冶金物理化学辅导.ppt

国家精品课程冶金物理化学,期末总复习,如何学习冶金物理化学,课前预习，上课记好课堂笔记；在理解基本原理的前提下完成课后作业；抓住“重点”和“难点”，反复演练相关推导；真正理解一些关键问题的含义，如“标准态”和“平衡态”，并搞清它们之间的关系。,课程内容1 冶金热力学基础2 冶金熔体3 热力学状态图4 冶金热力学应用5 冶金过程动力学基础6 冶金反应动力学模型,1 冶金热力学基础,体系的自由能纯物质i的自由能溶液中i的自由能气相中i的自由能固相中i的自由能等温方程式；等压方程式；化学反应的标准自由能计算微、积分法（对结果进行最小二乘处理，使其变为二项式）用已知的自由能（标准生成、溶解自由能函数）,2 冶金熔体-铁溶液,两个基本定律拉乌尔、亨利 活度及其三个标准态活度的定义；活度及活度系数的关系（14个）瓦格纳方程规则溶液混合自由能与超额自由能；定义性质（超额函数;函数）,2 冶金熔体-熔渣,熔渣的基本性质：碱度（一般、过剩碱、光学碱度）氧化还原性（氧化铁折合成亚铁-2、氧化亚铁的氧化还原反应）熔渣理论模型（分子、离子理论）,3 热力学状态图-氧势图,研究对象 的 斜率（）公理：凝聚态的标准熵远小于气态的 曲线的类型（5类），斜率分别为：0；=0（1条）；0（1条）；在T点改变（金属变大、非金属变小）曲线的位置（氧化还原）,3 热力学状态图-相图,相律二元系相图总结三元系相图 浓度三角形及其性质（5个）（垂线、平行线定理、等含量规则、定比例规则、直线规则、重心规则）具有一个稳定二元化和物 具有一个不稳定二元化合物。相图基本规则 相区邻接规则及其三个推论；相界线构筑规则（两个）；复杂三元系二次体系副分规则（含有一个化合物的三元系二次体系副分规则；含有两个以上化合物的三元系二次体系副分规则（连线规则、四边形对角线不相容原理）；切线规则；阿尔克马德规则（罗策印规则）；零变点判断规则,4 冶金热力学应用,4.1 硫容量4.2 不锈钢冶炼,5 冶金动力学基础,化学反应动力学动力学方程的写法；三个级别的基元反应（微分、积分式及其曲线、半衰期；k的量纲）；复合反应（平行；可逆一级；串联）多相反应基本理论菲克的两个定律（单相，三个特解）；边界层的理论（多相反应理论；数学模型、图、kd与Re及Sc的关系）；动力学三个基本模型（双膜理论、溶质渗透理论、表面更新理论；模型的叙述及三个传质系数）,6.冶金动力学模型,气固反应（未反应核模型）反应机理 外扩散 内扩散 界面化学 联合控速及一般情况,气液相反应模型 单相中生成气泡的不可能性；复相中生成气泡的条件、大小、上浮时间；C-O反应的模型（低碳、高碳）,液液反应模型,机理；如何简化机理；最大速率法确定限制环节；计算反应？%所需要的时间,冶金热力学举例：奥氏体不锈钢的去碳保铬,奥氏体不锈钢是一种重要的金属材料，其特点是具有良好的抗晶间腐蚀能力。其含碳量越低，抗腐蚀能力越强。奥氏体不锈钢的一般钢号为1Cr18Ni9（Ti），即，C0.12%，Cr17%19%，Ni8%9.5%，Mn1%2%，S0.02%，P0.035%。钢号为0Cr18Ni9的不锈钢，C0.08%。对于超低碳优质不锈钢，C0.02%。,第一个阶段配料熔化法（1926年上一世纪40年代）,方法特点就是使用各种低碳原料，如工业纯铁、纯镍、低碳铬铁及低碳废钢等。按钢号要求事先配好料，然后在电炉内熔化生产不锈钢。所以该法在电炉中只是个单纯的熔化过程。,由于在熔化过程中，电极会向熔池渗碳，因此必须使用低碳原料。配料熔化法存在如下两个主要问题:,（1）不能使用不锈钢返回料。不锈钢生产中会产生大约30%50%的返回料。如果使用这些返回料，那么由于熔化过程中，电极会向熔池渗碳0.08%左右，因此将造成钢水中含碳量超标。,（2）如果使用返回料，不能用铁矿石氧化去碳。在当时，吹氧氧化去碳技术还未产生，氧化剂主要是铁矿石。然而，若想使用返回料，用铁矿石作氧化剂，只会造成铬的大量氧化，而碳并不氧化，从而达不到去碳保铬的目的。?,第二个阶段返回吹氧法（1939年）,该法在1939年由美国发明，称为不锈钢冶炼史的一次革命。该法的优点是可以使用返回料，并通过吹氧的方法达到去碳的目的?,该法同样存在下面两个问题:,（1）吹氧时，钢水中的Cr也要氧化一部分，大约2%2.5%，造成一定的浪费。,（2）配料时Cr不能一次配足。即，生产1Cr18Ni9不锈钢时，Cr不能一次配到18%，而只能配到12%13%。?这样停吹后，由于吹氧损失2%2.5%的Cr，熔池中含Cr只有10%左右。所以必须在氧化期末补加一定量的低碳铬铁，从而提高了生产成本。,第三个阶段高碳真空吹炼法,60年代发展起来的一种新方法，被称为不锈钢冶炼史上的新纪元。,该工艺具有如下四个特点：,（1）原材料不受任何限制，各种高碳材料均可以使用；（2）配料时Cr可以一次配足?（3）采用真空或半真空吹炼，或者先在常压下吹氧脱碳到一定程度后，再进行真空或半真空处理；（4）钢液中Cr的回收率高，可达97%98%,选择性氧化奥氏体不锈钢的去碳保铬热力学,在炼钢温度下碳和铬同时与氧相遇，氧化作用必有先后。这决定于元素同氧的亲和力的大小，亲和力大的先氧化。按照同氧亲和力大小决定氧化或还原顺序，这就是选择性氧化和还原理论核心。,从埃林汉图可知，吹炼温度必须高于氧化转化温度，才能使钢水中的C氧化而Cr不氧化，也就是可以达到去碳保铬的目的。,1473K,标态下的氧化顺序,G0=0时，T1508K(1235C)。,?,(固态下),标态下的氧化顺序,G0=0时，T1570K(1297C)。,?,(溶于钢液),非标态下的氧化顺序,非标准态下，碳和铬的氧化顺序由等温方程决定。Cr9%时，渣中铬氧化物为Cr3O4。所以冶炼不锈钢的反应如下：,非标准状态下，碳和铬的反应决定于温度、C和Cr的含量、pCO。,非标态下氧化转化温度计算,吹炼温度必须高于氧化转化温度，才能使钢水中的C氧化而Cr不氧化，也就是可以达到去碳保铬的目的。,表 C和Cr的氧化转化温度计算结果,