冶金原理-活度教学探讨
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如何学好《冶金原理》这门课学习指南阳光大学生网怎样学好冶金原理的几点建议：从矿物资源中冶炼金属的一般原理：金属矿物中的金属化合物经提纯后，通常是选择适宜的复原剂使金属复原出来。
最常用的复原剂是焦炭。
历史上，不少金属就是在矿石和焦炭一起灼烧时被发现的。
焦炭价廉易得，热值较高。
那些需要在高温下复原的金属，常用焦炭来冶炼。
学习大纲：1.了解热力学的性质和应用，严格与动力学相区分，冶金熔体类型及作用、几类溶液、溶液中组元浓度表示方法。
2．理解活度与活度系数，能灵活将活度应用于冶金反响的热力学计算。
3．掌握冶金原理研究内容、炉渣在冶金过程中的作用、冶金化学反响的标准吉布斯自由能计算、活度三种标准态的选择及其转换关系。
重点：冶金原理研究内容、冶金熔体概念、炉渣作用、冶金化学反响吉布斯自由能计算，活度三种标准态的选择及其转换关系。
学好冶金原理：首先，你得熟悉和掌握物理化学中与冶金相关的冶金热力学和动力学根底知识，因为钢铁冶炼中的复原熔炼、氧化熔炼过程都需要用到这些根底知识；其次要对整个钢铁冶金原理的主要课程内容有个总体了解：钢铁冶金均在1400℃左右的高温下进展，所有冶金原料、熔剂以及冶金产物（铁水、钢水、高炉渣、转炉渣、电炉渣等）均以熔融液态存在，因此，须对这些冶金熔体的根本物化性质有个了解，并熟悉目前从构造角度（微观，也就是分子、离子）解释这些物化性质发生变化的内在机理的学术观点有哪些，各有什么优缺点；另外，为了方便研究这些熔体在由固态变成液态、由液态冷却成固态过程中，熔体的组分变化会引起哪些物相的出现或消失以及会对熔体的物化性质产生什么样的影响，所以产生了相图这一方法，要学会二元相图、三元相图的分析方法。
再次，钢铁冶金原理的其他内容就是按照冶金工序的实质不同分成了复原熔炼和氧化熔炼，并对其热力学和动力学分别进展了探讨，由于这些熔炼过程均涉及到化合物的合成-分解以及燃料的燃烧，故把这局部内容单独拿出来研究其热力学过程。
冶金原理教案
冶金原理教案教案标题：冶金原理教案教案目标：1. 了解冶金原理的基本概念和重要性。
2. 理解冶金原理在金属材料加工和制造中的应用。
3. 掌握冶金原理相关的基本知识和实验技能。
教学内容：1. 冶金原理的定义和基本概念a. 冶金的定义和起源b. 冶金原理的重要性和应用领域2. 金属材料的结构与性质a. 金属晶体结构的基本类型b. 金属的物理性质和化学性质c. 金属的力学性能和热处理3. 冶金原理的实验技能a. 金属材料的制备和处理技术b. 金属材料的组织观察和性能测试方法c. 冶金实验的安全操作和数据处理教学方法：1. 讲授法：通过讲解冶金原理的基本概念和理论知识，引导学生理解冶金原理的重要性和应用。
2. 实验法：组织实验活动，让学生亲自进行金属材料的制备、观察和测试，培养他们的实验技能和数据处理能力。
3. 讨论法：组织学生进行小组讨论，探讨不同金属材料的结构与性质之间的关系，促进学生的思维能力和合作能力。
教学步骤：1. 引入：通过实例和问题引入冶金原理的重要性和应用领域。
2. 知识讲解：讲解冶金原理的基本概念、金属材料的结构与性质以及冶金实验的技能要求。
3. 实验操作：组织学生进行金属材料的制备、观察和测试实验。
4. 实验结果分析：引导学生对实验结果进行观察和分析，探讨金属材料的结构与性质之间的关系。
5. 知识巩固：组织学生进行小组讨论，解决冶金原理相关的问题，巩固所学知识。
6. 总结回顾：对本节课的内容进行总结回顾，强调冶金原理的重要性和应用。
教学评估：1. 实验报告评估：评估学生的实验操作技能和数据处理能力。
2. 小组讨论评估：评估学生的思维能力和合作能力。
3. 课堂练习评估：通过课堂练习检验学生对冶金原理的理解程度。
教学资源：1. 教科书和参考书籍：提供冶金原理的基本知识和理论支持。
2. 实验设备和材料：提供金属材料的制备和处理所需的实验设备和材料。
3. 多媒体教学工具：使用多媒体教学工具展示冶金原理的实验过程和实验结果。
冶金原理第三章
3.1.4 相互作用系数的应用
3.2 铁液中元素的溶解及存在形式
3.2.1 铁液中元素的溶解
1) 2) 3) 4) 5) 与铁形成近似理想溶液的元素： 与铁形成近似理想溶液的元素： 与铁形成近似规则溶液的元素: 与铁形成近似规则溶液的元素 与铁形成稀溶液的元素： 与铁形成稀溶液的元素： 与铁形成实际溶液的元素： 与铁形成实际溶液的元素： 在熔铁中溶解度很小的元素： 在熔铁中溶解度很小的元素：
3.2.2 气体在铁液中的溶解
1）氢和氮 ）
气体溶解的平方根定律或西华特定律： 气体溶解的平方根定律或西华特定律： • 在一定温度下，双原子气体在金属中的溶解度与该气体分压（量纲一） 在一定温度下，双原子气体在金属中的溶解度与该气体分压（量纲一） 的平方根成正比。 的平方根成正比。
冶金原理
% FeO 10.97 % SiO2 42.58 0.152 0.710 n FeO M FeO 72 M SiO2 60
% Fe2 O3 1.79 0.011 M Fe 2O3 160
n Fe 2O3
n
i
1.691
x FeO
n FeO 0.152 0.090 ni 1.691
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解：
( FeO) [O] [ Fe] 平衡常数K： K
a[O ]aFe a( FeO)
a Fe 1
当FeO为纯FeO时：
[%O] 分配比LO： LO K a( FeO)
a( FeO ) x( FeO ) 1
a FeO [%O] 0.048 0.228 LO 0.211
2
2.2.1 活度标准态的选择与转换
(1)处理冶金溶液组元活度时标准态的选择 依据： 使组分在溶液中表现的性质与 其作为基准的拉乌尔定律或亨 利定律所得的值尽可能相近。
1
3
处理冶金反应的平衡常数时，一些组分活度的选择： ●含铁高的溶液（如钢、生铁）中铁组分、形成
饱和溶液的组分以纯物质为标准态时，活度=1 。
2、一定组成溶液中，某一组元活度只有一个确 定值，对吗？
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作业与思考题：
1、溶液中组元i活度计算常用的三种标准态有哪些？ 试写出对应的活度表达式。 2、写出三种标准态下不同活度之间转换关系
3、写出铁液中元素的标准溶解吉布斯自由能计算式。
试判断温度对C在铁液中的溶解有何影响？
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●属于稀溶液，溶质活度可以用其实际浓度（xB
或ωB)代替。
●熔渣中组分的活度一般选用纯物质标准态。
4
冶金熔炼原理及工艺讲义,第一章 活度及氧位图-修订教材
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魏寿昆（1907~2014)，天津人，中国科学院院士，北京科技大
学教授。德国德累斯顿工科大学工学博士,《冶金过程热力学》、 《活度在冶金中的应用》。 在冶金热力学理论及其应用中获得多项重大成果。运用活度理论 为红土矿脱铬、金川矿提镍等反应中金属的提取和分离工艺奠定 了理论基础。
授课教师：周文龙/董红刚 办公地点：铸造中心212室/304室 办公电话：84709967，84706283 电子信箱：wlzhou@ donghg@
1
考核方式：出勤率 作业 期末考试成绩
2
目 录
第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 绪论 活度及氧位图 熔渣、熔剂性质 合金元素的氧化还原反应 合金熔体内杂质的去除 典型合金的熔炼工艺 金属的现代冶金熔炼技术
。 1952 年他受命筹建中南矿冶学院，是中国有色金属冶金教育 的开拓者。他对火法冶金、湿法冶金、氯化冶金及熔体热力学理 论有深入的研究。他的“金属—氧系热力学和动力学”、“高温 熔体物理化学性质”的研究成果，为中国有色金属的开发和综合 利用提供了理论依据。 1947年与J.Chipman共同发表《H2-H2O混合气体与Fe液中Cr的 平衡》。
1926年，C.H.Herty（赫蒂）在美国发表《平炉炼钢 过程中 C、S、Mn 等元素变化规律》论文，且专门 领导建立一个研究平炉冶炼过程问题的小组。
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1932年，德国R.Schenk发表专著：钢铁冶金物理化 学导论
（Physical Chemistry of Steel Manufacture Processes）
活度在冶金物理化学中的应用
活度在冶金物理化学中的应用
活度在冶金物理化学中的应用很多，如断汁金属抽滤、材料冶炼、
无定型工业的气体收集等，往往都需要使用活度的概念：
1.还原反应：还原反应把含有氧化还原性的金属吸收到一个特定的温度下，将氧化物在活度上还原为金属。
2.催化反应：催化反应把同一类型的金属吸收或结合在一个特定的温度下，使活度发生变化，而不是金属本身发生变化。
3.脱氧反应：脱氧反应的概念把含有氧的金属熔融在一个特定的温度下，将氧气按照活度提取出来，金属熔融中就不再含有氧。
4.断汁金属抽滤：断汁金属抽滤也就是指把含有金属的液体按照特定的温度，按照活度抽滤出来，而不是熔融。
5.冶炼过程：冶炼过程把含有有毒元素或有害物质的金属烧结按照特定的活度，增强冶金物料的纯度，分离混杂物质。
6.气体收集：无定型工业收集气体按照特定的温度，使活度发生变化，分离出所需的气体。
冶金原理课程教学方法的探讨与实践
冶金原理课程教学方法的探讨与实践作者：张宇涛胡元元来源：《科教导刊》2014年第19期摘要本文针对冶金原理课程，就激发学生兴趣，注重实践能力的培养，教学成效的检测与评价等教学方法进行了探讨，结合教学实践提出了有效的教改措施。
关键词教学改革教学方法能力培养中图分类号：G424 文献标识码：ADiscussion and Practice of "Metallurgy" Teaching MethodZHANG Yutao， HU Yuanyuan（Xinjiang Institute of Engineering， Urumqi， Xinjiang 830091）Abstract In this paper， metallurgy course， they stimulate students' interest； focusing on practical ability， testing and evaluation of the effectiveness of teaching and other teaching methods were discussed， combined with effective teaching practices proposed education reform measures.Key words teaching reform； teaching methods； ability training冶金原理课程是冶金技术专业学生的核心课程，是学生基础课与专业课衔接的桥梁和纽带，对学生基础知识和专业知识的学习具有承上启下的重要作用。
①通过该门课程可以为学生深入学习高炉炼铁、转炉炼钢、有色金属冶炼等专业课程的学习做好衔接和过渡，奠定扎实的理论基础。
学生想要学好这门课程，必须具备扎实的高等数学、物理化学及相关的知识基础，课程中的公式定理多，学习起来比较困难，并枯燥无味，让学生感觉到学无所获，兴趣全失，严重影响该门课程的学习质量。
冶金工程专业实验教学的改革与实践探讨
冶金工程专业实验教学的改革与实践探讨一、前言高等教育与其他教育相比更加强调专业性和应用性，大学是向社会输送人才的地方，既重视学生的专业理论知识的培养，也重视学生实践能力的培养。
特别是像冶金工程专业这样实践性非常强的专业，更是注重学生的实践能力培养。
所以在众多的教学模式上，冶金工程专业强调实验教学模式，并确定了“以学生为本，夯实基础、依托学科、突出创新、注重能力的实验教学理念。
”由此可见，实验教学的重要性。
然而，传统的实验教学存在一些问题，在新的社会需求下，为培养适应时代发展、企业需求的专业型人才，实验教学亟待改革。
二、冶金工程专业实验教学的现状冶金工程专业主要是学习有关冶金的理论知识、生产设计、设备实验和资源利用等方面的内容，主要可以概括为两大类，即理论研究和专业实验。
其中实验类的课程是冶金工程专业的重点，要求学生将课堂知识转化为动手实验，培养学生的动手能力。
然而，科技的不断发展也要求学科教学的不断改革，冶金工程专业的实验教学也要根据时代环境的变化而变化，而现今冶金工程专1/ 5业的实验教学仍存在着一些问题，我们需要清楚认识。
1.教师队伍专业性不强冶金专业的实践性较强，随着科学进步，技术提高，冶金工艺也在不断改进，而冶金工程专业的教师队伍专业性不高，这严重影响了实验教学的教学质量。
首先，学校实验场地、经费不足，投入的不足就导致了教师数量与学生数量的比例不均，实验场地无法满足学生的实验要求，使一些重要的实验无法完成，这对学生实验能力的提高造成很大限制。
其次，分管实验教学的教师数量偏少，这就不能满足实验教学的要求，而且也无法很好地保障学生的实验安全。
再次，师资力量的整体水平不高，教授、高工的数量在全专业教师总数中占的比重很小，这就在一定程度上限制了专业水平的提高，限定了专业的科研创新能力，影响了专业未来的发展和学生的成长。
2.教学手段落后实验课程是一门动手能力很强的课程，而现在很多学校因为课程内容设置的不合理、课程的教学手段落后等原因，使得课程的教学效果大打折扣。
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何生平 王雨
摘
董凌燕
（重庆大学，重庆 400044） 要：活度是热力学研究的核心内容，对钢铁冶金专业学生理解整个钢铁冶金过程有重要的作用，是冶金原理教学的重点 和难点。针对教学过程中学生普遍反应的活度概念抽象、不易理解和记忆，对活度的计算和分析比较模糊的状况，从活度的 概念→活度的计算和测定→活度在冶金中的应用三个方面进行了探讨。 掌握活度的本质和定义以及基于案例讲解的活度典型 应用有利于学生从整体上把握活度的相关知识。 关键词：教学；冶金原理；活度；热力学
要理解活度的概念，最重要的是让学生弄清活度的本质。对理想溶液，由于同种分子或离子与异种分 子或离子之间的作用力完全相同，则分子或离子所受“合力”为 0，是“完全自由”的，符合拉乌尔定律， 即溶液中的分子与纯组元蒸发趋势一样大；对非理想溶液，因同种分子或离子与异种分子或离子之间的作 用力的差异，不是“完全自由”的。这种作用力可以是分子或离子之间的相互作用，也可以是相互结合生 成化合物。对二元溶液体系，当异类分子之间的相互作用力小于同类分子间的作用力，则表明溶液中的分 子比纯组元蒸发趋势大，形成所谓正偏差，如 Fe-Cu 二元系。当异类分子之间的相互作用力大于同类分子 间的作用力，则阻碍液体分子的蒸发，形成所谓负偏差，如 Fe-Ni 二元系。对熔渣体系如 CaO 和 SiO2 二 元系，浓度（质量浓度或物质的量浓度）分别为 x 和 y，但是由于 CaO 和 SiO2 可结合诸如成 3CaO·SiO2、 3CaO·SiO2、3CaO·2SiO2 或 CaO·SiO2 等化合物，使得自由的 CaO 或 SiO2 含量就减少了，这个自由的量就 是活度。显然，活度与浓度之间存在差别。由此可以认为，活度即“自由度” 。既然活度的本质是由于体 系中分子之间相互作用力的差异所引起的，它的测定和计算可以用理想状态参照。 二、活度的计算和测定 （一）活度的三种标准态[1] 活度的计算中主要要求学生掌握三种标准态活度的计算和相互转换。由于标准态不一样，对浓度的修 正方法也不一样，即修正系数或活度系数不一样，见表 1。尽管标准态的选择可以不同，但对于一定温度 和组成的溶液，某组分的实际蒸气压是一样的，则三种不同标准态的活度是有联系的，即它们之间可以相 互换算。
a. SiO2
b. Al2O3 图 1 1600℃时 CaO-SiO2-Al2O3 三元渣系等活度
（二）案例 2－钢中 Al2O3 夹杂的形态控制[5-6] 在铝镇静钢中，为防止 Al2O3 堵水口以及对钢质量带来不良影响，往往实施钙处理，以使 Al2O3 变性 为低熔点球状夹杂。在炼钢温度最理想的液态钙铝酸盐夹杂为 12CaO·7Al2O3，其熔点最低。在进行钙处理 时，理论上反应产物应按 CaO.6Al2O3→CaO.2Al2O3→CaO.Al2O3→12CaO.7Al2O3 逐渐进行。为确保夹杂物处 于低熔点区域，必须控制加入钢水的钙含量，如 Ca 不足，则 Al2O3 无法转变为液态铝酸钙。化学反应方 程式为 3[Ca]+ Al2O3(夹杂)= 3CaO (夹杂)+2[Al]。可根据[Ca]+[O]=(CaO)以及 3[O]+2[Al]=(Al2O3)组合得到， 其对应的热力学数据也可以获得。根据 12CaO.7Al2O3 组成可以用 Factsager 软件计算出 CaO 和 Al2O3 的活度， 那么当反应处于平衡时，[Ca]和[Al]必然满足一定的关系，这方面教师可以结合钢厂的情况来了解。图 2 为针对 某厂生产含铝钢小方坯时钙处理优化前后的理论计算和实测值，优化前钢水质量差，水口堵塞严重，而优化后水
0 0 B 是溶液的一个重要常数。 xB 0
，因为这时溶液已位于稀溶液的范围内。
从上述分析可以看出，机械的去记忆这些活度的计算很难，而且容易混淆。理解记忆的关键在于掌握 三种活度标准态的定义。溶液组分 B 活度的定义式： a B p B /p B (标 ) ，式中 p B 为实际溶液浓度为 xB 或 wB 组分 B 的蒸气压； pB ( 标) 代表 p B , K H(x) ， K H(％) ，乃分别为纯物质 B，假想纯物质 B 及 wB 1% 溶液 的蒸气压。 关于三种标准态活度的计算，可让学生多加强典型例题的计算和练习。如以下典型例题，能让学生熟 悉三种标准态活度的计算和三种标准溶解吉布斯自由能的计算。 例题：在 1873K 温度条件下，铁液中[Si]被 O2 氧化生成固相 SiO2 颗粒，计的标准态分别为： （1）纯液态硅； （2）假想纯液态硅； （3）服从亨利定律质量 1％硅溶液。分析以 上计算结果说明什么问题？已知条件如下：铁液中硅的量及活度系数分别为 x[ Si ] 0.2 ， Si 0.03 ；气 相中氧分压为 pO2 100 KPa ；温度为 1873K 时
pB K H(x)
fB＝
pB pB(H) xB
aB(H)
质量 1%溶液
K H(%)，aB(%)＝ 1， wB 1
wB / %
aB(%)
pB K H(%)
f B＝
pB pB(%) wB
aB(5)
（1）纯物质标准态活度与假想纯物质标准态活度之间的转换：
a B(R) a B(H) a B(R) a B(%)
0 Si 0.0013 ；而且：
Si( l ) O2 SiO2( s )
G 0 946350 197.64T
J/mol
（二）活度的计算和测定 活度的测定方法主要有蒸气压法、分配定律法、化学平衡法、电动势法等，这些通过实验结果来计算 的方法都比较简单，如再配合一些习题讲解，学生相对容易掌握。而理论计算方法主要是根据 G-D 方程计 算以及金属或炉渣的各种结构理论模型进行计算，特别要求学生理解多元熔渣体系完全离子溶液模型和正 规离子溶液模型的基本要点和活度计算方法。 除此之外，要求学生掌握对一些简单的三元系等活度图分析方法，并能从熔渣结构理论的观点分析活 度变化的原因。对钢铁冶金过程，重点掌握 CaO-SiO2-Al2O3 和 CaO-SiO2-FeO 三元系等活度（活度系数） 图的分析，因为它们是钢铁冶金渣系的最重要的基础渣系。随着目前热力学数据库的丰富，一些热力学软 件得到了广泛的应用，如 Factsage，HSC，Thermo-cal 等，可让学生课外去阅读教师指定的相关文献资料。 活度的计算和测定部分内容应当以典型例题的教学为主。 三、 活度的应用
热力学是研究反应的方向和限度，与动力学研究反应的现实性不同，热力学考虑反应的可能性。反应 的方向通过等温方程 Δ G = Δ G ο + RT ln J p 来描述，其关键是活度商 J p 的求解。对金属熔体，可采用基 于一级相互作用系数的活度求解。对熔渣体系，可以通过查阅等活度图或使用软件进行求解。工程类专业 由于面向应用的特点， 活度的教学要落实到可能的现场应用之中， 故活度应用案例的讲解和分析是必要的。 除了活度在常规的钢水脱硫和脱磷介绍外，在钢铁冶金过程的应用可以考虑以下二个方面的案例，这些案 例可以让学生以小组的形式通过查阅资料进行讲解，教师点评的方式来进行，也可以由老师课堂讲解。 （一）案例 1－高铝钢钢渣反应性分析[4] 钢中[Al]容易与渣中 SiO2 反应， 或使得钢中增[Si] 在 Al 含量较高的钢中， 如果熔渣中存在较多的 SiO2， 由于转炉下渣的影响， 钢包渣中 SiO2 含量较高， 有必要讨论钢渣反应的热力学趋势。 和 Al2O3 夹杂的增加， 钢中[Al]与渣中 SiO2 反应如下： 4[Al]+3(SiO2) = 2(Al2O3)+3[Si]
Δ Gο =－720680+133T
ο
J·mol-1
(4)
反应的吉布斯自由能： Δ G = Δ G + RT ln
( a Al 2 O 3)2 ( aSi )3 ( aSi O 2 )3 ( a Al )4
(5)
钢中[Al]和[Si]的活度系数可通过（6）和（7）式获得，活度相互作用系数可查资料获得。当钢水成分已知， 则 a Al 和 aSi 可以获得。
(2)
（3）假想纯物质标准态活度与质量 1%溶液标准态活度之间的转换：
a B(H) a B[%]
0
p B / K H( x ) p B / K H( %)
K H( %) K H( x )
MA 100 M B
0
(3)
可见， B 在一定温度下是常数，是稀溶液组分 B 以纯物质为标准态的活度系数( a B＝ B x B ),可从实际溶液 的 B x B 图形外推到 x B 0 纵轴上的截距求得： B lim
lg f Al e Alj [% j]
lg f = e [% j]
j Si Si
(6) (7)
为防止钢水增硅和发生二次氧化反应，需反应△G≥0。则：
2 a Al 2O 3
3 a SiO 2
＞a（定值）
(8)
熔渣组元活度 CaO-Al2O3-SiO2 三元系为例，通过 Factsage 热力学软件求得，见图 1。于是可以去寻找上式 （8）存在的区域。
表 1 溶液内三种标准态的活度及活度系数 标准态 纯物质,拉乌尔定律基准
pB ，a B(R )＝1，
浓度单位
活 度
活度系数
xB 1
假想纯物质, 亨利定律基准
xB
a B(R)
pB pB
B＝
pB pB(R) xB
aB(R)
， KH(x)，aB(H)＝ 1 xB 1
xB
aB(H)
活度及其应用是冶金热力学和冶金原理教学中的难点。教学的重点在于让学生理解活度的本质，把握 活度的定义，厘清三种标准态活度的计算及其通过 B 的相互转换。在其热力学应用过程中，通过等温方
0
程来判定反应的方向，关键在于活度商的计算。为此，要求学生掌握通过一级相互作用系数获得金属熔体 中元素的活度，通过熔渣的结构理论模型、熔渣的等活度图或热力学软件获取或计算组元的活度。通过讲 解典型的应用案例进一步加强学生对活度的认识，可初步培养学生应用活度的知识分析钢铁冶金过程相关 的热力学现象，为专业课的学习打下坚实的基础。