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1、第四章第四章 冶金炉渣冶金炉渣 引言 三元系相图的基本知识及基本类型 钢铁冶金主要二元渣系相图 三元渣系的相图 熔渣的结构理论 0 1 2 3 4 1 引言引言 炉渣是火法冶金中形成的、以氧化物为主要成分的多组分熔体。 组成 0 分类 冶炼渣（还原渣）：以矿石为原料进行还原熔炼，得到粗金属的同时形 成的炉渣，称为冶炼渣。如：冶炼铁矿石得到的高炉渣。 富集渣：将原料的某些有用成分富集于炉渣中，以利用下道工序将其回 收的炉渣称为富集渣。如：钛精矿还原熔炼所得的高钛渣，吹炼含 钒、生铁得到的钒渣、铌渣等。 合成渣：按炉渣所起的冶金作用，用各种造渣材料预先配制的炉渣 称为合成渣。如：电渣重熔用渣，保护
2、渣，炉外精炼用渣。 精炼渣（氧化渣）：精炼粗金属如用生铁冶炼成钢产生的炉渣，称为精炼渣。 2 引言引言 0 3 钢铁冶金主要二元渣系相图钢铁冶金主要二元渣系相图 炉渣是多种氧化物构成的熔体。 CaO、SiO2 、Al2O3、FeO、MgO、Fe2O3 CaF2. 主要的二元渣系相图： 炉渣化学成分： CaO-SiO2 ；Al2O3-SiO2 ； CaO-Al2O3 ；FeO-SiO2 ；CaO-Fe2O3 复习 1 4 1.1 CaO-SiO1.1 CaO-SiO 2 2 系相图系相图 稳定化合物(同份熔化化合物)： 偏硅酸钙CaOSiO2（CS） 正硅酸钙2CaOSiO2（C2S）。 不稳定
3、化合物(异份熔化化合物)： 硅酸三钙3CaOSiO2（C3S） 二硅酸三钙3CaO2SiO2（C3S2）。 1.1.1 1.1.1 化合物类型化合物类型 5 C-C2S：具有一个共晶体的相图 1250-19000C存在C3S，C3S = C+C2S C2S-CS：具有一个不稳定化合物C3S2的相图 14750C发生转熔反应（包晶反应）： L+C2S = C3S2 CS-S：液相有分层现象 L1S在CS相内的饱和熔体 L2CS在S内的饱和熔体。 1.1.2 1.1.2 分相图分相图 三个分相图：C-C2S，C2S-CS，CS-S 6 1.2 Al1.2 Al 2 2 OO 3 3 -SiO-Si
4、O 2 2 系相图系相图 一个不稳定化合物：莫来石3Al2O3.2SiO2(A3S2)， 可溶解微量的Al2O3形成的固溶体。 1.3 CaO-Al1.3 CaO-Al 2 2 OO 3 3 系相图系相图 三个同份熔化化合物：C12A7、CA、CA2， 两个异份熔化化合物：C3A、CA6。 1.4 FeO-SiO1.4 FeO-SiO 2 2 系相图系相图 一个同份熔化化合物：铁橄榄石2FeO.SiO2(F2S)， SiO2高浓度端有液相分层 1.5 CaO-Fe1.5 CaO-Fe 2 2 OO 3 3 系相图系相图 二个异份熔化化合物： CaO.Fe2O3、CaO.2Fe2O3 一个同份熔
5、化化合物:2CaO.Fe2O3、。 7 三元系相图的基本知识及基本类型三元系相图的基本知识及基本类型 2.1 2.1 三元相图的基本知识三元相图的基本知识 体系有三个独立变量： 温度及任意两个组分浓度。 三元相图表示方法： 以等边三角形表示三个组分浓度的变化， 以垂直坐标轴表示温度。 2 8 2.1.1 2.1.1 浓度三角形浓度三角形 含义 三顶点A、B、C：表示体系的纯组分。 三条边：分别为三个二元系。 三角形内的点：三元系的组成点。 物系点浓度的读取方法 (1)过O作BC、CA、AB边的垂线，长度为a、b、c 9 (2)过O作BC、CA、AB边的平行线aa、bb、cc A= a ，B=
6、b ，C= c 2.1.1 2.1.1 浓度三角形浓度三角形 10 等含量规则：平行于一边的直线上，各物系点所含对应顶角 组分的浓度相同。 等比规则： 任一顶角与对边点的连线上各点组成中，其两旁 顶角组分的浓度比相同。 背向规则：若物系点降到O点温度时开始析出C，则液相线向 CO延长线向移动，而其他两组分（A，B）的浓度 比保持不变。 2.1.2 2.1.2 浓度三角形的基本规则浓度三角形的基本规则 FE 11 直线规则：原物系点重量分别为m，n，混合后形成新物 系点O，则：O必位于M，N连线上 。 此规则亦适用于一个相分解为两个相。如O点重量为W，分解为 M，N两相，则M，O，N必位于同一条
7、直线上 。 2.1.2 2.1.2 浓度三角形的基本规则浓度三角形的基本规则 12 重心规则：原物系点M1，M2，M3的重量分别为m1，m2，m3 ， 混合后形成新物系点M，则M必位于连线三角形 M1 M2 M3的重心上。重心如何求出？ 此规则亦适用于一个相分解为三个相的计算。如，M分解 为M1、M2、M3三个新相时，则有： 2.1.2 2.1.2 浓度三角形的基本规则浓度三角形的基本规则 13 交叉位规则： 2.1.2 2.1.2 浓度三角形的基本规则浓度三角形的基本规则 14 共轭位规则： 2.1.2 2.1.2 浓度三角形的基本规则浓度三角形的基本规则 mp=m3-(m1+m2) L+(
8、S1+S2)=S3 M 15 2.2 2.2 三元相图的基本类型三元相图的基本类型 初晶面：组分从液相析出固相的面，固液两相平衡共存 L S1，自由度： f = C-+1= 3-2+1=2 二元共晶线：液相面两两相交的交线，两个固相组分同 时从液相结晶析出，三相共存， L S1+S2 。 自由度：f = C-+1=3-3+1 = 1 三元共晶点（无变量点）：三条二元共晶线的交点，三 个组分同时从液相析出，四相共存， L = S1+S2+S3 。 自由度：f = C-+1= 3-4+1=0。 连接线：两个纯组分组成点的连接线 。 边界线（相界线）：两个结晶面（液相面）的交线 16 E A B C
9、 e1e2 e3 E e2 e1 e3 tA tB tC 2.2 2.2 三元相图的基本类型三元相图的基本类型 17 2.2 2.2 三元相图的基本类型三元相图的基本类型 简单共晶体相图的等温截面图 接界规则 L 18 2.2.1 2.2.1 具有简单三元共晶体的相图具有简单三元共晶体的相图 面：三个组分A、B、C的初晶面 线：三条二元共晶线 e1E(LA+B) e2E(LA+C) e3E(LB+C) 点：E为三元共晶点 (LE=A+B+C) 结晶过程分析 面、线、点分析 A C B A初 B初 E 19 2.2.2 2.2.2 具有一个稳定二元化合物的相图具有一个稳定二元化合物的相图 面：A
10、、B、C、D四个组元的初晶面 线：六条二元共晶线 点：两个三元共晶点E1、E2 鞍心点 e3 此三元系可分为两个独立的子三元系： A-B-D系 、A-C-D系 ； 子三元系为具有简单简单 三元共晶点的相图图； 位于各分三角形内的物系点的结晶过程在 各自的三角形内完成。 面、线、点分析 结晶过程分析 A C DB 20 2.2.3 2.2.3 具有一个稳定三元化合物的相图具有一个稳定三元化合物的相图 面：A、B、C、D四个组元的初晶面 线：九条二元共晶线 点：三个三元共晶点E1、E2、E3 三个鞍心点e4、e5、e6 此三元系可分为三个独立的子三元系： A-B-D系，A-C-D系，B-C-D系；
11、 子三元系为具有简单简单 三元共晶点的相图图； 位于各分三角形内的物系点的结晶过程 在各自的三角形内完成。 面、线、点分析 结晶过程分析 21 2.2.4 2.2.4 具有一个不稳定二元化合物的相图具有一个不稳定二元化合物的相图 面、线、点分析 不稳定二元化合物三元相图不稳定二元化合物三元相图 22 2.2.4 2.2.4 具有一个不稳定二元化合物的相图具有一个不稳定二元化合物的相图 面：A、B、C、D四个组元的初晶面 线：五条相界线 e1E：二元共晶线 LB+C e2P：二元共晶线 LA+C e3E：二元共晶线 LB+D PP：二元包晶线（转熔线） L+AD PE：二元共晶线 LC+D 点：
12、三元共晶点E，LE=B+C+D 三元包晶点（转熔点）P：LP+A=C+D 面、线、点分析 A B C D 23 结晶过程分析 a 24 a点杠杆规则的应用举例： 刚到E点时，固、液相重量各为多少？（总重量为W） 固相中B、D重量各为多少？ 25 b1 26 27 28 29 30 三元相图分析方法要点： 物系点位置不变，改变的是液固相组成 任意时刻，液、固相总组成点与物系点共线 物系点所在的初晶面（结晶面），是最先析出的组元 物系点所在的三角形，决定了液相最终消失的四相点， 也决定了最终的固相由哪三个组元组成 31 具有一个不稳定三元化合物的三元系相图 A B 32 L 上课练习 P1 M 3
13、3 具有一个液相分层区的相图 34 具有一个液相分层区的相图 AB C M a bc d d c b m1 m2 a E m A B C L La Lb 35 2.3 2.3 三元相图中线和无变量点的性质及确定法三元相图中线和无变量点的性质及确定法 36 2.3.2 2.3.2 连接线连接线 有相界线（边界线）的组分才能做连接线。 连接线规则 若连接线与相界线相交，则： a 交点是相界线上的温度最高点； b 化合物D在其初晶面内，是一个稳定化合物； c 连接线分三角形为两个独立的三元系； d 两个四相平衡点分别在它们的三角形内。 若连接线与相界线不相交，则： a 相界线（PE）向背离连接线（C
14、D）的方向倾斜； b 化合物D不在其初晶面内，是一个不稳定化合物； c 连接线把三元系分为两个部分，但两部分不独立； d BCD内无四相平衡点，其四相平衡点P在相邻 的三角形内，是包晶点：LP+B=C+D 2.3.1 2.3.1 线的种类线的种类 相界线（边界线），连接线 2.3 2.3 三元相图中线和无变量点的性质及确定法三元相图中线和无变量点的性质及确定法 37 2.3 2.3 三元相图中线和无变量点的性质及确定法三元相图中线和无变量点的性质及确定法 2.3.3 2.3.3 相界线（边界线）相界线（边界线） 液相面的交线称为相界线，有两类： 共晶线：LS1+S2 包晶线：L+ S1S2 性
15、质确定：切线规则 38 切线规则示意图 分界线上任意一点所代表的熔体，在结晶瞬间析出的固相成分，由该 点的切线与相成分点的联线的交点来表示。当交点位于相成分点之间 ，则这段分界线是低共熔线；当交点位于相成分点之外则这段分界线 是转熔线；当交点在相成分点上，则该点为转熔共晶的分界点。 2.3 2.3 三元相图中线和无变量点的性质及确定法三元相图中线和无变量点的性质及确定法 39 40 41 二元化合物D在二元系中是稳定的，在三元系中是不稳 定的化合物。 e4N：共晶线，LB+D NP：包晶线，L+BD 2.3 2.3 三元相图中线和无变量点的性质及确定法三元相图中线和无变量点的性质及确定法 42
16、 二元化合物D在二元相图中是不稳定的，在三元相图中是稳定的化合物。 PN：包晶线线，L+BD NE2：共晶线，LB+D 2.3 2.3 三元相图中线和无变量点的性质及确定法三元相图中线和无变量点的性质及确定法 43 2.3 2.3 三元相图中线和无变量点的性质及确定法三元相图中线和无变量点的性质及确定法 2.3.4 2.3.4 无变量点的确定方法无变量点的确定方法 P:P:双升点双升点 44 2.3 2.3 三元相图中线和无变量点的性质及确定法三元相图中线和无变量点的性质及确定法 2.3.4 2.3.4 无变量点的确定方法无变量点的确定方法 作业：新版作业：新版2,3.42,3.4，要求：，要求： 具有一个不稳定三元化合物的三元系相图 45 9.4 9.4 导电性
