有色金屬冶金原理

有色金屬冶金基礎(chǔ)

（火法冶金部分）王兆文緒言有色金屬：除鐵、錳、鉻以外的金屬。有色金屬冶金原理的任務(wù)：研究和確定各種有色金屬冶金過程所遵循的具有普遍意義的內(nèi)在規(guī)律，從而為發(fā)展新工藝和改造老工藝以及為有預(yù)見性地控制現(xiàn)有生產(chǎn)提供理論依據(jù)?；卮鹑齻€(gè)問題：過程進(jìn)行在原則上是否可行。過程以什么速度進(jìn)行。過程何時(shí)停止或達(dá)到平衡。目錄第一章冶金爐渣第二章化合物的離解-生成反應(yīng)第三章氧化物的還原第四章硫化礦的火法冶金第五章氧化物和硫化物的火法氯化第六章粗金屬的火法精煉第七章熔鹽電解第一章冶金爐渣

第一節(jié)概述第二節(jié)爐渣的組成第三節(jié)爐渣系二、三元狀態(tài)圖第四節(jié)熔融爐渣的結(jié)構(gòu)第五節(jié)熔融爐渣的物理化學(xué)性質(zhì)第六節(jié)爐渣的活度第一節(jié)概述爐渣：熔化后稱熔渣，是火法冶金的一種產(chǎn)物。其組成主要來自礦石、溶劑和燃料灰分中的造渣成分。主要是氧化物。爐渣的作用：主要作用是使礦石和溶劑中的脈石和燃料中的灰分集中，并在高溫下與主要的冶煉產(chǎn)物金屬、锍等分離。爐渣的作用：熔渣是一種介質(zhì)，在其中進(jìn)行著許多極為重要的冶金反應(yīng)。金屬在爐渣中的損失主要決定于這些反應(yīng)的完全程度。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金屬在爐渣中的機(jī)械夾雜損失起著決定性作用。對鼓風(fēng)爐這一類豎爐來說，爐內(nèi)可能達(dá)到的最高溫度決定于爐渣的熔化溫度。在金屬和合金的熔煉和精煉時(shí)，爐渣與金屬熔體的組分相互進(jìn)行反應(yīng)，從而可以通過爐渣對雜質(zhì)的脫除和濃度加以控制。在某些情況下，爐渣不是冶煉廠的廢棄物，而是中間產(chǎn)物。在用礦熱式電爐冶煉時(shí)，爐渣以及電極周圍的氣膜起著電阻作用，并可用調(diào)節(jié)電極插入深度的方法來調(diào)節(jié)電爐的功率。第二節(jié)爐渣的組成爐渣的組成極為復(fù)雜。常由5-6種氧化物組成。最多的氧化物一般為三種，占爐渣總量的80%以上。爐渣按組成可分三類：堿性氧化物：CaO、MnO、FeO、MgO等。這類氧化物能提供氧離子O2-。CaO=Ca2++O2-酸性氧化物：SiO2、P2O5等。這類氧化物能吸收氧離子而形成洛合陰離子。SiO2+O2-=SiO42-兩性氧化物：Al2O3、ZnO等。這類氧化物在酸性氧化物過剩時(shí)可供給氧離子而呈堿性，在堿性氧化物過剩時(shí)，則會(huì)吸收氧離子形成洛合陰離子而呈酸性。

Al2O3=2Al3++3O2-Al2O3+O2-=2AlO2-爐渣酸堿度的表示：常用硅酸度和堿度來表示。硅酸度=酸性氧化物中氧的質(zhì)量之和/堿性氧化物中氧的質(zhì)量之和。堿度=氧化鈣（%質(zhì)量）/氧化硅（%質(zhì)量）例題：某鉛鼓風(fēng)爐還原爐渣成分為SiO236%、CaO10%、FeO40%、ZnO8%。酸性氧化物：SiO236堿性氧化物：CaO、FeO、ZnO爐渣的硅酸度=第三節(jié)爐渣系二、三元狀態(tài)圖有色金屬冶金的爐渣和鋼渣主要由FeO、CaO、SiO2三種氧化物組成。高爐渣和電爐煉錫爐渣，鋁土礦燒結(jié)熟料等主要由CaO、Al2O3、SiO2三種氧化物組成。所以主要研究這兩個(gè)三元系，及相關(guān)的二元系。相率F=c-φ+2f——自由度數(shù)：即在溫度、壓強(qiáng)、組分濃度等可能影響體系平衡狀態(tài)的諸變量中，可以在一定范圍內(nèi)任意改變而不會(huì)引起舊相消失或新相產(chǎn)生的獨(dú)立變量的數(shù)目。c——獨(dú)立組元數(shù)：即構(gòu)成平衡體系所有各相組成所需要的最少組分?jǐn)?shù)。Φ——相數(shù)：Al2O3-SiO2二元系CaO-Al2O3二元系CaO-SiO2

二元系FeO-SiO2二元系三元系的組成表示法濃度三角形濃度三角形的性質(zhì)等含量規(guī)則等比例規(guī)則背向規(guī)則直線規(guī)則CaO-AlO-SiO三元系是鋁冶金、錫冶金、高爐爐渣和各種硅酸鹽材料（水泥、玻璃、陶瓷）的基本狀態(tài)圖。體系基本情況：簡單化合物三個(gè)：S、C、A二元化合物十個(gè)：其中穩(wěn)定5個(gè)不穩(wěn)定5個(gè)三元化合物2個(gè)：穩(wěn)定化合物鈣長石CAS2和鈣鋁黃長石C2AS。CaO-AlO-SiO三元系共有15個(gè)化合物，故有15個(gè)初晶液相面。二元共晶點(diǎn)8個(gè)（E）二元包晶點(diǎn)5個(gè)（P）二元共晶線23條二元包晶線5條三元共晶點(diǎn)8個(gè)三元包晶點(diǎn)7個(gè)切線規(guī)則：用于判斷是共晶線還是包晶線。即在曲線上任一點(diǎn)作切線，該切線必與兩平衡固相的組成點(diǎn)的聯(lián)線或延長線相交，與聯(lián)線相交的是共晶線，與延長線相交的是包晶線。用等熔化溫度曲線，可以查已知成分爐渣的熔化溫度。熔化溫度的變化是有規(guī)律的。即化合物熔點(diǎn)最高，并向二元包晶點(diǎn)、共晶點(diǎn)方向不斷降低，再由二元包晶點(diǎn)、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。第四節(jié)熔融爐渣的結(jié)構(gòu)爐渣的結(jié)構(gòu)與物理化學(xué)性能密切相關(guān)目前難于直接測定爐渣的結(jié)構(gòu)，可間接推測。存在兩種理論：分子理論和離子理論。一、爐渣結(jié)構(gòu)的分子理論與固態(tài)渣相似,熔渣中存在各種簡單化合物。熔渣種只有游離化合物才能參與反應(yīng)認(rèn)為熔渣是理想溶液，因而渣中游離氧化物的活度可以用摩爾分?jǐn)?shù)表示。分子理論與熔渣間缺乏有機(jī)聯(lián)系，分子理論不能說明熔渣的電導(dǎo)、粘度等性能。二、熔渣結(jié)構(gòu)的離子理論離子理論的建立依據(jù)是X射線結(jié)構(gòu)分析統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)熔渣的物理化學(xué)性質(zhì)的研究。離子理論的要點(diǎn)熔渣完全由陽離子和陰離子組成，陽離子和陰離子所帶電荷總量相等，故熔渣本身不帶電。與晶體相同，熔渣中每個(gè)離子周圍都是異號離子。電荷相同的離子和鄰近離子的相互作用力完全相等，與離子種類無關(guān)。1.純氧化物的結(jié)構(gòu)主要是SiO2，CaO，F(xiàn)eO。鮑林第一定律：在陽離子周圍形成一個(gè)陰離子多面體，陽離子和陰離子半徑之和決定陽離子和陰離子之間距離，而配位數(shù)取決于半徑比。鮑林第二定律：在一配位結(jié)構(gòu)中，公用的邊、公用面的存在，會(huì)降低這一結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。2.氧化物融化后的離解氧化物加熱熔化后的離解性能與氧化物的陽離子與陰離子之間的靜電引力有關(guān)，靜電引力與陽離子和陰離子的電荷數(shù)成正比，與離子半徑和的平方成反比。離子鍵分?jǐn)?shù)是離子鍵與離子鍵加共價(jià)鍵的比值。第五節(jié)熔融爐渣的物理化學(xué)性質(zhì)物理化學(xué)性質(zhì)：粘度、表面張力，密度，熔化溫度，電導(dǎo)率等。一、熔渣的粘度定義：P=ηF(dV)/(ds)2.熔渣的粘度與成分和溫度的關(guān)系。二、熔渣的密度固體渣的密度可近似地有組成爐渣的氧化物的密度用加和法計(jì)算。三、熔渣的表面張力熔渣的表面張力與組成爐渣的離子間相互作用能有關(guān)，可喲離子的靜電位來描述。熔渣中靜電位小的離子將被靜電位大的離子排斥到熔渣表面，使表面質(zhì)點(diǎn)的配位數(shù)趨向飽和，表面過剩能量降低，因而可降低熔渣的表面張力，這種物質(zhì)就是表面活性物質(zhì)。