冶金物理化学

沈峰满，1958年生，黑龙江密山人。现任东北大学冶金学院教授、博士生导师，享受国务院政府特殊津贴，兼任中国金属学会炼铁分会副主任委员，日本钢铁协会会员，曾任瑞典SSAB钢铁公司顾问。主讲国家级精品资源共享课“冶金物理化学”“冶金工程概论”及研究生课程“冶金实验研究方法及测试技术”等。近年来主要从事高炉炼铁工艺和非高炉炼铁工艺的开发、炼铁原料冶金性能研究、合理炉料结构、富氢还原气体制备及富氢还原条件下高炉冶炼规律、高炉两段式喷吹煤粉工艺及冶金粉尘资源综合利用等方面的研究工作。

第1章 绪言

 1.1 冶金物理化学的作用及主要内容

 1.1.1 冶金物理化学的作用

 1.1.2 冶金物理化学的主要内容

 1.2 冶金物理化学的发展简史

 1.2.1 萌芽段

 1.2.2 体系创建段

 1.2.3 发展完善段

第2章 溶液热力学

 2.1 偏摩尔物理量及其性质

 2.1.1 偏摩尔物理量

 2.1.2 偏摩尔物理量的性质

 2.2 理想溶液与稀溶液

 2.2.1 理想溶液及其热力学征

 2.2.2 稀溶液及其热力学征

 2.3 真实溶液

 2.3.1 真实溶液的点

 2.3.2 活度的概念

 2.3.3 活度标准态

 2.3.4 活度与温度、压力的关系

 2.3.5 标准溶解Gibbs自由能变化ΔGi

 2.3.6 活度标准态和活度换算知识的扩展

 2.4 活度系数与活度相互作用系数

 2.4.1 活度系数

 2.4.2 活度相互作用系数

 2.5 偏摩尔混合性质及额热力学性质

 2.5.1 偏摩尔混合性质

 2.5.2 额热力学性质

 2.6 活度的获得

 2.6.1 活度ai的实验测定

 2.6.2 应用G-D公式计算组元活度

 2.6.3 α函数法求活度

 2.6.4 由活度比求活度

 2.6.5 利用相图数据求活度

 2.7 正规溶液及相关模型

 2.7.1 正规溶液的定义

 2.7.2 正规溶液的性质

 2.7.3 正规溶液性质的应用

 题

第3章 过程的Gibbs自由能变化

 3.1 化学反应等温方程式

 3.1.1 关于化学反应等温方程式

 3.1.2 化学反应等温方程式的应用

 3.2 ΔG的计算

 3.2.1 积分法

 3.2.2 ΔG～T二项式

 3.2.3 自由能函数法

 3.2.4 Barin法

 3.2.5 化学反应平衡法求ΔG

 3.2.6 电化学法测定标准生成自由能ΔfG

 3.3 化学反应等温方程式的应用

 3.3.1 判定反应进行方向

 3.3.2 确定适宜的反应条件

 3.4 平衡移动原理的应用

 3.4.1 温度的影响

 3.4.2 压力的影响

 3.4.3 组元浓度的影响

 3.5 固体电解质及其应用

 3.5.1 固体电解质

 3.5.2 固体电解质电池工作原理

 3.5.3 应用实例

 题

第4章 相图

 4.1 相律

 4.1.1 相律表达式

 4.1.2 相律的应用实例

 4.2 相图基础知识

 4.2.1 二元相图

 4.2.2 三元相图

 4.2.3 溶液冷却过程分析

 4.3 三元相图的绘制与读解

 4.3.1 三元相图的绘制

 4.3.2 三元相图的读解

 4.4 等温截面图的及应用

 4.4.1 等温截面图的

 4.4.2 等温截面图的应用

 4.5 相图在冶金中的应用

 4.5.1 化学反应平衡相的确定

 4.5.2 高炉炼铁适宜炉渣成分的确定

 4.5.3 高炉渣改性再利用

 4.5.4 炼钢过程中炉渣的返干与喷溅

 4.5.5 烧结黏结相的确定

 4.5.6 少渣冶炼渣系的选择

 4.5.7 烧结矿低温还原粉化

 题

第5章 冶金熔渣

 5.1 概述

 5.1.1 熔渣的化学组成及来源

 5.1.2 熔渣的作用

 5.2 熔渣性质、结构

 5.2.1 熔渣碱度

 5.2.2 熔渣结构的分子理论

 5.2.3 熔渣结构的离子理论

 5.3 熔渣理论模型

 5.3.1 完全离子模型（Temkin model）

 5.3.2 电当量模型（Flood model）

 5.3.3 熔渣计算实例

 5.3.4 马松模型（Masson model）

 5.4 熔渣的氧化

 5.4.1 熔渣氧化的表示方法

 5.4.2 渣中aFeO的确定方法

 5.5 熔渣中几种氧化物活度的测定

 5.5.1 SiO2活度的测定

 5.5.2 CaO活度的测定

 5.5.3 MnO活度的测定

 5.6 熔渣的硫容与磷容

 5.6.1 脱硫

 5.6.2 脱磷

 5.7 气体在渣中的溶解

 5.7.1 氢的溶解

 5.7.2 氮的溶解

 5.7.3 氢、氮元素的溶解规律

 题

第6章 热力学在冶金过程中的应用（Ⅰ）

 6.1 氧势图

 6.1.1 氧势图的提出

 6.1.2 氧势图的构成

 6.1.3 氧势图的应用

 6.1.4 氧势图的扩展功能

 6.1.5 其他势图

 6.2 Fe-O体系热力学

 6.2.1 Fe-O体系相图

 6.2.2 Fe氧化热力学

 6.2.3 逐级转变规则

 6.2.4 Fe氧化物还原热力学

 6.2.5 过剩碳存在条件下铁氧化物还原热力学

 6.3 依据物料平衡的相关计算

 6.4 H-C-O体系质量与化学平衡衡算图及其应用

 6.4.1 概述

 6.4.2 H-C-O体系质量及化学平衡衡算图

 6.4.3 制备富氢还原气体工艺中的析碳控制热力学

 6.4.4 制备富氢还原气体工艺中控制临界析碳热力学参数的确定

 6.5 铁液中碳氧反应

 6.5.1 铁液脱碳的意义及条件

 6.5.2 脱碳热力学

 6.5.3 脱碳反应的基本规律

 6.6 钢液脱氧反应热力学

 6.6.1 钢液脱氧的意义

 6.6.2 钢水脱氧

 6.6.3 气泡冶金

 6.7 选择性氧化

 6.7.1 概述

 6.7.2 “去CCr”热力学分析

 题

第7章 热力学在冶金过程中的应用（Ⅱ）

 7.1 势区域图

 7.1.1 势区域图的

 7.1.2 势区域图的点及形式

 7.1.3 平衡相的确定

 7.1.4 选择性焙烧

 7.1.5 三维势区域图

 7.2 锍及造锍熔炼

 7.2.1 锍

 7.2.2 造锍的目的

 7.2.3 造锍主要过程

 7.2.4 Cu-Fe-S三元相图

 7.2.5 冰铜的理化性质

 7.2.6 锍吹炼过程热力学

 7.3 火法氯化冶金及火法炼

 7.3.1 氯化冶金

 7.3.2 火法炼

 7.4 水溶液热力学——电位-pH图

 7.4.1 平衡电位（电电位）

 7.4.2 电位-pH图的绘制

 7.4.3 电位-pH图应用

 7.5 熔盐及熔盐电化学

 7.5.1 名词解释

 7.5.2 熔盐电解热力学

 7.5.3 熔盐电解工艺

 题

第8章 冶金反应动力学基础及应用

 8.1 概述

 8.1.1 动力学的功能

 8.1.2 热力学与动力学之间的相互关系

 8.2 动力学基础理论

 8.2.1 化学反应速率

 8.2.2 扩散或对流传质速率

 8.3 气-固相反应

 8.3.1 未反应核模型的建立

 8.3.2 未反应核模型的应用

 8.3.3 半无限大板状物体的反应速率模型

 8.4 液-液相反应

 8.4.1 双膜理论

 8.4.2 双膜理论的应用

 8.5 气-液相反应

 8.6 液-固相反应

 8.6.1 废钢溶解动力学

 8.6.2 钢液凝固动力学

 8.7 电化学动力学

 8.7.1 平衡态的电过程

 8.7.2 非平衡态的电过程

 8.7.3 电电位征

 8.7.4 电化及动力学征

 8.7.5 过电位的利与弊

 8.7.6 电电位与生产效率之间的关系

 题

附表

 附表一 纯物质的恒压热容Cp、焓ΔH298 K、熵ΔS298 K

 附表二 反应标准Gibbs自由能变化

 附表三 1 600 ℃铁液中元素的活度相互作用母系数εji

 附表四 1 600 ℃铁液中元素的活度相互作用系数eji

 附表五 铁液中元素的活度相互作用系数与温度的关系

 附表六 1 600 ℃铁液组分（以假想质量1%为标准态）的溶解标准Gibbs自由能变化ΔGi

第1章 绪言

冶金物理化学是采用物理化学的基本原理研究各种治金过程进行的可能性、最大反应限度及生产效率的一门科学。

1.1 冶金物理化学的作用及主要内容

冶金物理化学是以普通化学、高等数学、物理化学等知识为理论基础，结合冶金过程“一高三多”的特点，明晰和掌握冶金理论和技术不可或缺的冶金专业基础课程之一。

1.1.1冶金物理化学的作用

将物理化学的基本原理和实验方法应用到复杂的冶金过程中，阐明冶金反应的物理化学规律，为控制与强化冶金过程提供理论依据。按金属冶炼工艺，习惯上分为“火法冶金”和“湿法冶金”两大类，其中火法冶金的特点是“一高三多”。

（1）“一高”冶金过程一般多在1000℃以上的高温下进行，如火法吹炼铜温度约1300℃、转炉炼钢温度约1600℃。

（2）“三多”

①冶金过程体系一般为“多相”共存，如高炉下部还原过程属于固一液-气相间反应、高炉上部铁矿石的还原及氧化或还原焙烧属于气-固相间反应、钢水凝固过程属于液-固相间反应、钢水二次精炼属于气-液相间反应、铁水脱硫属于渣-铁互不相溶的液-液相间反应等。

②冶金反应涉及的液相一般为“多组元”，如铁水中除了铁元素还含有C、Si、Mn、P、S等元素，构成了多组元单相溶液，在发生反应时各组元之间彼此将产生一定的影响。

……

冶金物理化学是国家级精品资源共享课，涉及钢铁冶金、有色金属冶金及材料科学等领域的基础理论及基本方法，是冶金工程专业学生必须掌握的重要的课程之一，也是从事冶金工作工程技术人员的重要参考。本书内容分为热力学和动力学两部分。冶金热力学包括溶液基本理论；Gibbs自由能变化计算、应用原则及基本数据的获得原理、方法；化学反应等温方程式和平衡移动原理；相图基本原理、典型二元、三元相图的基本知识以及相图在冶金领域的应用；熔渣、熔锍、熔盐等冶金熔体以及电解质水溶液的物理化学性质；优势区图、位势图、电位-pH值图等热力学状态图的构成原理及使用方法；并进行典型的应用实例分析。冶金动力学重点介绍宏观动力学，包括确定反应过程的限制性环节以及典型的气-固相反应、液-液相反应、气-液相反应、液-固相反应等多相反应以及电化学动力学的反应速率模型。