冶金原理课件1.ppt

1、2.2.1 重要的二元熔渣系相平衡图一、一、CaO-SiO2 二元系二元系体系特点体系中有四个化合物硅酸三钙：3CaOSiO2（C3S）一致熔融正硅酸钙：2CaOSiO2（C2S）不一致熔融二硅酸三钙：3CaO2SiO2（C3S2）不一致熔融偏硅酸钙：CaOSiO2（CS）一致熔融返回体系特点（续）一致熔融化合物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 1900C时，C3S -C2S+CaO。C2SCS系转熔型含有一个不一致熔融化合物C3S2（1475 C）CSSiO2系包含一液相分层的低共熔型液相分层区：SiO2 7499.

2、4%，T 1700C。图222 图222 体系特点（续）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。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(1)体系特点（续）图中水平线可分为五大类低共熔线：3条（2065C，1455C，1436C）转熔线：1条（1475C）偏晶线

3、：l条（1700C）固相分解线：2条（1250C，1900C）晶型转变线：6条（1470C，1420C，1210C，870C，725C，575C）图222 体系特点（续）各种钙硅酸盐的熔化温度都很高熔化温度不超过 1600C的体系只局限于含 3259%CaO范围内。超过 50%CaO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。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。图222 二、二、Al2O3-SiO2 二元系二元系历史回顾莫来石 3Al2O32SiO2（A3S2）是否一致熔融化合物?当试

4、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。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 71.87 7.5%Al2O3；常以化合物 A3S2的组成点表示固溶体的组成。体系特点体系中生成一个一致熔融化合物A3S2，具有确定的熔点（1850C）。A3S2将SiO2Al2O3二元系划分成两个子二元系SiO2A3S2和A3S2Al2O3。SiO2A3S2子二元系：简单低共熔型，低共熔温度1595C。A3S2Al2O3子二元系：简单低共熔型

5、，低共熔温度1840C。莫来石质（A3S2）及刚玉质（A12O3）耐火砖可作为性能优良的耐火材料。三、三、CaO-Al2O3 二元系二元系体系特点3个一致熔融化合物将体系分解为4个独立的二元系12CaO7Al2O3（Cl2A7）或 5CaO3 Al2O3（C5A3）CaOAl2O3（CA）CaO2Al2O3（CA2）2个不一致熔融化合物3CaOAl2O3（C3A）CaO6Al2O3（CA6）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 C。在CaO含量为4552%范围内，本体系能在1450 1550C温度范围内出现液相区 配制的炉外合成渣常选择这一成分范围。四、四、FeO-SiO

6、2 二元系二元系体系特点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1205C。该化合物熔化时不稳定，分解为偏硅酸亚铁：2FeOSiO2+SiO2=2(FeOSiO2)Hm0T 1205C时，反应向左进行。FeOSiO2（FS）仅存在于熔体中，不会在熔度图中出现。返回体系特点（续）F2S将FeOSiO2二元系分成SiO2F2S和F2SFeO两个分二元系。F2SFeO分二元系：简单低共熔型，低共熔温度1180C。SiO2F2S分二元系：靠近SiO2一侧，当温度高于1698C时，体系中出现一个很宽的液相分层区；此分二元系包含一个低共熔点（1175C）。体系中还存

7、在一些高价铁的氧化物，如Fe2O3或Fe3O4。图225 附：Fe2O3含量的折算FeO为非定组成化合物，而是溶解有Fe3O4的固溶体，其中一部分Fe以Fe2O3形态存在；FeO的硅酸盐熔化后易分解：3FeO=Fe2O3+Fe，FeO容易氧化为Fe2O3；在大气压力下，沿液相线温度，相应组成的熔体中含有的Fe2O3由正硅酸铁（F2S）处的2.25%增高至纯FeO处的11.56%；在作该二元系状态图时，须将Fe2O3折算为FeO：(%FeO)=%FeO+y(%Fe2O3)%FeO 体系中FeO（Fe2+）的化学分析数据（重量百分数）；%Fe2O3 体系中Fe2O3（Fe3+）的化学分析数据（重量

8、百分数）；y 折算系数。图225 全氧折合法3FeO Fe2O3+Fey全氧 215.55/159.7=1.35全铁折合法2FeO (1/2)O2 Fe2O3y全铁 143.7/159.7=0.9通常采用全铁折合法在相平衡实验中或取样分析过程中，试样（特别是表面层）中的低价铁很可能部分地被空气氧化为高价铁。体系特点（续）当SiO2含量为30%左右时，亚铁硅酸盐炉渣的熔化温度约为1200C。理论上，这样的熔化温度符合有色金属矿物的造流熔炼及还原熔炼的要求。实际选用的炉渣中，FeO含量不宜过高。这种熔渣的比重大，不利于渣锍或渣金属的分离。随FeO含量增加，重金属硫化物在渣中的溶解度（损失）增大。用

9、高铁质碱性炉渣进行还原熔炼时，FeO也可能部分地被还原为金属铁，可能造成炉缸积铁。加入CaO，改善炉渣的性能。图225 五、五、CaO-FeO 二元系二元系体系特点此体系不是一个真正的二元系，而是与金属铁平衡的CaOFeOFe2O3三元系相图在CaOFeO边的投影。体系中有一个不一致熔融化合物2CaOFe2O3，分解温度1133C。2CaOFe2O3与FexO形成低共熔体，低共熔温度1125C。六、六、CaO-Fe2O3 二元系二元系体系特点两性氧化物Fe2O3与CaO形成一个一致熔融化合物：2CaOFe2O3（C2F），熔点1449C。2个不一致熔融化合物：CaOFe2O3（CF）和CaO2

10、Fe2O3（CF2）CaOFe2O3：分解温度1218C；CaO2Fe2O3仅在11501240C范围内稳定存在。CF和CF2的熔化温度均在1440C以下 Fe2O3是石灰（CaO）的有效助熔剂。1、CaO-Al2O3-SiO2三元系的应用冶金炉渣如高炉炼铁炉渣、铸钢保护渣、炉外精炼渣、锡电炉炉渣、氧化铝生产熟料硅酸盐领域如耐火材料、玻璃、水泥、陶瓷返回化 合 物 熔点或分解温度/C 化 合 物 熔点或分解温度/C 钙长石 CAS2 1553 莫来石 A3S2 1850 铝方柱石 C2AS 1593 铝酸三钙 C3A 1535(分解)硅灰石 CS 1544 C12A7 1455 硅钙石 C3S

11、2 1475(分解)铝酸钙 CA 1605 硅酸二钙 C2S 2130 二铝酸钙 CA2 1750 硅酸三钙 C3S 1900(分解)六铝酸钙 CA6 1830(分解)表21 CaOAl2O3SiO2系中的化合物 图229 无变点 对应子三角形 性 质 相 平 衡 关 系 温度/C 1 S-CS CAS2 低共熔 L=CAS2+S+-CS 1170 2 CAS2C2AS-CS 低共熔 L=CAS2+C2AS+-CS 1310 3 C2ASC3S2-CS 低共熔 L=C2AS+C3S2+-CS 1380 4 C3S2C2ASC2S 转熔 L+C2S=C3S2+C2AS 1315 5 C2SC2A

12、SCA 转熔 L+C2AS=C2S+CA 1380 6 C2SCAC12A7 低共熔 L=C2S+CA+C12A7 1335 7 C2SC3AC12A7 低共熔 L=C2S+C3A+C12A7 1335 8 C3SC2S C3A 转熔 L+C3S=C2S+C3A 1455 9 CC3S C3A 转熔 L+C=C3S C3A 1470 10 C2ASCACA2 低共熔 L=C2AS+CS+CA2 1505 11 C2ASCA2CA6 转熔 L+CA2=C2AS+CA6 1475 12 CAS2C2ASCA6 低共熔 L=CAS2+C2AS+CA6 1380 13 ACAS2CA6 转熔 L+A=

13、CAS2+CA6 1495 14 ACAS2A3S2 转熔 L+A=CAS2+A3S2 1512 15 SCAS2 A3S2 低共熔 L=CAS2+A3S2+S 1345 表表2 2 CaO Al2O3 SiO2系中的无变点系中的无变点 图图2 29 图229 图229 体系中共有4个一致熔融化合物和2个不一致熔融化合物：(1)硅灰石CaOSiO2(CS)，熔点1544C；(2)正硅酸钙2CaOSiO2(C2S)，熔点2130C；(3)铁橄榄石2FeOSiO2(F2S)，熔点1208C；(4)钙铁橄榄石CaOFeOSiO2(CFS)，熔点1230C。(5)硅钙石3CaO2SiO2(C3S2)，

14、1464C分解；(6)硅酸三钙3CaOSiO2(C3S)，12501900C间稳定。靠近CaO顶角和SiO2顶角的区域，其熔化温度都很高。CaOSiO22FeOSiO2联结线上靠近铁橄榄石的一个斜长带状区域是该三元系熔化温度比较低的区域。相图特点（续）4、氧气顶吹转炉炼钢过程中初渣和终渣成分范围的选择 氧气顶吹转炉炼钢炉渣可简化为CaOSiO2FeO三元系。吹炼初期，铁水中的硅，锰、铁氧化，迅速形成含FeO很高的初渣L点。随着温度上升，渣中FeO含量增加，造渣料中的石灰（脱磷和脱硫）逐渐溶于初渣，熔渣成分沿着LS连线向S点移动。u炉渣成分在LO1线段内，石灰完全溶解，形成液态渣。u炉渣成分位于

15、C2S初晶区内（如O2点），石灰块表面形成致密的C2S壳层，阻碍熔渣对石灰块的溶解。u为了加速石灰块的溶解或造渣，须采取适当措施。u加速石灰块的溶解或造渣的主要措施：降低炉渣熔化温度提高熔池温度加入添加剂或熔剂（如MgO、MnO、CaF2、Al2O3、Fe2O3）等。增大渣中FeO含量显著降低C2S初晶面的温度；破坏C2S壳层，促进石灰块的溶解。一般转炉吹炼初期渣的组成位于图中的A区；根据工艺要求（主要是脱除磷和硫），终渣成分需达到图中的B区。炉渣成分可沿1和2两条不同的途径从A区变化到B区。当炉渣中FeO含量缓慢增加时，炉渣成分将沿途径1到达B区，即通过液固两相区（L+C2S）。炉渣粘度较大，处于“返干状态”，不利于脱磷和脱硫。当渣中FeO含量增加的速度比较快时，熔渣成分在液相区内沿途径2到达B区。熔渣的粘度比较小，有利于磷、硫的脱除。炉渣中FeO含量的增加速度直接影响到熔渣的状态、性质以及杂质的脱除效果。返回 IIIIVIII图236 图236 二二、Fe S 二二元系相图元系相图返回图242 图242 图242