有色冶金原理中爐渣系三元相圖的幾點思考

王珊WANG Shan；徐勇順XU Yong-shun；喇學偉LA Xue-wei；王偉良WANG Wei-liang

（青海大學，西寧 810016）

（Qinghai University，Xining 810016，China）

1 爐渣系三元相圖的內容設計

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

充分理解溫度降低過程中，不同組分進行的反應。在掌握二元相圖平面的基礎上，進行投影，分析二元組成線上的二元共晶點、二元包晶點以及純組元點的位置。其次是掌握濃度三角形的幾何性質，理解并牢記濃度三角形的基本規律，這是進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、線、面的意義，能夠利用投影圖區分三元共晶點和三元包晶點。

2 三元立體相圖的講解設計

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態演示課件。色彩醒目的動畫演示將抽象、枯燥的相圖具體化、形象化，使學生一目了然，從而加深對三元相圖的空間結構、平衡反應等知識的理解。尤其是一些關鍵步驟反復示意，使得三元立體相圖中的重、難點知識能夠得以反復加強，提高了效率。

3 知識點間相互關系的組織設計

3.1 立體相圖與投影圖的關系 爐渣系立體相圖是組成和溫度關系的三元相圖，是在濃度三角形底面上豎起溫度坐標軸構成的三棱柱體圖（圖1）。雖然這種結構能夠直觀而完整地反應三元系相平衡關系，但分析、使用均不方便，因此需要對立體相圖進行平面化處理。

3.2 濃度三角形規則與相圖分析 在用投影圖分析組元的凝固過程時，物系點M 在凝固過程中液相線由f 到E的過程中，由于發生二元共晶反應L→A+B，則固相線會從A 點向B 點方向移動。當液相線冷卻到k 點時，對應固相線移動到g 點，按照直線規則，液相點k、固相點g 和總體系點M 在任何時刻都必須處于同一直線上。（如圖2）

4 典型案例設計

在掌握濃度三角形基本規則及結晶過程分析方法的基礎上，可以結合實際三元渣系相圖進行相圖分析。CaO-Al2O3-SiO2是高爐渣等的基本相圖，在其內以ΔCSC2S-C2AS 為例，進行局部難點分析。

4.1 介紹輔助線的由來 以物系點x2點為例（圖3），首先確定其所在的初晶區，由圖可知x2位于C2S 的初晶區，故第一條輔助線應該連接C2S 點與x2點，并延長交二元包晶線P1P 于c 點。由于與x2點最近鄰的三元反應點為P 點，第二條連接P 點與x2點并延長，交（C3S2）-C2AS 線于f 點，交CS-C2S 線于e 點。x2點位于ΔCS-（C3S2）-C2AS 局部小三角形內，因（C3S2）為不穩定化合物，固（C3S2）不能作為獨立三角形的頂點。可以確定x2是由CS、（C3S2）、C2AS三種化合物組成，而x2點只有到E 點才會有CS 生成，因此第三條輔助線連接E 點到x2點再延長交（C3S2）-C2AS于g 點。

4.2 從液、固兩條線講解冷卻過程 液相線由x2點向c 點移動，由于x2位于C2S 的初晶區隨著溫度的降低，組分C2S 首先會過飽和析出，根據背向規則液相線向著背離C2S 點的方向移動，說明液相中含有的C2S 不斷減少；對應固相位置在C2S 點，根據濃度三角形的直線規則，總體系組成點x2、液相點c、固相點C2S 處于同一直線上。

當液相線到c 點時與二元包晶線P1P 相交（二元共晶線與包晶線可以用單、雙箭頭區分），液相由c 到P 的過程中發生二元包晶反應，其反應與p1點反應一致，即液相包裹住初晶C2S 顆粒，生成不穩定化合物（C3S2）；此時，固相含有包晶反應未消耗完的C2S 和新生成（C3S2），對應固相線將從C2S 點向（C3S2）點方向移動，當液相線到P 點時二元包晶反應結束，固相線由C2S 點移動到e 點。

液相線在P 點位置可以看出箭頭為兩進一出，說明進行典型的三元包共晶反應，液相與C2S 反應同時生成（C3S2）與C2AS 兩個固相；由于固相中有第三種組分C2AS生成，固相線從e 點向三元系C2S-（C3S2）-C2AS 內部移動，交（C3S2）-C2AS 于f 點位置。

當液相線從P 點出發向溫度更低的E 點移動時，由于液相線位于P-E 二元共晶線上，反應生成P-E 兩邊的物質即（C3S2）、C2AS；自液相離開P 點位置時起，固相中的C2S 經二元包晶、三元包共晶反應已全部被消耗，對應f 點只有（C3S2）、C2AS 兩組分，當液相到E 點位置對應固相到g 點，也就是固相線從f 移動到g。

液相到E 點，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 點向ΔCS-（C3S2）-C2AS 內部移動，最后回到x2點。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 結語

本文從二元相圖、濃度三角形基本規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方面，對相圖分析過程中應當注意的問題進行了分析和探討，進一步促進了運用基本規律，掌握不同物系點在三元投影圖中進行冷卻分析的方法。

[1]黃希祜.鋼鐵冶金原理[M].冶金工業出版社，2002.

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