冶金過程熱力學(學科名)

用熱力學方法研究從礦石提取金屬及其化合物的各種冶金過程的一門學科。它是冶金過程物理化學的一個分支，正如熱力學是物理化學的一個分支一樣。

基本介紹

• 中文名：冶金過程熱力學
• 所屬學科：冶金過程物理化學
• 研究內容：冶金體系的熱力學等
• 套用：碳還原法以製備銅鋁合金等

學科梗概

從礦石提取金屬可分為火法冶金、濕法冶金和電冶金，後者包括電爐冶煉、熔鹽電解和水溶液電解，故也可分別包括在前二者之內。冶金過程物理化學的發展是從火法冶金，特別是煉鋼的熱力學開始的，隨著冶金工業的發展而擴大其內容，並已逐步深入到有色金屬的火法和濕法冶金的研究。

研究內容

冶金熱力學

冶金過程熱力學的研究內容包括冶金體系的熱力學和各種冶金過程中有關體系間的相互反應。對煉鋼來說，涉及的冶金體系包括爐渣、鋼液、耐火材料、冶金熔劑和氣體，以及鋼液冷卻時生成的非金屬夾雜物。進行的冶金過程包括燃燒、氧化吹煉、氧化精煉和渣-鋼間的各種反應。當研究高爐煉鐵時,冶金體系擴大到鐵礦石、焦炭和鐵液，冶金過程增加了焙解、燒結、制球團、還原熔煉和渣－鐵間的一些反應。當研究有色金屬冶金時，冶金體系擴大到熔鋶、黃渣、熔鹽和水鹽體系以及有機溶劑和離子交換樹脂，冶金過程相應地增加了焙燒、造鋶熔煉、氯化、浸取、沉澱、電解、溶劑萃取和離子交換。很明顯，研究上述這些複雜的冶金體系的熱力學及各種冶金過程中有關體系間的相互反應是十分繁重複雜的任務。

從熱力學的角度來看，冶金過程熱力學的內容可以進一步分為質量作用定律、自由焓、焓、 熵、 活度、Gibbs-Duhem公式、溶解度、分配係數、 相圖等等。對火法冶金來說,自由焓-溫度圖(亦稱氧勢圖或Elligham-Richard-son圖)給出一系列金屬化合物的標準生成自由焓與溫度的關係，從而可以對不同化合物的相對穩定性作出定量比較，並可據以計算有關冶金反應的平衡常數。對濕法冶金來說,電勢-pH圖（亦稱Pourbaix圖）給出某一金屬的各種固態和溶解於溶液中的化合物的熱力學平衡，也可以給出溶質和氣相間的平衡。這種圖對金屬在給定條件下的浸取或腐蝕有一定參考和套用價值。

在冶金中的套用 要使一個反應能夠進行並進行得比較完全，從熱力學的觀點可以採用以下方法：①選擇適當的反應條件，使標準自由焓變數儘可能成為較大的負值；②提高反應物質的活度；③降低反應產物的活度。冶金工作者的任務就是在生產實踐中巧妙地運用這些原理，以實現某些預期的目的。

在霍爾（C.M.Hall）發明電解法煉鋁之前，考爾斯兄弟（Cowles）先發明了碳還原法以製備銅鋁合金，就套用了上述的冶金熱力學原理。用高碳鉻鐵為原料冶煉低碳不鏽鋼，也是根據冶金熱力學原理，採用提高冶煉溫度和氬氧混吹來實現的，在這樣的條件下，碳可以優先於鉻而被氧化。此外，濕法冶金中的高壓氫還原法也是冶金熱力學套用於生產實踐的一個例子。

煉鋼

煉鋼本來是一門技藝，通過冶金過程熱力學的研究才演變成為一門科學的。例如，克貝爾（F.K?rber）和厄爾森（W．Oelsen）發現爐渣中的氧化鐵（FeO）和鋼中的[Mn]起下列反應：

(FeO)+【Mn】─→(MnO)+【Fe】 (1)其平衡常數

(2)

不隨渣中FeO、MnO相對含量而變化,得出了FeO-MnO體系是理想溶液的結論。

研究概況 在冶金過程熱力學的發展過程中，申克（H.Schenck）、奇普曼（J.Chipman）、埃利奧特（J.F.Elliott）等都作出了重要的貢獻,而尤以奇普曼的一系列系統性的工作最為人們所稱道。在冶金熱力學的數據彙編方面已有不少專著刊行，例如埃利奧特和格萊澤（M. Gleiser）的《煉鋼熱化學》，庫巴舍夫斯基（O.Kubas-chewski）、埃文斯(E.L.Evans)和阿爾科克的《冶金熱化學》等。70年代以來的一個發展是建立有關的熱化學資料庫，並可利用計算機進行檢索和處理，從而可以極大地加速計算的速度。中國科學院化工冶金研究所已在1979年建立無機熱化學資料庫。

中國冶金工作者結合包頭含氟鐵礦的高爐冶煉試驗，對氟在高爐冶煉中的行為和含氟高爐型渣的熱力學性質進行較深入的研究。例如，用渣與混合氣體H2O-HF間平衡的方法測定了含氟高爐型渣中組分的活度。但在處理數據時，須從CaO與 CaF2活度之比分別求出二者的活度，從而必須將通常的Gibbs－Duhem公式加以變通。對二元系來說，得到變通的Gibbs-Duhem公式為

(3)從而在一定程度上豐富了冶金熱力學的內容。上式中a1、a2分別代表二元系中第1、2組分的活度,N2為第2組分的摩爾分數。另外，由於包頭鐵礦含有大量稀土礦物，稀土的回收和套用成為重要的課題，中國冶金工作者在這方面也進行了大量的熱力學研究工作。

貢獻

隨著多金屬共生礦和貧礦的重要性日益增加，冶金過程熱力學也越來越多地顯示其重要的作用。例如，新型萃取劑和分配係數的研究成果的套用，已使中國在金川鎳礦的綜合利用方面取得了較好的經濟效益。冶金過程熱力學的研究還可以不斷提高金屬的純度，例如鋼中硫含量一向是萬分之幾，現已可降低到十萬分之幾。因此，可以預料，冶金過程熱力學也可以對純金屬和半導體的提純作出貢獻，這方面雜質含量通常以百萬分之幾（ppm）或十億分之幾（ppb）來表示。煉鋼過程熱力學中常用的C-O平衡和H2－H2O平衡已套用於矽、鍺、銦提純的研究。