第四章 冶金熔体

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1、第四章冶金熔体56第四章冶金熔体冶金熔体包括金属熔体和熔渣。在火法冶金的冶炼和铸錠过程中，许多物理化学反应都与金属熔体和熔渣的物理化学性质有密切的关系。例如炼钢过程中的脱碳、脱磷、脱硫和脱氧反应，铸锭过程中各种元素的偏析和非金属夹杂物的排除等，均与钢液中参与该反应的元素的浓度和活度有密切的关系。同时也与钢液的粘度、表面张力和各元素在钢液中的扩散性有关。因此研究他们的物理化学性质对冶金过程十分重要。由于高温熔体本身的复杂性和高温下的实验研究比困难，至今对他们的理化性质的研究还很不够。很多数据差别较大，还有许多问题尚待进一步研究。这里只是根据某些

2、实验研究结果，主要以铁合金和炼钢炉渣为例，来分析讨论金属熔体的结构、金属熔体的物理性质、各种元素在金属熔体中的溶解度和相作用、熔渣的结构、熔渣的物理性质、熔渣的化学性质和熔渣相图等问题。4.1金属溶体的结构在冶金过程中，金属熔体的温度一般只比其熔点高100～150℃左右，在这种情况下，金属熔体的性质和结构是与固体相近的。下列事实可以作为证明。1)金属熔化时体积增加很少，通常只有3％左右，纯铁熔化时体积只增加3．5％，即熔化时质点间的距离只增大l%左右。这就说明各种金属在液态时其质点之间的距离是与固体相近的。2）各种物质在熔化时的熔化潜热和熵变

3、比蒸发和升华时的潜热及相应的熵变要小得多。这就说明固体在熔化时质点间的作用力变化不大，并且体系的无秩序排列程度增加不多。3）金属在熔化时的热容量变化不大。这就证明液体中质点的热运动特点与固体中的很相近，而没有很大的变化。4)用X射线衍射法研究金属熔体的结构，证明在熔点附近其结构与固体相近。熔铁的原子径向分布曲线如图4—1所示。图中竖线是晶体的衍射线，它们表示晶体中的原子分布情况，由于晶体的晶格很规则而各个原子有固定的空间排列，因此只在某几个球面上有原子分布，所以分布曲线是不连续的竖线。液体中缺乏规则的晶格且原子位置经常发生变化，只能得到具有一

4、个个峰的曲线，因此表示液体中原子分布的情况只能用原子径向分布函数这个概率的概念。它是以任意一个原子为中心来确定其周围最邻近原子的平均数(即配位数)。由图4-1可见，熔铁的原子径向分布曲线的第一峰比较明显，而后越来越不明显，直到最后成为平滑的曲线。该图中的平滑曲线表示质点完全无秩序地分布。在图4－1上，根据第一峰的形状对称作图，求出第一峰下的面积，它在数值上等于以该原子为中心的最邻近的原子数n(即配位数)，而第一峰值的位置给出了原子间的平均距离γ1，关于熔铁的某些X线衍射实验结果列于表4-1中。根据上述实验研究结果，可以认为在1550～1650

5、℃范围时，纯铁原子间的距离约为2．55～2．60Å，最邻近的原子数约为10.1～10.8。由此可知，纯铁在熔化时原子间的平均距离和配位数都有所增加，与中心原子相邻近的原子，在几个原子半径的范围内，象在固态的晶体中那样有序地排列起来。熔铁的结构近似于δFe的结构。综上所述，可以认为纯金属原子结构的二维模型如教材第77页图4-1所示，在固体中是远距有序排列，在熔化时原子间的平均距离有所增加，并且形成较多的空隙和空穴使自由体积增加，金属熔体的温度在熔点附近时，在几个原子半径的范围内其结构与原来的固体相近，保持着近距有序排56第四章冶金熔体57列。表

6、4-1熔铁的某些X线衍射实验结果研究者测定温度(℃)原子间距离r1[Å]最邻近的原子数n115502．5510．8巴斯图霍夫17502．6010．4洲崎16302．6010．115602．5810．6早稻田嘉夫16002．5810．716502．5710．5图4—1熔铁的原子径向分布曲线图4—2纯金属的原子排列(二维模型)4.2金属熔体的物理性质金属熔体的物理性质与冶炼和铸锭过程中发生的各种现象和进行的各种反应有密切的关系，而且也是研究熔融状态的结构、各种原子之间相互作用力大小的重要依据。4.2.1密度金属熔体的密度是研究熔融状态结构和计算粘

7、度及表面张力等所必需的物性值；另一方面，它也是阐明金属与熔渣、非金属夹杂物的分离与夹杂物上浮等有关各种现象的重要性质。测定熔融金属的密度，通常用阿基米德法、气泡最大压力法和悬浮熔化法等。但由于高温实验的困难性，各测定值仍有较大的差别。-3熔铁的密度测定结果有较大的差别。但是在1550℃附近时均为7．0g.cm左右。熔融Fe—C合金的密度与碳浓度的关系示于图4—3，由图可见，它不仅在数值上而且在变化规律上都有很大的差别。图4-3中曲线1、2、3、5说明Fe-C熔体的密度随着碳浓度的增加而减小，但曲线4、6表明其密度随碳浓度的变化具有复杂的关系，

8、显示Fe-C熔体的结构随着碳浓度的增加而发生变化。为了进一步查明碳浓度对Fe—C熔体的密度和表面张力的影响，将液相线以上一定过热度（ΔT=50℃）下铁碳熔体的密度和