机理 还没 有完 全研 究清 楚 。
在 炉 渣 电 子 理 论 基 本 原 理 的 指 导 下 ． 究 人 研 员 已 经 成 功 地 在 大 气 条 件 下 ， 碳 素 工 具 钢 中 氢 将 的 质 量 分 数 由 ０ ０ ０６ 降 至 ０ ０ ０１／。这 一 研 ． ０ ． ０ ６ ９ 究 成 果 已 在 前 苏 联 钢 厂 完 成 工 业 实 验 ， 于 ｌ ９ 并 ９１
电子 热力学 函数理论 完 成 了炉渣 组 元 ｉ 化学 势 的 推导 ， 对气 相 中氧 分 压 具 有 电子 化 学 势 内涵 进 行 了论 述 ， 得 出炉渣 局部 活度 的理 论计 算式 。 并 ２ ０世 纪 ５ ０年 代 ， 冶金 生 产 开始 采 用 氧气 炼
钢 工 艺 ， 殊 钢 生 产 采 用 了 氧 气 、 氧 、 空 等 炉 特 氩 真
点 状夹 杂物 ， 接 影 响到 轴 承 钢 的 质量 。然 而 到 直
目前 为 止 ， 冶 金 工 艺 理 论 中 ， 钢 液 脱 氢 和 点 状 在 对
外精炼 技术 、 高功 率 电炉技 术 以及连铸 技 术等 ， 超 其 中要着重 指 出 的是氧气 炼钢 技术 与氩 氧精 炼不 锈 钢技 术 的应用 与实 践 。这些 技术 的应 用不 仅使
冶 金 生 产 告 别 了 用 铁 矿 石 脱 碳 炼 钢 的 历 史 ， 重 更
年获 得一 项前 苏联 国家发 明专利 ｊ， 基 本原 理 其 是 ： 大气 条 件 下 向钢 液 中 吹人 氩一 在 氯混 合 气 体 ，
夹 杂物 生成 和消 除 的机理 还没 有完 全研 究清 楚 。
在 炉 渣 电 子 理 论 基 本 原 理 的 指 导 下 ． 究 人 研 员 已 经 成 功 地 在 大 气 条 件 下 ， 碳 素 工 具 钢 中 氢 将 的 质 量 分 数 由 ０ ０ ０６ 降 至 ０ ０ ０１／。这 一 研 ． ０ ． ０ ６ ９ 究 成 果 已 在 前 苏 联 钢 厂 完 成 工 业 实 验 ， 于 ｌ ９ 并 ９１
电子 热力学 函数理论 完 成 了炉渣 组 元 ｉ 化学 势 的 推导 ， 对气 相 中氧 分 压 具 有 电子 化 学 势 内涵 进 行 了论 述 ， 得 出炉渣 局部 活度 的理 论计 算式 。 并 ２ ０世 纪 ５ ０年 代 ， 冶金 生 产 开始 采 用 氧气 炼
钢 工 艺 ， 殊 钢 生 产 采 用 了 氧 气 、 氧 、 空 等 炉 特 氩 真
炉渣基础知识
炉渣基础知识炉渣是火法冶金过程中生成的浮在金属等液态物质外表的熔体，其组成以氧化物(二氧化硅，氧化铝，氧化钙，氧化镁)为主，还常含有硫化物并夹带少量金属。
以下是由我整理关于炉渣学问的内容，盼望大家喜爱!炉渣的介绍又称溶渣。
火法冶金过程中生成的浮在金属等液态物质外表的熔体，其组成以氧化物(二氧化硅，氧化铝，氧化钙，氧化镁)为主，还常含有硫化物并夹带少量金属。
炉渣的组分靠参加适量的熔剂(石灰、石英石、萤石等)进展调整。
在冶炼过程中通过对炉渣组分和性质的限制，能使脉石和氧化杂质的产物与熔融金属或硫顺当分别，脱除金属中的害杂质，汲取液态金属中的非金属夹杂物不干脆受炉气污染，富集有用的金属氧化物;在电炉冶炼中还是电阻发热体。
炉渣在保证冶炼操作顺当进展、冶炼产品质量、金属回收率等各方面起着确定性作用，例如炼钢作业中有炼好渣，才能炼好钢的说法。
依据冶金过程的不同，炉渣可分为熔炼渣、精炼渣、合成渣;依据炉渣性质，有碱性渣、酸性渣和中性渣之分。
很多炉渣有重要用处。
例如高炉渣可作水泥原料;高磷渣可作肥料;含钒、钛渣分别可作为提炼钒、钛的原料等。
有些炉渣可用来制炉渣水泥、炉渣砖、炉渣玻璃等。
相关阅读：火法冶金的操作流程矿石打算选矿得到的细粒精矿不易干脆参加鼓风炉(或炼铁高炉)，须先参加冶金熔剂(能与矿石中所含的脉石氧化物、有害杂质氧化物作用的物质)，加热至低于炉料的熔点烧结成块;或添加粘合剂压制成型;或滚成小球再烧结成球团;或加水混捏;然后装入鼓风炉内冶炼。
硫化物精矿在空气中焙烧的主要目的是：除去硫和易挥发的杂质，并使之转变成金属氧化物，以便进展复原冶炼;使硫化物成为硫酸盐，随后用湿法浸取;局部除硫，使其在造锍熔炼中成为由几种硫化物组成的熔锍。
冶炼此过程形成由脉石、熔剂及燃料灰分融合而成的炉渣和熔锍(有色重金属硫化物与铁的硫化物的共熔体)或含有少量杂质的金属液。
有复原冶炼、氧化吹炼和造锍熔炼3种冶炼方式：复原冶炼：是在复原气氛下的鼓风炉内进展。
有关炼钢炉渣的基本知识
3炉渣化学组成
不同冶炼方法对熔渣的要求不一样，其成分也不同； 同一冶炼方法的不同阶段熔渣成分是不断变化的。碱 性渣可以去除钢中的有害元素P、S，酸性渣可以降低 气体和夹杂，氧化渣可以向熔池传氧，还原渣可以脱 氧并提高脱硫效率。 根据炉渣的来源，炉渣化学组成见表5-4。（P52）
4炼钢生产过程中熔渣的主要作用
炼钢炉渣
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 有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 类： 炼钢炉渣可分为4类 炼钢炉渣可分为 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。
3熔渣的分子离子共存理论
综合了分子理论和离子理论的优点，分子离子共存理论认为： （1）熔渣由简单阳离子和阴离子Fe2+、Ca2+、 O2-、S2-、F 等及未分解的化合物SiO2 、硅酸盐、磷酸盐、铝酸盐等组成； （2）离子和分子之间存在着动平衡关系，其反应遵守质量作 用定律； （3）认为熔渣中分子、离子是理想溶液。
2熔渣组成的主要来源
（1）生铁或废钢中所含元素（铝、锰、磷、硫、钒、 铬、铁等）氧化时形成的氧化物； （2）作为氧化剂或冷却剂使用的矿石和烧结矿等； （3）金属材料带入的泥沙或铁锈； （4）加入的造渣材料（石灰、石灰石、萤石、铁钒土、 粘土砖块等）； （5）由炉衬浸蚀熔于炉渣的耐火材料； （6）脱氧剂、合金的脱氧产物，熔渣的脱硫产物。
有色金属冶金原理 火法冶金部分
炉渣酸碱度的表示：常用硅酸度和碱度来表示。 硅酸度=酸性氧化物中氧的质量之和/碱性氧化物中氧的 质量之和。 碱度=氧化钙（%质量）/氧化硅（%质量） 例题：
某铅鼓风炉还原炉渣成分为SiO2 36%、 CaO 10%、FeO 40%、 ZnO 8%。 酸性氧化物： SiO2 36 碱性氧化物： CaO 、FeO 、 ZnO 炉渣的硅酸度=
用等熔化温度曲线，可以查已知成分炉 渣的熔化温度。 熔化温度的变化是有规律的。即化合物 熔点最高，并向二元包晶点、共晶点方 向不断降低，再由二元包晶点、共晶点 向三元包晶点、三元共晶点方向降低， 三元共晶点的熔化温度最低。
第四节 熔融炉渣的结构
炉渣的结构与物理化学性能密切相关 目前难于直接测定炉渣的结构，可间接 推测。 存在两种理论：分子理论和离子理论。
第一节 概述
炉渣：熔化后称熔渣，是火法冶金的一 种产物。其组成主要来自矿石、溶剂和 燃料灰分中的造渣成分。主要是氧化物。 炉渣的作用： 主要作用是使矿石和溶剂中的脉石和 燃料中的灰分集中，并在高温下与主要 的冶炼产物金属、锍等分离。
炉渣的作用：
1.
2.
3.
4.
5.
6.
在炉渣中发生金属液滴或锍液滴的沉降分离，沉降 分离的完全程度对金属在炉渣中的机械夹杂损失起 着决定性作用。 对鼓风炉这一类竖炉来说，炉内可能达到的最高温 度决定于炉渣的熔化温度。 在金属和合金的熔炼和精炼时，炉渣与金属熔体的 组分相互进行反应，从而可以通过炉渣对杂质的脱 除和浓度加以控制。 在某些情况下，炉渣不是冶炼厂的废弃物，而是中 间产物。 熔渣是一种介质，在其中进行着许多极为重要的冶 金反应。金属在炉渣中的损失主要决定于这些反应 的完全程度。 在用矿热式电炉冶炼时，炉渣以及电极周围的气膜 起着电阻作用，并可用调节电极插入深度的方法来 调节电炉的功率。
炉渣的来源、组成和作用
在文学家的语言里，钢和渣是完全对立的，钢表示人的坚强，渣代表坏人坏事、无可救药。
但在冶金家的眼里，钢和渣是统一的：没有好渣，就没有好钢；把渣炼好，好钢自然就产生了。
所以，炼钢就是炼渣。
渣由熔化的氧化物形成。
炼钢反应产生的二氧化硅、氧化锰、五氧化二磷和氧化铁都进入到渣中。
为了造渣儿加入熔剂，其中含有氧化钙、氧化锰、氧化镁、三氧化二铝、氧化钙等。
钢中的硫也会成为硫化物转入渣中。
特殊情况下还会有其他氧化物，例如炼不锈钢时有氧化铬，炼高速工具钢时有氧化钨等。
所以，熔渣是以多种氧化物为主的复杂溶液。
酸性渣的主体是CaO – SiO2 – MnO – FeO 三种氧化物。
碱性氧化渣则以CaO – SiO2 –FeO 三组原为代表，其他物质按其性质归入某一类，如P2O5 呈酸性归入SiO2类，MnO带氧化性归入FeO 类。
碱性还原渣以CaO – SiO2 – Al2O3 三组元为代表。
炼钢实际上就是对生铁的一种精炼过程。
转炉炼钢：转炉的炉体可以转动，用钢板做外壳，里面用耐火材料做内衬。
转炉炼钢时不需要再额外加热，因为铁水本来就是高温的，它内部还在继续着发热的氧化反应。
这种反应来自铁水中硅、碳以及吹入氧气。
因为不需要再用燃料加热，故而降低了能源消耗，所以被普遍应用于炼钢。
吹入炉内的氧气与铁水中的碳发生反应后，铁水中的碳含量就会减少而变成钢了。
这种反应本身就会发出热量来，因而铁水不但会继续保持着熔化状态，而且可能会越来越热。
因此，为调整铁水的适合温度，人们还会再加入一些废钢及少量的冷生铁块和矿石等。
同时也要加入一些石灰、石英、萤石等，这些物质可以与铁水在变成钢水时产生的废物形成渣子。
因此，它们被称为造渣料。
转炉炼钢工艺流程：高炉铁水→铁水预处理→复吹转炉炼钢→炉外精炼→连铸→热轧电炉炼钢：电弧炉炼钢的热源是电能记电弧炉内有石墨做成的电极，电极的端头与炉料之间可以发出强烈的电弧，类似我们看到的闪电，具有极高的热能。
炉渣性质和活度计算-7
2.炉渣结构理论 2.炉渣结构理论
a．分子结构假说的要点 ． （1）分子结构假说认为，炉渣是由简单氧化物或曰自由氧化物分子及 ）分子结构假说认为， 其相互作用形成的复杂化合物分子所组成。该假说规定的简单氧化物 其相互作用形成的复杂化合物分子所组成 。 该假说规定的简单氧化物 分子有： 分子有 ： CaO、MgO、MnO、FeO、SiO2 、 P2O5 、 Fe2O3 、 Al2O3 等 。 、 、 、 、 复杂化合物有 硅 酸 盐 ： CaO•SiO2 、 2CaO•SiO2 、 3CaO•SiO2 、 2FeO•SiO2 、 • • • • 2MnO•SiO2等； • 磷酸盐： 磷酸盐：3CaO•P2O5、4CaO•P2O5等； • • 铝酸盐： 铝酸盐：2CaO•Al2O3等； • 铁酸盐： 铁酸盐：CaO•Fe2O3、3CaO•Fe2O3等。 （2）分子结构假说认为，炉渣中只有自由氧化物才能参与金属液间 ）分子结构假说认为， 的反应。已经结合为复杂化合物的氧化物不再参与反应。 的反应。已经结合为复杂化合物的氧化物不再参与反应。
熔渣的化学性质375935lg可以用炉渣金属的平衡实验结果来计算然后依上式转化为c熔渣的硫化物容量一般需要实验测定或在实验数据的基础上建立半经验的模型估算通过与流动混合气体的平衡实验测定熔渣的硫化物容量c通过与金属液相平衡的实验测定熔渣的硫化物容量利用熔渣的碱度求硫化物容量高炉渣系3
熔渣的化学性质及组元 活度计算
2.炉渣结构理论 2.炉渣结构理论
例如，炉渣中只有自由 才参与钢渣的脱硫、 例如，炉渣中只有自由CaO才参与钢渣的脱硫、脱磷反应，而已 才参与钢渣的脱硫 脱磷反应， 经结合成2CaO•SiO2、3CaO•SiO2中的 中的CaO不再起脱硫、脱磷作用。 不再起脱硫、 经结合成 不再起脱硫 脱磷作用。 又如，炉渣的氧化能力只取决于渣中自由 的浓度， 又如，炉渣的氧化能力只取决于渣中自由FeO的浓度，而已经结合成 的浓度 2FeO•SiO2中的 中的FeO不再参与炉渣 金属液间的氧化反应。所以，当 不再参与炉渣—金属液间的氧化反应 不再参与炉渣 金属液间的氧化反应。所以， 向渣中加入SiO2时，由于 由于SiO2与CaO、FeO生成了复杂化合物，降低 生成了复杂化合物， 向渣中加入 、 生成了复杂化合物 了渣中自由CaO、FeO的浓度，炉渣的脱硫、脱磷能力及氧化能力均 的浓度， 了渣中自由 、 的浓度 炉渣的脱硫、 随之降低。 随之降低。 因此，炉渣和金属液间的化学反应常用物质的分子式表出， 因此，炉渣和金属液间的化学反应常用物质的分子式表出，它能 简单、直观地说明炉渣组成对反应平衡移动的作用。 简单、直观地说明炉渣组成对反应平衡移动的作用。 在假定炉渣是理想溶液时，自由氧化物的浓度就等于其活度。自由氧 假定炉渣是理想溶液时 自由氧化物的浓度就等于其活度。 化物的浓度等于化学分析所测定的氧化物总浓度与该氧化物结合浓度 之差， 之差，即
冶金原理精品课程-冶金炉渣
冶金原理精品课程
下一节
解决思路
一）了解炉渣中氧化物的分类 二）通过硅酸度、碱度控制渣型
冶金原理精品课程
上一节
教学内容
一）氧化物的分类 二）来自渣酸、碱度的计算冶金原理精品课程
一）氧化物的分类
1、冶金炉渣是极为复杂的体系，常由五、六 种或更多的氧化物组成，并含有如氟化物、 硫化物等化合物。 2、炉渣中含量最多的氧化物通常只有三个， 其总含量可达80%以上。对有色冶金中的大 多数炉渣来说，这三种氧化物是 SiO2 、 FeO 、 CaO,而另一些有色冶金炉渣则为 SiO2 、CaO、Al2O3
1、SiO2-CaO二元系
从图1-1可见，各种硅酸钙盐的熔化 温度都很高，熔点低于1873Κ的硅酸钙位 于含CaO32~59%的狭窄组成范围内，而 且如在含CaO59%时再增加CaO,则熔点将 急剧升高。所以纯石灰质的硅酸盐在熔化 温度上就不适于用作有色金属冶炼渣。但 CaO能使炉渣的密度降低，且石灰质硅酸 盐溶解重金属硫化物的能力比较小，所以 作为一个造渣成分，还是有其有利的一面
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2、FeO-SiO2二元系
由图1-2可见，当SiO2含量在30％左 右时，系统的熔化温度最低（1460Κ左 右），与有色冶炼炉渣的熔化温度相近。 因此，单就熔点来说，理论上用熔化温度 为1473Κ，而成为接近纯2FeO· 2的炉 SiO 渣进行造硫或还原熔炼是可行的。
冶金原理精品课程
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2、FeO-SiO2二元系
在图上部算出了液相中Fe2O3含量随着SiO2含量 而改变的曲线。当液相成分接近于铁橄榄石（２ FeO· 2）时，Fe2O3含量为2.25％。 SiO 如图1-2所示，这个二元系只有一个稳定的 化合物，叫做铁橄榄石，其熔点为1478Κ，它的 液相线是平滑的，说明它熔化后易分解。此外， 这个二元系有两个共晶，其共晶温度几乎相等 （1450Κ和1451Κ）。
炼钢渣CaO-SiO2-FeO三元系相图(课堂PPT)
熔化温度最低点位于45％FeO、20％CaO、35％SiO2附近， 约为1093℃。以此点为核心向周围扩展的低熔点区域，都是可供 选用的三元冶金炉渣的组成范围。如图示
√利用等温截面图可以了解在1400℃下熔渣处于何种状态，以 及熔渣组成改变时相态变化的情况，从而控制熔渣的状态及性质 .
如图示
√利用CaO-SiO2-FeO三元系的等温截面图分析氧气顶吹转炉炼钢 过程中初渣和终渣成分范围的选择，为正确选择吹炼过程的工艺 参数指明方向。如图示
CaO-SiO2-FeO相图
碱性炼钢炉渣的基本相图，同时 也是大多数有色冶金炉渣（如炼 铜炉渣、炼锡炉渣）的相图。 稳定化合物：CS C2S F2S CFS
不稳定化合物：C3S2 C3S；SiO2 CS C2S
“―•―”表示晶型围：图中CS与F2S联结线上靠近铁橄榄石的 一个斜长带状区域是该三元系熔化温度比较低的区域。如图示
2
√利用等温截面图可以了解在1400℃下熔渣处于何种状态，以 及熔渣组成改变时相态变化的情况，从而控制熔渣的状态及性质 .
如图示
√利用CaO-SiO2-FeO三元系的等温截面图分析氧气顶吹转炉炼钢 过程中初渣和终渣成分范围的选择，为正确选择吹炼过程的工艺 参数指明方向。如图示
CaO-SiO2-FeO相图
碱性炼钢炉渣的基本相图，同时 也是大多数有色冶金炉渣（如炼 铜炉渣、炼锡炉渣）的相图。 稳定化合物：CS C2S F2S CFS
不稳定化合物：C3S2 C3S；SiO2 CS C2S
“―•―”表示晶型围：图中CS与F2S联结线上靠近铁橄榄石的 一个斜长带状区域是该三元系熔化温度比较低的区域。如图示
2
有色冶金原理第一章-冶金炉渣
SiO2—A3S2子二元系：简单低共熔型，低共熔温度 1595℃。
A3S2—Al2O3子二元系：简单低共熔型，低共熔温度 1840℃。 →莫来石质(A3S3)及刚玉质(Al2O3)耐火砖可作为性 能优良的耐火材料。
烧结时，熔化温度较低的炉渣将细粒炉料粘结起来，冷却后形 了具有一定强度的烧结块或烧结球团。
在金属和合金的精炼时，熔渣覆盖在金属熔体表面，可以防止
属熔体被氧化性气体氧化，减小有害气体(如H2、N2)在金属熔 中的溶解。
6、熔渣的副作用
✓ 熔渣对炉衬的化学侵蚀和机械冲刷 →大大缩短了炉子的使用寿命
✓ 炉渣带走了大量热量 →大大地增加了燃料消耗
有色冶金原理第一章-冶 金炉渣
2020年5月31日星期日
第一章 冶金炉渣
1.1概述 1.2炉渣的组成 1.3炉渣系二、三元状态图 1.4熔融炉渣的结构 1.5熔融炉渣的物理化学性质
1.1概述
炉渣，熔化后称为熔渣，是火法冶金的一种产物 组成主要来自矿石，熔剂和燃料灰份中的造渣成份。
不同的熔渣所起的作用是不一样的，根据熔渣在 过程中的作用，可将其分成冶炼渣、精炼渣、富集渣和 成渣四类。
•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
4、炉渣氧化物
组成炉渣的氧化物可分为三类: ➢ 碱性氧化物：能提供氧离子O2-，如CaO、MnO、FeO、
MgO等。 ➢ 酸性氧化物：能吸收氧离子而形成络合阴离子，
如SiO2、PΒιβλιοθήκη O5 ➢ 两性氧化物：酸性氧化物过剩时可供给氧离子而呈碱
✓ 如电渣重熔用渣、铸钢用保护渣、钢液炉外精 炼用渣等。
✓ 这些炉渣所起的冶金作用差别很大。
例如，电渣重熔渣一方面作为发热体，为精炼 的热量；另一方面还能脱出金属液中的杂质、 夹杂物。
A3S2—Al2O3子二元系：简单低共熔型，低共熔温度 1840℃。 →莫来石质(A3S3)及刚玉质(Al2O3)耐火砖可作为性 能优良的耐火材料。
烧结时，熔化温度较低的炉渣将细粒炉料粘结起来，冷却后形 了具有一定强度的烧结块或烧结球团。
在金属和合金的精炼时，熔渣覆盖在金属熔体表面，可以防止
属熔体被氧化性气体氧化，减小有害气体(如H2、N2)在金属熔 中的溶解。
6、熔渣的副作用
✓ 熔渣对炉衬的化学侵蚀和机械冲刷 →大大缩短了炉子的使用寿命
✓ 炉渣带走了大量热量 →大大地增加了燃料消耗
有色冶金原理第一章-冶 金炉渣
2020年5月31日星期日
第一章 冶金炉渣
1.1概述 1.2炉渣的组成 1.3炉渣系二、三元状态图 1.4熔融炉渣的结构 1.5熔融炉渣的物理化学性质
1.1概述
炉渣，熔化后称为熔渣，是火法冶金的一种产物 组成主要来自矿石，熔剂和燃料灰份中的造渣成份。
不同的熔渣所起的作用是不一样的，根据熔渣在 过程中的作用，可将其分成冶炼渣、精炼渣、富集渣和 成渣四类。
•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
4、炉渣氧化物
组成炉渣的氧化物可分为三类: ➢ 碱性氧化物：能提供氧离子O2-，如CaO、MnO、FeO、
MgO等。 ➢ 酸性氧化物：能吸收氧离子而形成络合阴离子，
如SiO2、PΒιβλιοθήκη O5 ➢ 两性氧化物：酸性氧化物过剩时可供给氧离子而呈碱
✓ 如电渣重熔用渣、铸钢用保护渣、钢液炉外精 炼用渣等。
✓ 这些炉渣所起的冶金作用差别很大。
例如，电渣重熔渣一方面作为发热体，为精炼 的热量；另一方面还能脱出金属液中的杂质、 夹杂物。
冶金炉渣
炉渣三元状态图
等比例规则 PP12图2-4 在三角形某一顶点到其对边的任一直线 上，各物系点中所含另两个顶点所表示的 组分的含量之比为一定值。 b1/c1=b2/c2=b3/c3=常数
炉渣三元状态图
背向规则 PP13图2-5 浓度三角形ABC中任一物系点P在冷却 至其初晶温度（即物系点到达液相面）时 首先自液相中析出固相A，则当体系继续冷 却时，由于只析出了固相A，而剩余液相中 B、C两组分含量的比值不变，故根据等比 例规则可知，剩余液相的组成点L必定在AP 连线的延长线AS上变化。随着冷却结晶
线。将所得的空间等温线投影到底面上， 并标出相应的温度值，即得到平面投影图 上的等温线（图2-12）。 图2-13（b）是t1温度下的等温截面图。 图中扇形区域Aa1a1’A和Bb1b1’B分别是A、 B的一次结晶空间与等温截面的截线在底面 的投影，所以这两个区域分别是A、B两固 相与液相平衡共存的两相区（L+A）和 （L+B）；两相区中绘有从顶角发出的放射
炉渣三元状态图
P23图2-17 分解为两个相图进行分析 初晶液相面：4个 一致熔融化合物特点（二元或三元）： 组成点位于其初晶区内
炉渣三元状态图
二元共晶点： e1：L=SA+SD e2： L=SB+SD e3： L=SB+SC e4：L=SA+SC 三元共晶点： E1： L=SA+SC+SD E2： L=SB+SC+SD
炉渣三元状态图
三元系相图的表示方法 PP16-20 立体相图 PP16图2-10
P16-17
特点：三个组分A、B、C
在液态时完全互溶，而 在固态时则完全不互 溶；体系中不生成化合 物，只形成一个三元低 共熔混合物 液相面： 界线：e1e、e2e、e3e 无变点：e 空间区域：
冶金原理4-冶金炉渣
mM NO = m N MO
mM =
ON × mO MN
mN =
OM × mO MN
4.2.1 三元系相图的基本知识
4.2.1.2 罗策布浓度三角形的性质 5）重心规则 原物系点M1、M2、M3 的重量分别为m1、m2、m3 ，混合后 形成质量为mO 的新物系点O，则O 必位于连线三角形△M1M2M3 的重心上。
4.2.1.2 罗策布浓度三角形的性质 3）背向性规则 等比例线上物系点的组成在背离其所在顶角的方向上 移动时，体系将不断析出组分，而其内组分的浓度将不断 减少，但其他组分的浓度比则保持不变。
4.2.1 三元系相图的基本知识
4.2.1.2 罗策布浓度三角形的性质 4）杠杆规则 若三元系中有两个组成点M 和N 组成一个新的物系O ， 那么O 点必定落在MN 连线上，其位置由M 和N 的质量mM 和 mN 按杠杆规则确定。
4.1.1 二元系相图的基本知识 4.1.1.3 连续原理
连续原理 当决定体系状态的那些 参数连续发生变化时，在 新相不出现、旧相不消失 的情况下，体系中各相的 性质以及整个体系的性质 也连续变化——这时自由 度不会发生变化。
4.1.1 二元系相图的基本知识 4.1.1.4 相应原理 相应原理 给定的一个热力学体系，任一互成平衡的相 或相组（体系点和组分点）在相图中都有一定 的几何元素（点、线、面、体）与之对应。
4.2 三元系相图
4.2.1 三元系相图的基本知识 4.2.1.1 罗策布浓度三角形
M的浓度确定： 的浓度确定： 的浓度确定 • 过M点分别向三个边作平 行线； • 逆时针（或顺时针）方 向读取平行线在各边所 截线段（以顶点开始）， 该三条线段就分别表示A、 B和C三组元的浓度
CE = a AF = b
mM =
ON × mO MN
mN =
OM × mO MN
4.2.1 三元系相图的基本知识
4.2.1.2 罗策布浓度三角形的性质 5）重心规则 原物系点M1、M2、M3 的重量分别为m1、m2、m3 ，混合后 形成质量为mO 的新物系点O，则O 必位于连线三角形△M1M2M3 的重心上。
4.2.1.2 罗策布浓度三角形的性质 3）背向性规则 等比例线上物系点的组成在背离其所在顶角的方向上 移动时，体系将不断析出组分，而其内组分的浓度将不断 减少，但其他组分的浓度比则保持不变。
4.2.1 三元系相图的基本知识
4.2.1.2 罗策布浓度三角形的性质 4）杠杆规则 若三元系中有两个组成点M 和N 组成一个新的物系O ， 那么O 点必定落在MN 连线上，其位置由M 和N 的质量mM 和 mN 按杠杆规则确定。
4.1.1 二元系相图的基本知识 4.1.1.3 连续原理
连续原理 当决定体系状态的那些 参数连续发生变化时，在 新相不出现、旧相不消失 的情况下，体系中各相的 性质以及整个体系的性质 也连续变化——这时自由 度不会发生变化。
4.1.1 二元系相图的基本知识 4.1.1.4 相应原理 相应原理 给定的一个热力学体系，任一互成平衡的相 或相组（体系点和组分点）在相图中都有一定 的几何元素（点、线、面、体）与之对应。
4.2 三元系相图
4.2.1 三元系相图的基本知识 4.2.1.1 罗策布浓度三角形
M的浓度确定： 的浓度确定： 的浓度确定 • 过M点分别向三个边作平 行线； • 逆时针（或顺时针）方 向读取平行线在各边所 截线段（以顶点开始）， 该三条线段就分别表示A、 B和C三组元的浓度
CE = a AF = b
第一章冶金炉渣(1)
第一章冶金炉渣(1)
3、CaO-FeO-SiO２三元系
n 化三元铁系分与平解Fe衡、O状-氧S态i化O图2等二的原元研因系究，相带给同来C，一aO由定-F于困eO存难-在S，iO氧研2 究结果亦互有差异。
n 三元系内有三个组分，如再考虑温度的 影响，则用等边三角形平面表示组分浓度的 变化，再在此三角形平面上竖立垂直纵轴以 表示温度，这样就构成了三棱柱体的空间相 图。
上一节
第一章冶金炉渣(1)
教学内容
n 一）炉渣系状态图（相图）基本知识 n 1、SiO2-CaO二元系 n 2、FeO-SiO2二元系 n 3、CaO-FeO-SiO２三元系 n 4、Al2O3-SiO2二元系 n 5、CaO-AL2O3二元系 n 6、CaO-Al2O3-SiO2三元系
第一章冶金炉渣(1)
第一章冶金炉渣(1)
二）炉渣的作用
7、用矿热式电炉冶炼时，炉渣是电阻发热体， 可用调节电极插入渣中深度的方法来调节电 炉的功率。用反射炉熔炼时，炉渣是传热介 质，通过它把热量传递给金属熔体。
第一章冶金炉渣(1)
三）配制炉渣应该达到的要求
要使炉渣在冶炼过程中发挥其有利的作用， 就必须根据各种有色金属冶炼过程的特点，合 理地选择炉渣成分，使之具有合适要求的物理 化学性质，如适当的熔化温度和酸碱性、较低 的粘度和密度等。
第一章冶金炉渣(1)
表１-１某些有色冶金炉渣的成分（％质量）
第一章冶金炉渣(1)
一）氧化物的分类
1、碱性氧化物：能供给氧离子的氧化物O2- ， 如CaO、MnO、FeO、MgO等
CaO=Ca2+ ＋O２-
第一章冶金炉渣(1)
一）氧化物的分类
2、酸性氧化物：能吸收氧离子而形成配合阴 离子的氧化物，如SiO2、P2O5等
3-熔渣结构
aO2 O2 NO2
4
lg O 2 1.53 N SiO4 0.17
N
4 SiO4
0.11 ~ 1.0
所有复杂阴离子的摩尔分数之和 酸性氧化物越少，碱度越高，熔渣越接近理想溶液
9
（二）离子理论模型 2.海勒塞门科（Herasgmenko）模型
3.弗路德（Flood）模型 4.正规离子、溶液模型 5.马松（聚合物理论）模型
在最佳碱度(2左右)下,
熔渣的氧化能力最大
( FeO ) 浓度 （二）
当碱度一定时，随
着渣中FeO浓度下 降，熔渣氧化能力 下降
图 多元碱性渣等a(FeO)曲线图
18
三、影响熔渣氧化能力的因素
（三）温度
图 FeO-CaO-SiO2系a(FeO)与温度的关系
当碱度较高的情况下，熔渣的氧化能力随温度升高 而减小
熔点的定义：加热时固态物完全转变为均匀液相或冷却 时液态开始析出固相的温度。
●从冶炼过程节能和降低耐火材料消耗的角度出发，在
条件允许的情况下，应尽可能采取较低的冶炼温度；
●在一定炉温下，熔渣的熔点越低，过热度越高，流动
性越好，铸铁、铸钢熔炼就能顺利进行。
熔渣有较低的熔点
25
一、FeO—CaO—SiO2炼钢渣系
（一）分子理论 B0
B0＞1——碱性渣
B0＜1——酸性渣
适用于其他碱性和酸性氧化物较少的炉渣
%CaO 1.18 % P2 O5 %CaO 2. %SiO 2 %SiO2 0.634% P2 O5
适用于含P2O5较多的炉渣
12
三、碱度表示法
（一）分子理论
3.
%CaO %MgO %MnO %SiO2 % Al 2 O3 % P2 O5
第3章冶金熔渣
2016/6/21
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10
(2)Al2O3- SiO2系相图 图2为此系相固。Al2O3是两性氧化物，能在酸性氧化物存 在时，显示碱性，故能与强酸性氧化物SiO2生成化合物3 Al2O3· 2 SiO2，称为莫来石。 Al2O3在耐火材料和熔渣体系中有重要的作用，一般根据 用Al2O3含量的不同．可特此系按耐火材料分类为刚玉质、 高铝质、熟土质、半硅质等，即随着SiO2含量的增加，高铝 质的熔点降低，是由于A3S2与SiO2形成共晶体。 除了上面两个以为还有CaO-Al2O3,FeO-SiO2,CaO-FeO系 等等.
等腰直角三角形表示法 （续）
用纵轴表示组元A的浓度，
横轴表示组元B的浓度，
两轴均分为 100等分。 组元C的含量
计算法：C% = 100 – A% – B%
图解法： 过 M 点作斜边的平行线交 AC 、 BC 边 于m2、m1；
线段 Am2 或 Bm1 的长度表示组元 C 的 含量。
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3.2三元相图基本知识及类型
三元系相图是由三个组分构成的相平衡图，是研究多 元系相平衡的手段之一，它在金属材料、硅酸盐工业、冶 金炉渣等方面应用得很广，对科学研究和生产实践具有指 导作用。 根据组分间形成的化合物的性质(同分熔化化合物或异 分熔化化合物)，及组分在液相及特别是固相中溶解情况不 同(完全不互溶、部分及完全互溶等)，可将三元系相图分为 多种基本类型。这些基本类型的相图相互组合，就构成了 实际体系中复杂的二元系相图。
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(2)Al2O3- SiO2系相图 图2为此系相固。Al2O3是两性氧化物，能在酸性氧化物存 在时，显示碱性，故能与强酸性氧化物SiO2生成化合物3 Al2O3· 2 SiO2，称为莫来石。 Al2O3在耐火材料和熔渣体系中有重要的作用，一般根据 用Al2O3含量的不同．可特此系按耐火材料分类为刚玉质、 高铝质、熟土质、半硅质等，即随着SiO2含量的增加，高铝 质的熔点降低，是由于A3S2与SiO2形成共晶体。 除了上面两个以为还有CaO-Al2O3,FeO-SiO2,CaO-FeO系 等等.
等腰直角三角形表示法 （续）
用纵轴表示组元A的浓度，
横轴表示组元B的浓度，
两轴均分为 100等分。 组元C的含量
计算法：C% = 100 – A% – B%
图解法： 过 M 点作斜边的平行线交 AC 、 BC 边 于m2、m1；
线段 Am2 或 Bm1 的长度表示组元 C 的 含量。
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3.2三元相图基本知识及类型
三元系相图是由三个组分构成的相平衡图，是研究多 元系相平衡的手段之一，它在金属材料、硅酸盐工业、冶 金炉渣等方面应用得很广，对科学研究和生产实践具有指 导作用。 根据组分间形成的化合物的性质(同分熔化化合物或异 分熔化化合物)，及组分在液相及特别是固相中溶解情况不 同(完全不互溶、部分及完全互溶等)，可将三元系相图分为 多种基本类型。这些基本类型的相图相互组合，就构成了 实际体系中复杂的二元系相图。
有色冶金原理第一章 - 冶金炉渣
二、CaO—Al2O3二元系 体系特点
3个一致熔融化合物将体系分解为4个独立的二元系 12CaO· 7Al2O3(C12A7)或5CaO· 3Al2O3(C5A3) CaO· Al2O3(CA) CaO· 2Al2O3(CA2) 2个不一致熔融化合物 3CaO· Al2O3(C3A) CaO· 6Al2O3(CA6) 所有化合物的熔化温度普遍较高，体系的最低熔化温度为1395 ℃。 在CaO含量为45～52 %范围内，本体系能在 1450～1550 ℃温度范围 内出现液相区。 →配制的炉外合成酒常选择这一成分范围。
3、富集渣
是某些熔炼过程的产物。 主要作用—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。
%FeO %FeO y %Fe O
2 3
% FeO —— 体系中FeO ( Fe2+ )的化学分析数据(重量百 分数)； % Fe2O 3—— 体系中Fe2O3 ( Fe3+ )的化学分析数据(重量百 分数)； y—— 折算系数
全氧折合法 3FeO = Fe2O3 + Fe y全氧 = 215.55 / 159.7 = 1.35 全铁折合法 2FeO + (1/2) O2 = Fe2O3 y全铁 = 143.7/ 159.7 = 0.9 通常采用全铁折合法 在相平衡实验中或取样分析过程中，试样 (特别是表面层)中的低价铁很可能部分地被空气 氧化为高价铁。
东北大学《钢铁冶金原理》课件第四章冶金炉渣
5
第四章 冶金炉渣
一、 基本概念
熔渣是火法冶金过程产物 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（ CaF2 ）、氯化物（ NaCl ）、硫化物（ CaS 、 MnS） 、硫酸盐等。
掌握
1
第四章 冶金炉渣
炉渣是火法冶金中形成的以氧化物为主要成分的多组分熔体。
1、炉渣分类－根据冶炼过程目的的不同，炉渣可分为下列4类： 1)以矿石或精矿为原料进行还原熔炼，得到粗金属的同时，未被还 原的氧化物和加入的熔剂形成的炉渣，称为冶炼渣或还原渣。例如， 冶炼铁矿石得到的高炉渣。 2)精炼粗金属，由其中元素氧化形成的氧化物组成的炉渣，称为精 炼渣或氧化渣。例如，由生铁冶炼成钢产生的炼钢渣。 3)将原料中的某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，钛精矿还原熔炼所得的高钛渣，吹炼 含钒、铌生铁得到的钒渣、铌渣等。它们分别用作提取金属钛和铌 的原料。 4)按炉渣所起的冶金作用，而采用各种造渣材料预先配制的炉渣， 称为合成渣。如电渣重熔用渣，浇铸钢锭或钢坯的保护渣及炉外精 炼渣。
炉渣在保证冶炼操作的顺利进行，冶炼金属熔体的成分和质量，金属的回 收率以及冶炼的各项技术经济指标等方面都起了决定性的作用。俗话说 “炼钢在于炼渣，好渣之下出好钢”，生动地说明了炉渣在冶炼过程中所 起的作用。Leabharlann 3第四章 冶金炉渣
炉渣所起的各种作用都是通过控制炉渣的化学组成、温度及其所具
有的物理化学性质来实现的。
第四章 冶金炉渣
一、 基本概念
熔渣是火法冶金过程产物 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（ CaF2 ）、氯化物（ NaCl ）、硫化物（ CaS 、 MnS） 、硫酸盐等。
掌握
1
第四章 冶金炉渣
炉渣是火法冶金中形成的以氧化物为主要成分的多组分熔体。
1、炉渣分类－根据冶炼过程目的的不同，炉渣可分为下列4类： 1)以矿石或精矿为原料进行还原熔炼，得到粗金属的同时，未被还 原的氧化物和加入的熔剂形成的炉渣，称为冶炼渣或还原渣。例如， 冶炼铁矿石得到的高炉渣。 2)精炼粗金属，由其中元素氧化形成的氧化物组成的炉渣，称为精 炼渣或氧化渣。例如，由生铁冶炼成钢产生的炼钢渣。 3)将原料中的某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，钛精矿还原熔炼所得的高钛渣，吹炼 含钒、铌生铁得到的钒渣、铌渣等。它们分别用作提取金属钛和铌 的原料。 4)按炉渣所起的冶金作用，而采用各种造渣材料预先配制的炉渣， 称为合成渣。如电渣重熔用渣，浇铸钢锭或钢坯的保护渣及炉外精 炼渣。
炉渣在保证冶炼操作的顺利进行，冶炼金属熔体的成分和质量，金属的回 收率以及冶炼的各项技术经济指标等方面都起了决定性的作用。俗话说 “炼钢在于炼渣，好渣之下出好钢”，生动地说明了炉渣在冶炼过程中所 起的作用。Leabharlann 3第四章 冶金炉渣
炉渣所起的各种作用都是通过控制炉渣的化学组成、温度及其所具
有的物理化学性质来实现的。
炉渣的主要成分
炉渣的主要成分 High quality manuscripts are welcome to download炉渣(s l a g)矿中的脉石、炉料中的熔剂和其他造渣组分在火法冶金过程中形成的金属硅酸盐、亚铁酸盐和铝酸盐等混合物。
此外，炉渣还含有少量的金属硫化物、金属和气体。
从广义说，有色金属的吹炼渣、黄渣、蒸馏罐渣、精炼渣等都属有色金属冶金炉渣。
炉渣富集了炉料中的脉石成分和不希望进入主金属的杂质，是一个成分复杂的多元体系。
炉渣的主要成分为氧化物。
可将构成炉渣的氧化物分为酸性氧化物(如SiO2、Fe2O。
等)、碱性氧化物(如FeO、CaO、MgO等)和两性氧化物(如Al2O3、ZnO等)。
它们之间的区别在于各氧化物对氧离子的亲疏关系，容易放出氧离子的为碱性氧化物，反之为酸性氧化物。
这些氧化物相互结合成各种化合物、固溶体及共晶混合物。
炉渣组成的来源有色金属冶金炉渣中的组分主要来源于五个方面：(1)矿石或精矿中的脉石，如SiO2、CaO、Al2O3、MgO等；(2)炉料在熔炼过程中生成的氧化物，如FeO、Fe3O4等；(3)为满足熔炼需要而加入的熔剂，如SiO2、CaO、FeO、Fe3O4等；(4)熔蚀或冲刷下来的炉衬材料，如MgO、SiO2、Al2O3等；(5)燃料燃烧的灰分，如Al2O3、SiO2等。
有色金属冶金炉渣属FeO–CaO–SiO2系，主要是由FeO、CaO、SiO2组成的硅酸盐，三者之和约占渣量75％～85％，有时甚至达90％。
因此，渣的性质在很大程度上由这三个组分所决定。
在冶炼过程中的作用炉渣是火法冶金的必然产物，其量又相当大。
例如反射炉炼铜产出的炉渣约为熔锍质量的200％～500％。
炉渣在冶炼过程中主要起八方面的作用。
(1)熔融炉渣富集了炉料中几乎全部的脉石和大部分的杂质，并在造渣过程中完成了金属的某些熔炼和精炼过程。
例如铜、镍硫化矿造锍熔炼时，铜、镍等硫化物与硫化亚铁富集为熔锍，而铁的氧化物与脉石、熔剂和燃料灰分等形成熔渣。
冶金炉渣
16
2.2.3 具有一个稳定三元化合物的相图 ➢面、线、点分析
面：A、B、C、D四个组元的初晶面 线：九条二元共晶线 点：三个三元共晶点E1、E2、E3
三个鞍心点e4、e5、e6
➢结晶过程分析
●此三元系可分为三个独立的子三元系： A-B-D系，A-C-D系，B-C-D系；
●子三元系为具有简单三元共晶点的相图； ●位于各分三角形内的物系点的结晶过程
包晶点11 L+C2AS=C2S+CA
g △C2S-C12A7–C
共晶点13 L=C2S+C12A7+C3A
包晶点14 L+C3S=C2S+C3A 包晶点15 L+C=C3A+C3S
33
3.2.3 应用举例 例题1：利用相图选择合适的材料 例题2：利用相图计算某种组成的熔渣 凝固后的相成分 （具体参考书）
第三章 冶金炉渣
0 引言 1 钢铁冶金主要二元渣系相图 2 三元系相图的基本知识及基本类型 3 三元渣系的相图 4 熔渣的结构理论
1
5 金属液与熔渣的电化学反应原理 6 熔渣的离子溶液结构模型 7 熔渣组分的等活度曲线图 8 熔渣的化学性质 9 熔渣的物理性质
2
0 引言
●组成
炉渣是火法冶金中形成的、以氧化物为主要成分的多组分熔体。
b 化合物D不在其初晶面内，是一个不稳定化合物；
c 连接线把三元系分为两个部分，但两部分不独立；
d △BCD内无四相平衡点，其四相平衡点P在相邻
的三角形内，是包晶点：LP+B=C+D
28
2.4 二元化合物的稳定性发生变化的三元系
二元化合物D在二元系中是稳定的， 在三元系中是不稳定的化合物。
2.2.3 具有一个稳定三元化合物的相图 ➢面、线、点分析
面：A、B、C、D四个组元的初晶面 线：九条二元共晶线 点：三个三元共晶点E1、E2、E3
三个鞍心点e4、e5、e6
➢结晶过程分析
●此三元系可分为三个独立的子三元系： A-B-D系，A-C-D系，B-C-D系；
●子三元系为具有简单三元共晶点的相图； ●位于各分三角形内的物系点的结晶过程
包晶点11 L+C2AS=C2S+CA
g △C2S-C12A7–C
共晶点13 L=C2S+C12A7+C3A
包晶点14 L+C3S=C2S+C3A 包晶点15 L+C=C3A+C3S
33
3.2.3 应用举例 例题1：利用相图选择合适的材料 例题2：利用相图计算某种组成的熔渣 凝固后的相成分 （具体参考书）
第三章 冶金炉渣
0 引言 1 钢铁冶金主要二元渣系相图 2 三元系相图的基本知识及基本类型 3 三元渣系的相图 4 熔渣的结构理论
1
5 金属液与熔渣的电化学反应原理 6 熔渣的离子溶液结构模型 7 熔渣组分的等活度曲线图 8 熔渣的化学性质 9 熔渣的物理性质
2
0 引言
●组成
炉渣是火法冶金中形成的、以氧化物为主要成分的多组分熔体。
b 化合物D不在其初晶面内，是一个不稳定化合物；
c 连接线把三元系分为两个部分，但两部分不独立；
d △BCD内无四相平衡点，其四相平衡点P在相邻
的三角形内，是包晶点：LP+B=C+D
28
2.4 二元化合物的稳定性发生变化的三元系
二元化合物D在二元系中是稳定的， 在三元系中是不稳定的化合物。
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4.1.3 二元系相图的基本类型 ❖曲线:饱和溶解度线。对
于液相线，它也是熔化终了 温度线，有时也表示液相分 层。自由度数:1，平衡相 数:2
❖垂直线:两组元生成化合
物。自由度数:1，平衡相 数:1
❖水平线:表示有晶型转变
或化学反应发生。自由度 数:0，平衡相数:3
4.1 钢铁冶金的主要二元渣系相图
即液相在固相S3周围与之反应，形成另外两个固相。这是 三元包晶反应，又称为三元转熔反应。它与二元包晶反应相似， 但不同的是却形成了两个固相。
4.2 三元系相图的基本知识及基本类型
4,2.1.2 三元立体相图的平面投影图
❖ 简单共晶体的三元立体相图：
初晶面:曲面tAe2’E’e1’、tBe1’E’e3’、 tCe3’E’e2’ 是固、液两相平衡共存的液相 面，自由度数为2(f＝3+l-2＝2)。 二元共晶线:液相面两两相交的交线，是两组 分同时从液相析出的液相线，此曲线上是液 相及两固相平衡,自由度数为l。 三元共晶点:二元共晶线最后交于E‘点，3组 分同时从液相析出。此点是四相平衡共存， 自由度数为零，是体系的最后凝固点。
4.2 三元系相图的基本知识及基本类型
4.2.2.4 具有一个不稳定二元化合物的相图
❖ 特征：浓度三角形某边上形成了一个不稳定的二元化合物。
❖三角形内箭头指向代 表温度下降，E点为三 元系的最低凝固点 ❖位于三角形ADC内的 物系点发生转熔反应后， 无液相剩余，最后在P 点最后冷凝 ❖位于三角形BDC内的 物系点发生转熔反应后， 有液相剩余，最后在E 点最后冷凝
4.2 三元系相图的基本知识及基本类型
❖平面投影相图：
❖除固相已分解，或仅在熔体中存在的物质外，体系中所有组 元及其化合物都有液相面。组元及其化合物数之和等于液相面 数，且在浓度三角形中，同分化合物的组成点都落在自己的液 相面内，异分化合物的组成点都落在自己的液相面外。
4.2 三元系相图的基本知识及基本类型
4.1 钢铁冶金的主要二元渣系相图
4.1.4 钢铁冶金的主要二元渣系相图
(1)CaO—Si02系相图
❖两个稳定化合物，Ca0·Si02(CS) 和2Cao·Si02(C2S) ；有两个不稳定 化合物3CaO·Si02(3CS) 3❖CaC0a·O-2CS2Si系O2(：C3具S2有)。一个共晶体：
❖等温线与等温截面图
等温线：等温平面与立体相图的液相面相截，所得截线在浓度 三角面上的投影。也可定义为熔化温度相等的组成点的连线。 等温截面图：在某一温度下的等温平面与立体相图相截，所得 截面在浓度三角面上的投影。 接界规则：液相区与二 相区的接界是曲线，液 相区与三相区的接界是 点，二相区与三相区的 接界是直线。相邻相区 的相数相差为一个，这 是接界规则。 应用：了解指定温度下， 体系所处相态，以及组 成改变时，体系相态的变化。
4.2 三元系相图的基本知识及基本类型
应用：可直接通过重心规则来求得一个物系或相点O分解为3个 相点的成分。如图4—14，O点犹如△M1M2M3的重心，△M1M2M3内 称为结线三角形。利用杠杆原理，可得出物系O分解后M1、M2、 M3物系的质量或质量分数:
而
4.2 三元系相图的基本知识及基本类型
4.1 钢铁冶金的主要二元渣系相图
(6)CaO-Fe203系相图
存在两个不稳定化合物CF、 CF2(1150－1240℃)和一个 稳定化合物C2F
4.2 三元系相图的基本知识及基本类型
4.2.1 三元系相图的基本知识 4.2.1.1 三元系立体相图
三元凝聚体系，自由度数 最大为3，表明体系有三个 独立变量，因此，相图要 用三维空间图形表达
SiO2 晶型转变关系： 第一类(横向)：
α石英(六方双锥) α鳞石英(六方晶系板状) α方英石(立方八面体)
第二类(纵向)：α、β、γ三种晶型的亚种。晶型结构相同， 只是晶格中原子的位置及四面体间的连接角发生了变化
迅速加热或冷却
4.1 钢铁冶金的主要二元渣系相图
SiO2 三类晶型转变时，会发生体积变化。
4.1 钢铁冶金的主要二元渣系相图
❖CS-SiO2系：包含一个共晶体和两 液相共存的相图，存在共晶反应和
偏晶反应：
共晶反应（1436℃）：
L1 CS + SiO2 偏晶反应（1700℃）：
L2
L1 + SiO2
❖ 水平线：CS、SiO2 及C2S的多晶 型转变线。
4.1 钢铁冶金的主要二元渣系相图
4.1 钢铁冶金的主要二元渣系相图
4.1.1 相律
描述体系的自由度数f与独立组元数C、平衡共存相数φ及 外界影响因素n之间关系的规律，可用下式表示：
f C n 常压下，n＝1 f C 1
体系由化合物和一种以上的元素单质构成时，C等于体系中 化学元素数。
4.1 钢铁冶金的主要二元渣系相图
⑤交叉位规则。在浓度三角形中，组成为M1、M2、M3的3个 物系混合，得到一个位于△M1M2M3之外及M3M1和M3M2边延长线间 范围内的新物系P。 M1、M2、M3及P四者构成的位置关系称为交 叉位或相对位的关系。
P点的位置可由联结PM3， 交M1M2线于M’，应用杠杆原理求得: 由于m1+m2=m’,mp+m3=m’，所以：
L
C2S + C
在1250－1900℃内， C3S稳定存 在，超出此范围，发生共析反应：
元渣系相图
❖ C2S-CS系：具有一个不稳定化 合物（C3S2）的相图，有共晶反应， 也有包晶反应：
共晶反应（1455℃）： L1 C2S + CS，
包晶反应（1475℃）： L1+ C2S C3S2
4.2 三元系相图的基本知识及基本类型
4.2.2 三元系相图的基本类型
4.2.2.1 具有简单三元共晶体的相图
由三组分中两两形成二元共晶体构成的三元共晶系相图。 ❖ 结晶过程分析
4.2 三元系相图的基本知识及基本类型
❖ 结晶过程中各相量及成分的变 化：原物系点、液相点及析出的固 相点遵循直线规则，液相点及析出 的固相量可由杠杆原理计算。
背向规则：当等比例线 上物系点的组成点，在背 离其所在顶角的方向上移 动(C O1 02)时，体系将 不断析出组分C，而其内组 分C的浓度不断减少，但其 他两组分的浓度比则保持 不变。
4.2 三元系相图的基本知识及基本类型
③直线规则:当三角形内有两个物系M和N组成一个新的物系O 时，那么O点必定落在MN连线上，而其位置可由M及N的质量mM、 mN按杠杆原理确定，即
C
共晶体的三元相图的空间图形
4.2 三元系相图的基本知识及基本类型
(1)三元系组成的表示法—浓度三角形
❖ 浓度三角形内某点浓度的确定： ① 垂线长度法：由等边三角形内任意点向三边作垂线，每根垂线之长
代表它所指向的该顶角组分的浓度。
② 平行线法：通过等边三角形内任意点作3根平行于各边的直线，其在
边上所截线段之长，分别代表该平行线所对应顶角组分的浓度，而在三边 上所截线段长度之和等于三角形的边长。
4.1 钢铁冶金的主要二元渣系相图
❖ CS有两种晶型：αCS(假硅灰石)与βCS。后者在1210℃时 转变成同分熔化化合物的αCS(熔点为1544℃)。 ❖ C2S的晶型转变如下:
C2S有4种晶型：α、α’、β、γ。其中α’C2S有亚种 βC2S，它们可在675℃可逆而迅速地转变为βC2S。α’C2S γC2S时，体积增大约10％。
4.1 钢铁冶金的主要二元渣系相图
(2)Al2O3—Si02系相图
一般认为CaO-Si02系存在一个不稳定化合物（A3S2)，分别存 在一个共晶反应和包晶反应：
共晶反应： L SiO2 + A3S2 包晶反应： L + A2O3 A3S2
4.1 钢铁冶金的主要二元渣系相图
(3)CaO-A203系相图
4.1.2 相图
什么是相图？ 相图是描述凝聚相体系的组成和温度的相平衡关系
相图的作用 确定物质在高温下相互反应，形成不同相组分和其有关参数
及各相在不同条件下的相互转变关系，为选择某种性能的相成 分提供依据 相图的绘制方法
①实验测定法：淬冷法，热分析法 ②热力学计算法
4.1 钢铁冶金的主要二元渣系相图
液相成分变化的途径：
固相成分变化的途径：
4.2 三元系相图的基本知识及基本类型
4.2.2.2 具有一个稳定的二元化合物的相图
浓度三角形某边上形成了一个稳定的二元化合物。可分解 为两个简单三元共晶体的相图。鞍心点e3
4.2 三元系相图的基本知识及基本类型
4.2.2.3 具有稳定三元化合物的相图
浓度三角形中形成了一个稳定 的三元化合物。可分解为三个 简单三元共晶体的相图
4 冶金炉渣
❖ 炉渣及其分类
炉渣是火法冶金中形成的以氧化物为主要成分的多组分熔体， 根据冶炼过程目的的不同，炉渣可分为下列4类：
1）还原渣：以矿石或精矿为原料进行还原熔炼，未被还原 的氧化物和加人的熔剂形成的炉渣，如高炉渣；
2）精炼渣或氧化渣：精炼粗金属，由其中元素氧化形成的 氧化物组成的炉渣，如炼钢渣；
存在三个稳定化合物C12A7、 CA、CA2，可分解为四个二 元系来分析。
C12A7-CA和CA-CA2为生成共 晶的二元系，CaO-C12A7和 CA2-A2O3为既有共晶也有包 晶反应的二元系。
4.1 钢铁冶金的主要二元渣系相图
(4)FeO-SiO2系相图
存在一个稳定化合物F2S, 可分解为两个二元系来分析：
化学反应的类型： 1）分解类型 ① 共晶反应：液 固1＋固2 ② 共析反应：固3 固1＋固2 ③ 偏晶反应：液1 液2＋固1 2）化合类型 ① 包晶反应(转熔反应)：液＋固1 固2 ② 包析反应：固1＋固2 固3
❖曲线与水平线的交点：表示三相共存，它可能是共 晶点、偏晶点和包晶点，当化学反应在固相之间进行 时，可能是共析点和包析点。自由度数:0，平衡相 数:3 ❖线与线围成的区域：单相或两相区。单相区自由度 数:2，平衡相数:1；两相区自由度数:1，平衡相数:2
于液相线，它也是熔化终了 温度线，有时也表示液相分 层。自由度数:1，平衡相 数:2
❖垂直线:两组元生成化合
物。自由度数:1，平衡相 数:1
❖水平线:表示有晶型转变
或化学反应发生。自由度 数:0，平衡相数:3
4.1 钢铁冶金的主要二元渣系相图
即液相在固相S3周围与之反应，形成另外两个固相。这是 三元包晶反应，又称为三元转熔反应。它与二元包晶反应相似， 但不同的是却形成了两个固相。
4.2 三元系相图的基本知识及基本类型
4,2.1.2 三元立体相图的平面投影图
❖ 简单共晶体的三元立体相图：
初晶面:曲面tAe2’E’e1’、tBe1’E’e3’、 tCe3’E’e2’ 是固、液两相平衡共存的液相 面，自由度数为2(f＝3+l-2＝2)。 二元共晶线:液相面两两相交的交线，是两组 分同时从液相析出的液相线，此曲线上是液 相及两固相平衡,自由度数为l。 三元共晶点:二元共晶线最后交于E‘点，3组 分同时从液相析出。此点是四相平衡共存， 自由度数为零，是体系的最后凝固点。
4.2 三元系相图的基本知识及基本类型
4.2.2.4 具有一个不稳定二元化合物的相图
❖ 特征：浓度三角形某边上形成了一个不稳定的二元化合物。
❖三角形内箭头指向代 表温度下降，E点为三 元系的最低凝固点 ❖位于三角形ADC内的 物系点发生转熔反应后， 无液相剩余，最后在P 点最后冷凝 ❖位于三角形BDC内的 物系点发生转熔反应后， 有液相剩余，最后在E 点最后冷凝
4.2 三元系相图的基本知识及基本类型
❖平面投影相图：
❖除固相已分解，或仅在熔体中存在的物质外，体系中所有组 元及其化合物都有液相面。组元及其化合物数之和等于液相面 数，且在浓度三角形中，同分化合物的组成点都落在自己的液 相面内，异分化合物的组成点都落在自己的液相面外。
4.2 三元系相图的基本知识及基本类型
4.1 钢铁冶金的主要二元渣系相图
4.1.4 钢铁冶金的主要二元渣系相图
(1)CaO—Si02系相图
❖两个稳定化合物，Ca0·Si02(CS) 和2Cao·Si02(C2S) ；有两个不稳定 化合物3CaO·Si02(3CS) 3❖CaC0a·O-2CS2Si系O2(：C3具S2有)。一个共晶体：
❖等温线与等温截面图
等温线：等温平面与立体相图的液相面相截，所得截线在浓度 三角面上的投影。也可定义为熔化温度相等的组成点的连线。 等温截面图：在某一温度下的等温平面与立体相图相截，所得 截面在浓度三角面上的投影。 接界规则：液相区与二 相区的接界是曲线，液 相区与三相区的接界是 点，二相区与三相区的 接界是直线。相邻相区 的相数相差为一个，这 是接界规则。 应用：了解指定温度下， 体系所处相态，以及组 成改变时，体系相态的变化。
4.2 三元系相图的基本知识及基本类型
应用：可直接通过重心规则来求得一个物系或相点O分解为3个 相点的成分。如图4—14，O点犹如△M1M2M3的重心，△M1M2M3内 称为结线三角形。利用杠杆原理，可得出物系O分解后M1、M2、 M3物系的质量或质量分数:
而
4.2 三元系相图的基本知识及基本类型
4.1 钢铁冶金的主要二元渣系相图
(6)CaO-Fe203系相图
存在两个不稳定化合物CF、 CF2(1150－1240℃)和一个 稳定化合物C2F
4.2 三元系相图的基本知识及基本类型
4.2.1 三元系相图的基本知识 4.2.1.1 三元系立体相图
三元凝聚体系，自由度数 最大为3，表明体系有三个 独立变量，因此，相图要 用三维空间图形表达
SiO2 晶型转变关系： 第一类(横向)：
α石英(六方双锥) α鳞石英(六方晶系板状) α方英石(立方八面体)
第二类(纵向)：α、β、γ三种晶型的亚种。晶型结构相同， 只是晶格中原子的位置及四面体间的连接角发生了变化
迅速加热或冷却
4.1 钢铁冶金的主要二元渣系相图
SiO2 三类晶型转变时，会发生体积变化。
4.1 钢铁冶金的主要二元渣系相图
❖CS-SiO2系：包含一个共晶体和两 液相共存的相图，存在共晶反应和
偏晶反应：
共晶反应（1436℃）：
L1 CS + SiO2 偏晶反应（1700℃）：
L2
L1 + SiO2
❖ 水平线：CS、SiO2 及C2S的多晶 型转变线。
4.1 钢铁冶金的主要二元渣系相图
4.1 钢铁冶金的主要二元渣系相图
4.1.1 相律
描述体系的自由度数f与独立组元数C、平衡共存相数φ及 外界影响因素n之间关系的规律，可用下式表示：
f C n 常压下，n＝1 f C 1
体系由化合物和一种以上的元素单质构成时，C等于体系中 化学元素数。
4.1 钢铁冶金的主要二元渣系相图
⑤交叉位规则。在浓度三角形中，组成为M1、M2、M3的3个 物系混合，得到一个位于△M1M2M3之外及M3M1和M3M2边延长线间 范围内的新物系P。 M1、M2、M3及P四者构成的位置关系称为交 叉位或相对位的关系。
P点的位置可由联结PM3， 交M1M2线于M’，应用杠杆原理求得: 由于m1+m2=m’,mp+m3=m’，所以：
L
C2S + C
在1250－1900℃内， C3S稳定存 在，超出此范围，发生共析反应：
元渣系相图
❖ C2S-CS系：具有一个不稳定化 合物（C3S2）的相图，有共晶反应， 也有包晶反应：
共晶反应（1455℃）： L1 C2S + CS，
包晶反应（1475℃）： L1+ C2S C3S2
4.2 三元系相图的基本知识及基本类型
4.2.2 三元系相图的基本类型
4.2.2.1 具有简单三元共晶体的相图
由三组分中两两形成二元共晶体构成的三元共晶系相图。 ❖ 结晶过程分析
4.2 三元系相图的基本知识及基本类型
❖ 结晶过程中各相量及成分的变 化：原物系点、液相点及析出的固 相点遵循直线规则，液相点及析出 的固相量可由杠杆原理计算。
背向规则：当等比例线 上物系点的组成点，在背 离其所在顶角的方向上移 动(C O1 02)时，体系将 不断析出组分C，而其内组 分C的浓度不断减少，但其 他两组分的浓度比则保持 不变。
4.2 三元系相图的基本知识及基本类型
③直线规则:当三角形内有两个物系M和N组成一个新的物系O 时，那么O点必定落在MN连线上，而其位置可由M及N的质量mM、 mN按杠杆原理确定，即
C
共晶体的三元相图的空间图形
4.2 三元系相图的基本知识及基本类型
(1)三元系组成的表示法—浓度三角形
❖ 浓度三角形内某点浓度的确定： ① 垂线长度法：由等边三角形内任意点向三边作垂线，每根垂线之长
代表它所指向的该顶角组分的浓度。
② 平行线法：通过等边三角形内任意点作3根平行于各边的直线，其在
边上所截线段之长，分别代表该平行线所对应顶角组分的浓度，而在三边 上所截线段长度之和等于三角形的边长。
4.1 钢铁冶金的主要二元渣系相图
❖ CS有两种晶型：αCS(假硅灰石)与βCS。后者在1210℃时 转变成同分熔化化合物的αCS(熔点为1544℃)。 ❖ C2S的晶型转变如下:
C2S有4种晶型：α、α’、β、γ。其中α’C2S有亚种 βC2S，它们可在675℃可逆而迅速地转变为βC2S。α’C2S γC2S时，体积增大约10％。
4.1 钢铁冶金的主要二元渣系相图
(2)Al2O3—Si02系相图
一般认为CaO-Si02系存在一个不稳定化合物（A3S2)，分别存 在一个共晶反应和包晶反应：
共晶反应： L SiO2 + A3S2 包晶反应： L + A2O3 A3S2
4.1 钢铁冶金的主要二元渣系相图
(3)CaO-A203系相图
4.1.2 相图
什么是相图？ 相图是描述凝聚相体系的组成和温度的相平衡关系
相图的作用 确定物质在高温下相互反应，形成不同相组分和其有关参数
及各相在不同条件下的相互转变关系，为选择某种性能的相成 分提供依据 相图的绘制方法
①实验测定法：淬冷法，热分析法 ②热力学计算法
4.1 钢铁冶金的主要二元渣系相图
液相成分变化的途径：
固相成分变化的途径：
4.2 三元系相图的基本知识及基本类型
4.2.2.2 具有一个稳定的二元化合物的相图
浓度三角形某边上形成了一个稳定的二元化合物。可分解 为两个简单三元共晶体的相图。鞍心点e3
4.2 三元系相图的基本知识及基本类型
4.2.2.3 具有稳定三元化合物的相图
浓度三角形中形成了一个稳定 的三元化合物。可分解为三个 简单三元共晶体的相图
4 冶金炉渣
❖ 炉渣及其分类
炉渣是火法冶金中形成的以氧化物为主要成分的多组分熔体， 根据冶炼过程目的的不同，炉渣可分为下列4类：
1）还原渣：以矿石或精矿为原料进行还原熔炼，未被还原 的氧化物和加人的熔剂形成的炉渣，如高炉渣；
2）精炼渣或氧化渣：精炼粗金属，由其中元素氧化形成的 氧化物组成的炉渣，如炼钢渣；
存在三个稳定化合物C12A7、 CA、CA2，可分解为四个二 元系来分析。
C12A7-CA和CA-CA2为生成共 晶的二元系，CaO-C12A7和 CA2-A2O3为既有共晶也有包 晶反应的二元系。
4.1 钢铁冶金的主要二元渣系相图
(4)FeO-SiO2系相图
存在一个稳定化合物F2S, 可分解为两个二元系来分析：
化学反应的类型： 1）分解类型 ① 共晶反应：液 固1＋固2 ② 共析反应：固3 固1＋固2 ③ 偏晶反应：液1 液2＋固1 2）化合类型 ① 包晶反应(转熔反应)：液＋固1 固2 ② 包析反应：固1＋固2 固3
❖曲线与水平线的交点：表示三相共存，它可能是共 晶点、偏晶点和包晶点，当化学反应在固相之间进行 时，可能是共析点和包析点。自由度数:0，平衡相 数:3 ❖线与线围成的区域：单相或两相区。单相区自由度 数:2，平衡相数:1；两相区自由度数:1，平衡相数:2