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上篇 冶金热力学原理 1

第1章 冶金热力学基础 1

1.1 化学反应的标准吉布斯自由能变化及平衡常数 2

1.1.1 化学反应的等温方程式 2

1.1.2 标准生成吉布斯自由能变化的温度关系式 3

1.1.3 冶金反应标准吉布斯自由能变化的求法 7

1.2 溶液的热力学关系式 11

1.2.1 理想溶液 11

1.2.2 稀溶液 12

1.2.3 实际溶液 13

1.3 活度的测定与计算方法 13

1.3.1 同一体系中组元活度的计算 13

1.3.2 利用吉布斯-杜亥姆方程计算组元活度 21

1.3.3 多组元体系的活度系数及活度相互作用系数 22

1.4 标准溶解吉布斯自由能变化 24

1.4.1 不同标准态的标准溶解自由能变化 24

1.4.2 铁液中元素的标准溶解吉布斯自由能的计算 26

1.4.3 溶液化学反应的吉布斯自由能变化的计算 27

第2章 金属熔体 31

2.1 金属熔体的结构 32

2.2 金属熔体的物理性质 34

2.2.1 密度 34

2.2.2 粘度 36

2.2.3 扩散系数 38

2.2.4 熔点 39

2.2.5 表面张力 42

2.2.6 蒸气压 46

2.2.7 电阻率 47

2.3 元素在金属熔体中的溶解和相互作用 49

2.3.1 实际溶液与活度 49

2.3.2 各种元素在熔铁中的溶解度和标准溶解吉布斯自由能变化 51

2.3.3 熔铁中各种元素的相互作用系数关系 53

第3章 冶金熔渣 56

3.1 熔渣的来源和作用 57

3.1.1 熔渣组分的来源 57

3.1.2 熔渣的主要作用与类型 57

3.1.3 熔渣的其他作用 59

3.2 主要二元渣系相图 60

3.2.1 相图与相变类型 60

3.2.2 典型二元相图 61

3.3 三元相图基本知识及类型 64

3.3.1 三元相图基本知识 64

3.3.2 三元系相图的表示法 68

3.3.3 三元相图的基本类型 71

3.3.4 冶金熔渣的基本渣系相图 80

3.4 熔渣的结构理论 85

3.4.1 分子结构假说 85

3.4.2 离子结构理论 87

3.4.3 金属与熔渣间电化学反应 88

3.5 熔渣的离子溶液模型 90

3.5.1 完全离子溶液模型 90

3.5.2 离子聚合反应模型 93

3.6 熔渣的活度曲线图 94

3.6.1 二元硅酸盐渣系组分的活度 94

3.6.2 CaO-SiO2-Al2O3渣系组分的活度 95

3.6.3 CaO-SiO2-FeO渣系组分的活度 96

3.6.4 含MnO渣系MnO的活度 99

3.7 熔渣的化学性质 100

3.7.1 酸—碱性 100

3.7.2 氧化—还原性 103

3.7.3 熔渣的容量性质 103

3.8 熔渣的物理性质 106

3.8.1 熔化温度 106

3.8.2 密度 108

3.8.3 粘度 110

3.8.4 电导率 113

3.8.5 表面性质 113

中篇 冶金过程热力学 118

第4章 化合物的生成与分解反应 118

4.1 生成-分解反应的基本概念 119

4.1.1 化合物的生成-分解反应 119

4.1.2 分解反应的热力学参数状态图 120

4.1.3 固相物的溶解对分解压的影响 123

4.2 氧化物的形成与分解反应 124

4.2.1 氧势 124

4.2.2 氧势图 129

4.2.3 氧势图的应用 130

4.2.4 氧化物生成-分解的热力学原理 133

4.2.5 氧化铁分解的优势区图 136

4.2.6 铁-氧系状态图 137

4.3 氯化物的相对稳定性 140

4.4 硫化物的相对稳定性 142

4.4.1 硫化物的分解压 142

4.4.2 硫化物的分解 142

4.5 碳酸盐的分解反应 144

4.5.1 碳酸盐分解热力学 144

4.5.2 主要碳酸盐的分解 146

4.6 燃烧反应 147

4.6.1 可燃气体的燃烧反应 148

4.6.2 固体碳的燃烧反应 153

4.7 燃烧反应气相平衡成分计算 158

第5章 氧化物还原熔炼反应 163

5.1 概述 164

5.1.1 研究还原过程的意义 164

5.1.2 还原过程分类 164

5.1.3 还原反应进行的热力学条件 165

5.1.4 还原剂的选择 165

5.1.5 氧化物还原的热力学条件 166

5.2 氧化物的间接还原反应 169

5.2.1 气体还原氧化物的热力学 169

5.2.2 浮氏体的还原 173

5.2.3 还原剂的过剩系数及利用率 174

5.3 简单金属氧化物的固体碳还原 175

5.3.1 固体碳还原氧化物的热力学原理 175

5.3.2 固体碳还原氧化铁的平衡图 178

5.3.3 复杂氧化物的碳还原 181

5.3.4 其他金属氧化物的碳还原 182

5.4 金属热还原反应 184

5.5 铁的渗碳及含碳量 188

5.5.1 碳化物及碳势 188

5.5.2 碳在固体Fe-C系中存在状态 189

5.5.3 CO-CO2气体对铁的渗碳反应 190

5.5.4 CH4对铁的渗碳反应 193

5.5.5 高炉内铁的渗碳过程及生铁的含碳量 194

5.6 熔渣中氧化物的还原反应 195

5.6.1 还原反应的分配常数及影响因素 195

5.6.2 SiO2的还原 197

5.6.3 MnO的还原 199

5.6.4 TiO2的还原 201

5.6.5 其他氧化物的还原 202

5.7 高炉冶炼的脱硫反应 206

5.7.1 气-固相的脱硫反应 206

5.7.2 熔渣-铁液间的脱硫反应 206

5.7.3 铁液的炉外脱硫 208

第6章 火法精炼反应 214

6.1 氧化熔炼反应的物理化学原理 216

6.1.1 熔池中氧化剂的种类及反应方式 216

6.1.2 溶解元素氧化反应的氧势图 217

6.1.3 氧化精练过程的热力学分析 221

6.2 铁液中主要元素的氧化反应 223

6.2.1 锰氧化的热力学 223

6.2.2 硅氧化的热力学 226

6.2.3 铬的氧化与还原 227

6.2.4 钒的氧化热力学 231

6.2.5 铌的氧化热力学 232

6.2.6 钨的氧化热力学 232

6.3 脱碳反应 233

6.3.1 碳氧化反应的热力学 233

6.3.2 钢液的实际氧浓度 237

6.4 脱磷反应 238

6.4.1 脱磷反应的热力学 238

6.4.2 磷和碳、铬的选择性氧化 244

6.4.3 熔渣中磷酸盐的还原 246

6.4.4 还原脱磷 246

6.5 脱硫反应 247

6.5.1 炼钢脱硫反应的热力学 247

6.5.2 炼钢的气化脱硫 252

6.5.3 合成渣脱硫 253

6.6 脱氧反应 254

6.6.1 脱氧反应的热力学原理 254

6.6.2 锰、硅、铝的脱氧反应 258

6.6.3 复合脱氧反应 260

6.6.4 钢中夹杂物的变形处理 266

6.6.5 脱氧剂用量的计算 269

6.7 硫化精炼 270

6.8 熔析与凝析精炼 271

6.8.1 熔析精炼的基本原理 271

6.8.2 熔析精炼的基本步骤 271

6.8.3 熔析精炼的类型 272

6.8.4 熔析精炼的应用 272

6.8.5 熔析过程的主要影响因素 273

下篇 冶金过程动力学 276

第7章 冶金反应动力学基础 276

7.1 化学反应速度的表示方法 277

7.1.1 反应级数 278

7.1.2 温度对反应速率的影响 278

7.1.3 确定限制性环节的方法 279

7.2 反应过程动力学方程的建立 280

7.2.1 多相反应动力学的基本特征及分类 280

7.2.2 由稳定态原理建立动力学方程 280

7.3 冶金反应动力学模型 282

7.3.1 液-液相反应的动力学——双膜理论 282

7.3.2 气-固相反应的动力学——未反应核模型 284

第8章 冶金过程动力学 290

8.1 还原过程动力学 291

8.1.1 间接还原的机理 291

8.1.2 铁矿石还原的数学模型 292

8.1.3 氧化物直接还原反应的动力学 301

8.1.4 铁水熔渣脱硫的动力学 302

8.1.5 熔融还原反应的动力学 303

8.2 火法熔炼反应动力学 307

8.2.1 元素氧化反应的动力学 307

8.2.2 脱碳反应过程的机理 313

8.2.3 脱磷反应的动力学 319

8.2.4 脱硫反应的动力学 320

8.3 吸气及脱气反应 321

8.3.1 钢液的吸收气体 322

8.3.2 钢液中溶解气体的排出 323

8.3.3 钢液脱碳过程中溶解气体的排出 324

8.3.4 脱氧反应的动力学 326

8.3.5 扩散脱氧 327

8.4 碳酸盐分解动力学 328

8.4.1 碳酸盐分解的机理和组成环节 328

8.4.2 碳酸盐分解的速率式 329

8.5 金属氧化动力学 330

8.5.1 金属氧化过程的组成环节及电化学性质 331

8.5.2 氧化物层的结构和形成 331

8.5.3 金属氧化的速率 332

8.6 固体碳燃烧动力学 334

8.6.1 反应的组成环节 334

8.6.2 固体碳和氧的反应 335

8.6.3 固体碳气化反应 336

8.7 钢液的真空处理 337

8.7.1 挥发性杂质的除去 337

8.7.2 真空脱气 341

8.7.3 真空脱碳（氧） 343

8.8 吹氩处理 344

8.8.1 吹氩脱气 344

8.8.2 吹氩脱氧（AOD法） 345

8.8.3 氩-氧混合气体脱碳 348

8.9 硫酸化焙烧动力学 349

8.10 氯化反应动力学 350

附录 354

参考文献 373