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第一篇 钢铁冶金熔体热力学性质 1

1 溶液的热力学性质 1

1.1 溶液及其组元的热力学量 1

1.1.1 偏摩尔量和摩尔量 1

1.1.2 混合自由焓 2

1.1.3 过剩自由焓 2

1.1.4 偏摩尔自由焓增量 3

1.2 偏摩尔量和摩尔量的关系式 3

1.2.1 偏摩尔量的集合式 3

1.2.2 吉布斯—杜亥姆方程 4

1.2.3 偏摩尔量和摩尔量的关系式 4

1.2.4 其它偏摩尔量和摩尔量的关系式 5

1.3 各类溶液的热力学特征 6

1.3.1 理想溶液 7

1.3.2 实际溶液 8

1.3.3 稀溶液 8

1.3.4 规则溶液 11

参考文献 12

2 溶液的拟晶态模型 13

2.1 溶液的拟晶态模型——混合过程基本方程 13

2.1.1 几个假定 13

2.1.2 构型能 13

2.1.3 混合过程基本方程 14

2.2 各种混合情况的自由焓变化 15

2.2.1 理想混合——理想溶液 15

2.2.2 非理想混合——规则溶液 16

2.2.3 非理想混合——稀溶液 18

2.2.4 间隙型溶液 19

2.3 溶液的拟化学模型 20

参考文献 24

3 铁液中溶质的相互作用参数 25

3.1 相互作用参数式 25

3.1.1 活度相互作用系数 25

3.1.2 瓦格纳(Wagner)相互作用参数式 26

3.2 相互作用参数的意义 28

3.2.1 几何意义 28

3.2.2 物理化学意义 29

3.2.3 二次相互作用系数的意义 30

3.3 相互作用参数的关系式 30

3.3.1 ε(j)i和ε(i)j的关系 30

3.3.2 ε(j)i和e(i)j的关系 31

3.3.3 ε(j)ie(j)i，e(i)i和e(i)i的关系 33

3.3.4 相互作用参数与原子序的关系 33

3.4 温度对相互作用参数的影响 33

3.5 相互作用参数的测定和计算方法 34

3.5.1 相互作用参数的测定方法 34

3.5.2 相互作用参数的计算方法 36

参考文献 38

4 铁液中溶质活度系数 39

4.1 达肯(Darken)二次式——规则溶液模型 39

4.1.1 二次式导出的根据 39

4.1.2 多元系lgyi的计算式 44

4.2 启普曼(Chipman)的间隙型溶液处理法 47

参考文献 50

5 熔渣的热力学活度(一) 51

5.1 离子溶液的活度——特姆金(Temkun)理论 51

5.2 离子价的作用——弗勒德 (Flood)理论 53

5.2.1 弗勒德理论 53

5.2.2 多元系炼钢渣αFeo的计算式 55

5.3 复杂的阴离子的作用 57

5.3.1 引用活度系数的计算方法 57

5.3.2 引用共存理论的计算法 58

5.3.3 引用马森(Masson)模型的计算法 61

5.4 熔渣活度的求值法 63

5.4.1 熔渣的等活度图和实验式 63

5.4.2 熔渣活度的计算法 66

参考文献 71

6 熔渣的热力学活度(二) 72

6.1 正规溶液模型计算法 72

6.1.1 基本依据 72

6.1.2 多元系熔渣活度系数计算式 73

6.1.3 相互作用能的求法 75

6.1.4 活度标准态的变换 78

6.1.5 应用示例 78

6.2 规则离子溶液模型计算法 79

6.2.1 熔渣活度计算式推导 79

6.2.2 碱性炼钢渣活度的计算式 81

参考文献 83

第二篇 钢铁冶金反应热力学分析 84

7 多相多元系平衡定律及其应用 84

7.1 化学位和化学亲和力——平衡的判据 84

7.2 相律及其应用 86

7.2.1 相律 86

7.2.2 相律在高炉炼铁的应用 87

7.2.3 应用相律说明渣—钢反应 88

7.3 分配定律及其应用 89

7.3.1 分配定律 89

7.3.2 分配定律在试验研究中应用 91

7.4 质量作用定律及应用 91

7.4.1 质量作用定律 91

7.4.2 化学亲和力和氧势的应用 92

参考文献 95

8 选择氧化—还原反应热力学分析 96

8.1 多元系中元素的选择氧化—还原 96

8.2 化合物的稳定性——△G-T图的应用 97

8.2.1 △AG°-Τ图的制作基础 98

8.2.2 气相压力变化的修正 98

8.2.3 反应物和反应产物的活度变化的修正 100

8.2.4 △G-Τ图在钢铁冶炼中应用示例 100

8.3 选择氧化还原反应热力学分析 103

8.3.1 同时平衡温度(转化温度) 103

8.3.2 气相压力的作用 107

8.3.3 反应产物活度的控制 108

8.3.4 元素的平衡余量 110

参考文献 112

9 气相的性质和反应热力学分析 113

9.1 混合气体的氧势和碳势 113

9.1.1 CO，CO2，H2，H2O混合气的平衡氧压(氧势) 113

9.1.2 CO，CO2，CH4，H2，H2O混合气的平衡碳势 115

9.1.3 C-H-O系平衡成分的计算法 116

9.2 铁氧化物还原的热力学分析 117

9.3 气体溶解反应热力学分析 121

9.3.1 氧在铁液中的溶解 121

9.3.2 氮在多元系铁液中溶解度 122

9.3.3 氢在铁液中溶解度 123

9.4 CO-CO2混合气对Fe-C-O系的作用 124

9.4.1 CC-CO-混合气同铁液中〔C〕的关系 124

9.4.2 CO-CO2混合气同铁液中〔O〕的关系 125

9.4.3 〔C〕和〔O〕的乘积 126

参考文献 128

10 渣相的性质和反应热力学分析 129

10.1 熔渣的反应性 129

10.1.1 离子—氧的吸引参数 129

10.1.2 碱度 130

10.1.3 渣相反应性其它表示法 131

10.2 气相—渣相间反应 131

10.2.1 渣中Fe2+-Fe3+平衡 131

10.2.2 渣的硫容量 132

10.2.3 渣的磷酸盐容量 134

10.2.4 N2、C、H2O和CO2的溶解反应 135

10.3 渣和金属液间的平衡 139

10.3.1 磷的分配系数Lp——希利(Healy)计算式 139

10.3.2 脱磷平衡和光学碱度A 142

10.3.3 硫的分配系数 142

10.3.4 金属中元素的脱除反应能力CM 143

参考文献 145

11 金属液相中反应热力学分析 146

11.1 元素的脱氧能力分析 146

11.1.1 单元素脱氧 146

11.1.2 脱氧曲线的分析 147

11.2 复合脱氧 149

11.2.1 复合脱氧的热力学条件 149

11.2.2 米哈依罗夫(МИХАЙЛОВ)的热力学分析法 151

11.3 脱氧产物形态控制反应 154

11.3.1 Al-Ca和Si-Al脱氧 154

11.3.2 Fe-O-Al-Ca系平衡 156

11.4 元素脱氧能力随温度的变化 159

参考文献 161

12 钢液凝固过程中反应热力学分析 162

12.1 结晶的热力学基础 162

12.1.1 单元系和二元系 162

12.1.2 二元系的固相线和液相线 163

12.2 平衡分配系数 164

12.2.1 多元系平衡分配系数 164

12.2.2 相互作用参数对平衡分配系数的影响 167

12.3 凝固过程非金属夹杂物生成反应 168

12.3.1 氧化物生成反应 168

12.3.2 氮化物生成反应 172

12.4 钢液凝固过程气泡生成反应 173

参考文献 174

第三篇 冶金反应动力学基础 175

13 多相化学反应速度 175

13.1 化学反应速度和反应物浓度的关系 175

13.1.1 反应速度常数和平衡常数 175

13.1.2 反应级数的求值方法 176

13.2 化学反应速度和温度的关系 179

13.2.1 阿列纽斯(Arrhenius)式 179

13.2.2 化学反应活化能 181

13.2.3 活化能的求值 183

13.3 多相反应速度 183

13.3.1 多相反应速度式 183

13.3.2 多相反应速度的限制步骤研究 186

13.3.3 确定多相反应限制步骤的原则 189

参考文献 192

14 扩散和传质速度 193

14.1 扩散的基本方程 193

14.1.1 菲克(Fick)第一定律 193

14.1.2 菲克第二定律 194

14.2 扩散系数 196

14.2.1 扩散系数的关系式 196

14.2.2 扩散系数与温度和粘度的关系 199

14.2.3 冶金熔体中的扩散系数 200

14.3 相界面传质模型 200

14.3.1 边界层模型(液—液相反应) 200

14.3.2 浸透模型和表面更新模型(气—液相反应) 202

14.3.3 境膜浸透模型 204

参考文献 205

15 渣—钢反应的电化学现象 206

15.1 偶合反应和局部平衡 206

15.2 混成电位和界面氧分压 209

15.2.1 混成电位 209

15.2.2 界面氧分压 210

15.3 电极反应速度 212

15.4 同时脱硫和脱磷的电化学解释 214

15.4.1 脱硫和脱磷的条件的分析 214

15.4.2 熔渣成分的选择 216

15.4.3 反应地点分离的作用 217

参考文献 218

16 吸附对冶金反应速度的影响 219

16.1 界面层的基本性质 219

16.2 吸附的基本方程 221

16.2.1 固体表面吸附 221

16.2.2 溶液表面吸附 222

16.2.3 表面活性物质 224

16.3 吸附对反应速度的影响 226

16.3.1 反应界面积的变化 226

16.3.2 流体力学作用——马栾哥尼(Marangoni)效应 226

16.3.3 表面吸附量的作用 227

16.3.4 表面活性物质的作用 229

16.4 吸附反应速度式 230

参考文献 232

17 新相的生成 233

17.1 新相生成热力学 233

17.1.1 均相生核 233

17.1.2 异相生核 235

17.2 新相生成动力学 236

17.3 表面自由焓对化学反应动力学的影响 237

17.4 各种新相生成问题的分析 239

17.4.1 脱氧反应产物的生成 239

17.4.2 钢液中生成气泡 242

17.4.3 钢液凝固时晶核的生成 243

参考文献 244

18 冶金过程中表面张力平衡现象 245

18.1 溶体的表面张力与组成的关系 245

18.2 冶金熔体的表面张力 247

18.2.1 液体金属和铁合金的表面张力 247

18.2.2 熔渣的表面张力 248

18.2.3 渣—钢间的界面张力 250

18.3 冶金中的乳化现象 251

18.4 冶金中的润湿现象 252

18.4.1 决定润湿的因素 253

18.4.2 喷射冶金中粉—气接触状态分析 254

参考文献 256

第四篇 冶金反应动力学分析 257

19 气—固相反应速度 257

19.1 气—固相反应基本方程 257

19.1.1 化学反应速度 257

19.1.2 扩散速度 258

19.1.3 描述固体反应物转化进程的参数 259

19.2 气体同致密的固体物质反应 259

19.2.1 同块状物质的反应 260

19.2.2 同球状物质的反应 263

19.3 气体同多孔物质的反应 265

19.3.1 多孔物质内气体的浓度梯度 265

19.3.2 反应物转化速度 268

参考文献 270

20 气—液相反应速度(一) 271

20.1 物理吸收反应模型 271

20.2 铁液吸收或放出气体的速度 274

20.2.1 吸氮和脱氮 274

20.2.2 吸氧 277

20.2.3 脱氢 278

20.3 有化合物生成时气—液相反应 280

20.3.1 CO的放出反应模型 280

20.3.2 用O2/Ar或CO/CO2混合气的脱碳速度 284

参考文献 286

21 气—液相反应速度(二) 287

21.1 气泡的形成和上浮速度 287

21.1.1 气泡的形成 287

21.1.2 气泡上升速度 288

21.2 气泡—液体金属间的传质 291

21.2.1 传质系数 291

21.2.2 铁液对吹入气体的吸收速度 292

21.3 气体射流和液相间反应 294

21.4 吹气搅拌对反应速度的影响 296

21.4.1 底吹气的搅拌力 297

21.4.2 搅拌对反应动力学的作用 299

参考文献 301

22 液—液相反应速度(一) 302

22.1 渣—金属间反应速度 302

22.1.1 渣—金属间反应的速度式 302

22.1.2 特例 303

22.1.3 应用 304

22.2 渣—金属间电化学反应速度式 305

22.2.1 电化学反应的总反应速度式 305

22.2.2 硅还原反应速度 306

22.3 渣—金属间反应动力学模型 307

22.3.1 渣—金属反应模型 307

22.3.2 渣—金属反应模型的数学处理 309

22.3.3 应用实例 311

参考文献 313

23 液—液相反应速度(二) 314

23.1 液—液相接触方式与反应进行程度的关系 314

23.1.1 分批式操作 315

23.1.2 半分批渣流通式操作 316

23.1.3 半分批金属流通式操作 317

23.1.4 连续管型逆流式操作 319

23.2 非均匀成分的微粒在上浮中同金属的反应速度 321

23.3 喷吹粉剂的反应进行度 323

参考文献 325

24 固—液相反应速度 326

24.1 金属料的熔化 326

24.1.1 废钢的熔化 326

24.1.2 铁合金的熔化 330

24.2 渣料的熔化 331

24.3 金属液的凝固速度 332

24.3.1 凝固速度式 332

24.3.2 偏析速度 333

24.4 伴有化学反应的凝固速度 334

参考文献 336