冶金熔炼原理及工艺讲义,第一章 活度及氧位图-修订教材
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15
§1.1 活度
理想溶液：组元蒸气压与其浓度的关系。 ——遵守拉乌尔定律
P
R
常数
摩尔浓度
稀溶液：溶剂遵守拉乌尔定律，溶质遵守亨利定律。
P
H
K χ%
常数
浓度
合金熔炼中的合金熔体和熔融炉渣也是溶液，这些实际溶 液的热力学规律却不那么简单。引入活度后，理想溶液和稀溶 液的热力学公式就可以适用于实际溶液，解决实际溶液存在的 问题就可以简化。
授课教师：周文龙/董红刚 办公地点：铸造中心212室/304室 办公电话：84709967，84706283 电子信箱：wlzhou@dlut.edu.cn donghg@dlut.edu.cn
1
考核方式：出勤率 作业 期末考试成绩
2
目 录
第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 绪论 活度及氧位图 熔渣、熔剂性质 合金元素的氧化还原反应 合金熔体内杂质的去除 典型合金的熔炼工艺 金属的现代冶金熔炼技术
美国密歇根大学研究院，师从美国著名学者J.Chipman教授， 获冶金工程博士学位。 1937年发表《H2-H2S混合气体与Fe中S的平衡》，论述了铁液 中S的行为。
9
魏寿昆（1907~2014)，天津人，中国科学院院士，北京科技大
学教授。德国德累斯顿工科大学工学博士,《冶金过程热力学》、 《活度在冶金中的应用》。 在冶金热力学理论及其应用中获得多项重大成果。运用活度理论 为红土矿脱铬、金川矿提镍等反应中金属的提取和分离工艺奠定 了理论基础。
。 1952 年他受命筹建中南矿冶学院，是中国有色金属冶金教育 的开拓者。他对火法冶金、湿法冶金、氯化冶金及熔体热力学理 论有深入的研究。他的“金属—氧系热力学和动力学”、“高温 熔体物理化学性质”的研究成果，为中国有色金属的开发和综合 利用提供了理论依据。 1947年与J.Chipman共同发表《H2-H2O混合气体与Fe液中Cr的 平衡》。
12
周国治（1937~），广东潮阳人，中国科学院院士，北京
科技大学教授。 用Gibbs-Duhem方程计算熔体热力学性质。
很多工作在冶金行业的 专家、学者。 为冶金科学发展做出突 出贡献。
13
§1. 活度和氧位图
获得具有一定性能，质量优良的铸件，或原材料， 须提高熔体的冶金质量：
1、准确的合金成份； 2、减少非金属夹杂物、气体； 3、足够的过热温度。
铸造合金熔炼是熔配、废料重熔过程：
改变金属料的物态， 发生复杂的冶金反应（物理化学现象）。
参加反应的物质：
金属、燃料、熔剂、精炼剂、变质剂、炉气、炉渣、炉衬……
14
反应类型
1.金属相与气相反应 2Fe O 2 2FeO
C O2 2CO
2.金属燃料与固相反应 Cs FeO Fel CO 3.金属熔体与炉渣、熔剂反应
3
本课程是研究冶金反应规律的科学ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ——冶金熔炼的原理 参考书：
※《物理化学》程兰征 ※《冶金过程热力学》魏寿昆 《铸造合金熔炼原理》董若璟 《钢铁冶金原理》黄希祜 《铸造手册》铸钢 第3版 《有色金属熔池熔炼》任鸿九 《金属材料冶炼工艺学》王惠
4
学习的内容与方法
研究冶金反应：
1、在给定的条件下 ——反应的可能性、方向、限度。 ……冶金反应的热力学规律 2、冶金反应的机理、速度、进程 ——创造条件控制反应的进行 ……动力学规律
铸造合金熔炼主要涉及的熔体： 熔配合金、炉渣或熔剂
5
冶金物理化学的发展历程
国外
1920~1932年，黑色冶金中引入物理化学理论； 1920 年， P.Oberhoffer（奥伯霍夫）首次发表钢液 中Mn-O平衡问题的论文； 1925年，Farady Society（法拉第学会）在英国伦 敦召开炼钢物理化学学术年会。
16
Cs Cu 2O 2Cu l CO
2Fe2 P 5FeO 3CaO 3CaO P2O5 9Fel CaO FeS CaS FeO
4.金属熔体内组元之间的反应
Si 2FeO 2Fel SiO 2 2Al 3Cu 2 O 2Al2 O 3 s 6Cu l
其他：德国的Korber和Olsen等。 冶金物理化学体系 ：1932－1958 创立
J. Chipman （启普曼）, 逸度和活度理论
1926年毕业于加里福尼亚大学，物理学博士； 1932年发表H2O，CO2，CO，CH4的自由能及在冶金学上的意 义（密西根大学，研究工程师）； 1937年任麻省理工学院教师； 1942年出版《1600℃化学》一书； 1948年发表《金属溶液的活度》论文，奠定了活度基础； 1951年出版《碱性平炉炼钢》一书。 7
C.Wagner
1952 年出版《合金热力学》提出活度相互作用系 数，使活度更加理论化； 1958 年出版《炼钢中的动力学问题》创立较完整 的冶金动力学研究体系；
S.Darken
1953 年出版《金属物理化学》，较系统地论述了 “冶金动力学及热力学”问题。
8
国内的著名学者
李公达(1905~1971)，湖北人，南开大学毕业。1931年进入
1926年，C.H.Herty（赫蒂）在美国发表《平炉炼钢 过程中 C、S、Mn 等元素变化规律》论文，且专门 领导建立一个研究平炉冶炼过程问题的小组。
6
1932年，德国R.Schenk发表专著：钢铁冶金物理化 学导论
（Physical Chemistry of Steel Manufacture Processes）
10
邹元爔（1915~1987），浙江省平湖市人，中国科学院学部
委员，中科院上海冶金研究所。发表一系列熔体活度测定方法 论文，如测定CaO-SiO2-Al2O3渣系的活度。 我国冶金物理化学活度理论研究的先驱，将冶金物理化学对象 从钢铁冶金、有色冶金延伸到高纯金属和半导体材料冶金。
11
陈新民（1912~1992），河北保定人，中国科学院学部委员
§1.1 活度
理想溶液：组元蒸气压与其浓度的关系。 ——遵守拉乌尔定律
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常数
摩尔浓度
稀溶液：溶剂遵守拉乌尔定律，溶质遵守亨利定律。
P
H
K χ%
常数
浓度
合金熔炼中的合金熔体和熔融炉渣也是溶液，这些实际溶 液的热力学规律却不那么简单。引入活度后，理想溶液和稀溶 液的热力学公式就可以适用于实际溶液，解决实际溶液存在的 问题就可以简化。
授课教师：周文龙/董红刚 办公地点：铸造中心212室/304室 办公电话：84709967，84706283 电子信箱：wlzhou@dlut.edu.cn donghg@dlut.edu.cn
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考核方式：出勤率 作业 期末考试成绩
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目 录
第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 绪论 活度及氧位图 熔渣、熔剂性质 合金元素的氧化还原反应 合金熔体内杂质的去除 典型合金的熔炼工艺 金属的现代冶金熔炼技术
美国密歇根大学研究院，师从美国著名学者J.Chipman教授， 获冶金工程博士学位。 1937年发表《H2-H2S混合气体与Fe中S的平衡》，论述了铁液 中S的行为。
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魏寿昆（1907~2014)，天津人，中国科学院院士，北京科技大
学教授。德国德累斯顿工科大学工学博士,《冶金过程热力学》、 《活度在冶金中的应用》。 在冶金热力学理论及其应用中获得多项重大成果。运用活度理论 为红土矿脱铬、金川矿提镍等反应中金属的提取和分离工艺奠定 了理论基础。
。 1952 年他受命筹建中南矿冶学院，是中国有色金属冶金教育 的开拓者。他对火法冶金、湿法冶金、氯化冶金及熔体热力学理 论有深入的研究。他的“金属—氧系热力学和动力学”、“高温 熔体物理化学性质”的研究成果，为中国有色金属的开发和综合 利用提供了理论依据。 1947年与J.Chipman共同发表《H2-H2O混合气体与Fe液中Cr的 平衡》。
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周国治（1937~），广东潮阳人，中国科学院院士，北京
科技大学教授。 用Gibbs-Duhem方程计算熔体热力学性质。
很多工作在冶金行业的 专家、学者。 为冶金科学发展做出突 出贡献。
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§1. 活度和氧位图
获得具有一定性能，质量优良的铸件，或原材料， 须提高熔体的冶金质量：
1、准确的合金成份； 2、减少非金属夹杂物、气体； 3、足够的过热温度。
铸造合金熔炼是熔配、废料重熔过程：
改变金属料的物态， 发生复杂的冶金反应（物理化学现象）。
参加反应的物质：
金属、燃料、熔剂、精炼剂、变质剂、炉气、炉渣、炉衬……
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反应类型
1.金属相与气相反应 2Fe O 2 2FeO
C O2 2CO
2.金属燃料与固相反应 Cs FeO Fel CO 3.金属熔体与炉渣、熔剂反应
3
本课程是研究冶金反应规律的科学ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ——冶金熔炼的原理 参考书：
※《物理化学》程兰征 ※《冶金过程热力学》魏寿昆 《铸造合金熔炼原理》董若璟 《钢铁冶金原理》黄希祜 《铸造手册》铸钢 第3版 《有色金属熔池熔炼》任鸿九 《金属材料冶炼工艺学》王惠
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学习的内容与方法
研究冶金反应：
1、在给定的条件下 ——反应的可能性、方向、限度。 ……冶金反应的热力学规律 2、冶金反应的机理、速度、进程 ——创造条件控制反应的进行 ……动力学规律
铸造合金熔炼主要涉及的熔体： 熔配合金、炉渣或熔剂
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冶金物理化学的发展历程
国外
1920~1932年，黑色冶金中引入物理化学理论； 1920 年， P.Oberhoffer（奥伯霍夫）首次发表钢液 中Mn-O平衡问题的论文； 1925年，Farady Society（法拉第学会）在英国伦 敦召开炼钢物理化学学术年会。
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Cs Cu 2O 2Cu l CO
2Fe2 P 5FeO 3CaO 3CaO P2O5 9Fel CaO FeS CaS FeO
4.金属熔体内组元之间的反应
Si 2FeO 2Fel SiO 2 2Al 3Cu 2 O 2Al2 O 3 s 6Cu l
其他：德国的Korber和Olsen等。 冶金物理化学体系 ：1932－1958 创立
J. Chipman （启普曼）, 逸度和活度理论
1926年毕业于加里福尼亚大学，物理学博士； 1932年发表H2O，CO2，CO，CH4的自由能及在冶金学上的意 义（密西根大学，研究工程师）； 1937年任麻省理工学院教师； 1942年出版《1600℃化学》一书； 1948年发表《金属溶液的活度》论文，奠定了活度基础； 1951年出版《碱性平炉炼钢》一书。 7
C.Wagner
1952 年出版《合金热力学》提出活度相互作用系 数，使活度更加理论化； 1958 年出版《炼钢中的动力学问题》创立较完整 的冶金动力学研究体系；
S.Darken
1953 年出版《金属物理化学》，较系统地论述了 “冶金动力学及热力学”问题。
8
国内的著名学者
李公达(1905~1971)，湖北人，南开大学毕业。1931年进入
1926年，C.H.Herty（赫蒂）在美国发表《平炉炼钢 过程中 C、S、Mn 等元素变化规律》论文，且专门 领导建立一个研究平炉冶炼过程问题的小组。
6
1932年，德国R.Schenk发表专著：钢铁冶金物理化 学导论
（Physical Chemistry of Steel Manufacture Processes）
10
邹元爔（1915~1987），浙江省平湖市人，中国科学院学部
委员，中科院上海冶金研究所。发表一系列熔体活度测定方法 论文，如测定CaO-SiO2-Al2O3渣系的活度。 我国冶金物理化学活度理论研究的先驱，将冶金物理化学对象 从钢铁冶金、有色冶金延伸到高纯金属和半导体材料冶金。
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陈新民（1912~1992），河北保定人，中国科学院学部委员