冶金原理0-绪论.ppt

冶金原理,（TheoryofMetallurgy）,,HebeiPolytechnicUniversitySchoolofMetallurgyandEnergy,内容大纲,一、冶金原理的主要内容二、冶金原理的地位和作用三、冶金原理的局限性,,HebeiPolytechnicUniversity,一、冶金原理的主要内容,,,HebeiPolytechnicUniversity,在冶金中，应用物理化学的原理和方法来研究冶金过程原理的科学就称为冶金物理化学。冶金物理化学又称冶金过程物理化学、冶金过程理论、冶金过程热力学及动力学、冶金原理,冶金物理化学PhysicalChemistryofMetallurgy,一、冶金原理的主要内容,冶金原理,一、冶金原理的主要内容,冶金过程热力学ThermodynamicsofProcessMetallurgy,利用化学热力学的原理研究冶金反应过程的可能性（方向）及反应达到平衡的条件，以及在该条件下反应物能达到的最大产出率，确定控制反应过程的参数（温度、压力、浓度及添加剂的选择）。,一、冶金原理的主要内容,热力学涉及三个问题,1、如何判断反应进行的方向,2、反应的产率如何计算,3、如何控制反应,一、冶金原理的主要内容,1、如何判断反应进行的方向,∆G（化学反应的吉布斯自有能变化量）,数值∆G＝G产物-G反应物,物理化学意义-∆G为反应正向进行的驱动力,一、冶金原理的主要内容,1、如何判断反应进行的方向,∆G的计算,,∆Gmf（T，P，a）,,化学反应等温方程式,式中＝fT；J为产物活度和压力的乘积与反应物活度和压力乘积的比值。,一、冶金原理的主要内容,2、如何控制反应,∆rGmf（T，P，a）,控制反应的手段,一、冶金原理的主要内容,3、如何计算反应的产率,一、冶金原理的主要内容,冶金过程动力学KineticofProcessMetallurgy,利用化学动力学的原理及物质、能量、动量传输的原理来研究冶金过程的速率和机理，确定反应过程速率的限制环节，从而得到控制或提高反应的速率，缩短冶炼时间，增加生产率的途径。,一、冶金原理的主要内容,冶金反应动力学研究步骤,一、冶金原理的主要内容,反应物传质,典型气固反应基元过程,反应物表面吸附,界面化学反应,产物表面脱附,产物传质,气固反应动力学研究过程,一、冶金原理的主要内容,冶金熔体MetallurgicalMelt,冶金熔体都是混合物；冶金熔体参与冶金化学反应，同时是产品。,铁液、钢液,还原渣、氧化渣、富集渣、合成渣,二、冶金原理的地位和作用,三大专业基础课,承上启下,将物理化学的基本原理及实验方法应用到冶金过程中，阐明冶金过程的物理化学规律；选择合适的冶炼条件（温度、气氛）。,作用,二、冶金原理的地位和作用,钢铁冶金工艺过程,二、冶金原理的地位和作用,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,烧结/球团矿,热轧机,烧结/球团,转炉煤气,铁水,连铸机,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,焦炉,,,,,,,热风炉,,,,,,,,,,,,高炉,转炉,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,焦炭,加热炉,,,,,,,,高炉渣,钢渣,,焦炉煤气,,钢水,铸坯,,钢材,热风,高炉煤气,,,熔剂,,,,,熔剂,废钢,,二、冶金原理的地位和作用,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,烧结机,冶金原理在烧结工艺中的应用,铁精粉进行烧结的目的,液相如何生成,提高烧结矿强度，需要提高粘结相含量,二、冶金原理的地位和作用,冶金原理在烧结工艺中的应用,常见氧化物的熔点,促使低熔点复杂氧化物的生成,二、冶金原理的地位和作用,冶金原理在炼铁工艺中的应用,炉顶煤气成分,炉渣,,,,,,,,,,,,,,,,,,高炉,,,,,,,,热风,高炉煤气,,,熔剂,烧结/球团矿,焦炭,,铁水,N250％、CO（2025％）、CO2（2217％），少量H2、CH4；COCO2（4244％）CO为还原剂，也是重要的热源，另一方面CO属于有毒气体，希望能够在炉内100消耗。无法实现的原因存在化学平衡。,,,CO2Cs2CO,二、冶金原理的地位和作用,冶金原理在炼铁工艺中的应用,铁水中含C、Si、Mn、P、S，是否含有Al、Ca,炉渣,,,,,,,,,,,,,,,,,,高炉,,,,,,,,热风,高炉煤气,,,熔剂,烧结/球团矿,焦炭,,铁水,1）P2O5、FeO、CuO等全部被还原；2）SiO2、TiO2等难还原，50被还原；3）Al2O3、MgO、CaO等不能被还原。,,氧化物的氧势线越低，氧化物越稳定，越不容易被还原。,氧化物的稳定性,二、冶金原理的地位和作用,冶金原理在炼铁工艺中的应用,与转炉炼钢相比，高炉炼铁工艺更适于脱硫，为什么,炉渣,,,,,,,,,,,,,,,,,,高炉,,,,,,,,热风,高炉煤气,,,熔剂,烧结/球团矿,焦炭,,铁水,1）高温脱硫吸热；2）高碱度渣中O2-含量高；3）低wFeO还原渣；4）金属液中fS高[S]活度高。,高温、低wFeO、fS高C、Si、P含量高。,适于脱硫的热力学条件,二、冶金原理的地位和作用,冶金原理在炼钢工艺中的应用,炼钢前期，P、Si、Mn氧化，C不被氧化，为什么,转炉煤气,铁水,转炉,,,,,,,,,钢渣,钢水,,,,,熔剂,废钢,选择性氧化,1）低温，[P]、[Si]、[Mn]氧势线低；2）高温，[C]氧势线低。,[C]氧势线斜率向下，存在氧化还原转化温度T转。,二、冶金原理的地位和作用,冶金原理在炼钢工艺中的应用,出钢温度高，钢液w[O]高,转炉煤气,铁水,转炉,,,,,,,,,钢渣,钢水,,,,,熔剂,废钢,碳氧浓度积,温度越高，Kθ越小，m越大，w[O]越高；压力越大，pCO越大，m越大。,,[C][O]CO,二、冶金原理的地位和作用,冶金原理在连铸工艺中的应用,冶炼高碳钢，铸坯出现气孔的可能性大，为什么,碳氧浓度积,随钢液和铸坯的冷却，温度降低，Kθ降低，m降低，CO析出。,[C][O]CO,二、冶金原理的地位和作用,钢铁（火法）冶金的特点,“一高三多”,多相体系,高温,多组元,,多相反应,二、冶金原理的地位和作用,钢铁（火法）冶金的特点,多相体系,,高炉炉缸g-s-l（煤气－焦炭－铁液）,高炉块状带g-s（煤气－矿石）,转炉吹炼g-l-l（炉气-渣液-钢液）,精炼吹氩g-l（氩气-钢液）,浇铸l-s（钢液-坯壳）,二、冶金原理的地位和作用,钢铁（火法）冶金的特点,多组元,,高炉煤气CO、CO2、N2等,铁液Fe、C、Si、Mn、P、S等,高炉渣CaO、SiO2、Al2O3等,转炉渣CaO、SiO2、FeO等,钢液Fe，Mn、Ti、Nb等合金元素,二、冶金原理的地位和作用,钢铁（火法）冶金的特点,多相反应,CsFeOsFeCO反应速度慢,两个气固反应相互促进,高温利于脱碳，但不利于脱磷,“去碳保铬”需要高温、真空和加镍,三、冶金原理的局限性,研究方法具有局限性由于高温的特点，宏观测定难度大，微观就更难，有时只能使用常温数据外推，误差较大；学科尚在不断完善发展灵活应用，依据冶物化理论，创造有利反应进行条件，抑制不利反应，提出合理工艺流程；,冶金原理理论,,冶金生产实践,指导,丰富,Thankyou,,,HebeiPolytechnicUniversity,