第7讲 金属熔体和熔渣

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1、7金属熔体和熔渣7.1金属熔体由于炼钢的原料和产品都是金属熔体，而炼钢生产的首要任务就是将铁水或废钢冶炼成合适的钢液，而且炼钢过程也是在金属熔体中进行的，因此金属熔体的结构和性质会直接影响到炼钢过程中各种反应的正常进行,从而成为冶金工作者研究和关注的一个重点。7.1.1金属熔体的结构7.1.1.1金属的三态及其转化金属能够以三种状态存在，即气态、液态和固态；金属的三态之间可以互相转化，其转化的条件是温度。在1O1325Pa(1个大气压)的常压下，纯铁的三态之间的转化情况如表7-l所示。表7-1在101325Pa的常压下，纯铁三态之间的转化状况温度/℃＜780780910139215382

2、877状态α-Feβ-Feγ-Feδ-Fe液态气态晶体结构体心立方体心立方体心立方体心立方—完全无序纯铁在固态时有三种同素异型的结晶结构。在温度780℃以下是体心立方晶体，称为α-Fe；当加热到780℃时转变为无磁性体，但仍保持体心立方晶体结构，有时把这种铁叫做β-Fe；将β-Fe加热到910℃时转变为面心立方结构的γ-Fe，当将γ-Fe继续加热到1538℃时又重新转变为体心立方晶格的δ-Fe。7.1.1.2金属熔体的结构由金属三态之间的变化可知，固态时金属原子的排列为远程有序，气态时则处于完全无序的状态，液态时的结构是怎样的呢?在炼钢生产中，金属熔体的温度一般只比其熔点高出1OO-15

3、0℃。根据对金属熔体某些物理化学性质的测定和结构的研究，可以肯定，过热度不高的金属熔体的结构基本与固态金属相近似，这可由以下的一些情况来说明：(1)金属熔化时体积增加很少，通常仅为3%左右，纯铁熔化时体积只增加3.5%，相当于质点间距只增大了1%左右，这说明金属在液态时的质点间距与固态非常接近。(2)金属在熔化时的熔化潜热和熵变比蒸发和升华时的潜热和相应的熵变要小得多。例如，对铁来说熔化潜热和相应的熵变分别为15.2kJ/mol和8.24J/mol，而其蒸发潜热和相应的熵变则为352.46kJ/mol和115.48J/mol。这说明固体金属在熔化时质点间的作用力变化不大，并且系统的无序排

4、列程度增加的不多。(3)金属在熔化时的热容量变化也不大，这就证明液体中质点的热运动特点与固体中的十分相近，而没有太大的变化。 (4)用X-射线衍射法研究金属熔体结构时发现，处于熔点附近的金属熔体的晶体结构与它们23固体状态下的晶体结构基本相似。综合上述可知，固态金属中质点是远程有序排列，熔化时质点间的平均距离有所增加，并且有的区域晶格变得不整齐，同时出现空穴和空隙，使自由体积增加，即远程无序；但在过热度不高时，熔体的结构与原有固态结构相近，在较小的范围内仍保持着一定的晶格秩序，即近程有序。 7.1.2金属熔体的物理性质(1)密度密度是纯铁或钢的重要物理性质之一。正确地测定纯铁或钢的密度，

5、对于研究钢液的结构、黏度、表面张力以及分析钢液与非金属夹杂物、熔渣间因密度不同而分离的过程等都有重要的意义。密度的定义是单位体积物质的质量，常以ρ表示，单位为kg/m3或t/m3。有时还使用比容的概念，它是密度的倒数，即1/ρ。图7-1纯铁的密度与温度的关系1-捷米列夫,波佩尔;2-瓦托林,叶斯;3-弗鲁伯格,考伯;3-维尔曼,菲利波夫;5-克利申保,撒海尔;6-斋藤,佐久间;7-卢卡斯由于高温下测定熔融铁合金的密度困难很大，各研究者测定的数据有较大出入，根据最近的研究结果，比较一致的观点是，在155O℃附近纯铁的密度大致为7t/m3左右，其结果如图7-1所示。液态、固态纯铁的密度和钢的

6、密度与温度、成分有密切关系。通常，随着温度的升高，纯铁的密度明显地下降；不同含碳量的钢随着温度的增加，其密度值将减小。另外，一般认为硅、锰、磷、硫、铝等元素与碳一样可使纯铁密度减小，而镍、铬、铜、钨、氢等元素可使纯铁的密度增大。钢中元素对纯铁密度的具体影响见表7-2。表7-2钢中常见元素对纯铁密度的影响元素CSiMnPSAlNiCrCuWH2对纯铁密度的影响/t·m-3适用含量范围w/%＜1.55＜4.O＜1.5＜1.1＜O.2＜2.O＜5.O＜1.2＜1.O＜1.5＜O.15每增加l%时密度变化量(△ρ)―O.O4O―O.O73―O.O16―O.117―O.164―O.12O＋O.OO

7、4＋O.OO1＋O.O22＋O.OO5＋O.1OO(2)熔点钢的熔点是炼钢生产中确定冶炼和浇注温度的重要依据。对于纯金属来说，其熔化或凝固过程是在一个固定的温度下进行的，这一固定温度称为熔点或凝固点。而作为合金的钢，其熔化或凝固过程是在一个温度范围内进行的，通常将其开始结晶或熔化结束时的温度定义为熔点。纯铁的熔点为1538℃。将任何溶质元素加入溶剂纯铁中，均将引起铁熔点的下降，即使这些元素的熔点很高(如钨、钼等)也不例外。造成这种现