第三章 熔体的结构与性质（完整）

第三章 熔体的结构与性质 一、名词解释

1、金属液的类晶结构:金属液在过热度不高的温度下具有准晶态结构，即金属液中接近中心原子处原子基本呈有序的分布，与晶体中相同（即保持近程有序），而在稍远处原子的分布几乎是无序的（即远程有序消失）。

2、铁液中的群聚态：过热度不高（10%-15%）的铁液，在一定程度上仍保持着固相中原子间的键。但原子的有序分布不仅局限于直接邻近于该原子的周围，而是扩展到较大体积的原子团内，即在这种原子团内保持着接近于晶体中的结构，这被称为金属液的有序带或群聚态。 3、（还原性渣）炉渣的还原性：指炉渣从金属液中吸收氧，使之发生脱氧反应的能力。 4、（氧化性渣）炉渣的氧化性：指炉渣向与之接触的金属液供给氧，使其中的杂质元素氧化的能力。（炉渣向金属液供给氧的能力。）

5、炉渣的磷容量：熔渣具有容纳或溶解磷酸盐或磷化物的能力。 6、炉渣的容量性质：炉渣具有容纳或溶解某种物质的能力。 7、炉渣的硫容量：炉渣具有容纳或溶解硫的能力。

8、炉渣的碱度：指炉渣中主要碱性氧化物含量与主要酸性氧化物的含量比值。

9、炉渣的熔点：加热时固态炉渣完全转变为均匀液相或冷却时液态开始析出固相的温度。 10、炉渣的表观（黏度）粘度：当炉渣内出现了不溶解的组分质点或是在温度下降时，高熔点组分的溶解度减少，成为难溶的细分散状的固相质点而析出，炉渣变为不均匀性的多相渣，其粘度（黏度）比均匀性的渣的粘度（黏度）大得多，不服从牛顿（黏）粘滞定理，则其粘度称为表观粘（黏）度（炉渣成为非均匀性渣）。

11、表面活性元素：能够导致溶剂表面张力剧烈降低的元素，如微量的O S N等。 12、表面活性物质：能导致溶剂表面张力剧烈降低的物质。 二、填空

1、在冶金生产中，认为氧、硫等是铁液的表面活性元素，其原因是：氧硫等元素的存在会导致铁液的表面张力显著降低。

2、反应[Si]+2(FeO)=(SiO2)+2[Fe] ，反应[C]+(FeO)=CO+[Fe]，[FeS]+(CaO)=(CaS)+[FeO]，[Mn]+(FeO)=(MnO)+[Fe]

2+

，

4-

[S]+(CaO)=(CaS)+[O]

2-2+

的离子方程

2-

式

2-

为：

[Si]+4( O2-)+2(Fe)=(SiO4)+2[Fe]；C]+(O)+(Fe)=CO+[Fe]；[ S] +（O）=（S）+[O]；[Mn]+(Fe)=(Mn)+[Fe]； [S]+( O2-)=(S2-)+[O]。其依据的理论是：熔渣的离子结构理论、2+

2+

金属的群聚态理论 。

3、依据炉渣的分子理论，炉渣中氧化物的存在（质点）形式有 两 种形式。比如SiO2的存在形式为（自由的SiO2（简单氧化物）和复杂化合物（结合）（2CaO.SiO2、CaO.SiO2、CaO. FeO .SiO2、2FeO.SiO2）。能与金属液作用的质点是 自由氧化物 形式。

4、在铁为溶剂的溶液中，若元素之间的相互作用系数为负值，说明：元素A与元素B质点间的的相互作用能大于元素B与铁质点间的相互作用能，向铁为溶剂的溶液中加入元素A会使B的“有效浓度”降低，活度系数减小。

5、在冶金生产中，铁液中的表面活性元素通常指：O S N等。

7、依据炉渣的离子理论，炉渣中质点与金属液的作用是：电化学反应；依据炉渣的分子理论，炉渣中能与金属液作用的质点是：自由氧化物 。

8、炉渣中有组分CaO 、SiO2 、FeO存在，依据炉渣的离子理论熔渣中的CaO以 简单Ca、O2- 形式存在，SiO2以 络离子SiO4形式存在；依据分子理论熔渣中CaO以 自由

2+

4-

的CaO和复杂的2CaO.SiO2、CaO.SiO2、CaO. FeO .SiO2形式存在。 9、金属熔体中存在的群聚团，包括 近程有序和 准分子。

10、在冶金生产中，可用tf=1538-90[%C]估算碳素钢的熔点。其依据是：在碳素钢中除了碳元素外，其它元素的含量几乎可以忽略不计，且碳元素对纯铁熔点的影响最为显著，所以可以用上式估算碳素钢的熔点。

11、依据炉渣的离子理论，炉渣中质点分布不均的原因是：离子的静电矩有区别（不相同）。 13、钢铁冶炼过程的产物——铁基合金液中溶解有多种除铁元素以外的其它金属或非金属元素，这些元素要相互作用，其作用关系可用 相互作用系数 热力学参数来表示。 14、某炉渣内含有氧化钙、二氧化硅、氧化亚铁。依据炉渣的分子理论，氧化钙的存在形式为自由的CaO和复杂的化合物如2CaO.SiO2、CaO.SiO2、CaO. FeO .SiO2；依据离子理论其存在形式为简单Ca、O2-。

2+

15、在冶金生产实践中炉渣的碱度常定义为：主要碱性氧化物与主要酸性氧化物的含量比值。

16、钢液中的氧、硫、氮能使钢液的表面张力发生 显著降低 的变化。所以氧、硫、氮是钢液的表面活性元素。

19、炉渣的助熔剂是指 能使炉渣的熔化温度（熔点）显著降低，但又对冶炼过程无不利影响 的物质；助熔剂CaF2能助熔的原因是：CaF2能与炉中的二氧化硅和三氧化二铝等形成低熔点的共晶化合物。 20、炉渣具有还原性是指：炉渣能从金属液中吸收氧，使之发生脱氧反应的能力。依据炉渣的分子理论，其过程表示为： x(M)+y[FeO]=(MxOy)+y[Fe]；依据炉渣的离子理论，其过程表示为：x(M)+y[Fe]=(M)+y[Fe]。转炉炼钢的炉渣具有氧化性质，所以炉内熔池发生的主要反应是 氧化性质 的反应。

21、炉渣的组分为CaO 、MgO、SiO2、FeO。依据炉渣的分子理论CaO以 自由CaO、2CaO.SiO2、CaO.SiO2、CaO. FeO .SiO2等形式存在，SiO2以 复杂氧化物如CaO.SiO2 、2CaO.SiO2 、2FeO. SiO2 、CaO.FeO.SiO2 、MgO. SiO2等形式存在；依据炉渣的离子理论MgO以 简单Mg、O2- 形式存在，能够释放出O2-的氧化物有 CaO 、MgO、FeO 。

2+

2+

x+

22、金属熔体在过热度不高的温度下具有准晶态的结构，称这种准晶态结构为 近程有序，

远程无序。（晶态的话，称为近程有序，远程有序）

23、炼钢渣中主要氧化物（写出三种）有 氧化钙、二氧化硅、氧化亚铁 。依据炉渣的分子理论，这些氧化物可能以 结合产物 形式存在；依据炉渣的离子理论，炉渣中质点分布不均的原因是：离子的静电矩有区别（不相同）。 三、问答

24、分析炉渣的碱度对炉渣粘度的影响。

答：1、碱度越高，粘度越低，CaO释放出O2-，能切断络阴离子的网状结构，降低其尺寸变小，结构变的简单，能够增加离子，ERP减小，粘度就降低 2、用化学平衡方程式分析

25、决定物质熔点高低的主要因素是什么？说明氟化钙能降低炉渣熔点的原因？ 答：主要因素：组成物质的各种元素间的键力；原因：氟化钙能与炉中的二氧化硅和三氧化二铝等形成低熔点的共晶化合物。 26、（未讲）试用炉渣的离子理论分析影响炉渣粘度的因素。

27、在生产实践中发现，当钢液中碳的含量很低时，钢液吸收大气中氮的能力减弱，为什么？ 答：反应[C]+[O]=CO(可由C=[C]、1/2O2= [O]、C+1/2O2=CO组合得出)，G标=A+BT=-RTlnK标，K标=1/（W[C]. W[0]）=常数，当W[C]降低时，W[0]升高；又因为O、N、S都是活性元素，且O的活性大于N的活性，所以钢液中的[N] 受钢液中[0]的控制，W[0]升高，W[N]降低，即钢液吸收大气中氮的能力减弱。

28、熔渣中的氧化物依据酸碱性分为碱性氧化物、酸性氧化物和两性氧化物。依据炉渣的离子理论说明这些氧化物对炉渣中氧离子的贡献。

答：碱性氧化物可以给出O2-，酸性氧化物可以吸收O2-形成络阴离子，两性氧化物在不同环境中可以给出O2-或吸收O2-。

29、什么是泡沫渣？分析其形成的原因及对冶金的影响。

进入炉渣中的不溶解气体被分散在其中形成的无数的小气泡时，炉渣的体积膨胀，形成被夜膜分割的密集排列的气孔状结构。

形成的原因：炉渣或金属液反应产生的气体，被炉渣捕捉，以气泡的形式存在于炉渣中，形成泡沫渣。

影响：大大发展了气-熔渣-金属液的界面，加快了炉内化学反应速；泡沫渣的产生将造成高炉生 产过程渣铁出不尽，料柱透气性恶化，风口易挂渣，给 高炉炉况顺行和强化带来困难。当炉渣进入渣罐后由 于其体积膨大使渣罐利用率降低，甚至从渣罐上部溢 出，造成事故；导热性能差，某些条件下恶化炉渣对金属液的传热。

30、炉渣的熔点是如何定义的？炉渣的半球点温度是如何定义的？二者是否一致？为什么？ 答：炉渣的熔点：加热时固态熔渣完全转变为均匀液相或冷却时液态开始析出固相的温度。

炉渣的半球点温度：测定加热一定尺寸的固体渣样到其高度下降一半高度的温度。 不一致。因为：加热时固态熔渣完全转变为均匀液相或冷却时液态开始析出固相的温度；而半球点温度是固体渣高度下降一半而固液共存时的温度。 31、（不考）分析炉渣的碱度对炉渣中氧化亚铁活度的影响？

碱度降低氧化亚铁活度降低。氧化亚铁以铁阳离子和氧阴离子的形式存在与渣中，当碱度降低时，碱性氧化物释放出氧负离子的能力下降，故氧化亚铁的活度降低。

32、什么是炉渣的氧化能力？如何表示熔渣的氧化能力（炉渣的氧化性用什么参数表示）？ 答：炉渣的氧化能力：指炉渣与金属液接触时，炉渣向金属液提供氧的能力。

表示：一般以炉渣中能提供氧的组分含量表征。用炉渣中的氧化亚铁的活度来表示炉渣的氧化性。

33、炉渣的碱度增加，氧化性就一定增加吗？为什么？

答：不一定，碱度增加只是因为O2-增加，Fe、O2-的浓度不增加，氧化性不增加，Fe不

2+

2+

能充分的释放出来。（因为在造还原渣时，向炉内加入氧化钙和碳粉，炉渣碱度升高，但炉渣中氧化亚铁被碳粉还原，氧化性降低）。

34、（不考）用炉渣的离子理论说明炉渣的碱度是如何影响炉渣的氧化—还原性的。用炉渣的离子理论说明炉渣的碱度是如何影响炉渣的粘度？

当炉渣碱度升高时，渣中碱性氧化物含量升高，则碱性氧化物给出更多的氧的阴离子，故会提高渣的氧化性。

当炉渣碱度提高时，碱性氧化物给出氧的阴离子的能力增强，氧的阴离子与硅的阳离子形成网状络离子，故粘度会升高。 35、CaF2能使CaO、

Al2O3、MgO等高熔点的氧化物熔化温度降低的原因是什么？

答：原因是CaF2能与炉中的二氧化硅和三氧化二铝等形成低熔点的共晶化合物。 36、用炉渣的分子理论说明炉渣的碱度对炉渣氧化性的影响。

炉渣碱度对炉渣氧化性的影响,主要表现在它对FeO活度系数的影响。依据分子理论，在炉渣中只有自由的氧化亚铁才参与炉渣—金属液的氧化反应，氧化性能力决定于其中未与二氧化硅或其他酸性氧化物结合的自由氧化亚铁的含量。碱度降低，炉渣氧化性降低。 37、炉渣的氧化性是如何定义的？

表示当炉渣与金属液接触时向金属液提供氧的能力，一般以炉渣中能提供氧的组分含量表征。

38、依据氧化物的酸碱性将冶炼渣中的氧化物分为碱性氧化物、酸性氧化物和两性氧化物，依据炉渣的离子理论说明这些氧化物对炉渣中氧离子的贡献。

答：碱性氧化物能够献出O2-；酸性氧化物能够吸收O2-生成络阴离子；两性氧化物在酸性渣中献出O2-，显示碱性。在碱性渣中能够吸收O2-生成络阴离子，显酸性。 39．CaF2能降低炉渣的熔点和调整炉渣粘度，试用炉渣的离子理论加以说明。

答：助熔剂CaF2能助熔的原因是能与炉中的二氧化硅和三氧化二铝等形成低熔点的共晶化合物；加入氟化钙，引入氟负离子能够替代氧负离子，从而使炉渣中的络阴离子尺寸变小，所以能够调整粘度。 四、计算

1、 钢液的成分为w[Cr]=18%，w[Ni]=9%，w[C]=0.1%，炉内的压力为100KPa，铬的选择性氧化反应为：

?2[Cr]?3CO?(Cr2O3)?3[C] ?rGm??81998?9 5 J/mol 44T8.CrNiC已知渣中的(Cr2O3)是饱和浓度，eCr ??0.000 3eCr?0.0002 eCr??0.12CNiCr eCeC?0.1 4 eC?0.01 2??0.02 4（1）求钢液中[Cr]和[C]氧化的转换温度。

（2）若将炉内压力变为10kPa，转化温度为多少？由此得出什么结论。

解: （1）

已知平衡时，ΔrGm=ΔrGm标+RJlnJ标=0；

其中J=αCr2O3*α[C] 3/{（PCO/P标）2（α[Cr]）2}

lg f[C]=eCC. w[C]%+ eCrC. w[Cr]%+ eNiC. w[Ni]% eCC=0.14; eCrC=-0.024； eNiC=0.012

lg f[C]= 0.14﹡0.10+0.024﹡18+0.012﹡9=0.554；f[C]=3.5809 lg f[Cr]=eCrCr. w[Cr]%+ eCCr. w[C]%+ eNiCr. w[Ni]% eCrCr=-0.03×10-2;eCCr=-0.12；eNiCr=0.02×10-2

lg f[Cr]= -0.03×10-2﹡18+（-0.12）﹡0.1 +0.02×10-2﹡9=-0.0156 f[Cr]=0.9647

α[C]=f[C].w[C]%= 3.5809×0.1=0.358 α[Cr]= f[Cr).w[Cr)% =0.9647×18=17.365

J=αCr2O3*α[C] 3/{（PCO/P标）2（α[Cr]）2}

=0.3583/17.3652 =1.52×10-4

ΔrGm=ΔrGm标+RJlnJ标=0；J=1.52×10-4； -819989+448.59T+8.314×T×（-9.028）=0 373.53T=819989; T=2195K; -2

（2）炉内压力变为10kPa时，J=1.52×10；

-819989+448.59T+8.314×T×（-4.186）=0；

413.78T=819989; T=1981K; 18、依据图1，回答下列问题： （1）物系点m的组成？答：CaO.SiO2

（2）m的熔点？ 答：由作图知：m的熔点为1300℃（在图中划线） （3）将组成为m点的液态渣冷却，其初晶物是什么？答：CaO.SiO2。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/tngd.html