有色冶金原理中爐渣系三元相圖的幾點(diǎn)思考

王珊WANG Shan；徐勇順XU Yong-shun；喇學(xué)偉LA Xue-wei；王偉良WANG Wei-liang

（青海大學(xué)，西寧 810016）

（Qinghai University，Xining 810016，China）

1 爐渣系三元相圖的內(nèi)容設(shè)計(jì)

爐渣，是火法冶金的一種必然產(chǎn)物，其組成主要來自礦石、熔劑和燃料灰分中的造渣成分。實(shí)際冶金爐渣體系極為復(fù)雜，但含量最多的是氧化物，通常只有三種其總含量可達(dá)80%以上，因而在冶金上常用三元相圖對(duì)爐渣的組成和物理化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行分析。

充分理解溫度降低過程中，不同組分進(jìn)行的反應(yīng)。在掌握二元相圖平面的基礎(chǔ)上，進(jìn)行投影，分析二元組成線上的二元共晶點(diǎn)、二元包晶點(diǎn)以及純組元點(diǎn)的位置。其次是掌握濃度三角形的幾何性質(zhì)，理解并牢記濃度三角形的基本規(guī)律，這是進(jìn)行爐渣系三元相圖冷卻過程分析的必要條件。再有就是掌握三元相圖中的點(diǎn)、線、面的意義，能夠利用投影圖區(qū)分三元共晶點(diǎn)和三元包晶點(diǎn)。

2 三元立體相圖的講解設(shè)計(jì)

以簡單三元共晶相圖為例，專門制作了三元立體相圖與其投影圖，在某濃度下的冷卻過程分析的動(dòng)態(tài)演示課件。色彩醒目的動(dòng)畫演示將抽象、枯燥的相圖具體化、形象化，使學(xué)生一目了然，從而加深對(duì)三元相圖的空間結(jié)構(gòu)、平衡反應(yīng)等知識(shí)的理解。尤其是一些關(guān)鍵步驟反復(fù)示意，使得三元立體相圖中的重、難點(diǎn)知識(shí)能夠得以反復(fù)加強(qiáng)，提高了效率。

3 知識(shí)點(diǎn)間相互關(guān)系的組織設(shè)計(jì)

3.1 立體相圖與投影圖的關(guān)系 爐渣系立體相圖是組成和溫度關(guān)系的三元相圖，是在濃度三角形底面上豎起溫度坐標(biāo)軸構(gòu)成的三棱柱體圖（圖1）。雖然這種結(jié)構(gòu)能夠直觀而完整地反應(yīng)三元系相平衡關(guān)系，但分析、使用均不方便，因此需要對(duì)立體相圖進(jìn)行平面化處理。

3.2 濃度三角形規(guī)則與相圖分析 在用投影圖分析組元的凝固過程時(shí)，物系點(diǎn)M 在凝固過程中液相線由f 到E的過程中，由于發(fā)生二元共晶反應(yīng)L→A+B，則固相線會(huì)從A 點(diǎn)向B 點(diǎn)方向移動(dòng)。當(dāng)液相線冷卻到k 點(diǎn)時(shí)，對(duì)應(yīng)固相線移動(dòng)到g 點(diǎn)，按照直線規(guī)則，液相點(diǎn)k、固相點(diǎn)g 和總體系點(diǎn)M 在任何時(shí)刻都必須處于同一直線上。（如圖2）

4 典型案例設(shè)計(jì)

在掌握濃度三角形基本規(guī)則及結(jié)晶過程分析方法的基礎(chǔ)上，可以結(jié)合實(shí)際三元渣系相圖進(jìn)行相圖分析。CaO-Al2O3-SiO2是高爐渣等的基本相圖，在其內(nèi)以ΔCSC2S-C2AS 為例，進(jìn)行局部難點(diǎn)分析。

4.1 介紹輔助線的由來 以物系點(diǎn)x2點(diǎn)為例（圖3），首先確定其所在的初晶區(qū)，由圖可知x2位于C2S 的初晶區(qū)，故第一條輔助線應(yīng)該連接C2S 點(diǎn)與x2點(diǎn)，并延長交二元包晶線P1P 于c 點(diǎn)。由于與x2點(diǎn)最近鄰的三元反應(yīng)點(diǎn)為P 點(diǎn)，第二條連接P 點(diǎn)與x2點(diǎn)并延長，交（C3S2）-C2AS 線于f 點(diǎn)，交CS-C2S 線于e 點(diǎn)。x2點(diǎn)位于ΔCS-（C3S2）-C2AS 局部小三角形內(nèi)，因（C3S2）為不穩(wěn)定化合物，固（C3S2）不能作為獨(dú)立三角形的頂點(diǎn)?？梢源_定x2是由CS、（C3S2）、C2AS三種化合物組成，而x2點(diǎn)只有到E 點(diǎn)才會(huì)有CS 生成，因此第三條輔助線連接E 點(diǎn)到x2點(diǎn)再延長交（C3S2）-C2AS于g 點(diǎn)。

4.2 從液、固兩條線講解冷卻過程 液相線由x2點(diǎn)向c 點(diǎn)移動(dòng)，由于x2位于C2S 的初晶區(qū)隨著溫度的降低，組分C2S 首先會(huì)過飽和析出，根據(jù)背向規(guī)則液相線向著背離C2S 點(diǎn)的方向移動(dòng)，說明液相中含有的C2S 不斷減少；對(duì)應(yīng)固相位置在C2S 點(diǎn)，根據(jù)濃度三角形的直線規(guī)則，總體系組成點(diǎn)x2、液相點(diǎn)c、固相點(diǎn)C2S 處于同一直線上。

當(dāng)液相線到c 點(diǎn)時(shí)與二元包晶線P1P 相交（二元共晶線與包晶線可以用單、雙箭頭區(qū)分），液相由c 到P 的過程中發(fā)生二元包晶反應(yīng)，其反應(yīng)與p1點(diǎn)反應(yīng)一致，即液相包裹住初晶C2S 顆粒，生成不穩(wěn)定化合物（C3S2）；此時(shí)，固相含有包晶反應(yīng)未消耗完的C2S 和新生成（C3S2），對(duì)應(yīng)固相線將從C2S 點(diǎn)向（C3S2）點(diǎn)方向移動(dòng)，當(dāng)液相線到P 點(diǎn)時(shí)二元包晶反應(yīng)結(jié)束，固相線由C2S 點(diǎn)移動(dòng)到e 點(diǎn)。

液相線在P 點(diǎn)位置可以看出箭頭為兩進(jìn)一出，說明進(jìn)行典型的三元包共晶反應(yīng)，液相與C2S 反應(yīng)同時(shí)生成（C3S2）與C2AS 兩個(gè)固相；由于固相中有第三種組分C2AS生成，固相線從e 點(diǎn)向三元系C2S-（C3S2）-C2AS 內(nèi)部移動(dòng)，交（C3S2）-C2AS 于f 點(diǎn)位置。

當(dāng)液相線從P 點(diǎn)出發(fā)向溫度更低的E 點(diǎn)移動(dòng)時(shí)，由于液相線位于P-E 二元共晶線上，反應(yīng)生成P-E 兩邊的物質(zhì)即（C3S2）、C2AS；自液相離開P 點(diǎn)位置時(shí)起，固相中的C2S 經(jīng)二元包晶、三元包共晶反應(yīng)已全部被消耗，對(duì)應(yīng)f 點(diǎn)只有（C3S2）、C2AS 兩組分，當(dāng)液相到E 點(diǎn)位置對(duì)應(yīng)固相到g 點(diǎn)，也就是固相線從f 移動(dòng)到g。

液相到E 點(diǎn)，液相生成（C3S2）、C2AS 以及CS 三種固相，液相完全消失；由于有新相CS 生成，固相線將從g 點(diǎn)向ΔCS-（C3S2）-C2AS 內(nèi)部移動(dòng)，最后回到x2點(diǎn)。冷卻過程具體如表1 所示。

表1 x2組成的液相的冷卻過程

5 結(jié)語

本文從二元相圖、濃度三角形基本規(guī)則及相圖平面化過程→冷卻過程分析方法→典型爐渣系三元相圖分析等幾個(gè)方面，對(duì)相圖分析過程中應(yīng)當(dāng)注意的問題進(jìn)行了分析和探討，進(jìn)一步促進(jìn)了運(yùn)用基本規(guī)律，掌握不同物系點(diǎn)在三元投影圖中進(jìn)行冷卻分析的方法。

[1]黃希祜.鋼鐵冶金原理[M].冶金工業(yè)出版社，2002.

[2]郭敏，郭漢杰，王福明.冶金物理化學(xué)課程中三元系相圖教學(xué)的幾點(diǎn)體會(huì)[J].金屬世界，2012（2）：19-22.

[3]何生平，董凌燕.冶金專業(yè)冶金原理課程“三元系相圖”教學(xué)探討[J].化工高等教育，2013（1）：95-102.