冶金实验研究方法

《冶金实验研究方法》报告
学院：冶金与化学工程学院
专业：13有色金属冶金
学生：邹剑
学号：6120130109
指导教师：徐志峰
课程：冶金实验研究方法
热力学、动力学及工艺矿物学分析方法
在冶金过程研究中应用
一热力学
1.1热力学概述
冶金过程热力学使用热力学方法研究从矿石提取金属及其化合物的各种冶金过程的一门学科。

它是冶金过程物理化学的一个分支，从矿石提取金属可分为火法冶金、湿法冶金和电冶金，后者包括电炉冶炼、熔盐电解和水溶液电解，故也可分别包括在前二者之内。

冶金过程物理化学的发展是从火法冶金，特别是炼钢的热力学开始的，随着冶金工业的发展而扩大其内容，并已逐步深入到有色金属的火法和湿法冶金的研究。

1.2热力学分析方法在冶金过程研究中的应用
冶金过程热力学研究范围十分的广，不仅包括冶金体系的热力学，同时也包含各种冶金过程中有关体系间的相互反应。

在实际生产中，运用热力学定律(dU−TdS−pdV≤SW′)和拉乌尔定律(P A=P A∗∙X A)、亨利定律(P B=k B∙X B)以及吉布斯自由能公式(G=U−Ts−PV)等定理公式求得反应是否可以发生。

在研究有色金属冶金时，冶金热力学涉及到了熔锍、熔渣、熔盐和水盐体系以及有机溶剂和离子交换树脂各个方面。

冶金热力学针对火法冶金来说，通过氧势图给出一系列金属化合物的标准生成自由焓与温度的关系，从而可以对不同化合物的相对稳定性作出定量比较，并可据以计算有关冶金反应的平衡常数。

而对湿法冶金来说,通过电位-pH图给出的某一金属的各种固态和溶解于溶液中的化合物的热力学平衡，也可以给出溶质和气相间的平衡。

这种图对于金属在给定条件下的浸取或腐蚀有一定参考和应用价值，例如湿法冶金中的高压氢还原法就是冶金热力学应用于生产实践的一个例子。

通常情况下，可以通过人为的干预达到提高反应速率、提高经济效益、节约生产成本的目的，从热力学的角度来看，可以通过调节反应条件使得标准自由焓变量尽可能成为较大的负值，越负反应进行得越剧烈也越明显，其次可以提高反应物的活度或者降低产物的活度，这些都可以在生产实践当中指导企业生产，以达到效益的最优化。

二动力学
2.1动力学概述
冶金动力学是研究冶金化学反应发生的速率、机理以及温度、压强和催化剂等其他外界条件对反应速率的影响的一门学科，弄清反应的机理，查明反应物的粒度、浓度、温度等对化学反应速率的影响，才能帮助指导反应所能达到的最大限度以及外界条件对反应平衡的影响。

如果说冶金热力学是用来判断反应能不能发生的，那么，冶金动力学则是回答如何使反应发生。

冶金动力学包括宏观动力学、微观动力学。

宏观动力学主要是指结合反应装置在有流体流动、传质及传热条件下宏观地研究反应速度和机理。

而微观动力学主要是研究反应机理和结构与反应性能间的关系。

一般情况，物理化学中的化学动力学属于微观动力学的范畴；冶金过程动力学即属于宏观动力学的范畴。

2.2动力学分析方法在冶金过程研究中的应用
化学反应的实质是将参与反应的物质传送到反应进行的地点（界面）并发生反应，同时使反应产物尽快排除。

其中速度最慢的步骤限制着整个反应的速度，这个最慢的步骤称为控制步骤或限制环节。

动力学研究反应速率的目的就是求其反应的机理，找出它的限制环节，并导出在给定条件下反应进行的速度方程式，以便来控制和改进实际操作。

在长期的冶金实践中，人们通过总结，认识、掌握了很多规律，通过动力学研究，从冶金反应类型(均相反应还是非均相反应)、反应阻力和反应的限制性环节入手，综合考虑，对生产起着一定的指导作用。

比如对于任意一个复杂反应过程，若是由前后相接的步骤串联组成的串联反应，则总阻力等于各步骤阻力之和，若任意一个复杂反应包括两个或多个平行的途径组成的步骤，则这一步骤阻力的倒数等于两个平行反应阻力倒数之和。

在串联反应中，如某一步骤的阻力比其他步骤的阻力大得多，则整个反应的速率就基本上由这一步骤决定——反应速率的控速环节和限制性环节或步骤，在平行反应中，若某一途径的阻力比其他途径小得多，反应将优先以这一途径进行。

就拿判断传质或界面反应为限制性环节的方法，生产上常常是通过增强熔池搅拌和改变温度的手段来进行的。

三工艺矿物学
3.1工艺矿物学概述
工艺矿物学是对工业固体原料与产品的矿物组成、含量、嵌布特征、元素赋存状态、有用组分的单体解离，以及其他相关工艺性质的含义、作用、研究方法与基本理论进行了系统而全面介绍的一门学科。

它主要是研究矿物原料加工过程中的矿物学问题，确定矿物加工过程中矿物的行为规律，为工艺过程的分析、预测和控制提供理论依据。

工艺矿物学研究涉及到矿物原料加工利用的各个领域。

例如：地质、采矿、冶金、建材、化工等。

研究内容：矿石的物质组成研究。

包括(1)矿石的化学成分和矿物组成两个部分。

(2)矿石的结构构造。

(3)矿石中有益和有害的赋存状态。

(4)矿物的粒度特性。

矿物的嵌布粒度大小和粒度分布特征。

(5)矿物的解离性。

矿物破碎后单体解离的程度。

(6)主要矿物的工艺特性。

测定矿物的主要物性参数，研究矿物的化学成分、微观结构和表面性质与其可选性的关系，研究加工过程中矿物性质的变化及其对可选性的影响，指导选矿工艺方法的选择和工艺参数的优化。

(7)选矿产品综合工艺性能研究。

研究原矿、精矿、尾矿和选矿中间产物的粒度组成、不同粒级中金属和矿物的分布、矿物解离性等。

为精矿提质降杂、尾矿综合回收、流程优化等提供依据。

3.2工艺矿物学分析方法在冶金过程研究中的应用
概括说来，工艺矿物学的研究方法包括：(1)矿石的物质组成研究；(2)矿石的结构构造；(3)矿石中有益和有害元素的赋存状态；(4)矿物的粒度特性；(5)矿物的解离性。

在冶金实验过程中，通过矿物偏光镜显微镜鉴定，可以知道矿物在偏光镜下的光学性质，经过X射线衍射分析(XRD)、透射、电子探针微区分析等工艺矿物学的常用测试技术，得出原料与产物中元素的赋存状态、矿物颗粒的粒度，定性地判断出矿物的元素和相应的性质，这在冶金实验过程是不可或缺的一部分，比如铁矿石中铁的赋存形式与选矿方法和磁铁矿解离参数的应用等，就常常要借助于工艺矿物学研究。

四总结
综上所述，冶金热力学研究是研究化学（冶金）反应的方向和反应能达到的最大限度以及外界条件对反应平衡的影响，但是，热力学只能预测反应的可能性，无法预料反应能否发生，无法确定反应的速率，无法了解反应的机理。

冶金动力学在反应发生的速率、机理以及温度、压强和催化剂等其他外界条件对反应速率的影响方面上进行系统的研究和补充。

而工艺矿物学，通过各类测试技术确定产物的矿物组成、含量、嵌布特征、元素赋存状态、有用组分等，从而为精矿提质降杂、尾矿综合回收、流程优化等提供理论和实践依据。

热力学研究相变或化学反应等过程在一定条件下的可能性和限度，而动力学则研究过程的变化速率和机理。

在动力学应用上，要注意到的是综合考虑模型的使用范围和条件，比方说在研究活化能对反应速度的影响时，忽略指前因子的影响就会造成片面甚至失误的结论，物理因素如机械作用对矿物的冶金化学反应动力学特性的影响在研究时也是个不可忽略的因素。

而工艺矿物学更多的是一种检测功能，使得实验研究更加科学合理，定性地判断矿物组成及赋存形式。

以上就是本人对热力学、动力学和工艺矿物学研究方法在冶金中应用的理解，当然，在某些方面理解还不够成熟，还望老师不吝提出宝贵建议！同时，本人也郑重声明，以上内容都是本人悉心整理归纳，绝无雷同！。