熔体物化总结
高温溶体物理化学
高温熔体物理化学东北大学参考书目参考书目1、毛裕文著. 冶金熔体[M]，北京：冶金工业出版社，1994.2、陶东平著. 液态合金和熔融炉渣的性质[M]，昆明：云南科技出版社，1997.3、陈国发，李运刚编著. 相图原理与冶金相图[M]，北京：冶金工业出版社， 2002.4、乔芝郁，许志宏，刘洪霖编著. 冶金和材料计算物理化学[M] ，北京：冶金工业出版社，1999.前言冶金熔体（液态金属、合金和熔融炉渣）是冶金、铸造、焊接和陶瓷等工业生产过程形成的熔体，其物理化学性质直接或间接地决定着诸多工艺生产过程中的各项技术经济指标的优劣，并且在现代新产品、新技术和新工艺的研究、设计和开发中起着日益重要的作用。
目前，虽然在冶金熔体性质的研究领域已经取得了许多成果，但是由于高温熔体分子间的相互作用及其结构的复杂性，人们尚远远不能完全由分子参数或纯组元性质预测熔体的宏观性质，各种模型还需要拟合熔体性质的实验数据来获取。
因此，熔体的结构理论和熔体性质的估算和预测，仍然是一个人们必须继续为之付出大量艰苦努力的研究领域。
第一部分高温熔体概述1 定义z高温熔体：在高温冶金过程中处于熔融状态的反应介质或反应产物。
♦许多高温冶金过程都是在熔融的反应介质中进行的。
如炼钢、铝电解、粗铜的火法精炼等♦很多冶炼过程中，产物或中间产品为熔融状态物质高炉炼铁、硫化铜精矿的造锍熔炼、铅烧结块的鼓风炉熔炼等♦高温冶金熔体的分类—根据组成熔体的主要成分的不同，可分为z金属熔体z熔渣z熔盐z熔锍1.1 金属熔体¾金属熔体—液态金属和合金，如铁水、钢水、粗铜、铝液等。
¾金属熔体不仅是火法冶金过程的主要产品，而且也是冶炼过程中多相反应的直接参加者。
例如，炼钢中的许多物理过程和化学反应都是在钢液与熔渣之间进行的。
¾金属熔体的物理化学性质对冶炼过程的热力学和动力学都有很重要的影响熔铁和熔融铁合金的物理性质：密度、粘度、扩散系数、熔点、表面张力、蒸汽压和电阻率。
无机材料物理化学熔体和玻璃
Na2O· SiO2
3∶ 1
[SiO3]2－
2Na2O· SiO2 4∶ 1 [SiO4]4－
[SiO4]连 接 形 式 1400℃ 粘 度 值 （ Pa· s）
骨 架 状
109
层 状
28
链 状
1.6
岛 状
<1
31
表面张力－表面能 及其他液体一样，熔体表面层的质点受到内部质点的吸引比表面层空气介质的引力大，因此表面层质点
短链 环
12
•石英熔体：[SiO4]4－(单体)及不同聚合程度的聚硅酸离子： [Si2O7]6－(二聚)…[SinO3n+1]2(n+1)－(n聚体，n＝1，2…∞)， •三维晶格碎片[SiO2]n。
熔体结构－长程无序、短程有序
•长程无序本质
－多种聚合物共存
Na O 偏硅酸钠熔体(分相) Si
13
＜4:1 [SiO4]共用O离子成不同聚合程度聚合物
＜2:1 架状结构
岛←环←链←层←架
2:1 纯SiO2熔体
8
•R-O键
离子键为主
•R2O、RO引入硅酸盐熔体中时的断键作用 •Si4+（极化力强、结合氧能力强）把R－O上的氧离子吸引到自己周围【Si-O键强于R-O键】
•使Si－O键键强、键长、键角改变
3
3.1 熔体和玻璃体的结构
S
固体
晶 体 非晶
体
L 熔体
G 气体
强度 I
• X衍射分析：
气体 熔体
玻璃
晶体
sinθ
•气体散射强度大
λ
•晶体：衍射峰显著－有序
•熔体、玻璃体结构相似：无显著散射峰，在晶体相应位置弥散状散射强度最高值－近程有序
《无机非金属材料科学基础》第5章 熔体和非晶态固体
几种化合物生成玻璃的性能
一些化合物的熔点(TM)和转变温度(Tg)的关系
3. 玻璃形成的结晶化学条件
（1）复合阴离子团大小与排列方式 从硅酸盐、硼酸盐、磷酸盐等无机熔体转变为
玻璃时，熔体的结构含有多种负离子集团，这些集 团可能时分时合。这种大型负离子集团可以看作由 不等数目的［SiO4］4－以不同的连接方式歪扭地聚 合而成，宛如歪扭的链状或网络结构。
2. 晶体的熔解热不大，比液体的气化热小得多。
Na晶体 Zn晶体 冰
熔融热 (kJ/mol) 2.51
6.70 6.03
而水的气化热为40.46 kJ/mol。这说明晶体和液体内能差 别不大，质点在固体和液体中的相互作用力是接近的。
熔体是指加热到较高温度才能液化的物 质的液体，熔体或液体是介于气体和晶体之 间的一种物质状态。大量事实证明，熔体和 晶体更相似。
在低温基板上用蒸发沉积形成非晶质薄膜，如 Bi、Si、 Ge、B、M gO、Al2O3、TiO2、SiC 等化合物 在低压氧化气氛中，把金属或合金做成阴极，飞溅在基
极上形成非晶态氧化物薄膜，有 SiO2、PbO－TeO2、Pb －SiO2 系统薄膜等 SiCl4 水解或 SiH4 氧化形成 SiO2 玻璃。在真空中加热 B(OC2H3)3 到 700℃～900℃形成 B2O3 玻璃 利用辉 光放 电形 成原子 态氧 和低 压中 金属有 机化 合物 分解，在基极上形成非晶态氧化物薄膜，如 Si(OC2H5)4 →SiO2 及其它例子 利用电介质溶液的电解反应，在阴极上析出非晶质氧化
金属冶炼中的熔体行为与反应动力学
热导率是衡量熔体传热性能的参数，表示熔体传导热量的 能力。热导率受到温度、金属或合金的组成、气氛等因素 的影响。
熔体的结构与组成
01
金属键合
熔体中的金属原子通过金属键合相互作用，形成稳定的液态结构。金属
键合的性质决定了熔体的物理化学性质。
02
合金元素
在金属冶炼中，通常会添加一定量的合金元素，以改变熔体的物理化学
熔体行为对冶炼过程的影响
熔体粘度
熔体的粘度影响熔体的流动性和传热性能，进而 影响金属的熔炼效率和温度控制。
熔体成分
熔体中不同元素的含量和分布对金属的冶炼过程 和产品质量有重要影响。
熔体表面张力
表面张力影响熔体的润湿性和流动行为，对金属 的分离和提纯过程具有关键作用。
反应动力学在冶炼过程中的作用
反应速率
反应机理
反应机理是指化学反应发生的具体过程和步骤。在金属冶炼中，了解反应机理 有助于深入理解反应过程，从而优化反应条件和提高产物的纯度。
反应路径与能量
反应路径
反应路径描述了化学反应如何从起始 状态到达最终状态的过程。在金属冶 炼中，选择合适的反应路径可以降低 能耗和减少环境污染。
能量变化
化学反应过程中伴随着能量的变化， 包括吸热或放热。在金属冶炼中，了 解能量变化有助于合理利用能源，提 高能源利用效率。
性质。合金元素对熔体的结构与组成产生影响，进而影响熔体的性质。
03
气体和固体杂质
在金属冶炼过程中，熔体中会溶解一定量的气体（如氧气、氮气、氢气
等）和夹带部分固体杂质（如氧化物、硫化物等）。这些气体和杂质对
熔体的性质产生影响，需要进行去除或转化处理。
02
反应动力学
反应速率与机理
2020高中物理竞赛—材料物理A-2熔体：熔体的结构(共30张PPT)
12
各
级 10
聚
合 物
8
的
6
R=2.7
R=3
[SiO ] (%)
4
量
4
2
0
R=2.5 R=2.3
8 7 6 5 4 3 21 负离子含[SiO4]数
[SiO4]四面体在各种聚合物中的分布与R的关系
把聚合物的形成大致分为三个阶段：
初期：主要是石英颗粒的分化；
总
中期：缩聚反应并伴随聚合物的变形；
结
后期：在一定温度(高温)和一定时间
（一）X—RAD结果:
① 熔体和玻璃
结
的结构相似
论
② 结构中存在 着近程有序
区
（二）熔体结构描述：
众多理论——“硬球模型”、“核前群理论”、“ 聚合物
理论”
聚合物理论的结构描述—— ① 硅酸盐熔体中有多种负离子集团同时存在：
如Na2O—SiO2熔体中有：[Si2O7]-6（单体）、 [Si3O10]-8（二聚体）……[SinO3n+1]-（2n+2）； ②此外还有“三维晶格碎片”[SiO2]n，其边缘 有断键，内部有缺陷。
习题 P104 3-1
补充题：
用聚合物理论的观点，说明Na2O－ SiO2熔体，随Na2O含量的增加各级聚合 物将发生怎样的变化，并用图表示出聚 合物的分布随温度和 O/Si 的变化趋势。
有
序
熔体与玻璃的特点—？ 近程有序远程无序
2、从能量角度分析：热力学、动力学
能 量
ΔGa 熔体
ΔGv
晶体
从热力学和动力学角度分析熔体与晶体
从能量曲线分析熔体和玻璃
位能 表面
气相冷凝获得的无定形物质
熔体和玻璃体
3 熔体和玻璃体熔体和玻璃体是物质另外的两种聚集状态，对这两种聚集状态的研究对无机材料的形成和性质的理解有着重要的作用。
3.1 熔体的结构最开始，人们把液体看作是更接近于气体状态，是被压缩了的气体。
内部质点排列是无序的，只是质点间距较短。
接着发现，液体结构在沸点和凝固点之间变化很大。
实验证实，接近于结晶温度的液体中质点的排列形式和晶体相似。
由同一物质不同聚集状态的x射线衍射图知：气体：θ小，I大，随θ↗，I↘。
熔体和玻璃：质点有规则排列区域高度分散，峰宽阔，峰位对应晶体相应峰位区域。
表明液体中某一质点最邻近的几个质点的排列形式与间距与晶体相似，体现了液体结构中的近程有序和远程无序的特征。
上述分析可以看出：液体是固体和气体的中间相（介于两态之间的一种物质状态）。
在高温时与气体接近，在稍高于熔点时与晶体接近。
熔体结构理论有多种，近年来，熔体聚合物理论为较多人接受，用来解释熔体结构及结构—组成—性能关系。
硅酸盐熔体组成复杂，黏度大，其结构研究困难。
熔体聚合物理论，提出的结构模型比较具体，而且能进行一些定量计算。
介绍该理论的要点：（1）什么是聚合物？对于硅酸盐熔体来说，不同聚合程度的负离子团（单体）（二聚体）（三聚体）等就是聚合物。
硅酸盐熔体中最基本的离子是硅、氧、碱土或碱金属离子。
电荷高，半径小，有着很强的形成的能力。
键具有高键能，有方向性和低配位等特点，导致硅酸盐倾向于形成相当大的、形状不规则的、短程有序的离子聚合体。
（2）聚合物形成的三个阶段①熔融石英的分化过程熔体中的键（指碱或碱土金属）的键型的离子键为主，与两个相连的称为桥氧（）与一个相连的称为非桥氧（）当引入熔体中时，键的键强比键弱得多。
能把键上的离子拉到自己周围，使桥氧断裂，并使键的键强、键长和键角都发生变动。
例如：熔融石英中，连成架状，若加入，使比例升高，随着加入量的增加，可达，此时，连接方式从架状（）→层状（）→链状（）→组群状（）→岛状（无桥氧）上述架状断裂称为熔融石英的分化过程。
熔体的性质
处于层状[BO3]中，使结构趋于疏松，粘度又逐步下降。
第四章 非晶态结构与性质——4.2 熔体的性质
资源加工与生物工程学院
15 14 Lg η(η:P) 13
硼反常现象： 由于B3＋离子 配位数变化引起 性能曲线上出现
4 8 12 16 20 24 28 32 B2O3(mol%)
12
11 10 0
第四章 非晶态结构与性质——4.2 熔体的性质
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（2）一价碱金属氧化物：粘度↓ ↓ 加入R2O（Li2O、Na2O、K2O、Rb2O、Cs2O）， 熔体粘度显著降低。 原因：R＋电荷少、半径大，和O2－作用力小，能
提供系统中的“自由（游离）” 氧而使O/Si比值增加，
导致原来硅氧负离子团解聚成较简单的结构单位，因
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2）Ｒ2O含量较高（O/Si较高）时，Ｒ＋降低粘度的
次序是： Li+<Na+<Ｋ+
原因：熔体中硅氧负离子团接近最简单的
[SiO4]形式，并存在大量Ｏ2－，[SiO4] 之间主要依
靠R－O键力连接，这时作用力矩最大的Li+就具有
较大的粘度。
第四章 非晶态结构与性质——4.2 熔体的性质
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二、表面张力
恒温、恒容条件下，熔体与另一相（一般指空气）接触的相分 界面上增加一个单位新表面积时所作的功，称为比表面能，简称表 面能，单位为J/m2，简化后其因次为N/m。
表面张力物理意义：作用于表面单位长 熔体表面能和表面张力数值与因次相同（但物理意义不同），
（8）其它化合物
CaF2：熔体粘度↓↓
F－半径与O2－相近，较易发生取代，但F－只有一
4章熔体
3、为什么要研究熔体、玻璃？ （结构和性能）
• 熔体是玻璃制造的中间产物
• 瓷釉在高温状态下是熔体状态
原 因
• 耐火材料的耐火度与熔体含量有直 接关系 • 瓷胎中40%—60%是玻璃状态 （高温下是熔体态）
§4-1 熔体的结构——聚合物理论
（一）熔体结构描述 （二）聚合物的形成
基本内容
（三）聚合物理论要点
第四章 熔 体
•掌握熔体和玻璃体结构的基本理论、
本 章 要 求
性质及转化时的物理化学条件.
• 用基本理论分析熔体的结构与性 质。
•掌握“结构---组成----性能”之
间
第四章：熔体
整 体 晶体（理想）的特点—— 有 晶体（实际）的特点—— 序 熔体与玻璃的特点— 近程有序远程无序
熔体或液体是介于气体和固体之间的一种物质。液体具有 流动性和各相同性，和气体相似；液体又具有较大的凝聚 能力和很小的压缩性，则与固体相似。 熔体是是较高熔点物质的液体，熔体快速冷却则变成玻璃
补充题：
用聚合物理论的观点，说明Na2O－SiO2熔体，
随Na2O含量的增加各级聚合物将发生怎样的变
化，
第二节
熔体的性质
一、粘度（Viscosity)(η)
1. 概念——液体流动时，一层液体受到另一层液体的 牵制。在剪切应力下产生的剪切速 度 dv/dx 与剪应力 σ成正比。即σ＝ηdv/dx 定义：使相距一定距离的两个平行平面以一定速 度相对移动所需的力。 粘滞系数（粘度）：η 。 粘度单位：Pa ．S（帕. 秒） 物理意义：表示相距1米的两个面积为1m2的平行 平面相对移动 所需的力为1N。 流动度 ：φ＝１／η 内摩擦力: F ＝ ηs dv/dx
熔体物化第二章熔铁和熔融铁合金的物理化学性质
第二章熔铁和熔融铁合金的物理化学性质§1.熔铁的结构一、固态铁的结构固态铁的晶体结构属于立方（等轴）晶系a=b=c,α=β=γ=90°它有三种同素异型结构，分别是α-Fe,γ-Fe和δ-Fe它有种素型结构γ-Fe是面心立方结构，α-Fe和δ-Fe是体心立方结构体心立方紧密堆积面心立方紧密堆积六方紧密堆积金属键与金属晶体如何解释金属单质的物理性质及原子间的相互作用金属原子间强烈的相互作用力金属键金属原子间强烈的相互作用力——金属键改性共价键自子改性共价键理论（自由电子理论）1.要点：自由电子及形成:金属原子的价电子易电离成为自由电子，这些电子能自由地从个原子成为自由电子，这些电子能自由地从一个原子“跑”向另一个原子。
金属键形成:金属原子通过“共用”“自由电子”相互作用（静电吸引）结合在一起2.金属键本质及特征：2金属键本质及特征①电性力②无方向性和饱和性形象化:金属原子间有电子气自由流动；形象化金属原子间有电子气自由流动金属原子沉浸在电子的“海洋”中。
金属晶体、特性及理解结构特点：倾向最紧密堆积特性：较高密度良好加工性良好导电热性金属光泽化学键分子间作用力作用 力金属键范氏力离子键属键共价键氢键范力产生原因电负性原子引力由电子用电子对用力原子间方向无无有有无性饱和无无有有无质型质点作用力熔沸点硬度加工性能液导电性固导电性晶体子氢键可晶体子脆晶体子脆晶体离子二液态铁的结构二、液态铁的结构液态铁是介于固态和气态之间的状态质点运动模型的差异冶金过程中的熔铁只高出熔点100～150℃，而远离临界点，因此其结构与固态铁相近1从固体熔化到液体体积增加不大纯铁熔化1.从固体熔化到液体，体积增加不大，纯铁熔化时体积增加3.5%，质点之间的距离只增大1.2%，说明液态和固态时质点之间间距相近。
12%说明液态和固态时质点之间间距相近2.熔化潜热或熵变比蒸发升华时的潜热和熵变小得多，熔化热只是气化热的3%，说明液态下质点相互作用状况与固态相差不大，并且体系的无秩序排列程度增加不多。
熔体
3金属熔体
3 金属熔体金属熔体如铁水和钢水，不仅是冶金进程的最终产品，而且也是冶炼进程中多相反映的要紧参与者，许多物理进程和化学反映多数在金属熔体和熔渣之间进行，例如造渣脱磷硫、高炉内炉渣脱硫、转炉内造碱性渣脱磷等。
因此，金属熔体的物理化学性质对冶金反映的热力学和动力学有很重要的作用。
本章就要紧介绍金属熔体的物理化学性质。
熔铁及其合金的结构金属晶体、金属熔体的结构，金属熔体的结构模型。
——这部份在金属学课程中介绍。
铁液中组分活度的彼此作用系数溶液中组分的活度不仅与选择的标准态有关，与该组分的浓度有关，而且与溶液中其它组分及其浓度有关。
例如：C Fe -二元系中加入Si 后变成Si C Fe --三元系，碳的活度将受到Si 的阻碍而增大；而加入Cr 变成Cr C Fe --三元系后，C 的活度将受Cr 元素的阻碍而减小。
这说明铁液中的组元不仅受到溶剂铁的作用，另外还受到其他组元的阻碍，彼此作用系数确实是定量表征组元间彼此阻碍的物理量。
彼此作用系数关于多元系，组元i 的活度系数i f 除与i 组元自身浓度的阻碍i i f 有关外，还与溶液中其他组元浓度转变对i f 的阻碍j i f 等有关，也确实是说关于一个多元体系，组元i 的活度系数能够表示为下式：m i k i j i i i i f f f f f ⋅⋅⋅=++++=m i k i j i i i i f f f f f lg lg lg lg lg式中：i f 为组元i 的活度系数；i i f 为组元i 自身浓度转变对其活度系数i f 的阻碍；j i f 为其他组元浓度转变对组元i 活度系数i f 的阻碍。
（数学推导再也不介绍）下面咱们直接给出铁液中元素活度系数的计算公式（瓦格纳活度系数——即只考虑一阶导数取得的活度系数）。
由于活度系数与活度一样都与标准态有关，因此不同标准态下活度系数的计算方式有所不同：1）组元以质量1%溶液为标准态时：++++=]5[]4[]3[][lg 543ϖϖϖϖi i i i i i e e e i e f式中，ji e 即为活度彼此作用系数。
材料物理化学-第三章 熔体与非晶态固体
3.3
玻璃的通性
材料物理化学
湖南工学院
一、各向同性 均质玻璃其各方向的性质如折射率、硬度、弹性模量、热膨胀系数、导热系 数等都相同（非均质玻璃中存在应力除外） 。 玻璃的各向同性是其内部质点无序排列而呈现统计均质 结构的外在表现。 二、 介稳性 热力学——高能状态，有析晶的趋势 动力学——高粘度，析晶不可能，长期保持介稳态。 三 凝固的渐变性和可逆性 由熔融态向玻璃态转变的过程是可逆的与渐变的， 这与熔体的结晶过程有明 显区别。非传统玻璃（非熔融法制备得的新型玻璃，如气相沉积法制备的 Si、 Ge 等到无定型薄膜） ，不具有可逆性，且 TM<Tg(即加热到 Tg 前就会产生析晶 的相变)。虽然它们在结构上也属于玻璃态，但在宏观特性上与传统玻璃有一定 的差别。故而习惯上称这类物质为无定型物。 四、 由熔融态向玻璃态转化时，物理、化学性质随温度变化的连续性
材料物理化学
湖南工学院
来的。 (3)电荷高的网络形成离子位于多面体中心，半径大的变性离子，在网络空隙中 统计分布 (4)氧化物要形成玻璃必须具备四个条件： A、每个 O 最多与两个网络形成离子相连。 B、多面体中阳离子的配位数 ≤ 4。 C、多面体共点而不共棱或共面。 D、多面体至少有 3 个角与其它相邻多面体共用。 2、评价 说明玻璃结构宏观上是均匀的。解释了结构上是远程无序的， 揭示了 玻璃各向同性等性质。 3、不足之处：对分相研究不利，不能完满解释玻璃的微观不均匀性和分相现象。 3.5.3 综述： 两种假说各具优缺点，两种观点正在逐步靠近。统一的看法是——玻璃是具 有近程有序、 远程无序结构特点的无定形物质。晶子假说着重于玻璃结构的微不 均匀和有序性。无规则网络学说着重于玻璃结构的无序、连续、均匀和统计性。 它们各自能解释玻璃的一些性质变化规律。
5.1金属容体的物理化学性质
（2）熔铁中各种元素的相互作用和相互作用系数
熔铁中各种元素不仅与铁发生作用，而且各溶质元素之间 也发生相互作用。熔铁中各元素之间的相互影响，可以通 过彼此对活度系数的影响显示出来。 例题：如果铁水成分为：0.05%S,1.0%Si，4.0%C， 1.0%Mn和0.20%P，求铁水中硫的活度系数。 解：从表中查出格相互作用系数，则由式（5-3），得
2粘度
(1)金属熔体的粘度对于冶炼和浇注操作及钢质量等都 有很大的影响。例如，传质速率、非金属夹杂物的排 除、钢的结晶和偏析等都与钢液的粘度有密切的关系。 同时它也是阐明熔融铁合金结构的重要性质。 (2)其他元素对金属熔体粘度的影响： Ni、Co、Cr等元素对金属熔体的粘度影响较小；Mn、 Si、Al、P、S等元素使金属熔体的粘度下降，特别是 Al、P、S等元素，很少的含量就能使金属熔体的粘度 大大下降；但是V、Nb、Ti等元素却使金属熔体的粘 度上升。此外，金属熔体悬浮的Al2O3、Cr2O3等固体 质点越多，粘度就越大。
S Si C Mn P lg f S = e S s ω [ S ] + e S ω [ Si ] + e S ω [ C ] + e S ω [ MБайду номын сангаас ] + e S ω [ P ]
s
=(-0.028×0.05)+0.063×1.0+0.11×4.0+(-0.026) ×1.0+0.029×0.20 =0.482 fs ≈3.0
5表面张力
金属熔体的表面(界面)张力是阐明钢铁冶炼过程中各种界面现象所不可缺少 的重要性质。因此研究液体的表面张力有助于了解液体的结构。 各种影响表面张力的因素中主要是温度和组分。 各种影响表面张力的因素中主要是温度和组分。 温度对液体的表面张力有较大的影响。金属熔体的表面张力随着温度的升 温度对液体的表面张力有较大的影响 金属熔体的表面张力随着温度的升 高而减小。 高而减小。 在液体中溶解有不同物质时，它的表面张力也会发生变化。 在液体中溶解有不同物质时，它的表面张力也会发生变化。在液体中溶解 某些元素后，凡能降低表面张力的元素 凡能降低表面张力的元素，便会自发地移到溶液表面，使表 凡能降低表面张力的元素 面浓度大于内部浓度，这时称为正吸附，该元素称为表面活性物质 称为表面活性物质；反之， 称为表面活性物质 若表面浓度低于内部浓度，则相应地称为负吸附和表面不活性物质。 溶质元素对熔铁表面张力的影响程度决定于它的性质与铁的差别， 溶质元素对熔铁表面张力的影响程度决定于它的性质与铁的差别，溶质元 素的性质与铁的差别越大，则对熔铁表面张力的影响也越大。一般说来， 一般说来， 一般说来 金属元素对熔铁表面张力的影响较小，而非金属元素的影响较大。 金属元素对熔铁表面张力的影响较小，而非金属元素的影响较大。
熔体物化第四章冶金熔体热力学模型
第四章第章冶金熔体热力学模型参考数目（1）•《物理化学》复旦大学化学系物理化学教研室编，北京人民教育出版社1977阿特金斯著天津大学物理化学教研•《物理化学》英∙阿特金斯著，天津大学物理化学教研室译高教出版社1990•《物理化学》南京大学物理化学教研室，傅献彩、陈南京大学物理化学教研室傅献彩陈瑞华编人民教育出版社1980结构化学何福成朱和人民教育出版社•《结构化学》何福成、朱正和，1984 •《化学热力学》韩德刚、高执棣主编，高等教育出版社1997•《化学热力学问题300例》屈松生主编，高等教育出版社1996参考数目（2）•《钢铁冶金原理》冶金工业出版社，黄希祜•《钢铁冶金物理化学》冶金工业出版社，陈襄武•《钢铁冶金学》冶金工业出版社，陈家祥主编•《物理化学》蔡文娟主编，冶金工业出版社蔡文娟主编冶金工业出版社1994•《物理化学》冶金工业出版社梁英教•《金属学》冶金工业出版社宋维锡主编参考数目（3）•冶金工业出版社，《冶金与材料物理化学》冶金业出版社李文超主编，2001•《硅酸盐物理化学》饶东生主编，冶金工业出版社，1991出版社•《硅酸盐物理化学》贺可音主编，武汉工业大学出版社，1995•《冶金熔体的计算热力学》张鉴著，冶金工业出版社，1998工业出版社稀溶液正规溶液1亚正规溶液•几何模型经验模型•SELF-SReM Model•分子理论•离子理论•分子离子共存模型一、分子理论分子论①分子结构理论是最早出现的关于熔渣结构的理论。
②分子理论是基于对固态炉渣结构的研究结果。
分子理论是基于对固态炉渣结构的研究结果③分子结构理论在熔渣结构的研究中已很少应用。
④在冶金生产实践中仍常用分子结构理论来讨论和分析冶金现象。
分子理论的基本观点1、分子理论的基本观点z 熔渣是由电中性的分子组成的。
有的是简单氧化物或称自由氧化物如¾有的是简单氧化物（或称自由氧化物），如：CaO 、MgO 、FeO 、MnO 、SiO 2、Al 2O 3等¾有的是由碱性氧化物和酸性氧化物结合形成的复杂化合物（或称结合氧化物），如：2CaO ∙SiO 2，CaO ∙SiO 2、2FeO ∙SiO 2、3CaO ∙P 2O 5等z 分子间的作用力为范德华力。
化工物化知识点归纳总结
化工物化知识点归纳总结一、化工物化基础知识1. 化学元素和化合物化学元素是由一种原子型轨道结构组成的基本物质，化合物是由两种或两种以上元素以一定的质量比结合成的物质。
元素的分类：金属元素、非金属元素、半金属元素和稀有元素。
元素的性质：电负性、价态、化学活性和金属性等。
化合物的分类：无机化合物和有机化合物。
2. 化学反应化学反应是化学物质之间发生的一种转化过程。
根据反应机理和反应类型，化学反应分为酸碱中和反应、氧化还原反应、置换反应、复分解反应、合成反应等。
3. 化学平衡化学平衡是指反应物浓度和生成物浓度的比例达到一个固定的数值。
根据化学平衡定律，当反应物比例达到平衡之后，逆反应速度和正反应速度相等。
4. 溶液和溶解度溶液是由溶质和溶剂混合形成的均匀的混合物。
溶解度是指在一定温度下，最多可以溶解多少溶质的量。
5. 酸碱性酸碱性是指物质所具有的酸性或碱性特性。
酸碱中和是指酸和碱反应形成盐和水的过程。
二、化工物化分析技术1. 质谱技术质谱技术是一种通过对射入质谱质子化后分子碎片质谱进行检测和分析的方法。
可以用于分子结构解析、各种样品的成分分析和污染物检测等。
2. 红外光谱分析红外光谱分析是一种通过物质对红外辐射的吸收特性进行分析的方法。
可以用于物质的成分鉴定、结构分析和化合物含量的定量分析。
3. 色谱法色谱法是一种利用物质在固定相和流动相之间进行分配的方法，通过分离和检测物质成分的技术。
4. 核磁共振技术核磁共振技术是一种通过物质对外加磁场和射频辐射的响应来分析物质结构和成分的方法。
5. 色度法色度法是一种通过检测物质对可见光的吸收或透射特性来进行定性和定量分析的方法。
三、化工物化热力学1. 热力学基本概念热力学是研究能量转化和能量转移规律的科学。
包括能量、功、热、焓、熵等概念。
2. 热力学定律热力学第一定律：能量守恒定律，能量不能自行消失，也不能新生。
热力学第二定律：热量自然流向热量低的物体，不可能自行流向高温物体。
材料物理化学教案中的材料的熔融性质与熔融行为
材料物理化学教案中的材料的熔融性质与熔融行为材料的熔融性质与熔融行为材料的熔融性质与熔融行为是材料科学中重要的研究内容。
本文将介绍材料的熔融性质对材料的性能和应用的影响，并探讨了不同材料的熔融行为及其机制。
一、熔融性质对材料的性能和应用的影响熔融性质是指物质在加热过程中从固态转变为液态的特性。
材料的熔融性质是其物理化学性质中的一个重要方面，对于材料的性能和应用具有重要的影响。
1. 影响材料的加工性能材料的熔融性质直接影响着材料的加工性能。
熔融温度的高低决定了材料在加工过程中所需的能量。
熔点较低的材料更容易加工，而熔点较高的材料则需要更高的能量才能达到熔化状态。
因此，熔融性质的差异会导致不同材料在加工性能上存在差异。
2. 影响材料的熔融温度材料的熔融性质与其熔融温度密切相关。
一些材料熔点较低，容易熔化，而另一些材料熔点较高，需要更高的温度才能熔化。
材料的熔融温度影响着材料的应用范围。
例如，在高温环境中工作的材料需要具有较高的熔点，以保持其结构的稳定性。
3. 影响材料的物理性质材料的熔融性质也会影响其物理性质。
熔化过程中，材料的分子结构发生变化，其密度、热容等物理性质会发生变化。
一些材料在熔化过程中会发生体积膨胀，而另一些材料则是体积收缩。
这些变化会影响到材料的应用性能和工程设计。
二、不同材料的熔融行为及其机制不同材料的熔融行为存在差异，这与材料的化学成分和分子结构有关。
下面将针对一些常见材料进行熔融行为及其机制的探讨。
1. 金属材料的熔融行为金属材料的熔融行为可以用金属结晶原理来解释。
金属的熔化过程是由于金属原子在加热下获得足够的热能，使其原子内部振动变得剧烈，并逐渐趋于无序运动。
当金属的内能超过一定的阈值时，金属原子会突破相互作用力的束缚，从而达到液态。
2. 离子晶体的熔融行为离子晶体的熔融行为与金属材料有所不同。
离子晶体由阳离子和阴离子组成，其熔融可以看作是阳离子和阴离子之间相互作用力的破坏。
熔体物化_第三章_熔渣的物理化学性质（1）
熔渣主要由氧化物组成，为了冶炼的需要也 适当加入少量萤石调渣
¾ 通过氧化反应去除铁水中的杂质（C,Si,Mn,P） ¾ 脱氧反应要造还原性渣 ¾ 氧气顶吹冶炼要求熔渣与金属、气泡形成乳化相 ¾ 电渣冶炼时，要求熔渣有合适的电导率 ¾ 保护渣浇注时要求具有良好的绝热性能和吸附夹
(4)氧化物要形成玻璃必须具备四个条件： A、每个O最多与两个网络形成离子相连。 B、多面体中阳离子的配位数 ≤ 4。 C、多面体共点而不共棱或共面。 D、多面体至少有3个角与其它相邻多面体共用。
3、评价
(1) 说明玻璃结构宏观上是均匀 的。解释了结构上是远程无序的， 揭 示了玻璃各向同性等性质。
注意——
♠ 有些的离子不属典型的网络形成离子或网络 变性离子，如Al3+、Pb2+等属于所谓的中间离子， 这时就不能准确地确定R值。
若 (R2O＋RO)/Al2O3 > 1 , 则有[AlO4] 即 为网络形成离子
若 (R2O＋RO)/Al2O3 < 1 , 则有[AlO6] 即 为网络变性离子
若 (R2O＋RO)/Al2O3 ≈ 1 , 则有[AlO4] 即 为网络形成离子
Y增大网络紧密，强度增大，粘度 增大，膨胀系数降低，电导率下降。
Y下降网络结构疏松，网络变 性离子的移动变得容易，粘度下降， 膨胀系数增大，电导率增大。
Y对玻璃性质的影响
组成
Y
Na2O·2SiO2 3
P2O5
3
Na2O·SiO2
2
Na2O·P2O5
2
熔融温度 (℃)
1523 1573 1323 1373
X＝2R－Z Y＝2Z－2R
(1)石英玻璃(SiO2) Z=4 R=2 X=2×2－4＝0 Y＝2(4-2)=4
熔体物化总结
熔体物化总结简答题和问答题一、渣钢间的反应环节1、化学平衡论2、化学反应速度论：微观反应速度论，宏观反应速度论（“三传”，动量，质量和热量）3、液－液相反应环节（1）、两相中的反应物由相的内部向界面扩散传质；（2）、在界面上发生化学反应；（3）、反应产物由相界面分别向两相内部扩散二、理想溶液、稀溶液、实际溶液规则溶液1、理想溶液在偏摩尔自由能、（纯物质）摩尔自由能和浓度三者之间具有最简单关系。
它是由物理化学性质极其相似的物质所组成。
?H= 0, ?V= 0，理想溶液服从拉乌尔定律。
2、稀溶液在偏摩尔自由能、（纯物质）摩尔自由能和浓度三者之间具有简单关系的另一种二元系溶液是稀溶液。
溶液中溶剂A的蒸气压符合拉乌尔定律，溶质B的蒸气压服从亨利定律。
3、实际溶液在偏摩尔自由能、（纯物质）摩尔自由能和浓度三者之间不具有简单关系溶液是实际溶液。
相互作用力（A－A）≠（A－B）≠（B－B），溶剂的蒸气压不符合拉乌尔定律，溶质的蒸气压不符合亨利定律。
4、规则溶液规则溶液是对理想溶液的行为偏离较小的一种溶液，在形成规则溶液时的混和熵与理想溶液相同，也就是形成规则溶液时的原子分布与理想溶液相同，完全是无秩序的，但是因为各组元质点间的相互作用力不同，在形成溶液时有混和热产生，即?H≠0。
、三、拉乌尔定律、亨利定律1、拉乌尔定律：在某一温度下，稀溶液的蒸气压等于纯溶剂的蒸气压乘以溶剂的摩尔分数P A=P A°N A2、亨利定律：在一定温度下，稀薄溶液中溶质的蒸气分压与溶液浓度呈正比P B=KN B四、活度及其测定方法1、定义：a B=P B/P B（standard）活度实际上是“校正浓度”或者可以称为“有效浓度”、“作用浓度”。
活度系数实际表示一个校正因子γo的意义2、测定方法：（1）蒸气压法求活度（2）化学平衡法求活度1.压力计法2.体积法3.定组成气流法4.循环法（3）固体电解质电池测定钢中氧活度五、固体氧离子导体氧离子固体电解质材料就是以氧离子作为主要载流子的固体氧化物电解质材料。
高温溶体物理化学
高温熔体物理化学东北大学参考书目参考书目1、毛裕文著. 冶金熔体[M]，北京：冶金工业出版社，1994.2、陶东平著. 液态合金和熔融炉渣的性质[M]，昆明：云南科技出版社，1997.3、陈国发，李运刚编著. 相图原理与冶金相图[M]，北京：冶金工业出版社， 2002.4、乔芝郁，许志宏，刘洪霖编著. 冶金和材料计算物理化学[M] ，北京：冶金工业出版社，1999.前言冶金熔体（液态金属、合金和熔融炉渣）是冶金、铸造、焊接和陶瓷等工业生产过程形成的熔体，其物理化学性质直接或间接地决定着诸多工艺生产过程中的各项技术经济指标的优劣，并且在现代新产品、新技术和新工艺的研究、设计和开发中起着日益重要的作用。
目前，虽然在冶金熔体性质的研究领域已经取得了许多成果，但是由于高温熔体分子间的相互作用及其结构的复杂性，人们尚远远不能完全由分子参数或纯组元性质预测熔体的宏观性质，各种模型还需要拟合熔体性质的实验数据来获取。
因此，熔体的结构理论和熔体性质的估算和预测，仍然是一个人们必须继续为之付出大量艰苦努力的研究领域。
第一部分高温熔体概述1 定义z高温熔体：在高温冶金过程中处于熔融状态的反应介质或反应产物。
♦许多高温冶金过程都是在熔融的反应介质中进行的。
如炼钢、铝电解、粗铜的火法精炼等♦很多冶炼过程中，产物或中间产品为熔融状态物质高炉炼铁、硫化铜精矿的造锍熔炼、铅烧结块的鼓风炉熔炼等♦高温冶金熔体的分类—根据组成熔体的主要成分的不同，可分为z金属熔体z熔渣z熔盐z熔锍1.1 金属熔体¾金属熔体—液态金属和合金，如铁水、钢水、粗铜、铝液等。
¾金属熔体不仅是火法冶金过程的主要产品，而且也是冶炼过程中多相反应的直接参加者。
例如，炼钢中的许多物理过程和化学反应都是在钢液与熔渣之间进行的。
¾金属熔体的物理化学性质对冶炼过程的热力学和动力学都有很重要的影响熔铁和熔融铁合金的物理性质：密度、粘度、扩散系数、熔点、表面张力、蒸汽压和电阻率。
“硅酸盐熔体”读书心得
硅酸盐熔体最直观的体现是火山喷出的岩浆，即熔岩.未破裂的岩浆一般含有多于50 vol%(体积分数)的硅酸盐熔体，其余为各种矿物晶体和由挥发分出溶形成的气泡。
最初，人们认为硅酸盐熔体是由游离氧化物理想混合而成(即简单氧化物理想模式)，或者由游离的阴离子混合而成(即理想离子溶液模式)。
熔体结构的认识经历了初期的离子溶液模型，后来的近程有序理论和核前群理论等几个阶段。
目前较为公认的是聚合模型，也即硅酸盐熔体是由基本结构单位T 2O (T = Si,A l等)四面体通过桥氧联结成各种形状、大小、复杂程度不同的阴离子结构团的聚合体。
研究途径目前研究岩浆熔体结构的途径有三：(1) 通过振动光谱(包括激光喇曼光谱和红外光谱)、磁角旋转核磁共振(MA S NMR )、X光衍射径向分布函数(RDF)及扩展X射线吸收精细结构分析(EXA FS)等谱学方法对硅酸盐熔体和玻璃直接进行熔体结构的研究；(2) 由于硅酸盐熔体物理和化学性质与其熔体结构间存在密切的关系，因而通过对熔体物理和化学性质的研究就可以间接地了解熔体结构特征及其变化；(3) 将现代计算技术与量子化学、矿物学等相结合，研究熔体结构的本质和变化规律。
硅酸盐熔体的化学组成和结构化学组成：天然硅酸盐熔体是复杂的多组分体系，熔体的化学组成决定了它的结构和物理化学性质.对熔体组分的定义有多种不同方式，较为常见和方便使用的一种是以氧化物为基础的定义.天然硅酸盐熔体往往含有一定的挥发性组分，如H20, C02, S, Cl, F, N和惰性气体等.以H2O和CO2为主的挥发分会使熔体的结构和物理化学性质发生非常显著的变化，一般认为H2O（及H2SHCI、HF等）与CO2（及SO2P2O5等）两类挥发份在硅酸盐熔体中的结构作用完全不同，前者起降聚作用，后者起增聚作用。
结构：硅酸盐熔体结构的特点是短中程有序，长程无序.。
硅酸盐熔体中基本结构单位是单聚体。
目前Mass on模型是一种比较成熟的硅酸盐熔体结构模型。
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简答题和问答题
一、渣钢间的反应环节
1、化学平衡论
2、化学反应速度论：微观反应速度论，宏观反应速度论（“三传”，动量，
质量和热量）
3、液－液相反应环节
（1）、两相中的反应物由相的内部向界面扩散传质；
（2）、在界面上发生化学反应；
（3）、反应产物由相界面分别向两相内部扩散
二、理想溶液、稀溶液、实际溶液规则溶液
1、理想溶液
在偏摩尔自由能、（纯物质）摩尔自由能和浓度三者之间具有最简单关系。
它是由物理化学性质极其相似的物质所组成。
∆H= 0, ∆V= 0，理想溶液
服从拉乌尔定律。
2、稀溶液
在偏摩尔自由能、（纯物质）摩尔自由能和浓度三者之间具有简单关系的
另一种二元系溶液是稀溶液。
溶液中溶剂A的蒸气压符合拉乌尔定律，
溶质B的蒸气压服从亨利定律。
3、实际溶液
在偏摩尔自由能、（纯物质）摩尔自由能和浓度三者之间不具有简单关
系溶液是实际溶液。
相互作用力（A－ A）≠（A－ B）≠（B－ B），溶
剂的蒸气压不符合拉乌尔定律，溶质的蒸气压不符合亨利定律。
4、规则溶液
规则溶液是对理想溶液的行为偏离较小的一种溶液，在形成规则溶液时
的混和熵与理想溶液相同，也就是形成规则溶液时的原子分布与理想溶
液相同，完全是无秩序的，但是因为各组元质点间的相互作用力不同，
在形成溶液时有混和热产生，即∆H≠0。
、
三、拉乌尔定律、亨利定律
1、拉乌尔定律：在某一温度下，稀溶液的蒸气压等于纯溶剂的蒸气压乘以
溶剂的摩尔分数P A=P A°N A
2、亨利定律：在一定温度下，稀薄溶液中溶质的蒸气分压与溶液浓度呈正
比 P B=KN B
四、活度及其测定方法
1、定义：a B=P B/P B（standard）活度实际上是“校正浓度”或者可以
称为“有效浓度”、“作用浓度”。
活度系数实际表示一个校正因子γo的意义
2、测定方法：（1）蒸气压法求活度
（2）化学平衡法求活度
1.压力计法
2.体积法
3.定组成气流法
4.循环法
（3）固体电解质电池测定钢中氧活度
五、固体氧离子导体
氧离子固体电解质材料就是以氧离子作为主要载流子的固体氧化物电解质材料。
氧离子导体是这样一种固体电解质，其中的多数载流子为氧离子，而且其离子电导率要远大于电子电导率。
应用在冶金中的具有离子导电性的固态物质，氧离子是其导电质点
六、微观结构研究方法及其高温适用性
XRD：有序的晶体，可以得到晶胞参数，但是不能得出电子云的分布，得不到更深的了解；其在高温下是可以测熔体的，但是可用的信息不够，
还不能用于研究熔体
分子光谱：分子光谱利用的是分子的振动，得出其能量和频率，以此来确定结构，主要可以测定同素异构物质。
主要包括
1、IR：高温的黑体辐射很大，信号不强
2、UV：同上，不能在高温下用
3、Raman：不能测金属，因为金属的分子振动很弱；但是它在
高温下有其独特的优越性，能够测熔体的结构。
4、NMR：运用原子中心核的相互作用以及其自旋性，使核的位
移发生变化，从而得出结构。
可以做高温，但是在熔体边
缘会失真，在国外有做高温的，目前国内没有。
通常做的
是常温下的有机物，无机物用气做研究很少。
5、同步辐射源：它与其他方法相结合能够使其他的方法效率
显著提高，因为它的激光功率高，大大降低实验的时间。
但是功率太高，一些试样会被打掉。
七、炼钢温度下熔铁的结构与固态铁的结构相似
液态铁是介于固态和气态之间的状态。
冶金过程中的熔铁只高出熔点100—150度，而远离临界点，因此其结构与固态铁相近。
1、从固体熔化到液体，体积增加不大，纯铁熔化时体积增加3.5%，质点之
间的距离只增大1.2%，说明液态和固态时质点之间间距相近；
2、熔化潜热或熵变比蒸发升华时的潜热和熵变小得多，熔化热只是气化热
的3%，说明液态下质点相互作用状况与固态相差不大，并且体系的无秩
序排列程度增加不多；
3、在熔点附近，液态金属的热容量与固态物质热容量相差不大，说明在熔
点附近液态中质点的热运动状况与固态相近。
八、熔渣在冶金中的作用
1、可减少或防止钢液的二次氧化
2、能汇聚金属中杂质元素的氧化生成物，对金属有精炼作用
3、冶金中的脱碳、脱硫、脱磷等反应一般都在熔渣界面上进行
4、能够减少金属从炉气中吸收有害元素
5、能够减少金属的热损失
九、熔渣的热力学模型分类
1、分子理论： a.熔渣是电中性分子组成的
b.分子间作用力为范德华力
c.在一定条件下，熔渣中的简单氧化物分子与复杂化合物
分子间处于动态平衡
d.熔渣的性质主要取决于自由氧化物的浓度，只有自由氧
化物参加与熔渣中其它组元的化学反应
2、离子理论： a.熔渣具有电导值，其电导随温度升高而增大
b.熔渣可以电解
c.在熔渣–熔锍体系中存在电毛细现象，说明熔渣具有
电解质溶液的特性
d.可以测出阳离子的迁移数，最小扩散单元为离子
e.X射线结构分析表明，组成炉渣的简单氧化物和复杂
化合物的基本单元均为离子
f．统计热力学为离子理论的建立提供了理论基础
3、分子、离子共存理论： a.熔渣由简单分子和离子组成
b.简单离子和分子间进行着动平衡反应
c.内部的化学反应服从质量作用定律
十、温度和组成对熔渣粘度、电导、扩散的影响
1、提高温度，加入Al2O3、Fe2O3等助熔剂时，可降低炼钢渣的粘度；能使炼钢渣粘度显著提高的组分是MgO、Cr2O3；碱度高于4.2时，温度降低时粘度急剧增加
2、电导：离子数量增加，温度升高，电导率升高
3、扩散：温度升高，扩散明显。