中南大学冶金原理PPT第4章

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2800C) 的危害，同时使Fe3O4造渣： 2MgO + SiO2 = 2MgO· SiO2
第四章 冶金熔体的物理性质
4.1 熔化温度
4.2
4.3
密度
粘度
4.4
4.5 4.6
导电性
熔体组分的扩散系数 表面性质与界面性质
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 表4—1 熔化温度与熔体组成有关。 例如，在铁液中
图410
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
图47 各种熔体的粘度与温度的关系
熔渣粘度与温度的关系
图 4 8
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。
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
MO
m3 kg1
—— 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，
1/1673 = 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。
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：
1/ (%MO / MO ),
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 图49
在A12O3含量不大的碱性渣区域，等 粘度线几乎平行于SiO2A12O3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。

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%；
— 碱性渣
粘 度
— 酸性渣
温 度
图48 熔渣粘度与温 度的关系
熔渣粘度与温度的关系（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。
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 熔渣的粘度，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 铝电解质：2095~2111 kg· m3
镁电解质：1700~1800 kg· m3
2Fe3O4 + FeS + 5SiO2 = 5(2FeO· SiO2) + SO2
SiO2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1400~1500C之间。
炼镍鼓风炉的风口区温度可达 1500~1800C，足以保证渣的 过热与排放。
CaO
FeO / %(mol)
FeO
图45 A12O3CaOSiO2渣系的密度 （1500C，单位为103kg· m3）
图46 CaOFeOSiO2渣系的密度 （1500C，单位为103kg· m3）
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；

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
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
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 A
F A dv/dx
dv dx
— 内摩擦力，N — 相邻两液层的接触面积，m2 — 垂直于流体流动方向上的速度梯度，s-1 — 粘度系数，动力粘度，简称粘度， Pa· s [kg· m-1· s-1]
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：
E A exp RT

A —— 常数，E —— 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。 图47
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（）： = / 粘度的本质： m2· s1或St（1m2· s1 = 104St）
流体的流动性：运动粘度的倒数
在AB线以右的A12O3一侧，A12O3表现出碱性 氧化物的性质。
CaO–Al2O3–SiO2系熔渣的等粘度曲线图（续1）
图410
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。
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。
N SiO
NC
aO
2
NAl O
2
3
图49 CaOA12O3SiO2系熔渣在1900C时的等粘度曲线（0.1Pa· s）
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；

温度 / ° C
密度 / 103kg•m3
温度 / K
图43 铁液的密度与温度的关系
密度 / 103kg•m3
温度 / ° C
图44 A12O3CaOSiO2Na2O渣系的密度
源自文库
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。
图42 CaOFeOSiO2渣系熔化等温线图
4.2 密
密度——单位体积的质量。
度
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：
2 2 grM v ( M S ) 9S
V rM M,S S g
—— —— —— —— ——
三、金属熔体的粘度
纯液态金属的粘度： (0.5~8)103 Pa· 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，1600C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)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。
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
2 SiO
(质 量
)
/%
/%
SiO2
) 量 (质
Ca O
(m ol)
2 SiO
/%
ol) (m /%
Ca O
Al2O3 / %(质量)
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。
SiO 2
(质 量
)
量) (质 /%
Ca O
/%
Al2O3 / %(质量)
图410 CaOA12O3SiO2系熔渣在1500C时的等粘度曲线（0.1Pa· s）
CaO–Al2O3–SiO2系熔渣的等粘度曲线图（续2）
图41 MgOFeOSiO2渣系熔化等温线图
当炼镍原料中含有较多的CaO时，可选用高钙渣。
图42中的C点为高钙渣CaO含量的下限，位于鳞石英相区内 1200C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1100C等温线。 高钙渣的熔化温度处于1100～1200C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。