冶金热力学与动力课程概介

冶金热力学与动力学（2010硕士研究生）,冶金工程学院赵俊学,冶金学的发展,冶金学家族的八个分支（1）化学冶金申克以前的冶金学，可称为是化学冶金或冶金化学，其中尚未引入物理化学原理。化学所揭示的原理是冶金学的基本信条。人们认为冶金过程是一类特殊的化学工程，这种观点在于强调冶金与化工之间的共性。从特殊性的角度来讨论，冶金与化工之间又有明确的不同。首先，冶金生产特别是钢铁冶金已形成了巨大的生产规模，足以和整个化学工业的规模相比较；其次，以钢铁冶金为代表的冶金过程中，火法冶金占了主导地位，反应温度高达10001800，远远高于一般化工过程；第三，钢铁冶金生产中已形成了一些独特的、有很高生产效率的冶炼工序或设备，如高炉、氧气转炉等，这些设备明显地有别于化工装置，而形成了特有的冶金单元；第四，用户对钢铁材料的要求，以及钢铁材料的加工、制品等都形成了不同于化工产品的独特的体系。,（2）冶金反应热力学是将物理化学中的化学热力学原理来讨论冶金过程，也可以说是狭义的冶金过程热力学，是冶金学中最成熟的部分，应用也最广泛。（3）冶金反应动力学是将物理化学中的化学动力学原理来讨论冶金过程，也可以说是狭义的冶金过程动力学，也是冶金学中多年来经常讨论的内容。,（4）传输原理传输现象是指动量、热量和质量的传输，又称为三传。关于对传输现象的认识和描述的理论称之为传输原理，传输原理现在已是冶金学的重要基础。（5）宏观反应动力学这里讲的是狭义的宏观反应动力学，以便与反应工程学相区别。若一个化学反应的速度不仅与反应本身有关，还须考虑质量在空间上的传递过程，这就是宏观反应动力学。钢铁冶金过程主要是火法冶金过程，多为高温、多相反应，在绝大多数的情况下，化学反应速度是很快的，与之相比传质速度较慢，常是限制性的环节。在化工过程中也有类似的现象。,（6）冶金反应工程学狭义的宏观反应动力学单独存在的时间很短，几乎同时出现了化学反应工程的定义。1957年在荷兰阿姆斯特丹召开了第一届欧洲化学反应工程会议，此后化学反应工程发展迅速，成效卓著，化学工程逐渐形成了以“三传一反”为核心的现代格局。冶金反应工程的特点是在宏观动力学的基础上更多地考虑操作条件和反应器，主要内容有：反应器内的基本现象；反应器的比拟放大设计；过程的最优化；反应器动态特性；冶金过程的数学、物理模拟。,（7）冶金单元（操作）设计单元操作的概念首先出现于化学工程领域，在本世纪二、三十年代，化工界已认识到在许多不同的工业生产过程中有着共同的加工步骤，其中以物理过程为主的被称为单元操作，单元操作的认识和研究在历史上对化工和其他工业的发展曾起了积极的推动作用。与此相类似，化工中将以化学变化为主的作业称之为单元程序。根据这种观点，可将化工过程视为一连串的单元操作和单元程序的协调配合，原料经此而转化为产品。这种观点用于对冶金过程的认识显然也非常富有启发性：将复杂的冶金工程问题归纳成若干个有共性的单元过程或单元操作来讨论，国内已有这方面的译著和专著。,（8）冶金系统工程冶金系统工程是应用系统工程的观点、原理和方法来研究、阐述和处理冶金工程。冶金工程本身是一类客观存在的工程实体，是一类过程系统。这样的体系具有众多的变量，变量之间的关系又非常复杂，无论是用化学的方法、物理化学的方法，或物理的方法都实在难以给出恰当的描述，而采用系统工程的方法可能更能接近其本来的面目。实际上，在冶金工程中人们一直在大量地、经常地使用着系统工程的观念和方法，只是尚未提炼和归纳给出明确的理论体系。比如合理的工艺流程是冶金工作者始终关心着的一个根本性问题，这实际上是一个系统设计问题。如下图给出的20年来典型的粗钢生产工艺流程的变化：原料和产品都无明显差异，工艺流程却发生了很大的变化，结果系统的品质大大提高。,20年来典型的钢铁生产工艺流程的变化（a）以往的工艺流程；（b）现代工艺流程,过程工业与过程系统,钢铁生产属于过程工业原料经一系列的单元工序被加工成合格产品的工业，其中包括能量的转换。过程系统处理物流或能量流的人造目的系统，即实现物质或能量转换的工业系统。另一种说法可以是：由被加工的物流或能量流经过的诸单元工序所构成的系统称为过程系统，与之相应的是过程工业。,冶金工程系统构成物流：矿、风、水、电、气能量（流）信息流财务（资金流）,冶金工程的过程系统特征过程工业和制造工业工业：大规模制造、可重复、稳定的进行（不希望变异）过程工业：ProcessIndustry化工、石油、冶金、电力、建材、核能等行业。制造工业：ProductsIndustry汽车、家电、电子国民经济中的前几名一般都是过程工业行业。,过程工业制造工业（1）原料：自然资源过程工业的产品（2）产品：供给制造工业人类使用、市场（3）生产过程：连续、半连续分散、单件（4）物理、化学变化机械加工，外形物理变化（5）放大规模生产Scale-up生产线（6）污染重、能耗大、负荷大环境、负荷轻,过程工业和制造工业的特点,单元操作：以物理手段蒸馏、筛分传输现象（三传）传动量传热（能量）传质（物质）单元程序：以化学反应反应工程（物理、化学过程都有）反应器“三传一反（具体的专业生产如炼铁、炼钢过程）”过程工业的认识,过程系统过程系统工程定义：处理物质流/能量流的系统。过程工业：原料经过一系列单元工序转化为产品的工业。如下图的钢铁生产工艺流程：,钢铁生产工艺流程,冶金学发展的四条纵线：（1）化学过程，物理的渗入；（2）数学方法的近代化；（3）变量个数的增多；（4）从微观走向宏观。冶金学的划分：第一个时代：初期的冶金学，即早期的化学冶金；第二个时代：经典的冶金学，化学的冶金学；第三个时代：近代的冶金学；第四个时代：未来的冶金学，系统的冶金学。,课程概介-1,课程的地位：是冶金与材料科学的重要分支，是冶金与材料科学的基础。课程的研究内容：冶金热力学、冶金动力学、冶金反应工程学、冶金熔体理论、冶金与固体电化学、材料物理化学、计算冶金物理化学。冶金物理化学的发展：起始于20世纪20-30年代；发展于20世纪40-70年代；深化于20世纪70年代后期，代表性的成果有探头技术、冶金热力学数据库、专家系统、计算冶金物理化学。,课程概介-2,我国冶金物理化学的发展：（1）多金属矿综合利用，钒钛磁铁矿、稀土矿、多金属镍矿等；（2）冶金热力学，多元热力学模型；（3）冶金短流程；（4）材料物理化学，氧化物与非氧化物复合材料；（5）二次资源综合利用。,课程概介-3,今后的发展方向：（1）复杂难分离金属矿的综合利用；（2）采选冶-材料一体话新工艺、新流程；（3）二次资源综合利用和冶金环保；（4）计算冶金与材料物理化学；（5）外场作用下、临界与超临界物理化学；,课程的内容结构,冶金反应焓变计算及应用（2人）吉布斯自由能的计算与应用（2人）氧势图：埃林汉(Ellingham)