XXXX冶金物理化学辅导课件

国家精品课程

冶金物理化学

期末总复习郭汉杰北京科技大学2010-12-31国家精品课程

冶金物理化学

期末总复习郭汉杰1郭汉杰编著，冶金物理化学教程（第二版），冶金工业出版社，2006

主要参考书目：

教材：张家芸主编冶金物理化学

郭汉杰编著，冶金物理化学教程（第二版），冶金工业出版社，22如何学习冶金物理化学课前预习，上课记好课堂笔记；在理解基本原理的前提下完成课后作业；抓住“重点”和“难点”，反复演练相关推导；真正理解一些关键问题的含义，如“标准态”和“平衡态”，并搞清它们之间的关系。如何学习冶金物理化学课前预习，上课记好课堂笔记；3课程内容1冶金热力学基础2冶金熔体3热力学状态图4冶金热力学应用5冶金过程动力学基础6冶金反应动力学模型课程内容41冶金热力学基础●体系的自由能☉纯物质i的自由能☉溶液中i的自由能☉气相中i的自由能☉固相中i的自由能●等温方程式；●等压方程式；●化学反应的标准自由能计算☉微、积分法（对结果进行最小二乘处理，使其变为二项式）☉用已知的自由能（标准生成、溶解自由能函数）1冶金热力学基础●体系的自由能52冶金熔体-铁溶液●两个基本定律☉拉乌尔、☉亨利●活度及其三个标准态☉活度的定义；☉活度及活度系数的关系（14个）●瓦格纳方程●规则溶液☉混合自由能与超额自由能；☉定义☉性质（超额函数;α函数）2冶金熔体-铁溶液●两个基本定律62冶金熔体-熔渣●熔渣的基本性质：☉碱度（一般、过剩碱、光学碱度）☉氧化还原性（氧化铁折合成亚铁-2、氧化亚铁的氧化还原反应）●熔渣理论模型（☉分子、☉离子理论）2冶金熔体-熔渣●熔渣的基本性质：73热力学状态图-氧势图●研究对象的●斜率（）公理：凝聚态的标准熵远小于气态的●曲线的类型（5类），斜率分别为：☉>0；☉=0（1条）；☉<0（1条）；☉在T点改变（金属变大、非金属变小）●曲线的位置（氧化还原）3热力学状态图-氧势图●研究对象83热力学状态图-相图●相律●二元系相图总结●三元系相图☉浓度三角形及其性质（5个）（垂线、平行线定理、等含量规则、定比例规则、直线规则、重心规则）☉具有一个稳定二元化和物☉具有一个不稳定二元化合物。●相图基本规则☉相区邻接规则及其三个推论；☉相界线构筑规则（两个）；☉复杂三元系二次体系副分规则（含有一个化合物的三元系二次体系副分规则；含有两个以上化合物的三元系二次体系副分规则（连线规则、四边形对角线不相容原理）；☉切线规则；☉阿尔克马德规则（罗策印规则）；☉零变点判断规则3热力学状态图-相图●相律94冶金热力学应用4.1硫容量4.2不锈钢冶炼4冶金热力学应用4.1硫容量105冶金动力学基础化学反应动力学●动力学方程的写法；●三个级别的基元反应（☉微分、☉积分式及其曲线、☉半衰期；☉k的量纲）；●复合反应（☉平行；☉可逆一级；☉串联）多相反应基本理论●菲克的两个定律（☉单相，☉三个特解）；●边界层的理论（多相反应理论；数学模型、图、kd与Re及Sc的关系）；●动力学三个基本模型（☉双膜理论、溶质渗透理论、表面更新理论；☉模型的叙述及三个传质系数）5冶金动力学基础化学反应动力学116.冶金动力学模型●气固反应（未反应核模型）☉反应机理☉外扩散☉内扩散☉界面化学☉联合控速及一般情况6.冶金动力学模型●气固反应（未反应核模型）12●气液相反应模型☉单相中生成气泡的不可能性；☉复相中生成气泡的条件、大小、上浮时间；☉C-O反应的模型（低碳、高碳）●气液相反应模型13●液液反应模型☉机理；☉如何简化机理；☉最大速率法确定限制环节；☉计算反应？%所需要的时间

●液液反应模型☉机理；14

冶金热力学举例：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材料，其特点是具有良好的抗晶间腐蚀能力。其含碳量越低，抗腐蚀能力越强。奥氏体不锈钢的一般钢号为1Cr18Ni9（Ti），即，C≤0.12%，Cr17%～19%，Ni8%～9.5%，Mn1%～2%，S≤0.02%，P≤0.035%。钢号为0Cr18Ni9的不锈钢，C≤0.08%。对于超低碳优质不锈钢，C≤0.02%。冶金热力学举例：奥氏体不锈钢的去碳保铬奥氏体不锈钢是一种重15第一个阶段—配料熔化法（1926年～上一世纪40年代）

方法特点就是使用各种低碳原料，如工业纯铁、纯镍、低碳铬铁及低碳废钢等。按钢号要求事先配好料，然后在电炉内熔化生产不锈钢。所以该法在电炉中只是个单纯的熔化过程。第一个阶段—配料熔化法（1926年～上一世纪40年代）方法16由于在熔化过程中，电极会向熔池渗碳，因此必须使用低碳原料。配料熔化法存在如下两个主要问题:

（1）不能使用不锈钢返回料。不锈钢生产中会产生大约30%～50%的返回料。如果使用这些返回料，那么由于熔化过程中，电极会向熔池渗碳0.08%左右，因此将造成钢水中含碳量超标。（2）如果使用返回料，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，氧化剂主要是铁矿石。然而，若想使用返回料，用铁矿石作氧化剂，只会造成铬的大量氧化，而碳并不氧化，从而达不到去碳保铬的目的。??由于在熔化过程中，电极会向熔池渗碳，因此必须使用低碳原料。配17第二个阶段—返回吹氧法（1939年）该法在1939年由美国发明，称为不锈钢冶炼史的一次革命。该法的优点是可以使用返回料，并通过吹氧的方法达到去碳的目的??

第二个阶段—返回吹氧法（1939年）该法在1939年由美国18该法同样存在下面两个问题:（1）吹氧时，钢水中的[Cr]也要氧化一部分，大约2%～2.5%，造成一定的浪费。（2）配料时Cr不能一次配足。即，生产1Cr18Ni9不锈钢时，Cr不能一次配到18%，而只能配到12%～13%。??这样停吹后，由于吹氧损失2%～2.5%的Cr，熔池中含Cr只有10%左右。所以必须在氧化期末补加一定量的低碳铬铁，从而提高了生产成本。该法同样存在下面两个问题:（1）吹氧时，钢水中的[Cr]也19第三个阶段—高碳真空吹炼法60年代发展起来的一种新方法，被称为不锈钢冶炼史上的新纪元。该工艺具有如下四个特点：（1）原材料不受任何限制，各种高碳材料均可以使用；（2）配料时Cr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一定程度后，再进行真空或半真空处理；（4）钢液中[Cr]的回收率高，可达97%～98%第三个阶段—高碳真空吹炼法60年代发展起来的一种新方法，被20选择性氧化—奥氏体不锈钢的去碳保铬热力学在炼钢温度下碳和铬同时与氧相遇，氧化作用必有先后。这决定于元素同氧的亲和力的大小，亲和力大的先氧化。按照同氧亲和力大小决定氧化或还原顺序，这就是选择性氧化和还原理论核心。选择性氧化—奥氏体不锈钢的去碳保铬热力学在炼钢温度下碳和铬同21从埃林汉图可知，吹炼温度必须高于氧化转化温度，才能使钢水中的[C]氧化而[Cr]不氧化，也就是可以达到去碳保铬的目的。从埃林汉图可知，吹炼温度必须高于氧化转化温度，才能使钢水中的221473K1473K23标态下的氧化顺序∆G0=0时，T＝1508K(1235ºC)。?(固态下)标态下的氧化顺序∆G0=0时，T＝1508K(1235ºC)24标态下的氧化顺序∆G0=0时，T＝1570K(1297ºC)。?(溶于钢液)标态下的氧化顺序∆G0=0时，T＝1570K(1297ºC)25非标态下的氧化顺序非标准态下，碳和铬的氧化顺序由等温方程决定。Cr>9%时，渣中铬氧化物为Cr3O4。所以冶炼不锈钢的反应如下：非标准状态下，碳和铬的反应决定于温度、C和Cr的含量、pCO。非标态下的氧化顺序非标准态下，碳和铬的氧化顺序由等温方程决定26非标态下氧化转化温度计算

吹炼温度必须高于氧化转化温度，才能使钢水中的[C]氧化而[Cr]不氧化，也就是可以达到去碳保铬的目的。非标态下氧化转化温度计算吹炼温度必须高于氧化转化温度，才能27

表[C]和[Cr]的氧化转化温度计算结果表[C]和[Cr]的氧化转化温度计算结果28树立质量法制观念、提高全员质量意识。12月-2212月-22Monday,December26,2022人生得意须尽欢，莫使金樽空对月。14:59:2914:59:2914:5912/26/20222:59:29PM安全象只弓，不拉它就松，要想保安全，常把弓弦绷。12月-2214:59:2914:59Dec-2226-Dec-22加强交通建设管理，确保工程建设质量。14:59:2914:59:2914:59Monday,December26,2022安全在于心细，事故出在麻痹。12月-2212月-2214:59:2914:59:29December26,2022踏实肯干，努力奋斗。2022年12月26日2:59下午12月-2212月-22追求至善凭技术开拓市场，凭管理增创效益，凭服务树立形象。26十二月20222:59:29下午14:59:2912月-22严格把控质量关，让生产更加有保障。十二月222:59下午12月-2214:59December26,2022作业标准记得牢，驾轻就熟除烦恼。2022/12/2614:59:2914:59:2926December2022好的事情马上就会到来，一切都是最好的安排。2:59:29下午2:59下午14:59:2912月-22一马当先，全员举绩，梅开二度，业绩保底。12月-2212月-2214:5914:59:2914:59:29Dec-22牢记安全之责，善谋安全之策，力务安全之实。2022/12/2614:59:29Monday,December26,2022相信相信得力量。12月-222022/12/2614:59:2912月-22谢谢大家！树立质量法制观念、提高全员质量意识。12月-2212月-2229每一次的加油，每一次的努力都是为了下一次更好的自己。12月-2212月-22Monday,December26,2022天生我材必有用，千金散尽还复来。14:59:2914:59:2914:5912/26/20222:59:29PM安全象只弓，不拉它就松，要想保安全，常把弓弦绷。12月-2214:59:2914:59Dec-2226-Dec-22得道多助失道寡助，掌控人心方位上。14:59:2914:59:2914:59Monday,December26,2022安全在于心细，事故出在麻痹。12月-2212月-2214:59:2914:59:29December26,2022加强自身建设，增强个人的休养。2022年12月26日2:59下午12月-2212月-22扩展市场，开发未来，实现现在。26十二月20222:59:29下午14:59:2912月-22做专业的企业，做专业的事情，让自己专业起来。十二月222:59下午12月-2214:59December26,2022时间是人类发展的空间。2022/12/2614:59:2914:59:2926December2022科学，你是国力的灵魂；同时又是社会发展的标志。2:59:29下午2:59下午14:59:2912月-22每天都是美好的一天，新的一天开启。12月-2212月-2214:5914:59:2914:59:29Dec-22人生不是自发的自我发展，而是一长串机缘。事件和决定，这些机缘、事件和决定在它们实现的当时是取决于我们的意志的。2022/12/2614:59:29Monday,December26,2022感情上的亲密，发展友谊；钱财上的亲密，破坏友谊。12月-222022/12/2614:59:2912月-22谢谢大家！每一次的加油，每一次的努力都是为了下一次更好的自己。12月-30国家精品课程

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期末总复习郭汉杰31郭汉杰编著，冶金物理化学教程（第二版），冶金工业出版社，2006

主要参考书目：

教材：张家芸主编冶金物理化学

郭汉杰编著，冶金物理化学教程（第二版），冶金工业出版社，232如何学习冶金物理化学课前预习，上课记好课堂笔记；在理解基本原理的前提下完成课后作业；抓住“重点”和“难点”，反复演练相关推导；真正理解一些关键问题的含义，如“标准态”和“平衡态”，并搞清它们之间的关系。如何学习冶金物理化学课前预习，上课记好课堂笔记；33课程内容1冶金热力学基础2冶金熔体3热力学状态图4冶金热力学应用5冶金过程动力学基础6冶金反应动力学模型课程内容341冶金热力学基础●体系的自由能☉纯物质i的自由能☉溶液中i的自由能☉气相中i的自由能☉固相中i的自由能●等温方程式；●等压方程式；●化学反应的标准自由能计算☉微、积分法（对结果进行最小二乘处理，使其变为二项式）☉用已知的自由能（标准生成、溶解自由能函数）1冶金热力学基础●体系的自由能352冶金熔体-铁溶液●两个基本定律☉拉乌尔、☉亨利●活度及其三个标准态☉活度的定义；☉活度及活度系数的关系（14个）●瓦格纳方程●规则溶液☉混合自由能与超额自由能；☉定义☉性质（超额函数;α函数）2冶金熔体-铁溶液●两个基本定律362冶金熔体-熔渣●熔渣的基本性质：☉碱度（一般、过剩碱、光学碱度）☉氧化还原性（氧化铁折合成亚铁-2、氧化亚铁的氧化还原反应）●熔渣理论模型（☉分子、☉离子理论）2冶金熔体-熔渣●熔渣的基本性质：373热力学状态图-氧势图●研究对象的●斜率（）公理：凝聚态的标准熵远小于气态的●曲线的类型（5类），斜率分别为：☉>0；☉=0（1条）；☉<0（1条）；☉在T点改变（金属变大、非金属变小）●曲线的位置（氧化还原）3热力学状态图-氧势图●研究对象383热力学状态图-相图●相律●二元系相图总结●三元系相图☉浓度三角形及其性质（5个）（垂线、平行线定理、等含量规则、定比例规则、直线规则、重心规则）☉具有一个稳定二元化和物☉具有一个不稳定二元化合物。●相图基本规则☉相区邻接规则及其三个推论；☉相界线构筑规则（两个）；☉复杂三元系二次体系副分规则（含有一个化合物的三元系二次体系副分规则；含有两个以上化合物的三元系二次体系副分规则（连线规则、四边形对角线不相容原理）；☉切线规则；☉阿尔克马德规则（罗策印规则）；☉零变点判断规则3热力学状态图-相图●相律394冶金热力学应用4.1硫容量4.2不锈钢冶炼4冶金热力学应用4.1硫容量405冶金动力学基础化学反应动力学●动力学方程的写法；●三个级别的基元反应（☉微分、☉积分式及其曲线、☉半衰期；☉k的量纲）；●复合反应（☉平行；☉可逆一级；☉串联）多相反应基本理论●菲克的两个定律（☉单相，☉三个特解）；●边界层的理论（多相反应理论；数学模型、图、kd与Re及Sc的关系）；●动力学三个基本模型（☉双膜理论、溶质渗透理论、表面更新理论；☉模型的叙述及三个传质系数）5冶金动力学基础化学反应动力学416.冶金动力学模型●气固反应（未反应核模型）☉反应机理☉外扩散☉内扩散☉界面化学☉联合控速及一般情况6.冶金动力学模型●气固反应（未反应核模型）42●气液相反应模型☉单相中生成气泡的不可能性；☉复相中生成气泡的条件、大小、上浮时间；☉C-O反应的模型（低碳、高碳）●气液相反应模型43●液液反应模型☉机理；☉如何简化机理；☉最大速率法确定限制环节；☉计算反应？%所需要的时间

●液液反应模型☉机理；44

冶金热力学举例：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材料，其特点是具有良好的抗晶间腐蚀能力。其含碳量越低，抗腐蚀能力越强。奥氏体不锈钢的一般钢号为1Cr18Ni9（Ti），即，C≤0.12%，Cr17%～19%，Ni8%～9.5%，Mn1%～2%，S≤0.02%，P≤0.035%。钢号为0Cr18Ni9的不锈钢，C≤0.08%。对于超低碳优质不锈钢，C≤0.02%。冶金热力学举例：奥氏体不锈钢的去碳保铬奥氏体不锈钢是一种重45第一个阶段—配料熔化法（1926年～上一世纪40年代）

方法特点就是使用各种低碳原料，如工业纯铁、纯镍、低碳铬铁及低碳废钢等。按钢号要求事先配好料，然后在电炉内熔化生产不锈钢。所以该法在电炉中只是个单纯的熔化过程。第一个阶段—配料熔化法（1926年～上一世纪40年代）方法46由于在熔化过程中，电极会向熔池渗碳，因此必须使用低碳原料。配料熔化法存在如下两个主要问题:

（1）不能使用不锈钢返回料。不锈钢生产中会产生大约30%～50%的返回料。如果使用这些返回料，那么由于熔化过程中，电极会向熔池渗碳0.08%左右，因此将造成钢水中含碳量超标。（2）如果使用返回料，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，氧化剂主要是铁矿石。然而，若想使用返回料，用铁矿石作氧化剂，只会造成铬的大量氧化，而碳并不氧化，从而达不到去碳保铬的目的。??由于在熔化过程中，电极会向熔池渗碳，因此必须使用低碳原料。配47第二个阶段—返回吹氧法（1939年）该法在1939年由美国发明，称为不锈钢冶炼史的一次革命。该法的优点是可以使用返回料，并通过吹氧的方法达到去碳的目的??

第二个阶段—返回吹氧法（1939年）该法在1939年由美国48该法同样存在下面两个问题:（1）吹氧时，钢水中的[Cr]也要氧化一部分，大约2%～2.5%，造成一定的浪费。（2）配料时Cr不能一次配足。即，生产1Cr18Ni9不锈钢时，Cr不能一次配到18%，而只能配到12%～13%。??这样停吹后，由于吹氧损失2%～2.5%的Cr，熔池中含Cr只有10%左右。所以必须在氧化期末补加一定量的低碳铬铁，从而提高了生产成本。该法同样存在下面两个问题:（1）吹氧时，钢水中的[Cr]也49第三个阶段—高碳真空吹炼法60年代发展起来的一种新方法，被称为不锈钢冶炼史上的新纪元。该工艺具有如下四个特点：（1）原材料不受任何限制，各种高碳材料均可以使用；（2）配料时Cr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一定程度后，再进行真空或半真空处理；（4）钢液中[Cr]的回收率高，可达97%～98%第三个阶段—高碳真空吹炼法60年代发展起来的一种新方法，被50选择性氧化—奥氏体不锈钢的去碳保铬热力学在炼钢温度下碳和铬同时与氧相遇，氧化作用必有先后。这决定于元素同氧的亲和力的大小，亲和力大的先氧化。按照同氧亲和力大小决定氧化或还原顺序，这就是选择性氧化和还原理论核心。选择性氧化—奥氏体不锈钢的去碳保铬热力学在炼钢温度下碳和铬同51从埃林汉图可知，吹炼温度必须高于氧化转化温度，才能使钢水中的[C]氧化而[Cr]不氧化，也就是可以达到去碳保铬的目的。从埃林汉图可知，吹炼温度必须高于氧化转化温度，才能使钢水中的521473K1473K53标态下的氧化顺序∆G0=0时，T＝1508K(1235ºC)。?(固态下)标态下的氧化顺序∆G0=0时，T＝1508K(1235ºC)54标态下的氧化顺序∆G0=0时，T＝1570K(1297ºC)。?(溶于钢液)标态下的氧化顺序∆G0=0时，T＝1570K(1297ºC)55非标态下的氧化顺序非标准态下，碳和铬的氧化顺序由等温方程决定。Cr>9%时，渣中铬氧化物为Cr3O4。所以冶炼不锈钢的反应如下：非标准状态下，碳和铬的反应决定于温度、C和Cr的含量、pCO。非标态下的氧化顺序非标准态下，碳和铬的氧化顺序由等温方程决定56非标态下氧化转化温度计算

吹炼温度必须高于氧化转化温度，才能使钢水中的[C]氧化而[Cr]不氧化，也就是可以达到去碳保铬的目的。非标态下氧化转化温度计算吹炼温度必须高于氧化转化温度，才能57

表[C]和[Cr]的氧化转化温度计算结果表[C]和[Cr]的氧化转化温度计算结果58树立质量法制观念、提高全员质量意识。12月-2212月-22Monday,December26,2022人生得意须尽欢，莫使金樽空对月。14:59:2914:59:2914:5912/26/20222:59:29PM安全象只弓，不拉它就松，要想保安全，常把弓弦绷。12月-2214:59:2914:59Dec-2226-Dec-22加强交通建设管理，确保工程建设质量。14:59:2914:59:2914:59Monday,December26,2022安全在于心细，事故出在麻痹。12月-2212月-2214:59:2914:59:29December26,2022踏实肯干，努力奋斗。2022年12月26日2:59下午12月-2212月-22追求至善凭技术开拓市场，凭管理增创效益，凭服务树立形象。26十二月20222:59:29下午14:59:2912月-22严格把控质量关，让生产更加有保障。十二月222:59下午12月-2214:59December26,2022