第二章化学冶金(2013版)案例
钢铁冶金概论第二章 高炉炼铁-主要物理化学反应与操作工艺
（1）CaCO3在高炉中的分解吸热
CaCO3 ( s) CaO( s ) CO2 ( g ) 42500kcal
每100kg CaCO3分解吸收的热量是6kg焦炭燃烧产生 的热量。 （2）CaCO3在进入高温区分解产生的CO2，其中 50%参与焦炭溶损反应，该反应900℃开始，1000℃ 剧烈进行，大量吸热，降低焦炭热强度
高岭土（Al2O3· 2O）中的结晶水： 2H
400℃开始→500~600 ℃剧烈分解
大颗粒矿传热慢，尽管矿粒表面温度已达到剧烈 分解温度，但内部温度还很低，当内部温度达到 剧烈分解温度时，表面温度已很高，分解出来的 水会与焦炭反应。
2013-7-19 6
500~900 ℃
T> 900 ℃
C + 2H2O = CO2 + H2
这些碳酸盐分解 发生在低温区， 对高炉冶炼影响 不大
T沸1 720 ~ 780C T沸2 900C
3）白云石
MgCO3 CaCO3 ( s) MgO( s) CaCO3 ( s) CO2 ( g ) MgO( s) CaO( s) 2CO2 ( g )
4）碳酸铁
2
2013-7-19
T<1000°C
上缘T:1150~1200℃ 矿石开始软化收缩
下缘T: 1400°C,渣铁 开始熔融滴落 包括活性焦炭区 和呆滞区
鼓风T为1100~1300℃， 在风口前端形成回旋 区向炉缸中心延伸， 产生大量热量和CO， 产生空间使炉料下降
T为1400~1500°C
2013-7-19 3
(FeO) + C焦炭 = [Fe] + CO -36350kcal/kmol
冶金 工程案例库
冶金工程案例库冶金工程案例库旨在为冶金工程的教学和研究提供丰富的实际案例，帮助学生更好地理解理论知识，提高解决实际问题的能力。
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2. 有色金属生产案例：有色金属生产是冶金工程的另一重要应用领域。
案例库可以包含各种有色金属的生产工艺和技术要点，例如铝、铜、锌等金属的冶炼、电解、精炼等工艺流程和技术参数。
3. 稀有金属生产案例：稀有金属在高新技术领域具有广泛应用，其生产工艺和技术要求较高。
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5. 环境保护与治理案例：冶金工程中环境保护和治理是一个重要问题，案例库可以包含各种环境保护和治理的工艺和技术，例如烟气脱硫、废水处理、废弃物填埋等方面的技术和措施。
6. 冶金工程设计与优化案例：冶金工程涉及大量的工艺流程和设备配置，需要进行科学合理的设计和优化。
案例库可以包含各种冶金工程的设计和优化案例，例如工艺流程的优化、设备的选型和配置、工厂的布局和组织等方面的设计和优化过程。
7. 冶金工程事故与安全案例：冶金工程中存在各种事故和安全隐患，案例库可以包含各种冶金工程事故和安全事件的案例，例如设备故障、生产事故、环境污染等事件的原因、经过和后果，以及相应的安全措施和预防措施。
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冶金物理化学简明教程精品课程课件全册课件汇总
冶金物理化学简明教程精品课程课件全册课件汇总冶金物理化学是一门研究金属材料的结构、性能、加工及应用的学科，它涉及材料科学、物理化学、冶金工程等多个领域。
本教程旨在为物理化学及相关专业的学生和从事冶金工程的工程师提供必要的知识和技能，使其能够在金属材料的制备、加工和应用等方面发挥重要作用。
本教程共分为以下几个章节：第一章金属结构与性质此章将介绍晶体结构、晶格缺陷、晶体生长和金属结构的各种性质，包括晶体结构的分类、晶格缺陷的种类、形成原因及其对金属性质的影响等。
第二章金属的热力学和热力学过程此章将介绍金属及其合金的相变规律，各种相变的热力学分析方法，相图的绘制和应用，金属加工过程中的相变和相变控制等。
第三章金属的电化学行为和腐蚀此章将介绍电化学基础知识、技术和应用，金属腐蚀的分类、机理及其防腐保护措施等。
第四章金属的物理性质和材料化学此章将介绍金属的磁性、光学和其他物理性质，以及材料化学中的分析方法和应用等。
第五章金属加工和热处理此章将介绍金属加工的各种方法，包括变形、淬火、回火等热处理方法，以及在加工过程中控制材料组织和性质的方法。
第六章金属的膜和表面处理此章将介绍金属表面处理的各种方法，包括化学处理、电化学处理、物理处理等，以及膜的制备和性能控制等。
第七章金属的特殊性质和应用此章将介绍金属的特殊性质和应用，包括超导、形状记忆合金、微电子等高科技领域的应用等。
以上为本教程的主要内容概要，通过本教程的学习，将能够掌握金属材料结构、性质和加工等方面的基础知识，从而在金属材料制备、加工和应用等方面发挥重要作用。
本教程具有循序渐进、理论和实践相结合的特点，适合各类物理化学及相关专业学生和冶金工程师使用。
第二章 焊接化学冶金反应1
（Zn=907℃）
（ CO2 在 熔 滴 反 应阶段的氧化程 度大于熔池）
徐 州 工 程 学 院 教 案 纸
素在焊缝金属中的原始浓度（Co）与熔合化（θ） 间的关系。 Co =θCb+(1-θ)Ce Cb—该元素在母材中的浓度 Ce—该元素在焊条中的浓度 实际上，焊条中 Me 在焊接过程中是有损失的（飞溅） ，而母 材中的 Me 几乎全部过渡到焊缝中，因此焊缝金属中 Me 的实际浓 度 Cw =θCb+(1-θ)Cd Cd-熔敷金属中元素的实际浓度 多层焊时：Cn=θCb+(Cd-Cb)θn Cn—第几层堆焊中 Me 的浓度 （2）熔合比的取决因素： 焊接方法、规范、接头形式及尺寸、坡口的型式、角度， 母材的性质，焊村的种类，焊丝（条）的倾角。 2、熔滴过渡特性的影响（熔滴反应区） 熔滴过渡特性主要取决于焊接规范。 （1）Ih↑—熔滴过渡频率↑—反应时间↓—反应程度↓ （2）U 弧↑—熔滴的反应阶段时间↑—反应程度↑ 以上讨论可以看出，母材一定的条件，影响焊缝成份的因 素：一是焊接材料，二是焊接工艺规程。 四、焊接化学冶金系统的不平衡性 焊接化学冶金系统是一个复杂的高温多相反应系统 1、焊接方法不同，组成系统的相不同 SAW、SMAW：三相：液态金属，熔渣、气相 气体保护焊：二相：气相、液态金属 电渣焊：二相：渣相、液态金属 2、焊接区的不等温条件导致化学冶金的不平衡
2
徐 州 工 程 学 院 教 案 纸
过渡速度 v=2.5～10m/s （4）熔滴和熔渣发生强烈的混合 d=2-3mm 2、物化反应： （1）金属的蒸发，黄铜 cu-Zn 防止 Zn 蒸发和 Zn 中毒 （2）气体的分解和溶解 (H2O)气、CO、CO2、H2、N2 （3）金属及其合金的氧化和还原 [Fe]+CO2→FeO+CO 气体对金属的氧化 (SiO2)+Fe→FeO+Si 液态熔滴对金属的氧化的氧化 MnO+Fe→FeO+Mn （4）焊缝金属的合金化 （三）熔池反应区： 1、熔池反应区的物理条件 （1）熔池的平均温度低 1600-1900℃ （2）比表面积小 3-130cm2/kg （3）熔池的持续时间长（反应时间长）SMAW:3-8S SAW:6-25S （4）温度分布不均匀 熔池的头部：金属的熔化，气体的吸收-有利于吸热反应 熔池的尾部：金属的凝固，气体的逸出-有利于放热反应 2、熔池反应区的化学条件 （1）熔池中反应物的浓度与平衡浓度之比比熔滴区小-----反 应速度慢。 （2）药皮重要系数 kb 大时，与熔池作用的熔渣比熔滴多--反应充分。 （3）熔池反应区的物质是不断更新的---更新可达到稳定，从 而得到均匀的焊缝成份。 总之，焊接化学冶金反应过程是分区进行的（连续进行的） 。 在熔滴阶段进行的反应多数在熔池反应阶段将继续进行，但也有 停止甚至于改变方向的，其综合结果决定了焊缝的最终成份。 ※在焊材、母材一定的条件下，要得到高质量的焊缝，就必 须从焊接工艺控制焊接化冶金反应。 三、焊接工艺与化学冶金反应的关系 改变焊接工艺条件（方法、规范）必然引起冶金条件的变化 （反应物的数量、种类、温度、反应时间等） ，也就影响到冶金 反应的过程。 1、熔合比的影响：对焊缝金属的成份有很大的影响 （1）熔合比：在焊缝金属中局部熔化母材所占的比例 假设合金元素 Me 在焊接过程中无损失时，某元
焊接(第2章)
真空
真空电子束焊接
自保护
用含有脱氧、脱氧剂的“自保护 ‘焊丝进行焊接
注意：要获得与母材性能相同的焊缝金属，不要求二者的化学成分完全一样。
化工机械研究所
第2章 焊接化学冶金过程
3）机械保护作用
•焊条药皮、药芯焊丝一般由造气剂、造渣剂、铁合 金等组成。这些物质熔化后形成熔渣覆盖在液体金属 表面，将金属与空气隔离，防止金属中有益元素的烧 损和有害元素的侵入。
4）飞溅率Ψ
aH = mH /It
Ψ = (m- mH )/m = 1- aH /ap
化工机械研究所
第2章 焊接化学冶金过程
3 焊条金属的过渡特性
1）熔滴过渡参数
•焊条金属熔化后，只有一小部分（<10％）的蒸发损失， 而90％的是以滴状过渡到熔池中。
• 熔滴过渡的速度和熔滴的尺寸影响焊接过程的稳定性、 飞溅程度、焊缝的成形好坏。
因此，焊接的金属与气体的作用可归结为 氢、氮、氧的作用。
化工机械研究所
第2章 焊接化学冶金过程
二 氢对熔池金属的作用 1.氢在金属中的熔解
2.氢的扩散 3.氢对焊接质量的影 ( 1）氢脆性：
（2）白点：
（3）气孔： （4）冷裂纹：
化工机械研究所
第2章 焊接化学冶金过程
4 控制氢的措施 （1）限制焊接材料中氢的来源：焊接材料中 的有机物和各形式的水分是焊缝中氢的主要来 源。 （2）清除焊件和焊丝表面的杂质： （3）冶金处理： （4）控制焊接参数： （5）焊后脱氢处理：
化工机械研究所
第2章 焊接化学冶金过程
三 熔渣的碱度 1 定义
碱度是表征熔渣碱性强弱的一个量。 2 氧化物分类
•酸性氧化物：
SiO2，TiO2，P2O5，V2O5(由强至弱)
年产5000吨仲钨酸铵(APT)工厂设计
江西理工大学本科毕业设计（论文）题目：年产5000吨仲钨酸铵（APT）工厂设计学院：冶金与化学工程学院专业：冶金工程班级：093班学号：31学生：胡振华指导教师：聂华平职称：教授时间：2013年6月10日江西理工大学本科毕业设计（论文）任务书冶金与化学工程学院冶金工程专业09 级（13届）093班胡振华学生题目：年产5000吨仲钨酸铵工厂设计原始依据（包括毕业论文的工作基础、研究条件、应用环境、工作目的等）毕业设计（论文）是本科培养方案中重要组成部分，是毕业前学生进行全面综合训练，培养创新意识，提高创新能力的一个重要的实践性教学环节。
毕业生本课题通过独立完成冶金工厂设计的综合训练，达到了对工程制图、冶金工艺计算、冶金设备选型与计算等基本技能的掌握，并培养了创新意识，提高了创新能力和工程设计能力。
本设计采用的主要原始资料数据为：1）黑钨精矿各元素物相组成见下表：2）各元素的物相组成如下：WO3: FeWO4、MnWO4、CaWO4（分别占70%，29.5%，0.5%）Mo: MoS2P : Ca5(PO4)3FSiO2: K(AlSi3O8)、SiO2（分别占60%，40%）As: FeAsSSnO2: SnO2Cu: CuFeS2Ca: CaWO4、Ca5(PO4)3F、CaCO3S: MoS2、FeAsS2、CuFeS2、FeS2主要内容和要求：（包括论文内容、主要指标与技术参数，并根据课题性质对学生提出具体要求）：1、厂址与工艺流程的选择与论证厂址必须符合有色冶金工厂的基本要求，特别要符合环境保护的要求，工艺流程的选择必须有两种以上工艺方案的对比材料，通过对比和论证做出技术上可行、经济上合理的结论。
并绘制详细的工艺流程图，对其工艺过程作简要的说明。
2、冶金计算选择先进的工艺技术条件和合理的经济技术指标、原辅材料的质量标准、产品方案及质量要求等。
要求计算钨精矿的物相组成、碱分解渣的化学组成与物相组成、全流程有价金属的平衡、全流程的物料平衡。
钢铁冶金学(炼铁)课件第2章
第二章铁矿粉造块(Agglomeration of Fine Iron Ores)2.1 铁矿粉造块的意义和作用铁矿石造块的必要性现代高炉(Blast furnace)生产对原料(Raw materials)提出更加严格的要求(精料方针)；天然富矿(Natural rich ore)少，富矿粉(Ore fines)和贫矿(Lean ore)选矿(Ore-dressing或Beneficiation)后的精矿粉(Concentrates)粒度(Size)细，不适合在填充床(Packed bed)中的冶炼；通过造块工艺，可改善铁矿石(Iron ores)的冶金性能(Metallurgical properties)；通过造块过程，可脱除某些杂质，如：S、P、K、Na等；造块过程可综合利用冶金企业产生的大量粉尘(Fines or Dusts)和烟尘(Flue dust)。
我国烧结矿(Sinter)生产的发展铁矿石烧结的发展简史2.2 造块的基础理论散料造块的基础理论2.3 烧结过程(Sintering Process)2.3.1 烧结工艺流程现代烧结生产是一种抽风烧结(Wind-drawing sintering)过程；料层厚度(Sinter mix/blend bed height)为350～700mm；点火温度(Ignition temperature)为950～1200℃；抽风负压(Wind-drawing negative pressure)为1000～1600mmH2O柱；烧结温度(Sintering temperature)为1260～1500℃。
烧结过程沿料层高度的变化状况1. 烧结矿层(Sinter ore layer)——上冷下热，约40～50 mm为脆性层(T低、急冷)；2. 燃烧层(Combustion layer)——即烧结层(Sintering layer)，厚度约为15～50 mm，温度为1100～1400℃，主要反应为燃烧反应；3. 预热层(Preheating layer)——厚度为20～40 mm，特点是热交换剧烈，温度快速下降，主要反应为水分蒸发、结晶水及石灰石分解、矿石氧化还原及固相反应；4. 冷料层(Mix/Blend layer)——即过湿层(Wetting layer)，上层带入的水分由于温度低而凝结，¯过多的重力水使混合料小球被破坏¯影响料层透气性(Permeability)；5. 垫底料层(Hearth layer)——为保护烧结机炉篦子不因燃烧带下移而烧坏。
《钢铁冶金》第二章铁矿烧结
四、燃料燃烧和传热
❖ 烧结料中固体碳的燃烧为形成粘结所必须的液相和进行 各种反应提供了必要的条件(温度、气氛)。烧结过程所需 要的热量的80~90%为燃料燃烧供给。然而燃料在烧结混 合料中所占比例很小，按重量计仅3~5%，按体积计约 10%。在碳量少，分布稀疏的条件下，要使燃料迅速而 充分地燃烧，必须供给过量的空气，空气过剩系数达 1.4~1.5或更高。
❖ 随着烧结过程的进行，燃烧层向下移动，烧结矿层增厚， 自动蓄热作用愈显著，愈到下层燃烧温度愈高。这就出现 上层温度不足(一般为1150℃左右)，液相不多，强度较低， 返矿较多；而下部温度过高，液相多，过熔，强度虽高而 还原性差，即上下烧结矿质量不均的现象。为改善这种状 况，提出了具有不同配碳量的双层或多层烧结的方法。即 上层含碳量应高于平均含碳量，而下层应低于平均含碳量， 以保证上下层温度均匀，质量一致。而且节省燃料。苏联 采用分层烧结某矿粉，下部含碳量低1.2%，节省燃料10%， 联邦德国某厂使用双层烧结，节省燃料15%，日本用此法 节省燃料10%。
❖ 随着烧结料层的增厚，自动蓄热量增，有利于降低燃料 消耗，但随着料层厚度增加，蓄热量的增加逐渐减少，所 以燃耗降低幅度也减小。当烧结矿层形成一个稳定的蓄热 层后，则蓄热量将不再增加，燃耗也不再降低。因此，从 热量利用角度看，厚料层烧结是有利的，但不是愈厚愈好， 在一定的条件下，存在着一个界限料层高度。同时料层高 度的进一步增加还受到透气性的限制。
❖ 在某一层中可能同时进行几种反应，而一种反应又可能在几层中进行。 下面对各过程分别进行研究和讨论。
二、烧结料中水分的蒸发、分解和凝结
❖ 任何粉料在空气中总含有一定水分，烧结料也不例外。除 了各种原料本身带来和吸收大气水分外，在混合时为使矿 粉成球，提高料层透气性，常外加一定量的水，使混合料 中含水达7~8%。这种水叫游离水或吸附水。100℃即可 大量蒸发除去。如用褐铁矿烧结，则还含有较多结晶水 (化合水)。需要在200~300℃才开始分解放出，若含有粘 土 质 高 岭 土 矿 物 (Al2O3·2SiO2·H2O) 则 需 要 在 400~600℃ 才能分解，甚至900~1000℃才能去尽。
冶金企业典型安全生产事故案例
生产安全事故：是人们在生产经营过程 中发生的事故。—《安全生产法》
编辑课件
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2、事故的特性
（1）因果性：“事出有因”、“无风不起浪”。
（2）随机性：“防不胜防”，如果安全防护意识不 强，防范措施跟不上，事故甚至于事件就会随时、 随地发生。
（3）潜伏性：表面上，事故的发生是突然的，事故 上都经过了一定的潜伏时期，只有当诱因、外部 条件综合到一起时才发生。也就是我们常说的存 在着事故隐患。
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3、事故的分类
（4）根据生产安全事故（以下简称事故）造成的人员伤亡 或者直接经济损失分类:
事故一般分为以下等级：
（一）特别重大事故，是指造成30人以上死亡，或者100人 以上重伤（包括急性工业中毒，下同），或者1亿元以上 直接经济损失的事故；
（二）重大事故，是指造成10人以上30人以下死亡，或者50 人以上100人以下重伤，或者5000万元以上1亿元以下直 接经济损失的事故；
• 事故的主要原因依次为：违章操作和误操作，技 术设备缺陷和防护装置缺陷，安全技术和操作技 术不熟悉，作业环境条件缺陷，以及安全规章制 度执行不严格等。
编辑课件
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(五)冶金生产中，煤气、氧气生产过 程中存在的主要危险源及事故类别
和原因
• 1．煤气生产过程中存在的主要危险及事故类别和原因
• 冶金生产中大量产生和使用煤气的有：高炉煤气，焦炉 煤气，转炉煤气，发生炉煤气和铁合金煤气。各种煤气 的组成成分及所占百分比各不相同，主要成分为一氧化 碳、氢气、甲烷、氮气、二氧化碳等。
09冶金物理化学-第二章-热力学参数状态图
MOCOM CO2
当反应平衡时，其反应的平衡常数与CO和CO2的关系如下：
K p CO 2 p CO %CO2 %CO
%CO2 100 K 1 K %CO 100 1 K
根据标准自由能的温度表达式，可以得到％CO或 ％CO2对应的温度值。进而给出了%CO还原铁的 平衡图，即著名的叉字图。
在仅作膨胀功的条件下△Go为负值，平衡时△G=0，
G RT ln
p'O2 P
( Rln
p'O2 P
)T ( Rln p'O2)T
10 可以得到经过0点斜率为RTlnPO2的直线，即PO2标尺
11
PO2标尺的用途： －利用 PO2 标尺可以直接求出某一温度下金属氧化物的 平衡时的分解压强；
2．连续原理 当决定体系状态的参数连续变化时，若相数不变， 则相的性质及整个体系的性质也连续变化；若相数 变化，自由度变了，则体系各相性质及整个体系的 性质都要发生跃变。 3．相应原理 对给定的热力学体系，互成平衡的相或相组在相图 中有相应的几何元素（点、线、面、体）与之对应。
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2.3.1 二元系相图基本类型
在埃林汉图的基础上，理查森和杰佛斯又增加了一 些相关的辅助坐标，给出了PO2标尺和PCO/PCO2标尺。 从而使埃林汉图使用更加方便。 需要注意：在上述3种不同的情况纵坐标的物理量是
不同的。
利用金属与氧反应的平衡氧分压，可以得到埃林汉 图，即氧势图。同理金属与硫和氯反应也可以得到硫势 图和氯势图。 在氧势图上也可以得到PH2/PH2O标尺，其与PCO/PCO2
冶金物理化学
第一部分 冶金热力学 胡 晓 军
讲义3-粉末冶金2(溶胶凝胶法)
目前，利用阳极氧化铝模板已经成功合成 了金属，半导体，氧化物，碳纳米管，高 聚物，生物高分子等的纳米结构。就制备 工艺来看，主要包括电沉积，无电沉积（ 化学镀），化学池沉积，溶胶－凝胶法， 气相沉积，化学聚合等方法。
溶胶－凝胶工艺是制备纳米颗粒的重要工 艺方法，利用前驱体的水解可以首先得到 流动性较好的由纳米团簇构成的溶胶体系 ，因此可以利用许多无机材料体系溶胶具 有较好流动性的特点，利用溶胶填充阳极 氧化铝纳米多孔结构。在溶胶填充时是利 用具有通孔结构的铝膜进行的，否则由于 纳米孔的一端封闭使得具有一定粘度的溶 胶很难进入孔中。
水合离合 M z H 2 O M(H2 O) z
M(H2 O) z M－OH (z－1) H＋ M O (z 2) 2H
上述水解反应的产物，在一定酸度条件下会发生 缩聚反应而形成多核络合物。这是因为已与一个 金属离子结合着的氢氧根或氧基，仍保留一部分 络合能力，还能取代与其他一个金属离子络合的 H2O，而将两个金属离子联系起来。
在溶剂－凝胶工艺中最初形成的纳米结构 往往只是中间体，还需要通过后续的热处 理工艺才能获得最终所需晶相的材料。目 前利用这种方法已经制备了TiO2，ZnO， WO3，SnO2等材料体系的纳米管结构 ， 2005年，张立德等利用改进的溶胶－凝胶 方法，在AAO膜孔中制备了Eu2O3，ZnO纳 米线和纳米管阵列。
Si(OEt)4
加入 H20， HCl 醇溶液(室温) Si(OEt)4，H2O，HCl，EtOH
80℃放置 60℃放置 粘稠溶液 涂 膜
温室抽丝
块状凝胶
凝胶纤维
凝胶薄膜
缓慢加热至 900℃
400-800℃加热
《冶金物理化学》答案解析
∆H θ 298( Al O3 ) = −1673600 J / mol
= S θ 298( Al O3 ) 51.04 J / ( K • mol ) = S θ 298( Al ) 28.33 J / ( K • mol ) = S θ 298(O2 ) 205.13 J / ( K • mol ) c p , Al3O2 ( s )= (114.77 + 12.80 ×10−3 T ) J / ( K • mol ) c p , Al ( s ) = (20.67 + 12.39 ×10−3 T ) J / ( K • mol ) c p ,O2 ( s )= (29.96 + 4.19 ×10−3 T ) J / ( K • mol )
3 2 Al(l ) + O2 = Al2O3( S ) 2
∆ f Gθ = ( −1687200 + 326.8T ) J / mol
θ
试计算（1）FeAl2O4 的标准生成吉布斯自由能 ∆ f G 与 T 的关系式 （2）在 1600K 时上述电池的电动势为多少？ 解 ：（1） Fes +
1 O2( g ) + Al2O3 = FeO • Al2O3 (s) 2
1 PO2
∆ r Gθ = RT ln PO2 = − RT ln PO2 / Pa 1.0315 ×105
= RT ln
= RT × 2.3lg( PO2 / Pa ) − RT ln1.0315 ×105
= −29.91×104 + 75.3T
由
1 Fe( s ) + O2( g ) + Al2O3 = FeO • Al2O3( S ) 2 3 2 Al( s ) + O2( g ) = Al2O3( S ) 2
09冶金物理化学-第二章-热力学参数状态图
在仅作膨胀功的条件下△Go为负值，平衡时△G=0，
G RT ln
p'O2 P
( Rln
p'O2 P
)T ( Rln p'O2)T
10 可以得到经过0点斜率为RTlnPO2的直线，即PO2标尺
11
PO2标尺的用途： －利用 PO2 标尺可以直接求出某一温度下金属氧化物的 平衡时的分解压强；
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2．化合类 （1）包晶反应－体系在冷却时，液相与先结晶出的固相或固 溶体化合为另一固相（共 6 类）。
（2）包析反应－体系冷却时，两个固相纯物质、化合物或固 溶体生成另外一个固相化合物或固溶体（共 12 类）。
30
2.3.1 二元系相图基本类型
从相图基本结构分，可分为： 1．简单共晶（低共熔）型二元系相图 2．含有中间化合物的二元系相图 3．含固溶体的二元系相图
在埃林汉图的基础上，理查森和杰佛斯又增加了一 些相关的辅助坐标，给出了PO2标尺和PCO/PCO2标尺。 从而使埃林汉图使用更加方便。 需要注意：在上述3种不同的情况纵坐标的物理量是
不同的。
利用金属与氧反应的平衡氧分压，可以得到埃林汉 图，即氧势图。同理金属与硫和氯反应也可以得到硫势 图和氯势图。 在氧势图上也可以得到PH2/PH2O标尺，其与PCO/PCO2
CO 2
p
2
Pco RT ln pO2 558150 (167.78 2 R ln )T Pco2
14 同理可以得到经过RTlnPO2~T的直线，即PCO/PCO2标尺
15
PCO/PCO2标尺的用途： －利用PCO/PCO2标尺可以直接得到某一温度金属氧化物 被CO还原的平衡PCO/PCO2
粉末冶金原理第二章
(2)多相反应的特点
1)多相反应的速度方程式。 ① 界面上的化学反应速度比反应剂扩散到界面的速度快得 多，于是ci=0。这种反应是由扩散环节控制的，其速度=(D/δ) A(c-ci)=k1Ac0。 ② 化学反应比扩散过程的速度要慢得多，这种反应是由化 学环节控制的，其速度=，n是反应级数。
1.金属氧化物还原的热力学
3)位于图中最下面的几条关系线所代表的金属如钙、镁等与 氧的亲和力最大，所以，钛、锆、钴、铀等氧化物可以用钙、 镁作还原剂，即所谓的金属热还原。
1.金属氧化物还原的热力学
图2-10 金属氧化物Δ -T
例CO2还-2原就时ApCl2OO/是3生多成少反？应，求在1620℃下，Al2O3被
(2)多相反应的特点
③ 若扩散过程与化学反应的速度相近，这种反应是由中间 环节控制的。这种反应较普遍，在扩散层中具有浓度差，但 ci≠0。其速度=k1A(c-ci)=k2Acn，设n=1，则k1A(c-ci)=，所以c i=k1c/(k1+k2)，将ci值代入k1A(c-ci)得:速度=k1k2Ac/(k1+k2)=kA c。如果k2<<k1，则k=k2，即化学反应速度常数比扩散系数小 得多，扩散进行得快，在浓度差较小的条件下能够有足够的 反应剂输送到反应区，整个反应速度取决于化学反应速度， 过程受化学环节控制。如果k1<<k2，则k=k1=D/δ，即化学反 应速度常数比扩散系数大得多，扩散进行得慢，整个反应速 度取决于反应剂通过厚度为δ的扩散层的扩散速度,过程受扩 散环节控制。当过程为扩散环节控制时，化学动力学的结论 很难反映化学反应的机理。 2)多相反应的机理。
图2-11 氧化物的Δ -T图附加的专用坐标解说图
冶金的化学原理及应用教案
冶金的化学原理及应用教案一、引言在金属材料的生产、加工与利用过程中，冶金是一项非常重要的学科。
本教案将介绍冶金的化学原理及其在实际应用中的重要性。
二、冶金的基本概念1.冶金的定义：冶金是研究金属工艺、金属物理、金属与非金属材料相互作用等一系列学科的统称。
2.冶金的发展历史：从古代冶铜冶铁开始，经过几千年的发展，冶金已经成为现代工业的重要组成部分。
三、金属的化学原理1.金属与酸的反应：金属通常与酸反应生成盐和气体。
例如，铁与盐酸反应生成氢气和氯化铁。
2.金属的氧化反应：金属通常与氧气反应生成金属氧化物。
例如，铁与氧气反应生成氧化铁。
3.金属的还原反应：金属通常可以被还原剂还原，恢复到原来的金属状态。
例如，氢气可以将氧化铁还原为铁。
四、冶金的应用1.金属材料的提取：通过冶金技术，可以从矿石中提取出金属，如铜、铁、铝等。
2.金属的加工：冶金技术可以将金属加热、锻造、淬火等，使其获得不同的性能和形状。
3.金属的合金化：通过将金属与其他元素进行合金化处理，可以获得具有更好性能的合金材料。
4.材料的改性：冶金技术可以改变金属材料的性能，如增加硬度、提高耐蚀性等。
5.金属的再利用：通过冶金技术，可以对废旧金属进行回收再利用，减少资源浪费。
五、教学方法与学习建议1.多媒体教学法：可以通过投影仪、电脑等多媒体设备展示冶金的实际应用和案例，激发学生的学习兴趣。
2.实践教学法：可以组织学生参观冶金工厂，了解真实的冶金生产过程，增加实际操作的经验。
3.组织讨论：可以选取一些与冶金相关的问题，组织学生进行小组讨论，激发学生思考和合作能力。
4.提供案例：可以选取一些冶金产业中的成功案例，让学生分析其成功原因和经验教训。
六、教学评估与反馈为了评估学生对冶金化学原理及应用的掌握程度，可以采用以下评估方法： 1. 书面测试：出一些选择题、填空题和简答题，考察学生对冶金的基本概念和原理的理解。
2. 实验报告：要求学生进行一些简单的实验，并撰写实验报告，评估学生的实验操作能力和数据分析能力。
冶金电化学第二章..
电解质水溶液的动态性质
2018/10/9
1
上次课的主要内容
1、什么是活度和和活度系数？
活度：即“有效浓度”
活度系数：活度与浓度的比值，反映了粒子间相 互作用所引起的真实溶液与理想溶液的偏差。 2、标准状态是如何规定的？ 规定：活度等于1的状态为标准态。对于固态、 液态物质和溶剂，这一标准态就是它们的纯物 质状态，即规定纯物质的活度等于1。这种假想 状态同时具备无限稀释溶液的性质（γ=1）和活 度为1的两个特性。
（2-8）
18
三、离子独立移动定律及离子摩尔电导率
在无限稀释时，所有电解质都全部电离，而且离 子间一切相互作用均可忽略，因此离子在一定电 场作用下的迁移速度只取决于该种离子的本性而 与共存的其它离子的性质无关。
正离子的极限 摩尔电导率
m
m,
m,
(2-9)（离子独立移动定律）
2018/10/9
（2-13）
28
（2-13）式中Ex为x方向的电位梯度，U+和U-均为 比例系数，则U+和U-称为离子淌度，也称离子迁 移率，离子淌度的定义：单位电位梯度或单位电 场强度下离子的迁移速度。单位为
m s V
2
1
1
(米2．秒-1．伏特-1)。
各种离子中的H+的淌度最大，在25℃时无限稀溶 液中淌度为36.30×10-8m2.s-1.V-1；其次是OH-， 淌度为20.52×10-8m2.s-1.V-1；一般离子淌度为 10×10-8m2.s-1.V-1以下。
m ,
m
m , m
（2-16）
t U /( U U )
第二章 化学冶金(2013版)
焊接化学冶金的任务
①对焊接区实施保护，免受空气侵害 ②熔化金属，冶金处理，获得所要求的 焊缝成型
一、对焊接区的保护
1.光焊丝焊接时 [N] ＝0.105﹪~0.218﹪,增加20~45倍， [O] ＝0.14﹪~0.72﹪,增加7~35倍， [Mn]、[C]蒸发、氧化损失易产生气孔，导 致塑性韧性下降,光焊丝无保护的焊接不实用 2.保护方法 药皮、熔渣、药芯、保护气体、自保护等 3.保护效率 与保护方法有关，一般惰性气体保护效果较好
b.气-液态金属 分子态：满足一般溶解规律 S H2 K H2 pH2 平方根定律（溶解度）： 质子态：溶解度更高 电弧焊时，大量H、H+存在，溶解度高得多 熔滴阶段吸氢比熔池阶段多 ③影响因素 a.温度（如图1-16、图1-25） b.合金元素（如图1-27） c.组织(吸氢量：δ>γ>α)
二、焊接冶金学反应区及其反应条件（以 焊条电弧焊为例）（P.45、46，图2-3） 1.药皮反应区
（1）产生的气体
①100~1200°C：水分蒸发、分解、氧化 a. ＜100°C 吸附水分蒸发 b.>200~400°C 排除结晶水 c. >400°C 排除化合水 ②有机物的分解和燃烧：产生CO2、CO、 H2 ③碳酸盐的分解（大理石CaCO3、菱苦土 MgCO3):产生CO2 ④高价氧化物分解（赤铁矿Fe2O3、锰矿 MnO2):产生O2
②溶解途径 a.渣-液态金属： 溶解在渣中的H主要以OH-的形式存在 H2O（气)+O2-（自由氧)2(OH-) [O2-]（碱度越高），溶解的OH- 越大 渣中有F- 时，2OH- + F- = O2- + HF, 降低了H2O在渣中的溶解度 金属从熔渣到金属的溶解： (Fe 2+ ) + (OH -) [Fe] + 2[O] + 2[H] [Fe]+2 (OH -) (Fe 2+ ) +2(O2-)+2[H] (OH -) [O] + [H] +(O2-) (H+) [H] 阴极处： (OH -) –e [H] + [O]
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（2）化学条件
①熔池反应体系中各相浓度接近平衡浓
度，反应速度小 ②药皮质量系数Kb 大时，有部分熔渣直 接进入熔池，参与并强化熔池反应 ③熔池反应物质处在连续更新过程，且 维持准稳定状态
（3）特点
①熔池反应速度小，程度小，对整个 化 学冶金过程贡献小 ②主要化学冶金反应同熔滴阶段，但 程 度和方向有可能改变
Cb——该元素在母材中的质量百分浓度
Cd——该元素在焊条中的质量百分浓度
2.熔滴过渡特性的影响
熔滴的过渡特性不同，意味着熔滴阶 段的反应时间不同 ： 细颗粒时反应时间短，不充分； 粗颗粒时反应时间长，反应充分。
四、焊接化学冶金系统及不平衡性
1.化学冶金系统
①焊条电弧焊、埋弧焊：液态金属—熔 渣—气相 ②气体保护焊：气相—液态金属 ③电渣焊：渣—液态金属
（2）产生的气体对铁合金（Mn-Fe、 Si-Fe、Ti-Fe）的氧化作用
①在温度大于600°C的条件下： 2Mn+O2=2MnO Mn+CO2=MnO+CO Mn+H2O=MnO+H2 ②结果使气氛的氧化性降低，达到先期脱 氧的作用
2.熔滴反应区
（1）特点 ①熔滴温度高：1800~2400°C，过热度大 ②熔滴比表面积大，故接触面积大：一般 比炼钢时大1000倍 ③反应接触时间短：熔滴存在时间短，内 部又存在流动 ④熔滴金属与熔渣发生强烈混合：熔渣质点 尺寸可达50μm,相互接触面积大，反应物 与产物充分交流，反应速度加快
③高价氧化物的分解 Fe2O3Fe3O4+O2 FeO+O2 MnO2 Mn2O3+O2 Mn3O4+O2 MnO+O2 ④材料的蒸发 沸点较低的Zn、Mn、Pb、Fe、F 化物等
Hale Waihona Puke 2.气体的分解（1）简单气体
反应方程式 ⊿H（kJ／mol） N2N+N -712.4 O2O+O -489.9 H2H+H -433.9 H2H+H++e （发生电离） -1745 单原子气体三种电离方式： 热电离、碰撞电离、光电离（依次要求的温度 升高）
②碳酸盐的分解 a.空气中:分解物 开始 剧烈 CaCO3 545 ℃ 910 ℃ MgCO3 325 ℃ 650 ℃ b.BaCO3分解温度比CaCO3高 c.白云石CaMg(CO3)2分解分两步进行： CaMg(CO3)2 CaCO3 +MgO+CO2 CaO+CO2 d.焊条烘干温度： 含CaCO3的焊条 ＜450 ℃ 含MgCO3的焊条 ＜300 ℃ 含有机物的焊条 ＜200 ℃
二、焊接冶金学反应区及其反应条件（以 焊条电弧焊为例）（P.45、46，图2-3） 1.药皮反应区
（1）产生的气体
①100~1200°C：水分蒸发、分解、氧化 a. ＜100°C 吸附水分蒸发 b.>200~400°C 排除结晶水 c. >400°C 排除化合水 ②有机物的分解和燃烧：产生CO2、CO、 H2 ③碳酸盐的分解（大理石CaCO3、菱苦土 MgCO3):产生CO2 ④高价氧化物分解（赤铁矿Fe2O3、锰矿 MnO2):产生O2
总之，熔滴反应区反应时间较短，但温 度高，相互接触面积大，反应最为激烈，对 焊缝的影响最大
（2）主要冶金反应
①气体的分解和溶解 ②金属的氧化、还原 ③合金化 ④金属蒸发
3.熔池反应区
（1）物理条件 ①与熔化的母材充分混合 ②熔池的平均温度较低 （1600~1900°C） ③比表面积小（3~130cm3/kg） ④时间从几s到几十s ⑤温度分布不均匀（在熔池头部的反应 与熔池尾部的不一样）
三、焊接工艺条件与冶金的关系
1.熔合比的影响
（1）熔合比的定义：熔焊时，被 熔化的母材部分在焊道金属中所占 的比例。 熔合比的数值，取决于焊接工艺 （焊接方法、工艺参数、坡口类 型）、母材、焊材……等。
（2）熔合比对焊缝金属的影响
C0=θ Cb +(1-θ)Cd
分浓度
C0——某元素在焊缝金属中的原始质量百 θ——熔合比
2.不平衡性
化学反应的不等温条件，造成了非平衡 焊缝最终成分远离凝固平衡温度下的成分
第二节 焊接区的气体及熔渣
1.焊接区内的气体
（1）气体的来源及产生
1）来源：焊材本身（造气剂及高价氧化物、水）、 铁锈及油污、空气侵入（约占3%） 2）产生 ①有机物分解:纤维素约220~250℃开始分 解，与水玻璃混合时，分解温度会更低，反应 产物主要是CO2,少量CO、及水气
焊接化学冶金的任务
①对焊接区实施保护，免受空气侵害 ②熔化金属，冶金处理，获得所要求的 焊缝成型
一、对焊接区的保护
1.光焊丝焊接时 [N] ＝0.105﹪~0.218﹪,增加20~45倍， [O] ＝0.14﹪~0.72﹪,增加7~35倍， [Mn]、[C]蒸发、氧化损失易产生气孔，导 致塑性韧性下降,光焊丝无保护的焊接不实用 2.保护方法 药皮、熔渣、药芯、保护气体、自保护等 3.保护效率 与保护方法有关，一般惰性气体保护效果较好
（2）复杂气体的分解
反应方程式 ⊿H（kJ／mol） 分解温度 CO2CO+O2 -282.8 （全分解） H2OH2+O2 1 -483.2 ＜4500K 2 H2OOH+ H -532.0 ＞4500K 2 H2OH2+O -977.3 更高温度 H2O2H+O -1803.3 更高温度 （3）气相的成分及分布（如表2-6） 主要：CO、H2、H2O、CO2 低氢：CO、CO2
第二章 焊接化学冶金
天津大学 杜则裕 2013.3
焊接化学冶金的概念（P.43） 在熔焊过程中，焊接区内各种物 质之间在高温下液态金属、熔渣、气相 之间相互作用的过程
研究目的 在于运用这些规律合理地选择焊 接材料，控制焊缝金属的成分和性能使 之符合使用要求，设计创造新的焊接材 料
第一节 焊接化学冶金过程的特点
3.焊接熔渣
1）作用
①机械保护 ②改善工艺性：提高电弧的稳定性，减少飞 溅，促进脱渣、焊缝成型 ③冶金处理作用
2）成分与分类
①盐型：活性材料及高合金钢氧化物、氯化物 ②盐-氧化物：合金钢氧化物 ③氧化物型：低碳钢及低合金钢氧化物