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炉渣的主要成分


炉渣(slag) 炉渣(slag)
矿中的脉石、 炉料中的熔剂和其他造渣组分在火法冶金过程中形 矿中的脉石、 成的金属硅酸盐、亚铁酸盐和铝酸盐等混合物。此外, 成的金属硅酸盐、亚铁酸盐和铝酸盐等混合物。此外,炉渣还含 有少量的金属硫化物、金属和气体。从广义说, 有少量的金属硫化物、金属和气体。从广义说,有色金属的吹炼 渣、黄渣、蒸馏罐渣、精炼渣等都属有色金属冶金炉渣。

黄渣、蒸馏罐渣、精炼渣等都属有色金属冶金炉渣。

炉渣富集了炉料中的脉石成分和不希望进入主金属的杂质, 是一 炉渣富集了炉料中的脉石成分和不希望进入主金属的杂质, 个成分复杂的多元体系。 个成分复杂的多元体系。炉渣的主要成分为氧化物。 炉渣的主要成分为氧化物。可将构成炉 渣的氧化物分为酸性氧化物( SiO2、 Fe2O。 碱性氧化物( 渣的氧化物分为酸性氧化物(如 SiO2、 Fe2O。 )、 等 碱性氧化物(如 FeO、CaO、 和两性氧化物( Al2O3、 FeO、CaO、MgO 等)和两性氧化物(如 Al2O3、ZnO 等)。它们之间 的区别在于各氧化物对氧离子的亲疏关系, 的区别在于各氧化物对氧离子的亲疏关系, 氧离子的亲疏关系 容易放出氧离子的为 碱性氧化物, 反之为酸性氧化物。 碱性氧化物, 反之为酸性氧化物。这些氧化物相互结合成各种化 合物、固溶体及共晶混合物。 合物、固溶体及共晶混合物。

炉渣组成的来源

有色金属冶金炉渣中的组分主

要来源于五个方面:(1)矿石或精矿中的脉石, SiO2、CaO、 要来源于五个方面:(1)矿石或精矿中的脉石,如 SiO2、CaO、 矿石或精矿中的脉石 Al2O3、 (2)炉料在熔炼过程中生成的氧化物 炉料在熔炼过程中生成的氧化物, FeO、 Al2O3、MgO 等;(2)炉料在熔炼过程中生成的氧化物,如 FeO、 (3)为满足熔炼需要而加入的熔剂 如 CaO、 FeO、 Fe3O4 等; 为满足熔炼需要而加入的熔剂, SiO2、 、 、 (3)为满足熔炼需要而加入的熔剂, SiO2、 CaO FeO (4)熔蚀或冲刷下来的炉衬材料 如 SiO2、 Fe3O4 等; 熔蚀或冲刷下来的炉衬材料, MgO、 (4)熔蚀或冲刷下来的炉衬材料, MgO、 SiO2、 Al2O3 等;(5)燃料燃烧的灰分,如 Al2O3、SiO2 等。 (5)燃料燃烧的灰分, Al2O3、SiO2 燃料燃烧的灰分

FeO–CaO– FeO、CaO、 有色金属冶金炉渣属 FeO–CaO–SiO2 系,主要是由 FeO、CaO、 组成的硅酸盐, 75%~85%, %~85%,有时甚至 SiO2 组成的硅酸盐,三者之和约占渣量 75%~85%,有时甚至 90%。因此,渣的性质在很大程度上由这三个组分所决定。 %。因此 达 90%。因此,渣的性质在很大程度上由这三个组分所决定。

在冶炼过程中的作用

炉渣是火法冶金的必然产物, 炉渣是火法冶金的必然产物,

其量又相当大。 其量又相当大 。 例如反射炉炼铜产出的炉渣约为熔锍质量的 200%~500%。炉渣在冶炼过程中主要起八方面的作用。(1)熔 200%~500%。炉渣在冶炼过程中主要起八方面的作用。(1)熔 %~500%。炉渣在冶炼过程中主要起八方面的作用 融炉渣富集了炉料中几乎全部的脉石和大部分的杂质, 并在造渣 融炉渣富集了炉料中几乎全部的脉石和大部分的杂质, 过程中完成了金属的某些熔炼和精炼过程。 镍硫化矿造 过程中完成了金属的某些熔炼和精炼过程。例如铜、 例如铜、 锍熔炼时, 锍熔炼时,铜、镍等硫化物与硫化亚铁富集为熔锍,而铁的氧化 镍等硫化物与硫化亚铁富集为熔锍, 硫化亚铁富集为熔锍 物与脉石、熔剂和燃料灰分等形成熔渣。(2)熔炼生成的金属或 物与脉石、熔剂和燃料灰分等形成熔渣。(2)熔炼生成的金属或 锍熔体液滴分散在熔渣中, 它们的汇合长大和澄清分离都是在熔 锍熔体液滴分散在熔渣中, 渣介质中进行的。 因此, 渣介质中进行的。 因此,熔渣对熔炼生成的金属或熔锍与造渣成 分分离的程度起着重要的作用。(3)覆盖在金属或熔锍表面的熔 分分离的程度起着重要的作用。(3)覆盖在金属或熔锍表面的熔 渣层起保护金属和熔锍的作用。(4)熔渣在冶炼过程中除富集炉 渣层起保护金属和熔锍的作用。(4)熔渣在冶炼过程中除富集炉 料中的脉石等成分外, 有时还起富集有价组分的作用, 如钛精矿 料中的脉石等成分外, 有时还起富集有价组分的作用, 还原熔炼所得的高钛渣, 以及吹炼含钒和含铌的生铁所得的钒渣 还原熔炼所得的高钛渣, 和铌渣等都是提取钛、钒和铌等的原料。(5)熔渣在一些冶炼过 和铌渣等都是提取钛、钒和铌等的原料。(5)熔渣在一些冶炼过 程中还起着特殊作用, 在烧结焙烧过程中造渣成分起到粘合结块 程中还起着特殊作用, 在烧结焙烧过程中造渣成分起到粘合结块 的作用; 在鼓风炉熔炼过程中, 炉渣的组成基本上决定了炉内的 的作用; 在鼓风炉熔炼过程中, 温度, 低熔点渣型的强化熔炼只能提高炉子生产能力而不能提高 温度, 炉内温度, 炉内温度,要提高炉内温度必须选择熔点高的渣型; 要提高炉内温度必须选择熔点高的渣型;在电炉熔炼 时,炉渣起电阻发热体作用。(6)炉渣的性质决定着熔炼过程的 炉渣起电阻发热体作用。(6)炉渣的性质决定着熔炼过程的

燃料消耗量, 热焓量大的和熔点高的炉渣, 燃料消耗量, 热焓量大的和熔点高的炉渣,熔炼的燃料消耗量也 增加。(7)炉渣的性质和熔炼产出的渣量是影响金属回收率的一 增加。(7)炉渣的性质和熔炼产出的渣量是影响金属回收率的一 个重要因素, 因为渣含金属的损失是冶金过程中金属损失的主要 个重要因素, 途径。(8)炉渣对炉衬的化学侵蚀和机械冲刷, 途径。(8)炉渣对炉衬的化学侵蚀和机械冲刷,会影响炉子的使 炉渣对炉衬的化学侵蚀和机械冲刷 用寿命。由此可见,炉渣是直接影响冶炼产品质量、生产率、 用寿命。由此可见,炉渣是直接影响冶炼产品质量、生产率、金 影响冶炼产品质量 属回收率、冶炼过程能否顺行等的重要因素。 属回收率、冶炼过程能否顺行等的重要因素。

性质

炉渣的主要性质有熔点、粘度、密度、 炉渣的主要性质有熔点、粘度、密度、热

焓、界(表)面张力、电导率、密度等。炉渣的粘度影响到冶炼能 面张力、电导率、密度等。 否顺利进行,也影响到金属或锍能否充分地通过渣层沉降分离。 否顺利进行,也影响到金属或锍能否充分地通过渣层沉降分离。 等碱性氧化物会降低其粘度, 向炉渣添加定量的 CaO 或 FeO 等碱性氧化物会降低其粘度, 但却 增加渣量。 炉渣的导电率对电 增加渣量。炉渣粘度一般以小而适当的为好。 炉渣粘度一般以小而适当的为好。 炉操作影响极大。 钠离子对炉渣导电率的增加非常有效, SiO2 而 炉操作影响极大。 钠离子对炉渣导电率的增加非常有效, 却会引起炉渣导电率的下降。 除离 却会引起炉渣导电率的下降。当炉渣中氧化铁含量增加时, 当炉渣中氧化铁含量增加时, 子导电外, 子导电外,还出现电子导电。 还出现电子导电。炉渣的表面张力以及与金属或锍之 间的界面张力等,与金属或锍颗粒在渣中的悬浮有关。因而, 间的界面张力等,与金属或锍颗粒在渣中的悬浮有关。因而,它 与密度、 粘度等一起是评价主金属在渣中损失的重要性质。 炉渣 与密度、 粘度等一起是评价主金属在渣中损失的重要性质。 的熔点随其高熔点物质的含量增加而升高, 它和热焓一起影响着 的熔点随其高熔点物质的含量增加而升高, 冶炼过程的能耗。 冶炼过程的能耗。

由于炉渣是构成熔炼产物的基体, 对造渣的要求 由于炉渣是构成熔炼产物的基体, 它的性质在很 大程度上决定着熔炼的效果。 而炉渣性质主要受它的组成和熔炼 大程度上决定着熔炼的效果。

温度的影响。所谓造渣,就是通过加适量的熔剂,如石英石、 温度的影响。所谓造渣,就是通过加适量的熔剂,如石英石、石 灰石和铁矿石(或黄铁矿烧渣)来获得最佳组成炉渣的过程。 灰石和铁矿石(或黄铁矿烧渣)来获得最佳组成炉渣的过程。

对造渣的要求( 对造渣的要求(1)

要满足冶金过程的需要, 要满足冶金过程的需要,使炉料中的

无价和有害组分最大限度地集中溶解在熔渣中, 无价和有害组分最大限度地集中溶解在熔渣中, 有害组分最大限度地集中溶解在熔渣中 而尽可能少地溶 解或夹带炉料中的有价金属;(2)造渣费用最低, 解或夹带炉料中的有价金属;(2)造渣费用最低,即选用的渣型 造渣费用最低 消耗的熔剂最少,产出的渣量最少,燃料消耗最少;(3)炉渣的 消耗的熔剂最少,产出的渣量最少,燃料消耗最少;(3)炉渣的 形成温度和流动温度要与熔炼工艺相适应;(4)所造的渣型具有 形成温度和流动温度要与熔炼工艺相适应;(4)所造的渣型具有 小而适当的粘度和小的密度, 这是为使炉内冶金反应充分完成和 小而适当的粘度和小的密度, 熔融金属与炉渣的良好分离所必须的;(5)所造渣型对炉体的腐 熔融金属与炉渣的良好分离所必须的;(5)所造渣型对炉体的腐 蚀性最小。 蚀性最小。

炉渣的结构理论

已提出过几种熔融炉渣结构学说, 主 已提出过几种熔融炉渣结构学说,

要有分子学说和离子学说两种。 要有分子学说和离子学说两种。

分子学说

这是以固体炉渣的相分析和化学分析结果为依据于

年最早提出的熔渣结构学说。 1934 年最早提出的熔渣结构学说。分子学说把熔渣看成是各种 氧化物分子( SiO2、 FeO、 和它们之间的化合物分子( 氧化物分子(如 SiO2、 、 FeO CaO 等)和它们之间的化合物分子(如 2FeO?SiO2、 组成的理想溶液, 2FeO?SiO2、2CaO?SiO2 等)组成的理想溶液,渣中酸碱氧化物相 互作用形成的复杂氧化物之间处于化学动平衡, 只有自由氧化物 互作用形成的复杂氧化物之间处于化学动平衡, FeO、 才能参予金属相的相互反应, (如 FeO、CaO 等)才能参予金属相的相互反应,此时自由氧化物 以实际浓度出现, 所以金属与炉渣间的反应可以应用理想溶液的 以实际浓度出现, 有关定律。 设想的某些化合物 有关定律。分子学说缺乏更广泛的实验基础, 分子学说缺乏更广泛的实验基础, 又无实验验证, 更是缺乏 又无实验验证,认为组成如此复杂的熔体是理想溶液, 认为组成如此复杂的熔体是理想溶液,

事实依据。 定量或半定量地解释一些实 事实依据。但这种学说也能简单地、 但这种学说也能简单地、 验现象,如渣的氧化能力、脱硫能力和酸碱性等, 验现象,如渣的氧化能力、脱硫能力和酸碱性等,因而直到目前 仍有一定的实用价值。 仍有一定的实用价值。

离子学说

年苏联学者瓦纽柯夫( 1912 年苏联学者瓦纽柯夫 (

) 提出的

熔渣离子化理论, 认为熔渣是由简单的离子和复杂的配位离子构 熔渣离子化理论, 质点间相互作用为离子的相互作用, 所以渣金属相间的相互 成, 质点间相互作用为离子的相互作用, 作用是电化学性质的作用。熔渣中金属氧化物的金属呈正离子, 作用是电化学性质的作用。熔渣中金属氧化物的金属呈正离子, Ca2+、Fe2+、Mg2+等 O2–存在, 如 Ca2+、Fe2+、Mg2+等。而氧在碱性渣中以 O2–存在,有可能 形成配位离子的元素( Si4+、Al3+、Fe3+等 存在时, 形成配位离子的元素(如 Si4+、Al3+、Fe3+等)存在时,则形成 配位离子, 配位离子,其主要的如 ,式中 x、y、z 值由 O/Si 比值

即炉渣的酸碱度确定。 结构, 即炉渣的酸碱度确定。当 O/si=2 时为 SiO2 结构,在熔融状态 下无离子性质, 硅和氧的化合价都达饱和。 渣中碱性氧化物增加, 下无离子性质, 硅和氧的化合价都达饱和。 渣中碱性氧化物增加, 离子断裂为更简单的离子。 离子断裂为更简单的离子。至 O/Si=4 时成为最简单的 ,此时四个氧的价数都不饱和。 此时四个氧的价数都不饱和。

年苏联学者焦姆金(M (M. 1945 年苏联学者焦姆金(M.N. 学说, 学说,称

)提出熔渣完全离子溶液

模型。其要点为:(1)溶液完全电离成电荷总数 模型。其要点为:(1)溶液完全电离成电荷总数

相等的正负离子,故溶液总体不带电;(2)每个离子仅为带有相 相等的正负离子,故溶液总体不带电;(2)每个离子仅为带有相 反电荷的离子所包围,即正负离子均匀相间排列;(3)电荷符号 反电荷的离子所包围,即正负离子均匀相间排列;(3)电荷符号 相同的离子, 不论其电荷数多少, 相同的离子, 不论其电荷数多少,它与邻近离子的相互作用完全 等同。所以,溶液中正负离子不能互换位置, 等同。所以,溶液中正负离子不能互换位置,同符号离子的位置 可互换而不会改变体系的能量。 该模型揭露了离子熔体质点载有 可互换而不会改变体系的能量。

正负电荷的本质, 但忽略了电荷符号相同而种类不同离子( 正负电荷的本质 , 但忽略了电荷符号相同而种类不同离子 ( 如 Fe2+和 Ca2+、O2– S2– 之间的差异,故与真实离子熔体( Fe2+和 Ca2+、O2–和 S2–)之间的差异,故与真实离子熔体(如 熔渣)存有偏差。但它提供了一种对实际炉渣比较的标准。 熔渣)存有偏差。但它提供了一种对实际炉渣比较的标准。 马松(C. . 年改进的马松模 马松 .R.Masson)在 1965 年提出并在 1970 年改进的马松模 在 又称全链结构型。 该模型假定熔体中离子活度等于其离子分 型, 又称全链结构型。 数,硅氧配位离子 之间发生一系列的聚合反应并达到平

每个聚合反应的平衡常数都相等。 衡, 每个聚合反应的平衡常数都相等。并由此得出各种复杂离子 浓度的理论分布曲线和导出熔体中金属氧化物的活度ɑ 浓度的理论分布曲线和导出熔体中金属氧化物的活度ɑMeO 与 二氧化硅的摩尔分数 之间的关系式。中国冶金学家邹元曦 之间的关系式。

等根据他们对 CaO–SiO2 熔体实验测得更可靠的 CaO 活度数据 检验了马松模型, 并不守常, 检验了马松模型,发现平衡常数 K11 并不守常,1nK11 与 成直线关系。此外,马松模型还能完全解释三元系的各种现象, 成直线关系。此外,马松模型还能完全解释三元系的各种现象, 把正离子和负离子视为理想溶液也与实际不尽相符。 把正离子和负离子视为理想溶液也与实际不尽相符。


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