钢铁冶金原理第一章 冶金过程热力学基础2详解
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)。
第一章 冶金过程热力学基础
§1.5 冶金炉渣理论和性质p210
§1.5.1 概 述 一、炉渣的作用 ➢炉渣是火法冶金的一种产物，其组成主要来自矿石、熔剂 和燃料灰份中的造渣成份。
➢冶金炉渣的主要作用是使矿石和熔剂中的脉石和燃料中的 灰份集中，并在高温下与主要的冶炼产物金属、锍等分离。
➢炉渣的产出量按质量计约为金属的3-5倍，按体积计约为810倍。
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 如碱性炉渣炼钢时，MgO主要来自镁砂炉衬
1.要 点 • 熔渣的基本结构单元为电中性的分子
简单分子:CaO、MgO、FeO、Al2O3、FeS等
复杂分子：2CaO SiO2 、3CaO SiO2、3CaO P2O5、2FeO SiO2 • 结构单元间的作用力为分子间的引力（范德华力） • 熔渣可视为理想溶液 • 简单分子与复杂分子之间存在动态平衡
例：计算下列成分的炉渣的硅酸度:
组分 CaO MgO FeO SiO2 Al2O3
(%) 38 8.4 31.3 17.9 4.4
K
17.9
32
60
4.4
Байду номын сангаас
316 102
0.55
381656 8.4 16 40 31.316 71.8
K≤1，炉渣呈碱性。
第一章 冶金过程热力学基础
§1.5.3 炉渣的结构理论 一、 分子结构假说（理论）p245
(2CaO SiO2) 2(CaO) (SiO2) 2(FeO) (SiO2 ) (2FeO SiO2 )
• 只有自由氧化物分子具有反应能力
第一章 冶金过程热力学基础
一、 分子结构假说（理论） 2.缺 点
1）定量计算困难，容易产生很大误差。 2）不能解释FeO也能脱硫的事实。
(FeO) [FeS] (FeS) [FeO]
§1.5.2 炉渣的组成 炉渣通常是一种非常复杂的多组分体系，除含有CaO、FeO、 MnO、MgO、Al2O3、SiO2、P2O5、Fe2O3等氧化物外，还可能含 有少量的氟化物（如CaF2）、氯化物（如NaCl）、硫化物（如CaS、 MnS）等其它类型的化合物，甚至还夹带少量的金属。
炉渣的物理化学性质主要由熔渣的组成决定，生产实践中，必 须根据各种冶炼过程的特点，合理地选择炉渣成分，使之具有符合 冶炼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。
下表例举了一些炉渣的组成：
炉渣 高炉炼铁渣
SiO2 A12O3 CaO
FeO
30～40 10～20 35～50
<1
MgO MnO
其它
5～10
0.5～1
S 1～2
转炉炼钢渣
9～20 0.1～2.5 37～59 5～20
0.6～8 1.3～10
P2O5 1～6
铜闪速炉熔炼渣 28～38 2～12 5～15 38～54
第一章 冶金过程热力学基础
一、炉渣氧化物p295
组成炉渣的氧化物可分为三类： 碱性氧化物：能供给氧离子O2–的氧化物
如：CaO、MnO、FeO、MgO、Na2O、TiO等， CaO ＝ Ca2+ + O2–
酸性氧化物：能吸收O2–而形成复合阴离子的氧化物
如：SiO2、P2O5、 V2O5等， SiO2 + 2O2– = 4SiO22–
3）无法解释熔融炉渣的带电现象。
第一章 冶金过程热力学基础
两性氧化物：在强酸性渣中可供给O2–而呈碱性，而在强碱性渣 中会吸收 O2–形成复合阴离子而呈酸性的氧化物
如： Al2O3、Fe2O3、Cr2O3、ZnO等， Al2O3 ＝ 2Al3+ + 3O2– Al2O3 + O2– = 2AlO2–
第一章 冶金过程热力学基础
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
（2）精炼渣：是粗金属精炼过程的产物，其主要作用是 捕集粗金属中杂质元素的氧化产物，使之与主金属分离。
（3）富集渣：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。
（4）合成渣：为达到一定的冶炼目的，按一定成分预先 配制的渣料熔合而成的炉渣，如铸钢用保护渣、电渣重熔用 渣等。
第一章 冶金过程热力学基础
1～3
Fe3O4 12～15, S 0.2～0.4, Cu 0.5～0.8
铅鼓风炉熔炼渣 19～35
3～5
0～20 28～40
3～5
Pb 1～3.5
锡反射炉熔炼渣 19～24 8～10 1.5～6 45～50
Sn 7～9
高钛渣
1.8～5.6 1～6 0.3～1.2 2.7～6.5 1.5～5.6 1～1.5 TiO2 82～92
第一章 冶金过程热力学基础 结 论：
冶金炉渣通常由五、六种或更多的氧化物组成。 炉渣常含有其他化合物，如氟化物、硫化物等。 炉渣中含量最多的氧化物通常只有三种，其总含量 可达80%以上。 大多数有色冶金炉渣和钢渣的主要氧化物是： FeO、CaO、SiO2 高炉渣和某些有色冶金炉渣的主要氧化物为： CaO、Al2O3、SiO2
第一章 冶金过程热力学基础
二、硅酸度的概念和计算
有色冶金炉渣的酸碱性，习惯上用硅酸度表示。它指酸性氧 化物中氧的质量之和与碱性氧化物中氧的质量之和之比。
酸性氧化物中氧的质量之和 K 碱性氧化物中氧的质量之和 计算时，两性氧化物在SiO2含量大于36%时按碱性计算，在 SiO2含量小于36%时按酸性计算。 当 K≥1.2 酸性 K≤1 碱性 1≤K≤1.2 中性
第一章 冶金过程热力学基础
炉渣的副作用
炉渣对炉衬的化学侵蚀和机械冲刷 缩短了炉子的使用寿命
炉渣带走了大量热量 增加了燃料消耗
渣中含有各种有价金属 降低了金属的直收率
第一章 冶金过程热力学基础
二、炉渣的类型p210
根据炉渣在冶炼过程中的作用，可将其分成四类：
（1）冶炼渣：是以矿石或精矿为原料生产粗金属或熔锍 的熔炼过程中产生的，其主要作用是汇集炉料中的全部脉石 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。
§1.5 冶金炉渣理论和性质p210
§1.5.1 概 述 一、炉渣的作用 ➢炉渣是火法冶金的一种产物，其组成主要来自矿石、熔剂 和燃料灰份中的造渣成份。
➢冶金炉渣的主要作用是使矿石和熔剂中的脉石和燃料中的 灰份集中，并在高温下与主要的冶炼产物金属、锍等分离。
➢炉渣的产出量按质量计约为金属的3-5倍，按体积计约为810倍。
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 如碱性炉渣炼钢时，MgO主要来自镁砂炉衬
1.要 点 • 熔渣的基本结构单元为电中性的分子
简单分子:CaO、MgO、FeO、Al2O3、FeS等
复杂分子：2CaO SiO2 、3CaO SiO2、3CaO P2O5、2FeO SiO2 • 结构单元间的作用力为分子间的引力（范德华力） • 熔渣可视为理想溶液 • 简单分子与复杂分子之间存在动态平衡
例：计算下列成分的炉渣的硅酸度:
组分 CaO MgO FeO SiO2 Al2O3
(%) 38 8.4 31.3 17.9 4.4
K
17.9
32
60
4.4
Байду номын сангаас
316 102
0.55
381656 8.4 16 40 31.316 71.8
K≤1，炉渣呈碱性。
第一章 冶金过程热力学基础
§1.5.3 炉渣的结构理论 一、 分子结构假说（理论）p245
(2CaO SiO2) 2(CaO) (SiO2) 2(FeO) (SiO2 ) (2FeO SiO2 )
• 只有自由氧化物分子具有反应能力
第一章 冶金过程热力学基础
一、 分子结构假说（理论） 2.缺 点
1）定量计算困难，容易产生很大误差。 2）不能解释FeO也能脱硫的事实。
(FeO) [FeS] (FeS) [FeO]
§1.5.2 炉渣的组成 炉渣通常是一种非常复杂的多组分体系，除含有CaO、FeO、 MnO、MgO、Al2O3、SiO2、P2O5、Fe2O3等氧化物外，还可能含 有少量的氟化物（如CaF2）、氯化物（如NaCl）、硫化物（如CaS、 MnS）等其它类型的化合物，甚至还夹带少量的金属。
炉渣的物理化学性质主要由熔渣的组成决定，生产实践中，必 须根据各种冶炼过程的特点，合理地选择炉渣成分，使之具有符合 冶炼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。
下表例举了一些炉渣的组成：
炉渣 高炉炼铁渣
SiO2 A12O3 CaO
FeO
30～40 10～20 35～50
<1
MgO MnO
其它
5～10
0.5～1
S 1～2
转炉炼钢渣
9～20 0.1～2.5 37～59 5～20
0.6～8 1.3～10
P2O5 1～6
铜闪速炉熔炼渣 28～38 2～12 5～15 38～54
第一章 冶金过程热力学基础
一、炉渣氧化物p295
组成炉渣的氧化物可分为三类： 碱性氧化物：能供给氧离子O2–的氧化物
如：CaO、MnO、FeO、MgO、Na2O、TiO等， CaO ＝ Ca2+ + O2–
酸性氧化物：能吸收O2–而形成复合阴离子的氧化物
如：SiO2、P2O5、 V2O5等， SiO2 + 2O2– = 4SiO22–
3）无法解释熔融炉渣的带电现象。
第一章 冶金过程热力学基础
两性氧化物：在强酸性渣中可供给O2–而呈碱性，而在强碱性渣 中会吸收 O2–形成复合阴离子而呈酸性的氧化物
如： Al2O3、Fe2O3、Cr2O3、ZnO等， Al2O3 ＝ 2Al3+ + 3O2– Al2O3 + O2– = 2AlO2–
第一章 冶金过程热力学基础
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
（2）精炼渣：是粗金属精炼过程的产物，其主要作用是 捕集粗金属中杂质元素的氧化产物，使之与主金属分离。
（3）富集渣：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。
（4）合成渣：为达到一定的冶炼目的，按一定成分预先 配制的渣料熔合而成的炉渣，如铸钢用保护渣、电渣重熔用 渣等。
第一章 冶金过程热力学基础
1～3
Fe3O4 12～15, S 0.2～0.4, Cu 0.5～0.8
铅鼓风炉熔炼渣 19～35
3～5
0～20 28～40
3～5
Pb 1～3.5
锡反射炉熔炼渣 19～24 8～10 1.5～6 45～50
Sn 7～9
高钛渣
1.8～5.6 1～6 0.3～1.2 2.7～6.5 1.5～5.6 1～1.5 TiO2 82～92
第一章 冶金过程热力学基础 结 论：
冶金炉渣通常由五、六种或更多的氧化物组成。 炉渣常含有其他化合物，如氟化物、硫化物等。 炉渣中含量最多的氧化物通常只有三种，其总含量 可达80%以上。 大多数有色冶金炉渣和钢渣的主要氧化物是： FeO、CaO、SiO2 高炉渣和某些有色冶金炉渣的主要氧化物为： CaO、Al2O3、SiO2
第一章 冶金过程热力学基础
二、硅酸度的概念和计算
有色冶金炉渣的酸碱性，习惯上用硅酸度表示。它指酸性氧 化物中氧的质量之和与碱性氧化物中氧的质量之和之比。
酸性氧化物中氧的质量之和 K 碱性氧化物中氧的质量之和 计算时，两性氧化物在SiO2含量大于36%时按碱性计算，在 SiO2含量小于36%时按酸性计算。 当 K≥1.2 酸性 K≤1 碱性 1≤K≤1.2 中性
第一章 冶金过程热力学基础
炉渣的副作用
炉渣对炉衬的化学侵蚀和机械冲刷 缩短了炉子的使用寿命
炉渣带走了大量热量 增加了燃料消耗
渣中含有各种有价金属 降低了金属的直收率
第一章 冶金过程热力学基础
二、炉渣的类型p210
根据炉渣在冶炼过程中的作用，可将其分成四类：
（1）冶炼渣：是以矿石或精矿为原料生产粗金属或熔锍 的熔炼过程中产生的，其主要作用是汇集炉料中的全部脉石 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。