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第1篇 冶金物理化学基础1

1 冶金热力学基础1

1.1 引言1

1.2 热力学中的几个基础性概念2

1.2.1 体系与环境2

1.2.2 体系的性质、状态、状态函数2

1.2.3 过程和途径2

1.2.4 热和功2

1.2.5 内能3

1.3 能量守恒——热力学第一定律3

1.3.1 热力学第一定律3

1.3.2 热与焓4

1.3.3 热容与过程所需热的计算4

1.3.4 物质状态改变过程的焓变计算5

1.4 热力学第二定律8

1.4.1 熵与克劳修斯不等式8

1.4.2 熵变计算及其应用8

1.4.3 亥姆霍兹（Helmheltz）自由能和吉布斯（Gibbs）自由能9

1.4.4 自由能变化与△H、△S的关系10

1.5 化学平衡及反应方向判定10

1.5.1 化学反应的方向及平衡条件10

1.5.2 反应的标准吉布斯自由能变化及其计算11

1.5.3 化学反应的△G？与温度的关系11

1.5.4 化学反应等温式13

1.5.5 平衡常数18

1.5.6 化合物分解平衡20

1.5.7 △G？-T关系图上的标尺20

1.6 溶液22

1.6.1 溶液及其分类22

1.6.2 理想溶液22

1.6.3 实际溶液22

1.6.4 活度相互作用系数24

1.6.5 溶液中组元的化学势25

1.6.6 组元在各项间的分配25

1.6.7 有溶液参加的多元体系中的反应实例26

1.7 表面现象及其热力学27

1.7.1 表面张力和表面吉布斯自由能27

1.7.2 微小液滴（或颗粒）表面性质28

1.7.3 润湿现象30

1.7.4 表面吸附30

1.8 电化学现象及其热力学31

1.8.1 电化学中的基本概念31

1.8.2 电量与化学反应量之间的关系——法拉第定律31

1.8.3 可逆电池的热力学32

1.8.4 电极电势（电极电位）32

1.8.5 电解质溶液的活度33

1.8.6 极化和离子的析出顺序34

习题34

2 相图基础36

2.1 相律初步36

2.1.1 相律中的几个基本概念36

2.1.2 相律37

2.2 相图及应用37

2.3 二元相图38

2.3.1 二元相图的一些特点38

2.3.2 二元相图的组成规则及杠杆规则39

2.4 三元相图有关表示方法和规则40

2.4.1 三元系浓度三角形40

2.4.2 浓度三角形的性质及规则41

2.5 简单的三元共晶型相图45

2.5.1 简单三元共晶相图的立体图及平面投影45

2.5.2 简单三元共晶相图冷却过程的相组成及其相对量46

2.5.3 简单三元共晶相图的等温线和等温截面47

2.6 生成异分熔点化合物的三元相图48

2.6.1 异分熔点二元化合物的三元相图的特点分析48

2.6.2 物系点的冷却过程49

2.6.3 异分熔点化合物构成的三元相图的一些特殊情况51

2.7 生成三元同分熔点化合物的三元相图52

2.7.1 生成三元化合物的三元相图52

2.7.2 生成两个以上同分熔点化合物的典型三元相图52

2.8 冶金领域应用的典型相图简介52

2.8.1 CaO-SiO2-Al2O3三元相图及其应用53

2.8.2 CaO-FeOn-SiO2三元相图及其应用54

习题55

3 冶金反应动力学基础57

3.1 引言57

3.2 化学反应的动力学基础57

3.2.1 化学反应速度的表示方法57

3.2.2 质量作用定律59

3.3 冶金反应动力学基础60

3.3.1 冶金反应动力学特点60

3.3.2 冶金反应的限制性环节60

3.3.3 限制性环节的确定方法62

3.3.4 界面反应和吸附63

3.3.5 传质理论基础64

3.3.6 多相反应动力学的基本特征及分类70

3.3.7 气-固相反应的动力学72

3.3.8 液-液相反应的动力学77

习题79

第2篇 火法冶金原理81

4 冶金熔体81

4.1 引言81

4.2 金属熔体81

4.2.1 金属熔体的结构81

4.2.2 金属熔体的物理性质82

4.2.3 元素在金属熔体中的溶解和相互作用89

4.2.4 熔铁中各种元素的相互作用和相互作用系数92

4.3 冶金炉渣93

4.3.1 炉渣的来源、化学组成及其作用93

4.3.2 熔融炉渣的结构95

4.3.3 熔渣的物理性质99

4.3.4 熔渣的化学性质105

4.3.5 熔渣相图110

习题112

5 还原反应114

5.1 引言114

5.2 燃烧反应114

5.2.1 C-O系燃烧反应热力学115

5.2.2 H-O系和C-H-O系燃烧反应119

5.3 气体还原120

5.3.1 氧化物用CO还原120

5.3.2 氧化物用H2还原123

5.3.3 熔体中氧化物用气体还原123

5.4 固体碳还原124

5.4.1 低温时用C还原MeO125

5.4.2 高温下用C还原MeO126

5.4.3 铁氧化物还原实例126

5.4.4 锌氧化物还原129

5.5 金属热还原130

5.5.1 常压下的金属热还原130

5.5.2 真空热还原130

5.6 选择性还原132

习题132

6 氧化反应134

6.1 引言134

6.2 钢铁冶金中的氧化反应134

6.2.1 氧化剂的种类及传递、反应的方式134

6.2.2 脱碳反应135

6.2.3 硅、锰的氧化反应139

6.2.4 脱磷反应140

6.2.5 脱硫反应143

6.2.6 脱氧反应146

6.3 钢铁冶金中气体的溶解与去除149

6.3.1 气体溶解平衡——西华特（Siverts）定律149

6.3.2 气泡冶金150

6.4 钢铁冶金中的选择性氧化——不锈钢去碳保铬151

6.4.1 ［Cr］的氧化151

6.4.2 ［C］的氧化152

6.4.3 ［Cr］和［C］共存时的氧化152

6.5 有色金属冶金中的氧化反应154

6.5.1 锌精矿焙烧中的氧化反应154

6.5.2 铜锍吹炼中的氧化反应154

6.5.3 粗铜精炼中的氧化反应155

6.5.4 镍冶炼中的氧化反应156

6.5.5 铅冶炼中的氧化反应157

习题158

7 硫化矿的火法冶金159

7.1 引言159

7.2 金属硫化物的稳定性160

7.2.1 硫化物的热分解160

7.2.2 金属硫化物的离解-生成反应161

7.3 硫化物的焙烧162

7.3.1 硫化物的氧化162

7.3.2 硫酸化焙烧167

7.4 硫化矿焙烧的动力学169

7.5 硫化矿的造锍熔炼170

7.5.1 金属硫化物与氧化物转化的吉布斯自由能图171

7.5.2 造锍反应172

7.5.3 Me-Fe-S三元系状态图173

7.5.4 冰铜的主要性质174

7.6 锍的吹炼过程174

习题177

8 氯化冶金179

8.1 引言179

8.2 氯化反应的热力学179

8.2.1 金属与氯的反应179

8.2.2 金属氧化物与氯的反应181

8.2.3 金属氧化物的加碳氯化反应181

8.2.4 金属硫化物与氯的反应183

8.3 氯化剂的选择184

8.3.1 氯化氢作氯化剂184

8.3.2 固体氯化物作氯化剂185

8.3.3 氯化过程添加物的影响186

8.4 氯化反应的动力学187

习题188

9 粗金属的火法精炼190

9.1 引言190

9.2 熔析精炼190

9.3 萃取精炼192

9.4 区域（带熔）精炼193

9.5 蒸馏精炼194

9.6 氧化精炼195

9.6.1 粗铜氧化精炼除铁196

9.6.2 粗铜氧化精炼除硫197

9.6.3 粗铅氧化精炼除锡198

9.7 硫化精炼198

9.7.1 粗铅加硫除铜精炼199

9.7.2 粗锡加硫除铜铁精炼199

9.7.3 锑中加硫除铁及铜精炼200

习题200

10 熔盐电解202

10.1 引言202

10.2 熔盐的结构202

10.2.1 “似晶格”或“空位”模型203

10.2.2 “空穴”模型203

10.2.3 液体自由体积模型204

10.2.4 特姆金（Temkin）模型204

10.2.5 熔盐结构的计算机模型（“硬核软壳”模型）204

10.2.6 几种模型之间的关系206

10.3 熔盐电解质的物理化学性质207

10.3.1 盐系的熔度图208

10.3.2 熔盐的密度209

10.3.3 熔盐黏度211

10.3.4 电导率213

10.3.5 熔盐的界面性质214

10.3.6 熔盐中质点的迁移217

10.4 电解的基本概念217

10.4.1 电解过程的阴极和阳极反应217

10.4.2 分解电压218

10.4.3 电极极化219

10.4.4 槽电压221

10.4.5 电流效率223

10.4.6 电能效率225

10.5 熔盐电解过程的特殊现象226

10.5.1 阳极效应226

10.5.2 去极化228

10.5.3 熔盐与金属的相互作用229

习题230

11 金属凝固232

11.1 引言232

11.2 纯金属的凝固232

11.2.1 纯金属凝固过程的温度变化232

11.2.2 温度梯度的影响233

11.3 合金的凝固234

11.3.1 平衡凝固234

11.3.2 非平衡凝固235

11.4 合金凝固中溶质的再分布236

11.4.1 合金凝固时溶质在液固两相中的重新分配236

11.4.2 溶质在液相中的混合与分布237

11.4.3 有效分配系数及其表达式238

11.4.4 合金凝固后溶质分布的数学表达式238

11.5 合金凝固过程的成分过冷239

11.6 凝固过程组织控制240

11.6.1 铸锭（件）的宏观组织240

11.6.2 三个晶区的形成机理241

11.6.3 凝固组织的控制242

11.7 凝固金属中的缺陷242

11.7.1 偏析242

11.7.2 缩孔和疏松244

11.7.3 裂纹245

11.7.4 气体和夹杂246

11.8 典型金属——铁碳合金的凝固247

11.8.1 铁碳相图247

11.8.2 碳钢248

习题250

第3篇 湿法冶金原理251

12 物质在水溶液中的稳定性251

12.1 引言251

12.2 影响物质稳定性的主要因素252

12.2.1 pH值对物质稳定性的影响252

12.2.2 电位对物质稳定性的影响253

12.2.3 形成配合物对反应的作用255

12.3 水的热力学稳定区256

12.3.1 水的热力学稳定区域图的绘制256

12.3.2 水的热力学稳定区域图的分析257

12.4 ε-pH图的绘制方法与分析258

12.4.1 ε-pH图的概念258

12.4.2 ε-pH图的绘制方法258

12.4.3 ε-pH图的分析260

习题262

13 矿物浸出263

13.1 概述263

13.1.1 浸出的概念263

13.1.2 浸出的分类263

13.2 浸出反应的热力学265

13.2.1 锌焙砂浸出267

13.2.2 硫化矿酸浸出269

13.2.3 金银配合浸出272

13.3 浸出反应的动力学274

13.3.1 简单溶解反应的动力学方程274

13.3.2 化学溶解反应的动力学方程275

13.3.3 电化学溶解反应的动力学方程277

13.4 影响浸出速度的因素279

13.4.1 各种因素对浸出速度的影响280

13.4.2 提高浸出速度的措施281

习题281

14 浸出液净化和金属的化学还原282

14.1 引言282

14.2 化学沉淀净化法282

14.2.1 水解沉淀法283

14.2.2 硫化物沉淀法285

14.3 置换沉淀法287

14.3.1 置换沉淀过程的热力学287

14.3.2 置换沉淀过程的动力学289

14.4 气体还原法290

14.4.1 加压氢还原的热力学分析290

14.4.2 加压氢还原的动力学分析292

14.5 共沉淀法292

14.5.1 破坏胶体的方法292

14.5.2 共沉淀法净化溶液293

习题294

15 水溶液电解质电解295

15.1 引言295

15.2 水溶液电解过程295

15.2.1 阴极过程296

15.2.2 阳极过程303

15.3 电解过程实例分析308

习题311

附录312

参考文献334