《钢铁冶金原理》一4.冶金炉渣4冶金炉渣目录24冶金炉渣，4.1二元系相图A4.1.1二元系相图的基本知识，04.1.2简单低共熔型二元系相图.4.1.3含有中间化合物的二元系相图11..124.1.4含固溶体的二元系相图4.1.5冶金过程中主要的二元系渣系相图..13..154.2三元系相图..154.2.1三元系相图的基本知识..194.2.2完全互溶型三元系相图..204.2.3简单低共熔三元系相图，.224.2.4实际三元系相图的分析方法4.2.5物系点冷却过程分析实例.25.284.4熔渣的结构理论.4.4.1分子结构假说（理论）辛克（申克）提出的关于熔渣结构最早的理论，...284.4.2离子结构理论.30..324.6熔渣的离子结构模型...324.6.1完全离子溶液模型..344.6.3离子聚合反应模型（马森模型）4.7熔渣的活度曲线图..364.7.2CaO-SiO,-Al0,三元系组分的活度..364.7.3CaO-SiO,-FeO三元系组分的活度.374.8熔渣的化学性质.39.394.8.1酸碱性...404.8.2氧化性和还原性4.8.3容量性质（熔渣吸收有害物质的能力）..414.9熔渣的物理性质..42...424.9.1熔化温度..4.9.2密度.42..424.9.3粘度.4.9.4电导率（比电导）..44..444.9.5表面性质（表面张力和界面张力）4.9.6扩散..47
《钢铁冶金原理》－4.冶金炉渣 1 4 冶金炉渣目录 4 冶金炉渣. 2 4.1 二元系相图. 4 4.1.1 二元系相图的基本知识. 4 4.1.2 简单低共熔型二元系相图. 9 4.1.3 含有中间化合物的二元系相图.11 4.1.4 含固溶体的二元系相图.12 4.1.5 冶金过程中主要的二元系渣系相图.13 4.2 三元系相图.15 4.2.1 三元系相图的基本知识.15 4.2.2 完全互溶型三元系相图.19 4.2.3 简单低共熔三元系相图.20 4.2.4 实际三元系相图的分析方法.22 4.2.5 物系点冷却过程分析实例.25 4.4 熔渣的结构理论.28 4.4.1 分子结构假说（理论）——辛克（申克）提出的关于熔渣结构最早的理论.28 4.4.2 离子结构理论.30 4.6 熔渣的离子结构模型.32 4.6.1 完全离子溶液模型.32 4.6.3 离子聚合反应模型（马森模型）.34 4.7 熔渣的活度曲线图.36 4.7.2 CaO − SiO2 − Al2O3 三元系组分的活度.36 4.7.3 CaO− SiO2 − FeO 三元系组分的活度.37 4.8 熔渣的化学性质.39 4.8.1 酸碱性.39 4.8.2 氧化性和还原性.40 4.8.3 容量性质（熔渣吸收有害物质的能力）.41 4.9 熔渣的物理性质.42 4.9.1 熔化温度.42 4.9.2 密度.42 4.9.3 粘度.42 4.9.4 电导率（比电导）.44 4.9.5 表面性质（表面张力和界面张力）.44 4.9.6 扩散.47
《钢铁冶金原理》一4.冶金炉渣4冶金炉渣自的要求：使学生了解金属熔体不仅是冶金过程的最终产品，而且也是治金过程中多元多相反应的主要参加者和重要的物质基础，其物理化学性质或结构对治金反应的热力学和动力学有重要的影响。在使学生了解和掌握金属熔体的相关理论的基础上，使学生进一步掌握通过控制金属熔体的物理化学性质来控制冶金反应的方法，以实现冶金生产的优质、高产、低耗和长寿。教学内容：（1）金属熔体的结构：（2）相互作用系数及其测定方法、活度系数的计算方法；（3）铁液中溶解元素的溶解及存在形式：（4）金属熔体的物理性质。重点难点：相互作用系数、氮氢氧在铁液中溶解的热力学性质、铁液的物理性质。炉渣是以氧化物为主要成分的多组元熔体，是金属提炼和精炼过程中除金属熔体之外的另一产物。根据冶炼目的不同炉渣可分为四类：1）还原渣：能够从与之接触的金属液中吸收[O]，以氧化物的形式进入的熔渣，例如高炉渣，其FeO含量较低，含量<2%2）氧化渣：能够向与之接触的金属液供应O的熔渣，例如炼钢渣，其FeO含量较高，达到20%左右：3）富集渣：为了提钒、提而得到的钒渣、锯渣；4）合成渣：炉外精炼渣（可吸收夹杂物，脱硫等），中间包保护渣、结晶器保护渣，起到隔绝空气、防止污染和热量损失。综合来看，在治金过程中炉渣起着非常重要的作用：分离或吸收杂质、富集有用金属氧化物、精炼金属、防止污染、减少热损失等。炉渣的这些作用都是靠控制炉渣的化学成分、温度及其所具有的物理化学性质来实现的。例如转炉炼钢过程中造渣是非常重要的。吹炼前期除了Si、Mn氧化外，希望快速化渣脱磷，而达到快速化渣，一方面熔渣需要一定的温度，另一方面就是要降低熔渣的熔化性温度，而熔渣的熔化性温度往往与熔渣的化学成分有关，例如：渣中复合氧化物的熔点为一一2CaO·SiO2熔点为2130℃，Fe0·Si02熔点为1204℃，Ca0·Fe0.Si02（钙铁橄榄石）熔点为1204℃，Ca0Fe203（铁酸钙）熔点为1230℃，2Ca0·Fe203（正铁酸钙）熔点为1420℃。由此可见，提高渣中FeO含量，可降低熔渣的熔化性温度，从而快速化渣。吹炼中期，渣铁乳化较好，碳氧反应开始后即非常剧烈，渣中大量FeO分解向铁液中供氧，如果此时控制不好，将使得渣中FeO含量急剧下降，渣熔化性温度急2
《钢铁冶金原理》－4.冶金炉渣 2 4 冶金炉渣 目的要求：使学生了解金属熔体不仅是冶金过程的最终产品，而且也是冶金过程中多元多相反应 的主要参加者和重要的物质基础，其物理化学性质或结构对冶金反应的热力学和动力学有重要的 影响。在使学生了解和掌握金属熔体的相关理论的基础上，使学生进一步掌握通过控制金属熔体 的物理化学性质来控制冶金反应的方法，以实现冶金生产的优质、高产、低耗和长寿。 教学内容：（1）金属熔体的结构；（2）相互作用系数及其测定方法、活度系数的计算方法；（3） 铁液中溶解元素的溶解及存在形式；（4）金属熔体的物理性质。 重点难点：相互作用系数、氮氢氧在铁液中溶解的热力学性质、铁液的物理性质。 炉渣是以氧化物为主要成分的多组元熔体，是金属提炼和精炼过程中除金属熔体 之外的另一产物。根据冶炼目的不同炉渣可分为四类： 1）还原渣：能够从与之接触的金属液中吸收[O]，以氧化物的形式进入的熔渣， 例如高炉渣，其 FeO 含量较低，含量<2%； 2）氧化渣：能够向与之接触的金属液供应[O]的熔渣，例如炼钢渣，其 FeO 含 量较高，达到 20%左右； 3）富集渣：为了提钒、提铌而得到的钒渣、铌渣； 4）合成渣：炉外精炼渣（可吸收夹杂物，脱硫等），中间包保护渣、结晶器保护 渣，起到隔绝空气、防止污染和热量损失。 综合来看，在冶金过程中炉渣起着非常重要的作用：分离或吸收杂质、富集有用 金属氧化物、精炼金属、防止污染、减少热损失等。 炉渣的这些作用都是靠控制炉渣的化学成分、温度及其所具有的物理化学性质来 实现的。例如转炉炼钢过程中造渣是非常重要的。 吹炼前期除了 Si、Mn 氧化外，希望快速化渣脱磷，而达到快速化渣，一方面熔 渣需要一定的温度，另一方面就是要降低熔渣的熔化性温度，而熔渣的熔化性温度往 往与熔渣的化学成分有关，例如：渣中复合氧化物的熔点为——2CaO•SiO2 熔点为 2130℃，FeO•SiO2 熔点为 1204℃，CaO•FeO•SiO2（钙铁橄榄石）熔点为 1204℃， CaO•Fe2O3（铁酸钙）熔点为 1230℃，2CaO• Fe2O3（正铁酸钙）熔点为 1420℃。由 此可见，提高渣中 FeO 含量，可降低熔渣的熔化性温度，从而快速化渣。 吹炼中期，渣铁乳化较好，碳氧反应开始后即非常剧烈，渣中大量 FeO 分解向 铁液中供氧，如果此时控制不好，将使得渣中 FeO 含量急剧下降，渣熔化性温度急
《钢铁冶金原理》一4.冶金炉渣剧升高，未熔的固体质点大量析出弥散在炉渣中，使得炉渣粘稠，成团结块，气泡膜（泡沫渣）变脆破裂，出现“返干”，严重影响正常的治炼，只能提枪控氧或加入氧化铁皮等提高渣中FeO含量。结晶器保化渣的液、固相分层探讨由此可见，熔渣的组成（组分的浓度）、温度变化，熔渣的物相就会发生变化（S→L、L→S的转变），熟练了解和掌握这些过程的变化规律是冶金工作者的基本技能要掌握这些物相转变的规律需要对相图有深刻的理解。3
《钢铁冶金原理》－4.冶金炉渣 3 剧升高，未熔的固体质点大量析出弥散在炉渣中，使得炉渣粘稠，成团结块，气泡膜 （泡沫渣）变脆破裂，出现“返干”，严重影响正常的冶炼，只能提枪控氧或加入氧 化铁皮等提高渣中 FeO 含量。 结晶器保化渣的液、固相分层探讨 由此可见，熔渣的组成（组分的浓度）、温度变化，熔渣的物相就会发生变化（S →L、L→S 的转变），熟练了解和掌握这些过程的变化规律是冶金工作者的基本技能。 要掌握这些物相转变的规律需要对相图有深刻的理解
《钢铁冶金原理》一4.冶金炉渣4.1二元系相图目的要求：使学生掌握二元系相图的基本知识，了解几种二元系相图的特点，掌握它们的分析方法。教学内容：（1）二元系相图的基本知识：（2）简单低共熔型二元系相图：（3）含有中间化合物的二元系相图：（4）含固溶体的二元系相图：（5）冶金过程中主要的二元渣系相图重点难点：二元系相图的冷却过程分析。引入：在冶金领域里，物料的造渣、熔体的析晶、晶体的熔融、氧化还原反应等过程都涉及相变的过程，需要冶金工作者充分掌握相图的基本知识和分析方法。4.1.1二元系相图的基本知识4.1.1.1相图对于凝聚相体系，相图是表示组分的组成和温度之间的相平衡关系。严格地说，相图是能够反映出一个多相体系中，组分的组成、体系的温度和压力不同的条件下，该体系达到平衡时所处的状态。也就是说相图能够反映出该体系在平衡状态下的相态（即反映出该体系内有哪些相，每个相的组成以及各相之间的相对数量等等），这种几何图形称为相图，也称状态图或平衡图。相图中的点、线、面、体都代表着不同温度和压力下平衡体系中的各个相、相组成和各相之间相互转变的关系。相图遵循三大定律。4.1.1.2吉布斯相律相律用一种非常简单的形式表达了平衡体系中可以平衡共存的相数、独立组元数以及可以人为指定的独立变数的数目与体系自由度之间的关系，数学关系式非常简单：f=C-o+2式中，f一一热力学平衡体系的独立变数的数目，即自由度数：C一一独立组分数（独立组元数）；Φ一一平衡共存相的数目（相数）；2一一表示影响体系平衡状态的外界因素，只考虑温度和压力，其它因素如电场、磁场、重力场等对体系平衡的影响没有考虑。如果忽略压力对相平衡体系的影响，则可以得到治金体系常用的减相律形式：4
《钢铁冶金原理》－4.冶金炉渣 4 4.1 二元系相图 目的要求：使学生掌握二元系相图的基本知识，了解几种二元系相图的特点，掌握它们的分析方 法。 教学内容：（1）二元系相图的基本知识；（2）简单低共熔型二元系相图；（3）含有中间化合 物的二元系相图；（4）含固溶体的二元系相图；（5）冶金过程中主要的二元渣系相图。 重点难点：二元系相图的冷却过程分析。 引入：在冶金领域里，物料的造渣、熔体的析晶、晶体的熔融、氧化还原反应等过程都涉及相变 的过程，需要冶金工作者充分掌握相图的基本知识和分析方法。 4.1.1 二元系相图的基本知识 4.1.1.1 相图 对于凝聚相体系，相图是表示组分的组成和温度之间的相平衡关系。 严格地说，相图是能够反映出一个多相体系中，组分的组成、体系的温度和压力 不同的条件下，该体系达到平衡时所处的状态。也就是说相图能够反映出该体系在平 衡状态下的相态（即反映出该体系内有哪些相，每个相的组成以及各相之间的相对数 量等等），这种几何图形称为相图，也称状态图或平衡图。 相图中的点、线、面、体都代表着不同温度和压力下平衡体系中的各个相、相组 成和各相之间相互转变的关系。 相图遵循三大定律。 4.1.1.2 吉布斯相律 相律用一种非常简单的形式表达了平衡体系中可以平衡共存的相数、独立组元数 以及可以人为指定的独立变数的数目与体系自由度之间的关系，数学关系式非常简 单： f=C-φ+2 式中，f——热力学平衡体系的独立变数的数目，即自由度数； C——独立组分数（独立组元数）； Φ——平衡共存相的数目（相数）； 2——表示影响体系平衡状态的外界因素，只考虑温度和压力，其它因素如电 场、磁场、重力场等对体系平衡的影响没有考虑。如果忽略压力对相平衡体系的影响， 则可以得到冶金体系常用的减相律形式：
《钢铁冶金原理》一4.冶金炉渣f=C-β+1为了深入理解和熟练应用吉布斯相律，必须弄清下列几个概念：1）C一一独立组分数独立组元也称组元或组分。决定一个相平衡体系的成分必须的最少物种数称为独立组元数。物种是指体系中每一个能单独分离出来并独立存在的化学均匀物质。如果体系中不发生化学反应，则独立组元数便等于物种数。例如盐水中的NaCI和H20不发生化学反应，所以物种数为2，独立组元数也是2。白糖和砂子混在一起也不发生化学反应，故其物种数和独立组元数也都是2。如果体系存在化学反应，则每一个化学反应都要建立一个化学反应平衡关系式，且有一个化学反应平衡常数K。此时假使有n个物种参与反个物种应且只存在一个化学平衡，则应该有n-1物种的组成可以任意指定，剩下的一个物种的组成便由化学平衡常数K来确定而不能随意改变了。所以，在一个体系中，如果发生一个独立的化学反应，则独立组元数便比物种数减少一个，即：独立组元数一物种数一独立化学平衡关系式数例如：CaCO3加热分解存在下列反应：CaCO3=CaO+CO2在一定的温度和压力下，三种物质以一个化学反应关系式建立平衡关系，有一个独立化学反应平衡常数K，独立组元数C=3-1=2，因此，该体系就是二元体系，而非三元体系。如果一个体系中在同一相内存在一定的浓度关系，则独立组元数应为：独立组元数一物种数一独立化学平衡关系式数一独立浓度关系数例如：氧化汞分解反应：2HgO(s)=2Hg(g)+O2(g)，达到平衡时Hg和O2存在浓度关系nHg=2no2（摩尔比1:2），因此该体系的独立组元数应为：C=3-1-1=12）一一相相的概念：一个相便是体系中具有相同物理和化学性质的均匀部分的总和。而相与相之间有界面，并可用机械方法把它们分开，越过界面时性质就发生突变。相与物质的数量多少无关，也与物质是否连续无关。相具有下列的几种特征：（1）一个相可以由几种物质组成例如，气相一般可由多种物质组成，空气就是由氧、氮、二氧化碳等气体组成的5
《钢铁冶金原理》－4.冶金炉渣 5 f=C-φ+1 为了深入理解和熟练应用吉布斯相律，必须弄清下列几个概念： 1）C——独立组分数 独立组元也称组元或组分。决定一个相平衡体系的成分必须的最少物种数称为独 立组元数。物种是指体系中每一个能单独分离出来并独立存在的化学均匀物质。 如果体系中不发生化学反应，则独立组元数便等于物种数。例如盐水中的 NaCl 和 H2O 不发生化学反应，所以物种数为 2，独立组元数也是 2。白糖和砂子混在一起 也不发生化学反应，故其物种数和独立组元数也都是 2。 如果体系存在化学反应，则每一个化学反应都要建立一个化学反应平衡关系式， 且有一个化学反应平衡常数 K。此时假使有 n 个物种参与反个物种应且只存在一个化 学平衡，则应该有 n-1 物种的组成可以任意指定，剩下的一个物种的组成便由化学平 衡常数 K 来确定而不能随意改变了。所以，在一个体系中，如果发生一个独立的化 学反应，则独立组元数便比物种数减少一个，即： 独立组元数＝物种数一独立化学平衡关系式数 例如：CaCO3 加热分解存在下列反应： CaCO3=CaO+CO2 在一定的温度和压力下，三种物质以一个化学反应关系式建立平衡关系，有一个 独立化学反应平衡常数 K，独立组元数 C=3-1=2，因此，该体系就是二元体系，而非 三元体系。 如果一个体系中在同一相内存在一定的浓度关系，则独立组元数应为： 独立组元数＝物种数一独立化学平衡关系式数一独立浓度关系数 例如：氧化汞分解反应：2HgO(s)=2Hg(g)+O2(g)，达到平衡时 Hg 和 O2 存在浓度 关系 nHg=2nO2（摩尔比 1:2），因此该体系的独立组元数应为： C=3-1-1=1 2）φ——相 相的概念：一个相便是体系中具有相同物理和化学性质的均匀部分的总和。 而相与相之间有界面，并可用机械方法把它们分开，越过界面时性质就发生突变。 相与物质的数量多少无关，也与物质是否连续无关。相具有下列的几种特征： （1）一个相可以由几种物质组成 例如，气相一般可由多种物质组成，空气就是由氧、氮、二氧化碳等气体组成的