碱法冶金的热力学问题
粗铜碱性精炼热力学分析
粗铜碱性精炼热力学分析曹忠华;陈雯;徐建兵;李枫;黄超【摘要】结合现在国内出现越来越多的高杂质粗铜，特别是其中的砷、锑、铋、铅等杂质，在传统火法精炼的工艺条件下不能得到有效的脱除。
这些杂质超标会对电解产生影响，使阳极铜达不到生产的要求（99.0%~99.8%）。
针对这一问题，本文首先采用HSC热力学软件对分别加Na2CO3、CaO与炉渣反应的过程进行标准情况的热力学分析，再结合实际体系下的情况计算。
根据吉布斯自由能最小原理，绘出不同温度下各反应体系中的趋势图，从而确定反应的热力学条件。
初步确定各种杂质氧化物与相对应脱杂剂的化学反应强度以及化学反应的优先顺序，从而进一步加深对粗铜火法精炼过程规律的认识，了解Na2CO3、CaO两种碱性脱杂剂的作用。
进而进一步确定新工艺中加入以上两种脱杂剂的可行性。
%At present, there are more and more high impurities in the crude copper, especially arsenic, antimony, bismuth, lead and other impurities, which cannot be effectively removed under the traditional fire refining process conditions. These impurities may affect the electrolysis, so that the cathode copper cannot reach the requirements of production (99.0% ~ 99.8%). In order to solve this problem, this paper first uses the HSC software for thermodynamic analysis of standard conditions of slag reaction process respectively with Na2CO3, CaO, and then calculates in combination with the actual system. According to the principle of minimum Gibbs free energy, it plots the trend diagram of each reaction system in different temperature, and determines the thermodynamic conditions of the reaction. It preliminarily determines the intensity and priority of thechemical reaction of various oxide impurities and miscellaneous remover, deepens understanding of crude copper fire refining process rule, and explores the effects of two kinds of alkaline complex remover (Na2CO3, CaO), so as to confirm the feasibility of adding the above two kinds of miscellaneous remover in the new process.【期刊名称】《价值工程》【年(卷),期】2016(035)014【总页数】3页(P214-216)【关键词】火法精炼;热力学计算;脱杂剂;粗铜【作者】曹忠华;陈雯;徐建兵;李枫;黄超【作者单位】昆明理工大学冶金与能源工程学院，昆明650093;昆明理工大学冶金与能源工程学院，昆明650093;昆明理工大学冶金与能源工程学院，昆明650093;昆明理工大学冶金与能源工程学院，昆明650093;昆明理工大学冶金与能源工程学院，昆明650093【正文语种】中文【中图分类】TG146.1+1转炉产出的粗铜，铜的含量一般为98.5%～99.5%，其它的杂质一般为硫、氧、铁、砷、锑、锌、锡、铅、铋、镍、钴等［1］。
碱金属对高炉生产的危害分析及控制
碱金属对原燃料的影响1恶化焦炭冶金性能。
碱金属首先吸附在焦炭的气孔，而后逐渐向焦炭内部的基质扩散，随着焦炭在碱蒸汽内暴露时间的延长，碱金属的吸附量逐渐增多。
向焦炭基质部分扩散的碱金属会侵蚀到石墨晶体内部，破坏了原有的层状结构，产生层间化合物。
当生成层间化合物时，会产生比较大的体积膨胀，导致焦炭强度下降，块度减小，产生较多碎焦和粉末。
不同碱量条件下测定的焦炭反应性及反应后强度结果表明，加入钾、钠浓度增加后，焦炭的反应性增加，而且钾、钠浓度越高，反应性越大。
这说明钾、钠对焦炭的碳溶反应起正催化作用，而且钾的催化作用高于钠。
有关资料测定表明焦炭含K2O量每增加1％，反应性增加8％，焦炭反应后强度降低9.2％。
同时，高炉冶炼统计表明，碱负荷每增加1kg/t,焦比平均上升18.75kg/t。
2碱金属对烧结矿的影响2.1碱金属对还原性的影响烧结矿的还原度均随烧结矿含碱量（K2O）的增高而提高，但随着含碱量的进一步增加，烧结矿的还原度提高幅度较小。
碱金属能促进烧结矿还原的原因：一是碱金属对还原反应的催化作用，二是碱金属能增加烧结矿的气孔率。
.2.2碱金属对还原粉化率的影响碱金属使烧结矿中温还原粉化率倍增的原因是：一是在还原过程中，碱金属会进入氧化铁的晶格。
当还原到FeO时，碱金属大量进入FeO晶格，由于碱金属对还原反应的催化作用，使该区域的金属铁晶体生长较快，在相界面上产生应力，当应力积累到一定程度，便产生大量的裂纹，导致粉化率升高；二是在还原过程中会发生含钾矿物中钾元素的迁出与再集中，迁出的钾（或游离的钾）与硅铝等元素结合，生成钾铝硅酸盐，由于析晶困难，往往形成一些超显微的结晶，晶化愈强，结构也会更加疏松。
2.3碱金属对烧结矿软熔性能的影响烧结矿少量碱金属可以提高烧结矿的软熔温度，使软熔带下移，但是碱金属含量过多时，会使软熔带温度区间变宽而不利于高炉冶炼。
3碱金属对球团矿的影响碱金属是球团矿产生异常膨胀的重要原因。
白钨矿氢氧化钠焙烧热力学及新工艺研究
白钨矿氢氧化钠焙烧热力学及新工艺研究钨的冶炼原料有黑钨矿和白钨矿,随着易冶炼的黑钨矿日益枯竭,白钨矿已成为钨工业的主要原料。
我国白钨冶炼主要采用高压碱分解工艺,无论是以前的碳酸钠压煮还是现在主流的氢氧化钠压煮法,都需在高压的条件下才能实现白钨矿的分解,压力通常在6<sup>1</sup>8公斤左右,常带来安全问题;生产均为单釜的间歇性操作,生产效率较低,且渣含钨在1<sup>2</sup>%,钨的利用率需进一步提升。
基于（CaO）Na<sub>2</sub>O-WO<sub>3</sub>-H<sub>2</sub>O赝三元系相图分析可知,碱浓度是影响钨矿分解的最主要因素,同时借鉴早期的碳酸钠烧结分解钨矿的连续操作方式,提出白钨矿氢氧化钠焙烧分解的设想,并对白钨矿氢氧化钠焙烧热力学和新工艺进行了研究。
主要内容如下:（1）对氢氧化钠焙烧分解白钨矿进行了探索研究,结果表明:焙烧过程中添加部分二氧化硅可高效的分解白钨矿,焙砂经水浸后渣含钨低于1%,为氢氧化钠焙烧白钨矿提钨新工艺奠定了基础。
（2）通过XRD对白钨矿氢氧化钠焙烧产物和水浸渣检测分析,焙烧产物的主要成分为Na<sub>2</sub>WO<sub>4</sub>和Na<sub>2</sub>CaSiO<sub>4</sub>,水浸渣的主要成分为CaCO<sub>3</sub>。
对白钨矿氢氧化钠焙烧水浸渣研究,研究表明:水浸渣中的CaCO<sub>3</sub>是由Na<sub>2</sub>CaSiO<sub>4</sub>与水溶液中的H<sub>2</sub>O和CO<sub>2</sub>反应生成。
金属冶炼中的热力学行为解析
通过热力学第一定律，可以分析金属冶炼过程的效率，确定能量损 失和浪费的原因，从而提出改进措施。
热力学第二定律在金属冶炼中的应用
01 02
熵增原理
热力学第二定律指出，在封闭系统中，自发过程总是向着熵增加的方向 进行。在金属冶炼过程中，这意味着能量将自发地由高能状态向低能状 态转化。
热力平衡
热力学第二定律可以帮助确定金属冶炼过程达到热力平衡所需的条件， 以及平衡时的温度和压力。
相变过程中发生的熵变会影响体系的 自由能变化，进而影响相变过程的动 力学和热力学性质。
03
金属冶炼中的热力学反 应
金属氧化还原反应的热力学分析
金属氧化还原反应
金属与氧发生化学反应，形成氧化物。
热力学条件
反应的自由能变化、熵变和焓变对反应方向的影响。
氧化还原电位
衡量金属离子氧化态稳定性的参数，影响反应进行的 方向和速度。
降低能耗
02
通过合理控制反应温度和压力，降低能耗和生产成本。
提升金属性能
03
优化后的冶炼过程可改善金属的微观结构和性能，提高其机械
性能和使用寿命。
05
金属冶炼中的热力学挑 战与展望
当前金属冶炼中热力学面临的挑战
高温熔融态金属的物理化学性质
在高温熔融状态下，金属的物理化学性质变得非常复杂，需要深入研究以解决实际冶炼 过程中的问题。
金属硫化反应的热力学分析
金属硫化反应
金属与硫发生化学反应，形成金属硫化物。
热力学条件
分析反应的自由能变化、熵变和焓变对硫化 反应的影响。
硫化物的稳定性
不同金属硫化物的稳定性差异及其影响因素 。
金属碳化反应的热力学分析
金属碳化反应
金属冶炼过程中的热力学计算
铜的回收：废铜回收、铜渣 处理等
热力学计算：能量平衡、热 效率、热损失等
实例分析：某铜冶炼厂的热 力学计算结果及优化措施
添加 标题
碳在钢铁冶炼过程中的作用：影响钢的硬 度、强度和韧性
添加 标题
碳在钢铁冶炼过程中的行为：氧化、还原、 溶解和析出
添加 标题
碳在钢铁冶炼过程中的热力学计算：考虑 碳的氧化、还原、溶解和析出反应的热力 学平衡
添加 标题
碳在钢铁冶炼过程中的热力学计算实例：计算碳 在钢铁冶炼过程中的氧化、还原、溶解和析出反 应的热力学平衡，以确定最佳冶炼条件和工艺参 数。
金属冶炼过程中的 热力学计算软件应 用
软件名称：HSC Chemistry 功能：进行金属冶炼过程中的热力学计算 特点：界面友好，操作简单，计算速度快 应用领域：金属冶炼、材料科学、化学工程等
环保政策要求金属冶炼过程中采用更加环保的工艺和设备，如采用高效节能的冶炼炉、采用清洁能源等， 这些措施都需要通过热力学计算来优化和实现。
环保政策对金属冶炼过程中的热力学计算提出了新的挑战，需要更加深入地研究和探索新的热力学理论和 方法，以实现更加环保和节能的金属冶炼过程。
环保政策对金属冶炼过程中的热力学计算提出了新的机遇，可以通过优化热力学过程和采用更加环保的工 艺和设备，实现更加环保和节能的金属冶炼过程，提高企业的竞争力和可持续发展能力。
热力学计算可以预 测冶炼过程中产生 的污染物排放量
热力学计算可以帮 助优化冶炼工艺， 减少污染物排放
热力学计算可以指 导环保设备的设计 和运行，提高污染 物去除效率
热力学计算可以评估 冶炼过程中能源消耗 和资源利用效率，促 进可持续发展
环保政策对金属冶炼过程中的热力学计算提出了更高的要求，需要更加精确地计算和优化热力学过程，以 减少能源消耗和污染物排放。
金属冶炼中的热力学与动力学研究
案例三
要点一
总结词
新兴金属冶炼工艺包括钛、锆、铪等稀有金属的冶炼。
要点二
详细描述
在钛冶炼中，热力学与动力学研究对于了解四氯化钛制备 过程中的反应机理和速率至关重要。锆、铪等稀有金属的 冶炼工艺中，研究重点在于探索高效分离和提纯方法，以 降低生产成本和提高资源利用率。新兴金属冶炼工艺中的 热力学与动力学研究还涉及环境友好型工艺的开发，以降 低对环境的负面影响。
PART 05
案例分析
案例一：钢铁冶炼中的热力学与动力学研究
总结词
钢铁冶炼中的热力学与动力学研究主要关注高炉炼铁、平炉炼钢和电弧炉炼钢等工艺过程。
详细描述
在高炉炼铁过程中，热力学与动力学研究有助于了解铁矿石还原反应的机理和速率，优化反应条件，提高铁产量 和降低能耗。平炉炼钢和电弧炉炼钢中，研究重点在于熔池中元素迁移、相变和夹杂物形成等过程，以实现高效 、低耗和环保的冶炼目标。
热力学第二定律
熵增加原理，表示自发反 应总是向着熵增加的方向 进行，即熵是反应自发性 的度量。
热力学第三定律
绝对熵的概念，表示在绝 对零度时，系统的熵为零 。
金属冶炼过程中的热力学原理
1 2 3
熔化与凝固
热力学原理可以解释金属的熔化凝固过程，以 及这些过程中发生的相变和能量变化。
氧化与还原
热力学原理可以预测金属在冶炼过程中是否容易 被氧化或还原，以及如何控制反应条件以获得所 需的产物。
定义
金属冶炼是指通过一系列物理和 化学过程，从矿石或其他含金属 原料中提取和纯化金属的过程。
目的
金属冶炼的目的是为了获得高纯 度、高质量的金属，以满足工业 、科技和日常生活等领域的需要 。
金属冶炼的基本流程
碱洗塔 热力学模型
碱洗塔热力学模型概述碱洗塔是化工工艺中常见的一种设备，用于去除原料中的酸性物质。
热力学模型在碱洗塔的设计和优化中起着重要的作用。
本文将详细介绍碱洗塔的热力学模型，包括其基本原理、建模方法和应用。
基本原理碱洗塔是通过将碱溶液与酸性物质接触，使其发生中和反应来实现去除酸性物质的目的。
在反应过程中，酸性物质会与碱发生反应生成盐类，并释放出热量。
热力学模型旨在描述这一反应过程，并预测其影响因素对反应效果的影响。
建模方法质量平衡方程首先，我们需要建立质量平衡方程来描述碱洗塔内各组分的浓度变化。
假设碱溶液与酸性物质之间发生快速反应，并达到平衡状态。
根据质量守恒定律，可以得到如下方程：dC Adz=−k⋅C A⋅C B其中，C A和C B分别表示碱洗塔内酸性物质和碱的浓度，z表示塔高，k为反应速率常数。
能量平衡方程除了质量平衡方程外，我们还需要建立能量平衡方程来考虑反应过程中的热效应。
假设碱洗塔内的温度变化很小，并且反应产生的热量主要通过传导方式传递。
根据能量守恒定律，可以得到如下方程：dT dz =q m⋅C p其中，T表示温度，q表示单位时间内传导热流量，m表示单位体积的溶液质量，C p表示溶液的定压热容。
边界条件为了求解上述方程组，我们还需要指定边界条件。
一般来说，入口处的浓度和温度是已知的。
在出口处，我们可以假设反应已经达到平衡状态，并且没有发生物质和能量交换。
模型求解数值方法由于上述方程组是非线性偏微分方程组，在大多数情况下无法通过解析方法得到解析解。
因此，我们需要借助数值方法进行求解。
常见的数值方法包括有限差分法、有限元法和计算流体力学方法等。
模型验证在求解得到碱洗塔内各组分浓度和温度分布后，我们需要对模型进行验证。
一种常用的方法是与实验数据进行对比，以评估模型的准确性和适用性。
应用设计优化热力学模型可以帮助工程师理解碱洗塔内部反应过程，并优化设计参数以达到更好的去除效果。
通过调整碱溶液浓度、流速、温度等参数，可以提高酸性物质的去除率，并降低能耗。
金属冶炼过程中的热力学分析
高效、环保的金属冶炼技术的研发
熔盐电解法
利用熔盐作为电解质，通过电解方法高效提取金属，降低能耗和环境污染。
生物冶金技术
利用微生物进行金属提取和分离，实现环保、高效的金属冶炼。
热力学与其他学科的交叉研究在金属冶炼中的应用
要点一
化学热力学
要点二
流体力学
研究金属冶炼过程中化学反应的方向和限度，为优化工艺 提供理论支持。
通过热力学分析，可以优化工艺参数，提高金属的提取率和降低 能耗。
预测反应方向和限度
利用热力学数据和定律，可以预测反应是否能够自发进行以及进行 的程度。
指导资源利用和环境保护
通过热力学分析，可以合理利用资源，减少废弃物产生，降低对环 境的影响。
03 金属冶炼过程中的热力学分析
金属氧化还原反应的自由能变化
熔化过程对金属的冶炼、铸造和连铸连轧等工艺过程具有重要影响，因此 热力学分析有助于优化金属的熔炼工艺和提高产品质量。
04 金属冶炼过程中的热力学优化
热力学优化在金属冶炼中的应用
确定最佳反应条件
通过热力学分析，可以确定金属 冶炼过程中最佳的反应条件，如 温度、压力和配料比等，以提高 金属的提取率和纯度。
目的
金属冶炼的目的是为了获得具有所需 性能和纯度的金属或合金，以满足工 业、科技、生活等方面的需求。
金属冶炼的基本流程
氧化焙烧
通过氧化反应将矿石中的有价 金属转化为可溶性的氧化物。
净化与分离
通过沉淀、萃取、离子交换等 方法，将有价金属从溶液中分 离出来。
矿石准备
将矿石破碎、磨细，以便进行 后续的化学或物理处理。
自由能变化是判断氧化还原反应能否自发进行的重要依据。在金属冶炼过程中，通过控制反应条件， 如温度、压力和反应物浓度，可以影响自由能变化，从而控制反应方向和速度。
金属冶炼中的热力学平衡与非平衡状态
在非平衡状态下，有色金属冶炼过程中可能会出现金属损失、分离效果不佳等问题，导致资源的浪费。为了提高金属提取率和资源利用率，需要深入研究热力学平衡和非平衡状态的影响因素，并采取相应的措施进行优化和控制。
总结词
总结词：新兴金属冶炼涉及到一些新兴领域和高新技术产业。
感谢您的观看
THANKS
02
选择适宜的添加剂
选择适当的添加剂可以改变反应体系的热力学性质，促进热力学平衡的形成。
03
非平衡状态在金属冶炼中的影响
指系统各部分之间热力学相互作用的状态，与平衡状态相对。
非平衡状态
系统内部各部分之间没有宏观的能量和物质交换，系统达到稳定状态。
热力学平衡
系统内部各部分之间存在宏观的能量和物质交换，系统处于不稳定状态。
非平衡状态则是指系统偏离热力学平衡状态的情况，此时反应速率不为零，物质和能量在不断转移和变化。
在金属冶炼过程中，热力学平衡和非平衡状态相互作用，共同决定着冶炼过程和产物的性质。
优化策略一
优化策略二
优化策略三
根据热力学平衡原理，选择合适的反应条件（如温度、压力、组分浓度）以促进所需反应的正向进行，提高金属的提取率和纯度。
金属冶炼中的热力学平衡与非平衡状态
contents
目录
金属冶炼的基本原理热力学平衡在金属冶炼中的应用非平衡状态在金属冶炼中的影响热力学平衡与非平衡状态在金属冶炼中的关系案例分析
01
金属冶炼的基本原理
氧化焙烧
通过添加氧化剂（如空气或纯氧），将矿石中的有价金属氧化成高价态，使其更容易与脉石分离。
矿石准备
将矿石破碎、磨细成粉，以便进行后续的化学或物理处理。
还原熔炼
在高温下，通过加入还原剂（如碳或氢气），将高价态的有价金属还原成金属单质或合金。
金属冶炼过程的热力学理论
满足工业、科技和日常生活的需求， 提供金属材料和制品。
金属冶炼的历史与发展
如铜、铁的冶炼，采用简 单的碳还原法。
近代金属冶炼
采用大规模、高效率的工 业生产方法，如电解法、 真空蒸馏法等。
现代金属冶炼
注重环保、节能和可持续 发展，采用循环经济和绿 色冶炼技术。
金属冶炼的基本原理
05
金属冶炼过程中的热力 学与动力学模型
热力学模型在金属冶炼中的应用
描述反应平衡
热力学模型可以用来描述金属冶 炼过程中的反应平衡，确定反应 的平衡常数和温度、压力等条件
下的反应方向。
预测产物性质
通过热力学模型，可以预测金属冶 炼过程中产物的性质，如熔点、沸 点、熵等，有助于优化工艺参数。
能量转化效率
化学反应原理
通过氧化还原反应，将矿 石中的金属元素转化为金 属单质。
物理分离原理
利用不同金属或杂质在物 理性质上的差异，通过熔 融、蒸发、结晶等方法进 行分离。
热力学原理
研究反应的可能性、方向 和限度，通过控制温度、 压力等条件实现选择性提 取和纯化。
02
热力学基础
热力学的定义与目的
热力学的定义
热力学第二定律
熵增加定律，表明在自然发生的反应中，总是向 着熵增加的方向进行，即系统总是向着更加混乱 无序的状态发展。
热力学第三定律
绝对熵的定义，表明在绝对零度时，物质的熵为 零。
热力学参数与状态函数
热力学参数
温度、压力、体积、焓、熵等，这些参数可以描述物质的状态和能量状态。
状态函数
状态函数是描述物质状态的函数，其值只取决于物质的状态，而与达到该状态所经历的过程无关。
金属冶炼过程的热力学 理论
白钨矿氢氧化钠焙烧热力学及新工艺研究
白钨矿氢氧化钠焙烧热力学及新工艺研究钨的冶炼原料有黑钨矿和白钨矿,随着易冶炼的黑钨矿日益枯竭,白钨矿已成为钨工业的主要原料。
我国白钨冶炼主要采用高压碱分解工艺,无论是以前的碳酸钠压煮还是现在主流的氢氧化钠压煮法,都需在高压的条件下才能实现白钨矿的分解,压力通常在6<sup>1</sup>8公斤左右,常带来安全问题;生产均为单釜的间歇性操作,生产效率较低,且渣含钨在1<sup>2</sup>%,钨的利用率需进一步提升。
基于（CaO）Na<sub>2</sub>O-WO<sub>3</sub>-H<sub>2</sub>O赝三元系相图分析可知,碱浓度是影响钨矿分解的最主要因素,同时借鉴早期的碳酸钠烧结分解钨矿的连续操作方式,提出白钨矿氢氧化钠焙烧分解的设想,并对白钨矿氢氧化钠焙烧热力学和新工艺进行了研究。
主要内容如下:（1）对氢氧化钠焙烧分解白钨矿进行了探索研究,结果表明:焙烧过程中添加部分二氧化硅可高效的分解白钨矿,焙砂经水浸后渣含钨低于1%,为氢氧化钠焙烧白钨矿提钨新工艺奠定了基础。
（2）通过XRD对白钨矿氢氧化钠焙烧产物和水浸渣检测分析,焙烧产物的主要成分为Na<sub>2</sub>WO<sub>4</sub>和Na<sub>2</sub>CaSiO<sub>4</sub>,水浸渣的主要成分为CaCO<sub>3</sub>。
对白钨矿氢氧化钠焙烧水浸渣研究,研究表明:水浸渣中的CaCO<sub>3</sub>是由Na<sub>2</sub>CaSiO<sub>4</sub>与水溶液中的H<sub>2</sub>O和CO<sub>2</sub>反应生成。
金属冶炼中的热力学问题
汇报人：可编辑 2024-01-06
• 金属冶炼概述 • 金属冶炼中的热力学原理 • 金属冶炼中的热力学问题 • 解决金属冶炼中热力学问题的策略 • 未来金属冶炼中的热力学问题展望
目录
Part
01
金属冶炼概述
金属冶炼的定义与目的
定义
金属冶炼是指通过一系列物理和 化学过程，从矿石或其他原料中 提取和纯化金属的过程。
02
金属冶炼中的相变
相变是指物质从一种相转变为另一种相的过程。在金属冶炼中，相变是
常见的现象，如熔化、凝固、相分离等。相变会伴随着能量的变化，对
反应的进行产生影响。
03
金属冶炼中的化学反应
化学反应是金属冶炼中必不可少的环节，如氧化、还原、化合等反应。
这些反应都需要消耗能量，并且会伴随着熵的变化。因此，控制化学反
合理设定冶炼温度，确保 金属熔融和化学反应的顺 利进行，同时降低能耗和 减少环境污染。
气体氛围
选择适当的气体氛围，控 制金属氧化和还原反应， 提高金属收得率。
配料比
优化原料配比，根据金属 的性质和冶炼要求，合理 搭配不同成分的原料，提 高金属纯度。
使用热力学数据辅助决策
热力学平衡计算
利用热力学数据计算反应平衡常 数，指导冶炼工艺参数的调整， 优化金属提取过程。
平衡常数与反应选择性
02
平衡常数是化学反应的重要参数，通过平衡常数可以评估反应
的可能性以及反应产物的组成。
温度与压力对平衡的影响
03
温度和压力的变化会影响化学反应平衡，进而影响金属的纯度
和产量。
熔融金属的物理性质变化
熔点与热容
熔融金属具有不同的熔点和热容，这些性质对冶炼过程中的温度控 制和热量传递具有重要影响。
冶金工艺中的热力学分析方法研究
冶金工艺中的热力学分析方法研究热力学是一个非常重要的领域，它与地球物理学、化学、生物学、工程学等学科都有着紧密的联系。
在冶金工艺中，热力学发挥了重要的作用，因为很多冶金反应都与热力学相关。
对于冶金工艺中的热力学分析方法进行研究，可以更好地理解冶金反应的本质和规律，并有助于提高冶金工艺的效率和质量。
热力学分析的主要内容包括热容、焓、熵、自由能等方面。
其中，热容是物体吸收或放出热量时所引起的温度变化的大小，它可以用来描述物体的热稳定性。
焓是物体吸收或放出的热量和其压力的乘积，它可以用来描述物体的热状态。
熵是物质无序程度的度量，它可以用来描述物体的热不平衡性。
自由能是物体发生热化学反应时所放出或吸收的热量与其熵变的乘积，它可以用来描述物体的活性。
这些热力学参数为我们提供了理解物质热力学性质的基础。
在冶金工艺中，我们需要用到的热力学参数有很多，例如物质的热容、热膨胀系数、热导率、焓变、熵变、自由能变等。
这些参数可以通过实验测定和理论计算来获得。
其中，实验测定是最常用的方法，通过测定实际物理量的变化来确定需要的热力学参数。
例如，可以通过测定金属在加热或冷却过程中的温度变化来计算其热容和热膨胀系数。
理论计算也是非常重要的方法，主要是通过建立数学模型和计算程序来模拟物质的热力学行为。
例如，可以通过计算热力学函数的变化来预测物质发生化学反应的可能性和效率。
在冶金工艺中，热力学分析方法的应用非常广泛。
例如，在熔炼中，热力学分析可以用于预测金属的化学成分、溶解度和熔点等重要参数。
在热处理中，可以通过热力学分析来确定金属材料中的缺陷、相转变和基本性能等。
在金属加工中，可以通过热力学分析来优化加工参数和工艺流程，以提高产品的质量和生产效率。
总之，冶金工艺中的热力学分析方法是非常重要的，它为我们理解冶金反应的本质和规律提供了必要的手段和方法，并且可以用于优化冶金工艺流程和改善产品质量，可以发挥重要的作用。
我们需要不断深入研究热力学分析方法，在实践中探索新的应用领域，以提高冶金工艺的效率和质量。
金属冶炼中的热力学参数控制
铁矿石的还原反应
通过控制温度、压力和气体组成等热力学参数 ，实现铁矿石的高效还原，提高钢铁产量。
熔融钢的纯净度
通过精确控制熔融钢的温度和成分，降低杂质 含量，提高钢材质量。
节能减排
优化热力学参数，降低钢铁生产过程中的能耗和污染物排放。
有色金属冶炼中的热力学参数控制
铝的电解过程
通过控制电解温度、电流密度等热力学参数，实现高效、低耗的 铝电解。
总结词
热力学第二定律是关于能量转换和自发过程的定律，在金属冶炼过程中具有重要的应用 价值。
详细描述
通过应用热力学第二定律，可以分析和优化冶炼过程的热效率和能量利用。根据该定律 ，可以判断过程的自发性和方向，指导过程的优化和控制，以实现节能减排和资源的高
效利用。
04
热力学参数控制的实际应用
钢铁工业中的热力学参数控制
VS
加强与企业的合作与交流，推动热力 学参数控制在金属冶炼中的实际应用 ，提高生产效率和产品质量。
THANKS
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金属冶炼中的热力学参数控 制
汇报人：可编辑
2024-01-05
• 金属冶炼概述 • 热力学参数对金属冶炼的影响 • 热力学参数的控制方法 • 热力学参数控制的实际应用 • 未来展望与研究方向
01
金属冶炼概述
Байду номын сангаас
金属冶炼的定义与目的
定义
金属冶炼是指通过化学或物理的方法 ，从矿石或其他原料中提取和纯化金 属的过程。
浓度控制方法
总结词
浓度是描述物质含量的热力学参数，控 制浓度对于金属冶炼过程中的化学反应 、物质传输和相变过程具有关键作用。
VS
详细描述
浓度控制方法包括监控和调节原料的投入 、反应产物的排出以及各阶段的浓度分布 。通过维持适当的浓度水平，可以优化化 学反应过程，提高金属的提取率和纯度。
探索化学酸碱反应的酸碱反应热力学
探索化学酸碱反应的酸碱反应热力学化学中的酸碱反应是我们生活中非常常见且重要的反应类型之一。
酸碱反应不仅在实验室中广泛应用，还在许多工业过程中起着重要的作用。
而酸碱反应的热力学性质对于反应的进行和理解都具有重要意义。
本文将探索化学酸碱反应的热力学特性，从反应焓、反应熵和反应自由能等方面进行分析，并探讨对酸碱反应的影响。
一、反应焓在化学反应中，反应焓是一个重要的热力学量，它描述了反应过程中的热变化。
对于酸碱反应来说，反应焓可以通过反应热来表示。
反应热是指在常压下，单位摩尔反应物发生完全转化所伴随的热量变化。
酸碱反应的反应热可以通过实验测量得到。
在实验中，通常使用燃烧器、温度计等工具进行测量，通过测定反应前后的温度变化，结合反应物的量与反应热的关系，可以计算出反应的反应热。
反应热的正负表示反应是放热还是吸热。
放热反应的反应热为负值，而吸热反应的反应热为正值。
二、反应熵反应熵是描述反应过程中混乱程度的物理量。
酸碱反应的反应熵可以通过反应物和产物的状态变化来计算。
一般来说，固体和液体的熵值较低，而气体的熵值较高。
对于酸碱反应来说，通常涉及到溶液的混合，溶质在溶剂中的解离等过程。
这些过程在热力学上会引起熵的变化。
当溶质解离时，溶液中的自由度增加，熵值增大；而溶质与溶剂的混合也会增大熵值。
因此，酸碱反应的反应熵往往为正值。
三、反应自由能反应自由能是描述反应体系自发程度的物理量。
对于酸碱反应来说，反应自由能的大小决定了反应的进行方向。
反应自由能可以通过反应焓和反应熵的关系来计算。
当反应焓为负（放热）且反应熵为正时，反应自由能为负，说明反应是自发进行的；而当反应焓为正（吸热）且反应熵为负时，反应自由能为正，说明反应不会自发进行。
通过计算反应焓和反应熵的值，可以预测酸碱反应的进行方向以及反应的强弱。
四、酸碱反应的热力学影响因素除了反应焓、反应熵和反应自由能，酸碱反应的热力学特性还受到其他因素的影响。
1. 温度：温度是影响酸碱反应热力学性质的重要因素之一。
粉煤灰加碱烧结过程的热力学分析
Ｔｈ ｅ ｒ ｍｏ ｄ ｙ ｎ ａ ｍｉ ｃ Ａｎａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｉ ｎ Ｓ ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ Ｒｅ ａ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ Ｃｏ ａ ｌ Ｆｌ ｙ Ａｓ ｈ、 ｔ ｈ Ａｌ ｋ ａ ｌ ｉ
ＺＨＡＮＧ Ｆｅ ｎ ｇ — ｘ ｉ ａ ， ，ＹＡＮＧ Ｂｉ ｎ ，ＭＡ Ｍｉ ｎｇ ． ｙ ｕ ，Ｓ ＵＮ Ｓ ｈ ｕ． ｈｏ ｎ ｇ
理论 和实验结果都表明通过烧结可使粉煤灰 中大部分的石英和莫来石得 到活化 ， 有利于下一步的提取 。 关键 词 ： 粉煤灰 ； 碳 酸钠 ； 吉 布斯 自由能 ； 石英 ； 莫来石
中 图分 类 号 ： Ｔ Ｆ ０ ４ ６ 文献标识码 ： Ａ ｄ ｏ ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． ０ ２ ５ ３ － ６ ０ ９ ９ ． ２ ０ １ ３ ． ０ ３ ． ０ ２ ３ 文章编号 ： ０ ２ ５ ３— ６ ０ ９ ９ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ３— ０ ０ ８ ７— ０ ３
校 冶金材料学院 ， 云南 昆明 ６ ５ ０ ０ ３ ３ ）
斌 ， 马 明 煜 ｒ ， 孙 淑 红
（ １ ． 昆 明理工大学 真空冶金国家工程实验室 ， 云南 昆明 ６ ５ ０ ０ ９ ３ ； ２ ． 昆 明理工大学 冶金 与能源工程学 院， 云南 昆明 ６ ５ ０ ０ ９ ３ ； ３ ． 昆明冶金高 等专科学
ｄ ｕ ｉ ｒ ｎ ｇ ｓ ｉ ｎ ｔ ｅ ｉ ｒ ｎ ｇ ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ，ｔ ｈ ｅ Ｇ ｉ ｂ ｂ ｓ ｆ ｒ ｅ ｅ ｅ ｎ ｅ ｒ ｇ ｙ ｆ ｏ ｒ ｅ ａ ｃ ｈ ｒ ｅ ａ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｗ ａ ｓ ｃ ｌｃ ａ ｕ ｌ ａ ｔ ｅ ｄ ． Ａｔ ｔ ｈ ｅ ｔ ｅ ｍｐ ｅ ｒ ａ ｔ ｕ ｒ ｅ ｍｏ ｒ ｅ ｔ ｈ ａ ｎ ９ ７ ３ Ｋ， ｔ ｈ ｅ Ｇｉ ｂ ｂ ｓ ｆ ｒ ｅ ｅ ｅ ｎ ｅ ｒ ｙ ｇ ｖ ａ ｌ ｕ ｅ ｉ ｎ ｅ ａ ｃ ｈ ｐ ｏ ｓ ｓ ｉ ｂ ｌ ｅ ｒ ｅ ａ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｂ ｅ ｃ ｏ ｍｅ ｓ ｎ ｅ ｇ ａ ｔ ｉ ｖ ｅ ，ａ ｎ ｄ ｒ ｅ ａ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ａ ｐ ｐ ｅ ａ ｒ ｓ ｔ ｏ ｂ ｅ ｓ ｐ ｏ ｎ ｔ ａ ｎ ｅ ｏ ｕ ｓ ． Ｓ ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ｔ ｅ ｓ ｔ ｗａ ｓ ｃ ｏ ｎ ｄ ｕ ｃ ｔ ｅ ｄ ｏｒ ｆ ｈｅ ｔ ｍｉ ｘ ｏ ｆ ｌ ｆ ｙ ａ ｓ ｈ ａ ｎ ｄ ｓ ｏ ｄ ｉ ｕ ｍ ｃ ａ ｒ ｂ ｏ ｎ ａ ｔ ｅ ｗｉ ｔ ｈ ｔ ｈ ｅ ｐ ｒ ｏ ｄ ｕ ｃ ｔ ｏ ｂ ｔ ａ ｉ ｎ ｅ ｄ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｚ ｅ ｄ ．Ｉ ｔ ｗａ ｓ ｆ ｏ ｕ ｎ ｄ
微量热法研究碱土金属离子与18-冠-6结合的热力学常数
自制滴定系统的结构如图 1(B)所示. 保持参比 不变, 可通过注射器将恒温好的滴定剂缓缓地加入 到样品池中, 与被滴定的物质反应. 样品池有一个很 细的通气口, 用来使反应过程中池内压力保持与外 界一致. 为避免扰动, 未使用搅拌装置, 快反应较快 地放热并达到平衡, 慢反应则需要一定的时间. 1.3 实验方法
January [Note]
物理化学学报(Wuli Huaxue Xuebao) Acta Phys. 鄄Chim. Sin., 2008, 24(1)：161-164
161
微量热法研究碱土金属离子与 18鄄冠鄄6 结合的热力学常数
刘 鹏 1,*
李 曦1
潘 牧2
(2)
M+L葑ML
[ML] CLf·CMf
=K
(3)
以上各式中, V 是体积, 驻rH苓m 是摩尔反应焓, nL 为冠
醚的总摩尔数
5.0伊10-4
mol.
CL0
和
C
0 M
分别代表冠醚
图 1 仪器结构(A)和滴定体系设计结构(B)图 Fig.1 Diagrams of TAM air (A) and titration system (B)
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NaOH分解白钨的技术 成功用于处理各种复杂钨矿，得到98%以上的分解率。
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四、“赝三元系相图”法分析分解过程
可溶生成物 饱和结晶区
可溶生成物/%
可溶生成物/%
可溶生成物 饱和结晶区
矿物
矿物
分解试剂 饱和结晶区
分解试剂 饱和结晶区
液相
液相
分解试剂 /%
分解试剂 /%
分解试剂浓度高可促进分解的进行
钨酸钠分解碳酸钙的赝三元系相图(225℃)
Na2WO4 (s)
50
CaCO3(s)
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五、相图理论再应用
苏打分解白钨矿逆过程的研究
50
40
10
Na2WO4(aq)+Na2CO3(aq)
0 10 20 30 Na2WO4/% 40
钨酸钠分解碳酸钙的赝三元系相图(225℃)
Na2WO4 (s)
三、钨矿物分解的热力学研究
白钨矿碱分解 “赝三元系相图”的提出
Ca(OH)2 是溶解度较小的化合 物，在 NaOH 溶液中溶解度更 小。因此忽略其在水中的微量 溶解度，从而将溶液视为 Na2O—WO3—H2O 三组分所构 成的三元系，则可以绘制该体 系的“赝三元系相图”。
CaO-WO3-Na2O-H2O 赝三元系相图
白钨浸出经典热力学平衡图
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二、碱法冶金的热力学共性问题
——分解反应的热力学平衡常数较低
热球磨碱分解工艺
工业条件下实现了NaOH分解白钨矿
我们曾认为，机械活化使白 钨矿化学位能增加，反应平 衡正向移动，造成有利的热 力学条件。
国内推广情况
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二、碱法冶金的热力学共性问题
分解试剂浓度过高不利于分解的进行
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五、相图理论再应用
碳酸钠分解白钨矿“赝三元系相图”的应用
50
Na2WO4 (s)
40
Na2WO4/%
30
20
Na2CO3 (s)
实践中发现过高的碳酸钠初始浓 度对浸出反而有害。苏联学者指 出碳酸钠浓度超过 230g/l 就会造成 回收率急剧下降，这也为许多研 究者所证实。
NaAl(OH)4(aq)
能否将相图分析用于 其它碱法冶金过程？
Na2O-Al2O3-H2O 系相图
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三、钨矿物分解的热力学研究
白钨矿碱分解 “赝三元系相图”的提出
30
170℃ 150℃ 130℃ 110℃ 90℃
30
150℃ 130℃
20
Na2WO4· xH2O(s)
白钨矿碱分解反应：CaWO4+2NaOH=Na2WO4+Ca(OH)2 的平衡常数 Temp. ℃ K 25 2.5×10-4 70 1.2×10-3 90 2.0×10-3 130 5.8×10-3 150 1.0×10-2
“众所周知，白钨矿不为氢氧化钠所分解。 （As is well known, Scheelite is not attacked by caustic solution. ）” —— K. Osseo-Asare 《Hydrometallurgy》前主编
CaWO4
OH浸出 WO42饱 和 结 晶 Na2WO4
白钨矿
白钨矿 混合矿 混合矿 混合矿
67.65
70.23 64.70 65.40 70.51
14.82
15.84 5.2 6.5 3.42
2.25
2.2 2.1 2.15 1.8
98.50
98.60 98.80 98.70 99.03
Ca(OH)2
碳酸钠分解白钨矿“赝三元系相图”的应用
50
Na2WO4 (s)
40
Na2WO4/%
30
CaWO4(s)
20
Na2CO3 (s)
10
Na2WO4(aq)+Na2CO3(aq)
0 10 20 30 Na2CO3/% 40 50
碳酸钠分解白钨矿的赝三元系相图(225℃)
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五、相图理论再应用
解释了碱热球磨分解白钨矿的本因
CaO-WO3-Na2O-H2O 赝三元系相图
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氢氧化钠分解白钨矿的技术条件及效果
反应器：常规压煮釜 液固比：0.8～1.0 碱用量：2.0～3.0理论量 温度：150～170℃ 保温时间：1.5～2.0小时
各种钨矿的分解效果
矿种 WO3含量 Ca含量 ／% ／% 碱用量 ／理论倍数 浸出率 ／%
面对低品位复杂矿的提取，需要采用各种极端 条件（特别是高浓度）来强化冶金过程，需要考虑 反应物和生成物的溶解 / 析出平衡的影响。因而相 图的方法是分析冶金中的理论问题的有效手段。
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谢谢各位专家！
10
Na2WO4(aq)+Na2CO3(aq)
0 10 20 30 Na2CO3/% 40 50
其原因众说纷纭
Na2CO3-Na2WO4-H2O系相图
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五、相图理论再应用
碳酸钠分解白钨矿“赝三元系相图”的应用
50
Na2WO4 (s)
40
Na2WO4/%
30
CaWO4(s)
钨矿浸出的某些问题
赵中伟
中南大学冶金科学与工程学院
2013年6月
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目
录
一、碱法冶金的优点 二、碱法冶金的热力学共性问题 三、钨矿物分解的热力学研究
四、“赝三元系相图”法分析分解过程
五、相图理论再应用 六、总结
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一、碱法冶金的优点
环境污染小，对金属材质设备的腐蚀小； 选择性好，特别是针对含大量碱性脉石的有色金属低品位氧 化矿，可以避免脉石的副反应；
——分解反应的热力学平衡常数较低
热球磨碱分解工艺
工业条件下实现了NaOH分解白钨矿
OH活化的 白钨矿
OH稳定的 白钨矿
Ca(OH)2
WO42-
但这相当于假设活化了的白 钨矿可与更高浓度的钨酸钠 产物平衡共存，而这实际是 不可能的。
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二、碱法冶金的热力学共性问题
——分解反应的热力学平衡常数较低
拜耳法溶出铝土矿工艺
在国内外铝冶金企业广泛应用
铝土矿碱溶出反应：Al2O3· H2O+2NaOH=2NaAl(OH)4 的平衡常数 Temp. ℃ 25 30 45 60 80 100 120
K
0.01
0.04
0.15
0.270.34Fra bibliotek0.51
0.53
T增加，K增大
但也太小
拜耳法的理论工具？
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二、碱法冶金的热力学共性问题
——分解反应的热力学平衡常数较低
碱法分解铝土矿的理论工具
目前有关铝冶金的教科书 和科研文献中，实际并不采用 平 衡 常 数 ， 而 是 使 用 Na2O— Al2O3—H2O三元系相图作为工 具进行热力学分析。
Gibbsite Al2O3· 3H2O(s)
NaAlO2(s)
50
高的钨酸钠浓度有利于碳酸钙 的分解，生成物钨酸钠的不断 析出促进了反应的不断正向进 行。证明了苏打体系赝三元相 图的正确性。
Na2CO3/%
30
Na2CO3 (s)
20
CaCO3(s)
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六、总
结
传统热力学平衡计算限于远离饱和的条件，没 有考虑溶解度的对热力学平衡的影响；
能适应量大面广的难冶氧化矿，是一类极有效的通用方法。
广泛应用于：
W、Al、RE、Mo、Ta、Nb、Ga、Zn、Pb、Sn……
是钨冶金和铝冶金中矿石分解的主流工艺， 在稀土冶金中用于独居石型和氟碳铈型稀土矿的分解
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二、碱法冶金的热力学共性问题
——分解反应的热力学平衡常数较低
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三、钨矿物分解的热力学研究
白钨矿碱分解 “赝三元系相图”的提出
类似
Gibbsite Al2O3· 3H2O(s)
NaAlO2(s)
NaAl(OH)4(aq)
CaO-WO3-Na2O-H2O 赝三元系相图
Na2O-Al2O3-H2O 系相图
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20
Na2CO3 (s)
10
Na2WO4(aq)+Na2CO3(aq)
0 10 20 30 Na2CO3/% 40 50
碳酸钠分解白钨矿的赝三元系相图(225℃)
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五、相图理论再应用
碳酸钠分解白钨矿“赝三元系相图”的应用
50
40
Na2WO4/%
30
CaWO4(s)
20
Na2CO3 (s)
20
110℃ 90℃
10 Na2WO4(aq)
10
CaWO4(s) Na2WO4(aq)
0 0 10 20 Na2O, % 30
0 0 10 20 Na2O, % 30
Na2O-WO3-H2O 三元系相图
反应CaWO4+2NaOH=Na2WO4+Ca(OH)2 的平衡数据
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10
液固比控制在一定范围， 可获得较好的分解效果， 但是一旦起始碳酸钠浓 度过高导致出现“盐析 效应”，白钨矿就不能 够被分解完全。