有色金属冶金原理

有色金属冶金基础

（火法冶金部分）王兆文绪言有色金属：除铁、锰、铬以外的金属。有色金属冶金原理的任务：研究和确定各种有色金属冶金过程所遵循的具有普遍意义的内在规律，从而为发展新工艺和改造老工艺以及为有预见性地控制现有生产提供理论依据。回答三个问题：过程进行在原则上是否可行。过程以什么速度进行。过程何时停止或达到平衡。目录第一章冶金炉渣第二章化合物的离解-生成反应第三章氧化物的还原第四章硫化矿的火法冶金第五章氧化物和硫化物的火法氯化第六章粗金属的火法精炼第七章熔盐电解第一章冶金炉渣

第一节概述第二节炉渣的组成第三节炉渣系二、三元状态图第四节熔融炉渣的结构第五节熔融炉渣的物理化学性质第六节炉渣的活度第一节概述炉渣：熔化后称熔渣，是火法冶金的一种产物。其组成主要来自矿石、溶剂和燃料灰分中的造渣成分。主要是氧化物。炉渣的作用：主要作用是使矿石和溶剂中的脉石和燃料中的灰分集中，并在高温下与主要的冶炼产物金属、锍等分离。炉渣的作用：熔渣是一种介质，在其中进行着许多极为重要的冶金反应。金属在炉渣中的损失主要决定于这些反应的完全程度。在炉渣中发生金属液滴或锍液滴的沉降分离，沉降分离的完全程度对金属在炉渣中的机械夹杂损失起着决定性作用。对鼓风炉这一类竖炉来说，炉内可能达到的最高温度决定于炉渣的熔化温度。在金属和合金的熔炼和精炼时，炉渣与金属熔体的组分相互进行反应，从而可以通过炉渣对杂质的脱除和浓度加以控制。在某些情况下，炉渣不是冶炼厂的废弃物，而是中间产物。在用矿热式电炉冶炼时，炉渣以及电极周围的气膜起着电阻作用，并可用调节电极插入深度的方法来调节电炉的功率。第二节炉渣的组成炉渣的组成极为复杂。常由5-6种氧化物组成。最多的氧化物一般为三种，占炉渣总量的80%以上。炉渣按组成可分三类：碱性氧化物：CaO、MnO、FeO、MgO等。这类氧化物能提供氧离子O2-。CaO=Ca2++O2-酸性氧化物：SiO2、P2O5等。这类氧化物能吸收氧离子而形成洛合阴离子。SiO2+O2-=SiO42-两性氧化物：Al2O3、ZnO等。这类氧化物在酸性氧化物过剩时可供给氧离子而呈碱性，在碱性氧化物过剩时，则会吸收氧离子形成洛合阴离子而呈酸性。

Al2O3=2Al3++3O2-Al2O3+O2-=2AlO2-炉渣酸碱度的表示：常用硅酸度和碱度来表示。硅酸度=酸性氧化物中氧的质量之和/碱性氧化物中氧的质量之和。碱度=氧化钙（%质量）/氧化硅（%质量）例题：某铅鼓风炉还原炉渣成分为SiO236%、CaO10%、FeO40%、ZnO8%。酸性氧化物：SiO236碱性氧化物：CaO、FeO、ZnO炉渣的硅酸度=第三节炉渣系二、三元状态图有色金属冶金的炉渣和钢渣主要由FeO、CaO、SiO2三种氧化物组成。高炉渣和电炉炼锡炉渣，铝土矿烧结熟料等主要由CaO、Al2O3、SiO2三种氧化物组成。所以主要研究这两个三元系，及相关的二元系。相率F=c-φ+2f——自由度数：即在温度、压强、组分浓度等可能影响体系平衡状态的诸变量中，可以在一定范围内任意改变而不会引起旧相消失或新相产生的独立变量的数目。c——独立组元数：即构成平衡体系所有各相组成所需要的最少组分数。Φ——相数：Al2O3-SiO2二元系CaO-Al2O3二元系CaO-SiO2

二元系FeO-SiO2二元系三元系的组成表示法浓度三角形浓度三角形的性质等含量规则等比例规则背向规则直线规则CaO-AlO-SiO三元系是铝冶金、锡冶金、高炉炉渣和各种硅酸盐材料（水泥、玻璃、陶瓷）的基本状态图。体系基本情况：简单化合物三个：S、C、A二元化合物十个：其中稳定5个不稳定5个三元化合物2个：稳定化合物钙长石CAS2和钙铝黄长石C2AS。CaO-AlO-SiO三元系共有15个化合物，故有15个初晶液相面。二元共晶点8个（E）二元包晶点5个（P）二元共晶线23条二元包晶线5条三元共晶点8个三元包晶点7个切线规则：用于判断是共晶线还是包晶线。即在曲线上任一点作切线，该切线必与两平衡固相的组成点的联线或延长线相交，与联线相交的是共晶线，与延长线相交的是包晶线。用等熔化温度曲线，可以查已知成分炉渣的熔化温度。熔化温度的变化是有规律的。即化合物熔点最高，并向二元包晶点、共晶点方向不断降低，再由二元包晶点、共晶点向三元包晶点、三元共晶点方向降低，三元共晶点的熔化温度最低。第四节熔融炉渣的结构炉渣的结构与物理化学性能密切相关目前难于直接测定炉渣的结构，可间接推测。存在两种理论：分子理论和离子理论。一、炉渣结构的分子理论与固态渣相似,熔渣中存在各种简单化合物。熔渣种只有游离化合物才能参与反应认为熔渣是理想溶液，因而渣中游离氧化物的活度可以用摩尔分数表示。分子理论与熔渣间缺乏有机联系，分子理论不能说明熔渣的电导、粘度等性能。二、熔渣结构的离子理论离子理论的建立依据是X射线结构分析统计热力学熔渣的物理化学性质的研究。离子理论的要点熔渣完全由阳离子和阴离子组成，阳离子和阴离子所带电荷总量相等，故熔渣本身不带电。与晶体相同，熔渣中每个离子周围都是异号离子。电荷相同的离子和邻近离子的相互作用力完全相等，与离子种类无关。1.纯氧化物的结构主要是SiO2，CaO，FeO。鲍林第一定律：在阳离子周围形成一个阴离子多面体，阳离子和阴离子半径之和决定阳离子和阴离子之间距离，而配位数取决于半径比。鲍林第二定律：在一配位结构中，公用的边、公用面的存在，会降低这一结构的稳定性。2.氧化物融化后的离解氧化物加热熔化后的离解性能与氧化物的阳离子与阴离子之间的静电引力有关，静电引力与阳离子和阴离子的电荷数成正比，与离子半径和的平方成反比。离子键分数是离子键与离子键加共价键的比值。第五节熔融炉渣的物理化学性质物理化学性质：粘度、表面张力，密度，熔化温度，电导率等。一、熔渣的粘度定义：P=ηF(dV)/(ds)2.熔渣的粘度与成分和温度的关系。二、熔渣的密度固体渣的密度可近似地有组成炉渣的氧化物的密度用加和法计算。三、熔渣的表面张力熔渣的表面张力与组成炉渣的离子间相互作用能有关，可哟离子的静电位来描述。熔渣中静电位小的离子将被静电位大的离子排斥到熔渣表面，使表面质点的配位数趋向饱和，表面过剩能量降低，因而可降低熔渣的表面张力，这种物质就是表面活性物质。