1、第二章 熔渣、熔劑性質1 2合金熔煉時，2種主要熔體：合金熔體熔融爐渣爐渣的積極作用直接參加冶金反應，例如 脫硫保護合金熔體 阻隔爐氣，避免燒損、氧化、外氣進入爐渣作為傳熱介質熔劑：熔煉鑄造有色合金，要加熔劑。覆蓋著合金熔體，使之和爐氣隔離，對合金起保護作用。這種熔劑叫覆蓋熔劑。吸收合金熔體中的夾雜。稱為精煉熔劑。 這些作用由它們的物理化學性質決定，而這些性質又和它們的結構密切相關。2.1 熔渣結構理論簡介3關于熔渣的結構，有兩種流行的結構理論：分子理論、離子理論一、分子理論結構模型理論體系由固體渣的 為基礎 4分子結構理論要點：1) 構成熔渣的基本質點是各種不帶電的分子。 固體渣中存在著簡單

2、氧化物和復雜氧化物 如： 、 、 、 、 、 簡單氧化物 如： 、 、 、 復雜氧化物2) 每種簡單氧化物與其復雜氧化物之間存在著生成和分解的平衡反應，氧化物與其復雜化合物之間建立化學平衡， 如：反應中物質的濃度由反應離解常數確定3) 只有游離氧化物才能與合金反應。沒有生成復雜化合物的氧化物叫游離氧化物，化合物中的氧化物為結合氧化物。結合氧化物沒有反應能力。4) 可以把熔渣看作理想熔體，服從理想溶液各定律，由氧化物的濃度，即其活度，用摩爾分數表示。自由氧化物的摩爾分數隨溫度和熔渣組成而變化。 對每個氧化物，在渣中有質量平衡關系。 如：5渣中總濃度自由濃度結合物濃度形成復雜氧化物部分6 分子理論

3、的主要優點： 能夠簡明地定性解釋熔渣與合金熔體相互反應的規律。例如：熔渣脫硫能力隨其堿度下降而下降，這是因為只有游離CaO才能脫硫；當酸性氧化物SiO2加入渣中后，產生反應 2CaO+SiO2=2CaOSiO2，游離CaO減少，因而渣的脫硫能力下降。 分子理論的不足之處： 欲知游離氧化物的濃度，需要假設渣中存在各種復雜化合物以及它們的分解程度，而這些假設往往缺乏依據，并需要反復計算其分解程度，使定量計算結果與實際吻合。盡管如此，分子理論由于長期運用于實踐，積累了許多定量計算用的經驗式，仍在一定范圍內適用。7二、離子結構模型理論 建立以 為基礎絕大多數冶金熔渣都屬于多元硅酸鹽。通過X射線直接衍射

4、硅酸鹽熔體表明，熔渣具有離子結構。許多實驗事實也證實了熔渣是離子溶液，即構成熔渣的基本質點是各種陽離子和各種陰離子，這些基本質點間的化學鍵是離子鍵，因而互相作用力具有電化學性質，這就是離子理論的基本觀點。8離子結構模型理論要點：組成熔渣的氧化物在固態時是離子型結構，形成熔渣時 a) 堿性氧化物電離，形成金屬陽離子和陰離子； b) 酸性氧化物則吸收熔體中的氧離子，形成復雜陰離子。 如：9復合陰離子的結構比較復雜，隨熔渣組成及溫度而改變 如：、（n=3、4、6）2.2 熔渣化學性質 一、熔渣的堿度堿度是爐渣的重要化學性質之一。爐渣的其它一些物理化學性質，例如氧化能力、粘度等都與堿度有關。合金熔煉過

5、程中，爐渣堿度對脫硫、脫磷有重大影響。堿度 ：熔渣中堿性氧化物和酸性氧化物濃度的比值，表示爐渣的酸堿性。濃度常采用質量分數，或摩爾分數。10常用簡化公式忽略一些次要氧化物、 、 、 、 等對 的堿當量數 、 、 、 、 等對 的酸當量數11二、熔渣的氧化、還原能力 熔渣的氧化還原能力是指它能向與之接觸的金屬液中 傳遞氧的能力。金屬液與熔渣平衡氧量與實際金屬液含氧量時，渣中的氧能向金屬液中擴散氧化渣時，金屬液的氧能向渣中擴散還原渣 時， 達到平衡中性渣界面渣金屬液平衡氧量對于鋼而言渣中 的活度氧在金屬液和渣中的分配常數2.3 熔渣的物理性質12熔渣的熔化發生在一定的溫度范圍。其熔點指 的溫度。熔

6、化溫度金屬、爐渣的一、熔化性影響熔渣熔點的主要因素在于熔渣的組成。13二、熔渣的粘度熔煉過程要求熔渣有適宜的粘度粘度： 在以不同速度移動著的流體層之間質點相互作用所 產生的內摩擦力。粘度的物理意義：在單位速度梯度下，作用在單位接觸 面積上的內摩擦力。比例常數，稱粘度系數，簡稱粘度，又叫動力粘度。單位為Pas或表示為Ns/m2A 接觸面積；dv/dy速度梯度。141.渣中組元對粘度的影響 熔渣為多元復雜系統，理論尋求定量關系困難，只能通過實際測量，繪制渣系的等粘度圖。在一定溫度下，渣中組元組成和含量不同，粘度會產生變化。不同組元和含量下，粘度可能會相同，連接這些值，即得等粘度曲線。 等粘度曲線圖

7、根據熔煉對粘度的要求，選擇合適的爐渣成份。通過分析等值線的數值、線密度分布，得到粘度變化的定性規律。 渣中組元對粘度的影響，可以由熔渣結構予以定性解釋。液體粘度是液體層發生相對運動所表現出來的一種物理性質，因而與液體內部質點的大小有關。質點越大，移動也困難，液體粘度也越大。熔渣的粘度主要取決于結構較復雜、運動速度較小的陰離子。 酸性渣中復雜離子多，粘度大；堿性氧化物熔點高，固體顆粒多，移動阻力大，粘度大。2.溫度對粘度的影響 酸性渣和堿性渣隨溫度的變化規律不同。 對于含SiO2偏高的均勻相酸性渣，溫度升高，復雜的硅-氧離子離解為較簡單的硅-氧離子，因而粘度下降。對于非均勻相高堿度熔渣，溫度升高

8、，有利于熔化固體顆粒，因而粘度也下降。酸性堿性粘度溫度tT16在粘度改變相同幅度 時，堿性渣的溫度變化大，酸性渣的溫度變化較小.酸性堿性粘度溫度tT不同成分渣，溫度影響不同堿性渣：復雜陰離子較小，移動容易。在液相線以上，粘度較小； 在液相線以下，離子移動快，易于排列成晶體析出。 有細小晶體析出，則成非均相渣，粘度迅速升高。酸性渣 ：復雜的大的陰離子，移動困難，結晶能力差，往往在形成較大的 過冷度時還沒有析出晶體，因此粘度在較低溫度反而比堿性渣小。或：溫度變化相同幅度 時 酸性渣粘度變化小 堿性渣粘度變化大酸性渣操作更穩定堿性渣操作更靈活稱為長渣稱為短渣17r 液體密度，r 氣泡半徑，g重力加速

9、度，s 表面張力三、熔渣的界面性質 金屬與渣的分離、界面吸附、夾雜排除、渣與耐火材料的作用、泡沫渣形成、反應形成新相等等都與界面性質有關。1、界面張力及其測定任何兩相界面都存在張力。液-氣間的界面張力表面張力，通常指液體與其飽和蒸汽或空氣間的表面張力。單位為 mNm-1。某些液態物質的表面張力氣-液 測定方法：氣泡內的壓力p應與被測熔體表面張力s施加于氣泡的壓力和熔體靜壓力相平衡。hp 由表可見，具有金屬鍵的熔體表面張力最大，共價鍵次之，離子鍵更小，分子鍵液體的表面張力最小。這個事實表明，物質界面張力的大小和質點間的相互作用力有關。18從吹出氣泡來看,當氣泡 時半徑最小。通過壓力測量，最大壓力

10、為123計算可得液-液 采用同樣的原理可以測定兩種液體之間的p計算可得s1-2液1液2192、熔渣的界面張力一切物質都有自動降低表面能的趨勢。對于 體系渣 與硅-氧離子的作用力較弱；硅-氧離子總是被排擠到表面層表面活性物質若 的含量增加，硅-氧離子結構變得更復雜，體積更大，與陽離子的作用力更小。 濃度增加，熔體表面層質點和內部質點的作用力減弱，表面張力下降。界面對于多元系熔渣 組元對表面張力的影響，研究還不夠充分！一般：堿金屬氧化物 酸性氧化物 、 、 、 、 氟化物 硫 、 使表面張力增大多元硅酸鹽渣系的表面張力 近似計算組元i的摩爾分數組元i的偏摩爾表面張力，或稱表面張力因素大多數硅酸鹽熔

11、渣的表面張力隨溫度升高而增大，即表面張力的溫度系數為正，ds/dT020四、合金熔煉過程中的潤濕現象1、氣、液、固三象之間潤濕三相達到平衡時楊氏方程潤濕角90,液-固不潤濕；=180，液-固完全不潤濕；90，液-固潤濕； 越小，潤濕越好。=0，液-固完全潤濕。當： 注：氣-液-固三相 通常潤濕指液體對固體而言 其實，氣體對固體一樣存在潤濕。液氣固21對于氣、液、固三相，氣、液都力圖使自己內聚，使對方潤濕固體。氣-固界面張力較大，液體潤濕固體；液-固界面張力較大，氣體潤濕固體。3、氣泡粘附夾雜雜質氣泡氣泡雜質粘附時，一部分氣泡表面A金-氣和一部分夾雜表面A金-雜消失，同時生成新的表面A雜-氣。夾

12、雜粘附氣泡過程中的自由能變化：其中，2、互不相容的兩種液體之間的潤濕若 很小時氣液1液2s1s2金屬液22即若夾雜粘附劑氣泡的過程是自發進行，則 0當故，雜質與金屬液不潤濕，而潤濕氣體，是滿足自發過程的熱力學條件。 增大合金與夾雜的界面張力、減小氣體與雜質之間的界面張力， 都有利于氣體的潤濕夾雜，即有利于氣體粘附雜質。與氣體吸附夾雜同理。選擇精煉劑：能潤濕夾雜而不潤濕金屬液。4、精煉劑吸附夾雜夾雜金屬液精煉劑235、溶劑、熔渣與金屬（合金）的分離 精煉劑、熔渣一方面應當具有吸附和溶解夾雜的能力，還應與合金易發生分離。否則，易于殘留在金屬液中成了夾雜。渣金金渣粘附功小，渣易于金屬分離應大， 、

13、相對較小AAAAAABB（a）（b） 潤濕現象也可用內聚功和粘附功描述。設氣相中有一橫截面為單位面積的液柱，將其分為兩段(a)，則所消耗的功稱為液體A的內聚功W內。若液柱上、下兩部分是互不相溶的兩種液體A和B，則分成兩段(b)所消耗的功稱為粘附功W粘。若A對B的粘附功大于A自身的內聚功，則A將鋪展在B的液面上。以W粘-W內表示A在B表面上的鋪展能力或鋪展系數K。24分離與覆蓋性的界面張力要求有矛盾。解決方法：協調兼顧，或者改變性質，不同渣劑等。熔劑性能對界面張力的要求6、溶劑、熔渣覆蓋金屬（合金）液起覆蓋作用，使金屬液與外氣隔離。要求：密度小、潤濕性好（與金屬液），能形成連續覆蓋層。描述覆蓋性 ，引入鋪展系數K。K大，鋪展性好。熔劑本身的表面