热力学在冶金中的应用ppt课件

1、4. 热力学在冶金中的运用热力学在冶金中的运用 4.1 4.1 最高反响温度实际温度计算最高反响温度实际温度计算 4.2 4.2 炼钢过程中元素氧化发热才干计算炼钢过程中元素氧化发热才干计算 4.3 4.3 选择性氧化选择性氧化奥氏体不锈钢的去碳保铬奥氏体不锈钢的去碳保铬4.4 4.4 选择性复原选择性复原从红土矿中提取钴和镍从红土矿中提取钴和镍 研讨化学反响、溶液生成，物态变化如晶型转变研讨化学反响、溶液生成，物态变化如晶型转变 、熔化或、熔化或蒸发等以及其他物理变化和化学过程产生热效应的内容，蒸发等以及其他物理变化和化学过程产生热效应的内容，称为热化学。冶金反响焓变的计算实践上是冶金热化学

2、的主称为热化学。冶金反响焓变的计算实践上是冶金热化学的主要内容。要内容。 4.1 最高反响温度实际温度计算最高反响温度实际温度计算冶金反响焓变及规范自在能变化计算冶金反响焓变及规范自在能变化计算 高炉炼铁以及电炉、闪速炉熔炼铜锍为半自热熔炼，其热量来源既有物理高炉炼铁以及电炉、闪速炉熔炼铜锍为半自热熔炼，其热量来源既有物理热，又有化学热；电炉炼钢那么需求电能转变为热能，而转炉炼钢、吹炼热，又有化学热；电炉炼钢那么需求电能转变为热能，而转炉炼钢、吹炼铜锍、镍锍那么为自热熔炼，主要的热源是化学热。以氧气顶吹转炉炼钢铜锍、镍锍那么为自热熔炼，主要的热源是化学热。以氧气顶吹转炉炼钢为例，把为例，把0的

3、铁水升温到的铁水升温到1650，主要依赖于铁水中的，主要依赖于铁水中的Si 、Mn 、C等元素氧化反响放热；即由化学能转变成热能。要控制氧气顶吹转炉等元素氧化反响放热；即由化学能转变成热能。要控制氧气顶吹转炉的温度，需求进展冶金热化学计算热平衡计算，温度偏高加降温剂，的温度，需求进展冶金热化学计算热平衡计算，温度偏高加降温剂，如废钢等；温度偏低那么要参与提温剂，如硅铁等，以到达控制冶炼过程如废钢等；温度偏低那么要参与提温剂，如硅铁等，以到达控制冶炼过程的目的。总之，金属的提取过程普通都伴有吸热或放热景象。因此，计算的目的。总之，金属的提取过程普通都伴有吸热或放热景象。因此，计算冶金反响焓变，不

4、仅有实际意义，还有实践意义冶金反响焓变，不仅有实际意义，还有实践意义 。焓变计算方法焓变计算方法 物理热的计算物理热的计算: 纯物质的焓变计算，一是利用热容；二是运用相对焓。纯物质的焓变计算，一是利用热容；二是运用相对焓。1. 用恒压热容计算纯物质的焓变用恒压热容计算纯物质的焓变: 对于成分不变的均相体系，在等压过程中的热容称为定压对于成分不变的均相体系，在等压过程中的热容称为定压热容热容Cp，在等容过程中的热容称为定容热容，在等容过程中的热容称为定容热容Cv. ppTHC）（dTCHTTp21当物质在加热过程中发生相变时当物质在加热过程中发生相变时: 21) s (tr) s (TTpTTp

5、trtrdTCHdTCH将固态将固态1mol某纯物质在恒压下由某纯物质在恒压下由298K加热到温度加热到温度T时，经液时，经液态变为气态，其所需的全部热量的计算式为态变为气态，其所需的全部热量的计算式为: rtTTTlHdTCHdTCHtmr298msm(s)p,mtrm(s)p,mBMm(g)p,mg)(mp,TTTTllBdTCHdTCtrT、MT、BT分别为晶型转变温度、熔点和沸点；mtrH、msHl 、fusHm、mgHl分别为摩尔晶型转变焓、摩尔熔化焓和摩尔蒸发焓，Cp,m(s)、Cp,m(l)和 Cp,m(g)分别为固、液、气态下物质的恒压摩尔热容。 利用摩尔标准相对焓（298,m

6、m,HHT）计算纯物质的焓变 2.在绝大多数情况下，量热给出了纯物质在在绝大多数情况下，量热给出了纯物质在298K时的热化学常数时的热化学常数 TpTdTCHH298m,298,m,m称为摩尔规范相对焓，即一摩尔物质在常压下从称为摩尔规范相对焓，即一摩尔物质在常压下从298K加热到加热到K时所吸收的热量。时所吸收的热量。假设物质的量为假设物质的量为n摩尔，其相对焓为摩尔，其相对焓为 n298,m,mHHTTpdTCn298m, 假设该物质在所研讨的温度下为固体，且有固态相变，那么相对焓假设该物质在所研讨的温度下为固体，且有固态相变，那么相对焓298,m,mHHTtrt298m(s),mtr)m

7、(s,TTTpprdTCHdTC 假设在所研讨温度下该物质为液态，那么相对焓假设在所研讨温度下该物质为液态，那么相对焓298,m,mHHTtrTTTlppHdTCHdTC298ms)m(s,mtr)m(s,Mtr TTlpdTCtr)(m,假设在所研讨温度下该物质为气态，那么相对焓为假设在所研讨温度下该物质为气态，那么相对焓为 298,m,mHHTtrMtr298ms)m(s,mtrm(s),TTTlppHdTCHdTCTTplTTlpdTCHdTCBBM)m(g,mg)m(,4.1 最高反响温度实际温度计算最高反响温度实际温度计算利用基尔霍夫公式计算化学反响焓变，前提是反响物与生成利用基尔霍

8、夫公式计算化学反响焓变，前提是反响物与生成物的温度一样，为了使化学反响温度坚持恒定，过程放出的物的温度一样，为了使化学反响温度坚持恒定，过程放出的热要及时散出；对吸热反响那么必需及时供应热量。热要及时散出；对吸热反响那么必需及时供应热量。假设化学反响在绝热条件下进展，或因反响进展得快，过程假设化学反响在绝热条件下进展，或因反响进展得快，过程所放出的热量不能及时传出，此时也可视为绝热过程。所放出的热量不能及时传出，此时也可视为绝热过程。对于放热反响，生成物将吸收过程发出的热，使本身温度高对于放热反响，生成物将吸收过程发出的热，使本身温度高于反响温度。假设知反响的焓变，以及生成物热容随温度变于反响

9、温度。假设知反响的焓变，以及生成物热容随温度变化的规律，即可计算该体系的最终温度，该温度称为最高反化的规律，即可计算该体系的最终温度，该温度称为最高反响温度又叫实际最高反响温度。响温度又叫实际最高反响温度。绝热过程是理想过程，实践上和环境发生能量交换总是不可绝热过程是理想过程，实践上和环境发生能量交换总是不可防止的。因此，反响所能到达的实践温度总是低于实际最高防止的。因此，反响所能到达的实践温度总是低于实际最高温度。温度。 计算放热反响的实际最高温度，实践上是非等温过程焓变计算放热反响的实际最高温度，实践上是非等温过程焓变的计算。的计算。普通假定反响按化学计量比发生，反响终了时反响器中不普通假

10、定反响按化学计量比发生，反响终了时反响器中不再有反响物。再有反响物。可以为反响热全部用于加热生成物，使生成物温度升高。可以为反响热全部用于加热生成物，使生成物温度升高。实标上，反响终了时总还残留未反响的反响物。因此，也实标上，反响终了时总还残留未反响的反响物。因此，也证明了实践能到达的温度比实际最高温度要低。证明了实践能到达的温度比实际最高温度要低。例题：例题： 镁复原制钛的总反响为镁复原制钛的总反响为TiCl4 (g)+2Mg(s)=Ti(s)+2MgCl2 (s) 1当反响在当反响在298K、恒压下发生；、恒压下发生；2当反响物当反响物TiCl4和和Mg分别预热至分别预热至1000K，再使

11、，再使它们接触发生反响。它们接触发生反响。试用第一节的数据表，用试算法计算最高反响温度。试用第一节的数据表，用试算法计算最高反响温度。解解 1计算反响计算反响 TiCl4 (g)+2Mg(s)=Ti(s)+2MgCl2 (s) 在在298K发生反响时，所能到达的最高温度。发生反响时，所能到达的最高温度。该反应在 298K 时的反应焓为298rH519.65kJ。 此反响全部用于加热生成物此反响全部用于加热生成物TiTi和和MgCl2MgCl2，使其温度升至，使其温度升至TKTK，运用实际热平衡方程得，运用实际热平衡方程得: :由相对焓定义式积分可得到各纯物质的相对焓。由相对焓定义式积分可得到各

12、纯物质的相对焓。钛的相对焓计算如下：钛的相对焓计算如下：70501015. 513.22)(23Ti298m,m,TTHHaT(2981155K) 当T1155K 时，Tia转变成Ti，4140mtr H1molJ 25360m,298m,1155HH1molJ 23Tim,298m,1095. 383.191320)(TTHHT (11551933K) 当T1933K 时，Ti熔化，18620ms Hl J mol1 54430m,298m,1933HH J mol1 THHlT56.354300)()Ti(298,m,m (19333575K) MgCl2的相对焓计算如下：的相对焓计算如下

13、：1523(s)MgClm,298m,1062. 81097. 210.7926720)(2TTTHHT298987K当T987K时 55100m,298m,987HH J mol1 THHlT47.926930)()(MgClm,298m,2 9841691K 163290m,298m,1691HH J mol1 当T1691K 时， 1523(g)MgClm,298,m1031. 51015. 061.57221360)(2TTTHHT16912000K计算生成物相对焓之和：计算生成物相对焓之和： 2MgClm,298m,Tim,298m,298m,m,2)(）（）（生成物HHHHHHvT

14、TiTi1523,m,298m,1024.171011.0729.18060480)(TTTHHviTi生成物当当T=298987K 当T987K 时，129980)(,m,298m,生成物iTiHHv J mol1 当当T= 9871155K 23,m,298m,1013. 507.2076800)(TTHHviTi生成物当T1155K 时，252800)(,m,298m,1155生成物iiHHv J mol1 23,m,298m,1095. 377.20415170)(TTHHviTi生成物当当T=11551691K 当T1691K 时，372730)(,m,298m,1691生成物iiH

15、Hv J mol1 1523,m,298m,1063.101025. 406.135444040)(TTTHHviTi生成物当当T=16911933K 当T1691K 时，685190)(,m,298m,1691生成物iiHHv1molJ 由上述计算可以看出，298K 时 Mg（s）还原 TiCl4（g） ，反应放出的热量（519.65kJ）大于加热生成物 2MgCl2(l)和Ti到 1691K 所吸收的热量 （372.73kJ） ， 但小于加热生成物Ti和 2MgCl2(g)到 1691K 气化所需吸收的热量（685.19kJ） 。因此，最高反应温度介于MgCl2液态与气化温度之间，即生成物

16、的最终温度为 1691K。 1691)73.37265.519(73.37219.68516911691maxT用内插法阐明用内插法阐明 =1691K2 计算当计算当TiCl4(g)和和Mg均预热到均预热到1000K，再使其接，再使其接触引发反响，所能到达的最高反响温度触引发反响，所能到达的最高反响温度Mgm,298m,1000TiClm,298m,1000,m,298m,1000)(2)()(4HHHHHHvii反应物=131.271molkJ 2MgClm,298m,Tim,298m,m,298m,)(2)()(HHHHHHvTTiTi生成物=131.27+519.65=650.931mo

17、lkJ 用试差法计算最高反响温度。用试差法计算最高反响温度。假设生成物加热至假设生成物加热至T=1600K时，那么时，那么 2MgClm,298m,1600Tim,298m,1600)(2)(HHHH353.061molkJ，此值小于 650.931molkJ 假设生成物加热至假设生成物加热至T=1700K时，那么时，那么 2MgClm,298m,1700Tim,298m,1700)(2)(HHHH686.541molkJ，此值大于 650.931molkJ 因此，生成物的最高反响温必定在因此，生成物的最高反响温必定在16001700K之间，之间，用内插法计算此温度：用内插法计算此温度： Tm

18、ax=)16001700(06.35354.68606.35393.650+1600 =1689 K 镁热复原镁热复原TiCl4制取海绵钛的反响，假设不排出余热，反响制取海绵钛的反响，假设不排出余热，反响所能到达的最高实际温度已接近所能到达的最高实际温度已接近MgCl2的沸点的沸点1691K，远超越了远超越了Mg的沸点。的沸点。反响开场后，排出余热是控制工艺过程的重要条件之一。反响开场后，排出余热是控制工艺过程的重要条件之一。在消费实际中，镁热复原在消费实际中，镁热复原TiCl4工艺通常控制在工艺通常控制在900左右，左右，防止了镁的蒸发和高温下防止了镁的蒸发和高温下Ti与反响器作用生成与反响

19、器作用生成Fe-Ti合金。合金。氧气转炉炼钢过程所需的热量来源氧气转炉炼钢过程所需的热量来源:(1) 参与转炉内参与转炉内0左右的铁水带来的物理热左右的铁水带来的物理热(2) 主要是在吹炼过程中，铁水中各元素主要是在吹炼过程中，铁水中各元素C、Si、Mn、P、Fe等氧化反响放出的化学热。等氧化反响放出的化学热。虽然炉渣、炉气、炉衬等升温耗费一定热量，但过程产生虽然炉渣、炉气、炉衬等升温耗费一定热量，但过程产生的化学热仍过剩。因此，在氧气转炉炼钢过程中要参与冷的化学热仍过剩。因此，在氧气转炉炼钢过程中要参与冷却剂，借以耗费多余的热量。却剂，借以耗费多余的热量。 4.2 炼钢过程中元素氧化发热才干

20、计算炼钢过程中元素氧化发热才干计算例题例题1-4 要计算铁水的总化学热，必需了解各元素氧化要计算铁水的总化学热，必需了解各元素氧化发热才干。当转炉开吹后，吹入发热才干。当转炉开吹后，吹入298K的氧，溶解在铁水的氧，溶解在铁水中中Si、Mn优先氧化，并释放化学热，使铁水温优先氧化，并释放化学热，使铁水温度升高。当炉温到达度升高。当炉温到达1400左右时，大量溶解在铁水当左右时，大量溶解在铁水当中的中的C开场氧化，约开场氧化，约90的的C被氧化成被氧化成CO，10被氧化成被氧化成CO2。现以。现以C氧化成氧化成CO为例，计算当铁为例，计算当铁水中碳由水中碳由wC为为1降至降至0.1将使炼钢熔池温

21、度升高多将使炼钢熔池温度升高多少度少度?并计算添加废钢的冷却效果。并计算添加废钢的冷却效果。解解: 该问题属非等温条件下焓变的计算该问题属非等温条件下焓变的计算(1) 计算计算C氧化放出的热量氧化放出的热量1673298 21673COO21Cr H 1H 1673C 3H 4H 2H 829298r298 2298COO21C H4298r21rHHHHH由热力学数据表查得：1H21.34kJ；用表中 1400K、1800K 的数据，以线性内插求出2H27.57kJ；3H0；298rH110.46kJ； 用线性内插法求出4H45.06kJ。将这些数据代入上式计算得 Hr114.31kJ。 将

22、 1molC氧化放热量折合成 1kgC的放热量H 83.952512100031.114H kJ (2) 计算氧化计算氧化1C时，炼钢熔池温升值时，炼钢熔池温升值 碳氧化所产生的化学热不仅使钢水升温， 而且也使炉渣、 炉衬同时升温。 通常， 渣量 （Qsl）约为钢水量（Qst）的 15，被熔池加热部分炉衬（frQ）约为钢水量的 10，并忽略其他的热损失。 已知：钢水比定压热容cp, st=0.84kg)kJ/(K，渣与炉衬比定压热容cp,sl, fr =1.23 kg)kJ/(K，热平衡方程为 HQstcp,stT+( Qsl+ Qfr) cp,sl,frT将有关数据代入上式, 得 T84K,

23、 即氧化1C可使炼钢熔池的温度升高84度。因此，碳氧化使wC 由1%降至0.1，可使熔池温度升高8.4度。 (3) 计算冷却剂的冷却效应计算冷却剂的冷却效应冷却剂通常有废钢、矿石、氧化铁皮等。冷却效应是指加入 1kg 冷却剂后，在熔池内能吸收的热量。 下面计算加入 1kg、 298K 的废钢升温到炼钢温度 1873K 所吸收的热量 （H） 。 巳知：废钢的比定压热容 cp, scr0.699kg)kJ/(K ；钢水比定压热容 cp,st0.837 kg)kJ/(K ，废钢在 1773K 熔化，其熔化焓MfusH271.96 kJ。 吸收热量吸收热量 )()298(Mst,MfusMscr,TT

24、cHTcHppH1386.69kJ 4.3 选择性氧化选择性氧化奥氏体不锈钢的去碳保铬奥氏体不锈钢的去碳保铬奥氏体不锈钢是一种重要的金属资料，其特点是具有良好的奥氏体不锈钢是一种重要的金属资料，其特点是具有良好的抗晶间腐蚀才干。其含碳量越低，抗腐蚀才干越强。抗晶间腐蚀才干。其含碳量越低，抗腐蚀才干越强。奥氏体不锈钢的普通钢号为奥氏体不锈钢的普通钢号为1Cr18Ni9Ti，即，即，C0.12%，Cr17%19%，Ni8%9.5%，Mn1%2%，S0.02%，P0.035%。钢号为钢号为0Cr18Ni9的不锈钢，的不锈钢，C0.08%。对于超低碳优质不锈钢，对于超低碳优质不锈钢，C0.02%。 第

25、一个阶段第一个阶段配料熔化法配料熔化法1926年上一世纪年上一世纪40年代年代 方法特点就是运用各种低碳原料，如工业纯铁、方法特点就是运用各种低碳原料，如工业纯铁、纯镍、低碳铬铁及低碳废钢等。按钢号要求事先纯镍、低碳铬铁及低碳废钢等。按钢号要求事先配好料，然后在电炉内熔化消费不锈钢。所以该配好料，然后在电炉内熔化消费不锈钢。所以该法在电炉中只是个单纯的熔化过程。法在电炉中只是个单纯的熔化过程。 由于在熔化过程中，电极会向熔池渗碳，因此必需运用低碳由于在熔化过程中，电极会向熔池渗碳，因此必需运用低碳原料。配料熔化法存在如下两个主要问题原料。配料熔化法存在如下两个主要问题: 1不能运用不锈钢前往料

26、。不锈钢消费中会产生大约不能运用不锈钢前往料。不锈钢消费中会产生大约30%50%的前往料。的前往料。假设运用这些前往料，那么由于熔化过程中，电极会向熔池渗假设运用这些前往料，那么由于熔化过程中，电极会向熔池渗碳碳0.08%左右，因此将呵斥钢水中含碳量超标。左右，因此将呵斥钢水中含碳量超标。2假设运用前往料，不能用铁矿石氧化去碳。假设运用前往料，不能用铁矿石氧化去碳。在当时，吹氧氧化去碳技术还未产生，氧化剂主要是铁矿在当时，吹氧氧化去碳技术还未产生，氧化剂主要是铁矿石。然而，假想象运用前往料，用铁矿石作氧化剂，只会石。然而，假想象运用前往料，用铁矿石作氧化剂，只会呵斥铬的大量氧化，而碳并不氧化，

27、从而达不到去碳保铬呵斥铬的大量氧化，而碳并不氧化，从而达不到去碳保铬的目的。的目的。?第二个阶段第二个阶段前往吹氧法前往吹氧法1939年年 该法在该法在1939年由美国发明，称为不锈钢冶炼史的年由美国发明，称为不锈钢冶炼史的一次革命。该法的优点是可以运用前往料，并经一次革命。该法的优点是可以运用前往料，并经过吹氧的方法到达去碳的目的过吹氧的方法到达去碳的目的? 该法同样存在下面两个问题该法同样存在下面两个问题: 1吹氧时，钢水中的吹氧时，钢水中的Cr也要氧化一部分，大约也要氧化一部分，大约2%2.5%，呵斥一定的浪费。呵斥一定的浪费。 2配料时配料时Cr不能一次配足。即，消费不能一次配足。即，

28、消费1Cr18Ni9不锈钢时，不锈钢时，Cr不能一次配到不能一次配到18%，而只能配到，而只能配到12%13%。 ?这样停吹后，由于吹氧损失这样停吹后，由于吹氧损失2%2.5%的的Cr，熔池中含，熔池中含Cr只需只需10%左右。所以必需在氧化期末补加一定量的低碳铬铁，从而左右。所以必需在氧化期末补加一定量的低碳铬铁，从而提高了消费本钱。提高了消费本钱。 第三个阶段第三个阶段高碳真空吹炼法高碳真空吹炼法 60年代开展起来的一种新方法，被称为不锈钢冶炼史上的新年代开展起来的一种新方法，被称为不锈钢冶炼史上的新纪元。纪元。 该工艺具有如下四个特点：该工艺具有如下四个特点： 1原资料不受任何限制，各种

29、高碳资料均可以运用；原资料不受任何限制，各种高碳资料均可以运用；2配料时配料时Cr可以一次配足可以一次配足?3采用真空或半真空吹炼，或者先在常压下吹氧脱碳到采用真空或半真空吹炼，或者先在常压下吹氧脱碳到一定程度后，再进展真空或半真空处置；一定程度后，再进展真空或半真空处置；4钢液中钢液中Cr的回收率高，可达的回收率高，可达97%98% 4.3 选择性氧化选择性氧化奥氏体不锈钢的去碳保铬奥氏体不锈钢的去碳保铬在炼钢温度下碳和铬同时与氧相遇，氧化作用必在炼钢温度下碳和铬同时与氧相遇，氧化作用必有先后。这决议于元素同氧的亲和力的大小，亲有先后。这决议于元素同氧的亲和力的大小，亲和力大的先氧化。按照同

30、氧亲和力大小决议氧化和力大的先氧化。按照同氧亲和力大小决议氧化或复原顺序，这就是选择性氧化和复原实际中心。或复原顺序，这就是选择性氧化和复原实际中心。从埃林汉图可知，吹炼从埃林汉图可知，吹炼温度必需高于氧化转化温度必需高于氧化转化温度，才干使钢水中的温度，才干使钢水中的C氧化而氧化而Cr不氧化，不氧化，也就是可以到达去碳保也就是可以到达去碳保铬的目的。铬的目的。 1473K1). 1). 标态下的氧化顺序标态下的氧化顺序 223ss42CrO =Cr O330-11746840 173.22 J molGT 2s2CO =2CO0-12232630 167.78 J molGT 23 sss2

31、4Cr O+2C=Cr +2CO330-1514210340.79 J molGTG0=0时，时，T1508K(1235C)。( (固态下固态下) )1). 标态下的氧化顺序标态下的氧化顺序 234 s42CrO =Cr O330-11746430223.51 J molGT 22 CO =2CO0-1228117084.18 J molGT 34 s13Cr O+2 C =Cr +2CO220-1465260307.69 J molGTG0=0时，时，T1570K(1297C)。(溶于钢液溶于钢液)2). 2). 非标态下的氧化顺序非标态下的氧化顺序 34 s31Cr +2CO=Cr O+2

32、 C220-1465260307.69 J molGT 非规范态下，碳和铬的氧化顺序由等温方程决议。非规范态下，碳和铬的氧化顺序由等温方程决议。Cr9%Cr9%时，渣中铬氧化物为时，渣中铬氧化物为Cr3O4Cr3O4。所以冶炼不锈钢的反响如下：。所以冶炼不锈钢的反响如下：22C0332022CrCO%Cln%CrfGGRTfpp 非规范形状下，碳和铬的反响决议于温度、非规范形状下，碳和铬的反响决议于温度、C C和和CrCr的含量、的含量、pCOpCO。非标态下氧化转化温度计算非标态下氧化转化温度计算 因为渣中的（Cr3O4）处于饱和状态，所以其活度为 1。Cf和Crf分别按下式计算： lgfC

33、= %NiC%CrC%CCNiCrCwewewe lgfCr=%NiCr%CCr%CrCrNiCCrwewewe rG= )/lg(2Crlg5 . 1Clg2Ni0237. 0Cr0476. 0C46. 014.1940.307464816CO%ppwwwwwTT 吹炼温度必需高于氧化转化温度，才干使钢水中的吹炼温度必需高于氧化转化温度，才干使钢水中的C氧化而氧化而Cr不氧化，也就是可以到达去碳保铬的目的。不氧化，也就是可以到达去碳保铬的目的。 表 C和Cr的氧化转化温度计算结果实 钢水成分 COp Gr（J/mol） 氧化转化温度 例 wCr% wNi% wC% （Pa） TG40.307

34、464816r （） 1 12 9 0.35 101325 -464816+255.15T 1549 2 12 9 0.10 101325 -464816+232.24T 1728 3 12 9 0.05 101325 -464816+220.29T 1837 4 10 9 0.05 101325 -464816+224.05T 1802 5 18 9 0.35 101325 -464816+244.82T 1626 6 18 9 0.10 101325 -464816+221.92T 1821 7 18 9 0.05 101325 -464816+209.79T 1943 8 18 9 0.

35、35 67550 -464816+251.47T 1575 9 18 9 0.05 50662 -464816+221.29T 1827 10 18 9 0.05 20265 -464816+236.63T 1691 11 18 9 0.05 10132 -464816+248.04T 1601 12 18 9 0.02 5066 -464816+244.07T 1631 13 18 9 1.00 101325 -464816+267.98T 1461 14 18 9 4.50 101325 -464816+323.53T 1164 氧气或铁矿石氧化时，钢水升降温的计算：氧气或铁矿石氧化时，钢

36、水升降温的计算： a. 用氧气氧化用氧气氧化1%Cr提高钢水温度的计算提高钢水温度的计算 23Cr+O2（g）=21Cr3O4（s） rG= -746426+223.51T Jmol-1 rH= -746426 J 在含 1%Cr的钢水中，23mol 的Cr被 1mol 的 O2氧化生成21mol Cr3O4时，产生的热为746426 J。 23Cr= 2352 = 78g 所以所以78g wCr 为为1%的钢水中含的钢水中含Fe为为 85.559978=138 mol 吹入的氧气温度为室温。吹入的氧气温度为室温。 表 计算钢水升降温所需数据 Cp（J/Kmol） HT-H298（kJ/mol

37、） kg/mol 1800K 1800K Cr3O4 22010-3 131.80 Fe2O3 159.710-3 158.16 217.07 Cr 5210-3 45.10 Fe 55.8510-3 43.93 C 1210-3 24.89 30.67 CO 2810-3 35.94 O2 3210-3 37.24 51.71 物质 iM Cp（J/Kmol） HT-H298（kJ/mol） kg/mol 1800K 1800K Cr3O4 22010-3 131.80 Fe2O3 159.710-3 158.16 217.07 Cr 5210-3 45.10 Fe 55.8510-3 43

38、.93 C 1210-3 24.89 30.67 CO 2810-3 35.94 O2 3210-3 37.24 51.71 t=（746426-51710）（13843.93+21131.8） t=113 即吹氧氧化即吹氧氧化1%Cr时，可使钢水温度提高时，可使钢水温度提高113。b用氧气氧化用氧气氧化1%C提高钢水温度的计算提高钢水温度的计算 2C+O2g= 2COg rG= -281165-84.18T Jmol-1 rH= -281165 J 24gCw为 1%的钢水中含Fe为 85.559924= 42.6 mol t=（281165-51760）（42.643.93+235.94）

39、 t=118 即氧化即氧化1%C时，可使钢水温度提高时，可使钢水温度提高118。c用铁矿石氧化用铁矿石氧化1%Cr提高钢水温度的计算提高钢水温度的计算 32Fe2O3（s）+2 C=34Fe+2 CO（g） rG = -202506+54.85T Jmol-1 rH= -202506 J t =（202506-32217070）8 .1312193.43)34138( t=8 即用铁矿石氧化即用铁矿石氧化1%Cr时，只能使钢水温度提高时，只能使钢水温度提高8。d用铁矿石氧化用铁矿石氧化1%C提高钢水温度的计算提高钢水温度的计算 32Fe2O3（s）+2 C=34Fe+2 CO（g） rG= 2

40、62755-252.00T Jmol-1 rH= 262755 J 该反响是吸热反响，只能使钢水温度降低。该反响是吸热反响，只能使钢水温度降低。 t=（-262755-32217070）94.35293.43)346 .42( t=-204 即用铁矿石氧化即用铁矿石氧化1%C时，可使钢水温度降低时，可使钢水温度降低204。 (1) 为什么吹氧发明前不能运用不锈钢前往料？即为什为什么吹氧发明前不能运用不锈钢前往料？即为什么用铁矿石作氧化时不能到达去碳保铬的目的？么用铁矿石作氧化时不能到达去碳保铬的目的？ 回答以下回答以下问题问题 如假设运用前往料，将如假设运用前往料，将Cr配到配到12%左右，那

41、么左右，那么wC从从0.35%降到降到0.1%时，吹炼温度必需从时，吹炼温度必需从1549升高到升高到1728。假设使假设使wC再降到再降到0.05%时，吹炼温度必需到达时，吹炼温度必需到达1837。即。即降低降低wC必需在高温下完成，而高温的获得靠的是钢液中必需在高温下完成，而高温的获得靠的是钢液中Cr的氧化。的氧化。当运用铁矿石作氧化剂时，每氧化当运用铁矿石作氧化剂时，每氧化1%Cr只能使钢液温度提只能使钢液温度提高高8，这个温度远远抵消不了氧化，这个温度远远抵消不了氧化0.1%C使钢液降低的温使钢液降低的温度度20.4。参与铁矿石只能大量氧化参与铁矿石只能大量氧化Cr而不能去而不能去C。

42、所以，假设运用前往料，由于电极增碳，用铁矿石氧化又不所以，假设运用前往料，由于电极增碳，用铁矿石氧化又不能去掉所添加的碳，故在吹氧发明前不能运用前往料。能去掉所添加的碳，故在吹氧发明前不能运用前往料。 (2) 为什么吹氧时可运用前往料而不怕增碳？为什么吹氧时可运用前往料而不怕增碳？熔池中的熔池中的wC从从0.35%降到降到0.05%时，熔池温度必需从时，熔池温度必需从1549升至升至1837。为了满足去碳保铬，吹炼温度必需大于。为了满足去碳保铬，吹炼温度必需大于氧化转化温度。氧化转化温度。上述所升高约上述所升高约290，主要靠吹氧氧化钢液中的，主要靠吹氧氧化钢液中的Cr来实现。来实现。由于每氧

43、化由于每氧化1%Cr可使钢水温度升高可使钢水温度升高118，那么氧化约，那么氧化约2%2.5%的的Cr可使钢水温度升高约可使钢水温度升高约236295。wC从从0.35%降至降至0.05%氧化掉氧化掉0.3%，也可使钢水升温约，也可使钢水升温约36。为了运用前往料并到达去碳保铬的目的，必需首先损失掉为了运用前往料并到达去碳保铬的目的，必需首先损失掉2%2.5%的的Cr，以满足，以满足wC降至降至0.05%所需求的所需求的290热。热。当当wC降到要求后，再补加一部分低碳铬铁，使降到要求后，再补加一部分低碳铬铁，使wCr到达到达钢号要求的钢号要求的18%。因此，前往吹氧法吹炼不锈钢时，必需做到因

44、此，前往吹氧法吹炼不锈钢时，必需做到“吹氧提温。吹氧提温。 (3) 为什么在前往吹氧法中，为什么在前往吹氧法中，Cr不能一次配足至不能一次配足至18%， 而只能配到而只能配到12%13%？假设假设wCr一次配足到一次配足到18%，那么当，那么当wC为为0.35%时，开时，开吹温度必需高于吹温度必需高于1626。wC降至降至0.1%时，吹炼温度必需高于时，吹炼温度必需高于1822。wC继续降到继续降到0.05%时，吹炼温度必需高于时，吹炼温度必需高于1943。高的吹炼温度炉衬设备是难以接受的。因此，氧化转化高的吹炼温度炉衬设备是难以接受的。因此，氧化转化温度太高是呵斥温度太高是呵斥Cr不能一次配

45、足的主要缘由。不能一次配足的主要缘由。 (4) 为什么高碳真空吹炼法为什么高碳真空吹炼法Cr可以一次配足？可以一次配足？当一氧化碳分压小于规范压力当一氧化碳分压小于规范压力101325Pa时，氧化转化温度时，氧化转化温度可降低。越小，氧化转化温度越低。可降低。越小，氧化转化温度越低。例如，当例如，当PCO=10132 Pa时，时，wCr =18%、wC =0.05%，氧化转化温度只需氧化转化温度只需1601，这个温度在消费中可以到达的。，这个温度在消费中可以到达的。为了吹炼超低碳不锈钢，如为了吹炼超低碳不锈钢，如wC =0.02%，从实例，从实例12可以看可以看出，当出，当PCO=5066 P

46、a时，氧化转化温度为时，氧化转化温度为1631，仍是可，仍是可行的。因此，采用真空或半真空吹炼，可以将行的。因此，采用真空或半真空吹炼，可以将Cr一次配足。一次配足。当当C含量越高时，氧化转化温度越低。所以，吹炼开场时，含量越高时，氧化转化温度越低。所以，吹炼开场时，可以先在常压下吹氧脱碳。但当可以先在常压下吹氧脱碳。但当wC下降到一定程度时，下降到一定程度时，必需采用真空吹炼。必需采用真空吹炼。 34 s31Cr +2CO=Cr O+2 C2222C0332022CrCO%Cln%CrfGGRTfpp 1). 温度越高，碳含量越低，去碳保铬效果越好；温度越高，碳含量越低，去碳保铬效果越好；2

47、). 获得不同温度下的获得不同温度下的Cr和和C的平衡曲线；的平衡曲线；由图中可知，冶炼不锈钢时，碳由图中可知，冶炼不锈钢时，碳越低那么需求熔池温度越高，而越低那么需求熔池温度越高，而且且Cr要求越高，去碳保铬所需要求越高，去碳保铬所需温度就越高。所以普通是在电炉温度就越高。所以普通是在电炉中为提高温度而先期氧化掉一些中为提高温度而先期氧化掉一些Cr进入熔渣，在去掉进入熔渣，在去掉C后，再将后，再将熔渣中的熔渣中的Cr3O4部分复原回收。部分复原回收。 34 s31Cr +2CO=Cr O+2 C2222C0332022CrCO%Cln%CrfGGRTfpp 3). 对某一定的平衡对某一定的平

48、衡C和和Cr，pCO愈低，转化温度愈低，即吹氧愈低，转化温度愈低，即吹氧温度也愈低，根据这些结果可知，利用真空或半真空技术冶炼温度也愈低，根据这些结果可知，利用真空或半真空技术冶炼高碳金属料没有问题。高碳金属料没有问题。红土矿因以赤铁矿和褐铁矿为主而得名，包括古巴、希腊、阿红土矿因以赤铁矿和褐铁矿为主而得名，包括古巴、希腊、阿尔巴尼亚等产地的红土矿都富含尔巴尼亚等产地的红土矿都富含NiNi、CoCo、CrCr等重要合金元素，等重要合金元素，但无法进入高炉进展冶炼，缘由可以从埃林汉图中得到。但无法进入高炉进展冶炼，缘由可以从埃林汉图中得到。假设将红土矿放假设将红土矿放到高炉内冶炼，到高炉内冶炼，

49、一切的有用元素一切的有用元素NiNi、CoCo、CrCr都将都将进入生铁并且影进入生铁并且影响后面的炼钢过响后面的炼钢过程的成分控制，程的成分控制，所以必需在红土所以必需在红土矿进入高炉以前矿进入高炉以前对对NiNi、CoCo等进展等进展分别。分别。4.4 选择性复原选择性复原从红土矿中提取钴和镍从红土矿中提取钴和镍直接复原与间接复原直接复原与间接复原在高炉内，直接用在高炉内，直接用C C复原的反响称为直接复原，而用复原的反响称为直接复原，而用COCO复原的反复原的反响称为间接复原。响称为间接复原。 ssgsCM OCOMxyyyx 2ssgsCM OCOM22xyyyx 2gsgsCOM O

50、COMxyyyx原矿原矿破碎筛分破碎筛分复原焙烧回转窑或沸腾复原焙烧炉复原焙烧回转窑或沸腾复原焙烧炉惰性气氛下冷却焙砂惰性气氛下冷却焙砂NiNi、CoCo以金属态存在。以金属态存在。红土矿中铁的复原红土矿中铁的复原 铁的复原为逐级复原。即铁的复原为逐级复原。即Fe2O3Fe3O4FeO。 为了提高红土矿中总含铁量，应控制复原条件使为了提高红土矿中总含铁量，应控制复原条件使矿石中的矿石中的Fe2O3复原为复原为FeO，但不能复原成，但不能复原成Fe，以便与曾经复原成以便与曾经复原成Co、Ni等金属分别。等金属分别。关键问题：选择适当的复原温度和复原气相组成。关键问题：选择适当的复原温度和复原气相组成。 绘制绘制CO气体复原氧化铁平衡图气体复原氧化铁平衡图COT 23342sgsg3Fe O+CO2Fe OCO 342sgsgFe O+CO3FeOCO 2sgsgFeO+COFeCO 342sgsg13Fe O+COFeCO44 (1) (2) (3) (4)r1G=-26520-57.03T Jmol-1 r2G=35120-41.55T Jmol-1 r3G= -17500+21.00T Jmol-1 r4G= 0.17T Jmol-1 17. 21834lg2TK10. 1914lg3TK009. 0lg4K lgK= 98. 21440T 如何作出氧化铁复原的平衡图？如何