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1、冶金原理精品課程任務(wù)八、任務(wù)八、配制火法冶金爐渣配制火法冶金爐渣上一章冶金原理精品課程任務(wù)內(nèi)容n一、任務(wù)目標(biāo)n二、解決思路n三、任務(wù)實(shí)踐冶金原理精品課程任務(wù)目標(biāo)n一）爐渣的概念n二）爐渣的作用n三）配制爐渣應(yīng)該達(dá)到的要求冶金原理精品課程一）爐渣的概念n爐渣是火法冶金的必然產(chǎn)物，其組成主要來(lái)自礦石、熔劑中的脈石和燃料中的灰分。n爐渣主要是由各種氧化物組成的共熔體。冶金原理精品課程二）爐渣的作用1、冶金爐渣的主要作用是使礦石和熔劑中的脈石、燃料中的灰分集中，并在高溫下與主要的冶煉產(chǎn)物金屬、硫等分離。冶金原理精品課程二）爐渣的作用2、爐渣是一種介質(zhì)，進(jìn)行著許多冶金反應(yīng)。例如，在鉛還原熔煉時(shí)，溶解在爐

2、渣中的硅酸鉛便可直接從爐渣中被還原劑（CO或C）還原。金屬在爐渣中的損失主要決定于這些反應(yīng)的完全程度。冶金原理精品課程二）爐渣的作用3、在爐渣中發(fā)生金屬液滴或锍液滴的沉降分離，沉降分離的完全程度對(duì)金屬在爐渣中的機(jī)械夾雜損失起著決定性的作用。冶金原理精品課程二）爐渣的作用4、對(duì)鼓風(fēng)爐這一類豎爐來(lái)說(shuō)，爐內(nèi)可能達(dá)到的最高冶煉溫度取決于爐渣的熔化化溫度。最高冶煉溫度大致為爐渣熔化溫度加上一定的過(guò)熱度（423523）。在爐渣組成的一定的情況下，企圖用向爐子增加熱量的辦法來(lái)提高爐溫是不可能的，因?yàn)槎喙?yīng)的熱量只能促使更多的爐料熔化。冶金原理精品課程二）爐渣的作用5、在金屬和合金的熔煉和精煉時(shí)，爐渣與金屬熔

3、體的組分相互進(jìn)行反應(yīng)，從而可以通過(guò)爐渣對(duì)雜質(zhì)的脫除和濃度加以控制。在某些情況下，爐渣可用來(lái)覆蓋在金屬或合金之上，作為一種保護(hù)層，以防止金屬熔體受爐氣的飽和和氧化。冶金原理精品課程二）爐渣的作用6、在某些情況下，爐渣不是冶煉廠的廢棄物，而是一種中間產(chǎn)物。例如，鈦鐵礦常用電爐冶煉成高鈦渣，再進(jìn)而提取鈦。又如對(duì)銅、鉛、砷和其它雜質(zhì)很多的錫礦，常先進(jìn)行造渣熔煉使90的錫成渣，然后再冶煉含錫渣提取金屬錫。冶金原理精品課程二）爐渣的作用7、用礦熱式電爐冶煉時(shí)，爐渣是電阻發(fā)熱體，可用調(diào)節(jié)電極插入渣中深度的方法來(lái)調(diào)節(jié)電爐的功率。用反射爐熔煉時(shí)，爐渣是傳熱介質(zhì)，通過(guò)它把熱量傳遞給金屬熔體。冶金原理精品課程三）配

4、制爐渣應(yīng)該達(dá)到的要求要使?fàn)t渣在冶煉過(guò)程中發(fā)揮其有利的作用，就必須根據(jù)各種有色金屬冶煉過(guò)程的特點(diǎn)，合理地選擇爐渣成分，使之具有合適要求的物理化學(xué)性質(zhì)，如適當(dāng)?shù)娜刍瘻囟群退釅A性、較低的粘度和密度等。下一節(jié)冶金原理精品課程解決思路一）了解爐渣中氧化物的分類二）通過(guò)硅酸度、堿度控制渣型上一節(jié)冶金原理精品課程教學(xué)內(nèi)容n一）氧化物的分類n二）爐渣酸、堿度的計(jì)算冶金原理精品課程一）氧化物的分類1、冶金爐渣是極為復(fù)雜的體系，常由五、六種或更多的氧化物組成，并含有如氟化物、硫化物等化合物。2、爐渣中含量最多的氧化物通常只有三個(gè)，其總含量可達(dá)80%以上。對(duì)有色冶金中的大多數(shù)爐渣來(lái)說(shuō)，這三種氧化物是SiO2、FeO

5、、CaO,而另一些有色冶金爐渣則為SiO2、CaO、Al2O3冶金原理精品課程表-某些有色冶金爐渣的成分（質(zhì)量）冶金原理精品課程一）氧化物的分類1、堿性氧化物：能供給氧離子的氧化物O2-，如CaO、MnO、FeO、MgO等CaO=Ca2+O-冶金原理精品課程一）氧化物的分類2、酸性氧化物：能吸收氧離子而形成配合陰離子的氧化物，如SiO2、P2O5等SiO22O2-=SiO44-冶金原理精品課程一）氧化物的分類3、兩性氧化物：在酸性氧化物過(guò)剩時(shí)可供給氧離子而呈堿性，而在堿性氧化物過(guò)剩時(shí)則又會(huì)吸收氧離子形成配合陰離子而呈酸性的氧化物，如Al2O3、ZnO、Fe2O3、PbO等Al2O32Al3+3

6、O2-Al2O3O2-=2AlO2-冶金原理精品課程二）爐渣酸、堿度的計(jì)算1、酸、堿度的表示方法：熔渣的酸性或堿性取決于其中占優(yōu)勢(shì)的氧化物是酸性或堿性。對(duì)于冶金爐渣，習(xí)慣上常用硅酸度表明渣的酸、堿性，有時(shí)也用堿度表示。冶金原理精品課程酸性氧化物中氧的含量之和硅酸度堿性氧化物中氧的含量之和二）爐渣酸、堿度的計(jì)算冶金原理精品課程CaO(%含量)堿度SiO2(%含量)二）爐渣酸、堿度的計(jì)算冶金原理精品課程例題1某煉銅廠所產(chǎn)爐渣的成分為：SiO237.9%、Al2O3.、FeO46.7%、CaO1.7%、MgO1.9%,求其硅酸度。二）爐渣酸、堿度的計(jì)算冶金原理精品課程解：按100爐渣計(jì)算，渣中酸性氧

7、化物為SiO2、堿性氧化物為CaO、MgO、FeO，兩性氧化物Al2O3在渣中SiO2含量高時(shí)可將其看成堿性氧化物，該爐渣的硅酸度為：冶金原理精品課程例 題 2 某 高 爐 煉 鐵 渣 含 CaO44%、SiO240%,求其堿度？解：按100kg渣量計(jì)算，該爐渣的堿度為：堿度44/401.1二）爐渣酸、堿度的計(jì)算冶金原理精品課程小結(jié)硅酸度這個(gè)概念并不十分科學(xué)，它不能全面地表示出爐渣的本質(zhì)，但它在很大成度上確實(shí)表明了爐渣的酸堿性，對(duì)有色冶金爐選擇耐火材料來(lái)說(shuō)，爐渣的硅酸度是必須考慮的重要因素之一。下一節(jié)冶金原理精品課程任務(wù)實(shí)踐一）爐渣系狀態(tài)圖（相圖）基本知識(shí)二）爐渣系二、三元狀態(tài)圖上一節(jié)冶金原理

8、精品課程教學(xué)內(nèi)容n一）爐渣系狀態(tài)圖（相圖）基本知識(shí)n1、SiO2-CaO二元系n2、FeO-SiO2二元系n3、CaO-FeO-SiO三元系n4、Al2O3-SiO2二元系n5、CaO-AL2O3二元系n6、CaO-Al2O3-SiO2三元系冶金原理精品課程爐渣系狀態(tài)圖（相圖）基本知識(shí) 1、冶金爐渣的組成和物理化學(xué)性質(zhì)雜很大程度上與CaO-FeO-SiO2三元系狀態(tài)圖和CaO-Al2O3三元系狀態(tài)圖有關(guān)。冶金原理精品課程爐渣系狀態(tài)圖（相圖）基本知識(shí)2、通過(guò)對(duì)爐渣系二、三元狀態(tài)圖的研究，可以了解爐渣的熔化溫度與組成之間的關(guān)系以及一定溫度與組成下的相結(jié)構(gòu)。冶金原理精品課程爐渣系狀態(tài)圖（相圖）基本知

9、識(shí) 1、冶金爐渣的組成和物理化學(xué)性質(zhì)雜很大程度上與CaO-FeO-SiO2三元系狀態(tài)圖和CaO-Al2O3三元系狀態(tài)圖有關(guān)。冶金原理精品課程爐渣系狀態(tài)圖（相圖）基本知識(shí) 1、冶金爐渣的組成和物理化學(xué)性質(zhì)雜很大程度上與CaO-FeO-SiO2三元系狀態(tài)圖和CaO-Al2O3三元系狀態(tài)圖有關(guān)。冶金原理精品課程概述3、狀態(tài)圖又稱相圖，是用幾何圖形表示一個(gè)平衡體系的溫度、壓力和組成的關(guān)系。對(duì)于爐渣的研究，常用的狀態(tài)圖是溫度和組成的平衡圖。冶金原理精品課程爐渣系狀態(tài)圖（相圖）基本知識(shí) 1、冶金爐渣的組成和物理化學(xué)性質(zhì)雜很大程度上與CaO-FeO-SiO2三元系狀態(tài)圖和CaO-Al2O3三元系狀態(tài)圖有關(guān)。

10、冶金原理精品課程1、SiO2-CaO二元系 n圖1-1是CaO-SiO2系的狀態(tài)圖，這個(gè)體系內(nèi)有下列化合物生成：n（）CaOSiO2即CaOSiO3,稱偏硅酸鈣。它有和兩中晶體，1817K熔化。n（）CaO2SiO2即Ca3SiO7,稱焦硅酸鈣1737分解。n（）2CaOSiO2即Ca2SiO4,稱正硅酸鈣，有、和三種晶型，2403熔化。n（）3CaOSiO2即 Ca3SiO5,在 1523形 成，2173分解。冶金原理精品課程n體系內(nèi)形成三種共晶：n（）SiO與CaOSiO2組成的共晶，共晶溫度為1709。n（）CaOSiO2與CaO2SiO2組成的共晶溫度為1733。n（）CaOSiO2與

11、CaO組成的共晶，共晶溫度為2338。1、SiO2-CaO二元系 冶金原理精品課程n純CaO的熔點(diǎn)為2843，純SiO2的熔點(diǎn)為2001。SiO2在下列溫度下發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變：n石英=磷石英=石英n此外，體系乃還存在液相分層區(qū)，大約在1973K以上二液相平衡共存，它們的組成由二邊界線（虛線）表示。1、SiO2-CaO二元系 冶金原理精品課程n 從圖1-1可見(jiàn)，各種硅酸鈣鹽的熔化溫度都很高，熔點(diǎn)低于1873的硅酸鈣位于含CaO3259%的狹窄組成范圍內(nèi)，而且如在含CaO59%時(shí)再增加CaO,則熔點(diǎn)將急劇升高。所以純石灰質(zhì)的硅酸鹽在熔化溫度上就不適于用作有色金屬冶煉渣。但CaO能使?fàn)t渣的密度降低，且石

12、灰質(zhì)硅酸鹽溶解重金屬硫化物的能力比較小，所以作為一個(gè)造渣成分，還是有其有利的一面1、SiO2-CaO二元系 冶金原理精品課程冶金原理精品課程2、FeO-SiO2二元系 n 圖1-2是FeO-SiO2二元系壯態(tài)圖。嚴(yán)格說(shuō)來(lái)，這不是一個(gè)真正的二元系。因?yàn)镕eO并不是一個(gè)固定組成的化合物，而是溶解有Fe3O4的固熔體，將Fe3O4看成FeOFe2O3,因而有一部分Fe系以Fe2O3形態(tài)存在。此外，F(xiàn)eO的硅酸鹽在熔化后易分解，F(xiàn)eO也容易被氧化成高價(jià)氧化物。在作該二元系狀態(tài)圖時(shí)已將各種含鐵氧化物皆折算為FeO,因而此圖實(shí)際上是一個(gè)假二元系狀態(tài)圖。冶金原理精品課程n在圖上部算出了液相中Fe2O3含量隨

13、著SiO2含量而改變的曲線。當(dāng)液相成分接近于鐵橄欖石（FeOSiO2）時(shí)，F(xiàn)e2O3含量為2.25。n如圖1-2所示，這個(gè)二元系只有一個(gè)穩(wěn)定的化合物，叫做鐵橄欖石，其熔點(diǎn)為1478，它的液相線是平滑的，說(shuō)明它熔化后易分解。此外，這個(gè)二元系有兩個(gè)共晶，其共晶溫度幾乎相等（1450和1451）。2、FeO-SiO2二元系 冶金原理精品課程n 由圖1-2可見(jiàn)，當(dāng)SiO2含量在30左右時(shí)，系統(tǒng)的熔化溫度最低（1460左右），與有色冶煉爐渣的熔化溫度相近。因此，單就熔點(diǎn)來(lái)說(shuō)，理論上用熔化溫度為1473，而成為接近純2FeOSiO2的爐渣進(jìn)行造硫或還原熔煉是可行的。2、FeO-SiO2二元系 冶金原理精品

14、課程n但是，這種熔渣的缺點(diǎn)是密度較大（含F(xiàn)eO高達(dá)70），因而與锍或金屬的分離效果不好。又因硅酸鹽中的FeO含量愈高，其對(duì)硫化物的溶解能力愈大，導(dǎo)致金屬損失增大。因此，在實(shí)踐中不能單獨(dú)用氧化亞鐵硅酸鹽作爐渣，而必須加入CaO以改善爐渣的性能。2、FeO-SiO2二元系 冶金原理精品課程冶金原理精品課程3、CaO-FeO-SiO三元系 n以上分析說(shuō)明純氧化亞鐵硅酸鹽或純氧化鈣硅酸鹽都不適宜于單獨(dú)有色冶煉爐渣。在實(shí)踐中，能符合有色冶金過(guò)程要求的爐渣是鐵鈣硅酸鹽的熔合體，其中基本組成部分為 FeO、CaO和 SiO2。因 此，CaO-FeO-SiO2三元系是有色冶金爐渣的主要造渣系。冶金原理精品課程

15、3、CaO-FeO-SiO三元系n與FeO-SiO2二元系相同，由于存在氧化鐵分解、氧化等原因，給CaO-FeO-SiO2三元系平衡狀態(tài)圖的研究帶來(lái)一定困難，研究結(jié)果亦互有差異。n 三元系內(nèi)有三個(gè)組分，如再考慮溫度的影響，則用等邊三角形平面表示組分濃度的變化，再在此三角形平面上豎立垂直縱軸以表示溫度，這樣就構(gòu)成了三棱柱體的空間相圖。冶金原理精品課程3、CaO-FeO-SiO三元系n由于三元系的立體狀態(tài)圖比較復(fù)雜，實(shí)踐中應(yīng)用較少，常將立體圖中的面、線及點(diǎn)的關(guān)系投影到濃度三角形平面上，使空間的相圖平衡關(guān)系簡(jiǎn)化成水平投影圖。利用這種投影圖就易于分析爐渣的組成與溫度之間的關(guān)系。冶金原理精品課程3、Ca

16、O-FeO-SiO三元系n 圖為CaO-FeO-SiO2三元系水平投影狀態(tài)圖，簡(jiǎn)稱三元系相圖，這個(gè)系統(tǒng)的特點(diǎn)是其中有許多固熔體，而且在固相內(nèi)進(jìn)行著復(fù)雜的變化。圖中靠近SiO2頂角有較大范圍的硅酸鹽的液相分層區(qū)，而在偏CaO頂角則是高熔點(diǎn)的CaO存在區(qū)。在此兩區(qū)之間為1673以下的單一液相區(qū)。冶金原理精品課程3、CaO-FeO-SiO三元系n其等溫線由CaO-SiO邊傾斜橫越全圖，直達(dá)FeO-SiO2邊，呈狹谷形狀，其熔度最低的成分位于45FeO、20CaO和35SiO2附近，其最低溫度約為1273，這個(gè)組成與鉛鼓風(fēng)爐的爐渣成分大致相同。在這個(gè)系統(tǒng)內(nèi)有一個(gè)三元系化合物CaOFeOSiO2（鈣鐵橄

17、欖石）。冶金原理精品課程3、CaO-FeO-SiO三元系n由 圖 1-3看 出，在 成 分 接 近 于2FeOSiO2（鐵橄欖石）的爐渣中加入一定量的CaO,可以造出熔化溫度在13231423K且適合于有色冶煉要求的爐渣。此外，加入CaO還可以使?fàn)t渣的密度及硫化物在爐渣中的溶解度都有所降低。n圖1-4示出了各種冶煉渣在三元系中的組成范圍。冶金原理精品課程冶金原理精品課程冶金原理精品課程冶金原理精品課程冶金原理精品課程冶金原理精品課程4、Al2O3-SiO2二元系 n圖1-5是Al2O3-SiO2系狀態(tài)圖，它是硅鋁質(zhì)耐火材料的基本狀態(tài)圖，對(duì)此圖的研究較為充分，已先后提出了八種狀態(tài)圖，其主要分歧在

18、于圖中3Al2O32SiO2(莫來(lái)石)是穩(wěn)定化合物還是不穩(wěn)定化合物，是化合物還是固熔體。本書(shū)所采用的圖1-5所示的狀態(tài)圖，視3Al2O32SiO2為不穩(wěn)定化合物，在 1353.15K存 在 包 晶 反 應(yīng) Lp+A=(A3S2)。高 于1843K為鱗石英，低于1843K為方石英。冶金原理精品課程4、Al2O3-SiO2二元系n 由圖1-5可見(jiàn)，整個(gè)體系的熔化溫度（液相線溫度）都很高，最低溫度（E點(diǎn)）乃達(dá)1818K，因而適合耐火材料的需要。圖15上部列出了常見(jiàn)的鋁、硅質(zhì)耐火材料的組成范圍，據(jù)此可相應(yīng)地查出其熔化溫度。冶金原理精品課程冶金原理精品課程5、CaO-AL2O3二元系n已發(fā)表的CaO-A

19、l2O3二元系狀態(tài)圖主要有兩 種，對(duì) 于 CaO、Al2O3形 成 不 穩(wěn) 定 化 合 物3CaOAl2O3穩(wěn) 定 化 合 物 CaO3Al2O3和CaOAl2O3這兩種狀態(tài)圖是一致的。其不同點(diǎn)在于一種狀態(tài)圖中存在不穩(wěn)定化合物3CaO5Al2O3,而另一種狀態(tài)圖則為穩(wěn)定化合物CaO2Al2O3和不穩(wěn) 定 化 合 物 CaO6Al2O3。為 了 與 CaO-Al2O3-SiO2三元狀態(tài)圖相配合，現(xiàn)取后一種，如圖16所示。冶金原理精品課程冶金原理精品課程5、CaO-AL2O3二元系由 于 圖 1-6中 存 在 三 個(gè) 穩(wěn) 定 化 合 物 CaO3Al2O3、CaOAl2O3和CaOAl2O3和Ca

20、O2Al2O3,因而可將該圖分解為四個(gè)二元系來(lái)分析：n5CaO3Al2O3-CaOAl2O3nCaOAl2O3-CaOAl2O3-CaO2Al2O3nCaO-5CaO3Al2O3nCaO2Al2O3-Al2O3冶金原理精品課程6、CaO-Al2O3-SiO2三元系nCaO-Al2O3-SiO2三元系狀態(tài)圖是錫冶金的基本狀態(tài)圖之一，也是高爐煉鐵爐渣和各種硅酸鹽材料，如水泥，耐火材料、玻璃、陶瓷等的基本狀態(tài)圖。因而，該狀態(tài)圖被研究得很細(xì)致，具有廣泛的實(shí)用價(jià)值。n圖17中標(biāo)明了C-A-S(CaO-Al2O3-SiO2)三元系用于爐渣和各種硅酸鹽材料的組成范圍，并繪出了等熔化溫度曲線。冶金原理精品課程

21、冶金原理精品課程6、CaO-Al2O3-SiO2三元系n圖18中標(biāo)明了C-A-S三元系中各穩(wěn)定化合物的熔點(diǎn)、不穩(wěn)定化合物的分解溫度，各二元及三元共晶及包晶點(diǎn)溫度，并將各液相面上溫度相等的點(diǎn)連接成為等溫曲線，對(duì)熔化過(guò)程而言，稱之為等熔化溫度曲線。該圖可用來(lái)查出已知成分爐渣的熔化溫度。如某一爐渣中CaO40%、SiO224%、Al2O310%、其 它 成 分 10%，先 將 CaO、SiO2、Al2O3三成分換算為總量100%，即CaO44.3%、Al2O311.4%,則可在圖18中查得該爐渣的熔化溫度應(yīng)低于1623。該圖也可用于查找各種硅酸鹽材料的熔化溫度。冶金原理精品課程冶金原理精品課程6、CaO-Al2O3-SiO2三元系n分析圖18可見(jiàn)，熔化溫度的變化是有規(guī)律的，即化合物的熔化溫度最高，并向二元包晶點(diǎn)、共晶點(diǎn)方向下不斷降低，再由二元包晶、共晶點(diǎn)向三元包晶點(diǎn)、三元共晶點(diǎn)方向降低，三元共晶點(diǎn)的熔化溫度最低，為1443K，溫度最高點(diǎn)是CaO角，為2843K。下一節(jié)