冶金物理化学 教学大纲

PAGEPAGE91课程教学大纲《冶金物理化学》课程编号：020401开课院系：冶金与生态工程学院课程类别：必修适用专业：冶金工程课内总学时：64学分：6先修课程：物理化学，冶金传输原理执笔：郭汉杰审阅：郭兴敏，宋波一、课程教学目的1．本课程是冶金工程专业本课生必修课程，是一门重点介绍冶金物理化学基本概念、基本原理以及在冶金过程中应用的专业基础课。2．通过本课程的学习使学生掌握冶金热力学、冶金动力学的基本原理。学会运用这些原理分析和解决生产中出现的新问题；不断地改造旧工艺，创造新工艺，降低生产消耗，提高生产率；不断地向相关学科渗透，扩大冶金物理化学的研究领域。3.通过本课程的学习，使学生掌握冶金物理化学基本的实验技能，对冶金中的问题，利用冶金物理化学基础和其他专业知识综合的研究方法。二、课程教学基本要求1．课程重点：热力学基本定理在冶金中应用及标准吉布斯自由能的计算方法；Elingham图的应用；溶液（包括铁液与渣液的活度与活度系数、Wagner模型、分子理论与离子理论模型、标准溶解自由能等）。扩散与传质的基本理论；三个典型的冶金动力学模型（气固相反应动力学、气液相反应动力学、液液相反应动力学）。2．课程难点：活度的概念及活度标准态的选择；不同标准态活度及活度系数之间关系；相图的基本规则（邻接；相界限构筑；二次体系副分；切线；阿尔克马德；零变点）；含有一个不稳定二元化合物的三元系相图的冷却过程分析；气泡在均相与非均相形核、气泡长大与上升动力学机理；液液反应动力学的双膜理论的应用；不同控速条件的气固反应动力学的未反应核模型。解决办法1）充分发挥优质教师资源，让具有丰富教学经验的国内外著名学者周国治院士给学生讲绪论，除全面介绍冶金物理化学的发展及如何在冶金中的应用外，重点指导学生如何学习冶金物理化学，学会解决冶金物理化学中难点问题的方法。2）对于重点与难点，教师通过举例子、通俗化、强调、比较等手段使学生能够完全掌握重点和难点。教师讲解这些内容的过程中，要放慢速度，举一反三。3）每章教学内容完成之后，助课老师要对内容进行总结，讲解习题中的问题，还要针对不同章节的内容，讲有代表性的例题。在这些过程中，把重点和难点内容再一次渗透进去，达到了举一反三的作用。4）针对不同的重点和难点，留一至两道思考题，用“探究性”的学习方式，充分发挥学生的主观能动性，给学生指定参考书中的相关内容，要求学生课外阅读，学生自己解决这些知识点。如对于“活度的概念及活度标准态的选择”问题，要求学生阅读魏寿昆院士编著的“冶金过程热力学”的有关章节，对于“液液反应动力学的双膜理论的应用”，要求学生阅读韩其勇教授编写的“冶金过程动力学”的相关章节等。针对这些问题，要求学生写出评论。通过教学中采取了以上方法，对解决教学过程中出现的重点和难点，收到了很好的效果。3．能力培养要求：重点要求学生牢固地掌握冶金物理化学的基本概念和基本原理，独立完成大量习题，能够正确熟练地计算冶金体系中化学反应的吉布斯白由能变化，判断化学反应的方向和限度，分析化学反应的反应机理，独立完成要求的四个实验。以课堂讲授为主，辅以习题课、课堂讨论及答疑，提高作业数量及批改质量，对重点学生加强答疑，在条件成熟时实现多媒体教学。三、课程教学内容与学时课堂教学（64学时）绪论（2学时）主要内容：现代冶金过程与冶金物理化学；冶金热力学与冶金动力学的最新发展；如何学习冶金物理化学？冶金热力学（32学时）1．热力学基本定理及在冶金中的应用（4学时）1.1几个基本公式1）体系中组元i的自由能的描述；理想气体体系中组元i的自由能；液相体系中组元i的自由能；固相体系中组元i的自由能。2）等温方程式的导出由单个组元I的自由能推导化学反应的自由能变化；讨论的三种形式；重点讨论的形式，得出； 与的关系与联系； 与在热力学中分别承担的角色。3）等压方程式与二项式微分式；由微分式导出积分式；讨论其意义。1.2冶金热力学中标准自由能的计算1）用积分法计算化学反应的标准自由能变化；（注：讲不定积分法，学生阅读定积分法）；例题：教科书p22例1-62）由积分法得到的化学反应的标准自由能求化学反应标准自由能与温度的二项式；3）由标准生成自由能和标准溶解自由能求化学反应的标准自由能（二项式）；4）由电化学反应的电动势求化学反应的标准自由能变化；5）由自由能函数求化学反应的标准自由能变化。作业练习1-6，1-7，1-82．热力学参数状态图（10学时）2.1Ellingham图1）氧势图的形成原理；2）氧势图的热力学特征；（特殊的线；直线斜率；直线位置）3）氧势图的应用。作业练习1-4，1-9，1-10，1-11，1-12课外阅读：氧气标尺；Jeffes图；溶解在铁溶液中的元素与反应的氧势图。2.2相图分析方法及基本规则相图基本定律；相律；连续原理；相应原理。2）三元系相图的构成；构成原理；浓度三角形。3）三元系浓度三角形性质；杠杆规则与重心规则。4）三元系浓度三角形性质；垂线；平行线；等含线；定比例；直线。5）简单共晶型三元系；图的构成；平面投影图；结晶过程（冷却组织及量-杠杆原理应用）；等温线与截面。课外阅读：相图的基本规则。6）具有一个稳定二元化合物的三元系；7）具有一个不稳定二元系的三元系；图的特点；分析相图中一个特殊的点M1的冷却过程。作业：3-1；3-2；分析M2、M3点的冷却过程。2.3相图的应用。作业:3-43．冶金溶液（10学时）3.1铁溶液3.1.1两个基本定律拉乌尔定律；亨利定律；两个定律的联系及区别分析。3.1.2不同标准态活度及活度系数之间的相互转换三个不同标准态的活度的定义；三个不同标准态的活度之间的关系（3个）；三个不同标准态的活度系数之间的关系（11个）。3.1.3标准溶解自由能溶解前为纯物质，溶解在溶液中分别为三个不同标准态时标准溶解自由能；例题2-23.1.4多元系铁溶液――活度相互作用系数瓦格纳模型（一价、二阶作用系数）;相互作用系数的关系（与，与）；例题2-3，2-4。作业:2-1，2-2，2-4，2-5，2-7，2-9；思考2-1，2-2，2-5，2-6。3.2二元正规溶液混合自由能与过剩自由能；正规溶液的定义；正规溶液的混合函数与过剩函数；正规溶液的性质（3个）例题2-6。作业:2-11，2-12；思考2-8。3.3冶金炉渣3.3.1炉渣的性质碱度（碱度，光学碱度，过剩碱）；氧化还原性。3.3.2分子理论理论模型;例题2-8。3.3.3捷姆金完全离子理论理论模型;例题2-9。3.3.4硫化物容量；硫酸盐容量；硫容量与碱度。作业:2-13，2-14，2-15，2-16，2-17，2-19。阅读磷酸盐容量。4．冶金热力学应用（8学时）4.1冶金反应过程最高反应温度及炼钢中元素发热能力的计算冶金反应过程标准焓的计算；最高反应温度的计算；炼钢中元素发热能力的计算。4.2固体氧化物直接还原直接还原热力学分析；直接还原机理；直接还原％CO－T平衡图。阅读：固体氧化物的间接还原。4.3选择性还原从红土矿中提取钴和镍还原热力学；分析讨论。4.4选择性氧化奥氏体不锈钢的去碳保铬1）铬的氧化物；含铬铁水的吹炼；阅读：炉渣脱硫、脱磷的热力学分析P127-1342）奥氏体不锈钢冶炼发展的三个阶段；奥氏体不锈钢的去碳保铬；理论计算；分析讨论。作业:4-3，4-4，4-5。阅读：雾化提矾（P122-123）。冶金动力学（30学时）5．冶金反应动力学基础（8学时）5.1化学反应速率及反应级数化学反应进度；化学反应速率；化学反应速率方程（n级不可逆反应）；1级可逆反应方程。5.2反应速率与温度的关系阿累尼乌斯公式与活化能；活化能与热力学函数关系式。作业：5-1，5-2思考题：5-1，5-2。阅读：串连反应5.3扩散与传质费克第一定律；费克第二定律；费克二定律的特解（扩散偶；几何面源）阅读：有效碰撞理论及过渡态理论。5.4相际传质边界层的概念；边界层理论；传质系数。作业：6-15.5多相反应动力学基本模型双膜理论；溶质渗透理论；表面更新理论；举例6－6作业：6-3，6-7；思考题：6-5。6．多相反应动力学（22学时）6.1气一固反应（8学时）6.1.1气-固反应特点与反应机理气固反应特点及处理方法。6.1.2未反应核模型外扩散为限制环节时反应模型；2）内扩散为限制环节时反应模型；3）界面化学反应为限制环节时反应模型；4）内扩散和界面化学反应混合控速时反应模型；5）一般情况。6.1.3未反应核模型应用未反应核模型特殊条件下，外扩散、内扩散或界面化学反应控速应用及动力学参数获取，举例。习题：7-1，7-2，7-3，7-4；思考题：7-1，7-2，7-3。6.2气一液反应（8学时）6.2.1气泡形成机理与动力学过程1）均相中气泡的生成机理均相中气泡的生成机理；例：碳-氧反应；非均相气泡生成机理；活性气隙的最大半径；气泡长大与上升动力学机理。气泡在液相中的行为气泡在液相中的运动；气泡在上浮过程中长大。6.2.2钢液中碳-氧反应动力学1）碳氧反应机理；2）碳氧反应动力学模型；3）碳氧反应动力学模型举例。6.2.3气泡冶金过程动力学吹氩冶炼超低碳不锈钢碳氧反应机理；2）吹氩冶炼超低碳不锈钢碳氧反应模型；3）吹氩脱氢过程动力学。习题：7-5,7-6,7-7，7-8思考题：7-5。6.3液一液反应（4学时）6.3.1液-液相反应特点与动力学方程液-液反应特点；液-液反应动力学机理；液-液反应动力学方程。6.3.2液-液反应应用实例锰氧化反应动力学。习题：7-9，7-10思考题：7-6，7-7。6.4液－固反应（2学时）1）固-液相反应特点；固-液相反应机理；实例介绍：炉渣-耐火材料反应实例。习题：7-11思考题：7-8。四、教材与参考书教材1.张家芸等编，冶金物理化学，冶金工业出版社，20042．郭汉杰编著，冶金物理化学教程（第二版），冶金工业出版社，2006参考书1．魏寿昆编著，冶金过程热力学，上海科学技术出版社，1980

2．李文超主编，冶金热力学，冶金工业出版社，20013.田彦文等编，冶金物理化学简明教程，冶金工业出版社，2006。4.DavidR.Gaskell

IntroductiontotheThermodynamicsofMeterials(ThirdEdition)5黄希钴编，钢铁冶金原理，冶金工业出版社，2006五、作业（按照“教科书1”上的编号）1.1-1，1-5，1-6，1-7，1-8，1-4，1-9，1-10，1-11，1-12。2.2-12，2-5，2-3，2-4，2-11，