第一章 冶金热力学基础资料

2. 冶金物理化学的发展
2.1 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。
2. 冶金物理化学的发展
1.3 冶金实例
1.3.1高炉炼铁 （a）炉顶煤气成分：
–N2 、CO、CO2，少量H2、CH4 –N2<50％， CO（20～25％）、CO2（22～17％） –CO+CO2（42～44％）
–CO为还原剂且属有毒气体，希望能够在炉内100%消 耗。
–无法实现的原因：存在化学平衡。
1. 本课程作用及主要内容
2. 冶金物理化学的发展
• C.Wagner（瓦格纳）
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（达肯）
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
2. 冶金物理化学的发展
• 其他：德国的Korber和Olsen等。
2. 冶金物理化学的发展
2.1 国外
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。
1. 本课程作用及主要内容
1.4 主要内容
热力学 • 第一定律：能量守恒，转化； • 第二定律：反应进行的可能性及限度； • 第三定律：绝对零度不能达到。
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1. 本课程作用及主要内容
1.4.1 冶金热力学
• 主要为第二定律 工具：等温方程式 • 正向 逆向 平衡 • 测定 • 计算（查表）CP→K（0） CP→＝A＋BT • 估计值 • 统计热力学
2.1 国内
• 李公达(1905~1971),湖北人，南开大学毕业。1931年进入美国密 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。
•
1s的93行7年为发。表《H2-H2S混合气体与Fe中S的平衡》，论述了铁液中
• 中国钢铁脱硫研究先驱；对高炉冶炼新技术、新工艺的采用与推 广，对推动中国炼铁技术水平的不断提高，对防治高炉“炉瘤” ，对固体直接还原，都做出了重要贡献；是攀枝花钒钛磁铁矿高 炉冶炼和综合利用研究的开拓者和组织者之一。
1. 本课程作用及主要内容
1.4.2 冶金动力学
• 研究过程的机理（反应机制）和限制环节 • 提出一系列模型，找出结症对症下药：提高其反应
速度或减缓反应速度。
1. 本课程作用及主要内容
1.4.2 冶金动力学
• 与物理化学的差异： – 物化：只是单相中微观的化学反应，也称微观动 力学； – 冶金动力学：对多相，还伴有传热、传质现象， 为宏观动力学； – 一般说来，由于高温，所以化学反应速度快，多 为扩散为限制行环节； – 现状：数据不全，误差大，模型的适用性差。
1. 本课程作用及主要内容
1.1 地位
冶金专业专业基础课程。 普通化学、高等数学、物理化学为基础。 与物理化学相比，更接近于实际应用。 目的：为开设专业课与以后发展作理论准备
物理化学
专业课
（冶金物理化学）
火法冶金特点：一高三多
1.2 作用
• 将物理化学的基本原理及实验方法应用到冶金过程中，阐 明冶金过程的物理化学规律，为控制和强化冶金过程提供 理论依据。
• 为去除某些元素保留某些元素而选择合适的冶炼条件（温 度、气氛）。例如炼钢过程。此类问题将由本课程解决。
• 注意：由于高温的特点，宏观测定难度大，微观就更难， 有时只能使用常温数据外推，误差较大。
• 本学科尚在不断完善发展中。应学会灵活应用，依据冶物 化理论，创造有利反应进行条件，抑制不利反应，提出合 理工艺流程。
教材： 韩明荣等编. 冶金原理. 冶金工业出版社，2008
参考书： 1、傅崇说编. 有色冶金原理. 冶金工业出版社，1997 2、李洪桂. 冶金原理. 科学出版社，2005 3、黄希祜编. 钢铁冶金原理. 冶金工业出版社，1998 4、郭汉杰.冶金物理化学教程，第二版，2006 5、董元篪. 冶金物理化学. 合肥工业大学出版，2011
2. 冶金物理化学的发展
2.1 国内
• 魏寿昆（1907~2014)，天津人，中国科学院院士。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、等多反应中金属的提取和分离 工艺奠定了理论基础。
• 特种冶金（二次精炼）真空脱气，矿石中含有Fe、Mn 、S、P、Al、Mg、Ca等多种元素，但被还原量却不同 。 –原因：氧化物稳定性问题。
1. 本课程作用及主要内容
1.3.3 有色冶金
• 炼铜：氧化→还原→电解 • 去铁 Cu2S→Cu2O→Cu
• 湿法：电解过程，电化学，ph－电位图 – 浸出，萃取过程 – 熔盐电解等等
• 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。
• 1932年，德国R.Schenk发表专著：钢铁冶金 物理化学导论 （Phsical Chemistry of Steel Manufacture Processes）
1.3 冶金实例
• （b）矿石中含有Fe、Mn、S、P、Al、Mg、Ca等多 种元素，但被还原量却不同： – 原因：氧化物稳定性问题
• （c）S、P的去除 炼钢、炼铁过程分别去除P、S – 原因：反应条件是否适宜。
1. 本课程作用及主要内容
1.3 冶金实例
1.3.2 炼钢 • 奥氏体不锈钢冶炼：去C保Cr。