有色冶金原理第一章 - 冶金炉渣汇编

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1、有色冶金原理有色冶金原理 马良 第一章 冶金炉渣 1.1概述 1.2炉渣的组成 1.3炉渣系二、三元状态图 1.4熔融炉渣的结构 1.5熔融炉渣的物理化学性质 1.1概述 炉渣，熔化后称为熔渣，是火法冶金的一种产物，其 组成主要来自矿石，熔剂和燃料灰份中的造渣成份。 不同的熔渣所起的作用是不一样的，根据熔渣在冶炼 过程中的作用，可将其分成冶炼渣、精炼渣、富集渣和合 成渣四类。 1、冶炼炼渣(熔炼炼渣) 是在以矿矿石或精矿为矿为 原料、以粗金属或熔流为为冶炼产炼产 物的熔炼过炼过 程 中生成 的。 主要作用汇汇集炉料(矿矿石或精矿矿、燃料、熔剂剂等)中的全部脉石 成分、灰分 以及大部分杂质杂质

2、，从而使其与熔融的主要冶炼产炼产 物(金属、熔锍锍等)分离。 例如，高炉炼铁炼铁 中，铁矿铁矿 石中的大量脉石成分与燃料(焦炭)中的灰份以及添加 的熔剂剂(石灰石、白云石、硅石等)反应应，形成炉渣，从而与金属铁铁分离。 造锍锍熔炼炼中，铜铜、镍镍的硫化物与炉料中铁铁的的硫化物熔融在一起，形成熔锍锍 ；铁铁的氧化物则则与造渣熔剂剂SiO2及其他脉石成分形成熔渣。 2、精炼炼渣(氧化渣) 是粗金属精炼过程的产物。 主要作用捕集粗金属中杂质元素的氧化产物，使之与主金属 分离。 例如，在冶炼生铁或废钢时，原料中杂质元素的氧化产物与加 入的造渣熔剂融合成CaO和FeO含量较高的炉渣 ，从而除去钢 液中的

3、硫、磷等有害杂质，同时吸收钢液中的非金属夹杂物。 3、富集渣 是某些熔炼过程的产物。 主要作用使原料中的某些有用成分富集于炉渣中，以 便在后续工序中将它们回收利用。 例如，钛铁矿常先在电炉中经还原熔炼得到所谓的高钛 渣，再从高钛渣进一步提取金属钛。 对于铜、铅、砷等杂质含量很高的锡矿，一般先进行造 渣熔炼，使绝大部分锡（90%）进入渣中，而只产出少量集 中了大部分杂质的金属锡，然后再冶炼含锡渣提取金属 锡。 4、合成渣 是指由为达到一定的冶炼目的、按一定成分预 先配制的渣料熔合而成的炉渣。 如电渣重熔用渣、铸钢用保护渣、钢液炉外精 炼用渣等。 这些炉渣所起的冶金作用差别很大。 n例如，电渣重熔

4、渣一方面作为发热体，为精炼提供所需要 的热量；另一方面还能脱出金属液中的杂质、吸收非金属 夹杂物。 n保护渣的主要作用是减少熔融金属液面与大气的接触、防 止其二次氧化，减少金属液面的热损失。 5、熔渣的其它作用 l 作为金属液滴或梳的液滴汇集、长大和沉降的介质冶炼中 生成的金属液滴或流的液滴最初是分散在熔渣中的，这些分散的 微小液滴的汇集、长大和沉降都是在熔渣中进行的。 l 在竖炉(如鼓风炉)冶炼过程中，炉渣的化学组成直接决定了炉缸 的最高温度。对于低熔点渣型，燃料消耗量的增加，只能加大 炉料的熔化量而不能进一步提高炉子的最高温度。 l 在许多金属硫化矿物的烧结焙烧过程中，熔渣是一种粘合剂。

5、烧结时，熔化温度较低的炉渣将细粒炉料粘结起来，冷却后形 成 了具有一定强度的烧结块或烧结球团。 l 在金属和合金的精炼时，熔渣覆盖在金属熔体表面，可以防止金 属熔体被氧化性气体氧化，减小有害气体(如H2、N2)在金属熔体 中的溶解。 6、熔渣的副作用 熔渣对炉衬的化学侵蚀和机械冲刷 大大缩短了炉子的使用寿命 炉渣带走了大量热量 大大地增加了燃料消耗 渣中含有各种有价金属 降低了金属的直收率 1.2 炉渣的组成 熔渣主要由冶金原料中的氧化物或冶金过程中生成的氧化 物组成的熔体。 如CaO、FeO、MnO、MgO、Al2O3、SiO2、P2O5、Fe2O3 除氧化物外，炉渣还可能含有少量其它类型的

6、化合物甚至金属 如氟化物、氯化物、硫化物、硫酸盐等 1.结论 冶金炉渣通常由五、六种或更多的氧化物组成。 炉渣常含有其他化合物，如氟化物、硫化物等。 炉渣中含量最多的氧化物通常只有三种，其总含量可达80%以上。 大多数有色冶金炉渣和钢渣的主要氧化物是: FeO、CaO、SiO2 高炉渣和某些有色冶金炉渣的主要氧化物为: CaO、Al2O3、SiO2 2、常见冶金炉渣的组成 3、熔渣组分的来源 矿石或精矿中的脉石 如高炉冶炼：Al2O3、CaO、SiO2等 为满足冶炼过程需要而加入的熔剂 如CaO、SiO2、CaF2等改善熔渣的物理化学性能 冶炼过程中金属或化合物(如硫化物)的氧化产物 如炼钢：

7、FeO、Fe2O3、MnO、TiO2、P2O5等 造锍熔炼：FeO、 Fe3O4等。 被熔融金属或熔渣侵蚀和冲刷下来的炉衬材料 如碱性炉渣炼钢时，MgO主要来自镁砂炉衬 4、炉渣氧化物 组成炉渣的氧化物可分为三类: 碱性氧化物：能提供氧离子O2-，如CaO、MnO、FeO、 MgO等。 酸性氧化物：能吸收氧离子而形成络合阴离子， 如SiO2、P2O5 两性氧化物：酸性氧化物过剩时可供给氧离子而呈碱 性，而在碱性氧化物过剩时，则又会吸收氧离子形成 络合阴离子而呈酸性。如Al2O3、ZnO等。 5、硅酸度的概念和计算 在有色冶金中，习惯上用酸度（或硅酸度）表示 炉渣的酸碱性。它指炉渣中所有酸性氧化

8、物中氧的质 量之和与碱性氧化物中氧的质量之和之比。用r表示。 一般来说，酸度小于或等于1的渣属于碱性渣； 反之，属于酸性渣。 例：计算成分为：CaO 10%、FeO 40%、SiO2 36%、ZnO 8% 的炉渣的硅酸度。 注意：此渣的 SiO2 含量较高，故其中的两性氧化物可视为 碱性氧化物。 1.3炉渣系二、三元状态图 1.3.1 重要的二元熔渣系相平衡图 一、AI2O3S iO2 二元系 二、CaOSiO2 二元系 三、CaOAI2O3 二元系 四、FeOSiO2 二元系 五、CaOFeO 与 CaO-Fe2O3 二元系 1.3.2 CaOAl2O3SiO3 三元系相平衡图 1.3.3

9、CaOFeOSiO2 三元系相平衡图 1.3.1重要的二元熔渣系相平衡图 一、Al2O3-SiO2二元系 n 莫来石3Al2O32SiO2（A3S2）是否一致熔融化合物? 当试样中含有少量碱金属杂质，或相平衡实验是在 非密闭条件下进行时，A3S2为不一致熔融化合物 ； 当使用高纯试样并在密闭条件下进行实验时，A3S2 为一致熔融化合物。 n 莫来石是否形成固溶体? 莫来石(A3S2)和刚玉(Al2O3)之间能够形成固溶体， 固 溶体的组成范围为71.877.5 % Al2O3； 常以化合物A2S3的组成点表示固溶体的组成。 Al2O3SiO2 系状态图 体系特点 n体系中生成一个一致熔融化合物

10、A3S2，具有确定的熔 点(1850)。A3S2将SiO2 Al2O3二元系划分成两个子二 元系 SiO2A3S2和A3S2Al2O3。 n SiO2A3S2子二元系：简单低共熔型，低共熔温度 1595。 n A3S2Al2O3子二元系：简单低共熔型，低共熔温度 1840。 莫来石质(A3S3)及刚玉质(Al2O3)耐火砖可作为性 能优良的耐火材料。 二、CaOAl2O3二元系 体系特点 n3个一致熔融化合物将体系分解为4个独立的二元系 12CaO7Al2O3(C12A7)或5CaO3Al2O3(C5A3) CaOAl2O3(CA) CaO2Al2O3(CA2) n2个不一致熔融化合物 3Ca

11、OAl2O3(C3A) CaO6Al2O3(CA6) n所有化合物的熔化温度普遍较高，体系的最低熔化温度为1395 。 n在CaO含量为4552 %范围内，本体系能在 14501550 温度范围 内出现液相区。 配制的炉外合成酒常选择这一成分范围。 CaOAl2O3系状态图 CaOAl2O3系状态图 三、CaOSiO2二元系 体系特点 n 体系中有四个化合物 硅酸三钙：3CaOSiO2(C3S)不一致熔融 正硅酸钙：2CaOSiO2(C3S)一致熔融 二硅酸三钙：3CaOSiO2(C3S2)不一致熔融 偏硅酸钙：CaOSiO2(CS)一致熔融 CaOSiO2系状态图 体系特点(续) n 一致熔

12、融化合物C2S及CS将整个相图分为三个独立部分 CaOC2S 系低共熔型 含有一个在低温及高温下均会分解的化合物C3S。 T 1900 时，C3S - C2S + CaO 。 CaOCS 系转熔型 含有一个不一致熔融化合物C3S2(1475) CSSiO2系一包含一液相分层的低共熔型 液相分层区：SiO2 7499.4 %，T 1700 。 体系特点(续) n 一致熔融化合物C2S及CS的稳定程度是不同的。 C2S比较稳定，熔化时只部分分解; CS在熔化时则几乎完全分解。 n 一般而言，可根据化合物组成点处液相线的形状(平滑程度)，近似 推断熔融态内化合物的分解程度。 若化合物组成点处的液相线

13、出现尖峭高峰形，则该化 合物非常稳定，甚至在熔融时也不分解； 若化合物组成点处的液相线比较平滑，则该化合物熔 融时会部分分解; 化合物组成点处的液相线越平滑，该化合物熔融时的 分解程度也越大。 库尔纳柯夫规则 体系特点(续) n 图中水平线可分为五大类 低共熔线：3条（2070，1455， 1436） 转熔线：1条（1475） 偏晶线：一条（1700） 固相分解线：2条（1250，1900） 晶型转变线：6条（1470，1420， 1210，870，725，575） 体系特点(续) n 各种钙硅酸盐的熔化温度都很高 熔化温度不超过1600的体系只局限于含3259 CaO范围内。 超过50 Ca

14、O的体系，熔化温度急剧上升。 高炉渣中CaO含量控制在3550%之间； 有色冶金炉渣CaO含量一般在15%以下。 n CaO的作用 降低炉渣密度、减少重金属硫化物在炉渣中的溶解 度降低金属在炉渣中的损失。 四、FeOSiO2二元系 体系特点 l 体系中有一个一致熔融化合物2FeOSiO2 （F2S，正硅酸铁 或铁橄榄石)，熔点1250。 该化合物熔化时不稳定，分解为偏硅酸亚铁： 2FeOCC + SiO2 = 2(FeOSiO2) Hm 0 T 0 反应的平衡常数及金属液中FeS的活度为 在一定温度下，K为常数，当xCaO增大或xFeO减小时， 均可使aFeS下降，即有利于硫的脱除。 脱硫反应为吸热反应升高温度有利于脱硫反应。 分子理论的应用（续） l 生产实践中发现，下列措施有利于硫的脱除： n 增加渣中CaO含量（即增xCaO、增加炉渣的 碱度）； n 降低渣中FeO含量（即减小xFeO、降低渣的氧 化性） n 提高过程温度 由分子结构理论所得结论与生产实践是一 致的。 分子理论的缺陷 l 不能运用分子理论进行定量计算。 l 分子理论不能解释FeO在脱硫中的作用。 对于脱硫反应，将一定温度下平衡时各组元的活度值代 入上面的平衡常数K表达式中，结果发现K不为常数。 进一步假定熔渣中存在2CaOAl2O3、CaOFe2O3 、 (2CaOS