[科普中國]-冶金熔體

介紹

許多高溫冶金過程，如煉鋼、鋁電解、粗銅的火法精煉等，都是在熔融的反應(yīng)介質(zhì)中進行的。另一方面，在諸如高爐煉鐵、硫化銅精礦的造锍熔煉、鉛燒結(jié)塊的鼓風爐熔煉等冶煉過程中，得到的是熔融狀態(tài)的產(chǎn)物和中間產(chǎn)品。我們把這些在火法冶金過程中處于熔融狀態(tài)的反應(yīng)介質(zhì)和反應(yīng)產(chǎn)物(或中間產(chǎn)品)稱為冶金熔體。根據(jù)組成熔體的主要成分的不同，一般將冶金熔體分為四種類型：金屬熔體、冶金熔渣、冶金熔鹽和冶金熔锍。由于熔渣、熔鹽和熔锍的主要成分均為各種金屬或非金屬的化合物，而不是金屬，因此通常又將這三類熔體統(tǒng)稱為非金屬熔體。

冶金熔體的性質(zhì)直接影響到冶煉過程的進行、冶煉工藝的指標以及冶金產(chǎn)品的質(zhì)量等諸多方面。因此，了解冶金熔體的物理化學(xué)性質(zhì)及其與溫度、壓力和組成等因素之間的關(guān)系，對于有效控制和調(diào)節(jié)冶金過程、提高冶金產(chǎn)品的質(zhì)量都具有十分重要的意義。

研究內(nèi)容對于冶金熔體，要研究金屬液、熔渣、熔鹽 及熔鋶等冶金熔體體系的相平衡、性質(zhì)和結(jié)構(gòu)，以及 熔渣與金屬液、熔鹽與金屬液、熔渣與熔鋶之間的 相互作用。研究的內(nèi)容屬于物理性質(zhì)的，有表面張 力、粘度、密度、蒸氣壓和雜質(zhì)、氣體在熔體中的 溶解度等; 屬于電化學(xué)性質(zhì)的，有電導(dǎo)率、遷移 數(shù)、電動勢等; 屬于熱力學(xué)性質(zhì)的，有焓、熱容、 熵和活度等。屬于動力學(xué)及傳遞性質(zhì)的，有擴散系 數(shù)、傳質(zhì)系數(shù)和熱導(dǎo)率等。

金屬熔體金屬熔體是指液態(tài)的金屬和合金，如高爐煉鐵中的鐵水、各種煉鋼工藝中的鋼水、火法煉銅中的粗銅液、鋁電解得到的鋁液等，金屬熔體不僅是火法冶金過程的主要產(chǎn)品，而且也是冶煉過程中多相反應(yīng)的直接參加者。例如煉鋼過程中的許多物理過程和化學(xué)反應(yīng)都是在鋼液和熔渣之間進行的。因此，金屬熔體的物理化學(xué)性質(zhì)對相關(guān)冶煉過程的各項工藝指標有著非常重要的影響。1

金屬熔體存在兩種模型，模型Ⅰ是金屬接近熔點時，液態(tài)金屬中部分原子的排列方式與固態(tài)金屬相似，它們構(gòu)成了許多晶態(tài)小集團。[6]這些小集團并不穩(wěn)定，隨著時間延續(xù)，不斷分裂消失，又不斷在新的位置形成，而且這些小集團之間存在著廣泛的原子紊亂排列區(qū)。型I突出了液態(tài)金屬原子存在局部排列的規(guī)則性。

模型Ⅱ是液態(tài)金屬中的原子相當于紊亂的密集球堆，這里既沒有晶態(tài)區(qū)，也沒有能容納其他原子的空洞。在紊亂密集的球堆中，有著被稱為“偽晶核”的高致密區(qū)。 模型II突出了液態(tài)金屬原子的隨機密堆性。

冶金熔鹽熔鹽是鹽在高溫下的液態(tài)熔體，通常說的熔鹽是指無機鹽的熔融體。冶金中最常見的熔鹽有用于原鋁電解的冰晶石熔鹽、用于鎂電解的氯化物熔鹽(主要由鎂、鈣、鈉、鉀的氯化物組成)、用于鋁電解精煉的氟氯化物熔鹽(主要由鋁和鈉的氟化物、鋇和鈉的氯化物組成)。熔鹽一般不含水，具有許多不同于水溶液的性質(zhì)。例如，冰晶石熔鹽的高溫穩(wěn)定性好，蒸汽壓低，黏度低、導(dǎo)電性能良好，離子遷移和擴散速度快，熱容量高，具有溶解氧化鋁等各種不同物質(zhì)的能力等等。

在冶金領(lǐng)域，熔鹽主要用于金屬及其合金的電解與精煉。以熔鹽為介質(zhì)的熔鹽電解法已經(jīng)廣泛應(yīng)用于鋁、鎂、鈉、鋰等輕金屬和稀土金屬的電解提取和精煉。這些金屬都屬于負電性金屬，不能從水溶液中電解沉積出來，熔鹽電解往往成為唯一的或占主導(dǎo)地位的生產(chǎn)方法。例如，鋁的熔鹽電解是目前工業(yè)上生產(chǎn)金屬鋁的唯一方法。其他堿金屬、堿土金屬以及鈦、鈮、鉭等高熔點金屬也可用熔鹽電解法生產(chǎn)。利用熔鹽電解法還可以制取某些合金或化合物，如鋁鋰合金、鉛鈣合金、稀土鋁合金、WC、TiB2等。

總之，熔鹽在冶金工業(yè)上獲得了非常廣泛的應(yīng)用，不同的冶金過程對熔鹽的物理化學(xué)性能有著顯著不同的要求。因此，研究、開發(fā)、選擇所需性能的熔鹽，對于冶金生產(chǎn)有著重要意義。

冶金熔锍冶金熔锍是多種金屬硫化物(如FeS、Cu2S、Ni3S2、CoS、Sb2S3、PbS等)的共熔體，同時往往溶有少量金屬氧化物及金屬。

冶金熔锍是銅、鎳、鈷等重金屬硫化礦火法冶金過程的重要中間產(chǎn)物。例如，火法處理硫化銅精礦時，常常先進行所謂的造锍熔煉，使Cu2S、FeS等金屬硫化物熔合形成锍相，而脈石成分與造渣熔劑熔合成渣相，從而實現(xiàn)主金屬與脈石的分離，同時也使貴金屬富集于锍相以便進一步回收。

熔锍的性質(zhì)對于有價金屬與雜質(zhì)的分離、冶煉過程的能耗等都有重要的影響。為了提高有價金屬的回收率、降低冶煉過程的能耗，必須使熔锍具有合適的物理化學(xué)性質(zhì)，如熔化溫度、密度、黏度等。

冶金熔渣在許多火法冶金過程中，礦物原料中的許多主金屬往往以金屬、合金或熔锍的形態(tài)產(chǎn)出，而其中的脈石成分及伴生的雜質(zhì)金屬則與熔劑一起熔合成一種主要成分為氧化物的熔體，即熔渣。熔渣是火法冶金的必然產(chǎn)物，其組成主要來自礦石、熔劑和燃料灰分中的造渣成分。由于火法冶金的原料和冶煉方法種類繁多，因而冶金熔渣的類型很多，是成分極為復(fù)雜的體系。但總的來說，熔渣主要是由各種氧化物組成的熔體，如CaO、FeO、MnO、MgO、Al2O3、SiPO2、P2O5、Fe2O3等，這些氧化物在不同的組成和溫度條件下可以形成化合物、固溶體、溶液以及共晶體等。除了氧化物以外，熔渣還可能含有其他鹽，甚至還夾帶少量的金屬，如氟化物(CaF2)、氯化鈉(NaCl)、硫化物(CaS、MnS、硫酸鹽)等，這些鹽有的來自原料，有的是作為助熔劑加入的。

熔渣中的上述氧化物單獨存在時熔點都很高，冶金條件下不能熔化。例如SiO2、Al2O3、CaO、MgO的熔點分別是：1713℃、2050℃、2570℃、2800℃。只有它們之間相互作用形成低熔點化合物，才能形成熔點較低的、具有良好流動性的熔渣。原料中加入熔劑的目的就是為了調(diào)整熔渣的酸堿性，形成冶金條件下能熔化并自由流動的低熔點熔渣。

盡管冶金熔渣成分極為復(fù)雜，但熔渣主要成分常由五、六種氧化物組成，通常是SiO2、CaO、FeO、Al2O3、MgO等。熔渣中含量最多的氧化物通常只有三個，其總含量可達80%以上，所以對爐渣性質(zhì)起決定性作用的一般是前三項。例如，大多數(shù)有色冶金熔渣的主要成分是SiO2、FeO、CaO；高爐煉鐵熔渣的主要成分是SiO2、CaO、Al2O3；煉鋼熔渣的主要成分是SiO2、CaO、FeO。熔渣是金屬提煉和精煉過程的重要產(chǎn)物之一。然而，不同的熔渣所起的作用是不完全一樣的。2