冶金溶體簡介

1、3.1冶金熔體簡介許多高溫冶金過程，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)塊的鼓風爐熔煉等眾多冶煉過程中，人們等到的是熔融狀態(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)的反應介質(zhì)和反應產(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如下四種類型：（1）金屬熔體；（2）冶金熔渣；（3）冶金熔鹽；（4）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

2、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。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的直接參加者。例如煉鋼過程中的許多物理過程和化學反應都是在鋼液和熔渣之間進行的。因此，金屬熔體的物理化學性質(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。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

3、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、鈉氟化物、鋇、鈉氯化物組成）。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生成與精煉。以熔鹽為介質(zhì)的熔鹽電解法已經(jīng)廣泛應用于鋁、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

4、鋁的唯一方法。其它堿金屬、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。表31列舉了應用于冶金工業(yè)的一些熔鹽的主要化學組成。表3-1 某些冶金熔鹽的主要化學組成熔鹽化學組成，×100鋁電解電解質(zhì)Na3AlF68290，AlF356，添加劑（CaF2、MgF2或LiF）35鎂電解電解質(zhì)MgCl2 10，CaCl2 3040，NaCl 5060，KCl 1016，鋰電解電解質(zhì)LiCl 60，KCl 40鋁電解精煉電解質(zhì)AlF3 2527，NaF 1315，BaCl2 5060，NaCl

5、 58總之，熔鹽在冶金工業(yè)上獲得了非常廣泛的應用，不同的冶金過程對熔鹽的物理化學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。表32給出了幾種工業(yè)熔锍的主要化學成分。

6、表32 幾種工業(yè)熔锍的主要化學成分， ×100注：1單位：g t1熔锍CuFeNiSPbZnAu1Ag1反射爐銅锍43.626.724.80.59電爐銅锍42.425.923.31.8閃速爐銅锍59.316.022.80.5928.4243諾蘭達爐銅锍72.43.521.80.7瓦紐科夫爐銅锍405220272324三菱法銅锍64.610.622.0低鎳锍68474913162328高鎳锍22242349542223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性質(zhì)，如熔化溫度、密度、黏度

7、等。3.2 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，是成分極為復雜的體系。但總的說來，熔渣主要是由各種氧化物組成的熔體，如CaO、FeO、MnO、MgO、Al2O3、SiO2、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、固熔體、溶液以及共晶體等。除了氧化物以外，熔渣還可能含有其它鹽，甚至還夾帶少量的金

8、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、A12O3、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雜，但熔渣主要成分常由五、六種氧化物組成，通常是SiO2、CaO、FeO 、A12O3、MgO等。熔渣中含量最多的氧化物通常只有

9、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。鋼鐵冶金及有色冶金中常見熔渣的主要化學成分如表3-3所示。表3-3 常見金屬及有色冶金中常見熔渣的主要化學成分，×100熔渣成分高爐煉鐵渣轉(zhuǎn)爐煉鋼渣電爐煉鋼渣銅閃速爐熔渣鎳電爐造锍熔煉轉(zhuǎn)爐冰銅吹煉渣鉛鼓風爐熔煉渣SiO2304091015252838304522282030CaO35503759206551525928FeOFe3O415200.5353

10、854121530506070FeOFe3O42535Al2O310200.12.50.78.32125101514MgO5100.680.62.5135200.30.5MnO0.511.3100.311S120.20.412其它11.6P2O50.50.8Cu0.10.25Ni1.52.5Cu530ZnO32.2 各類冶金熔渣簡介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?，F(xiàn)分別介紹幾種主要熔渣如下。1、冶煉渣：這種渣是在以礦石或精礦為原料、以粗金屬或熔锍為冶煉產(chǎn)物的熔煉過程中生成的，其主要作用在于匯集爐料（礦石或精礦、燃料、熔劑等）中的全部脈石成分、灰

11、分以及大部分雜質(zhì)，從而使其與熔融的主要冶煉產(chǎn)物（金屬、熔锍等）分離。例如，高爐煉鐵的鐵礦石中含有大量的脈石，在冶煉過程中，脈石成分（如Al2O3、CaO、SiO2等）與燃料（焦炭）中的灰分以及為改善熔渣的物理化學性能而加入的熔劑（石灰石、白云石、硅石等）反應，形成熔渣，從而與金屬鐵分離。在硫化礦的造锍熔煉中，銅、鎳等硫化物與爐料中鐵的硫化物熔融在一起，形成熔锍，鐵的氧化物（FeO、Fe3O4）則與造渣熔劑（SiO2）及其脈石形成熔渣，熔锍與熔渣二者由于密度不同而實現(xiàn)分離。實際上，冶煉過程中生成的金屬或熔锍的液滴最初都是分散在熔渣中的，這些分散的微小液滴的匯集、長大和沉降過程都是在熔渣中進行的。

12、因此，熔渣的物理化學性質(zhì)（如黏度、密度等）對金屬或熔锍與脈石成分的分離程度有著決定性的影響。此外，在豎爐（如鼓風爐）冶煉過程中，熔渣的熔化溫度（或化學組成）直接決定了爐缸的最高溫度。因為對于熔化溫度低的熔渣，增加燃料消耗量只能增大爐料的熔化量而不能進一步提高爐子的最高溫度。因此，若要提高冶煉過程中的最高溫度，必須選擇熔化溫度適當?shù)脑汀?、精煉渣：精煉渣是粗金屬精煉過程中的產(chǎn)物，其主要作用是捕集粗金屬中雜質(zhì)元素的氧化產(chǎn)物，使之與主金屬分離。例如，在煉鋼時，原料（生鐵或廢鋼）中雜質(zhì)元素的氧化產(chǎn)物（FeO、Fe2O3、MnO、TiO2、P2O5等）與加入的造渣熔劑（如CaO等）融合成熔渣，從而除去

13、鋼液中的硅、錳、磷等有害雜質(zhì)，同時吸收鋼液中的非金屬夾雜物。另一方面，在金屬和合金的精煉時，熔渣覆蓋在金屬熔體表面，可以防止金屬熔體被氧化性氣體氧化，減小有害氣體（如H2、N2）在金屬熔體中的溶解。3、富集渣：富集渣的作用在于使原料中的某些有用成分富集于熔渣中，以便在后續(xù)工序中將它們回收利用。例如，以態(tài)鐵精礦（FeO TiO2）為原料提取金屬鈦時，精礦中主要伴生物為氧化鐵（約占4080%）；為了將鈦與鐵分離并富集鈦，生產(chǎn)中一般先將鈦鐵精礦在電弧爐中進行還原熔煉，使氧化鐵還原成生鐵而除去，TiO2則造渣，得到含TiO280%85%的高鈦渣；然后從高鈦渣中進一步提取金屬鈦。4、合成渣：合成渣是指由為達到一定的冶煉目的、按一定成分預先配制的渣料熔合而成的熔渣，如鑄鋼用保護渣、電渣重熔用渣等。這些熔