冶金原理(8.1)--热力学平衡图在冶金中的应用
冶金原理(第二章)
2.3.3 连接线
有相界线（边界线）的组分才能做连接线。 连接线规则 若连接线与相界线相交，则： a 交点是相界线上的温度最高点； b 化合物D在其初晶面内，是一个稳定化合物； c 连接线分三角形为两个独立的三元系； d 两个四相平衡点分别在它们的三角形内。 若连接线与相界线不相交，则： a 相界线（PE）向背离连接线（CD）的方向倾斜； b 化合物D不在其初晶面内，是一个不稳定化合物； c 连接线把三元系分为两个部分，但两部分不独立； d △BCD内无四相平衡点，其四相平衡点P在相邻 的三角形内，是包晶点：LP+B=C+D
45
2.5三元渣系的相图
2.5.1 CaO-SiO2-Al2O3 (C-S-A) 系相图
46
由上图可见，熔化温度的变化规律-化合物 高，无变量点低。
47
CaO-SiO2-Al2O3 (C-S-A) 系相图分析
48
（1） 化合物的种类及稳定性（组成点与初晶面的关系） 两个三元稳定化合物 CAS2 = CaO· 2O3· Al 2SiO2 钙斜长石 C2AS = 2CaO· 2O3· Al 2SiO2 铝方柱石 五个稳定的二元化合物 CS = CaO· 2；C2S = 2CaO· 2； SiO SiO C12A7 = 12CaO· 2O3；CA = CaO· 2O3 7Al Al A3S2 = 3Al2O3· 2SiO2 五个不稳定的二元化合物 C3S2 = 3CaO· 2SiO2；C3S = 3CaO· 2； SiO C3A = 3CaO· 2O3； CA2= CaO· 2O3； Al 2Al CA6= CaO· 2O3 6Al
31
32
2.2.4 具有一个不稳定二元化合物的相图 面、线、点分析
钢铁冶炼中的热力学计算和控制技术
钢铁冶炼中的热力学计算和控制技术钢铁冶炼一直是人类社会发展的重要组成部分。
随着技术的不断创新和发展，钢铁冶炼中的热力学计算和控制技术也得到了不断的提高和改进。
本文将从热力学原理出发，探讨这些技术的应用和优化。
一、热力学计算在钢铁冶炼中的应用钢铁冶炼过程中的化学反应和能量交换都受到热力学原理的支配。
因此，热力学计算在钢铁冶炼中的应用至关重要。
热力学计算不仅可以预测反应的平衡点和终点，还可以确定冶炼温度、物料成分和产物产量等数值指标。
它还可以帮助操作人员更好地理解和控制冶炼过程的变化，从而提高生产效率和质量。
在钢铁冶炼中，热力学计算主要应用于高炉炉料的配比、脱硫反应、转炉炉渣配合和连铸中的结晶过程等方面。
在高炉冶炼中，热力学计算可以预测冶炼温度和炉料配比，决定还原气体的成分和流量，控制还原反应的进行。
同时，热力学计算还可以优化高炉内主要化学反应的平衡和速率，以提高产量和降低能耗。
二、控制技术在钢铁冶炼中的应用除了热力学计算外，控制技术也是钢铁冶炼中必不可少的一部分。
通过精确控制生产过程中的各个环节，可以最大程度地提高钢铁冶炼的效率和质量。
下面将分别介绍几种控制技术在钢铁冶炼中的应用。
1. 智能感知技术智能感知技术是指通过传感器和智能控制系统获取和处理现场数据，从而实现过程控制和优化。
在钢铁冶炼中，智能感知技术可以用于测量炉料、炉温、燃气成分等重要参数，提供冶炼过程的实时数据支持。
同时，智能感知技术还可以通过对生产数据的分析，发现问题和隐患，并给出合理的解决方案，从而确保生产过程的稳定性和可靠性。
2. 自适应控制技术自适应控制技术是指通过智能化算法和反馈机制实现对过程参数的实时调整和控制。
在钢铁冶炼中，自适应控制技术可以应用于高炉铁水温度的控制、转炉的氧煤气比的控制等方面。
通过自适应控制技术，可以准确预测产品质量和生产产率的变化，及时调整冶炼过程，避免产生废品和浪费。
3. 入炉原料控制技术入炉原料控制技术是针对高炉冶炼过程中的烧结矿、球团矿、焦炭、煤粉等原料的控制而提出的。
[知识]冶金传输原理在冶金中的应用
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传输原理在冶金工业中的应用在冶金工业中，大多数冶金过程都是在高温、多相条件下进行的复杂物理化学过程，同时伴有动量、热量和质量的传输现象。
在实际的冶金生产中，为使某一冶金反应进行，必须将参与反应的物质尽快地传输到反应进行的区域（或界面）去，并使反应产物尽快地排除。
其中最慢的步骤称为过程控制步骤或限制性环节。
高温、多相条件下的冶金反应大多受传质环节控制，即传质速率往往决定了反应速度，而传质速率往往又与动量和热量传输有密切关系。
传输原理是以物理学的三个基本定律（质量守恒定律、牛顿第二定律和热力学第一定律）为依据的【1】。
是动量传输、热量传输与质量传输的总称，简称“三传”或传递现象。
它可以看成是某物质体系内描述其物理量（如速度、温度、组分浓度等）从不平衡状态向平衡状态转移的过程。
所谓平衡状态是指在体系内物理量不存在梯度如热平衡是指物系内的温度各处均匀一致，反之则成为不平衡状态。
在不平衡状态，由于物系内物理量不均匀将发生物理量的传输，如冷、热两物体接触，热量将从高温物体转移到低温物体，直到两物体的温度趋于均匀，此时冷、热两物体即可达到平衡状态，其温度差就是热量传输的动力。
传输原理主要是研究传输过程的传递速率大小与推动力及阻力之间的关系。
其传输的物理量为动量、热量和质量。
动量传输是指在流体流动中垂直于流体流动方向，动量由高速度区向低速度区的转移；热量传输是指热量由高温区向低温区的转移；质量传输则是指物系中一个或几个组分由高浓度区向低浓度区的转移。
当物系中存在着速度、温度与浓度梯度时，则分别发生动量、热量和质量的传输过程。
传热即热量的传递，是自然界及许多生产过程中普遍存在的一种极其重要的物理现象【3】。
冶金过程离不开化学反应，而几乎所有的化学反应都需要控制在一定的温度下进行，为了维持所要求的温度，物料在进入反应器之前往往需要预热或冷却到一定程度，在过程的进行中，由于反应本身需要吸收或放出热量，又要及时补充或移走热量。
热平衡定律的原理图和应用
热平衡定律的原理图和应用简介热平衡定律是热力学的基本原理之一，它描述了在热平衡状态下系统内部的能量分布情况。
热平衡定律有着广泛的应用，从物理学到化学、工程等领域都有着重要的意义。
原理图热平衡定律的原理图如下所示：•系统内部有若干个热源或热媒，以及相应的热量传递路径。
•热量传递路径中可能存在导热体、传热壁、传热管等传热元件。
•系统内部的温度分布会随着热量的传递而发生变化。
应用热平衡定律在各个领域都有着广泛的应用，以下是一些常见的应用情况：1.热平衡定律在物理学中的应用：–热平衡定律被用于研究物体的温度变化规律。
–热平衡定律被用于研究热能的传递和转化。
2.热平衡定律在化学中的应用：–热平衡定律被用于研究化学反应过程中的能量变化。
–热平衡定律被用于研究化学反应的速率。
3.热平衡定律在工程中的应用：–热平衡定律被用于优化工程设备的散热和冷却系统。
–热平衡定律被用于设计节能型建筑。
4.热平衡定律在生物学中的应用：–热平衡定律被用于研究生物体的热调节机制。
–热平衡定律被用于研究生物体的代谢过程。
5.热平衡定律在环境科学中的应用：–热平衡定律被用于研究地球的能量平衡和气候变化。
–热平衡定律被用于研究环境中的能量转化和传递。
总结热平衡定律是热力学中的重要原理之一，描述了系统内部在热平衡状态下的能量分布情况。
它在物理学、化学、工程、生物学和环境科学等领域都有着广泛的应用。
我们可以利用热平衡定律来研究温度变化规律、能量转化和传递、化学反应、工程设备的散热和冷却系统等问题。
通过深入理解和应用热平衡定律，我们可以探索和优化各个领域的相关技术和知识。
冶金原理复习题(stu)
第一篇冶金熔体第一章冶金熔体概述1. 什么是冶金熔体？它分为几种类型？2. 何为熔渣？简述熔渣成分的主要来源及冶炼渣和精炼渣的主要作用。
3. 熔锍的主要成分是什么？第二章冶金熔体的相平衡图1. 在三元系的浓度三角形中画出下列熔体的组成点，并说明其变化规律。
X ：A 10% ，B 70% ，C 20% ；Y ：A 10% ，B 20% ，C 70% ；Z ：A 70% ，B 20% ，C 10% ；若将3kg X 熔体与2kg Y 熔体和5kg Z 熔体混合，试求出混合后熔体的组成点。
2. 试分析下图中熔体1 、2 、3 、4 、5 、6 的冷却结晶路线。
第三章冶金熔体的结构1. 熔体远程结构无序的实质是什么？2. 试比较液态金属与固态金属以及液态金属与熔盐结构的异同点。
3. 简述熔渣结构的聚合物理论。
其核心内容是什么？第四章冶金熔体的物理性质1. 试用离子理论观点说明熔渣的温度及碱度对熔渣的粘度、表面张力、氧化能力及组元活度的影响。
2. 什么是熔化温度？什么是熔渣的熔化性温度？3. 实验发现，某炼铅厂的鼓风炉炉渣中存在大量细颗粒铅珠，造成铅的损失。
你认为这是什么原因引起的？应采取何种措施降低铅的损失？第五章冶金熔体的化学性质与热力学性质1. 某工厂炉渣的组成为：44.5% SiO 2 ，13.8%CaO ，36.8%FeO ，4.9%MgO 。
试计算该炉渣的碱度和酸度。
原子量：Mg 24 Si 28 Ca 40 Fe 56 Mn 55 P 31 Zn 652. 什么是熔渣的碱度和酸度？3. 熔渣的氧化性主要取决于渣中碱性氧化物的含量，这种说法对吗？为什么？4. 已知某炉渣的组成为（W B / % ）：CaO 20.78 、SiO2 20.50 、FeO 38.86 、Fe2O3 4.98 、MgO10.51 、MnO 2.51 、P2O5 1.67 ，试求该炉渣的碱度。
原子量：Mg 24 Si 28 Ca 40 Fe 56 Mn 55 P 31 Zn 65 5. 某铅鼓风炉熔炼的炉渣成分为（W B / % ）：CaO 10 、SiO2 36 、FeO 40 、ZnO 8 ，试求该炉渣的酸度。
热力学与相图在金属冶炼中的应用
PART 05
案例分析
案例一
要点一
总结词
铝的冶炼过程是一个典型的热力学与相图应用案例，通过 分析铝的氧化物在不同温度下的相变和热力学特性，可以 优化冶炼过程，提高铝的纯度和产量。
要点二
详细描述
在铝的冶炼过程中，首先将铝土矿进行预处理，分离出氧 化铝和其它杂质。接着，在高温下将氧化铝与碳和氯气反 应，生成氯化铝。然后，通过电解法将氯化铝分解为铝和 氯气。这个过程中涉及到了多个相变和化学反应，需要利 用热力学和相图的理论知识来指导冶炼过程，例如选择合 适的温度和压力条件，优化原料配比等。
案例二
总结词
钢铁冶炼是一个复杂的过程，涉及到多个化学反应和 相变。通过应用热力学和相图的理论知识，可以优化 冶炼过程，提高钢铁的质量和产量。
详细描述
在钢铁冶炼过程中，首先将铁矿石、焦炭和石灰石等 原料混合加热至高温，生成液态铁和炉渣。这个过程 中涉及到多个化学反应和相变，如铁矿石的还原反应 、石灰石的分解反应等。通过分析这些反应的热力学 特性和相图，可以确定合适的温度、压力和原料配比 等条件，提高铁的回收率和质量。同时，还可以利用 相图来指导连铸和轧制过程，控制钢铁的组织结构和 性能。
相图构成
相图主要由等温线、等压线和临界点组成。等温线表示温度 不变时，物质相态随压力变化的规律；等压线表示压力不变 时，物质相态随温度变化的规律；临界点则是物质发生相变 的温度和压力的交汇点。
相图在金属冶炼中的重要性
指导冶炼过程
通过相图，可以了解不同金属在不同 温度和压力下的熔点、沸点和相态变 化，从而指导冶炼过程中的温度和压 力控制，优化冶炼工艺。
提高金属纯度
节约能源
通过相图分析，可以合理选择冶炼温 度和压力，降低能源消耗，提高能源 利用效率。
火法及湿法冶金原理及应用
熔化、溶解
• 火法冶金把矿石和必要的添加物一起在炉中加热至高温，熔化为 液体，通过物理、化学反应，从中分离出粗金属，然后再将粗金 属精炼。（干燥、焙解、焙烧、熔炼，精炼）
• 湿法冶金是用酸、碱、盐类等的水溶液，以物理、化学方法从矿 石中提取所需金属组分，然后用水溶液电解等各种方法制取金属。 （浸出、净化、制备金属等过程）
• 火法：矿石-熔化-分离 • 湿法：矿石-溶解-分离
火法冶金原理
• 冶金熔体——（金属熔体，熔锍，熔渣，熔盐）（火法冶金中的 过程产物）
• 金属熔体，液态的金属或者合金，（高炉中的铁水，火法精炼得 到的粗铜液）
• 熔锍，多种金属硫化物的共熔体（Cu2S，FeS，CoS，PbS等）
• 熔渣，各种氧化物熔合成的熔体，（矿物原料中的主金属以金属 熔体或熔锍形态产出，其中的脉石成分及伴生的杂志金属则与熔 剂一起熔合成一种主要成分为氧化物的熔体，及熔渣。熔渣是一 种非常复杂的多组分体系，含有CaO，FeO，MnO，MgO，Al2O3， SiO2，Fe2O3等氧化物，少量氟化物，氯化物，硫化物）
• 熔盐，盐的熔融态液体。常见的熔盐体系由碱金属或碱土金属组 成的卤化物、碳酸盐、硝酸盐或者磷酸盐组成。熔盐不含水，具 有许多与水溶液不同的性质，如，热稳定性高，蒸气压低，黏度 低，导电性好，离子迁移和扩散速度较快，热容量高等
在冶金领域，以熔盐为介质的熔盐电解法广泛应用于铝、镁、钠、 锂等轻金属和稀土金属的电解提取或精炼。 这些金属由于都属于 负电性金属，不能从水溶液中电解沉积出来，熔盐电解成为唯一的 或占主导地位的方法。
pH373
6.79
6.78
5.58
—
3.16 4.35
◆ 当Me2+的活度为1时，要求pH<pH；
中南大学冶金原理题库
中南大学冶金原理题库第一篇冶金熔体第一章概述1．什么是冶金熔体？它分为几种类型？2．何为熔渣？简述冶炼渣和精炼渣的主要作用。
3．什么是富集渣？它与冶炼渣的根本区别在哪里？4．试说明熔盐在冶金中的主要应用。
5．熔锍的主要成分是什么？6．为什么熔盐电解是铝、镁、钠、锂等金属的惟一的或占主导地位的生产方法？第二章冶金熔体的相平衡1．在三元系的浓度三角形中画出下列熔体的组成点，并说明其变化规律。
X：A 10%，B 70%，C 20%；Y：A 10%，B 20%，C 70%；Z：A 70%，B 20%，C 10%；若将3kg X熔体与2kg Y熔体和5kg Z熔体混合，试依据杠杆规则用作图法和计算法求出混合后熔体的组成点。
2．试找出图2-44所示的三元系相图中的错误，说明原因并更正。
3．图2-45是生成了一个二元不一致熔融化合物的三元系相图（1）写出各界线上的平衡反应；（2）写出P、E两个无变点的平衡反应；（3）分析熔体1、2、3、4、5、6的冷却结晶路线。
4．某三元系相图如图2-46中所示，AmBn为二元不一致熔融化合物。
试分析熔体1、2、3的冷却结晶过程。
5．图2-47为生成一个三元化合物的三元相图，（1）判断三元化合物N的性质；（2）标出边界线的温度降低方向；（3）指出无变点K、L、M的性质，写出它们的平衡反应；（4）分析熔体1、2的冷却过程。
6．试分析图2-23熔体3、4、5、6的冷却过程。
7．试根据CaO-SiO2-A12O3系相图说明组成为（wB / %）CaO 40.53，SiO2 32.94，A12O3 17.23，MgO 2.55的熔渣冷却过程中液相及固相成分的变化。
8．试根据图2-30绘制CaO- A12O3- SiO2三元系1500°C时的等温截面图。
9．给出CaO-SiO2-FeO系相图中1500°C的等温截面图，标出各相区内的相平衡关系。
组成为（wB / %）CaO 45、SiO2 25、FeO 20的熔渣在此温度下析出什么晶相？怎样才能使此熔渣中的固相减少或消除?10．假定炉渣碱度为= 2。
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8.1 基本概念 8.2 绘制热力学平衡图的理论基础 8.3 热力学平衡图的绘制与应用（一） 8.4 热力学平衡图的绘制与应用（二） 8.5 热力学平衡图的叠加 8.6 电势– pH 图及其在湿法冶金中的应用
8.1 基本概 念
热力学平衡图（优势区域图、稳定区域图） 以图的形式表示系统中物质稳定存在的形态 与热力学参数之间的关系。
例如： C 与 O2 反应时，生成 CO 及 CO2 的反应都平衡存在； 在平衡体系（气相或溶液）中，各组分彼此处于平衡状态。
例如：在 600K 以上 WO3 与 Cl2 反应的气相中，同时存在 WO2Cl2 ， WOCl4 、 WCl6 之间的平衡反应。
◆ 同时平衡原理的主要作用
当生成物为多种气态（液态）物质时，计算气体混合物（溶液）中 气相（溶液）组成与各种热力学参数的关系，以及固 - 气相（液 相）线的位置和走向。
● 在 2500K 以内， FeO 、 Fe3O4 、 Fe2O3 均为凝聚 态。
● 固体 FeO 、 Fe3O4 、 Fe2O3 的 fG 值分别为：
fG(FeO) = 269540 + 70.275T
G f (Fe3O4)
=
1126640
+
338.48T
G f (Fe2O3)
1. 0
1. 82
8-5 0. 005
计算表明，系统中 PCO/Pθ 值小于诸反应的平衡常数值 这些反应应当都能自发进行
上述反应的产物 Nb 、 NbO 、 NbO2 、 NbC 、 NB2C 等 都能存在。
实际上最终产品只可能是两种凝聚态化合物，即 NbO2+NbC 。
对于复杂体系（多组元、多种价态体系），单纯用热 力学计算的方法往往不可能得到正确答案。
8.2 绘制热力学平衡图的理论基础
一、有关的热力学计算方法与物质的热力学性质
◆ 平衡图的计算——主要是求出各种物质 稳定区的分界线。
◆ 各物质稳定区的分界线——实际上是物 质间的平衡线。
◆ 平衡图的绘制——应用有关物质的热力 学性质进行大量的热力学平衡计算，以 确定各稳定区间的分界线。
二、相律
◆ 相律：
例： Me-O 系热力学平衡图（图 7-7 ）
例： 1100K 时 Zn-S-O 系热力学平衡图
10 5 0 -5
-10 -15
图 8-1 Zn-S-O 系热力学平衡图 （ 1100K ）
应
用
指明 Zn-S-O 系中各种化合物稳定存在的区域和为获 得相应的化合物所应控制的条件； 例如：只有将工艺条件分别控制在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区 域内，才能分别获得 ZnS 、 ZnSO4 和 ZnO ； 为得到 ZnSO4 ，应同时控制高 PO2 和 PSO2 值；为 得到 ZnO ，应控制高 PO2 值、低 PSO2 值。
f=c– +2
◆ 主要作用：确定平衡图中各稳定区域、平衡线以及交点 上凝聚态化合物的种类数。
三、同时平衡原理
◆ 同时平衡原理的内容
当凝聚相与气相存在多种反应、生成不同 Nhomakorabea态化合物时，各种反 应都平衡存在；
例如：当 WO3 与 Cl2 作用时，生成 WO2Cl2 、 WOCl4 、 WCl6 的诸反应都平衡存在；
WO2Cl2
Cl2
WOCl4
1 2
O2
WOCl4
Cl2
WCl6
1 2
O2
8.3 热力学平衡图的绘制与应用（ I ）
—— 二组元体系， Fe-O 系及多价金属 - 氧系的热力学平衡 图
8. 3. 1 热力学平衡图的绘制方法和步骤 —— 铁 - 氧系热力学平衡图
◆ 步骤一：查明系统物质的种类及其热力学性质。
指明各种化合物之间平衡的条件
例如：在 ab 线所表征的条件下 ZnS 与 ZnO 保持 平衡；
系统中不存在 ZnSO4 与 ZnO 的平衡反应。
表 8-1
Nb-C-O
系某些反应的
lg
K
θ P
值（1500K）
反应编号
8-1
8-2
8-3
8-4
1500K
时
lg
K
θ P
值
2. 80
0. 86
● 在平衡面上稳定存在的凝聚态化合物数为 1 ； ● 平衡线上稳定存在的凝聚态化合物数为 2 ； ● 交点上稳定存在的凝聚态化合物数为 3 。 ◆ 步骤三：初步确定有效反应——根据逐级反应原则初步
确定的有效反应。
◆ 步骤四：热力学计算——根据热力学数据计算出各有效 反应的 fG 值，求出 lg(PO2/p)– T 关系式。
◆ 步骤五：根据计算结果绘制成平衡图。
图 8-2 Fe-O 系热力学平衡图
W-Cl-O 系热力学平衡图（ 1100K ） lg( PCl2 / Pθ)
四、逐级转变原则
◆ 原理：当系统中存在多种价态的凝聚态化合物或多种成份 的凝聚态化合物时，往往是相邻两级的化合物能平衡共存。
◆ 应用：在进行平衡线计算时，利用逐级转变原理，可以将 大量不存在的反应删去。 ● 如： Fe-O 系中存在 FeO 、 Fe3O4 、 Fe2O3 三种氧化物。 ● 其中 FeO–Fe3O4 、 Fe3O4–Fe2O3 能平衡共存， FeO 不能 直接与 Fe2O3 平衡。 ● 该系统中有效的生成–分解反应是： 6Fe2O3 = 4Fe3O4 + O2 2Fe3O4 = 6Fe + O2 2FeO = 2Fe + O2
=
848890
282.4T
J·mol1 J·mol1 J·mol1
◆ 步骤二：相律分析——根据相律分析平衡图中各平衡 线、 面及各平衡线的交点上能稳定存在的凝聚态化 合物的数目。
● Fe-O 系统的独立组元数为 2 ； ● 当温度和压强都可变时，其自由度数为 2 ； ● 其平衡状态可在一个平面上表示；
逐级转变原理（续）
● 又如： 400℃时， W-Cl-O 系中存在 WO3 、 WO2Cl2 、 WOCl4 、 WCl6 四种化合物。
● 其中 WO3–WO2Cl2 、 WO2Cl2–WOCl4 、 WOCl4– WCl6 能平衡共存， WO3–WOCl4 、 WO3–WCl6 平衡不存在。
● 该系统中W有O效3 的C生l2成 –W分O解2C反l2 应 是12 O：2