冶金原理绪论

1、.冶 金 原 理（Theory of Metallurgy）Hebei Polytechnic UniversitySchool of Metallurgy and Energy.内容大纲一、冶金原理的主要内容二、冶金原理的地位和作用三、冶金原理的局限性Hebei Polytechnic University.一、冶金原理的主要内容Hebei Polytechnic University 在冶金中，应用物理化学的原理和方法来研究冶金过程原理的科学就称为冶金物理化学。冶金物理化学又称冶金过程物理化学、冶金过程理论、冶金过程热力学及动力学、冶金原理冶金物理化学冶金物理化学(Physical Che

2、mistry of Metallurgy)(Physical Chemistry of Metallurgy).一、冶金原理的主要内容冶 金 原 理冶金过程热力学冶金过程动力学冶金熔体冶金熔渣金属熔体.一、冶金原理的主要内容冶金过程热力学(Thermodynamics of Process Metallurgy)(Thermodynamics of Process Metallurgy) 利用化学热力学的原理研究冶金反应过程的可能性（方向）及反应达到平衡的条件，以及在该条件下反应物能达到的最大产出率，确定控制反应过程的参数（温度、压力、浓度及添加剂的选择）。.一、冶金原理的主要内容热力学涉及三

3、个问题1、如何判断反应进行的方向？2、反应的产率如何计算？3、如何控制反应？.一、冶金原理的主要内容1、如何判断反应进行的方向？G（化学反应的吉布斯自有能变化量）数 值： GG(产物)-G(反应物)物理化学意义：-G为反应正向进行的驱动力G 0：反应逆向进行G0：反应达到平衡.一、冶金原理的主要内容1、如何判断反应进行的方向？G的计算 Gm=f（T，P，a）化学反应等温方程式JRTGGmrmrln 式中： f(T)；J为产物活度和压力的乘积与反应物活度和压力乘积的比值。mrG.一、冶金原理的主要内容2、如何控制反应？ rGm=f（T，P，a）控制反应的手段改变反应体系温度改变反应体系压力改变产

4、物活度改变反应物活度.一、冶金原理的主要内容3、如何计算反应的产率？JRTGGmrmrln K（化学反应平衡常数）rG0时反应达到平衡，此时的J即为反应的K 不考虑活度影响，K可近似理解为反应物浓度产物浓度.一、冶金原理的主要内容冶金过程动力学(Kinetic of Process Metallurgy)(Kinetic of Process Metallurgy) 利用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。 .化学过程物理过程（基元反应）一、冶金原理的主要内容冶金反应动

5、力学研究步骤冶金反应动力学研究步骤实现冶金目的调节参数反应限制性环节基元反应速率化学反应过程分析机理研究调节速率.一、冶金原理的主要内容反应物传质典型气固反应基元过程反应物表面吸附界面化学反应产物表面脱附产物传质调整参数、提高反应速率气固反应动力学研究过程气固反应动力学研究过程确定反应速率的限制性环节.一、冶金原理的主要内容冶 金 熔 体(Metallurgical Melt(Metallurgical Melt ) ) 冶金熔体都是混合物； 冶金熔体参与冶金化学反应，同时是产品。铁液、钢液还原渣、氧化渣、富集渣、合成渣冶金熔渣金属熔体.二、冶金原理的地位和作用三大专业基础课承上启下冶冶金金传

6、传输输原原理理冶冶金金原原理理金金属属学学物理化学专业课. 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； 选择合适的冶炼条件（温度、气氛）。作 用二、冶金原理的地位和作用.钢铁冶金工艺过程二、冶金原理的地位和作用烧结烧结/球团矿球团矿热轧机热轧机烧结烧结/球团球团 转炉煤气转炉煤气铁水铁水连铸机连铸机焦炉焦炉热热风风炉炉高炉高炉转炉转炉焦炭焦炭加热炉加热炉高炉渣高炉渣钢渣钢渣焦炉煤焦炉煤气气钢水钢水铸坯铸坯钢材钢材热风热风高炉煤气高炉煤气熔剂熔剂熔剂熔剂废钢废钢原原料料炼炼铁铁炼炼钢钢连连铸铸轧轧钢钢.二、冶金原理的地位和作用烧结机烧结机 冶金原理在烧结工艺中的

7、应用冶金原理在烧结工艺中的应用铁精粉进行烧结的目的液相如何生成？氧化物熔点高烧结温度低提高烧结矿强度，需要提高粘结相含量矛盾.二、冶金原理的地位和作用冶金原理在烧结工艺中的应用冶金原理在烧结工艺中的应用化合物熔点/化合物熔点/ 化合物熔点/CaO26003CaOSiO220652FeOSiO21205MgO28003CaO2SiO21485MnOSiO21285SiO21713CaOFeOSiO212052MnOSiO21345FeO1370Fe2O3SiO21217CaOMnOSiO21700Fe2O31457MgOAl2O321353CaOP2O51800MnO1783MgOSiO2155

8、7CaOFe2O31220Al2O320502MgOSiO218902CaOFe2O31420CaF21418CaOMgOSiO21390CaO2Fe2O31240CaOSiO215503CaOMgO2SiO21550CaO2FeOSiO212052CaOSiO221302CaOMgO2SiO21450CaOCaF21400常见氧化物的熔点促使低熔点复杂氧化物的生成！.二、冶金原理的地位和作用冶金原理在炼铁工艺中的应用冶金原理在炼铁工艺中的应用炉顶煤气成分炉渣炉渣高炉高炉热风热风高炉煤气高炉煤气熔剂熔剂烧结烧结/球团矿球团矿焦炭焦炭铁水铁水N250、 CO（2025）、CO2（2217），少量

9、H2、CH4；CO+CO2（4244）CO为还原剂，也是重要的热源，另一方面CO属于有毒气体，希望能够在炉内100%消耗。无法实现的原因：存在化学平衡。CO2+C(s)=2CO)(22TfppKCOCO.二、冶金原理的地位和作用冶金原理在炼铁工艺中的应用冶金原理在炼铁工艺中的应用 铁水中含C、Si、Mn、P、S，是否含有Al、Ca？炉渣炉渣高炉高炉热风热风高炉煤气高炉煤气熔剂熔剂烧结烧结/球团矿球团矿焦炭焦炭铁水铁水1）P2O5、FeO、CuO等全部被还原；2）SiO2、TiO2等难还原，50%被还原；3）Al2O3、MgO、CaO等不能被还原。 氧化物的氧势线越低，氧化物越稳定，越不容易被还

10、原。氧化物的稳定性.二、冶金原理的地位和作用冶金原理在炼铁工艺中的应用冶金原理在炼铁工艺中的应用 与转炉炼钢相比，高炉炼铁工艺更适于脱硫，为什么？炉渣炉渣高炉高炉热风热风高炉煤气高炉煤气熔剂熔剂烧结烧结/球团矿球团矿焦炭焦炭铁水铁水1）高温脱硫吸热；2）高碱度渣中O2-含量高；3）低w(FeO)还原渣；4）金属液中fS高S活度高。高温、低w(FeO)、 fS高(C、Si、P含量高)。适于脱硫的热力学条件.二、冶金原理的地位和作用冶金原理在炼钢工艺中的应用冶金原理在炼钢工艺中的应用 炼钢前期，P、Si、Mn氧化，C不被氧化，为什么？转炉煤气转炉煤气铁水铁水转炉转炉钢渣钢渣钢水钢水熔剂熔剂废钢废钢

11、选择性氧化1）低温，P、Si、Mn氧势线低；2）高温，C氧势线低。C氧势线斜率向下，存在氧化还原转化温度T转。.二、冶金原理的地位和作用冶金原理在炼钢工艺中的应用冶金原理在炼钢工艺中的应用 出钢温度高，钢液wO高？转炉煤气转炉煤气铁水铁水转炉转炉钢渣钢渣钢水钢水熔剂熔剂废钢废钢碳氧浓度积温度越高，K越小，m越大，wO越高；压力越大，pCO越大，m越大。KpOwCwmCOC+O=CO.二、冶金原理的地位和作用冶金原理在连铸工艺中的应用冶金原理在连铸工艺中的应用 冶炼高碳钢，铸坯出现气孔的可能性大，为什么？连铸机连铸机钢水钢水铸坯铸坯碳氧浓度积 随钢液和铸坯的冷却，温度降低，K降低，m降低，CO析

12、出。KpOwCwmCOC+O=CO.二、冶金原理的地位和作用钢铁（火法）冶金的特点钢铁（火法）冶金的特点“一高三多”多多相相体体系系高高温温多多组组元元多多相相反反应应.二、冶金原理的地位和作用钢铁（火法）冶金的特点钢铁（火法）冶金的特点多多相相体体系系 高炉炉缸：g-s-l（煤气焦炭铁液） 高炉块状带：g-s（煤气矿石） 转炉吹炼：g-l-l（炉气-渣液-钢液） 精炼吹氩：g-l（氩气-钢液） 浇铸：l-s（钢液-坯壳）.二、冶金原理的地位和作用钢铁（火法）冶金的特点钢铁（火法）冶金的特点多多组组元元 高炉煤气：CO、CO2、N2等 铁液：Fe、C、Si、Mn、P、S等 高炉渣：CaO、SiO2、Al2O3等 转炉渣： CaO、SiO2、FeO等 钢液：Fe，Mn、Ti、Nb等合金元素.二、冶金原理的地位和作用钢铁（火法）冶金的特点钢铁（火法）冶金的特点多多相相反反应应C(s)+FeO(s)=Fe+CO反应速度慢 两个气固反应相互促进高温利于脱碳，但不利于脱磷“去碳保铬”需要高温、真空和加镍相相互互促促进进相相互互制制约约CO+FeO(s)=Fe+CO2CO2+C(s)=2CO.三、冶金