金属的熔炼与凝固(二)
△G0=-RTlnKp=RTlnPo2 △G0= △H0-T △S0
（2-3） （2-4）
氧化物的分解压Po2、热焓变量△H0是 衡量金属与氧亲和力大小常用的两个参数。 Po2和△H0小，金属与氧的亲和力大，金属 的氧化趋势大，氧化程度高。
△G0的确定和求解：
由热力学公式：
△G0=-RTlnKp 及
金属与一摩尔氧作用生成金属氧化物的自由焓变量称为氧化物 标准生成自由焓变△G0：
（2-1）
△G0 <0
（2-2）
△G0不仅是衡量标准状态下金属氧化趋势的判据，也是衡
量标准状态下氧化物稳定性大小的一种尺度。某一金属氧化物 的△G0值越小或越负，则该元素与氧的亲和力越大，氧化反应 的趋势亦越大，氧化物就越稳定。
金属的熔炼与凝固
第二讲 有色金属及合金熔炼的基本原理
大纲
3.1 金属熔炼过程的热量和物质交换 3.2 金属的蒸发 3.3 金属的氧化及防护 3.4 金属熔体的气体夹杂及控制 3.5 杂质的吸收与积累
3.1 金属熔炼过程的热量和物质交换
3.1.1 金属熔炼过程中的传热
• 热量传输的三种基本方式：导热、对流和
• 扩散：物质分子从高浓度区域向低浓度区域转移，直到均匀 分布的现象。扩散的速率与物质的浓度梯度成正比。
• 菲克第一定律指出，在稳态扩散（即 ）的条件下，单位时间 内通过垂直于扩散方向的单位面积的扩散物质量（通称扩散 通量）与该截面处的浓度梯度成正比。为简便起见，仅考虑 单向扩散问题。设扩散沿x轴方向进行（图1），菲克第一定 律的表达式为
要大得多，它们的比值即为热效率E：
• E（%）＝W理/W实
3.1.2 金属熔炼过程的传质
• 传质的概念：物质从体系的某一部分迁移 到另一部分的现象称为质量传输
• 传质是由于体系中物质的浓度梯度所引起 的原子、分子运动以及由于外力场或密度 场造成的流体原子集团的运动而引起物质 的迁移
• 传质的形式：扩散传质、对流传质、相间 传质
• 挥发是金属的重要熔炼特性之一；
• 金属的挥发可用于精炼提纯；
• 挥发在熔炼时会导致金属的损失，使合金 成分控制困难；
• 挥发的金属蒸气及其氧化物污染环境，危 害人身健康。
挥发的热力学
• 金属的挥发相变反应式为： Me(L,S)=Me(g)
• 在某一温度达到平衡时，气相中金属的蒸 气分压称为该金属在该温度下的饱和蒸气 压，简称蒸气压.
• 金属的氧化趋势可以用氧化物生成自由焓变量 △G来表示。
• 氧化物的生成自由焓变量△G、分解压Po2、生成 热△H0以及反应的平衡常数KP是相互联系的。因 此通常用△G、Po2、△H0和Kp的大小来判断金属 氧化反应的方向、趋势和限度。
3.3.1 金属氧化的热力学条件和判据
标准状态（气相分压为一大气压，凝聚相不形成溶液）下，
• 影响对流传质的因素：流体流动的起因、流动 的性质、流体的物理性质 、 表面几何特性等
扩散传质与对流传质都是在均一相的内部进行
• 相间传质：通过不同相的相界面进行的传质
• 相间传质既有分子或原子的扩散又有流体中 的对流传质。相间传质是多种传质过程的综 合
3.2 金属的蒸发
• 金属的蒸发：金属加热到熔点时，便开始从 固态转化为液态，液态金属的原子或分子出 现连续的无序运动，表面层具有过剩能量的 原子或分子脱离金属表面形成气体，这种现 象称之为金属的蒸发，也叫挥发。在熔炼过 程中，金属的挥发是难以避免的，特别是一 些易挥发元素有时会因挥发损失过大致使控 制成分发生困难；故在熔炼工艺上应视情况 采取相应措施。
由热容CP和热焓变量△H0可以导出的△G0与温度T的关系式：
△G0=f(T)
（2-5）
如：
△G0=A+BTlnT+CT （2-6）
△G0= A+BT
（2-7）
一些元素氧化反应的△G0与T关系的二项式已列入热力学数据手册 和有关书籍的附表中。
3.3.2 金属氧化的动力学条件
• 研究氧化反应动力学的主要目的，是要弄 清在熔炼条件下氧化反应机制、限制性环 节及影响氧化速度的诸因素（温度、浓度、 氧化膜结构及性质等），以便针对具体情 况改善熔炼条件，控制氧化度，尽量减 少金属的氧化烧损。
• 饱和蒸气压是衡量金属挥发趋势大小的一 个重要热力学参数。在相同条件下，蒸气 压越高，则金属越易于挥发。
金属的挥发能力还可用其蒸发热或沸 点来判断，一般蒸发热小，沸点低的金属较 易挥发。
对于：Me(L,S)=Me(g)
可以推知：
d
ln pM0 e dT
H
o (S
,V
)
RT 2
log
pM0 e
H 0 2.303 RT
3.3 金属的氧化及防护
• 狭义的金属氧化指金属与氧化合成为氧化 物的过程
• 广义的金属氧化指金属失去电子从而正原 子价升高的过程,即Μ＝Mn+＋ne。金属的氧 化能否发生，取决于热力学条件
• 金属氧化热力学主要研究金属氧化的趋势、各合 金元素氧化的顺序和氧化程序，由金属与氧的亲 和力决定的。
辐射 • 金属熔炼过程中传热的主要方式是对流和
辐射
• 金属熔化所需要的理论总热量W理，可通过下式来计 算：
w理
TM 200C
CpSdT
L
T TM
CPLdT
式中：
CSP －固体比热，kJ/(kg﹒K)；
CLp
－液体比热，kJ/(kg﹒K)； L－潜热；
TW－熔点，℃。 此热量为所需的最小能量，但实际所消耗的能量W实
J D dC dx
• 式中：J为扩散通量(atoms/(m2·s)或kg/(m2·s))；D为扩散系数 (m2/s)；dC/dx 为浓度梯度(atoms/(m3·m)或kg/(m3·m))
• 对流传质是流动着的流体与壁面之间或两个有 限互溶的流动流体之间发生的传质
• 对流传质的分类：①单相对流传质。质量传递 仅在运动流体的一相（气相或液相）中发生。 ②相际对流传质。质量传递发生于两相间
C 2.303
A T
B
或：
log pM0 e AT 1 B log T CT D
可见，温度升高，金属的蒸气压增大，金属的挥发趋势增强。
• 影响金属蒸发的因素： (1)金属的饱和蒸气压； (2)温度的影响 T↑蒸气压↑ (3)压力影响P↓蒸气压↑ (4)合金元素的影响 合金元素的活度↑蒸气压↑ (5)其他因素影响
3.2熔化和凝固教学设计人教版八年级上册物理
3.2 熔化和凝固【教学目标】1.借助日常生活经验，认识物态变化、熔化和凝固。
2.通过探究实验，学习用图象处理实验数据，提高动手能力。
3.将所学知识与日常生活相结合，尝试运用物理知识解决问题。
4.通过分析实验数据，理解熔点和晶体、非晶体。
【教学重难点】重点：实验探究晶体与非晶体在熔化过程中的本质区别，总结不同物质熔化和凝固的规律。
难点：根据实验数据分析、总结推理熔化和凝固曲线并了解其物理意义。
【教学过程】一、导入新课教师展示图片：由物质三种状态及物态变化引出熔化和凝固。
引出主题：我们常见的物质有三种状态：固态、液态、气态。
比如：冰、铜、铁通常是固态的，水、油通常是液态的，氧气、氮气、氢气都是气态的。
而物质的状态在一定条件下是可以变化的，这就是物态变化。
其中，固态和液态之间的变化叫熔化、凝固。
这就是我们这节课的主题：第三章第二节熔化和凝固。
二、新课讲授（一）熔化和凝固提问：什么是熔化？什么是凝固？一句话描述。
预设：熔化：物质从固态变成液态的过程叫做熔化（melting）。
凝固：物质从液态变成固态的过程叫做凝固（solidification）。
2.交流举例：自主思考，同位交流。
熔化：冰熔化为水、蜡烛熔化为烛滴等。
凝固：水结冰、火山喷出的岩浆凝固成火山岩等。
更多预设：把水放入冰箱的冷冻室里，水就会变成冰；把冰加入饮料中，冰从饮料中吸收热量就变成了水。
点燃的生日蜡烛的火焰旁边，固态的蜡不断地变成液态的蜡，一部分流下来的蜡滴很快又变成了固态的蜡。
路桥施工人员把固态的沥青加热成液态，再把液态的沥青浇在路面上，很快又变成固态。
钢水浇铸成火车轮。
把废塑料回收再制成塑料产品。
针对训练1.用铜块浇铸铜像的过程，发生的物态变化是()。
A．一个凝固过程B．一个熔化过程C．先熔化后凝固D．先凝固后熔化答案：C 解析：固变液叫熔化，液变固叫凝固。
3.启发引导：物质怎样才会由固态变成液态？在熔化过程中，它们的温度有什么变化？4.学生探究：组织、指导学生体会实验的各个环节，合作探究，仔细观察、认真分析。
《探究熔化和凝固的特点》 知识清单
《探究熔化和凝固的特点》知识清单一、熔化和凝固的基本概念熔化，指的是物质从固态变成液态的过程。
比如，冰变成水，蜡烛受热由固态变成液态，都是熔化现象。
凝固，则是物质从液态变成固态的过程。
水结成冰，液态的金属冷却后变成固态的金属块，这些都属于凝固现象。
二、熔化和凝固的条件熔化的条件有两个：一是温度要达到物质的熔点；二是要持续吸热。
凝固的条件同样有两个：一是温度要达到物质的凝固点；二是要持续放热。
这里需要注意的是，同种物质的熔点和凝固点是相同的。
例如，冰的熔点是 0℃，水的凝固点也是 0℃。
三、熔化和凝固的特点1、熔化特点在熔化过程中，物质吸收热量，但温度保持不变。
以晶体为例，比如冰在熔化过程中，尽管一直在吸热，但温度始终保持在 0℃，直到完全熔化成水。
而非晶体在熔化过程中，温度是不断升高的。
像石蜡在熔化时，一边吸热，一边温度持续上升。
2、凝固特点晶体在凝固过程中，不断放热，但温度保持不变。
水在凝固成冰的过程中，温度一直保持在 0℃，直到全部变成冰。
非晶体在凝固时，温度是逐渐降低的。
例如，玻璃浆在凝固时，温度持续下降。
四、常见的晶体和非晶体常见的晶体有：冰、海波、各种金属（如铁、铜、铝等）、萘、食盐等。
常见的非晶体有：石蜡、玻璃、松香、沥青、塑料等。
五、熔化和凝固的图像1、晶体的熔化和凝固图像晶体的熔化图像是一条温度不变的水平线段，表示在熔化过程中温度不变；晶体的凝固图像同样有一段温度不变的水平线段，表示凝固过程中温度不变。
2、非晶体的熔化和凝固图像非晶体的熔化和凝固图像都是曲线，没有温度不变的阶段，温度一直在变化。
六、熔化和凝固在生活中的应用1、熔化的应用（1）金属的熔炼：通过加热将金属从固态熔化成液态，进行铸造或加工。
（2）医疗中的局部冷冻麻醉：利用某些物质的凝固点低，如液氮，在常温下迅速汽化吸热，使局部组织迅速降温而达到麻醉的效果。
2、凝固的应用（1）冬天在菜窖里放几桶水，利用水凝固时放热，防止菜被冻坏。
熔炼过程中的物理现象
熔炼的原理和分类
原理
熔炼过程中，金属或合金的原子或分 子的运动速度增加，使得固体晶格结 构被破坏，完全转化为液态。
分类
根据加热方式、熔炼温度、熔炼设备 等不同，熔炼可以分为多种类型，如 电弧熔炼、感应熔炼、坩埚熔炼等。
熔炼过程的基本步骤
熔化
将原料加热至其熔点以上，使 其完全转化为液态。
调温
控制熔融金属或合金的温度， 以满足后续铸造或浇注的要求 。
凝固过程中的物理变化
热量的传递
熔体在冷却过程中，热量从外部环境传递到熔体内部，导致温度 下降。
相变潜热的产生
在凝固过程中，液相转变为固相需要吸收热量，即相变潜热。
物质状态的变化
液态物质转变为固态物质，伴随着物质状态的变化。
影响凝固的因素
1 2
冷却速率
冷却速率越快，凝固过程越快，反之则慢。
熔体成分
辐射传热是指热量通过电磁波的形式，从一个物体传递到另一个物体的过程。
辐射传热在熔炼过程中的作用
在熔炼过程中，辐射传热也是重要的传热方式之一。炉膛内部的热量通过辐射形式传递 给物料，使物料受热熔化。
05 凝固现象
凝固的定义和过程
凝固
物质从液态变为固态的过程。
凝固过程
熔体在冷却过程中失去流动性，转变 为固体。
压力
压力对物质的熔点有影响，压力越大，物质的熔 点越高。
杂质
杂质的存在可能会影响物质的熔点，不同纯度的 物质其熔点不同。
熔化过程的热力学分析
01
02
03
焓变
熔化过程是吸热过程，物 质的焓值会增加。
熵变
随着熔化过程的进行，物 质由有序的固态逐渐转变 为无序的液态，熵值会增 加。
铝合金熔炼与铸造 (2)
铝合金熔炼与铸造1.铝合金是一种重要的金属材料，具有优异的物理性能和机械性能，广泛应用于航天航空、汽车制造、建筑工程等领域。
铝合金熔炼与铸造是生产铝合金制品的关键步骤，本文将介绍铝合金熔炼与铸造的基本原理、常用工艺和注意事项。
2. 铝合金熔炼铝合金熔炼是将铝合金原料加热至熔点，并以一定方式进行熔炼的过程。
铝合金原料可以是铝锭、废铝或铝合金碎料，在熔炼过程中需要加入一定比例的熔剂和合金元素。
铝合金熔炼的目的是将原料熔化并混合均匀，以获得符合要求的铝合金液态材料。
2.1 熔炼设备铝合金熔炼通常使用电阻炉、感应炉或电弧炉等熔炼设备。
其中，电阻炉是最常用的熔炼设备之一。
电阻炉通过电流通过导体产生的电阻热进行熔炼，具有加热速度快、操作方便等优点。
感应炉则利用电磁感应的原理进行加热，加热效率高，适用于熔炼大批量的铝合金。
电弧炉则利用电弧的高温进行熔炼，适用于熔炼高温合金。
2.2 熔炼工艺铝合金熔炼的工艺通常包括预热、熔炼和保温三个阶段。
将熔炼设备预热至一定温度，然后将铝合金原料和熔剂放入炉中，并控制加热温度和时间，使原料熔化并混合均匀。
，保持一定温度，使铝合金保持液态状态，以备后续的铸造工艺使用。
2.3 熔炼注意事项在铝合金熔炼过程中需要注意以下几点：•安全操作：熔炼过程中需要戴上防护设备，避免接触高温液态金属和有害气体。
•熔化温度控制：严格控制熔化温度，过高的温度会导致铝合金组织不稳定，影响机械性能。
•熔炼时间控制：合适的熔炼时间可以保证原料充分熔化和混合均匀。
•熔剂和合金元素的添加：根据铝合金的要求添加适当比例的熔剂和合金元素，以调整铝合金的成分和性能。
3. 铸造过程铸造是将铝合金液态材料倒入铸型中，并经过凝固和冷却形成所需的铝合金制品的过程。
铸造过程可以分为压铸、重力铸造和砂型铸造等不同的铸造方法。
3.1 压铸压铸是一种通过高压将铝合金液态材料注入金属模具中，并经过快速凝固形成制品的铸造方法。
压铸具有生产效率高、制品精度高等优点，适用于生产复杂形状的铝合金制品。
铝合金熔炼与浇注
铝合金熔炼与浇注[关闭] 合金的熔炼与浇注是铸造生产中主要环节。
严格控制熔炼与浇铸的全过程，对防止针孔、夹杂、欠铸、裂纹、气孔以及缩松等铸造缺陷起着重要的作用。
由于铝熔体吸收氢倾向大，氧化能力强，易溶解铁，在熔炼与浇铸过程中必须采取简易而又谨慎的预防措施国，以获得优质铸件。
一、铝合金炉料冷笑及质量控制为了熔炼出优质铝熔体，首先应选用合格的原材料。
须对原材料进行科学管理和适当处理，否则就会严重影响合金的质量，生产实践证明，原材料（包括金属材料及辅助材料）控制不严会使铸件成批报废。
（一）原材料必须有合格的化学成分及组织，具体要求如下：1.入厂的合金锭除分析主要成分及杂质含量外，尚就检查低陪组织及断口。
实践证明，使用了含有严重缩孔、针孔、以及气泡的铝液，就难以获得致密的铸件，甚至会造成整炉、整批的铸件报废。
有人在研究铝硅合金锭对铝合金针孔的影响时发现，用熔融的纯浇铸砂型试块时并不出现针孔，当加入低组织和不合格的铝硅合金锭后，试块针孔严重，且晶粒大。
其原因为材料的遗传性所致。
铝硅系合金和遗传性随着含量的提高面增大，硅量达到7%时，遗传显著。
继续提高硅含量到共晶成分，遗传性又稍减小。
为解决炉料遗传性引起的铸件缺陷，必须选用冶金质量高的铝锭、中间合金及其它炉料。
具体标准如下：（1）断口上不应有针孔、气孔(2)针孔应在三级以内，局部（不超过受检面积的25%）不应超过三级，超过三级者必须采取重熔炼的办法以减少针孔度。
重熔精炼方法与一般铝合金熔炼相同，浇铸温度不宜超过660℃，对于那些原始晶粒大的铝锭、合金锭等，应先用较低的锭模温度，使它们快速凝固，细化晶粒。
（二）炉料处理炉料使用前应经吹砂处理，以去除表面的锈蚀、油脂等污物。
放置时间不长，表面较干净的铝合金锭及金属型回炉料可以不经吹砂处理，但应消除混在炉料内的铁质过滤网及镶嵌件等，所有的炉料在入炉前均应预热，以去除表面附的水分，缩短熔炼时间在3小时以上。
、（三）炉料的管理及存放炉料的合理保存及管理对确保合金质量有重要意义。
现代金属材料的制备与成型技术
现代金属材料的制备与成型技术一、金属材料的制备技术：1.熔炼法：熔炼法是制备金属材料最常用的方法之一、它通过将金属原料加热至熔化状态，然后通过冷却凝固形成所需形状的材料。
熔炼法可分为电熔法、真空熔炼法、坩埚熔炼法等。
2.粉末冶金法：粉末冶金是一种将金属粉末通过成形与烧结来制备金属材料的方法。
该方法不需要熔化金属，可直接使用金属粉末，在高压下成型成所需形状，然后通过烧结得到金属材料。
3.化学法：化学法是一种利用化学反应来制备金属材料的方法。
常见的化学法包括电解法、沉积法和溶液法等。
这些方法通过将溶解金属离子的溶液与适当的反应剂反应，使金属离子还原成金属固体。
4.气相沉积法：气相沉积法是一种利用高温高压条件下，使金属原料气化后沉积在衬底上的方法。
这种方法可以制备薄膜、纤维等金属材料。
二、金属材料的成型技术：1.锻造成型：锻造是一种将金属材料加热至一定温度后施以一定的力使金属发生塑性变形，从而得到所需形状的方法。
锻造可分为自由锻造、模锻造和挤压锻造等。
2.压力成型：压力成型是一种利用压力来使金属材料发生塑性变形，从而得到所需形状的方法。
常见的压力成型包括挤压、拉伸、连续模锻等。
3.粉末冶金成型：粉末冶金成型技术是指利用金属粉末进行成型的方法。
通过将金属粉末与适当的粘结剂混合，然后在高压下成形。
最后通过烧结将金属粉末与粘结剂固化在一起，得到所需形状的金属成品。
4.焊接与连接：焊接是一种将两个或多个金属材料通过加热、溶解或者高压连接在一起的方法。
常见的焊接方法有电弧焊接、气焊、激光焊接等。
除了焊接外，还有螺纹连接、铆接和胶粘连接等方法。
三、现代金属材料的设备与工具：1.熔炉：熔炉是用于将金属原料熔化的设备，它可以提供高温条件，使金属原料达到熔点，进行熔炼制备。
2.成型机床：成型机床是用于金属材料成型的机床设备，如锻压机、冲床、拉伸机等。
它们通过施加力或者压力，使金属发生塑性变形，得到所需形状。
3.烧结炉：烧结炉是用于粉末冶金制备的设备，它可以将金属粉末在高温条件下烧结成一体。
金属凝固
第一章1金属的熔化并不是原子间结合键的全部破坏，液态金属内原子的局域分布仍具有一定的规律性。
原因：金属熔化时典型的体积变化∆V V m /(多为增大）为3%~5%,金属熔化潜热m H ∆比其汽化潜热b H ∆小得多，为汽化潜热的1/15~1/30。
2粘度：定义：作用于液体表面的应力τ大小与垂直于该平面方向上的速度梯度dy dv x /的比例系数。
dy dv x ητ= 相关数学表达式：)exp(203T k U T k B B τδη= 0τ为原子在平衡位置的振动周期（对液态金属约为s 1310-） 粘度随原子间距δ增大而降低，以3δ成反比。
3运动粘度为动力粘度除以密度，即ρην/=粘度的影响因素：①金属液的粘度η随结合能U 按指数关系增加；②粘度随原子间距δ增大而降低；③η与温度T 的关系受两方面共同制约，但总的趋势随温度T 而下降。
4粘度在材料成型中的意义：①粘度对层流的影响远比对湍流的影响大。
在层流情况下的液体流动要比湍流时消耗的能量大。
当2300>e R 时，为湍流，当2300<e R 时，为层流。
雷诺数Re=ηρνDv Dv =（D 为直接，v 为速度，v 为运动粘度）ρνη速层D R f 32e 32== 2.02.00.2092.0e 092.0）速（湍ρνηD R f == 5流动阻力越大，管道中运输相同体积的液体所消耗的能量就越大，或者所所需压力差也就越大，由此可知，在层流情况下的液体流动要比湍流时消耗的能量大。
6夹杂物和气泡的上浮速度与液体的粘度成反比ηρρ2)(92r g v B m -=（m ρ为液体合金密度，B ρ为夹杂物或气泡密度） 下沉m B ρρ-(即杂—液）。
7.压力差：对一般曲面σ)11(21r r p +=∆（σ表面张力） 对圆柱形（2r =∞）则p ∆=rσ（式中1r r =）对球形（如液滴）（21r r =）则rp σ2=∆（式中21r r r ==） 9附加压力的意义：铸造过程金属液是否侵入砂型毛细管而形成粘砂，与表面张力σ引起的p ∆有关，金属液与砂型不湿润，有利于防止金属侵入砂型毛细管而形成粘砂，但毛细管直径D 及金属液静压头H 越大，越容易产生粘砂。
纯金属与合金的凝固 (2)
相组成物： α+β
59
d．过共晶合金
60
➢平衡凝固过程总结： ➢（1） 各相的成分可由相图确定 ➢（2） 成分不同，凝固过程不同，组织
不同 ➢（3） 室温组织中均含有α，β两相，其
以不同的数量、形态、分布等形式体现 出不同的组织。具有不同的性能。
61
3.共晶形态
62
金属-金属共晶的常见形态
63
共晶形成的搭桥机制
64
层片共晶凝固时的原子扩散
65
➢凝固速度与共晶组织细小程度的关系
可用层片间距λ与凝固速度R之间关系描述：
λ=K R-n
➢减小层片间距可以提高共晶组织的强度
66
4．共晶合金的非平衡凝固
a．伪共晶（ I合金）
67
几种可能的伪共晶区
68
b.不平衡共晶体 （ II合金）
T4
T4
T4
T4
44
➢ 产生成分过冷的条件
G mc0 g1 - k0 R D k0 G : 液相温度梯度
R：凝固速度
m：液相线斜率
k0：平衡分配系数
c0：合金成分
D：溶质原子在液相中的扩散系数
45
成分过冷会改变晶体生长的形态
46
47
48
4.2.2 共晶相图及其合金凝固
1.共晶相图分析
基本概念：共晶转变，共晶体，共晶合金系
可通过扩散退火消除包晶偏析。
81
➢Al-Mn
82
➢Al-Cu
83
4.3二元相图的分析和使用
4.3.1 其他类型的二元相图 1.其他类型的恒温转变相图
84
（1） 具有熔晶转变的相图
第五章 纯金属的凝固
多数金属制品的生产都需要经历熔炼和铸造两 个工艺过程。熔炼是为了获得符合要求的液态 金属。铸造是将液态金属注入铸模中使之凝固 成一定形状，尺寸的固态金属件或金属锭。 结晶：液态金属转变为固态金属晶体的过程。 结晶是铸锭，铸件，金属焊接生产的主要过程。 是材料制备的最主要工艺。 广义结晶定义：聚集态，晶态，非晶态—晶体 的过程。
dn / dt B2 exp(GA / KT ) I B exp[(G * GA ) / KT ]
下式中的ΔG*和ΔGA与扩散有关，但两项变化 趋势不同：ΔT↓时，ΔG*↑,而 ΔGA↓.
原子可动性 相变驱动力 e-ΔG*/KT
e-ΔGA/KT
I
温度T→Tm 温度 温度 I－t 曲线示意图
Tm Ts
无限缓慢
时间
过冷:金属开始凝固温度Ts,低于其熔点Tm的现 象. ΔT(过冷度)=Tm-Ts,Tm为熔点。 不同金属以及不同冷却条件，其凝固的过冷度 是不同的。 金属中纯度越高，无杂质，ΔT越大。冷却速 度越大，过冷度也越大。采取特殊手段，可使 金属的最大过冷度增加。象使液态金属细化成 液滴可使过冷度增加。如下表：
一，均匀形核
由均匀母相中形成新相结晶核心的过程，是一 种无择优位置的形核。 1，均匀形核的热力学分析 晶胚出现增添了一项表面自由能，系统自由 焓总变化为ΔG=-V·ΔGV+Aγ ，设晶胚的形状 为圆球，半径为γ0，ΔG=-4πr3ΔGV/3+ 4πr2γ(σ),该式给出给定温度下,晶胚半径与ΔG 之间的关系。(下图也能说明另一些问题)
d (G ) 4 r 2 Gv 8 r 0 dr 2 16 r 3 r* G* 2 Gv 3(Gv)
第二节-铝冶金与熔炼
生产过程自动化；节省能量， 如，采用流态化焙烧；生产 砂状氧化铝，满足烟气干式 净化需要。
（二）碱石灰烧结法
对铝硅比<4的铝土矿，碱石灰烧结 法几乎是唯一得到实际应用的方法。 我国铝土矿大多铝硅比不高。 1．原理 （1）铝土矿、苏打(Na2CO3)、石灰混 合 （2）1200℃烧结：SiO2与CaO化合成 不 溶 于 水 的 原 硅 酸 钙 (2CaO·SiO2) ； Al2O3 与 Na2CO3 化 合 生 成 可 溶 于 水 的 NaAlO2(或Na2O·Al2O3)。 （3）稀碱溶液浸出：NaAlO2进入溶液 、与2CaO·SiO2分离。
③ 溶液温度
浓度、 k 一定时，T↓→稳定性↓
④ 结晶核心和搅拌作用
细小的Al(OH)3的加入和搅拌，加速 速铝酸钠溶液分解。 对于制备的铝酸钠溶液
当Al2O3～(145±5)g/L、 k 1.7、
T<100℃，溶液不稳定。越接近30℃、
过饱和程度越大。此时，加入Al(OH)3 晶种、并机械搅拌，过饱和铝酸钠溶
Al2O3·H2O500-550℃γ- Al2O3+ H2O (1.1.2.10)
γ- Al2O3 900℃开始α- Al2O3
(1.1.2.11)
反应(1.1.2.11)要在1200℃维持足够长时间,
才能获得适合电解要求的α- Al2O3 。 煅烧温度高、能耗大，一般采用带冷却机的
回转窑，以重油、煤气为燃料。最大的窑为
(1.1.2.26)
反应（1.1.2.25）将分解产生的NaOH中和，使反应持续进行。沉淀过滤、洗
涤送煅烧，母液蒸发后返回烧结配料。
四、金属铝的生产