[科普中国]-冶金熔体

介绍

许多高温冶金过程，如炼钢、铝电解、粗铜的火法精炼等，都是在熔融的反应介质中进行的。另一方面，在诸如高炉炼铁、硫化铜精矿的造锍熔炼、铅烧结块的鼓风炉熔炼等冶炼过程中，得到的是熔融状态的产物和中间产品。我们把这些在火法冶金过程中处于熔融状态的反应介质和反应产物(或中间产品)称为冶金熔体。根据组成熔体的主要成分的不同，一般将冶金熔体分为四种类型：金属熔体、冶金熔渣、冶金熔盐和冶金熔锍。由于熔渣、熔盐和熔锍的主要成分均为各种金属或非金属的化合物，而不是金属，因此通常又将这三类熔体统称为非金属熔体。

冶金熔体的性质直接影响到冶炼过程的进行、冶炼工艺的指标以及冶金产品的质量等诸多方面。因此，了解冶金熔体的物理化学性质及其与温度、压力和组成等因素之间的关系，对于有效控制和调节冶金过程、提高冶金产品的质量都具有十分重要的意义。

研究内容对于冶金熔体，要研究金属液、熔渣、熔盐 及熔鋶等冶金熔体体系的相平衡、性质和结构，以及 熔渣与金属液、熔盐与金属液、熔渣与熔鋶之间的 相互作用。研究的内容属于物理性质的，有表面张 力、粘度、密度、蒸气压和杂质、气体在熔体中的 溶解度等; 属于电化学性质的，有电导率、迁移 数、电动势等; 属于热力学性质的，有焓、热容、 熵和活度等。属于动力学及传递性质的，有扩散系 数、传质系数和热导率等。

金属熔体金属熔体是指液态的金属和合金，如高炉炼铁中的铁水、各种炼钢工艺中的钢水、火法炼铜中的粗铜液、铝电解得到的铝液等，金属熔体不仅是火法冶金过程的主要产品，而且也是冶炼过程中多相反应的直接参加者。例如炼钢过程中的许多物理过程和化学反应都是在钢液和熔渣之间进行的。因此，金属熔体的物理化学性质对相关冶炼过程的各项工艺指标有着非常重要的影响。1

金属熔体存在两种模型，模型Ⅰ是金属接近熔点时，液态金属中部分原子的排列方式与固态金属相似，它们构成了许多晶态小集团。[6]这些小集团并不稳定，随着时间延续，不断分裂消失，又不断在新的位置形成，而且这些小集团之间存在着广泛的原子紊乱排列区。型I突出了液态金属原子存在局部排列的规则性。

模型Ⅱ是液态金属中的原子相当于紊乱的密集球堆，这里既没有晶态区，也没有能容纳其他原子的空洞。在紊乱密集的球堆中，有着被称为“伪晶核”的高致密区。 模型II突出了液态金属原子的随机密堆性。

冶金熔盐熔盐是盐在高温下的液态熔体，通常说的熔盐是指无机盐的熔融体。冶金中最常见的熔盐有用于原铝电解的冰晶石熔盐、用于镁电解的氯化物熔盐(主要由镁、钙、钠、钾的氯化物组成)、用于铝电解精炼的氟氯化物熔盐(主要由铝和钠的氟化物、钡和钠的氯化物组成)。熔盐一般不含水，具有许多不同于水溶液的性质。例如，冰晶石熔盐的高温稳定性好，蒸汽压低，黏度低、导电性能良好，离子迁移和扩散速度快，热容量高，具有溶解氧化铝等各种不同物质的能力等等。

在冶金领域，熔盐主要用于金属及其合金的电解与精炼。以熔盐为介质的熔盐电解法已经广泛应用于铝、镁、钠、锂等轻金属和稀土金属的电解提取和精炼。这些金属都属于负电性金属，不能从水溶液中电解沉积出来，熔盐电解往往成为唯一的或占主导地位的生产方法。例如，铝的熔盐电解是目前工业上生产金属铝的唯一方法。其他碱金属、碱土金属以及钛、铌、钽等高熔点金属也可用熔盐电解法生产。利用熔盐电解法还可以制取某些合金或化合物，如铝锂合金、铅钙合金、稀土铝合金、WC、TiB2等。

总之，熔盐在冶金工业上获得了非常广泛的应用，不同的冶金过程对熔盐的物理化学性能有着显著不同的要求。因此，研究、开发、选择所需性能的熔盐，对于冶金生产有着重要意义。

冶金熔锍冶金熔锍是多种金属硫化物(如FeS、Cu2S、Ni3S2、CoS、Sb2S3、PbS等)的共熔体，同时往往溶有少量金属氧化物及金属。

冶金熔锍是铜、镍、钴等重金属硫化矿火法冶金过程的重要中间产物。例如，火法处理硫化铜精矿时，常常先进行所谓的造锍熔炼，使Cu2S、FeS等金属硫化物熔合形成锍相，而脉石成分与造渣熔剂熔合成渣相，从而实现主金属与脉石的分离，同时也使贵金属富集于锍相以便进一步回收。

熔锍的性质对于有价金属与杂质的分离、冶炼过程的能耗等都有重要的影响。为了提高有价金属的回收率、降低冶炼过程的能耗，必须使熔锍具有合适的物理化学性质，如熔化温度、密度、黏度等。

冶金熔渣在许多火法冶金过程中，矿物原料中的许多主金属往往以金属、合金或熔锍的形态产出，而其中的脉石成分及伴生的杂质金属则与熔剂一起熔合成一种主要成分为氧化物的熔体，即熔渣。熔渣是火法冶金的必然产物，其组成主要来自矿石、熔剂和燃料灰分中的造渣成分。由于火法冶金的原料和冶炼方法种类繁多，因而冶金熔渣的类型很多，是成分极为复杂的体系。但总的来说，熔渣主要是由各种氧化物组成的熔体，如CaO、FeO、MnO、MgO、Al2O3、SiPO2、P2O5、Fe2O3等，这些氧化物在不同的组成和温度条件下可以形成化合物、固溶体、溶液以及共晶体等。除了氧化物以外，熔渣还可能含有其他盐，甚至还夹带少量的金属，如氟化物(CaF2)、氯化钠(NaCl)、硫化物(CaS、MnS、硫酸盐)等，这些盐有的来自原料，有的是作为助熔剂加入的。

熔渣中的上述氧化物单独存在时熔点都很高，冶金条件下不能熔化。例如SiO2、Al2O3、CaO、MgO的熔点分别是：1713℃、2050℃、2570℃、2800℃。只有它们之间相互作用形成低熔点化合物，才能形成熔点较低的、具有良好流动性的熔渣。原料中加入熔剂的目的就是为了调整熔渣的酸碱性，形成冶金条件下能熔化并自由流动的低熔点熔渣。

尽管冶金熔渣成分极为复杂，但熔渣主要成分常由五、六种氧化物组成，通常是SiO2、CaO、FeO、Al2O3、MgO等。熔渣中含量最多的氧化物通常只有三个，其总含量可达80%以上，所以对炉渣性质起决定性作用的一般是前三项。例如，大多数有色冶金熔渣的主要成分是SiO2、FeO、CaO；高炉炼铁熔渣的主要成分是SiO2、CaO、Al2O3；炼钢熔渣的主要成分是SiO2、CaO、FeO。熔渣是金属提炼和精炼过程的重要产物之一。然而，不同的熔渣所起的作用是不完全一样的。2