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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MeO 125

5.4.2 高温下用C还原MeO 126

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