第四章 冶金熔体的物理性质

黏度的意义：在单位速度梯度下，作用于平行的液层间 单位面积上的摩擦力。 黏度的单位：Pa· s，泊(P)，厘泊(cP)
1Pa· s = 10P， 1P = 100cP
运动黏度（）： = / 黏度的本质： m2· s1或St（1m2· s1 = 104St）
流体的流动性：运动黏度的倒数

三、密度与熔体成分的关系
1、金属熔体
熔融金属的密度与原子量、原子的半径和配位数有关。 金属熔体的密度与其中溶解元素的种类有关。
溶于铁液的元素中，
钨、钼等能提高熔铁的密度。 铝、硅、锰、磷、硫等会使熔铁的密则很小。 当几种物理化学性质相近的金属形成金属熔体时，如 Fe—Ni、Fe—Mn等，漆密度具有加和性，即：
当T >1673K时，可按下式计算任意温度下的熔渣密度：
T 1673 0.07
1673 T 3 3 ， 10 kg m 100
一、黏度的概念
在层流流体中，流体是由无数互相平行的流体层组成的；
相距 dx 的二相邻流体层，以速度 v 和 v+dv 同向流动；
2 2 grM v ( M S ) 9S
V rM M,S S g
—— —— —— —— ——
沉降速度，m· s–1 金属或锍微粒的半径，m 金属和熔渣的密度，kg· m–3 熔渣的黏度，Pa· s 重力加速度， 9.80m· s–2
一、常见冶金熔体的密度范围
熔融的铁及常见重有色金属：7000~11000 kg· m3
C含量在0.5%以下时对铁液黏度的影响比较复杂。
四、熔渣的黏度
1、CaO–Al2O3–SiO2系熔渣的等黏度曲线图
在 A12O3 含量不大的碱性渣 区域，等黏 度线 几乎平 行 于SiO2A12O3边。
NC
aO
当渣中CaO含量一定时，
N SiO
2
用 A12O3 取代 SiO2 时不影响
黏 度 值 —— 在 碱 性 渣 范 围 内Al3+可以取代硅氧阴离子 中的 Si4+ 而形成硅铝氧阴离
— 酸性渣
温 度
熔渣黏度与温度的 关系
熔渣黏度与温度的关系（续）
碱性渣——短渣或不稳定性渣 在高温区域时，温度降低黏度只稍有增大，但降至 一定温度黏度突然急剧增大，凝固过程的温度范围 较窄。 碱性渣的结晶性能强，在接近液相线温度时仍 有大量晶体析出，熔渣变成非均相使得黏度迅 速增大。 熔化性温度——黏度由平缓增大到急剧增大的转变 温度。
N SiO
NC
A12O3呈碱性，对硅氧 阴离子有一定的解聚作用。 在 CaO/A12O3 摩尔比等于 1 的直线 AB 以左的 CaO 一 侧， A12O3 表现出酸性氧 化物的行为； 在AB线以右的A12O3一侧， A12O3 表现出碱性氧化物 的性质。
aO
2
NAl O
2
3
CaOA12O3SiO2系熔渣在1900C时的等黏度曲线 （0.1Pa· s）
CaOA12O3SiO2系熔渣在1900C时的等黏度曲线 （0.1Pa· s）
2 3
NAl O
子，即A12O3呈酸性。
四、熔渣的黏度
1、CaO–Al2O3–SiO2系熔渣的等黏度曲线图
在酸性渣和高 A12O3 的区 域，当 CaO 含量不变时用 A12O3 取 代 SiO2 则渣 的 黏 度降低。
铝电解质：2095~2111 kg· m3
镁电解质：1700~1800 kg· m3 熔渣：3000~4000 kg· m3 熔锍：4000~5000 kg· m3 生产实践中，金属（或熔锍）与熔渣的密度差通常不应低 于1500 kg· m3。
二、密度与温度的关系
熔体的密度随着温度升高而减小，且通常遵从线性关系： T = m (T Tm)
T —— 熔体在某一温度T时的密度； m —— 熔体在熔化温度Tm时的密度； —— 与熔体性质有关的常数。
或：
T = T
表 42 某些熔体密度公式中的系数
对于纯铁液：T = 8580 0.853T kg· m3
熔体 纯铁 8580 0.853 纯铝 2487 0.272 冰晶石 3288 0.937 NaF 2734 0.610 CaF2 3179 0.391 MgCl2 1976 0.302 BaCl2 4015 0.681 LiCl 1884 0.433 KCl 2136 0.583
三、金属熔体的黏度
纯液态金属的黏度： (0.5~8)103 Pa· s
接近于熔盐或水的值，远小于熔渣的黏度值。 金属熔体的黏度与其中的合金元素有关。
例如，1600C时液态铁的黏度

当铁中其它元素的总量不超过 0.02~0.03%时 为 (4.7~5.0)103 Pa· s； 当 其 它 元 素 总 量 为 0.100~0.122% 时 升 高 至 (5.5~6.5)103 Pa· s。
二、电导率与熔体组成的关系
1、金属熔体 金属熔体通常都是电的良好导体。 1000C时液体铅的电导率约为 0.8106 S· m1；
1200C时液体铜的电导率高达 4.35106 S· m1。
2、熔渣
熔渣的电导率差别很大，取决于其中氧化物的结构。
虚线所围成的 部分为1500℃下 的液相区
2、CaO–FeO–SiO2系炉渣的等黏度曲线图
该熔渣体系的黏度比
较小，并且随着 FeO 含量的增加而降低。 熔渣的碱度（>2） 及FeO含量（>10%）
高，硅氧络离子为最
简 单 的 SiO44– 结 构 单 元，而且这种渣的熔
化温度也比较低。

在冶炼熔渣中常含 有 MgO 、 Cr2O3 等氧 化物 MgO 和 Cr2O3 能使渣 的黏度显著增大。
各种熔体的黏度与温度的关系
熔渣黏度与温度的关系
酸性渣——长渣、稳定性渣 黏度随着温度下降平缓地增大，凝固过程的温 度范围较宽。

酸性渣中硅氧阴离子聚合程度大，结晶性 能差，即使冷却到液相线温度以下仍能保 持过冷液体的状态。

温度降低时，酸性渣中质点活动能力逐渐 变差，黏度平缓上升。
— 碱性渣
粘 度
连铸保护渣主要成分是CaO、SiO2和Al2O3,但是仅由这三种 物质组成的保护渣的熔化温度达不到要求（低于1200℃）， 加入CaF2或Na2O，则可使熔化温度降到1200℃以下
密度——单位体积的质量。 密度影响金属与熔渣、熔锍与熔渣、金属与熔盐的分 离，影响金属的回收率。 金属或熔锍微粒在熔渣中的沉降——斯托克斯公式：
1/ (Me / Me ),
m3 kg 1
ρMe和ωMe分别是各金属的密度和质量分数。
2、熔 渣
缺乏实验数据时，可用固体炉渣的密度代替熔融炉 渣的密度。 缺乏固态炉渣密度资料的实验数据时，可以近似地 由纯氧化物密度，按加和规则估算熔渣的密度：
1/ (MeO / MeO ),

dv d ( m v) dp F m a m dt dt dt dp dv A dt dx
表 43 各类液体的粘度
物 液态金属 Fe Cu Pb Sn 熔盐 熔渣 熔锍 玻璃 水 Na2OSiO2 (SiO2：50~80%) H2O KCl MgCl2 FeOSiO2 (SiO2：0~4%) CaOSiO2 (SiO2：45~60%) 质 温度 / K 1823 1473 1173 593 1308 1081 1673 1825 1273 1473 298 粘度 / Pa· s 0.005 0.0032 0.0012 0.0013 0.0007 0.041 0.04~0.3 0.02~1.0 ~0.01 1~10 0.001
• •
粘度 / 103Pa•s
AlF3/(NaF+ AlF3)摩尔比
Na3A1F6A1F3A12O3 三元系的黏度
一、电导率的概念
熔体导电性能的重要性
电弧炉炼钢、电渣重熔
熔盐电解
导电性的表示方法——电导率（）
电导率为电阻率（，单位· m）的倒数：
= 1/
电导率的单位：S· m1（西门子每米）
非金属元素 C 、 O 、 S 、 P 等使能其熔化温度显著降低， 含1%C的铁液的熔化温度比纯铁熔点低~90C；
由Mn、Cr、Ni、Co、Mo等金属元素引起的铁液熔化温 度的降低很小。
表 41 常见冶金熔体的熔化温度
物 金属 质 熔化温度 / C 1530 1538 1453 1083 327.5 ~960 580~700 350~360 1100~1400 700~1100 工业纯铁 Fe Ni Cu Pb 熔盐 铝电解质 镁电解质 锂电解质 熔渣 熔锍
m3 kg 1
MeO —— 渣中MeO的密度
ωMeO —— 渣中MeO的质量分数 高温下的熔渣密度可按经验公式计算。
估算冶炼温度下熔渣密度的经验公式：
当T =1673K时，
1/1673 = 0.45(SiO2) + 0.286(CaO) + 0.204(FeO) + 0.35(Fe2O3) + 0.237(MnO) + 0.367(MgO) + 0.48 (P2O5) + 0.402(A12O3)，103m3· kg1 (MxOy) —— 氧化物MxOy的质量分数。

当它们的含量超过熔 渣的最大溶解能力 （对MgO，>10~12%； 对 Cr2O3 ， >5~6% ） 时，渣中就会出现方 镁石、铬铁矿，尖晶 石 （ FeO· Cr2O3 ， MgO· Cr2O3 ）等难溶 解的固相物。
提高温度，加入 助熔剂，如A12O3 （ 5%~ 7% ） ， CaF2 （ 2%~5% ） ， SiO2 ， Fe2O3 等均 能使碱性渣的黏 度降低。 适当增加渣中氧 化铁的含量，可 以有效地促进渣 中石灰块的迅速 溶解，使渣转变 为均匀的液相。 氧 化熔 炼 时 ， 熔渣中应保持足 够的氧化铁含量 。