冶金熔渣的物理化學(xué)性質(zhì)

1、熔渣的物理化學(xué)性質(zhì)直接關(guān)系到冶煉過(guò)程能否順利進(jìn)行和技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)是否符合要求，是能否實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)低消耗的重要因素。如熔渣的熔化溫度和熱含量影響熱能消耗，熔渣的密度、表面張力和黏度影響冶煉過(guò)程金屬的回收率。研究熔渣的性能也是認(rèn)識(shí)熔渣結(jié)構(gòu)的重要途徑（如電導(dǎo)、黏度）。冶金工作者除了應(yīng)對(duì)熔渣性能的原理和規(guī)律有所認(rèn)識(shí)外，還要掌握組成性能圖和根據(jù)已知數(shù)據(jù)計(jì)算熔渣性能的方法，從而可以了解已知成分的熔渣性能是否能滿足冶煉過(guò)程的要求，或由所要求的性質(zhì)來(lái)選擇合理的熔渣成分。熔化性是指熔渣熔化的難易程度。它可用熔化溫度和熔化性溫度這兩個(gè)指標(biāo)來(lái)表示。一、熔化溫度：熔化溫度（或稱(chēng)熔度、初晶溫度）是指固態(tài)熔渣完全熔化為液相

2、時(shí)的溫度，或液態(tài)熔渣冷卻時(shí)開(kāi)始析出固相的溫度。熔渣不是純物質(zhì)，沒(méi)有一個(gè)固定的熔點(diǎn)，熔渣從開(kāi)始熔化到完全熔化是在一定的溫度范圍內(nèi)完成的，即從固相線到液相線的溫度區(qū)間。它可由熔渣狀態(tài)圖的液相線或液相面的溫度來(lái)確定。熔渣的熔化溫度高表明它難熔，熔化溫度低表明它易熔。熔化溫度主要與組成有關(guān)。圖3-5為CaO-FeO-SiO2系等熔度圖。從熔渣的狀態(tài)圖可以看出各種渣系的熔化溫度區(qū)。處在等溫線上的各種組成的熔渣，其熔化溫度相同。根據(jù)該線可以確定某一熔化溫度時(shí)的熔渣成分，或根據(jù)熔渣成分估算出該組成下的熔化溫度。 圖35 CaO-FeO-SiO2系等熔度圖，黃興無(wú)，有色冶金原理，2002年，p13，圖1-11

3、二、熔化性溫度熔化性溫度是指熔渣從不能流動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)槟茏杂闪鲃?dòng)時(shí)的溫度。冶金上一般要求熔渣熔化后必須具有良好的流動(dòng)性。有的熔渣（特別是酸性渣），加熱到熔化溫度后并不能自由流動(dòng)，仍然十分粘稠，例如，成分為SiO262%，Al2O314.25%，CaO22.25%的高爐煉鐵爐渣，在1165熔化后再加熱300400它的流動(dòng)性仍然很差；成分為CaO24.1%，SiO247.2%，Al2O318.6%的高爐煉鐵爐渣，在1290熔化，再加熱到1400就能自由流動(dòng)。因此，為了保證冶金生產(chǎn)的正常進(jìn)行，只了解爐渣的熔化溫度還不夠，還必須了解爐渣自由流動(dòng)的溫度，即熔化性溫度。熔化性溫度把熔化和流動(dòng)聯(lián)系起來(lái)考慮，能較確

4、切地表明爐渣由不能自由流動(dòng)變?yōu)槟茏杂闪鲃?dòng)時(shí)的溫度，這就克服了熔化溫度的局限性。熔化性溫度高表明熔渣難熔，熔化性溫度低表明熔渣易熔。熔化性溫度可通過(guò)測(cè)定該熔渣在不同溫度下的黏度，畫(huà)出黏度溫度（t）曲線來(lái)確定，如圖3-6所示。曲線上的轉(zhuǎn)折點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的溫度即是熔渣的熔化溫度。成分為A的爐渣，轉(zhuǎn)折點(diǎn)為a，當(dāng)溫度高于a時(shí)，渣的黏度較小（d點(diǎn)），有很好的流動(dòng)性。a就是A渣的熔化性溫度。一般堿性渣屬于這種情況，取樣時(shí)這種熔渣的渣滴不能拉成長(zhǎng)絲，渣樣斷面呈石頭狀，俗稱(chēng)短渣或石頭渣。B渣黏度隨溫度降低逐漸升高，在t曲線上無(wú)明顯轉(zhuǎn)折點(diǎn)，高爐煉鐵爐渣一般取其黏度值為2.02.5Pas時(shí)的溫度（相當(dāng)于b）為熔化性溫度。

5、為統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)起見(jiàn)，常取45直線與t曲線相切點(diǎn)e所對(duì)應(yīng)的b為熔化性溫度。一般酸性渣類(lèi)似B渣特性，取樣時(shí)這種渣的渣滴能拉成長(zhǎng)絲，且渣樣斷面呈玻璃狀，俗稱(chēng)長(zhǎng)渣或玻璃渣。圖3-6 熔渣黏度溫度圖（A渣堿性熔渣；B渣酸性熔渣） 盧宇飛，煉鐵工藝，2006年，p79，圖5-5圖3-7為三元系等熔化性溫度圖，其準(zhǔn)確性差些，但仍有一定實(shí)用價(jià)值。圖3-7 CaOSiO2Al2O3三元系等熔化性溫度圖任貴義，煉鐵學(xué)，上冊(cè)，2005，p249，圖117黏度黏度是熔渣的重要性質(zhì)，直接關(guān)系到熔渣的流動(dòng)性、冶煉過(guò)程能否進(jìn)行，也關(guān)系到金屬或锍能否充分地通過(guò)渣層沉降分離。它是冶金工作者最關(guān)心的熔渣性能指標(biāo)。一、黏度的定義熔渣黏

6、度與流動(dòng)性在數(shù)值上互為倒數(shù)關(guān)系。黏度（）是指速度不同的兩層液體之間的內(nèi)摩擦力計(jì)算公式中的比例系數(shù)（）。當(dāng)流體在管道中流動(dòng)時(shí)，管道與流體、流體與流體之間內(nèi)部的內(nèi)摩擦力，使靠近管道的流體流速最小，而中心的流速最大。實(shí)驗(yàn)表明，流速不同的兩層液體之間的內(nèi)摩擦力（F）與其接觸面積（S）和流速差值（d）成正比，與兩液層之間的距離（dx）成反比，可用如下公式表示：內(nèi)摩擦力 ， 黏度 比例系數(shù)（）稱(chēng)為黏度系數(shù)，亦稱(chēng)黏度。單位用Pa·s（帕秒）表示。過(guò)去使用泊（P）為單位。10P=1Pa·s。表36為某些液體的黏度數(shù)據(jù)，由表可看出，流動(dòng)的渣，其黏度相當(dāng)于甘油的室溫黏度0.5Pa·s

7、。黏度1.52.0Pa·s的渣，雖然比較粘稠，但尚能滿足冶煉要求。當(dāng)渣的黏度達(dá)3.05.0Pa·s或更高時(shí)，則會(huì)造成冶煉過(guò)程難以進(jìn)行，導(dǎo)致熔渣不易由爐內(nèi)放出。表36 某些液體的黏度液體溫度黏度液體溫度黏度水2980.00089汞2730.0017蓖麻油2980.8流動(dòng)好的渣<0.50甘油2980.5稠渣1.52.0生鐵液16980.0015很稠的渣>3.0鋼液1868<0.0025二、溫度對(duì)黏度的影響在組成熔渣的各種氧化物中，SiO2對(duì)熔渣的黏度影響最大。前已述及，熔渣中SiO2含量愈高，硅氧配合陰離子的結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，離子半徑愈大，熔體的黏度也愈大。Al2O

8、3、ZnO等也有類(lèi)似的影響。而堿性氧化物的含量增加時(shí)，硅氧配合陰離子的離子半徑變小，黏度將有所下降，但并不是說(shuō)熔渣中堿性氧化物含量愈高黏度愈低，相反，堿度太高的熔渣是粘而難熔的。任何組成的熔渣，其黏度都是隨著溫度的升高而降低的。但是溫度對(duì)堿性渣和酸性渣的影響有顯著的區(qū)別，如圖36所示。堿性熔渣（含SiO2小于35%）在受熱熔化時(shí)，立即轉(zhuǎn)變?yōu)楦鞣NMe2+和半徑較小的硅氧配合陰離子，黏度迅速下降，如圖3-6所示，其黏度溫度曲線A上有明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，該點(diǎn)的對(duì)應(yīng)溫度a稱(chēng)為熔化性溫度，當(dāng)溫度超過(guò)a后，曲線變得比較平緩，此時(shí)溫度對(duì)黏度的影響已不明顯了。酸性熔渣因含SiO2高（SiO2大于40%），當(dāng)升高溫度

9、時(shí)，復(fù)雜的硅氧配合陰離子逐步離解為簡(jiǎn)單的硅氧配合陰離子，離子半徑逐步減小，因而黏度也是逐步降低的，其黏度溫度曲線B上不存在明顯的熔化性溫度，見(jiàn)圖3-6。三、成分對(duì)黏度的影響熔渣的黏度隨成分的改變而改變。例如，在高爐煉鐵冶金生產(chǎn)中，常因爐料成分變化大，造成熔渣黏度過(guò)高難于流動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)生成爐瘤，致使?fàn)t礦異常。常用加入螢石（CaF2）、并同時(shí)升高爐溫的方法降低熔渣的黏度，改善其流動(dòng)性，從而能夠沖刷洗去爐瘤。原因是CaF2能與CaO生成低共晶（熔點(diǎn)1659.15K），促使CaO熔于渣中，同時(shí)CaF2中的F可取代熔渣中硅氧配合離子中的O2，促使硅氧配合陰離子解體分離成較小的硅氧配合陰離子，使熔渣黏度

10、降低。所以CaF2不論對(duì)酸性渣還是堿性渣都具有大幅度降低黏度的作用。成分對(duì)黏度的影響，可以用CaOFeOSiO2系熔渣在1623.15k時(shí)的等黏度圖來(lái)說(shuō)明。CaOFeOSiO2系熔渣的黏度已有大量的測(cè)定數(shù)據(jù)，并已在濃度三角形中繪成等黏度曲線。圖38為在1623.15K時(shí)CaOFeOSiO2系熔渣的等黏度圖。由于黏度僅能在均一液相內(nèi)測(cè)定，所以等黏度曲線圖僅占有濃度三角形的局部（給定的等熔化溫度曲線以內(nèi)的液相區(qū)）。由圖可見(jiàn)，在一定溫度下，在每條曲線上的熔渣，雖然成分不同但卻具有相同的黏度；在一定溫度下，熔渣的黏度隨成分的改變而改變。圖3-8 CaO-FeO-SiO2系熔渣1623.15K等黏度圖黃

11、興無(wú)，有色冶金原理，2002年，p15，圖1-14應(yīng)用等黏度圖，可以查得各種熔渣在給定溫度下的黏度。在應(yīng)用等黏度圖時(shí)，首先應(yīng)將熔渣中的三種主要氧化物換算為總和100%，然后再查圖可得各種熔渣在給定溫度下的黏度值。例如，銅精礦的造锍熔煉熔渣中主要成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)濃度為w(SiO2)37.3%、w(CaO)4.7%、w(FeO)46.0%，如何查該熔渣的黏度？解：先將三成分總和換算成百分之百，即：w（SiO2）= 37.3 / (37.3+4.7+46.0)42.4w（CaO） = 4.7 / (37.7+4.7+46.0) 5.3%w（FeO）= 46.0 / (37.7+4.7+46.0) 52

12、.3%然后，再?gòu)膱D3-8中查得這種熔渣在1623K下的黏度約為1.5Pa·s（因?yàn)檫@種熔渣并不是純粹的三元系，因此查出的此數(shù)據(jù)只能作參考）。由圖還可得知：該熔渣系黏度最低的組成為：w(CaO)1030%、w(SiO2)1530%，w(FeO)4060%。熔渣密度的大小直接影響到冶煉過(guò)程中熔渣與金屬之間分離的難易，所以在生產(chǎn)實(shí)踐中具有重要意義。熔渣的密度測(cè)定的數(shù)據(jù)較少，而固態(tài)熔渣熔化后的密度變化很小，故可近似地采用固態(tài)熔渣的密度值。這雖然不夠精確，但生產(chǎn)實(shí)用是可取的。熔渣的密度與所含的成分有關(guān)。當(dāng)熔渣中含有有較多質(zhì)量大的氧化物如PbO、FeO、Fe3O4、ZnO等時(shí)，其密度增加；反之，

13、若含質(zhì)量小的氧化物如SiO2，CaO等時(shí)，則熔渣的密度較小。熔渣的密度值常介于2.54.0之間，見(jiàn)表37。表37 各種氧化物的密度（g·cm3）氧化物密度氧化物密度氧化物密度SiO22.202.55MgO3.65PbO9.21CaO3.40CaF22.8ZnO5.60FeO5.0Al2O33.97Cu2O6.0Fe3O455.4MnO5.4NaO2.27 習(xí)題與思考題1、什么是金屬熔體？它分為幾種類(lèi)型？2、何為冶金熔渣？簡(jiǎn)述冶金熔渣的主要成分。3、簡(jiǎn)述冶煉渣和精煉渣的主要作用。4、什么是富集渣？它與冶煉渣的根本區(qū)別在哪里？5、試說(shuō)明熔鹽在冶金中的主要應(yīng)用。6、冶金熔锍的主要成分是什么？7、簡(jiǎn)述分子理論并分析它在實(shí)際應(yīng)用中的優(yōu)缺點(diǎn)。8、簡(jiǎn)述離