冶金熔體的物理性質(zhì)

1第四章冶金熔體的物理性質(zhì)4.1

熔化溫度4.2

密度4.3

粘度4.4

導(dǎo)電性4.5

熔體組分的擴(kuò)散系數(shù)4.6

表面性質(zhì)與界面性質(zhì)2冶金熔體在一定的溫度范圍內(nèi)熔化，沒(méi)有確定的熔點(diǎn)，冷卻曲線上無(wú)平臺(tái)。熔化溫度——冶金熔體由其固態(tài)物質(zhì)完全轉(zhuǎn)變成均勻的液態(tài)時(shí)的溫度。凝固溫度——冶金熔體在冷卻時(shí)開(kāi)始析出固相時(shí)的溫度。常見(jiàn)冶金熔體的熔化溫度范圍

表4-1熔化溫度與熔體組成有關(guān)。

例如，在鐵液中非金屬元素C、O、S、P等使能其熔化溫度顯著降低，含1%C的鐵液的熔化溫度比純鐵熔點(diǎn)低~90

C；由Mn、Cr、Ni、Co、Mo等金屬元素引起的鐵液熔化溫度的降低很小。4.1熔化溫度34冶煉鎳銅品位低、鈣鎂含量高的鎳精礦時(shí)的渣型選擇根據(jù)礦石成分的變化可選擇兩種酸性渣型：高硅渣和高鈣渣 兩種渣型都能抑制氧化鎂和磁性氧化鐵的有害作用。對(duì)于含鎂高的礦石，采用高硅渣可以增加爐渣硅酸度，抑制MgO(熔點(diǎn)約2800

C)的危害，同時(shí)使Fe3O4造渣：2MgO+SiO2=2MgO·SiO22Fe3O4+FeS+5SiO2=5(2FeO·SiO2)+SO2SiO2的加入量隨原料成分而變化。圖中A點(diǎn)代表高硅渣中SiO2含量的下限，B點(diǎn)代表其上限。高硅渣的熔化溫度大致在1400~1500

C之間。煉鎳鼓風(fēng)爐的風(fēng)口區(qū)溫度可達(dá)1500~1800

C，足以保證渣的過(guò)熱與排放。5圖4

1MgO

FeO

SiO2渣系熔化等溫線圖6當(dāng)煉鎳原料中含有較多的CaO時(shí)，可選用高鈣渣。圖4

2中的C點(diǎn)為高鈣渣CaO含量的下限，位于鱗石英相區(qū)內(nèi)1200

C等溫線下面。D點(diǎn)代表高鈣渣CaO含量的上限，位于硅灰石CaO

SiO2相區(qū)，緊靠1100

C等溫線。高鈣渣的熔化溫度處于1100～1200

C之間。由于渣中MgO含量約為4%~9%或更高，高鈣渣的熔化溫度可能更高。結(jié)論高鈣渣的熔化溫度比高硅渣低。對(duì)于高鎂原料，在強(qiáng)化熔煉和其它因素變化不大的情況下，選用高硅渣或高鈣渣，均能正常冶煉并得到低的渣含鎳。7圖4

2

CaO

FeO

SiO2渣系熔化等溫線圖

8密度——單位體積的質(zhì)量。密度影響金屬與熔渣、熔锍與熔渣、金屬與熔鹽的分離，影響金屬的回收率。金屬或熔锍微粒在熔渣中的沉降——斯托克斯公式：V ——沉降速度，m·s–1rM ——金屬或锍微粒的半徑，m

M,

S ——金屬和熔渣的密度，kg·m–3

S ——熔渣的粘度，Pa·sg ——重力加速度，9.80m·s–24.2密度9一、常見(jiàn)冶金熔體的密度范圍熔融的鐵及常見(jiàn)重有色金屬：7000~11000kg·m

3鋁電解質(zhì)：2095~2111kg·m

3鎂電解質(zhì)：1700~1800kg·m

3熔渣：3000~4000kg·m

3熔锍：4000~5000kg·m

3生產(chǎn)實(shí)踐中，金屬（或熔锍）與熔渣的密度差通常不應(yīng)低于1500kg·m

3。10二、密度與溫度的關(guān)系熔體的密度隨著溫度升高而減小，且通常遵從線性關(guān)系：

T=

m

(T

Tm)

T——熔體在某一溫度T時(shí)的密度；

m——熔體在熔化溫度Tm時(shí)的密度；

——與熔體性質(zhì)有關(guān)的常數(shù)?；颍?/p>

T=

T對(duì)于純鐵液：

T=8580

0.853Tkg·m

311圖4

3鐵液的密度與溫度的關(guān)系12圖4

4A12O3

CaO

SiO2

Na2O渣系的密度13三、密度與熔體成分的關(guān)系1、金屬熔體

熔融金屬的密度與原子量、原子的半徑和配位數(shù)有關(guān)。金屬熔體的密度與其中溶解元素的種類有關(guān)。

溶于鐵液的元素中，鎢、鉬等能提高熔鐵的密度。鋁、硅、錳、磷、硫等會(huì)使熔鐵的密度降低。鎳、鈷、鉻等過(guò)渡金屬對(duì)鐵液密度的影響則很小。

14缺乏實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，可用固體爐渣的密度代替熔融爐渣的密度。缺乏固態(tài)爐渣密度資料的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，可以近似地由純氧化物密度，按加和規(guī)則估算熔渣的密度：

MO ——渣中MO的密度%MO ——渣中MO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高溫下的熔渣密度可按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。2、熔渣

15當(dāng)T=1673K時(shí)，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)，10

3m3·kg

1 (MxOy)——氧化物MxOy的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。當(dāng)T>1673K時(shí)，可按下式計(jì)算任意溫度下的熔渣密度：估算冶煉溫度下熔渣密度的經(jīng)驗(yàn)公式：16圖4

5A12O3

CaO

SiO2渣系的密度（1500

C，單位為103kg·m

3）

圖4

6CaO

FeO

SiO2渣系的密度（1500

C，單位為103kg·m

3）

17在層流流體中，流體是由無(wú)數(shù)互相平行的流體層組成的；相距dx

的二相鄰流體層，以速度v

和v+dv

同向流動(dòng)；兩層流體之間將產(chǎn)生一種內(nèi)摩擦力，力圖阻止兩流體層的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。內(nèi)摩擦力F

的由牛頓粘性定律確定：F —內(nèi)摩擦力，NA

—相鄰兩液層的接觸面積，m2

dv/dx

—垂直于流體流動(dòng)方向上的速度梯度，s-1

—粘度系數(shù)，動(dòng)力粘度，簡(jiǎn)稱粘度，Pa·s[kg·m-1·s-1]一、粘度的概念4.3粘度18粘度的意義：在單位速度梯度下，作用于平行的液層間單位面積上的摩擦力。粘度的單位：Pa·s，泊(P)，厘泊(cP) 1Pa·s=10P，1P=100cP運(yùn)動(dòng)粘度（

）：

=

/

m2·s

1或St（1m2·s

1=104St）流體的流動(dòng)性：運(yùn)動(dòng)粘度的倒數(shù)粘度的本質(zhì)：1920粘度隨著溫度的升高而降低

升高溫度有利于克服熔體中質(zhì)點(diǎn)流動(dòng)的能礙——粘流活化能。粘度與溫度之間的關(guān)系——指數(shù)關(guān)系式或阿累尼烏斯表達(dá)式：

A

——常數(shù)，E

——粘流活化能對(duì)于大多數(shù)冶金熔體，粘度與溫度的關(guān)系均遵守指數(shù)關(guān)系式。二、粘度與溫度的關(guān)系圖4

721圖4

7各種熔體的粘度與溫度的關(guān)系22

熔渣粘度與溫度的關(guān)系酸性渣——長(zhǎng)渣、穩(wěn)定性渣

粘度隨著溫度下降平緩地增大，凝固過(guò)程的溫度范圍較寬。酸性渣中硅氧陰離子聚合程度大，結(jié)晶性能差，即使冷卻到液相線溫度以下仍能保持過(guò)冷液體的狀態(tài)。溫度降低時(shí)，酸性渣中質(zhì)點(diǎn)活動(dòng)能力逐漸變差，粘度平緩上升。圖4

823圖4

8熔渣粘度與溫度的關(guān)系—堿性渣—酸性渣24

熔渣粘度與溫度的關(guān)系（續(xù)）堿性渣——短渣或不穩(wěn)定性渣

在高溫區(qū)域時(shí)，溫度降低粘度只稍有增大，但降至一定溫度粘度突然急劇增大，凝固過(guò)程的溫度范圍較窄。

堿性渣的結(jié)晶性能強(qiáng)，在接近液相線溫度時(shí)仍 有大量晶體析出，熔渣變成非均相使得粘度迅 速增大。熔化性溫度——粘度由平緩增大到急劇增大的轉(zhuǎn)變溫度。25三、金屬熔體的粘度純液態(tài)金屬的粘度：(0.5~8)

10

3

Pa·s

接近于熔鹽或水的值，遠(yuǎn)小于熔渣的粘度值。金屬熔體的粘度與其中的合金元素有關(guān)。 例如，1600

C時(shí)液態(tài)鐵的粘度當(dāng)鐵中其它元素的總量不超過(guò)0.02~0.03%時(shí)為(4.7~5.0)

10

3

Pa·s；當(dāng)其它元素總量為0.100~0.122%時(shí)升高至(5.5~6.5)

10

3

Pa·s。26鐵液中其它元素對(duì)液鐵粘度的影響：Si、Mn、Cr、As、A1、Ni、Co和Ge等元素使鐵液的粘度下降；V、Ta、Nb、Ti、W和Mo等使鐵液的粘度增加；Cu、H和N等元素對(duì)鐵液粘度的影響很?。籆含量在0.5%~1.0%范圍內(nèi)可使鐵液粘度降低20%~30%；C含量在0.5%以下時(shí)對(duì)鐵液粘度的影響比較復(fù)雜。27在A12O3含量不大的堿性渣區(qū)域，等粘度線幾乎平行于SiO2

A12O3邊。

當(dāng)渣中CaO含量一定時(shí)，用A12O3取代SiO2時(shí)不影響粘度值——在堿性渣范圍內(nèi)Al3+可以取代硅氧陰離子中的Si4+而形成硅鋁氧陰離子，即A12O3呈酸性。四、熔渣的粘度1、CaO–Al2O3–SiO2系熔渣的等粘度曲線圖圖4

928圖4

9CaO

A12O3

SiO2系熔渣在1900

C時(shí)的等粘度曲線（0.1Pa·s）29在酸性渣和高A12O3的區(qū)域，當(dāng)CaO含量不變時(shí)用A12O3取代SiO2則渣的粘度降低。

A12O3呈堿性，對(duì)硅氧陰離子有一定的解聚作用。在CaO/A12O3摩爾比等于1的直線AB以左的CaO一側(cè)，A12O3表現(xiàn)出酸性氧化物的行為； 在AB線以右的A12O3一側(cè)，A12O3表現(xiàn)出堿性氧化物的性質(zhì)。30圖4

10CaO含量的影響 當(dāng)CaO濃度增加時(shí)，等粘度曲線分布的密度增大，即粘度增加得很快。

熔渣中出現(xiàn)固相物或使渣的熔化溫度升高。SiO2含量的影響 當(dāng)SiO2含量增加時(shí)，或SiO2含量不變而CaO含量降低時(shí)，等粘度線分布變疏，粘度增大。

隨SiO2含量增加，硅氧復(fù)雜陰離子而進(jìn)一步聚合形成結(jié)構(gòu)單元更大的離子，致使粘流活化能進(jìn)一步增大。CaO–Al2O3–SiO2系熔渣的等粘度曲線圖（續(xù)1）31圖4

10CaO

A12O3

SiO2系熔渣在1500

C時(shí)的等粘度曲線（0.1Pa·s）32A12O3含量的影響A12O3對(duì)該渣系粘度的影響沒(méi)有堿度明顯。當(dāng)堿度一定時(shí)，如R=1.1~1.2，當(dāng)A12O3含量小于10%(質(zhì)量)時(shí)，渣的粘度較小，而且熔化性溫度低。當(dāng)A12O3含量大于10%(質(zhì)量)時(shí)，渣的熔化溫度升高，粘度顯著提高。 其它組元的影響

MgO、BaO、Na2O、Na2CO3及CaF2等均能降低渣的熔化溫度，并使復(fù)雜陰離子解體——它們都使渣的粘度降低。在1500

C左右，CaO為40%~55%、A12O3為5%~20%的組成范圍內(nèi)，該渣系的粘度最?。?lt;0.2Pa·s）。圖4

10CaO–Al2O3–SiO2系熔渣的等粘度曲線圖（續(xù)2）332、CaO–FeO–SiO2系爐渣的等粘度曲線圖圖4

11該熔渣體系的粘度比較小，并且隨著FeO含量的增加而降低。

熔渣的堿度（>2）及FeO含量（>10%）高，硅氧絡(luò)離子為最簡(jiǎn)單的SiO44–結(jié)構(gòu)單元，而且這種渣的熔化溫度也比較低。MgO和Cr2O3能使渣的粘度顯著增大。 當(dāng)它們的含量超過(guò)熔渣的最大溶解能力（對(duì)MgO，>10~12%；對(duì)Cr2O3，>5~6%）時(shí)，渣中就會(huì)出現(xiàn)方鎂石、鉻鐵礦，尖晶石（FeO·Cr2O3，MgO·Cr2O3）等難溶解的固相物。34圖4

11CaO

FeO

SiO2系熔渣在1400

C時(shí)的等粘度曲線（0.1Pa·s）35提高溫度，加入助熔劑，如A12O3（5%~7%），CaF2（2%~5%），SiO2，F(xiàn)e2O3等均能使堿性渣的粘度降低。適當(dāng)增加渣中氧化鐵的含量，可以有效地促進(jìn)渣中石灰塊的迅速溶解，使渣轉(zhuǎn)變?yōu)榫鶆虻囊合唷?/p>

氧化熔煉時(shí)，熔渣中應(yīng)保持足夠的氧化鐵含量。36五、熔鹽和熔锍的粘度熔體粘度隨著A12O3濃度的增大而增大。

熔體中生成了如AlOF2–、AlOF32–等體積龐大的鋁氧氟絡(luò)離子。

隨著A12O3濃度的進(jìn)一步增大，這些絡(luò)離子數(shù)目增多，而且還會(huì)締合生成含有2~3個(gè)氧原子的更加龐大的絡(luò)離子?！裨诠I(yè)鋁電解質(zhì)的組成范圍內(nèi)（NaF:A1F3=2.33~3），隨著A12O3濃度的增大，鋁電解質(zhì)的粘度顯著增大；增加A1F3的含量，電解質(zhì)的粘度則顯著降低?！裨谝睙挏囟认?，熔锍的粘度約為0.01Pa·s。●熔锍的粘度遠(yuǎn)小于熔渣的粘度，與熔融金屬和熔鹽比較接近。圖4

1237圖4

12Na3A1F6

A1F3

A12O3

三元系的粘度38熔體導(dǎo)電性能的重要性電弧爐煉鋼、電渣重熔熔鹽電解導(dǎo)電性的表示方法——電導(dǎo)率（

）電導(dǎo)率為電阻率（

，單位

·m）的倒數(shù)：

=1/

電導(dǎo)率的單位：S·m

1（西門子每米）一、電導(dǎo)率的概念4.4導(dǎo)電性39二、電導(dǎo)率與熔體組成的關(guān)系熔渣的電導(dǎo)率差別很大，取決于其中氧化物的結(jié)構(gòu)。1、金屬熔體金屬熔體通常都是電的良好導(dǎo)體。

1000

C時(shí)液體鉛的電導(dǎo)率約為0.8

106S·m

1；

1200

C時(shí)液體銅的電導(dǎo)率高達(dá)4.35

106S·m

1。2、熔渣40共價(jià)鍵成分很大的氧化物——SiO2、B2O3和GeO2等在熔渣中形成聚合陰離子；這種大尺寸的聚合陰離子在電場(chǎng)作用下難以實(shí)現(xiàn)電遷移，故電導(dǎo)率很小，在熔點(diǎn)時(shí)

<10

3S·m

1。

酸性氧化物濃度的增加將導(dǎo)致熔渣的電導(dǎo)率 下降。A12O3

SiO2系熔體的共價(jià)鍵成分較大，其電導(dǎo)率很小。離子鍵占優(yōu)勢(shì)的堿性氧化物，熔融時(shí)易離解成為簡(jiǎn)單陰陽(yáng)離子，有利于實(shí)現(xiàn)電遷移，在熔點(diǎn)時(shí)電導(dǎo)率

≈100S·m

1。

熔渣的電導(dǎo)率隨著堿度的增加而增大。41一些變價(jià)金屬的氧化物，如FeO、CoO、NiO、Cu2O、MnO、V2O3和TiO2等，由于金屬陽(yáng)離子價(jià)數(shù)的改變，將形成相當(dāng)數(shù)量的自由電子或電子空穴，使氧化物表現(xiàn)出很大的電子導(dǎo)電性，其電導(dǎo)率高達(dá)(15～20)

103S·m

1。1400

C時(shí)成分為2FeO·SiO2的熔體有90%的離子導(dǎo)電性，成分為19FeO·SiO2的熔體的離子導(dǎo)電性下降為10%。CaF2加入熔渣后，既可使復(fù)雜陰離子解體，又能提供導(dǎo)電性強(qiáng)的簡(jiǎn)單離子（Ca2+，F(xiàn)

）濃度，

可使熔渣的電導(dǎo)率值顯著增大。冶金熔渣的電導(dǎo)率位于10~103S·m

1之間。42圖4

13CaF2

CaO

A12O3熔渣的電導(dǎo)率（1500

C，102S·m

1）43含CaF2熔渣的電導(dǎo)率此類熔渣的電導(dǎo)率比較大。CaF2含量大于70%時(shí)，熔渣的電導(dǎo)率超過(guò)300S·m

1。CaO

MnO

SiO2熔渣的電導(dǎo)率熔渣的電導(dǎo)率隨著SiO2含量升高而減?。浑S著MnO含量升高顯著增大；CaO含量對(duì)電導(dǎo)率的影響不明顯。圖4

13圖4

1444圖4

14CaO

MnO

SiO2熔渣的電導(dǎo)率（1500

C，102S·m

1）

453、熔鹽熔鹽是離子熔體，通常都具有良好的導(dǎo)電性能。不同熔鹽的導(dǎo)電性能有很大的差別。 隨著熔鹽結(jié)構(gòu)中離子鍵分?jǐn)?shù)的減小，隨著陽(yáng)離子價(jià)數(shù)的增加和離子晶格向分子晶格的過(guò)渡，熔鹽的電導(dǎo)率都會(huì)降低。熔鹽混合物的電導(dǎo)率與其組成的關(guān)系通常都比較復(fù)雜，而且 與熔鹽結(jié)晶時(shí)體系中是否形成化合物或新的絡(luò)合離子有關(guān)。46熔的導(dǎo)電性能非常好，在冶煉溫度下（1150~1400

C）其電導(dǎo)率高達(dá)(5~8)

104S·m

1。熔锍的電導(dǎo)率遠(yuǎn)高于熔鹽和熔渣的電導(dǎo)率，但明顯低于金屬熔體的電導(dǎo)率。4、熔锍在Na3A1F6

A12O3體系中，電導(dǎo)率隨著A12O3濃度的增加而線性下降。在Na3A1F6

A1F3

A12O3三元系中，A12O3和A1F3濃度的增加均會(huì)導(dǎo)致電導(dǎo)率減小。

熔鹽中Na+離子濃度的降低。工業(yè)鋁電解質(zhì)的電導(dǎo)率約為200S·m

1。47三、電導(dǎo)率與溫度的關(guān)系金屬熔體及熔锍——第一類導(dǎo)體

當(dāng)溫度升高時(shí)，它們的電導(dǎo)率下降。

溫度升高，離子的運(yùn)動(dòng)加劇，阻礙了自由電子的定向 運(yùn)動(dòng)。熔鹽和熔渣——第二類導(dǎo)體 當(dāng)溫度升高時(shí)，它們的電導(dǎo)率增大。 如，對(duì)于熔鹽來(lái)，溫度升高1

C，電導(dǎo)率增大約為0.2%。

溫度升高，離子的動(dòng)能增加，更容易克服離子間的吸 引力，便于在電場(chǎng)的作用下移動(dòng)；

溫度上升使單位體積內(nèi)導(dǎo)電離子數(shù)目增加；

溫度升高使得粘度下降，離子運(yùn)動(dòng)受到的阻力減小。48熔鹽和熔渣的電導(dǎo)率與溫度的關(guān)系：

A

——常數(shù)，E

——電導(dǎo)活化能。對(duì)于成分確定的熔鹽或熔渣，通常E

應(yīng)是常數(shù)。有些熔鹽（如ZnCl2及BeCl2）和熔渣（如MgO

SiO2渣系）的E

值只能在一定溫度范圍內(nèi)保持常數(shù)。49四、電導(dǎo)率與粘度的關(guān)系對(duì)于一定組成的熔鹽或熔渣，降低粘度有利于離子的運(yùn)動(dòng)，從而使電導(dǎo)率增大。電導(dǎo)率與粘度的關(guān)系：

n——粘流活化能（E

）與電導(dǎo)活化能（E

）之比，

K——常數(shù)。對(duì)于熔渣，粘流活化能遠(yuǎn)大于電導(dǎo)活化能，n=E

/E

>1，即電導(dǎo)率的增長(zhǎng)率小于粘度的下降率。

電導(dǎo)率主要取決于尺寸小、遷移速度快的簡(jiǎn)單離子的運(yùn)動(dòng)，而粘度則決定于尺寸大、遷移速度慢的復(fù)合陰離子的運(yùn)動(dòng)。50一、擴(kuò)散系數(shù)的概念擴(kuò)散——溶液中的組分在濃度梯度的作用下由高濃度區(qū)向低濃度區(qū)的流動(dòng)。菲克第一定律：?jiǎn)挝粫r(shí)間里通過(guò)單位面積擴(kuò)散的物質(zhì)數(shù)量——擴(kuò)散通量（J）正比于濃度梯度：

D——擴(kuò)散系數(shù)，cm2·s

1。4.5熔體組分的擴(kuò)散系數(shù)51擴(kuò)散系數(shù)的意義 濃度梯度為1時(shí)、單位時(shí)間內(nèi)在垂直于擴(kuò)散方向上通過(guò)單位橫截面擴(kuò)散的物質(zhì)摩爾量?；U(kuò)散系數(shù)與自擴(kuò)散系數(shù) 在存在著濃度梯度的擴(kuò)散過(guò)程中，擴(kuò)散系數(shù)稱為互擴(kuò)散系數(shù)。52二、溫度及粘度對(duì)擴(kuò)散系數(shù)的影響溫度升高，擴(kuò)散系數(shù)增大。擴(kuò)散系數(shù)與溫度的關(guān)系： 式中AD——常數(shù)，ED——擴(kuò)散活化能。粘度對(duì)擴(kuò)散系數(shù)的影響——與其對(duì)電導(dǎo)率的影響十分相似：

n——粘流活化能（E

）與擴(kuò)散活化能（ED）之比，

K——常數(shù)。熔體中組元的擴(kuò)散系數(shù)隨著熔體粘度的增高而減小。53三、擴(kuò)散系數(shù)與熔體組成的關(guān)系擴(kuò)散系數(shù)與擴(kuò)散物質(zhì)的半徑及原子間的鍵能有關(guān)。半徑小、與鄰近原子的鍵能小的質(zhì)點(diǎn)，其擴(kuò)散系數(shù)大。能形成共價(jià)鍵分?jǐn)?shù)高的群聚團(tuán)的組分，其擴(kuò)散系數(shù)很小。 例如，鐵液中氧的擴(kuò)散系數(shù)比許多其它元素低

可能是由于氧不是以氧原子（離子），而是以FeO群聚團(tuán)的形式在鐵液中擴(kuò)散。能降低熔體粘度的第三組分的存在，均能使擴(kuò)散系數(shù)增大。 例如，Si、Mn、Ti、Cr，W等均能降低鐵液的粘度，故它們使氮在鐵液的擴(kuò)散系數(shù)增大，而V和Nb則會(huì)降低氮的擴(kuò)散系數(shù)。54鐵液中元素的擴(kuò)散系數(shù)為在1600

C時(shí)為10

9cm2·s

1數(shù)量級(jí)，而且不同元素的擴(kuò)散系數(shù)相差不到1個(gè)數(shù)量級(jí)。 例如，Mo，Cr，Si在鐵液中的擴(kuò)散系數(shù)分別為0.3

10

9，0.9

10

9，2.4

10

9cm2·s

1。熔渣中組分的擴(kuò)散系數(shù)比在熔融金屬中的低1~2個(gè)數(shù)量級(jí)。1450

C時(shí)，在組成為(40~45)%CaO

(35~40)%SiO2

(18~20)%Al2O3)的熔渣中，氧的擴(kuò)散系數(shù)最大，達(dá)6.5

10

10cm2·s

1； 其次是鈣、磷和鐵，它們的擴(kuò)散系數(shù)在10

10~10

11cm2·s

1之間； 硅的擴(kuò)散系數(shù)最小，僅為1.3

10

11cm2·s

1。554.6.1

冶金熔體的表面張力一、表面張力的概念二、表面張力與溫度的關(guān)系三、表面張力與熔體成分的關(guān)系4.6.2

冶金熔體的界面張力一、熔體–固體材料間的界面張力二、熔體–熔體間的界面張力4.6表面性質(zhì)與界面性質(zhì)56一、表面張力的概念

表面張力的產(chǎn)生與氣相接觸的液體表面質(zhì)點(diǎn)、因其配位數(shù)未得到滿足，處在不對(duì)稱的力場(chǎng)內(nèi)，質(zhì)點(diǎn)間作用力不平衡，比液體內(nèi)部的質(zhì)點(diǎn)具有較高的能量。在恒溫、恒壓及組成一定時(shí)，表面層的質(zhì)點(diǎn)比內(nèi)部的質(zhì)點(diǎn)具有較多的能量，這個(gè)多余的能量稱為液體的表面能（J·m–2）。由于表面質(zhì)點(diǎn)能量過(guò)剩，液體表面將自動(dòng)收縮以降低過(guò)剩之能量。液體表面的這種自動(dòng)收縮的趨勢(shì)，相當(dāng)于在液體表面水平方向上存在著使液體表面收縮的力。當(dāng)增大液體表面積時(shí)，為了克服離子間的吸引力，需要作一定的功。4.6.1冶金熔體的表面張力57

表面張力的定義定義1：產(chǎn)生1m2新表面積S

時(shí)所作的功A：定義2：在液體表面的切平面方向、作用于單位長(zhǎng)度l液體表面上的力F：

——表面張力，單位為N·m

1。各類液體的表面張力

表4

45859二、表面張力與溫度的關(guān)系在一定溫度下，純液體的表面張力是一定的。隨著溫度升高，表面張力減小。

原子的熱運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，位于液體內(nèi)部的質(zhì)點(diǎn)與液體表面上的質(zhì)點(diǎn)間的相互作用力減弱。在臨界溫度時(shí)，汽

液相界面消失，液體的表面張力為零。對(duì)大多數(shù)液體

而言，表面張力與溫度成線性關(guān)系——約特沃斯方程：

M——液體的分子量，

——液體密度，

(M/

)——摩爾體積，Tc——臨界溫度，K——常數(shù)。圖4

1560圖4

15熔鹽表面張力與溫度的關(guān)系61三、表面張力與熔體成分的關(guān)系圖4

16圖4

17圖4

18微量溶質(zhì)（氧和硫）的存在對(duì)銅熔體的表面性質(zhì)影響很大。O、S、N

使鐵液的表面張力顯著降低，Mn

對(duì)鐵液表面張力的影響也很大；

——O的表面活性又比S大，降低表面張力的作用更大。

FeO

群聚團(tuán)中的Fe

O鍵比FeS群聚團(tuán)中的Fe

S鍵強(qiáng)

FeO群聚團(tuán)與其周圍Fe原子的作用力小于FeS群聚團(tuán)與其周圍Fe原子的作用力

FeO

群聚團(tuán)更易被排至鐵液表面，發(fā)生吸附。Si、Cr、C及P(V)的影響比較小；Ti、Mo等對(duì)鐵液的表面張力沒(méi)有影響——表面非活性元素。表面活性物質(zhì)——能劇烈地降低溶劑表面張力的物質(zhì)。

——表面活性物質(zhì)在純粹狀態(tài)時(shí)的表面張力很小。62圖4

16氧對(duì)銅液表面張力的影響 圖4

17硫?qū)︺~液表面張力的影響返回63圖4

18鐵液的表面張力(1873K)返回64CaO

SiO2

Al2O3系和CaO

SiO2

FeO系熔渣的表面張力等表面張力曲線大致成平行關(guān)系，熔渣的表面張力僅向SiO2量增大的方向降低。

SiO2是決定熔渣表面張力的主要因素。形成復(fù)合陰離子的氧化物（SiO2、P2O5、TiO2、CaF2、Fe2O3等）使熔渣的表面張力顯著降低。

復(fù)合陰離子的靜電場(chǎng)強(qiáng)比簡(jiǎn)單O2

離子的小

使它們與陽(yáng)離子間的鍵能減弱，從而被排斥至表面層，發(fā)生吸附

降低了熔渣的表面張力。K2O、Na2O、Li2O、BaO

能顯著降低熔渣的表面張力。

Na+、K+等的靜電場(chǎng)強(qiáng)比其它陽(yáng)離子小，與O2–離子間的作用力弱，由它們構(gòu)成的氧化物熔體的表面張力愈小。MnO、MgO、CaO、FeO、Al2O3等氧化物相互取代，熔渣的表面張力變化不大。

這些陽(yáng)離子的靜電位大致相同。圖4

19圖4

2065圖4

19CaO

SiO2

Al2O3系的表面張力 圖4

20CaO

SiO2

FeO系的表面張力

實(shí)線：1550

C，虛線：1600

C 實(shí)線：Kowai，虛線：Kazakevitch

返回0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

xFeO

66返回67實(shí)際熔渣表面張力的估算方法當(dāng)由多種氧化物構(gòu)成熔渣時(shí)，熔渣的表面張力可利用加和性規(guī)則進(jìn)行估算：

=

xi

i(N·m–1)

——熔渣的表面張力；xi——第i種氧化物的摩爾分?jǐn)?shù)；

i——