钢铁冶金原理第一章 冶金过程热力学基础2
《钢铁冶金原理》辽宁科技大学课件
质量调控技术
介绍通过控制炼钢工艺参数和添 加合金元素等方法，实现对钢材 性能和质量的有效调控。
钢材质量检验
介绍钢材质量检验的方法和标准 ，包括化学成分分析、力学性能 试验等。
04
钢材的轧制与加工
钢材的轧制
轧制原理
介绍轧制的基本原理，包括轧制过程中的应力、 应变和温度变化，以及轧制过程中的变形抗力。
介绍电弧炉的结构、工作原理以及操作要 点，包括炉体、电极调节装置、炉料系统 等部分。
精炼设备
连铸设备
介绍精炼设备的种类、工作原理以及操作 要点，包括真空脱气装置、钢包精炼炉等 部分。
介绍连铸机的种类、工作原理以及操作要 点，包括结晶器、振动装置、拉坯矫直机 等部分。
钢的合金化与质量调控
合金元素的作用
反馈机制
教师根据学生表现给予及时反馈，指导学生改进学习方法， 提高学习效果。
THANKS
感谢观看
高炉操作
阐述高炉操作的基本原则、操作 参数控制及常见操作问题与处理 方法。
03
炼钢原理与工艺
炼钢原理
氧化还原反应
炼钢过程中涉及的氧化还原反应是核心原理，通过控制氧气、铁、碳 等元素的反应程度来达到去除杂质和调整钢的成分的目的。
相图原理
利用相图原理，了解不同成分的钢在加热、冷却过程中的相变规律， 指导炼钢工艺参数的选择。
05
钢铁冶金的环境保护与资源利用
钢铁冶金的环境影响
空气污染
钢铁冶金过程中排放的废气和烟尘含有大 量的硫氧化物、氮氧化物、粉尘等污染物
，对空气质量造成严重影响。
土壤污染
钢铁冶金过程中产生的废渣和固体废弃物 含有重金属、放射性物质和其他有害物质
冶金物理化学 第一章
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第一章 绪论
• 1.3冶金动力学与冶金热力学的研究目的 1．改进冶金工艺，提高产品质量，扩大品种，
增加产量。 2．探索新的流程，提供理论依据。
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第一章 绪论
• 1.2冶金动力学的研究范围 • 1.2.1冶金动力学
利用化学动力学与传输原理，研究冶金过程的机 理；确定各基元过程及总过程的速率；找出反 应过程的限制环节。
冶金动力学的作用：提供了冶金反应过程研究内 容的完备性，提供了反应的充分性条件。
•
北京市高等教育精品教材立项项目
• 4.主教材
• <<冶金与材料物理化学>> 李文超等编 冶金工业出版社
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第一章 绪论
• 1.1冶金物理化学的研究范围 ➢ 1.1.1冶金过程与冶金过程基础理论 ➢ 1.1.2冶金热力学 • 1.2冶金动力学的研究范围 ➢ 1.2.1冶金动力学 ➢ 1.3冶金动力学与冶金热力学的研究目的
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第一章 绪论
1.1冶金物理化学的研究范围 1.1.1冶金过程与冶金过程基础理论
图1-1 冶金过程基本流程图
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第一章 绪论
• 1.1.2冶金热力学 利用化学热力学原理，研究冶金中反应的可能 性（反应方向）（理论依据－）；确定冶金反 应过程的最大产率（反应限度）（理论依据 －）；找出控制反应过程的基本参数（T，P， Ci）。 冶金热力学的局限性：所确定的冶金过程的条 件是必要的，但不是充分的。
冶金原理名词解释
Mingcijieshi第一章 冶金溶液热力学基础—重点内容本章重要内容可概括为三大点：有溶液参与反应的θG Δ、G Δ、溶液中组分B 活度一、名词解释生铁 钢 工业纯铁 熟铁 提取冶金 理想溶液 稀溶液 正规溶液 偏摩尔量X B 化学势μB 活度 活度系数 无限稀活度系数r B 0 一级活度相互作用系数e i j 一级活度相互作用系数εi j 标准溶解吉布斯自由能θB S G ∆ 溶液的超额函数生铁:钢:工业纯铁:熟铁:提取冶金:理想溶液:稀溶液:正规溶液是指混合焓不等于0,混合熵等于理想溶液混合熵的溶液称为正规溶液; 偏摩尔量X B 是指指在恒温、恒压、其它组分摩尔量保持不变条件下,溶液的广度性质XG 、S 、H 、U 、V 对组分B 摩尔量的偏导值;)(,,)/(B k n p T B B k n X X ≠∂∂=; 化学势μB 是指在恒温、恒压、其它组分摩尔量保持不变条件下,溶液的吉布斯能对组分B 摩尔量的偏导值;)(,,)/(B k n p T B B B k n G G ≠∂∂==μ;P27活度是指实际溶液按拉乌尔定律或亨利定律修正的浓度;活度系数是指实际溶液按拉乌尔定律或亨利定律修正的浓度时引入的系数; 无限稀活度系数r B 0是指稀溶液中溶质组分以纯物质为标准态下的活度系数; 无限稀活度系数r B 0大小意义是组元B 在服从亨利定律浓度段内以纯物质i 为标准态的活度系数是纯物质为标准态的活度与以假想纯物质为标准态的活度相互转换的转换系数 是计算元素标准溶解吉布斯能的计算参数一级活度相互作用系数e i j 是指以假想1%溶液为标准态,稀溶液中溶质组分i 的活度系数的lg f i 对溶质组分j 的ωj %偏导值,即：0)/lg ((%)→∂∂=A j i j i f e ωω; P106一级活度相互作用系数εi j 是指以纯物质为标准态,稀溶液中溶质组分i 的活度系数的lg r i 对溶质组分j 的x j 偏导值,即：0)/lg ((%)→∂∂=A j i j i x r ωε;P105标准溶解吉布斯自由能θB S G ∆是指纯物质溶液溶解于溶液中,并形成标准态溶液的吉布斯自由能变化值;溶液的超额函数是指实际溶液的偏摩尔量或摩尔量与假想其作为理想溶液时偏摩尔量或摩尔量的差值,用上标“ex ”表示;二、冶金原理三大内容重庆大学考题：冶金过程热力学、冶金过程动力学的区别冶金原理主要研究内容包括冶金过程热力学、冶金过程动力学、冶金溶液三大部分;冶金过程热力学研究在给定条件下,反应进行的可能性、方向和限度平衡,影响反应平衡因素如温度、浓度、压力、催化剂等,如何利用影响因素创造条件使反应沿着预期的方向进行,达到预期的限度;热力学不涉及反应速度、反应机理问题;冶金过程动力学的主要研究冶金反应的机理、速率、速率限制环节、速率影响因素,以及如何创造条件加速反应的进行;冶金溶液研究熔体的相平衡、结构及性质;三、拉乌尔定律、亨利定律内容及其表达式拉乌尔定律：“在一定温度和平衡状态下,溶液中溶剂的蒸气压等于纯溶剂的蒸气压乘以溶液中溶剂的摩尔分数;”其数学表达式为：式中,*A p 为纯溶剂A 的蒸气压;亨利定律：“在一定温度和平衡状态下,挥发性溶质在气相中的平衡分压与溶质在溶液中的摩尔分数成正比;”亨利定律数学表达式为：式中,)(x H k 为亨利系数;三、标准溶解吉布斯能计算式1纯物质为标准态时,B=B θ)(B m S G ∆=02假想纯物质为标准态时,B=B 0)(ln B B m S r RT G =∆θ 3假想1%溶液为标准态时,B=B B A B B m S M M RT r RT G 100ln ln 0)(+=∆θ 证明：对于B=B θ)(B m S G ∆=RTlnP B -RTln *B P P B 为溶液中组分B 的蒸气；*B P 为纯物质B 的饱和蒸气压1纯物质为标准态时,P B =*B P ,则：θ)(B m S G ∆=RTlnP B -RTln *B P = RTln *B P -RTln *B P =02假想纯物质为标准态时,由亨利定律可得P B =k H x ,则：θ)(B m S G ∆=RTlnP B -RTln *B P = RTlnk H x -RTln *B P =RTlnk H x /*B P =RTln 0B r3假想1%溶液为标准态时,由亨利定律可得P B =k H %,则：θ)(B m S G ∆=RTlnP B -RTln *B P = RTlnk H %-RTln *B P =RTlnk H %/*B P =RTln )100(0B BA r M M 第二章 冶金动力学基础名词解释基元反应速率限制环节化学扩散互扩散对流扩散扩散通量速度边界层浓度边界层或扩散边界层动力学中的稳定态均相形核异相形核1、基元反应：反应物分子相互碰撞直接转化为产物分子的反应;基元反应的反应级数与反应物计量数之和相等;P562、速率限制环节：反应过程由界面化学反应和扩散多环节组成的串联过程,其中速率最慢或阻力最大,对反应总速率影响很大的环节;P553、化学扩散互扩散：静止体系中,溶液中有浓度梯度存在时,发生的扩散,它是一种原子在其它种作为基体的原子中的相对扩散;P614、对流扩散：流动体系中出现的扩散,它是由分子扩散和液体的分子集团的整体运动,使其内的物质发生迁移;5、扩散通量：指组分在单位时间内,通过垂直于扩散方向单位截面积的物质的量;6、速度边界层：在流速较大的非均相体系气固、气液、液固等内,流体在相界面上流动时,液体与相界面出现摩擦阻力,在贴近相界面并出现很大速度梯度的流体薄层称为速度边界层;P677、浓度边界层或扩散边界层：在流速较大的非均相体系气固、气液、液固等内,流体在相界面上流动时,在贴近相界面并出现很大浓度梯度的流体薄层称为速度边界层;P688、动力学中的稳定态：反应过程由界面化学反应和扩散多环节组成的串联过程中,各环节与总反应速率相等,且不随时间而变化的状态;P799、均相形核：指在反应产物在均匀的相内发生的形核;10、异相形核：指在核在异相界面上形成时称为异相形核;第三章相图名词解释相图或状态图自由度相律稳定化合物同分化合物,或一致熔融化合物不稳定化合物异分化合物,或示一致熔融化合物二元共析共熔转变二元转熔包晶转变三元共析共熔转变三元转熔包晶转变相图的作用1、相图或状态图：在多相平衡体系中,表示物质相的状态与影响相态变化的温度、压力及组成等变量之间的几何图形,冶金过程的相图一般是“温度-组成”之相图;2、自由度：影响相态变化的温度、压力及组成等变量中在一定范围内可以任意独立改变而不致使相态发生变化的变量个数;3、相律：多相体系平衡的基本规律,描述的是凝聚相平衡体系中相数、独立组元数与自由度之间的关系;考虑到温度、压力两个变数时：f=C–φ+2,其中,f：自由度；C：独立组元数；φ：相数；对于凝聚系,可以不考虑体系压力时,f= C–φ+14、稳定化合物同分化合物,或一致熔融化合物：从固相到熔化温度的过程中,组成保持一致的化合物;5、不稳定化合物异分化合物,或示一致熔融化合物：从固相到熔化温度的过程中,组成不一致的化合物;6、二元共析共熔转变：体系降温至某温度时,自液相中同时析出两个固体的变化;7、二元转熔包晶转变：体系降温至某温度时,液相吸收一个固体生成另一个固体的变化;8、三元共析共熔转变：体系降温至某温度时,自液相中同时析出三个固体的变化;9、三元转熔包晶转变：体系降温至某温度时,液相吸收一个固体生成另外二个固体的变化,或液相吸收二个固体生成另外一个固体的变化;二、相图的作用答：相图是表示凝聚相体系的组成和温度的相平衡关系;由相图可以确定氧化物在高温下相互反应、形成的不同相组分纯凝聚相、液溶体及固溶体、简单氧化物及复杂化合物、共晶体、包晶体、液相分层等和一些参数温度、组分浓度、相数等之间关系,以及各相在不同条件下温度、组成的相互转变关系,为选择某种性能的相成分提供依据;第四章冶金炉渣物理化学性质本章主要内容：熔渣的物理性质熔化温度、密度、粘度等、熔渣化学性质渣酸碱性,氧化还原性,容量性等、熔渣结构分子理论、离子理论、完全离子理论、正规离子理论等;一、名词解释熔体的熔化温度熔体的熔化性温度熔体的粘度熔体的表面张力熔体的界面张力熔体的润湿角熔渣碱度氧化物的光学碱度渣的过剩碱度熔渣的氧化性、还原性熔渣的容量性熔渣的硫容硫容量熔渣的磷容磷容量1、熔体的熔化温度：渣加热过程中刚好完全熔化时的温度,或液态渣冷却过程中刚析出固体时的温度,在相图中为液相线温度;2、熔体的熔化性温度：渣加热过程中至渣刚好能自由流动时的温度,或指在渣粘度-温度关系图中,渣粘度发生急剧变化时的温度;3、熔体的粘度：是指单位速度梯度下,作用于平行的两液层间单位面积的摩擦力;4、熔体的表面张力：凝聚相与气相之间形成的张力;熔体的界面张力：两凝聚相接触面之间形成的张力;5、熔体的润湿角：指熔体的界面张力与表面张力之间形成的夹角;6、熔渣碱度：熔渣中碱性氧化物质量分数之和与酸性氧化物质量分数之和之比值7、氧化物的光学碱度：指氧化物施放电子的能力与CaO施放电子能力之比;8、渣的过剩碱度：渣中碱性氧化物的总量与酸性氧化物消耗碱性氧化物的量差值;9、熔渣的氧化性、还原性：熔渣从与之相接触的金属液中吸收氧的能力称为熔渣的还原性;熔渣向与之相接触的金属液中提供氧的能力称为熔渣的氧化性;10、熔渣的容量性：指熔渣容纳或吸收对金属液有害的成分如S 、P 、H 、N 等的能力;11、熔渣的硫容硫容量：指气体硫在熔渣中溶解反应()222221)()(21O S O S g +=+--达平衡时,21)()(222S O S s P P C ⋅=-ω,即气体中S 2在熔渣溶解度反应达平衡时,熔渣中S 2-的浓度与21)(22S O P P 乘积12、熔渣的磷容磷容量：指磷在渣中的溶解反应1/2P 2g +3/2O 2-+5/4O 2= PO 43-达到平衡时的4/52/122-34-34=O P PO PO P P ωC第五、六章 化合物的形成-分解及碳、氢的燃烧反应一、名词解释氧势 硫势 硫化物的硫势 氯势 氯化物的氯势 碳化物的碳势 氧化物的分解压碳酸盐的分解压 碳酸盐分解开始温度 碳酸盐沸腾分解温度 直接还原 间接还原 浮士体1、氧势：含有O2的体系,氧的相对化学势,即222ln O O O O P RT =-=θμμπ称为体系的氧势; 氧化物的氧势：氧化物生成反应：2x/yMS+O2=x/yMxOyS 达平衡时,平衡气相中氧的氧势2ln O P RT 称为氧化物的氧势;2、硫势：含有S2的体系,硫的相对化学势,即222ln S S S S P RT =-=θμμπ称为体系的硫势; 硫化物的硫势：硫化物生成反应：2x/yMS+S2=x/yMxSyS 达平衡时,平衡气相中硫的硫势2ln S P RT 称为硫化物的硫势;3、氯势：含有Cl2的体系,氯的相对化学势,即222ln Cl Cl Cl Cl P RT =-=θμμπ称为体系的氯势;氯化物的氯势：氯化物生成反应：2x/yMS+Cl2=x/yMxClyS 达平衡时,平衡气相中氯的氯势2ln Cl P RT 称为硫化物的硫势;4、碳化物的碳势：碳化物生成反应：2x/yMS+C=x/yMxCyS 达平衡时,C a RT ln 称为碳化物的碳势5、氧化物的分解压：氧化物MO 分解反应2MOS=2MS+O2达平衡时,产生的氧气压力称为氧化物MO 的分解压,一般用)(2MO O P 表示;6、碳酸盐的分解压：碳酸盐MeCO3分解反应MeCO3S=MeOS+CO2达平衡时,产生的CO2压力称为碳酸盐MeCO3的分解压,一般用)(32MeCO O P 表示;7、碳酸盐分解开始温度：碳酸盐MeCO3分解压与环境气相中CO2分压相等时的温度称为碳酸盐分解开始温度;8、碳酸盐沸腾分解温度：碳酸盐MeCO3分解压与环境气相总压相等时的温度称为碳酸盐沸腾分解温度9直接还原是指采用固体碳作还原剂还原氧化物,产生CO 的反应;10间接还原是指采用CO 或H2作还原剂还原氧化物,产生CO2或H2O 的反应; 11浮士体：纯氧化亚铁FeO 的理论含氧量为 ％,但实际存在的却是含氧量变动在～％的非化学计量氧化亚铁相,这种固溶体称为浮氏体W üstite第七章 —重点内容与练习一、名词解释氧化熔氧化精炼 直接氧化 间接氧化 脱氧 沉淀脱氧 扩散脱氧 真空脱氧 氧化过程中元素M 氧化的分配比 元素选择性氧化1、氧化熔氧化精炼：指在氧化剂作用下,使粗金属中的过多即超过允许含量的元素及杂质通过氧化作用分离除去的过程;2、直接氧化：金属液中溶解的元素M 被吹入金属液中O2氧化;3、间接氧化：金属液中溶解的元素M 被主金属A 氧化产物溶解于金属液中的氧所氧化;4、脱氧：指向钢液中加入与氧亲和力比铁大的元素脱氧剂,使溶解于钢液中的氧转变为不溶解于钢液中的氧化物,自钢液中排出的过程;5、沉淀脱氧：将脱氧剂如MnFe 、SiFe 、Al 等加入钢液中,与O 作用生成在钢中不溶解的氧化物,上浮至渣中,从而达到脱氧的目的;6、扩散脱氧：将脱氧剂如SiFe 粉、SiCa 粉等加入炉内,置于熔渣中,将熔渣中的FeO 还原,降低渣中FeO 含量,从而使钢液中氧向渣中扩散,降低钢液中的含氧量;7、真空脱氧：将盛装钢液的装置置于真空室中,抽真空,降低PCO,使反应 C+ O= CO 继续向右进行,从而降低钢液的含氧量;8、氧化过程中元素M 氧化的分配比分配常数LM ：氧化过程中,反应xM+yFeO=MxOy+yFe 反应达平衡时,M 在渣中浓度与在金属液中浓度比][)(M x O M y x x 称为元素M 在渣-金属液之间的分配比,一般用LM 表示9、元素选择性氧化：当熔池中有多种元素共存时,通过控制温度及体系压力的方法,可控制金属熔体中元素的氧化,达到保留某些元素或者氧化富集某些元素的目的,这种方法称为选择性氧化;。
钢铁冶金PPT课件
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30
20年来典型的钢铁.生产工艺流程的变化
31
（a）以往的工艺流程；（b）现代工艺流程
个人观点供参考，欢迎讨论！
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29
6.结论
（5）须将ISO14001认证和环境评价、发布年度环境 报告纳入钢铁企业的评价体系。
（6）增强钢铁工业从业人员的环保意识和责任感， 加强有关专业培训和普及环保知识是十分重要的。
（7）钢铁工业必须发展而且要实现绿色化，就必须 解决大量的科学、技术与工程问题，因此，应该加强 钢铁工业绿色化技术开发和基础性研究。
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16
双辊式连铸
(a)上注式，(b)下注式，(c)倾斜式，(d)水平式 1-流槽，2-浮漂，3-前箱，4-供料嘴
以上连铸的特点都是有结经器. ，起冷却的作用
17
O.O.C连铸：
1。改变连铸中冷却结晶器 的方法，反而加热结晶 器。
2. 靠金属液的表面张力将缝 隙中的金属液锁住。
2. 3. 从而改变了温度场， 成为单向凝固，有利获 得单晶。
年份
图5 1990-2000年年产10. 0万吨以上钢厂个数的变
23
化
归一化的可比能耗 kgce/t
中国钢铁工业的能耗与国际先进水平的 差距
800
781
700
683
663
620 602
600
500 日本
法国
德国
英国
中国
* 除中国的数据是2001年的外，其它均是1994年的数据。
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24
(1) 提高资源和能源使用效率
7100
6535
6000
4000
2000
0 1990
1992
1994
《冶金热工基础》课件
高效低耗冶炼技术包括熔融还原、直接还原、连铸连轧等工艺和设备，可以缩短生产流程、提高金属收得率、降 低能耗和成本，同时减少对环境的负面影响。
06 案例分析
某钢铁企业高炉节能改造案例
总结词
高炉是钢铁企业的主要能耗设备，通过节能改造可降低生产成本。
详细描述
该钢铁企业通过对高炉进行节能改造，采用了先进的燃烧控制技术，优化了高炉的送风制度，并加强 了余热回收利用，实现了高炉的高效、低耗、绿色生产。
余热回收利用技术
总结词
余热回收利用技术是冶金热工节能的重要手段，通过回收高 温废气、熔渣等余热，可以降低能耗、提高能源利用效率。
详细描述
余热回收利用技术包括余热锅炉、换热器和热力系统优化等 ，可以将冶金过程中产生的余热转化为蒸汽、热水或电能， 用于生产或辅助生产过程，降低对一次能源的依赖。
减少污染物排放技术
总结词
减少污染物排放技术是冶金热工环保的重要措施，通过控制烟气、粉尘等污染 物的排放，可以降低对环境的影响。
详细描述
减少污染物排放技术包括除尘器、脱硫脱硝装置和废气处理装置等，可以将冶 金过程中产生的污染物进行收集、处理和再利用，降低对环境的污染。
高效低耗冶炼技术
总结词
高效低耗冶炼技术是冶金热工技术进步的体现，通过采用先进的工艺和设备，可以提高生产效率、降低能耗和成 本。
铜、铝等有色金属的熔炼、凝固、连 铸、轧制等过程也涉及到冶金热工知 识。
冶金热工的发展历程
早期发展
古代冶金技术中，人们通过经验 积累和尝试，逐渐形成了对热量
传递和物质相变的基本认识。
近代发展
随着工业革命的兴起，人们对冶金 热工的理论和实践要求越来越高， 逐渐形成了系统的学科体系。
钢铁冶金原理第四版教学大纲
钢铁冶金原理第四版教学大纲课程概述本课程是钢铁冶金原理第四版，旨在为学生介绍冶金工程学科的基本知识和相关理论。
通过对钢铁冶金工艺、冶炼技术和冶金原理的全面介绍，本课程的目的是使学生了解钢铁冶金的发展历程，掌握钢铁冶金加工的整个过程，培养学生掌握各种冶金工艺和技术的能力，同时提高学生的实际操作能力。
课程内容第一章钢铁冶金概论• 1.1 钢铁冶金概述• 1.2 钢铁冶金的起源和发展历程• 1.3 钢铁冶金的基本概念和术语• 1.4 钢铁冶金工程的分类和特点• 1.5 钢铁冶金工程的发展趋势第二章钢铁冶金原理• 2.1 钢铁冶金原理的基本概念和分类• 2.2 钢铁冶金原理的物理基础• 2.3 钢铁冶金原理的化学基础• 2.4 钢铁冶金加工的机理和规律第三章钢铁冶金工艺• 3.1 钢铁冶金生产工艺的基本流程• 3.2 水冷炉工艺• 3.3 胆碱本质• 3.4 油焦工艺• 3.5 钢水净化工艺• 3.6 热处理工艺第四章钢铁冶金的基础理论• 4.1 钢铁冶金原理• 4.2 钢铁冶金工艺• 4.3 钢铁金相学• 4.4 钢铁热处理学• 4.5 钢铁物理力学教材选择1.《钢铁冶金原理第四版》，王柏政等，机械工业出版社。
2.《钢铁冶金学》，贾维佳，冶金工业出版社。
3.《钢铁冶金学》，崔志勇，化学工业出版社。
教学方法本课程采用经典案例分析、教师个案分析、场地实验和实习等多种教学方法，以提升学生的实际操作能力，同时调动学生的兴趣，增加了解和掌握知识的实用性。
课堂教学安排•第一次课：教学大纲讲解，及选好教材后引导学生预习第一章内容。
•第二次课：介绍钢铁冶金概论，具体讲解钢铁冶金的基本概念和术语。
•第三次课：钢铁冶金的起源和发展历程，及钢铁冶金的基本概念和分类。
•第四次课：分析钢铁冶金工艺的基本流程，了解氧气杆和金属制粉工业的发展历程。
•第五次课：具体讲解钢铁冶金的物理基础、化学基础以及加工的机理和规律。
•第六次课：了解水冷炉工艺、胆碱本质和油焦工艺。
冶金过程中的热力学计算和实验研究
冶金过程中的热力学计算和实验研究冶金行业是指针对金属和非金属矿物资源进行提炼、冶炼、合金化等加工过程中的行业。
在冶金加工过程中，热力学计算和实验研究是至关重要的环节，能够为工程师和研究人员提供预测和控制生产过程的理论和实践依据，促进技术发展和产品质量提升。
1. 热力学计算在冶金中的应用冶金加工过程中，各种金属、合金及非金属物质的化学反应均与热力学有关。
热力学计算是应用热力学原理和方法，对冶金过程中所涉及的物质相平衡、化学反应等过程进行研究，以该过程的热力学数据为基础，计算出反应的热力学、热学和动力学参数，从而对反应进行预测和调控的一种技术。
例如，在冶金冶炼过程中，通过热力学计算可以确定反应平衡常数、反应速率常数、反应热、反应焓、反应熵等热力学参数，为反应的优化设计和控制提供了重要的信息。
2. 实验研究在冶金中的重要性在冶金加工过程中，实验研究是验证和应用热力学计算结果的重要手段。
通过实验研究，可以建立基于实验数据的反应参数模型，验证理论计算的准确性，提高技术运用的可靠性和精度。
例如，在金属材料的淬火过程中，通过实验测量样品的冷却曲线，可以确定材料的冷却速度和硬度，根据热力学计算的结果，优化淬火工艺参数，提高材料的强度和耐磨性。
3. 热处理工艺的研究热处理工艺是指用热能使材料发生相变或微观结构变化，以调控材料性能的一种工艺。
在冶金加工中，热处理工艺的研究是重要的研究方向之一。
例如，高温钢材的热处理工艺研究，通过热力学计算和实验研究，可以确定热处理参数，优化热处理工艺，提高钢材的抗氧化性和耐热性。
4. 冶金材料的构造与性能关系研究冶金材料的构造与性能关系研究是冶金加工的核心和重点研究方向之一。
通过研究材料的晶体结构、微观形貌和化学成分等特征，进一步深入理解材料的物理和化学性质，开发出可控性能的材料。
例如，在金属材料合金化研究中，通过热力学计算和实验研究，定制合金元素的含量和比例，获得具有优异机械和物理性能的金属合金材料。
钢铁冶金原理知识点
钢铁冶金原理1.冶金热力学研究对象：反应能否进行，即反应的可行性和方向性、反应达到平衡态的条件及该条件下反应物能达到的最大产出率。
2.平衡常数的含义：可逆化学反应达到平衡时，每个产物浓度系数次幂的连乘积与每个反应物浓度系数次幂的连乘积之比，这个比值叫做平衡常数。
3.稀溶液：一定温度和压力下，溶剂遵守拉乌尔定律，溶质遵守亨利定律的溶液。
4.正规溶液：混合焓不为0，但混合熵等于理想溶液混合熵的溶液。
5.活度系数：是指活度与浓度的比例系数。
6.试比较CO和H2还原氧化铁的特点？解CO和H2是高炉内氧化铁的间接还原剂。
它们均能使Fe2O3还原到Fe。
但它们的还原能力在不同温度下却有所不同。
在810℃，两者的还原能力相同，而在810℃以下，CO的还原能力比H2的还原能力强，但在810℃以上，则相反，氢有较强的还原能力，这反映在还原剂的分压上，随温度的升高，还原FeO所要求的CO分压增高，还原FeO 需要的H2分压则减小。
高炉下部高温区H2强烈参与还原，而使C消耗于形成CO（C 的气化反应）的量有所减少。
另，在高温区内，它们形成的产物H2O（g）及CO2均能与焦炭反应，分别形成H2及CO。
增加间接还原剂的产量。
这也就推动了碳直接还原的进行。
在还原的动力学上，由于H2在FeO上的吸附能力及扩散系数均比CO的大，所以H2还原氧化铁的速率，即使在810℃以下，也比CO的高（约5倍）。
提高还原气体中H2的浓度有利于氧化铁还原速率的增加。
7.氢和氮气对钢会产生哪些危害？答：氢在固态钢中的溶解度很小，在钢水凝固和冷却过程中，氢和CO、N2气体一起析出，形成皮下气泡中心缩孔，疏松，造成白点和发纹。
钢中含有氢气的气孔会沿加工方向被拉长形成裂纹，进而引起钢材的强度，塑性，冲击韧性的降低，发生氢脆现象。
氮含量高的钢材长时间放置，将会变脆。
原因是钢种氮化物析出速度很慢，逐渐改变钢的性能。
钢种含氮量高时，在250℃—450℃温度范围，表面发蓝，钢的强度升高，冲击韧性降低，称之为蓝脆。
冶金第一章
第一章 焊接化学冶金
绪论
01
02 03 04 焊接化学冶金过程的特点
气相对金属的作用
熔渣对金属的作用 合金的过渡
02
01
PART ONE
焊接化学冶金过程的特点
1.1 焊条熔化及熔池形成——焊条的加热及熔化
电阻热 电弧热
1.1 焊条熔化及熔池形成——焊条的加热及熔化
化学反应热
1.1 焊条熔化及熔池形成——焊条的加热及熔化
C0 Cb (1 )Ce
Cw Cb (1 )Cd
焊条中的合金元素实际上是有损失的，母材中的合金元素几乎
可以全部过渡到焊缝金属中。焊缝中某元素的实际浓度为：
Cd－熔敷金属中某元素实际浓度，即焊接时，没有母材金属熔入时的浓度
1.4 焊接工艺条件与化学冶金反应的关系
（二）熔滴过渡特性的影响 焊接工艺参数 焊接电流增加 电压减小 熔滴过渡特性 熔滴反应时间缩短 反应进行程度变小 焊接电流减小 电压增大 熔滴反应时间延长 反应进行程度变大 冶金化学反应
*要充分注意：重点是保护，其他作用是有限的。
2.3 氢对金属的作用
（一）氢在金属中的溶解 一类是形成稳定氢化物的金属，主要有Zr、Ti、V、 Ta、Nb等，与氢反应为放热反应，故在较低温度下吸 氢量大，高温时吸氢量小。焊接时要注意在固态吸收 大量的氢。
另一类是不形成稳定氢化物的金属，主要有Al、 Fe、Ni、Cu、Cr、Mo等，同时氢可以溶入这类金属及 合金，溶解反应是吸热反应，高温下吸氢量大。重点
1.1焊条熔化及熔池形成——熔池的形成
3）熔池的温度 熔池的温度不均匀。前端底部最高，后端低。
熔化
凝固
低碳钢，熔池的平均温度取决于母材的性质和散热 条件。一般平均1770100oC
冶金热力学基础知识
ln
pi p
2021/7/7
1.1.1.2 等温、等压方程
• 公式的意义：
– ① 自由能的绝对值无法知道，其实也不 必知道。通过上面两式找到了自由能的表 达式，这样就是可以写出自由能差值的表 达式，这才是我们最关心的。
– ② 物质的蒸气都认为是理想气体，上面 两式就成为推导溶液化学势表达式的基础。 这一点极为重要。
r Gm
r
H
m
T r Sm
导出：
HT
H
298
把两个式子：
T
298 CPdT
带入上式中
ST S298
T CP dT 298 T
进行变形处理，得到
GT
H
298
T
S
298
T
T dT T 298 2
T
298 CPdT
2021/7/7
积分得到：
GT0
H
0 298
T S2098
T
a
Cp,m a bT cT 2 cT 2
Cp,m a0 a1T a2T 2 a2T 2
讨论：
① a、b、c′、c可以从热力学数据手册查到，而且大部分
物质的c = 0。
② 影响最大是a、b两项。
2021/7/7
1.1.1.1 热化学的基础知识
• 焓变
– 在本书中研究的焓变都是恒压条件下的，也即恒 压热效应；
第二步：将第一步求得的各个函数值带入代入式(1-7)求积分常数 H0 ，
544080
H
0
36.66
298
36.496 2
103
2982
4.948105 298
由此得到 H0 =-555045 J/mol。
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nO2自 nCaO nMgO nFeO 2nSiO2 2nFe2O3 0.920 2 0.016 2 0.064 0.760
4 nSiO 4 nSiO 0.016 2
xO 2
aFeO xO2 xFe2
aFeS xS 2 xFe2
2
n2 n4 n1 n2 n3 n4 n1 n3 xFe xS xCa 2 n1 n2 n3 n4 n1 n2 n3 n4 n1 n2 n3 n4 n1 n2 n3 n4
(2CaO SiO2 ) 2(CaO) (SiO2 )
2( FeO) (SiO2 ) (2FeO SiO2 )
• 只有自由氧化物分子具有反应能力
第一章
冶金过程热力学基础
一、 分子结构假说（理论） 2.缺 点 1）定量计算困难，容易产生很大误差。 2）不能解释FeO也能脱硫的事实。
第一章
冶金过程热力学基础
2、焦姆金（吉门肯）完全离子溶液模型的应用
例如
n1molCaO n2 molFeO n3 molCaS n4 molFeS CaO Ca 2 O 2 CaS Ca 2 S 2
FeO Fe
熔渣由
、 2
正离子总数为： 负离子总数为：
n1 n3 Ca 2 ：
28～38
2～12
5～15
38～54
1～ 3
铅鼓风炉熔炼渣 锡反射炉熔炼渣 高 钛 渣
19～35
3～ 5
0～20
28～40
3～ 5
Pb 1～3.5
19～24
8～10
1.5～6
45～50
Sn 7～9
1.8～5.6
1～ 6
0.3～1.2
2.7～6.5
1.5～5.6
1～1.5
TiO2 82～92
第一章
结 论：
4 8 6 SiO4 Si3O10 Si4O13 O 2
对于MeO-SiO2二元系，MeO活度：
x( SiO2 ) 1 x( MeO)
1
a K ( K 1 ) MeO 3 K 1 a MeO a MeO K 1 a MeO
第一章
冶金过程热力学基础
§1.5.1 概 述
§1.5 冶金炉渣理论和性质p210
一、炉渣的作用 炉渣是火法冶金的一种产物，其组成主要来自矿石、熔剂 和燃料灰份中的造渣成份。 冶金炉渣的主要作用是使矿石和熔剂中的脉石和燃料中的 灰份集中，并在高温下与主要的冶炼产物金属、锍等分离。 炉渣的产出量按质量计约为金属的3-5倍，按体积计约为810倍。
2
第一章
例题
冶金过程热力学基础
SiO2 Fe2O3
在某一温度下，已知炉渣成分为 CaO MgO FeO w(B)， % 19 4.56 33.624
0.96
10.24
x(B) 0.339 0.114 0.467 0.016 0.064 求炉渣中FeO的活度，已知炉渣完全由离子组成，阳离子是 Ca2+、 4 4 2 2+ 2+ Fe O SiO Mg 、Fe ；阴离子是 O 、 4 和 2 5 解：因为SiO2的浓度为0.96，aFeO不需修正。按完全离子溶液理论：
炉 渣 高炉炼铁渣 转炉炼钢渣
SiO2
30～40
A12O3
10～20
CaO
35～50
FeO
<1
MgO
5～10
MnO
0.5～1 S
其 它
1～ 2
9～20
0.1～2.5
37～59
5～20
0.6～8
1.3～10
P2O5 1～6 Fe3O4 12～15, S 0.2～0.4, Cu 0.5～0.8
铜闪速炉熔炼渣
4 nFe nFe2O5 0.064 2O5
总的阴离子摩尔数：
4 4 n nO 2自 nSiO 4 nFe O 0.760 0.016 0.064 0.840 2 5
x(O 2 )
nO2自 nO2 nSiO4 nFe O4
4 2 5
被熔融金属或熔渣侵蚀和冲刷下来的炉衬材料
如碱性炉渣炼钢时，MgO主要来自镁砂炉衬
第一章
冶金过程热力学基础
二、硅酸度的概念和计算
有色冶金炉渣的酸碱性，习惯上用硅酸度表示。它指酸性氧 化物中氧的质量之和与碱性氧化物中氧的质量之和之比。
K
酸性氧化物中氧的质量之和 碱性氧化物中氧的质量之和
计算时，两性氧化物在SiO2含量大于36%时按碱性计算，在 SiO2含量小于36%时按酸性计算。 当 K≥1.2 K≤1 酸性 碱性
第一章
冶金过程热力学基础
一、炉渣氧化物p295
组成炉渣的氧化物可分为三类： 碱性氧化物：能供给氧离子O2–的氧化物 如：CaO、MnO、FeO、MgO、Na2O、TiO等， CaO ＝ Ca2+ + O2– 酸性氧化物：能吸收O2–而形成复合阴离子的氧化物 如：SiO2、P2O5、 V2O5等， SiO2 + 2O2– = 4SiO22– 两性氧化物：在强酸性渣中可供给O2–而呈碱性，而在强碱性渣 中会吸收 O2–形成复合阴离子而呈酸性的氧化物 如： Al2O3、Fe2O3、Cr2O3、ZnO等， Al2O3 ＝ 2Al3+ + 3O2– Al2O3 + O2– = 2AlO2–
第一章
熔渣组分的来源
冶金过程热力学基础
矿石或精矿中的脉石
如高炉冶炼：Al2O3、CaO、SiO2等
为满足冶炼过程需要而加入的熔剂
如CaO、SiO2、CaF2等——改善熔渣的物理化学性能
冶炼过程中金属或化合物（如硫化物）的氧化产物
如炼钢：FeO、Fe2O3、MnO、TiO2、P2O5等
造锍熔炼：FeO、Fe3O4等。
冶金过程热力学基础
冶金炉渣通常由五、六种或更多的氧化物组成。 炉渣常含有其他化合物，如氟化物、硫化物等。 炉渣中含量最多的氧化物通常只有三种，其总含量 可达80%以上。 大多数有色冶金炉渣和钢渣的主要氧化物是： FeO、CaO、SiO2 高炉渣和某些有色冶金炉渣的主要氧化物为： CaO、Al2O3、SiO2
代入数据：
0.3
例题：
第一章
冶金过程热力学基础
利用马松模型计算CaO-SiO2系在1530-1680℃时CaO的活度。已 知 x(SiO2 )， 0.30 K 0.003 解：
x( SiO2 ) 1 a MeO K ( K 1) 3 K 1 a a MeO MeO K 1 a MeO
1≤K≤1.2 中性
例：计算下列成分的炉渣的硅酸度: 组分 CaO (%) 38 MgO 8.4
17.9 32
FeO SiO2 Al2O3 31.3 17.9 4.4
4.4 3 16 60 102 K 0.55 38 16 8.4 16 31.3 16 56 40 71.8
0.760 0.905 0.840
aFeO x(O 2 ) x(Fe2 ) 0.506 0.905 0.458
第一章
冶金过程热力学基础
二、 离子聚合反应模型——马松模型 p268
4 4 6 SiO4 SiO4 Si2O7 O 2
4 6 8 SiO4 Si2O7 Si3O10 O 2
• 渣—金反应为电化学反应： 2 [ S ] 2 e ( S ) 正极反应： 2 O 2e [O] 负极反应：
2 2 ( O ) [ S ] ( S ) [O] 电池反应：
第一章
冶金过程热力学基础
硅氧复合阴离子的种类
硅氧复合阴离子的聚合和解体反应：
4 3SiO4
第一章
冶金过程热力学基础
§1.5.2 炉渣的组成
炉渣通常是一种非常复杂的多组分体系，除含有CaO、FeO、 MnO、MgO、Al2O3、SiO2、P2O5、Fe2O3等氧化物外，还可能含 有少量的氟化物（如CaF2）、氯化物（如NaCl）、硫化物（如CaS、 MnS）等其它类型的化合物，甚至还夹带少量的金属。 炉渣的物理化学性质主要由熔渣的组成决定，生产实践中，必 须根据各种冶炼过程的特点，合理地选择炉渣成分，使之具有符合 冶炼要求的物理化学性质，如适当的熔化温度和酸碱性、较低的粘 度和密度等。 下表例举了一些炉渣的组成：
第一章
炉渣的副作用
冶金过程热力学基础
炉渣对炉衬的化学侵蚀和机械冲刷 缩短了炉子的使用寿命
炉渣带走了大量热量 增加了燃料消耗
渣中含有各种有价金属
降低了金属的直收率
10 根据炉渣在冶炼过程中的作用，可将其分成四类： （1）冶炼渣：是以矿石或精矿为原料生产粗金属或熔锍 的熔炼过程中产生的，其主要作用是汇集炉料中的全部脉石 成分、灰分以及大部分杂质，从而使其与熔融的主要冶炼产 物（金属、熔锍等）分离。 （2）精炼渣：是粗金属精炼过程的产物，其主要作用是 捕集粗金属中杂质元素的氧化产物，使之与主金属分离。 （3）富集渣：使原料中的某些有用成分富集于炉渣中， 以便在后续工序中将它们回收利用。 （4）合成渣：为达到一定的冶炼目的，按一定成分预先 配制的渣料熔合而成的炉渣，如铸钢用保护渣、电渣重熔用 渣等。
O FeS Fe S n n1 n2 n3 n4
2
、
、 2
2
组成，存在反应：
n n1 n2 n3 n4
Fe2