重庆大学-冶金原理-第4章ppt(1)

1、1引言引言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 钢铁冶金主要二元渣系相图钢铁冶金主要二元渣系相图 三元渣系的相图三元渣系的相图 熔渣的结构理论熔渣的结构理论012342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。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。组成组成0分类分类 冶炼渣（还原渣）：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。成的炉渣，称为冶炼渣。如：冶炼铁矿石得到的高炉渣。 富集渣：富集渣：将原料的某些有用成分富集于炉渣中，

2、以利用下道工序将其回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。钒、生铁得到的钒渣、铌渣等。 合成渣：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，保护渣，炉外精炼用渣。称为合成渣。如：电渣重熔用渣，保护渣，炉外精炼用渣。 精炼渣（氧化渣）：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。精炼粗金属如用生铁冶炼成钢产生的炉渣，

3、称为精炼渣。 304炉渣是多种氧化物构成的熔体。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：主要的二元渣系相图： 炉渣化学成分：炉渣化学成分： CaO-SiO2 ；Al2O3-SiO2 ；CaO-Al2O3 ；FeO-SiO2 ；CaO-Fe2O3 复习复习15稳定化合物稳定化合物(同份熔化化合物同份熔化化合物)：偏硅酸钙偏硅酸钙CaOSiO2（CS）正硅酸钙正硅酸钙2CaOSiO2（C2S）。）。不稳定化合物不稳定化合物(异份熔化化合物异份熔化化合物)：硅酸三钙硅酸三钙3CaOSiO2（C3S） 二硅酸三钙二硅酸三钙3

4、CaO2SiO2（C3S2）。）。 6C-C2S：具有一个共晶体的相图具有一个共晶体的相图 1250-19000C存在存在C3S，C3S = C+C2SC2S-CS：具有一个不稳定化合物具有一个不稳定化合物C3S2的相图的相图 14750C发生转熔反应（包晶反应）：发生转熔反应（包晶反应）： L+C2S = C3S2CS-S：液相有分层现象液相有分层现象 L1S在在CS相内的饱和熔体相内的饱和熔体 L2CS在在S内的饱和熔体。内的饱和熔体。三个分相图：三个分相图：C-C2S，C2S-CS，CS-S7一个不稳定化合物：莫来石一个不稳定化合物：莫来石3Al2O3.2SiO2(A3S2)，可溶解微量

5、的可溶解微量的Al2O3形成的固溶体。形成的固溶体。三个同份熔化化合物：三个同份熔化化合物：C12A7、CA、CA2，两个异份熔化化合物：两个异份熔化化合物：C3A、CA6。一个同份熔化化合物：铁橄榄石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高浓度端有液相分层 二个异份熔化化合物：二个异份熔化化合物： CaO.Fe2O3、CaO.2Fe2O3一个同份熔化化合物一个同份熔化化合物:2CaO.Fe2O3、。、。 8体系有三个独立变量：体系有三个独立变量： 温度及任意两个组分浓度。温度及任意两个组分浓度。三元相图表示方法：三元相图表示方法： 以等边三角形表

6、示三个组分浓度的变化，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。以垂直坐标轴表示温度。 29含义含义 三顶点三顶点A、B、C：表示体系的纯组分。：表示体系的纯组分。三条边：分别为三个二元系。三条边：分别为三个二元系。三角形内的点：三元系的组成点。三角形内的点：三元系的组成点。 物系点浓度的读取方法物系点浓度的读取方法 ( (1) )过过O作作BC、CA、AB边的垂线，长度为边的垂线，长度为a、b、c %100cbaaA%100cbabB%100cbacC10( (2) )过过O作作BC、CA、AB边的平行线边的平行线aa、bb、cc A= a ，B= b ，C= c 11等含

7、量规则：等含量规则：平行于一边的直线上，各物系点所含对应顶角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。组分的浓度相同。 等比规则：等比规则： 任一顶角与对边点的连线上各点组成中，其两旁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。顶角组分的浓度比相同。 背向规则：背向规则：若物系点降到若物系点降到O点温度时开始析出点温度时开始析出C，则液相线向，则液相线向CO延长线向移动，而其他两组分（延长线向移动，而其他两组分（A，B）的浓度）的浓度比保持不变。比保持不变。 FE12直线规则：直线规则：原物系点重量分别为原物系点重量分别为m，n，混合后形成新，混合后形成新物系

8、点物系点O，则：，则：O必位于必位于M，N连线上连线上 。mnNOMO此规则亦适用于一个相分解为两个相。如此规则亦适用于一个相分解为两个相。如O点重量为点重量为W，分解为，分解为M，N两相，则两相，则M，O，N必位于同一条直线上必位于同一条直线上 。WMNNOmWMNMOnWnm13重心规则：重心规则：原物系点原物系点M1，M2，M3的重量分别为的重量分别为m1，m2，m3 ，混合后形成新物系点混合后形成新物系点M，则，则M必位于连线三角形必位于连线三角形M1 M2 M3的重心上。的重心上。重心重心如何求出？如何求出？此规则亦适用于一个相分解为三个相的计算。如，此规则亦适用于一个相分解为三个相

9、的计算。如，M分解分解为为M1、M2、M3三个新相时，则有：三个新相时，则有： mammam11mbmmbm22mcmmcm33mmmm32114交叉位规则：交叉位规则：15共轭位规则：共轭位规则：mp=m3-(m1+m2)L+(S1+S2)=S3M16初晶面：初晶面：组分从液相析出固相的面，固液两相平衡共存组分从液相析出固相的面，固液两相平衡共存 L S1，自由度：自由度： f = C-+1= 3-2+1=2二元共晶线：二元共晶线：液相面两两相交的交线，两个固相组分同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，时从液相结晶析出，三相共存， L S1+S2 。自由度：自由度

10、：f = C-+1=3-3+1 = 1 三元共晶点（无变量点）：三元共晶点（无变量点）：三条二元共晶线的交点，三三条二元共晶线的交点，三个组分同时从液相析出，四相共存，个组分同时从液相析出，四相共存， L = S1+S2+S3 。自由度：自由度：f = C-+1= 3-4+1=0。连接线：连接线：两个纯组分组成点的连接线两个纯组分组成点的连接线 。边界线（相界线）：边界线（相界线）：两个结晶面（液相面）的交线两个结晶面（液相面）的交线 17EABCe1e2e3Ee2e1e3tAtBtC18简单共晶体相图的等温截面图简单共晶体相图的等温截面图接界规则接界规则L19面：面：三个组分三个组分A、B、

11、C的初晶面的初晶面线：线：三条二元共晶线三条二元共晶线 e1E(LA+B) e2E(LA+C) e3E(LB+C)点：点：E为三元共晶点为三元共晶点 (LE=A+B+C)结晶过程分析结晶过程分析面、线、点分析面、线、点分析ACBA初初B初初E20面：面：A、B、C、D四个组元的四个组元的初晶面初晶面线：线：六条二元共晶线六条二元共晶线 点：点：两个三元共晶点两个三元共晶点E1、E2鞍心点鞍心点 e3此三元系可分为两个独立的子三元系：此三元系可分为两个独立的子三元系： A-B-D系系 、A-C-D系系 ；子三元系为子三元系为具有简单三元共晶具有简单三元共晶点点的相图的相图； 位于各分三角形内的物

12、系点的结晶过程在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。各自的三角形内完成。 面、线、点分析面、线、点分析结晶过程分析结晶过程分析ACDB21面：面：A、B、C、D四个组元的初晶面四个组元的初晶面线：线：九条二元共晶线九条二元共晶线 点：点：三个三元共晶点三个三元共晶点E1、E2、E3 三个鞍心点三个鞍心点e4、e5、e6 此三元系可分为三个独立的子三元系：此三元系可分为三个独立的子三元系： A-B-D系，系，A-C-D系，系，B-C-D系；系；子三元系为子三元系为具有简单三元共晶具有简单三元共晶点点的相图的相图；位于各分三角形内的物系点的结晶过程位于各分三角形内的物系点的结

13、晶过程 在各自的三角形内完成。在各自的三角形内完成。 面、线、点分析面、线、点分析结晶过程分析结晶过程分析22面、线、点分析面、线、点分析23面：面：A、B、C、D四个组元的初晶面四个组元的初晶面线：线：五条相界线五条相界线 e1E：二元共晶线：二元共晶线 LB+Ce2P：二元共晶线：二元共晶线 LA+Ce3E：二元共晶线：二元共晶线 LB+DPP：二元包晶线（转熔线）：二元包晶线（转熔线） L+ADPE：二元共晶线：二元共晶线 LC+D 点：点：三元共晶点三元共晶点E，LE=B+C+D 三元包晶点（转熔点）三元包晶点（转熔点）P：LP+A=C+D 面、线、点分析面、线、点分析ABCD24结晶

14、过程分析结晶过程分析a 25a点杠杆规则的应用举例：点杠杆规则的应用举例： 刚到刚到E点时，固、液相重量各为多少？点时，固、液相重量各为多少？（总重量为（总重量为W） 固相中固相中B、D重量各为多少？重量各为多少？ aEaaWWSL2WWWSL22BaDaWWDBSDBWWW26b12728293031三元相图分析方法要点：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初晶面（结晶面），是最先析出的组元 物系点所在的

15、三角形，决定了液相最终消失的四相点，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也决定了最终的固相由哪三个组元组成 32具有一个不稳定三元化合物的三元系相图具有一个不稳定三元化合物的三元系相图 AB33L上课练习上课练习P1MNoImageNoImage34 具有一个液相分层区的相图具有一个液相分层区的相图35 具有一个液相分层区的相图具有一个液相分层区的相图ABCMabcddcbm1m2aEmABLLa Lb3637有相界线（边界线）的组分才能做连接线。有相界线（边界线）的组分才能做连接线。连接线规则连接线规则 若连接线与相界线相交，则：若连接线与相界线

16、相交，则： a 交点是相界线上的温度最高点；交点是相界线上的温度最高点； b 化合物化合物D D在其初晶面内，是一个稳定化合物；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；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。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：若连接线与相界线不相交，则： a 相界线（相界线（PE）向背离连接线（）向背离连接线（CD）的方向倾斜；）的方向倾斜； b 化合物化合物D D不在其初晶面内，是一个不稳定化合物；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

17、立；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，其四相平衡点内无四相平衡点，其四相平衡点P在相邻在相邻 的三角形内，是包晶点：的三角形内，是包晶点：LP+B=C+D 相界线（边界线），连接线相界线（边界线），连接线 38液相面的交线称为相界线，有两类：液相面的交线称为相界线，有两类： 共晶线：共晶线：LS1+S2 包晶线：包晶线：L+ S1S2 性质确定：切线规则性质确定：切线规则 39切线规则示意图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

18、示。当交点位于相成分点之间，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，则该点为转熔转熔线；当交点在相成分点上，则该点为转熔共晶的分界点。共晶的分界点。404142二元化合物二元化合物D在二元系中是稳定的，在三元系中是不稳在二元系中是稳定的，在三元系中是不稳定的化合物。定的化合物。 e4N：共晶线，：共晶线，LB+D NP：包晶线，：包晶线，L+BD 43二元化合物二元化合物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在二

19、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：包晶线，L+BD NE2：共晶线，共晶线，LB+D 4445具有一个不稳定三元化合物的三元系相图具有一个不稳定三元化合物的三元系相图 464748典型三元相图典型三元相图49简单三元共晶相图简单三元共晶相图缓冷过程分析缓冷过程分析abcdd50简单三元共晶相图简单三元共晶相图缓冷过程分析缓冷过程分析P1ALA（S）L、A （S）2ABCe1e2e3Ebab1P液液相相 固固相相 相相变变化化 共共存存相相 f1ALA（S） + B（S）L、A （S） 、 B（S）11EAbLA（S） + B（S）L、A （S） 、 B（S）1Eb

20、PLA（S） + B（S） + C（S）L、A （S） 、 B（S） 、C（S）051525354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55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5657三元系中的线与点三元系中的线与点D58三元系相界线与连接线三元系相界线与连接线5960利用相图选择合适的材料利用相图选择合适的材料 1-硅砖硅砖 2-普通酸性耐火材料普通酸性耐火材料 3-普通中性耐火材料普通中性耐火材料 4-刚玉质高级耐火材料刚玉质高级耐火材料 5-铝酸盐水泥铝酸盐水泥 6-硅酸盐水泥硅酸盐水泥7-碱性渣成分碱性渣成分 8-高炉渣成分高炉渣成分 9-硅酸盐玻

21、璃硅酸盐玻璃 61利用相图计算某种组成的熔渣凝固后的相成分利用相图计算某种组成的熔渣凝固后的相成分 6263641400CaO-Al2O3-SiO2系等粘度曲线图系等粘度曲线图 (单位：泊单位：泊)651500CaO-Al2O3-SiO2系等粘度曲线图系等粘度曲线图 (单位：泊单位：泊)661400CaO-FeO-SiO2系等粘度曲线图系等粘度曲线图 (单位：泊单位：泊)676869EABCe1e2e3Ee2e1e3tAtBtC二元初晶线：26条70初晶区：2三个EABCe1e2e3Ee2e1e3tAtBtC71二元共晶线：33条EABCe1e2e3Ee2e1e3tAtBtC)()( , )(

22、)( , )()( , 121sAsCLEesCsBLEesBsALEe72二元共晶点：33个三元共晶点：41个固相面LE=A（s）+B （s） +C （s）EABCe1e2e3Ee2e1e3tAtBtC737475化合物化合物晶体结构晶体结构密度（密度（g/cm3）熔化温度（熔化温度（）显微硬度显微硬度（kg/mm2）Al2O3三角系三角系3.9620523750CA6立方系立方系3.2818502200CA2单斜晶系单斜晶系2.9117501100CA立方体立方体2.981605930C12 A7立方体立方体2.831455C3A立方体立方体3.041535CaO立方体立方体3.34257

23、0400CaS立方体立方体2.502450不同钙铝酸盐性能不同钙铝酸盐性能ACA6 CA2 CA C12A7 C3ATundish StopperSubmerged Nozzle7677CaO.2Al2O3SiO2CaOAl2O3ZrO2SBa3.4612.6348.460.590.1480.68低碳含铝钢低碳含铝钢08Al水口结瘤物及成分水口结瘤物及成分优化前优化前优化后优化后3Ca+(Al2O3)=2Al+3(CaO)787980q二元相图基本类型二元相图基本类型8182838485液态部分互溶系统的液液平衡液态部分互溶系统的液液平衡86复杂系统复杂系统871）单相区：）单相区：A,B两组

24、分能形成溶液或固溶体的部分。两组分能形成溶液或固溶体的部分。相区内的一点既代表系统的组成和温度；相区内的一点既代表系统的组成和温度； 又代表该相的组成和温度。又代表该相的组成和温度。2）两相区：）两相区：处于两个单相区或单相线之间。处于两个单相区或单相线之间。相区内的一点只代表系统的组成相区内的一点只代表系统的组成和温度；结线两端点代表各相的和温度；结线两端点代表各相的组成和温度。组成和温度。OMNKOMN88两相区内适用杠杆规则两相区内适用杠杆规则OMNK893)凡是曲线都是两相平衡线凡是曲线都是两相平衡线。线上的一点为相点，表。线上的一点为相点，表示一个平衡相的状态。示一个平衡相的状态。4

25、)凡是垂直线都可看成单组分凡是垂直线都可看成单组分纯物质。纯物质。 如果是稳定化合物：如果是稳定化合物： 垂线顶垂线顶端与曲线相交，为端与曲线相交，为极大点极大点； 若是不稳定化合物：若是不稳定化合物：垂线顶垂线顶端与水平线相交，为端与水平线相交，为“T”形形905)凡是水平线基本上都凡是水平线基本上都是是“三相线三相线”。三相线三相线上上f = 0 。冷却时，当物。冷却时，当物系点通过系点通过(两相平衡两相平衡)曲曲线时，步冷曲线上出现线时，步冷曲线上出现一转折：当物系点通过一转折：当物系点通过三相线时，步冷曲线上三相线时，步冷曲线上出现平台；出现平台；(三相线的两三相线的两端点除外端点除外)。92基本原理：二组分体系 ，指定压力不变，2C31*Cf12*f双变量体系21*f单变量体系30*f无变量体系首先将二组分体系加热熔化，记录冷却过程中温度随时间的变化曲线，即步冷曲线（cooling curve）。当体系有新相凝聚，放出相变热，步冷曲线的斜率改变。，出现转折点； ，出现水平线段。据此在T-x图上标出对应的位置，得到低共熔T-x图。*1f*0f*2f*1f*1f*0fTt939495BCN00.81.0233253273293313333353373T/Kp2H O424(NH ) SO424(NH ) SO 的的 质质 量量 分分