冶金物理化學(xué)-冶金專業(yè)課件

1、冶金物理化學(xué)、第五章渣、(10小時(shí))、東北大學(xué)材料和冶金學(xué)院、Molten Slag、冶金物理化學(xué)、高溫冶金過程大部分在熔融反應(yīng)介質(zhì)中進(jìn)行，產(chǎn)品或中間產(chǎn)品在許多冶煉過程中進(jìn)行，如煉鋼、鋁電解、粗銅的火精煉、高爐煉鐵、硫化銅精礦的墊子熔煉、以及一、基本概念，一渣理論和模型，冶金熔化：高溫冶金過程中熔化狀態(tài)的反應(yīng)介質(zhì)或反應(yīng)產(chǎn)物。冶金熔體分類取決于構(gòu)成熔體的主要成分(金屬熔體：非金屬熔體：渣、熔鹽、熔體墊)。一是基本概念，一是熔渣理論和模型，主要由冶金原料的氧化物或冶金過程中生成的氧化物組成。渣是非常復(fù)雜的多組分系統(tǒng)，例如Cao、FeO、MnO、MgO、Al2O3、SiO2、P2O5、Fe2O3，渣

2、除氧化物外還可以包含少量其他化合物或金屬。例如氟化物(CaF2)、氯化物(NaCl)、硫化物(CaS，MnS)、硫酸鹽等。渣火冶金工藝產(chǎn)品，1，基本概念，1渣理論和模型，一般由5，6個(gè)以上氧化物組成。含有最多的氧化物通常只有三種，總量達(dá)80%以上。大部分有色金屬渣和爐渣的主要氧化物是Cao、SiO2、FeO高爐渣和某些有色金屬渣的主要氧化物，Cao、SiO2、Al2O3經(jīng)常包含氟化物、硫化物等其他化合物。一、基本概念、一渣理論和模型、一、基本概念、一渣理論和模型、爐渣的主要來源：礦石或精礦的脈沖：高爐冶煉：Al2O3、CaO、SiO2等為滿足冶煉過程的需要而添加的通量：CaO、SiO2被熔融金

3、屬或爐渣侵蝕和沖刷的內(nèi)襯材料：堿性渣煉鋼等MgO主要來自鎂質(zhì)襯里，一是基本概念，一是渣理論和模型，渣主要作用：其他渣具有不同的作用。1，冶煉渣(冶煉渣)在以礦石或精礦為原料，以粗金屬或熔化為冶煉品的冶煉過程中。主要作用：在高爐(礦石或精礦、燃料、溶解劑等)中收集整個(gè)矸石成分、灰分和大部分雜質(zhì)，將其與冶煉物(金屬、綠泥劑等)分離。高爐煉鐵：矸石成分與燃料的灰分和通量(石灰石、白云石、硅石等)反應(yīng)，形成渣，從而與金屬鐵分離。墊子熔煉：銅，鎳的硫化物在高爐中與鐵的硫化物一起熔化，形成熔體。鐵的氧化物與渣通量SiO2和其他矸石一起形成渣。一、基本概念、一渣理論和模型、二、精煉渣是粗金屬精煉過程的產(chǎn)物。

4、主要作用從一點(diǎn)中捕獲雜質(zhì)的氧化產(chǎn)物，將其與主要金屬分離。例如，煉鋼時(shí)添加的渣熔體將原料中的雜質(zhì)元素氧化產(chǎn)物和渣熔合，吸收除硫、除磷、非金屬夾雜物。3、濃縮渣作用原料中，為了回收某些有用成分，濃縮到渣中。例如鈦鐵礦在電爐中經(jīng)過還原冶煉，得到高鈦渣，然后進(jìn)一步提取鈦。一、基本概念，一渣理論和模型，四、合成渣是指由特定成分預(yù)準(zhǔn)備的熔渣材料組成的熔渣，以達(dá)到一定的冶煉目的。Electroslag remelting渣、鑄鋼保護(hù)渣、鋼水爐外精煉渣等。這種渣的作用很多樣化。一、基本概念、一渣理論和模型、礦渣主要作用：積極：減少金屬的熱損失；防止金屬氧化(減少金屬從廢氣中吸收有害氣體)；收集金屬雜質(zhì)元素的氧

5、化產(chǎn)物。負(fù)：為了縮短襯里的使用壽命，侵蝕和精煉襯里。金屬損耗，回收率降低；取熱增加冶煉的能量消耗。第二，渣結(jié)構(gòu)和理論，1渣理論和模型，分子結(jié)構(gòu)理論離子結(jié)構(gòu)理論分子和離子共存理論聚合物理論，最早的理論；固體渣結(jié)構(gòu)研究基礎(chǔ)；幾乎不適用于礦渣結(jié)構(gòu)研究。在冶金生產(chǎn)實(shí)踐中仍被大量使用。1分子結(jié)構(gòu)理論，2，渣結(jié)構(gòu)和理論，1渣理論和模型，1分子結(jié)構(gòu)理論，結(jié)構(gòu)單位：分子。簡單氧化物(或自由氧化物)例如，Cao、MgO、FeO、MnO、SiO2、Al2O3等復(fù)合化合物(或結(jié)合氧化物):例如，2 Cao SiO 2、Cao SiO 2、3 Cao 2 o 5等，基本觀點(diǎn)力很弱，分子運(yùn)動容易，高溫下，分子以無序狀態(tài)

6、分布。渣可以假定以濃度表示的每個(gè)組的元素活性為理想溶液。在一定條件下，渣的簡單氧化物分子和復(fù)合化合物分子之間的動態(tài)平衡(例如，Cao SiO 2=Cao SiO 2g=992470 2.15t jmol 1)平衡常數(shù)，反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)，熔體的性質(zhì)主要由自由氧化物的濃度決定，只有自由氧化物參與與渣其他成分的化學(xué)反應(yīng)。第二，渣結(jié)構(gòu)和理論，1渣理論和模型，基本觀點(diǎn)，1分子結(jié)構(gòu)理論，2渣結(jié)構(gòu)和理論，1渣理論和模型，應(yīng)用，1分子結(jié)構(gòu)理論，氧化能力渣氧化能力確定渣中游離FeO的濃度；(FeO)=Fe(l)Otal s、p能力強(qiáng)度和限制與礦渣中存在自由Cao濃度有關(guān)。(CaO) S=(CaS) O，第二，不能

7、將分子理論用于渣結(jié)構(gòu)和理論、一渣理論和模型、缺陷、一分子結(jié)構(gòu)理論、定量計(jì)算。對于脫硫反應(yīng)，用上述平衡常數(shù)k表達(dá)式替換在特定溫度下處于平衡狀態(tài)的每個(gè)組的活動值，結(jié)果k不是常數(shù)。分子理論不能解釋FeO在脫硫中的作用。根據(jù)分子理論，降低爐渣的FeO含量有利于脫硫。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，無論是純FeO渣還是含F(xiàn)eO的渣，都有一定的脫硫作用。礦渣性能和連接不足，無法解釋礦渣的導(dǎo)電性。渣具有導(dǎo)電性，可以電解。二是渣結(jié)構(gòu)和理論，一渣理論和模型，二離子結(jié)構(gòu)理論，渣導(dǎo)電，可電解；x射線結(jié)構(gòu)分析表明，構(gòu)成渣的簡單氧化物和復(fù)雜化合物的基本單位都是離子；統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)為離子理論的建立提供了理論依據(jù)。基本觀點(diǎn)，離子存在狀態(tài)：簡單正數(shù)，

8、負(fù)離子：Cao，MnO，MgO，CaS的離子平衡；復(fù)合負(fù)離子：由SiO2、P2O5、Al2O3形成。第二，渣結(jié)構(gòu)和理論，1渣理論和模型，2離子結(jié)構(gòu)理論，基本觀點(diǎn)，離子間力：庫侖，F(xiàn)=Ie2，廣義力矩：Z/r稱為電荷半徑比。陽離子的電荷半徑越大，對O2-的重力也越強(qiáng)。第二，渣結(jié)構(gòu)和理論，1渣理論和模型，2離子結(jié)構(gòu)理論，基本觀點(diǎn)，復(fù)合負(fù)離子的聚合和分解：硅和氧離子的復(fù)合聚合需要隨著渣中Si氧化物的增加將O2轉(zhuǎn)化為復(fù)合離子，共享大量離子SiO 44-O2，形成復(fù)雜的復(fù)合離子。硅氧復(fù)合離子的分解在渣中隨著O/Si原子比的增加，O2可以將渣中復(fù)雜的硅氧復(fù)合離子分裂為結(jié)構(gòu)比較簡單的硅氧復(fù)合離子。渣中可共存

9、多種硅氧烷復(fù)合離子的平衡。復(fù)合離子的聚合和分解，2，渣結(jié)構(gòu)和理論，1渣理論和模型，2，渣結(jié)構(gòu)和理論，1渣理論和模型，2，渣結(jié)構(gòu)和理論，1渣理論和模型，2離子結(jié)構(gòu)理論，基本觀點(diǎn)，3種存在形式的氧氣：(1)橋耦合鋁氧離子：alo 2、alo 33-、al2o 42-鐵氧離子：FeO 2、Fe2 o 42-、Fe2 o 52-、FeO 33-爐渣中有自由離子、自由氧化物例如，在包含F(xiàn)eO和SiO2的渣中，復(fù)合分子Fe2SiO4和玻璃離子Fe2、SiO44-以及玻璃氧化物FeO和SiO2的平衡如下：離子理論的問題，第二，渣結(jié)構(gòu)和理論，一渣理論和模型，二離子結(jié)構(gòu)理論，二，渣結(jié)構(gòu)和理論，一渣理論和模型，三

10、共存理論，渣是簡單離子(Na，Ca2，Mg2，Mn2，F(xiàn)e2，O2，O2)簡單離子和分子之間存在動態(tài)平衡。4聚合物理論，熔體的物理化學(xué)特性取決于聚合程度。熔體的聚合程度可以用NBO/T表示。NBO/T:每個(gè)四次配位陽離子的非橋氧數(shù)。NBO/T值越小，聚集越大?；居^點(diǎn)，離子溶液模型分類：第三，渣模型，1渣理論和模型，統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)模型：利用離子間的作用力能量(顯示為混合熱)和離子分布的組成，計(jì)算離子溶液形成的部分摩爾焓變量和部分摩爾熵變量，結(jié)果計(jì)算渣群元素的活性。完全離子溶液模型，正規(guī)離子溶液模型等。經(jīng)典熱力學(xué)模型：假設(shè)硅酸鹽渣中各種復(fù)合陰離子和氧離子之間存在聚合化學(xué)反應(yīng)平衡。使用這種聚合反應(yīng)的平

11、衡常數(shù)計(jì)算渣群元素的活性。Masson模型等。第三，假設(shè)渣模型、1渣理論和模型、1完全離子溶液模型：(1)渣完全電離，正負(fù)離子電荷數(shù)相等。(2)同弧離子與相鄰的異弧離子的相互作用相同，在同弧離子位置交換后能量保持不變。部分摩爾焓變化hi=0，同樣，hm=0。離子溶液模型的作用：計(jì)算渣群元素活性。第三，渣模型、1渣理論和模型、活動和離子活性(如CaF2=Ca2 2F-，AmBn=mA nB-，第三，渣模型、1渣理論和模型，示例：渣成分Cao SiO2 Al2O3解決方案：平衡常數(shù)，使用100g渣作為計(jì)算單位，ni=(wi/ws)/Mi，活性和離子活性，3，渣模型，1渣理論和模型，Cao SiO

12、2 al2o 3 MnO MgO p2o 5s ni/100，活性和離子活性，3，渣模型，1渣理論和模型，綜合，所以，活性和離子活性，3，渣模型，1渣理論和模型，實(shí)驗(yàn)已知的反應(yīng)(1)平衡常數(shù)和溫度關(guān)系：完整的離子溶液理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合得很好。離子平均活性系數(shù)：前提：高堿度渣(wSiO2)為10%，礦渣(wSiO2)為10% 30%時(shí)考慮完全離子解決方案的偏差：活性和離子活性，(1)電等效分?jǐn)?shù)：n，第三，修改渣模型、1渣理論和模型、2液模型、整體離子溶液模型。AX-BX2熔化中：電等效分?jǐn)?shù)通過：(2)離子反應(yīng)的平衡，不同離子之間的反應(yīng)相互干涉，影響反應(yīng)；影響程度不同。是，鋼液的脫硫反應(yīng)：

13、S (O2-)=(S2-) O (1)渣中有Ca2、Fe2、Mn2、Mg2。如果只考慮Ca2，F(xiàn)e2，可以寫如下：3、渣模型、1渣理論和模型、2 Flood模型、3、渣模型、1渣理論和模型、2 Flood模型、g也有類似的等式。通常，lnf()很小，可以忽略：Xi A1(XJ K5;差異大，說明不能省略，用均衡者處理，誤差大。，反應(yīng)的O2-分別由(CaO)、(FeO)、(MnO)、(MgO)、(Na2O)提供(例如Ward等Ca2、Fe2、Mn2、)，三，礦渣模型，一渣理論和模型，三，礦渣模型，一渣理論和模型，三常規(guī)溶液模型，假設(shè)：(1)氧化物離解Si2，Ca2，O2-等離子體；(2)陽離子在負(fù)離子間隙不規(guī)則分布，作用能量不等。適用于鋼水和礦渣s，p分布的高堿度氧化渣；不包含SixOy的結(jié)構(gòu)問題。三、渣模型、1渣理論和模型、4 Masson模型、結(jié)構(gòu)相關(guān)模型：(1)MOM2 O2-，SiO2 O2-SiO42-聚合；(2)所有硅氧烷離子聚合的k是相等的。(3)熔體是理想的溶液。(陽離子、陰離子理想溶液)，aMO的計(jì)算公式：適用于二元礦渣系統(tǒng)的硅酸鹽aMeO計(jì)算。冶金物理化學(xué)，第5章渣，2渣理化性質(zhì)，東北大學(xué)材料和冶金學(xué)院，Molten Slag，冶金物理化學(xué)，礦渣：Cao，MnO，F(xiàn)eO，MgO，CaF2，F(xiàn)e2O3，A12O3Fe、v等。第