1、.冶 金 原 理（Theory of Metallurgy）Hebei Polytechnic UniversitySchool of Metallurgy and Energy.內容大綱一、冶金原理的主要內容二、冶金原理的地位和作用三、冶金原理的局限性Hebei Polytechnic University.一、冶金原理的主要內容Hebei Polytechnic University 在冶金中，應用物理化學的原理和方法來研究冶金過程原理的科學就稱為冶金物理化學。冶金物理化學又稱冶金過程物理化學、冶金過程理論、冶金過程熱力學及動力學、冶金原理冶金物理化學冶金物理化學(Physical Che

2、mistry of Metallurgy)(Physical Chemistry of Metallurgy).一、冶金原理的主要內容冶 金 原 理冶金過程熱力學冶金過程動力學冶金熔體冶金熔渣金屬熔體.一、冶金原理的主要內容冶金過程熱力學(Thermodynamics of Process Metallurgy)(Thermodynamics of Process Metallurgy) 利用化學熱力學的原理研究冶金反應過程的可能性（方向）及反應達到平衡的條件，以及在該條件下反應物能達到的最大產出率，確定控制反應過程的參數（溫度、壓力、濃度及添加劑的選擇）。.一、冶金原理的主要內容熱力學涉及三

3、個問題1、如何判斷反應進行的方向？2、反應的產率如何計算？3、如何控制反應？.一、冶金原理的主要內容1、如何判斷反應進行的方向？G（化學反應的吉布斯自有能變化量）數 值： GG(產物)-G(反應物)物理化學意義：-G為反應正向進行的驅動力G 0：反應逆向進行G0：反應達到平衡.一、冶金原理的主要內容1、如何判斷反應進行的方向？G的計算 Gm=f（T，P，a）化學反應等溫方程式JRTGGmrmrln 式中： f(T)；J為產物活度和壓力的乘積與反應物活度和壓力乘積的比值。mrG.一、冶金原理的主要內容2、如何控制反應？ rGm=f（T，P，a）控制反應的手段改變反應體系溫度改變反應體系壓力改變產

4、物活度改變反應物活度.一、冶金原理的主要內容3、如何計算反應的產率？JRTGGmrmrln K（化學反應平衡常數）rG0時反應達到平衡，此時的J即為反應的K 不考慮活度影響，K可近似理解為反應物濃度產物濃度.一、冶金原理的主要內容冶金過程動力學(Kinetic of Process Metallurgy)(Kinetic of Process Metallurgy) 利用化學動力學的原理及物質、能量、動量傳輸的原理來研究冶金過程的速率和機理，確定反應過程速率的限制環節，從而得到控制或提高反應的速率，縮短冶煉時間，增加生產率的途徑。 .化學過程物理過程（基元反應）一、冶金原理的主要內容冶金反應動

5、力學研究步驟冶金反應動力學研究步驟實現冶金目的調節參數反應限制性環節基元反應速率化學反應過程分析機理研究調節速率.一、冶金原理的主要內容反應物傳質典型氣固反應基元過程反應物表面吸附界面化學反應產物表面脫附產物傳質調整參數、提高反應速率氣固反應動力學研究過程氣固反應動力學研究過程確定反應速率的限制性環節.一、冶金原理的主要內容冶 金 熔 體(Metallurgical Melt(Metallurgical Melt ) ) 冶金熔體都是混合物； 冶金熔體參與冶金化學反應，同時是產品。鐵液、鋼液還原渣、氧化渣、富集渣、合成渣冶金熔渣金屬熔體.二、冶金原理的地位和作用三大專業基礎課承上啟下冶冶金金傳

6、傳輸輸原原理理冶冶金金原原理理金金屬屬學學物理化學專業課. 將物理化學的基本原理及實驗方法應用到冶金過程中，闡明冶金過程的物理化學規律； 選擇合適的冶煉條件（溫度、氣氛）。作 用二、冶金原理的地位和作用.鋼鐵冶金工藝過程二、冶金原理的地位和作用燒結燒結/球團礦球團礦熱軋機熱軋機燒結燒結/球團球團 轉爐煤氣轉爐煤氣鐵水鐵水連鑄機連鑄機焦爐焦爐熱熱風風爐爐高爐高爐轉爐轉爐焦炭焦炭加熱爐加熱爐高爐渣高爐渣鋼渣鋼渣焦爐煤焦爐煤氣氣鋼水鋼水鑄坯鑄坯鋼材鋼材熱風熱風高爐煤氣高爐煤氣熔劑熔劑熔劑熔劑廢鋼廢鋼原原料料煉煉鐵鐵煉煉鋼鋼連連鑄鑄軋軋鋼鋼.二、冶金原理的地位和作用燒結機燒結機 冶金原理在燒結工藝中的

7、應用冶金原理在燒結工藝中的應用鐵精粉進行燒結的目的液相如何生成？氧化物熔點高燒結溫度低提高燒結礦強度，需要提高粘結相含量矛盾.二、冶金原理的地位和作用冶金原理在燒結工藝中的應用冶金原理在燒結工藝中的應用化合物熔點/化合物熔點/ 化合物熔點/CaO26003CaOSiO220652FeOSiO21205MgO28003CaO2SiO21485MnOSiO21285SiO21713CaOFeOSiO212052MnOSiO21345FeO1370Fe2O3SiO21217CaOMnOSiO21700Fe2O31457MgOAl2O321353CaOP2O51800MnO1783MgOSiO2155

8、7CaOFe2O31220Al2O320502MgOSiO218902CaOFe2O31420CaF21418CaOMgOSiO21390CaO2Fe2O31240CaOSiO215503CaOMgO2SiO21550CaO2FeOSiO212052CaOSiO221302CaOMgO2SiO21450CaOCaF21400常見氧化物的熔點促使低熔點復雜氧化物的生成！.二、冶金原理的地位和作用冶金原理在煉鐵工藝中的應用冶金原理在煉鐵工藝中的應用爐頂煤氣成分爐渣爐渣高爐高爐熱風熱風高爐煤氣高爐煤氣熔劑熔劑燒結燒結/球團礦球團礦焦炭焦炭鐵水鐵水N250、 CO（2025）、CO2（2217），少量

9、H2、CH4；CO+CO2（4244）CO為還原劑，也是重要的熱源，另一方面CO屬于有毒氣體，希望能夠在爐內100%消耗。無法實現的原因：存在化學平衡。CO2+C(s)=2CO)(22TfppKCOCO.二、冶金原理的地位和作用冶金原理在煉鐵工藝中的應用冶金原理在煉鐵工藝中的應用 鐵水中含C、Si、Mn、P、S，是否含有Al、Ca？爐渣爐渣高爐高爐熱風熱風高爐煤氣高爐煤氣熔劑熔劑燒結燒結/球團礦球團礦焦炭焦炭鐵水鐵水1）P2O5、FeO、CuO等全部被還原；2）SiO2、TiO2等難還原，50%被還原；3）Al2O3、MgO、CaO等不能被還原。 氧化物的氧勢線越低，氧化物越穩定，越不容易被還

10、原。氧化物的穩定性.二、冶金原理的地位和作用冶金原理在煉鐵工藝中的應用冶金原理在煉鐵工藝中的應用 與轉爐煉鋼相比，高爐煉鐵工藝更適于脫硫，為什么？爐渣爐渣高爐高爐熱風熱風高爐煤氣高爐煤氣熔劑熔劑燒結燒結/球團礦球團礦焦炭焦炭鐵水鐵水1）高溫脫硫吸熱；2）高堿度渣中O2-含量高；3）低w(FeO)還原渣；4）金屬液中fS高S活度高。高溫、低w(FeO)、 fS高(C、Si、P含量高)。適于脫硫的熱力學條件.二、冶金原理的地位和作用冶金原理在煉鋼工藝中的應用冶金原理在煉鋼工藝中的應用 煉鋼前期，P、Si、Mn氧化，C不被氧化，為什么？轉爐煤氣轉爐煤氣鐵水鐵水轉爐轉爐鋼渣鋼渣鋼水鋼水熔劑熔劑廢鋼廢鋼

11、選擇性氧化1）低溫，P、Si、Mn氧勢線低；2）高溫，C氧勢線低。C氧勢線斜率向下，存在氧化還原轉化溫度T轉。.二、冶金原理的地位和作用冶金原理在煉鋼工藝中的應用冶金原理在煉鋼工藝中的應用 出鋼溫度高，鋼液wO高？轉爐煤氣轉爐煤氣鐵水鐵水轉爐轉爐鋼渣鋼渣鋼水鋼水熔劑熔劑廢鋼廢鋼碳氧濃度積溫度越高，K越小，m越大，wO越高；壓力越大，pCO越大，m越大。KpOwCwmCOC+O=CO.二、冶金原理的地位和作用冶金原理在連鑄工藝中的應用冶金原理在連鑄工藝中的應用 冶煉高碳鋼，鑄坯出現氣孔的可能性大，為什么？連鑄機連鑄機鋼水鋼水鑄坯鑄坯碳氧濃度積 隨鋼液和鑄坯的冷卻，溫度降低，K降低，m降低，CO析

12、出。KpOwCwmCOC+O=CO.二、冶金原理的地位和作用鋼鐵（火法）冶金的特點鋼鐵（火法）冶金的特點“一高三多”多多相相體體系系高高溫溫多多組組元元多多相相反反應應.二、冶金原理的地位和作用鋼鐵（火法）冶金的特點鋼鐵（火法）冶金的特點多多相相體體系系 高爐爐缸：g-s-l（煤氣焦炭鐵液） 高爐塊狀帶：g-s（煤氣礦石） 轉爐吹煉：g-l-l（爐氣-渣液-鋼液） 精煉吹氬：g-l（氬氣-鋼液） 澆鑄：l-s（鋼液-坯殼）.二、冶金原理的地位和作用鋼鐵（火法）冶金的特點鋼鐵（火法）冶金的特點多多組組元元 高爐煤氣：CO、CO2、N2等 鐵液：Fe、C、Si、Mn、P、S等 高爐渣：CaO、SiO2、Al2O3等 轉爐渣： CaO、SiO2、FeO等 鋼液：Fe，Mn、Ti、Nb等合金元素.二、冶金原理的地位和作用鋼鐵（火法）冶金的特點鋼鐵（火法）冶金的特點多多相相反反應應C(s)+FeO(s)=Fe+CO反應速度慢 兩個氣固反應相互促進高溫利于脫碳，但不利于脫磷“去碳保鉻”需要高溫、真空和加鎳相相互互促促進進相相互互制制約約CO+FeO(s)=Fe+CO2CO2+C(s)=2CO.三、冶金