冶金原理(中南)-第10章PPT课件
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钢铁冶金原理课件
钢铁冶金行业的可持续发展需要技术 创新、政策引导和市场机制等多方面 的努力，推动行业向低碳化、智能化 和循环经济方向发展。
钢铁冶金行业是高能耗、高排放的行 业之一，对环境产生一定的影响，因 此需要采取措施降低能耗和减少排放 ，实现可持续发展。
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全球铁矿分布
主要集中在澳大利亚、中国、巴西等国家。
中国铁矿分布
鞍山、马鞍山、攀枝花等地区。
铁矿的采矿技术
露天开采：剥离表土 层，开采矿石。
采矿技术发展趋势： 智能化、绿色化。
地下开采：挖掘巷道 ，进行矿石开采。
铁矿的选矿原理
选矿目的
将铁矿石中的铁含量提高到60%以上。
选矿原理
根据铁矿石与脉石的物理性质差异进行分离。
。
直接还原技术
通过在低于熔点的温度下将铁矿石 还原成直接还原铁，再通过电弧炉 熔炼成钢，可减少能源消耗和环境 污染。
氢冶金技术
利用氢气作为还原剂，替代传统的 碳作为还原剂，减少温室气体排放 ，是未来钢铁工业的发展方向。
钢铁冶金的未来发展方向
1 2 3
低碳化
随着全球对环境保护的重视，钢铁冶金行业将向 低碳化方向发展，降低碳排放，提高能源利用效 率。
钢的连铸技术
总结词
连铸技术是将液态钢转变为固态钢的过程，涉及结晶、凝固和收缩等物理变化 。
详细描述
连铸过程中，液态钢流入结晶器，在冷却水的作用下逐渐结晶凝固。随着钢坯 的连续拉出，凝固过程继续进行，直至形成完整的钢坯。控制结晶速度、冷却 强度和拉坯速度是连铸技术的关键要素。
钢的轧制原理
总结词
轧制是通过一对旋转轧辊对金属施加压力，使其发生塑性变形的过程。
熔融与凝固
冶金传输原理-第十章-作业答案
第十章 热量传输微分方程习题解答
10-3
解：(1)由傅里叶定律：q=-λdt/dx=-λ(-3600x)=3600λx 平壁两侧表面的热流密度：
(2)由导热微分方程： 解得：
热量传输的基本方式
6/48
国宏伟
10-4
一根细长散热棒，以对流换热形式将热量散发到温 度为Tf的流体中，己知棒的表面对流换热系数为α， 导热系数λ，长度为l，横截面积为A，截面周长为 S，根部温度为T0，棒端部与流体间的热流密度为 qw。试写出导热微分方程及边界条件。 解：对于细长散热棒，假设温度只在杆长方向变 化，这属于一维稳态导热问题。
第十章 热量传输微分方程习题解答
10-1
对方程积分：
得： 根据傅里叶定律，求得通过圆筒壁单位管长的导热热流量：
该式与常物性公式类似，只是以圆筒壁平均温度tm=1/2(ti+t0) 计算导热系数 代入常物性公式中进行计 算。
第十章 热量传输微分方程习题解答
10-2
从宇宙飞船伸出一根细长散热棒，以辐射换热形式 将热量散发到温度为绝对零度的外部空间，己知棒的 表面发射率为ε，导热系数λ，长度为l，横截面积 为A，截面周长为S，根部温度为T0，试写出导热微 分方程及边界条件。 解：对于细长散热棒，假设温度只在杆长方向变 化，这属于一维稳态导热问题。分析厚度为dx的微 元段的导热：
10-1
一圆筒体的内、外半径分别为ri及r0，相应的壁温 为 Ti 与 T0 。 其 导 热 系 数 与 温 度 的 关 系 为 λ=λ0 （1+bT）。试导出计算单位长度上导热热流量的表 达式。 解：由题意可知，描述上述问题的导热 = ri , T = Ti ⎨ ⎩r = r0 , T = To
冶金原理课件(中南大学)
Sn 7～9
高 钛 渣 2.8～5.6 2～6 0.3～1.2 2.7～6.5 2～5.6 1～1.5 TiO2 82～87
结 论：
冶金炉渣通常由五、六种或更多的氧化物组成。 炉渣常含有其他化合物，如氟化物、硫化物等。 炉渣中含量最多的氧化物通常只有三种，其总含量 可达80%以上。 大多数有色冶金炉渣和钢渣的主要氧化物是： FeO、CaO、SiO2 高炉渣和某些有色冶金炉渣的主要氧化物为： CaO、Al2O3、SiO2
电渣重熔渣 铜闪速炉熔炼渣
0～10 28～38
0～30 2～12
0～20 5～15
熔炼渣 19～35 3～5 0～20 28～40 3～5
CaF2 45～80
Fe3O4 12～15,
S 0.2～0.4, Cu 0.5～0.8 Pb 1～3.5
锡反射炉熔炼渣 19～24 8～10 1.5～6 45～50
✓ 如电渣重熔用渣、铸钢用保护渣、钢液炉外精炼用渣 等。
✓ 这些炉渣所起的冶金作用差别很大。
▪ 例如，电渣重熔渣一方面作为发热体，为精炼提供 所需要的热量；另一方面还能脱出金属液中的杂质 、吸收非金属夹杂物。
▪ 保护渣的主要作用是减少熔融金属液面与大气的接 触、防止其二次氧化，减少金属液面的热损失。
✓ 主要作用——捕集粗金属中杂质元素的氧 化产物，使之与主金属分离。
✓ 例如，在冶炼生铁或废钢时，原料中杂质 元素的氧化产物与加入的造渣熔剂融合成 CaO和FeO含量较高的炉渣，从而除去钢 液中的硫、磷等有害杂质，同时吸收钢液 中的非金属夹杂物。
3、富集渣
✓ 是某些熔炼过程的产物。
✓ 作用——使原料中的某些有用成分富集于炉渣 中，以便在后续工序中将它们回收利用。
第十章_生物冶金ppt
中等嗜热菌与高温菌；
(详见下图)
氧化铁硫杆菌 简称T.f (Thiobacillus ferrooxidans) 中温菌 (mesophile) 氧化铁铁杆菌 简称T.t (Thiobacillus thiooxidans) 氧化铁微螺菌 简称L.f (Leptospirillum ferrooxidans)
第一节 湿法冶金所用微生物
• 与微生物冶金有关的菌类 •基础理论研究 • 微生物冶金的原理
微生物湿法冶金的分类
微生物浸出
微生物氧化
微生物吸附
微生物积累
微生物湿法冶金发展 的历史进程 诞生期:
摇篮期:
1947-1955
1955-1985
觉醒期:
二十世纪九十年代
微生物湿法冶金产业化 的进展
Me2++2Fe2++S
细菌参与
所生成的Fe2+在细菌的参与下氧化成Fe3+：
2
Fe3++1/2H2O
Fe3+得以再生并再次去氧化硫化物，如此周 而复始，循环进行。
a) 直接作用
硫化物在细菌的参与下被O2所氧化： MeS+1/2O2+2H+ 细菌参与 Me2++S+H2O
3.微生物冶金的原理
细菌直接作用浸矿 细菌对矿石存在着直接氧化的能力，细 菌与矿石之间通过物理化学接触把金属溶解 出来。某些靠有机物生活的细菌，可以产生 一种有机物，与矿石中的金属成分嵌合，从 而使金属从矿石中溶解出来。
微螺菌属
硫化杆菌属
硫化叶菌 (Sulfolobus)
高温菌 (thermophile) 氨基酸变性菌 (Acidans)
材料加工冶金传输原理第十章(吴树森版)
(1)
式中，定性温度Tf可取 ' " T f (T f T f ) 2 式中，Tf'、Tf" — —管道进、出口流体温度。
( 2)流体粘性系数 f 不宜过大 : f ≯ 2 水
(1)温差(TW Tf )不宜过大 : 空气 ≯ 50℃; 水 ≯ 20 ~ 30℃; 油 ≯ 10℃.
• （1）努塞尔准数Nu
– 将其变形为
其物理意义可理解为流体的导热热阻和其对流热阻的比 值，它反映了给定流场的对流换热能力与其导热能力的 对比关系，其大小反映了对流传热能力的大小。由于式 中包含有待定的物理量α ，故Nu是被决定性准数。
10.3 对流换热的准数方程式
• （2）傅里叶数Fo 将其变形为
物理意义可理解为流体的单位体积物体的导热 速率与单位体积物体的蓄热速率比值，Fo越大， 温度场越趋于稳定。
10.3 对流换热的准数方程式
• （3）物性准数Pr 将其变形为
物理意义可理解为流体动量传输能力与热量传 输能力之比。从边界层概念出发，可以认为是 动力边界层与热边界层的相对厚度指标。
10.3 对流换热的准数方程式
T T T T 2T 2T 2T vx vy vz a( 2 ) 2 2 t x y z x y z
10.3 对流换热的准数方程式
10.3 对流换热的准数方程式
10.3 对流换热的准数方程式
10.3 对流换热的准数方程式
10.3 对流换热的准数方程式
能量微分方程方程 v x
动量微分方程 连续性方程
T T 2T vy a x y y 2
v x v x 2vx vx vy x y y 2
v x v y 0 x y
教你快速掌握冶金原理
n 求1173 k该反应的ΔG01173值和PCO2值。
n解
CaO+CO2=CaCO3
n ΔG01173=-170924.8+144.4×1173.15=-1543.6J
n 1173K时CaCO3的离解压为：
n ΔG01173.15=-RTlnKp=RTlnPCO2
n PCO2=0.8537atm=86500Pa
0 60.08
12
-
教你快速掌握冶金原理
三、求给定温度时的ΔG0
n 当求出反应的ΔG0-T二项式后，欲求该反应 在某温度下的ΔG0值就非常简便，只需将该 温度值代入ΔG0-T关系式即可得计算结果。
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教你快速掌握冶金原理
n 例题 已知CaCO3生成反应的ΔG0-T二项式为 n ΔG0=-170924.8+144.4 T,J
n
f=(3-1)-3+2=1
n 即在相平衡保持不变的情况下，压力和温度这两个
影响平衡的因素中只有一个可独立改变，另一个为 依变数：
n
pB=φ(T)
n 即离解压仅取决于温度，或者说，，ΔG0、Kp亦仅
取决于温度：
n
ΔG0=φ(T)
Kp=φ(T)
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教你快速掌握冶金原理
第一节 概 述
n 由离解——生成反应的ΔG0、Kp、PB与温度 的关系：
n
∆S2980＝（Σ∆S2980）生成物－（Σ∆S2980）反应物
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教你快速掌握冶金原理
进行计算，得离解－生成反应的∆Cp、∆H2980、 ∆S2980，将这些数据及关系式代入式中进行积分， 即可得出ΔG0—T关系式。上述结果是在无相变条 件下导出的，如有相变发生，则：
中南大学粉末冶金原理PPT
• Cement carbide, refractory materials, automobile parts,
equipments in defensive, civilization products, etc.
• 目前, 粉末冶金最发达的国家瑞典(Sweden)硬质合金工
业非常发达Hoganess, 建立许多子公司, Be number one
supply powders
• 制品公司：买进粉末，制备零部件： Companies to
fabricate final parts
粉末冶金技术的优越性与局限性 advantages and limitation
• 能够大量节约材料、low cast无切削、less cuting少切削，
普通铸造合金切削量在30-50%，粉末冶金产品可少于 5%。Less or absent cutting machining. “Net shaping”
(组元）or uncommon shapes.
粉末冶金发展 History and development of P/M
历史部分: 武器, 生活用具, 艺术建筑
• Weapon, life facilities, arts-construction, etc.
现代部分: 硬质合金, 高温材料, 汽车部件, 军事工程
Mold Roll
Extrude
Density Ductility Magnetic
powder
Size Shape Fabrication
tooling
processing
Sinter Forge Hot press
testing
properties
Strength Conductivity Microstructure
equipments in defensive, civilization products, etc.
• 目前, 粉末冶金最发达的国家瑞典(Sweden)硬质合金工
业非常发达Hoganess, 建立许多子公司, Be number one
supply powders
• 制品公司：买进粉末，制备零部件： Companies to
fabricate final parts
粉末冶金技术的优越性与局限性 advantages and limitation
• 能够大量节约材料、low cast无切削、less cuting少切削，
普通铸造合金切削量在30-50%，粉末冶金产品可少于 5%。Less or absent cutting machining. “Net shaping”
(组元）or uncommon shapes.
粉末冶金发展 History and development of P/M
历史部分: 武器, 生活用具, 艺术建筑
• Weapon, life facilities, arts-construction, etc.
现代部分: 硬质合金, 高温材料, 汽车部件, 军事工程
Mold Roll
Extrude
Density Ductility Magnetic
powder
Size Shape Fabrication
tooling
processing
Sinter Forge Hot press
testing
properties
Strength Conductivity Microstructure
冶金原理ppt课件
图9-2 PCOPCO2总压变化时布多尔 反应的%CO-T关系图
● t < 400℃时，%CO≈0 反应基本上不能进行；随着温度升高，%CO变化 不明显。
● t = 400~1000℃时 随着温度升高，%CO明显增大。
● t > 1000℃时，%CO≈100 反应进行得很完全。
在高温下，有碳存在时，气相中几乎全部 为 CO。
2000 -26920 7. 02
◆ 在通常的冶炼温度范围内，氢的燃烧反应进行得十分完全， 平衡时氧的分压可忽略不计。
◆ 氢燃烧反应的 rG T线与CO燃烧反应的 于一点，交点温度：
rG线相T 交
-503921+117. 36T = -564840+173. 64T
T = 1083K
◆ 温度高于1083K，H2对氧的亲和势大于CO对氧的亲和势 H2的还原能力大于CO的还原能力。 温度低于1083K，则相反。
◆ 在较大
PH的2 /下PH，2OH2可将WO3、MoO3、FeO等还原成金属。
◆ 在适当
的下，氢可还原钨、钼、铌、钽等的氯化物。
4、金属还原剂
PH2 /PH2O
◆ 铝、钙、镁等活性金属可作为绝大部分氧化物的还原剂。
◆钠、钙、镁是氯化物体系最强的还原剂。
9.2 燃烧反应
火法冶金常用的燃料
固体燃料 煤和焦碳，其可燃成分为C 气体燃料 煤气和天然气，其可燃成分主要为CO和 H2 液体燃料 重油等，其可燃成分主要为CO和H2
● 两个反应的 rG 线T（图9-4）相交于1083K。
◇ 低于1083K，生成CO2的反应优先进行； ◇ 高于1083K生成CO的反应优先进行。
2、水蒸气与碳的反应
第10章 喷射沉积技术
的MIT、Drexel和加州大学、US Navy和宾州
AR，英国的Swansea和Birmingham大学，德
国的不莱梅学院，韩国的RISI，我国台湾的成
功大学等。
二、喷射沉积技术的基本原理
过热的合金液体在高 压惰性气体或机械力离 心雾化，形成微细的液 滴。液滴在飞行过程中 冷却、凝固，形成固液 两相颗粒喷射流，并直 接喷射到较冷的基底上， 产生撞击、粘结、凝固， 从而形成沉积物。
(3)液滴和外加反应剂粒子的固液反应
MO+X→XO+M 液滴与外加反应剂之间的液固反应体系的选择 可利用氧化物的Δ G°-T图，用氧化物比较稳定的金 属去还原与之比较相对不稳定的氧化物。如用CuO、 Fe2O3、SiO2等作为反应剂与Al反应生成Al2O3，并 与基体金属Al在Osprey工艺中发生共沉积。 在沉积过程中，由于金属液体被过热，金属液 体被高压气体充分雾化成细小液粒后，与反应剂发 生化学反应。
生产宽带材存在困难。可以采用多喷嘴解决，
但存在边界结合问题。
4.喷射锻造
喷射锻造也是 Osprey金属有限公司 早期发展起来的一种 喷射沉积工艺 。雾 化金属液滴喷射流直 接喷射进入模子中， 形成锻造毛坯。 模子通常是铜制 水冷的，也可用高温 陶瓷。
优点：
预成形坯内无连通孔隙，可在空气中锻造。
(3)目前国际上的技术水平
英国Osprey公司已经能够生产直径100～ 250mm的盘坯和150mm×1000mm的棒坯等。 德国的Mannesman Demag公司能够生产尺寸 约1000mm×2000mm×10mm的钢板。
德国的PEAK公司则能够生产直径为150～ 400mm，长度为700～1200mm，质量为35～ 400kg的Al-Si合金坯。
AR，英国的Swansea和Birmingham大学，德
国的不莱梅学院，韩国的RISI，我国台湾的成
功大学等。
二、喷射沉积技术的基本原理
过热的合金液体在高 压惰性气体或机械力离 心雾化，形成微细的液 滴。液滴在飞行过程中 冷却、凝固，形成固液 两相颗粒喷射流，并直 接喷射到较冷的基底上， 产生撞击、粘结、凝固， 从而形成沉积物。
(3)液滴和外加反应剂粒子的固液反应
MO+X→XO+M 液滴与外加反应剂之间的液固反应体系的选择 可利用氧化物的Δ G°-T图，用氧化物比较稳定的金 属去还原与之比较相对不稳定的氧化物。如用CuO、 Fe2O3、SiO2等作为反应剂与Al反应生成Al2O3，并 与基体金属Al在Osprey工艺中发生共沉积。 在沉积过程中，由于金属液体被过热，金属液 体被高压气体充分雾化成细小液粒后，与反应剂发 生化学反应。
生产宽带材存在困难。可以采用多喷嘴解决，
但存在边界结合问题。
4.喷射锻造
喷射锻造也是 Osprey金属有限公司 早期发展起来的一种 喷射沉积工艺 。雾 化金属液滴喷射流直 接喷射进入模子中， 形成锻造毛坯。 模子通常是铜制 水冷的，也可用高温 陶瓷。
优点：
预成形坯内无连通孔隙，可在空气中锻造。
(3)目前国际上的技术水平
英国Osprey公司已经能够生产直径100～ 250mm的盘坯和150mm×1000mm的棒坯等。 德国的Mannesman Demag公司能够生产尺寸 约1000mm×2000mm×10mm的钢板。
德国的PEAK公司则能够生产直径为150～ 400mm，长度为700～1200mm，质量为35～ 400kg的Al-Si合金坯。
冶金原理课件中南大学ppt课件
1553 1593 1544 1475 (分解) 2130 1900 (分解)
莫来石A3S2 铝酸三钙C3A C12A7 铝酸钙 CA 二铝酸钙 CA2 六铝酸钙 CA6
1850 1535 (分解) 1455 1605 1750 1830 (分解)
无变点
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
✓ C2S－CS系——转熔型
含有一个不一致熔融化合物C3S2（1475 °C）
✓ CS－SiO2系——包含一液相分层的低共熔型
液相分层区：SiO2 74~99.4%，T > 1700°C。
体系特点（续）
图222 ②
一致熔融化合物C2S及CS的稳定程度是不同的。 ✓ C2S比较稳定，熔化时只部分分解； ✓ CS在熔化时则几乎完全分解。
所有化合物的熔化温度普遍较高，体系的最低熔化温 度为1395 °C。
在 CaO 含 量 为 45~52% 范 围 内 ， 本 体 系 能 在 1450~ 1550C温度范围内出现液相区
配制的炉外合成渣常选择这一成分范围。
四、FeO-SiO2 二元系
体系特点 体系中有一个一致熔融化合物 2FeO·SiO2（F2S， 正硅酸铁或铁橄榄石），熔点1205°C。
附：Fe2O3含量的折算 图225 ②
▪ FeO为非定组成化合物，而是溶解有Fe3O4的固溶体，其中一部
分Fe以Fe2O3形态存在；
▪ FeO的硅酸盐熔化后易分解：3FeO = Fe2O3 + Fe， ▪ FeO容易氧化为Fe2O3 ； ▪ 在大气压力下，沿液相线温度，相应组成的熔体中含有的Fe2O3
✓ 固相内发生复杂的化学变化（如化合物的分解或生成）； ✓ 有两条晶型转变线：
材料加工冶金传输原理ppt课件
v∞
v∞
紊流核心区
v∞
vx
缓冲区 vx
层流底层
4
一般平板 :
实验表明 : 4.1.3 管流边界层:
Le起始段
Rec 3105
1
L Re
层流
湍流
层流：当Re Re c,即层流边
界层在流过一段距离后其（x)
已达到或超过管轴，以后整个 管截面上均保持层流流动
vx呈抛物线分布 Le 0.05 Re D
x
当地阻力系数：Cf 0.646
0.646 / x
Rex
总阻力系数：
CD 1.292
1.292 / L
ReL
布拉修斯精确解：Cf 0.664 / Rex
CD 1.328 / ReL
当 3 105 Re 107 (湍流)
0.381
x
1
Re
5
x
CD
0.074
1
Re 5 L
15
x
即 0
vx y
y0 0.332v
v
x
总摩阻D : (b为板宽)
L
D 0dA b 0dx 0.664vb
A
0
总阻力系数 : Cd :
Cd
D
0.5 v2 A
1.328
Re L
当 Re 3 105时有效
Re L
9
4.3 边界层积分方程 层流:无压力梯度
层流：无压力梯度（势流 P 0, 湍流 P 0），当 P 0
dP dx
0
0
0
依势流柏努利方程（柏努利方程微分式）
dP
vdv
0
1
dP dx
v
dv dx
中南大学粉末冶金原理PPT
Powder Metallurgy Science 粉末冶金原理 黄培云 P/M. Principle 考核成绩 Score 作业30% 卷面考试70%
What is Powder Metallurgy
Powder metallurgy
• Study of the processing of metal powders,
课时安排 Talking arrangements
序言 Introduction 2hrs
PartⅠ
粉末制备 28hrs
机械研磨 Mechanical grinding 4hrs 雾化制粉 Atomization 4hrs 快速冷凝 RST Rapid solidification 4hrs 化学沉积 Chemistry precipitation 4hrs 电解制粉 Electrical fabrication 4hrs 还原制粉 Reduction 8hrs
contain oxide that induce materials brittle.
structural parts from ferrous alloys;
• Consolidation of high performance materials,
where full density and reliability are primary concerns;
• Fabrication of difficulty to process materials,
alloys microstructures (example:stainless steel filters )
The future of powder metallurgy
Iron and steel Aluminum Copper Nickel Tungsten
What is Powder Metallurgy
Powder metallurgy
• Study of the processing of metal powders,
课时安排 Talking arrangements
序言 Introduction 2hrs
PartⅠ
粉末制备 28hrs
机械研磨 Mechanical grinding 4hrs 雾化制粉 Atomization 4hrs 快速冷凝 RST Rapid solidification 4hrs 化学沉积 Chemistry precipitation 4hrs 电解制粉 Electrical fabrication 4hrs 还原制粉 Reduction 8hrs
contain oxide that induce materials brittle.
structural parts from ferrous alloys;
• Consolidation of high performance materials,
where full density and reliability are primary concerns;
• Fabrication of difficulty to process materials,
alloys microstructures (example:stainless steel filters )
The future of powder metallurgy
Iron and steel Aluminum Copper Nickel Tungsten
冶金原理课件(中南大学)
第三章 冶金熔体的结构
3.0 3.1 3.2 3.3 1.4 概述 金属熔体的结构 熔盐的结构 熔渣的结构 熔 锍
3.0 概 述
冶金熔体的结构：指冶金熔体中各种质点的排列状态。 熔体结构主要取决于质点间的交互作用能。 冶金熔体的物理化学性质与其结构密切相关。
相对于固态和气态，人们对液态结构，尤其是冶金熔体 结构的认识还很不够。
3.3 熔渣的结构
3.3.1 分子结构理论
一、分子理论的基本观点 二、分子理论的应用及存在的问题
3.3.2 离子结构理论
一、固体氧化物的结构与性质 二、液态炉渣的结构 三、离子理论的应用举例 四、离子理论存在的问题
3.3.3
分子与离子共存理论
一、共存理论的主要依据 二、共存理论的基本观点
3.3.4
图31
结论II
金属熔体在过热度不高的温度下具有准晶态的结构——晶
体中的相同（保持了近程序）；
在稍远处原子的分布几乎是无序的（远程序消失）。
表 31 金属液态和固态的结构数据比较
金 属 Al Mg Zn Cd Cu Au 液 原子间距／nm 0.296 0.335 0.294 0.306 0.257 0.286 态 配位数 10.6 10 11 8 11.5 8.5 固 原子间距／nm 0.286 0.320 0.265, 0.294 0.297, 0.330 0.256 0.288 态 配位数 12 12 6+6 6+6 12 12
基本概念：单位晶胞、晶格常数、配位数、晶格结 点、金属键 典型的晶体结构：面心立方、体心立方和密堆六方 铁的结构：原子半径：1.2810l0m，
三种晶型： Fe → Fe (1185K) Fe → Fe (1667K) Fe、Fe：体心立方晶格，配位数为8 Fe：面心立方晶格，配位数为12
3.0 3.1 3.2 3.3 1.4 概述 金属熔体的结构 熔盐的结构 熔渣的结构 熔 锍
3.0 概 述
冶金熔体的结构：指冶金熔体中各种质点的排列状态。 熔体结构主要取决于质点间的交互作用能。 冶金熔体的物理化学性质与其结构密切相关。
相对于固态和气态，人们对液态结构，尤其是冶金熔体 结构的认识还很不够。
3.3 熔渣的结构
3.3.1 分子结构理论
一、分子理论的基本观点 二、分子理论的应用及存在的问题
3.3.2 离子结构理论
一、固体氧化物的结构与性质 二、液态炉渣的结构 三、离子理论的应用举例 四、离子理论存在的问题
3.3.3
分子与离子共存理论
一、共存理论的主要依据 二、共存理论的基本观点
3.3.4
图31
结论II
金属熔体在过热度不高的温度下具有准晶态的结构——晶
体中的相同（保持了近程序）；
在稍远处原子的分布几乎是无序的（远程序消失）。
表 31 金属液态和固态的结构数据比较
金 属 Al Mg Zn Cd Cu Au 液 原子间距／nm 0.296 0.335 0.294 0.306 0.257 0.286 态 配位数 10.6 10 11 8 11.5 8.5 固 原子间距／nm 0.286 0.320 0.265, 0.294 0.297, 0.330 0.256 0.288 态 配位数 12 12 6+6 6+6 12 12
基本概念：单位晶胞、晶格常数、配位数、晶格结 点、金属键 典型的晶体结构：面心立方、体心立方和密堆六方 铁的结构：原子半径：1.2810l0m，
三种晶型： Fe → Fe (1185K) Fe → Fe (1667K) Fe、Fe：体心立方晶格，配位数为8 Fe：面心立方晶格，配位数为12
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◆ 生产出含有各种规定量的合金元素的金属，使其 具有一定的物理、化学和机械性能； 如合金钢的生产
◆ 回收其中具有很高经济价值的稀贵金属“杂质”。 如：粗铅、粗铜中的金、银及其他稀贵金属。
二、火法精炼的基本原理
利用主金属与杂质的物理和化学性质的差异， ◆ 形成与主金属不同的新相，将杂质富集于其中；
◆ 或者：将主金属全部转移至新相，而使杂质残留
10.1.1 金属熔体中杂质元素[A]氧化反应的机制
1、[A]与空气中的O2直接反应 [A] + 0.5O2 = AO （反应10-1）
AO为独立的固相或熔于熔渣中。
这种反应机制的机率很小。
2、主金属Me首先被氧化成MeO，MeO（包括人工 加入的MeO）进而与杂质[A]反应（或进入熔渣 后与杂质反应）：
下来。
三、火法精炼的基本步骤
◆用多种（化学的或物理的）方法使均匀的粗金属 体系变为多相（一般为二相）体系；
◆用各种方法将不同的相分开，实现主体金属与杂 质的分离。
四、火法精炼的基本体系
— 根据精炼中平衡共存的相态种类的不同 —
精炼体系
精炼原理
举例
金属–金属
物理变化 熔析精炼、区域精炼
金属–气体
物理变化 蒸馏精炼、真空精炼
有关。
铁溶液中杂质的氧化
◆ 当A和氧均为处于铁液中的溶质时，其标准态采用符合 亨利定律、质量浓度为1%的溶液；
假定生成物AOn为纯物质时； ◆ 氧化反应的rG□–T关系（图10-1）；
✓ 铁液中rG□与fG*（图7-2）数值上有很大差异； ✓ 但二者存在着类似的规律性；
✓ 各元素的顺序亦大体相同。
金属–炉渣
化学变化 氧化精炼、硫化精炼
五、火法精炼方法
◆ 化学法 基于杂质与主金属化学性质的不同，加 入某种反应剂使之形成某种难溶于金属 的化合物析出或造渣。
◆ 物理法 基于在两相平衡时杂质和主金属在两相 间分配比的不同。
◇利用粗金属凝固或熔化过程中，粗金属中的 杂质和主金属在液–固两相间分配比的不同— —熔析精炼、区域精炼（区域熔炼）。
[A] + (MeO) = (AO) + Me （反应10-2）
3、MeO扩散溶解于主金属中并建立平衡，后者再将 [A]氧化：
2[Me] + 2[O] 2(MeO) （反应10-3）
[A] + [O] = (AO)
（反应10-4）
总反应： [A] + (MeO) = (AO) + [Me]
10.1.2 金属熔体中元素氧化反应的标准吉布斯 自由能变化
◆ 在给定的标准状态下， rG□–T 线位于主金属氧化物的 rG□–T 线以下的元素，都能被主金属氧化物氧化。 如铁液中的杂质Al、Ti、Mn、Si等。
◆ 在生成的氧化物均为纯物质（活度为1）的情况下，铁液 中rG□–T 线位置愈低的元素愈易被氧化除去； ✓ 当有多种杂质同时存在时，则位置低者将优先氧化；
◆ 在氧化精炼条件下，杂质元素及氧都是作为溶质处于主金 属的熔体（溶液）中；
◆ 在研究熔体（溶液）中的化学反应时，其溶质的标准态不 一定采用纯物质；
◆ 为研究熔体中化学反应的热力学，须计算在指定标准状态 下溶质氧化反应的标准吉布斯自由能变化rG□： [A] + [O] = AO
[A]，[O] ——金属熔体中的A和氧 ◆ rG□与主金属熔体（溶剂）的种类、以及所采用的标准态
注：表中 [ ] 表示溶于主金属中物质，如 [A] 表示溶于金属中的杂质A； ( ) 表示熔渣形态，如 (AOn) 表示熔渣中的AOn。
10.1 氧化精炼
10.1.1 金属熔体中杂质元素[A] 氧化反应的机制
10.1.2 金属熔体中元素氧化反 应的标准吉布斯自由 能变化
10.1.3 氧化精炼过程的热力学 分析
2(Na3AsO4) + 3CO2
注：表中 [ ] 表示溶于主金属中物质，如 [A] 表示溶于金属中的杂质A； ( ) 表示熔渣形态，如 (AOn) 表示熔渣中的AOn。
表10-1 化学法火法精炼在冶金中主要应用（二）
精炼方法
粗金属 主要杂质
典型反应
硫化精炼
加锌除银 加碱金属除铋 加铝除砷、锑 加CaO、CaC脱硫
[S] + 2[O] = SO2(g)
粗铅
锡、砷、锑
[A] + n[O] = (AOn) [A] + n(PbO) = (AOn) + nPb(l)
粗铋
砷、锑、碲
[A] + n[O] = (AOn) 3[A] + n(Bi2O3) = 3(AOn) + 2nBi(l)
粗锑
砷
2[As] + 2.5O2 + 3Na2CO3 =
第十章 高温分离提纯过程
10.0 概述 10.1 氧化精炼 10.2 硫化精炼 10.3 熔析与凝析精炼 10.4 区域精炼 10.5 蒸馏与升华精炼 10.6 粗铅的加锌除银与
其它化学精炼
10.0 概述
一、火法精炼的目的
◆ 除去有害杂质，生产出具有一定纯度的金属； 当金属中的杂质含量超过一定限度时，其物 理、化学和机械性能会发生变化。
粗锑 粗铅 粗锡 粗铅 粗锡 粗锡 生铁
铜、铁 铜、铁 铜、铁
银 铋 砷、锑 硫
3[A] + [Sb2S3] = 3AS(s) + 2Sb(l) [A] + [PbS] = AS(s) + Pb(l) [A] + [SnS] = AS(s) + Sn(l) 2[Ag] + 3[Zn] = Ag2Zn3(s) 2[Bi] + 3[Ca] = Bi2Ca3(s) [As] + [Al] = AlAs(s) CaO(s) + [S] = CaS(s) + [O]
◇ 利用杂质和主金属蒸气压的不同，因而粗金 属蒸发过程中，其易蒸发的组份将主要进入 气相，与难蒸发组分分离——蒸馏精炼、升 华精炼。
精炼方法
原理
熔析精炼
物理Hale Waihona Puke 化区域精炼物理变化
蒸馏精炼
物理变化
氧化、硫化、氯化精炼
化学变化
添加碱金属或碱土金属化合物的精炼
化学变化
利用热离解、歧化反应等特殊高温化学反 应的精炼
化学变化
萃取精炼
物理和化学变化
表10-1 化学法火法精炼在冶金中主要应用（一）
精炼方法 粗金属
主要杂质
典型反应
氧化精炼 生铁
碳及有害杂质
[A] + n[O] = (AOn) [A] + n(FeO) = (AOn) + nFe(l)
[C] + [O] = CO(g)
粗铜
铁、硫、锡、砷、锑
[Fe] + [O] = FeO(s) [Fe] + [Cu2O] = FeO(s) + 2Cu(l)
◆ 回收其中具有很高经济价值的稀贵金属“杂质”。 如：粗铅、粗铜中的金、银及其他稀贵金属。
二、火法精炼的基本原理
利用主金属与杂质的物理和化学性质的差异， ◆ 形成与主金属不同的新相，将杂质富集于其中；
◆ 或者：将主金属全部转移至新相，而使杂质残留
10.1.1 金属熔体中杂质元素[A]氧化反应的机制
1、[A]与空气中的O2直接反应 [A] + 0.5O2 = AO （反应10-1）
AO为独立的固相或熔于熔渣中。
这种反应机制的机率很小。
2、主金属Me首先被氧化成MeO，MeO（包括人工 加入的MeO）进而与杂质[A]反应（或进入熔渣 后与杂质反应）：
下来。
三、火法精炼的基本步骤
◆用多种（化学的或物理的）方法使均匀的粗金属 体系变为多相（一般为二相）体系；
◆用各种方法将不同的相分开，实现主体金属与杂 质的分离。
四、火法精炼的基本体系
— 根据精炼中平衡共存的相态种类的不同 —
精炼体系
精炼原理
举例
金属–金属
物理变化 熔析精炼、区域精炼
金属–气体
物理变化 蒸馏精炼、真空精炼
有关。
铁溶液中杂质的氧化
◆ 当A和氧均为处于铁液中的溶质时，其标准态采用符合 亨利定律、质量浓度为1%的溶液；
假定生成物AOn为纯物质时； ◆ 氧化反应的rG□–T关系（图10-1）；
✓ 铁液中rG□与fG*（图7-2）数值上有很大差异； ✓ 但二者存在着类似的规律性；
✓ 各元素的顺序亦大体相同。
金属–炉渣
化学变化 氧化精炼、硫化精炼
五、火法精炼方法
◆ 化学法 基于杂质与主金属化学性质的不同，加 入某种反应剂使之形成某种难溶于金属 的化合物析出或造渣。
◆ 物理法 基于在两相平衡时杂质和主金属在两相 间分配比的不同。
◇利用粗金属凝固或熔化过程中，粗金属中的 杂质和主金属在液–固两相间分配比的不同— —熔析精炼、区域精炼（区域熔炼）。
[A] + (MeO) = (AO) + Me （反应10-2）
3、MeO扩散溶解于主金属中并建立平衡，后者再将 [A]氧化：
2[Me] + 2[O] 2(MeO) （反应10-3）
[A] + [O] = (AO)
（反应10-4）
总反应： [A] + (MeO) = (AO) + [Me]
10.1.2 金属熔体中元素氧化反应的标准吉布斯 自由能变化
◆ 在给定的标准状态下， rG□–T 线位于主金属氧化物的 rG□–T 线以下的元素，都能被主金属氧化物氧化。 如铁液中的杂质Al、Ti、Mn、Si等。
◆ 在生成的氧化物均为纯物质（活度为1）的情况下，铁液 中rG□–T 线位置愈低的元素愈易被氧化除去； ✓ 当有多种杂质同时存在时，则位置低者将优先氧化；
◆ 在氧化精炼条件下，杂质元素及氧都是作为溶质处于主金 属的熔体（溶液）中；
◆ 在研究熔体（溶液）中的化学反应时，其溶质的标准态不 一定采用纯物质；
◆ 为研究熔体中化学反应的热力学，须计算在指定标准状态 下溶质氧化反应的标准吉布斯自由能变化rG□： [A] + [O] = AO
[A]，[O] ——金属熔体中的A和氧 ◆ rG□与主金属熔体（溶剂）的种类、以及所采用的标准态
注：表中 [ ] 表示溶于主金属中物质，如 [A] 表示溶于金属中的杂质A； ( ) 表示熔渣形态，如 (AOn) 表示熔渣中的AOn。
10.1 氧化精炼
10.1.1 金属熔体中杂质元素[A] 氧化反应的机制
10.1.2 金属熔体中元素氧化反 应的标准吉布斯自由 能变化
10.1.3 氧化精炼过程的热力学 分析
2(Na3AsO4) + 3CO2
注：表中 [ ] 表示溶于主金属中物质，如 [A] 表示溶于金属中的杂质A； ( ) 表示熔渣形态，如 (AOn) 表示熔渣中的AOn。
表10-1 化学法火法精炼在冶金中主要应用（二）
精炼方法
粗金属 主要杂质
典型反应
硫化精炼
加锌除银 加碱金属除铋 加铝除砷、锑 加CaO、CaC脱硫
[S] + 2[O] = SO2(g)
粗铅
锡、砷、锑
[A] + n[O] = (AOn) [A] + n(PbO) = (AOn) + nPb(l)
粗铋
砷、锑、碲
[A] + n[O] = (AOn) 3[A] + n(Bi2O3) = 3(AOn) + 2nBi(l)
粗锑
砷
2[As] + 2.5O2 + 3Na2CO3 =
第十章 高温分离提纯过程
10.0 概述 10.1 氧化精炼 10.2 硫化精炼 10.3 熔析与凝析精炼 10.4 区域精炼 10.5 蒸馏与升华精炼 10.6 粗铅的加锌除银与
其它化学精炼
10.0 概述
一、火法精炼的目的
◆ 除去有害杂质，生产出具有一定纯度的金属； 当金属中的杂质含量超过一定限度时，其物 理、化学和机械性能会发生变化。
粗锑 粗铅 粗锡 粗铅 粗锡 粗锡 生铁
铜、铁 铜、铁 铜、铁
银 铋 砷、锑 硫
3[A] + [Sb2S3] = 3AS(s) + 2Sb(l) [A] + [PbS] = AS(s) + Pb(l) [A] + [SnS] = AS(s) + Sn(l) 2[Ag] + 3[Zn] = Ag2Zn3(s) 2[Bi] + 3[Ca] = Bi2Ca3(s) [As] + [Al] = AlAs(s) CaO(s) + [S] = CaS(s) + [O]
◇ 利用杂质和主金属蒸气压的不同，因而粗金 属蒸发过程中，其易蒸发的组份将主要进入 气相，与难蒸发组分分离——蒸馏精炼、升 华精炼。
精炼方法
原理
熔析精炼
物理Hale Waihona Puke 化区域精炼物理变化
蒸馏精炼
物理变化
氧化、硫化、氯化精炼
化学变化
添加碱金属或碱土金属化合物的精炼
化学变化
利用热离解、歧化反应等特殊高温化学反 应的精炼
化学变化
萃取精炼
物理和化学变化
表10-1 化学法火法精炼在冶金中主要应用（一）
精炼方法 粗金属
主要杂质
典型反应
氧化精炼 生铁
碳及有害杂质
[A] + n[O] = (AOn) [A] + n(FeO) = (AOn) + nFe(l)
[C] + [O] = CO(g)
粗铜
铁、硫、锡、砷、锑
[Fe] + [O] = FeO(s) [Fe] + [Cu2O] = FeO(s) + 2Cu(l)