(复习)冶金物理化学.ppt

复习题 一 填空题1 冶金物理化学的学科内容包括 及 三部分 2 冶金过程 模拟和 理论的建立 冶金热力学 和 的相继出现 成为冶金物理化学进入深化期的标志 3 冶金物理化学的发展经历了 三个阶段 4 冶金热力学是利用化学及热力学的原理研究在冶金反应过程中当处于平衡条件时如何正确的确定控制反应过程的 等参数以及如何正确选择 等重要环节 5 冶金动力学是利用物理化学动力学的原理及 传输的原理来研究冶金过程的速率和机理 从而得到控制或提高反应的 缩短 和 的途径和方法 6 冶金熔体包括 和 7 改变物体内能的方式 1 它的实质是 2 它的实质是 8 系统是我们所研究的 环境是系统以外 9 系统分为 及 三种10 相是系统中 性质和 性质完全相同的且与其他部分有明确界面分隔开来的任何均匀部分 11 对于固态物质的同一种物质 不管分散程度如何 仍为 系统 对于同一种物质 结构或晶形不同 则为 系统 12 当系统各处的温度相等时 系统处于 状态 当系统各部分压强相等时 系统处于 状态 当系统各相的组成和数量不随时间而改变时 系统处于 状态13 热力学中的 热 与我们生活中物体冷热的 热 含义是不同的 生活中物体冷热的 热 是描述 热力学中的热则是由于体系与环境之间存在 而使体系与环境之间 14 当能量由环境传递给体系体时体系 Q为 当能量由体系传给环境时体系 Q为 15 功可分为体积功和非体积功 因体系体积变化而与环境交换的能量是 功 这种功在 中讨论学习 16 内能由三部分组成 一是 二是 三是 17 节能工作内容包括直接节能和间接节能 其中减少用能 提高能源利用效率 降低产品单位能耗属于 节能 通过工艺结构调整 优化工艺流程 减少生产中间环节 提高产品性能和寿命等则属于 节能 18 焓在数值上等于系统的内能U加上 和 的乘积吸热反应时焓变 H 19 吉布斯自由能的变化量 G可作为 过程中自发与 的判断依据 20 自发过程是在一定条件下不需要 对 作功就能自动进行的过程或反应 21 应用应用吉布斯自由能可以对化学反应自发性作出判断 G0系统的过程 22 活度应用于冶金过程 使得冶金反应能 地进行热力学计算和分析 在控制调整产物能否达到 在控制冶炼操作如何在 进行等方面 都有重要的作用 23 多数冶金炉渣和钢渣的主要氧化物是 及 三种 24 冶金熔渣的主要种类有 及 四种 25 碱度是指炉渣中 氧化物与 氧化物浓度的比值 用符号 来表示 26 熔渣的化学性质主要是指熔渣的 及 27 根据碱度高低 熔渣可分为 及 三类 28 冶炼时 若熔渣的黏度过大 则物质在钢液及熔渣之间的传递缓慢 不利于 的迅速进行 但若黏度过小 又会加剧 所以在炼钢时 希望获得适当黏度的炉渣 29 熔渣是多元组成物 成分复杂 当它由 转变成 时 是逐渐进行的 不存在明显的 30 冶炼过程中一般要求渣中的Fe0质量数应小于 以满足出钢时对渣 的要求 31 冶炼过程中的造好渣是实现冶炼生产 和 的重要保证32 炉渣的 和熔炼产出的 是影响金属回收率的两个重要因素 二 简述题1 简述物体的内能跟机械能的区别 2 简述太阳能的主要优缺点 3 简述一次能源和二次能源的意义 4 简述我国钢铁工业管理节能的意义 5 什么叫焓 写出焓变的符号和单位 6 简述熵的概念 7 简述吉布斯自由能的意义 8 简述活度与活度系数的意义 9 简述相图的意义 10 简述二元相图与三元相图的意义 11 简述三元相图与二元相图的区别 12 简述火法冶金和湿法冶金的意义13 简述冶金熔渣的主要来源 14 简述降低钢中非金属夹杂物的途径15 简述冶金炉渣在冶炼过程中的作用 16 简述炉渣中的氧化铁对冶炼过程的作用17 熔渣的黏度过大或过小会对冶炼过程有什么影响 18 简述熔渣碱度的意义 19 简述冶炼渣 熔炼渣 的产生及主要作用 20 简述吉布斯自由能的特点 冶金物理化学的三个发展阶段 1 开拓期 1925 1948 这个时期的代表性研究成果有 美国奇普曼的炼钢炉渣基本三元系中组元活度测定理论的建立 前苏联学者焦姆金提出的炉渣完全离子溶液理论模型的建立 这些理论对冶金物理化学起到了开拓作用 冶金物理化学的三个发展阶段 2 发展期 1948 1970 这一时期的代表性理论有 美国科学家吉布斯建立了反映溶液热力学规律的吉布斯 杜亥姆方程 使已知一组元的活度求法有了较大进步 另外还建立了正规溶液模型和准化学平衡模型等理论 为溶液热力学奠定了基础 冶金物理化学的三个发展阶段 3 深化期 1970 今 从20世纪70年代开始 日本的鞭严和美国的舍克里等将冶金动力学和反应工程结合并应用计算机建立了冶金过程计算机模拟和优化理论 同时冶金热力学数据库和计算相图也相继出现 成为冶金物理化学进入深化期的标志 冶金物理化学的课程结构 冶金物理化学 冶金热力学 冶金热力学是利用化学及热力学的原理研究在冶金反应过程中当处于平衡条件时如何正确的确定控制反应过程的温度 压力 浓度等参数以及如何正确选择添加剂等重要环节 冶金动力学 利用物理化学动力学的原理及物质 能量 动量传输的原理来研究冶金过程的速率和机理 确定反应过程速率的限制环节 从而得到控制或提高反应的速率 缩短冶炼时间 增加生产率的途径和方法 冶金熔体 冶金熔体都是混合物 冶金熔体都参与冶金化学反应 同时都是产品 铁液 钢液 还原渣 氧化渣 富集渣 合成渣 一 系统 环境和相 1 系统 我们所研究的那部分物质世界 2 环境 系统以外且与系统相关的部分 注意 系统与环境间有界面 假想的或真实的 分开 可以有物质和能量的交换 与环境无物质 能量交换 敞开系统 封闭系统 孤立体系 与环境有物质交换也有能量交换 与环境无物质交换有能量交换 与环境无物质交换也无能量交换 系统分为 如下三种 3 相系统中物理性质和化学性质完全相同的且与其他部分有明确界面分隔开来的任何均匀部分 叫做相 相有单相系统和多相系统两种 气态物质 多种成分 如空气 为单相系统 液态物质 彼此互溶 为单相 彼此不溶 为多相 固态物质 1 同一种物质 不管分散程度如何 仍为一相 2 同一种物质 结构或晶形不同 则为多相系统 3 不同物质 一般为多相系统 除非形成合金 相的种类 5 系统的热力学平衡状态 定义 一个处在一定环境下的系统的所有性质均不随时间变化而变化 且当此系统与环境隔离后 也不会引起系统任何性质的改变 我们就称该系统处于热力学平衡状态 包括 热平衡 体系各处的温度相等 力平衡 体系各部分压强相等 相平衡 各相的组成和数量不随时间而改变 化学平衡 化学反应体系的组成不随时间而改变 注意 热力学研究的对象多处于平衡态的系统 三 过程与途径 等温过程 等容过程 等压过程 始态 终态温度相等 并且过程中始终保持这个温度 T1 T2 始态 终态压力相等 并且过程中始终保持这个压力 P1 P2 始态 终态容积相等 并且过程中始终保持这个容积 V1 V2 当系统的状态发生变化时 我们称之为经历了一个过程 变化的具体步骤则称之为途径 四 热 Q 1 热是由于体系与环境之间存在温度差而使体系与环境之间传递的能量 2 热是一种传递中的能量 它总是和过程相联系的 3 热不是体系的性质 而是体系与环境因温度不同交换的能量 无交换 则无热 热是一个过程量 是体系的途径函数而不是状态函数 1 热的意义 2 注意点 热力学中的 热 与我们生活中物体冷热的 热 含义是不同的 生活中物体冷热的 热 是描述物体温度的高低 热力学中的热则是由于体系与环境之间存在温度差而使体系与环境之间传递的能量 3 热的符号及正负的意义 热力学中用Q来表示热 因为能量传递有方向性 热力学中以Q的正或负来表示热的传递方向 习惯上以体系为基准 体系吸热 即能量由环境传递给体系 Q为正 体系放热 即能量由体系传给环境 Q为负值 1 功的意义 系统与环境之间除热以外的其它一切形式的能量传递和交换统称为功 五 功 W 单位 J或KJ 2 功的特点 功与热一样是过程量 不是状态函数 有过程才有功和热 3 功的符号规定 系统对环境作功为负 环境对系统作功为正 功可分为体积功和非体积功 体积功 在反抗外力作用下 因体系体积变化而与环境交换的能量 非体积功 4 功的类型 热力学中讨论 热力学中不讨论 机械功 电功 表面功等 二 能与能源知识 一 物体的内能 U 1 内能的意义 物体中所有分子做热运动的动能和分子势能的总和叫做物体的内能 内能也叫热力学能 它是系统内部能量的总和 2 内能由三部分组成 内部分子的动能 分子间相互作用的势能 分子内部的能量 5 物体的内能跟机械能的区别 1 能量的形式不同 物体的内能和物体的机械能分别跟两种不同的运动形式相对应 内能是由于组成物体的大量分子的热运动及分子间的相对位置而使物体具有的能 而机械能是由于整个物体的机械运动及其与它物体间相对位置而使物体具有的能 2 决定能量的因素不同 内能只与物体的温度和体积有关 而与整个物体的运动速度和物体的相对位置无关 机械能只与物体的运动速度和跟其他物体的相对位置有关 与物体的温度和体积无关 3 一个具有机械能的物体 同时也具有内能 一个具有内能的物体不一定具有机械能 它们之间可以转化 一次能源 指从自然界中获得 而且可以直接应用的热能和动力 二次能源 指需要依靠其它能源而获得的能源 常规能源 指已经大规模生产和广泛使用的能源 新能源 指新近才利用的能源或正在开发研究的能源 太阳能的主要优缺点主要优点 1 普遍 没有地域的限制处处皆有 可直接开发和利用 且无须开采和运输 2 无害 开发利用太阳能不会污染环境 在环境污染越来越严重的今天 这一点是极其宝贵的 3 巨大 每年到达地球表面上的太阳辐射能约相当于130万亿吨煤 其总量属现今世界上可以开发的最大能源 4 长久 根据目前太阳产生的核能速率估算 其热核反应足够维持上百亿年 而地球的寿命也约为几十亿年 从这个意义上讲 可以说太阳的能量是用之不竭的 主要缺点 1 分散性 到达地球表面的太阳辐射的总量尽管很大 但是很分散 2 不稳定性 由于受到自然条件的限制以及晴 阴 云 雨等随机因素的影响 所以 到达某一地面的太阳能既是间断的 又是极不稳定的 这给太阳能的大规模应用增加了难度 3 效率低和成本高 目前太阳能利用的发展水平 有些方面在理论上是可行的 技术上也是成熟的 但有的太阳能利用装置 因为效率偏低 成本较高 总的来说 经济性还不能与常规能源相竞争 在今后相当一段时期内 太阳能利用的进一步发展 主要受到经济性的制约 36 3 钢铁工业节能的概念 钢铁工业的节能含义包括减少浪费和增加回收两个部份 1 减少浪费 加强对用能的质量和数量的管理 优化用能结构 减少物流损失和能源介质的无谓排放等 2 增加回收 大力回收生产过程中产生的二次能源 包括余压 余热 余能和煤气等 3 节能工作内容包括直接节能和间接节能 直接节能 减少用能 提高能源利用效率 降低产品单位能耗 间接节能 工艺结构调整 优化工艺流程 减少生产中间环节 提高产品性能和寿命等 37 4 管理节能 结构节能和技术节能 钢铁企业节能工作包括 管理节能 结构节能和技术节能 1 管理节能 通过对企业现代化管理 建立相应的节能工作制度和实施细则 设立监管机构 如能源管理中心 最终实现所制订的节能目标 国内外钢铁工业的用能结构均向多买煤 少买电 提高能源转化率和使用效率方向发展 大力回收钢铁企业的二次能源 并要得到科学 合理的应用已成为钢铁企业节能降耗的工作重点 38 2 结构节能 调整钢铁工业生产工艺结构 就可以实现结构性节能 如提高炼铁喷煤比 增加球团配比 采用连续铸钢工艺 轧钢坯料热装工艺等技术均可实现节能效果 39 3 技术节能 A 干法熄焦技术 这是钢铁工业可回收余能所占比例的很大的项目 约占可回收余能的一半 B 高炉炉顶煤气压差发电技术 TRT发电能力是随炉顶煤气压力而变化 一般每吨生铁可发20 40度电 C 高炉炼铁节能 提高风温 风温升高100 可降焦比15Kg t 多喷20 30Kg t煤粉 可提高产量4 热风带入的热量占高炉输入总热量的16 19 三 焓 吉布斯自由能 活度及相图 一 焓 1 焓的定义 我们知道温度和压力会使物体具有额外的能量 如沸腾时产生的蒸汽会具有能量 高温下的水可以向外释放热能 在冶金物理化学中我们就把这种以温度和压力所贮存的能量称为焓 H 焓是单位质量的物质所含的全部热能 焓是热力学中表示物质系统能量状态的一个函数 焓用符号H表示 焓的变化量叫焓变 焓变用符号 H表示 3 规定 吸热反应 H 0或者值为 放热反应 H 0或者值为 2 焓变的符号 H 单位 KJ mol 1 焓是热力学中表示物质系统能量一个重要的状态函数 2 焓的变化是系统在等压可逆过程中所吸收热量的度量 3 焓在数值上等于系统的内能U加上压强p和体积V的乘积 即H U pV 4 化学反应中 因为H是状态函数 所以只有当产物和反应物的状态确定后 焓变 H才有定值 4 焓的特点 3 吉布斯自由能意义 吉布斯自由能又称热力势 自由焓或吉布斯函数 是很重要的热力学函数之一 符号G表示 定义为 G H TS式中H T S分别为系统的焓 热力学温度 开尔文温度K 和熵 吉布斯函数是系统的广延性质 具有能量的量纲 由于H S T都是状态函数 因而吉布斯自由能G也是一个状态函数 2 熵的概念 物理学上指热能除以温度所得的商 标志热量转化为功的程度 熵在热力学中是表征物质状态的参量之一 通常用符号S表示 1 吉布斯自由能的变化量 G可作为恒温 恒压过程中自发与平衡的判断依据 2 吉布斯自由能的变化量 G是体系做非体积功的最大限度 这个最大限度可以作为反应进行方向和方式的判断依据 3 吉布斯自由能G随温度和压强会发生很大的变化 4 任何等温等压下不做非体积功时 其自发过程的吉布斯自由能G都将减少 4 吉布斯自由能的特点 5 与吉布斯自由能相关的概念 1 化学反应的方向性自然界发生的一切过程都必须遵循热力学第一定律 保持能量守恒 但在不违背热力学第一定律的前提下 过程是否发生 若能发生的话 将又会进行到什么程度 热力学第一定律却不能回答 2 自发过程在一定条件下不需要外界对系统作功就能自动进行的过程或反应称为自发过程或自发反应 6 应用吉布斯自由能对化学反应自发性的判断 G H TS 1 G0过程不能自发进行 1 活度 a 为使理想溶液 或极稀溶液 的热力学公式适用于真实溶液 用来代替浓度的一种物理量 冶金物理化学将活度概念引用于冶金熔体 并提出金属溶液中以1 浓度溶液为活度标准态 三 活度与活度系数 2 活度系数 r 绝大多数的冶金反应都有溶液 固溶体 冶金熔体等 参加 而这些溶液经常都不是理想溶液 要进行定量的热力学计算和分析 溶液中各组分的浓度必须用一系数校正 方能符合于冶金物理化学定律的基本规律 此校正系数就称为活度系数 活度系数反映了溶液的有效浓度和实际浓度的差异 1 活度应用于冶金过程 使得冶金反应能定量地进行热力学计算和分析 在阐明多种反应能否选择地进行 在控制调整产物能否达到最大产率 在控制冶炼操作如何在最优化条件下进行等等方面 都有重要的作用 3 活度的作用 2 活度不能解决冶金熔体的结构问题 但它能指出组分在真实溶液与理想溶液中热力学作用上的偏差 1 相图的意义 相图又称为状态图或平衡图 是用以描述物质体系之间的关系 反映物质相平衡规律的一种图形 相图是研究和解决相平衡问题的重要工具 根据相图可以确定金属溶液在高温下相互反应 形成的不同相组分 如纯凝聚相 溶液 固溶体 低共熔物等等 各相的成分和相对数量 以及金属溶液的熔化温度与组成的关系等 从而为选择具有一定性能的金属溶液体系和成分提供依据 四 相图 2 二元相图 二元相图是在热力学平衡条件下 反映各种成分的物质在不同的状态 温度 压力和成分之间所存在相互关系的一种简明图解 当只存在两个组元时 只须考虑在常压下的结晶过程 由于成分也是变量 通常取横坐标用线段来表示成分 纵坐标表示温度即可建立二元相图 课本p89图3 1所示 图中L表示液态溶液 A B表示固体纯组元 工业上所使用的金属材料 如各种合金钢和有色合金 大多由两种以上的组元构成 这些材料的组织 性能和相应的加工处理工艺等通常不同于二元合金 因为在二元合金中加入第三组元后 会改变原合金组元间的溶解度 甚至会出现新的相变 产生新的组成相 此时采用的是三元合金相图 简称三元相图 3 三元相图 三元相图与二元相图比较 组元数增加了1个 即成分变量是两个 表示成分的坐标轴应为2个 再加上垂直于该平面的温度轴 这样三元相图就演变成一个在三维空间的立体图形 分隔相区的是一系列空间曲面 而不是二元相图的平面曲线 课本p105图3 19所示 火法冶金又称为干式冶金 把矿石和必要的添加物一起在炉中加热至高温 熔化为液体 发生所需要的化学反应 从而分离出粗金属 然后再将粗金属精炼 湿法冶金利用某种溶剂 借助化学反应 包括氧化 还原 中和 水解及络合等反应 对原料中的金属进行提取和分离的冶金过程 通常由五 六种或更多的氧化物组成 含量最多的氧化物通常只有三种 其总含量可达80 以上 多数冶金炉渣和钢渣的主要氧化物是 CaO SiO2 FeO高炉渣和某些有色冶金炉渣的主要氧化物为 CaO SiO2 Al2O3常含有其他化合物 如氟化物 硫化物等 2 冶金熔渣的成分 3 冶金熔渣的主要来源 1 矿石或精矿中的脉石 如高炉冶炼 Al2O3 CaO SiO2等 2 为满足冶炼过程需要而加入的熔剂 如CaO SiO2 CaF等 3 冶炼过程中金属或化合物 如硫化物 的氧化产物 如炼钢 FeO Fe2O3 MnO TiO2 P2O5等造锍熔炼 FeO Fe3O4等 4 被熔融金属或熔渣侵蚀和冲刷下来的炉衬材料 如碱性炉渣炼钢时 MgO主要来自镁砂炉衬 4 冶金熔渣的主要种类 1 冶炼渣 熔炼渣 是在以矿石或精矿为原料 以粗金属或熔锍为冶炼产物的熔炼过程中所产生 主要作用 汇集炉料 矿石或精矿 燃料 熔剂等 中的全部脉石成分 灰分以及大部分杂质 使其与冶炼产物 金属 熔锍等 分离 高炉炼铁 脉石成分与燃料的灰份以及熔剂 石灰石 白云石 硅石等 反应 形成炉渣 从而与金属铁分离 造锍熔炼 铜 镍的硫化物与炉料中铁的的硫化物熔融在一起 形成熔锍 铁的氧化物则与造渣熔剂SiO2及其他脉石成分形成熔渣 2 精炼渣是粗金属精炼过程的产物 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 炼钢时 加入的造渣熔剂 与原料中杂质元素的氧化产物融合成炉渣 除硫 磷 吸收非金属夹杂 3 富集渣作用 使原料中的某些有用成分富集于炉渣中 以便回收利用 例如 钛铁矿先在电炉中经还原熔炼得到高钛渣 再进一步提取钛 4 合成渣是指由为达到一定的冶炼目的 按一定成分预先配制的渣料熔合而成的炉渣 如电渣重熔渣 铸钢保护渣 钢液炉外精炼渣等 5 冶金炉渣在冶炼过程中的作用 1 炉渣在造渣过程中完成了金属的某些熔炼和精炼过程 例如铁的氧化物与脉石 熔剂和燃料灰分等形成熔渣 2 熔渣对熔炼生成的金属或熔锍与造渣成分分离的程度起着重要的作用 3 覆盖在金属或熔锍表面的熔渣层起保护金属和熔锍的作用 4 熔渣在冶炼过程中除富集炉料中的脉石等成分外 有时还起富集有价组分的作用 如吹炼含钒和含铌的生铁所得的钒渣和铌渣等都是提取钛 钒和铌等的原料 5 熔渣在一些冶炼过程中还起着特殊作用 如在烧结焙烧过程中造渣成分起到粘合结块的作用 在鼓风炉熔炼过程中 炉渣的组成基本上决定了炉内的温度 要提高炉内温度必须选择熔点高的渣型 6 炉渣的性质决定着熔炼过程的燃料消耗量 热焓量大的和熔点高的炉渣 熔炼的燃料消耗量也增加 7 炉渣的性质和熔炼产出的渣量是影响金属回收率的重要因素 8 炉渣对炉衬的化学侵蚀和机械冲刷 会影响炉子的使用寿命 注意 炉渣在保证冶炼产品质量 金属回收率 冶炼操作顺行以及各项技术经济指标方面都起着决定性的作用 造好渣是实现冶炼生产优质 高产 低消耗的重要保证 炼好渣 才有好钢 的说法 生动地反映了炉渣在冶炼过程中的重要作用 熔渣的化学性质主要是指熔渣的碱度 氧化性和还原性 6 冶金熔渣的化学性质 炉渣中常见的氧化物有酸 碱性之分 其分类如下 碱度是指炉渣中碱性氧化物与酸性氧化物浓度的比值 用 R 来表示 碱