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冶金原理(第二版) 版权信息
- ISBN：9787030562777
- 条形码：9787030562777 ; 978-7-03-056277-7
- 装帧：一般胶版纸
- 册数：暂无
- 重量：暂无
- 所属分类：>
冶金原理(第二版) 本书特色
本书注重打破过去人为的\"钢铁冶金原理\"与\"有色冶金原理\"的界线，将冶金过程作为一个整体，抽象出共同的理论基础作为主线，结合典型的工艺过程进行阐述。
冶金原理(第二版) 内容简介
本书是根据全日制高等教育冶金工程专业教育计划的要求编写的，供作该专业基础课"冶金原理"或"冶金过程物理化学"的教材。全书共分三篇十六章，全面介绍冶金过程的物理化学原理，包括冶金熔体、冶金过程热力学、冶金过程动力学。此外，为弥补学生在基础课学习中的不足，单独编写了"溶液的热力学性质"一节；为了配合双语教学，编写了中英文对照的索引。全书注重了打破过去人为的"钢铁冶金原理"及"有色金属冶金原理"的界限，视冶金过程为一个整体，将其共同的理论基础作为主线，结合典型的工艺过程阐述。
冶金原理(第二版) 目录
目录
绪言 1
**篇 冶金熔体
第1章 概述 4
1.1 金属熔体 4
1.2 熔渣 4
1.3 熔盐 6
1.4 熔锍 7
习题与思考题 8
第2章 冶金熔体的结构 9
2.1 金属熔体的结构 9
2.2 熔盐的结构 12
2.3 熔渣的结构 13
习题与思考题 23
第3章 冶金熔体的化学性质 24
3.1 熔渣的酸碱性 24
3.2 熔渣的氧化还原性 28
3.3 熔渣的容量性质 30
3.4 熔渣与液态金属的反应 35
习题与思考题 36
第4章 冶金熔体的物理性质 37
4.1 熔化温度 37
4.2 密度 39
4.3 黏度 42
4.4 导电性 46
4.5 熔体组分的扩散系数 50
4.6 表面性质与界面性质 52
习题与思考题 59
第5章 冶金熔体热力学 61
5.1 溶液热力学基础 61
5.2 溶液中反应的热力学计算 75
5.3 冶金熔体的热力学模型 82
5.4 冶金熔体中组分的活度 90
习题与思考题 95
**篇主要参考资料 97
第二篇 冶金过程的热力学基础
第6章 概述 99
第7章 相图及其在冶金中应用 102
7.1 三元系相图基础知识 102
7.2 熔渣相图及其在火法冶金中的应用 120
7.3 熔盐相图及其在铝电解中的应用 130
7.4 熔锍相图及其在铜冶金中的应用 132
7.5 水盐体系相图及其在氧化铝生产中的应用 136
习题与思考题 145
第8章 化合物的生成-分解反应 148
8.1 基本概念 148
8.2 化合物生成反应的热力学分析 148
8.3 化合物分解反应的热力学分析 157
习题与思考题 165
第9章 热力学平衡图原理及其在冶金中的应用 166
9.1 基本概念 166
9.2 绘制热力学平衡图的理论基础 167
9.3 热力学平衡图的绘制与应用(I)——二组分体系，Fe-O系及多价金属-氧系的热力学平衡图 170
9.4 热力学平衡图的绘制与应用(II)——三组分体系，金属-硫-氧系及金属-氯-氧系的热力学平衡图 173
9.5 热力学平衡图的叠加 181
9.6 电势-pH图(φ-pH图)及其在冶金中的应用 183
9.7 浓度对数(lg[Me]或lgC)-pH图及其在湿法冶金中的应用 200
习题与思考题 203
第10章 还原过程 205
10.1 基本概念 205
10.2 金属氧化物的碳还原及氢还原 207
10.3 金属热还原 224
10.4 真空还原 225
习题与思考题 227
第11章 高温分离提纯过程 228
11.1 基本概念 228
11.2 氧化精炼 229
11.3 硫化精炼 238
11.4 熔析(或凝析)精炼 239
11.5 区域精炼(区域熔炼、区域提纯)法及定向凝固法 240
11.6 蒸馏(升华)精炼 243
习题与思考题 246
第12章 湿法分离提纯过程 247
12.1 沉淀法 248
12.2 离子交换法 256
12.3 有机溶剂萃取法 262
习题与思考题 274
第二篇主要参考资料 275
第三篇 冶金过程的动力学基础
第13章 概述 277
第14章 冶金过程的气(液)/固相反应动力学 279
14.1 气(液)/固相反应的动力学基础(收缩核模型) 279
14.2 化学反应控制 282
14.3 外扩散控制 285
14.4 内扩散控制 286
14.5 混合控制 288
14.6 影响气(液)/固相反应速率的因素 289
14.7 等反应率法研究冶金过程动力学 294
14.8 液(气)/固反应过程的强化 296
习题与思考题 299
第15章 冶金过程的液(气)/液相反应动力学 301
习题与思考题 303
第16章 结晶过程 304
16.1 新相成核 304
16.2 晶粒的长大 307
16.3 结晶过程的综合速率 307
16.4 影响产物化学组成、粒度和形貌的因素 309
习题与思考题 310
第17章 电极过程动力学 311
17.1 扩散动力学 311
17.2 电化学过程动力学 313
17.3 全极化 318
17.4 阴极过程 319
17.5 阳极过程 324
习题与思考题 327
第三篇主要参考资料 329
绪言 1
**篇 冶金熔体
第1章 概述 4
1.1 金属熔体 4
1.2 熔渣 4
1.3 熔盐 6
1.4 熔锍 7
习题与思考题 8
第2章 冶金熔体的结构 9
2.1 金属熔体的结构 9
2.2 熔盐的结构 12
2.3 熔渣的结构 13
习题与思考题 23
第3章 冶金熔体的化学性质 24
3.1 熔渣的酸碱性 24
3.2 熔渣的氧化还原性 28
3.3 熔渣的容量性质 30
3.4 熔渣与液态金属的反应 35
习题与思考题 36
第4章 冶金熔体的物理性质 37
4.1 熔化温度 37
4.2 密度 39
4.3 黏度 42
4.4 导电性 46
4.5 熔体组分的扩散系数 50
4.6 表面性质与界面性质 52
习题与思考题 59
第5章 冶金熔体热力学 61
5.1 溶液热力学基础 61
5.2 溶液中反应的热力学计算 75
5.3 冶金熔体的热力学模型 82
5.4 冶金熔体中组分的活度 90
习题与思考题 95
**篇主要参考资料 97
第二篇 冶金过程的热力学基础
第6章 概述 99
第7章 相图及其在冶金中应用 102
7.1 三元系相图基础知识 102
7.2 熔渣相图及其在火法冶金中的应用 120
7.3 熔盐相图及其在铝电解中的应用 130
7.4 熔锍相图及其在铜冶金中的应用 132
7.5 水盐体系相图及其在氧化铝生产中的应用 136
习题与思考题 145
第8章 化合物的生成-分解反应 148
8.1 基本概念 148
8.2 化合物生成反应的热力学分析 148
8.3 化合物分解反应的热力学分析 157
习题与思考题 165
第9章 热力学平衡图原理及其在冶金中的应用 166
9.1 基本概念 166
9.2 绘制热力学平衡图的理论基础 167
9.3 热力学平衡图的绘制与应用(I)——二组分体系，Fe-O系及多价金属-氧系的热力学平衡图 170
9.4 热力学平衡图的绘制与应用(II)——三组分体系，金属-硫-氧系及金属-氯-氧系的热力学平衡图 173
9.5 热力学平衡图的叠加 181
9.6 电势-pH图(φ-pH图)及其在冶金中的应用 183
9.7 浓度对数(lg[Me]或lgC)-pH图及其在湿法冶金中的应用 200
习题与思考题 203
第10章 还原过程 205
10.1 基本概念 205
10.2 金属氧化物的碳还原及氢还原 207
10.3 金属热还原 224
10.4 真空还原 225
习题与思考题 227
第11章 高温分离提纯过程 228
11.1 基本概念 228
11.2 氧化精炼 229
11.3 硫化精炼 238
11.4 熔析(或凝析)精炼 239
11.5 区域精炼(区域熔炼、区域提纯)法及定向凝固法 240
11.6 蒸馏(升华)精炼 243
习题与思考题 246
第12章 湿法分离提纯过程 247
12.1 沉淀法 248
12.2 离子交换法 256
12.3 有机溶剂萃取法 262
习题与思考题 274
第二篇主要参考资料 275
第三篇 冶金过程的动力学基础
第13章 概述 277
第14章 冶金过程的气(液)/固相反应动力学 279
14.1 气(液)/固相反应的动力学基础(收缩核模型) 279
14.2 化学反应控制 282
14.3 外扩散控制 285
14.4 内扩散控制 286
14.5 混合控制 288
14.6 影响气(液)/固相反应速率的因素 289
14.7 等反应率法研究冶金过程动力学 294
14.8 液(气)/固反应过程的强化 296
习题与思考题 299
第15章 冶金过程的液(气)/液相反应动力学 301
习题与思考题 303
第16章 结晶过程 304
16.1 新相成核 304
16.2 晶粒的长大 307
16.3 结晶过程的综合速率 307
16.4 影响产物化学组成、粒度和形貌的因素 309
习题与思考题 310
第17章 电极过程动力学 311
17.1 扩散动力学 311
17.2 电化学过程动力学 313
17.3 全极化 318
17.4 阴极过程 319
17.5 阳极过程 324
习题与思考题 327
第三篇主要参考资料 329
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冶金原理(第二版) 节选
绪言 按照传统的概念，提取冶金主要是由原料(含矿物原料和二次原料)产出化学成分合格的金属锭或化合物，提供给金属加工部门或材料制造部门进一步加工成合格的材料，因而它仅是一个提供中间原料的部门。但是随着科学技术的发展，提取冶金的领域得到大幅度的扩展，一方面，由于技术的发展对金属及其化合物制品品种的要求越来越多样化，其结构要求越来越复杂化，如有的要求为形状各异的坯锭，有的要求为具有特定化学成分和粒度组成的粉末体，有的要求具有特定成分和性能的镀膜等。这些仅依靠材料加工的现有技术是难以实现(甚至是不可能)的，而发挥提取冶金技术的优势，在冶炼过程中直接制取，则能收到事半功倍的效果。另一方面，为适应高科技发展的需要，许多以金属或其化合物为基的新材料，如能源材料、功能材料、生物材料等应运而生。但在研制这些材料的过程中，人们发现采用发展了的提取冶金技术更容易保证这些材料在成分、结构、性能方面的严格要求。例如，在制备某些复合材料时，采用湿法冶金中的共沉淀技术就能实现各组分在分子水平上的均匀混合，因此提取冶金技术也扩展到上述新材料的研制与开发。另外，在提取冶金过程中设置适当的条件，以直接得到上述合格材料或其前驱体，较之先制成传统的冶金产品后，再加工成有关材料而言，无论在技术上或经济上都将带来显著的效益。综上所述，现代提取冶金已不仅是由原料制备化学成分合格的金属锭或化合物，也包括用提取冶金的方法在冶金过程中直接制备某些合格的材料或其前驱体。 在提取冶金过程中，为实现将原料中的有价金属与伴生物质分离、同时转化成为符合用户要求的金属或其化合物产品，应将一系列物理的和化学的手段有机结合，但*主要是采用化学的手段，通过各种化学反应，如氧化、还原、焙烧、萃取等实现，因此提取冶金又称化学冶金。 冶金原理是提取冶金的主要基础学科，它主要是应用物理化学的理论和方法研究提取冶金过程，为解决有关技术问题、开拓新的冶金工艺、探索*佳工艺条件、推进冶金技术的发展指明方向，它对提取冶金的发展起着关键性的作用。纵观冶金发展史，三四千年以前人们已经先后掌握了制备青铜技术、炼铁技术，根据考古的发现，当时某些冶金技术的水平令当代的冶金学家赞叹不已。但到19世纪末以前的3000多年中，它每一个小的进步和发展都是在实践中经过长期的摸索，遭受到无数次失败而取得的。整个3000多年中，冶金还仅是一种技艺而不是科学，知其然而不知其所以然，因而发展十分缓慢。经过人们数千年的共同努力，到19世纪末才摸索成功转炉炼钢技术和电解精炼铜技术。一直到20世纪20年代，人们认识到冶金过程实质上是物理化学原理和方法在提取金属中的应用，开始用物理化学理论研究冶金过程，冶金原理学科得以诞生，从而使提取冶金正式成为科学，冶金技术才得到较迅速的发展，可见冶金原理对提取冶金的快速发展起着关键性的作用。 冶金原理研究的主要内容如下。 1. 冶金过程热力学 冶金过程热力学主要是应用化学热力学的理论研究冶金反应进行的可能性、进行的限度、以及各种参数[如温度、压强、浓度(活度)等]对反应进行的影响，从而查明促使反应向有利方向进行、提高理论转化率的可能途径；与此同时，热力学研究的成果往往能启迪思维，为进一步开拓新的冶金工艺指明方向。 2. 冶金过程动力学 冶金过程动力学主要运用宏观化学动力学原理研究冶金反应进行的机理，揭示其控制性步骤，研究各种参数(如比表面积、温度、传质及传热速率等)对冶金反应速率的影响，找出提高冶金过程的速率、充分提高反应器效率的有效措施，同时从反应动力学的角度为改进反应器的结构、开发新型的高产量、低能耗、清洁环保的反应器指明方向。 3. 冶金溶液 冶金溶液包括各种冶金熔体和水溶液，它是许多冶金反应进行的介质，同时许多冶金熔体(如熔渣、熔锍)本身又是冶金过程的产物，因此其成分、结构和性能将直接影响冶金过程的平衡情况、金属的产出率以及原材料和能源消耗，进而直接影响冶金过程的效果。因此，对冶金溶液的物理化学性质、相平衡条件进行深入研究，将为正确选择冶炼过程的参数、有关设备的结构和材质指明方向。 冶金原理涉及所有68种自然界存在的金属和半金属的诸多冶金方法的理论基础，按所研究的具体冶金过程的工作条件往往分为火法冶金原理、湿法冶金原理、电化冶金原理；按具体的冶金对象分为钢铁冶金原理及有色金属冶金原理，但是其核心内容是一致的，都是应用物理化学的理论和方法去研究冶金过程，仅所研究的具体对象或其所处的工作条件不同而已，尽管各自有其某些特殊性，但其应用的基础理论、方法和手段是一致的。 本书将打破上述界限，将有关内容融合为一个整体，从冶金过程热力学、冶金过程动力学及冶金熔体三方面介绍冶金过程的原理。在具体内容选择方面，根据本科专业教育计划，学生在学习本课程之前，已修完物理化学、无机化学等基础课程，并通过冶金概论课及认识实习对专业过程有初步了解，因此本书主要是应用上述课程的理论分析和相关知识研究冶金过程的理论问题，对上述基础课的内容，除了某些必要的加深和补充，一般不予重复。 **篇 冶金熔体 第1章 概述 许多高温冶金过程，如炼钢、铝电解、粗铜的火法精炼等，都是在熔融的反应介质中进行的。另外，在诸如高炉炼铁、硫化铜精矿的造锍熔炼、铅烧结块的鼓风炉熔炼等众多冶炼过程中，人们得到的是熔融状态的产物或中间产品。这些在火法冶金过程中处于熔融状态的反应介质和反应产物(或中间产品)称为冶金熔体。根据组成熔体的主要成分的不同，一般将冶金熔体分为四种类型：①金属熔体；②熔渣；③熔盐；④熔锍。 由于熔渣、熔盐和熔锍的主要成分均为各种金属化合物，因此通常又将这三类熔体统称为非金属熔体。 冶金熔体的性质直接影响到冶炼过程的进行、冶炼工艺的指标以及冶金产品的质量等诸多方面。因此，了解冶金熔体的物理化学性质及其与温度、压力和组成等因素之间的关系，对于有效地控制和调节冶金过程、提高冶金产品的质量都具有十分重要的意义。 本篇主要介绍冶金熔体的基本知识、熔体结构理论、熔体的化学性质和物理性质以及冶金熔体的热力学基础。 1.1 金属熔体 金属熔体指的是液态的金属和合金，如高炉炼铁中的铁水、各种炼钢工艺中的钢水、火法炼铜中的粗铜液、铝电解得到的铝液等。金属熔体不仅是火法冶金过程的主要产品，而且是冶炼过程中多相反应的直接参加者，例如，炼钢中的许多物理过程和化学反应都是在钢液与熔渣之间进行的。因此，金属熔体的物理化学性质对相关冶炼过程的工艺指标有着非常重要的影响。 1.2 熔渣 熔渣是指主要由各种氧化物熔合而成的熔体。在许多火法冶炼过程中，矿物原料中的主金属往往以金属、合金或熔锍的形态产出，而其中的脉石成分及伴生的杂质金属则与熔剂一起熔合成一种主要成分为氧化物的熔体，即熔渣。实际上，熔渣通常是一种非常复杂的多组分体系，除了含有CaO、FeO、MnO、MgO、Al2O3、SiO2、P2O5、Fe2O3等氧化物，还可能含有少量的氟化物(如CaF2)、氯化物(如NaCl)、硫化物(如CaS、MnS)等其他类型的化合物，甚至还夹带少量的金属。钢铁冶金及有色冶金中常见炉渣的主要化学成分如表1-1所示。 表1-1 常见冶金炉渣的主要化学成分(wB/ %) 熔渣是金属提炼和精炼过程的重要产物之一，而且大多数冶炼过程中产出的熔渣数量相当大。例如，高炉生产1t生铁会产生0.3～0.6t高炉渣，有色金属冶炼过程中产出的熔渣则常常达到粗金属(或熔锍)产量的1～3倍。熔渣不仅产量大，在冶炼过程中也起着非常重要的作用。然而，不同的熔渣所起的冶金作用往往是不一样的。根据熔渣在冶炼过程中的作用，一般可将其分成熔炼渣、精炼渣、富集渣和合成渣四大类。 1) 熔炼渣 这种炉渣是在以矿石或精矿为原料、以粗金属或熔锍为冶炼产物的熔炼过程中生成的，其主要作用在于汇集炉料(矿石或精矿、燃料、熔剂等)中的全部脉石成分、灰分以及大部分杂质，从而使其与熔融的主要冶炼产物(金属、熔锍等)分离。例如，高炉炼铁的铁矿石中含有大量的脉石，在冶炼过程中，脉石成分(如Al2O3、CaO、SiO2等)与燃料(焦炭)中的灰分以及为改善熔渣物理化学性能而加入的熔剂(石灰石、白云石、硅石等)反应，形成炉渣，从而与金属铁分离。在硫化矿的造锍熔炼中，铜、镍等的硫化物与炉料中铁的硫化物熔融在一起，形成熔锍；铁的氧化物(FeO、Fe3O4)则与造渣熔剂(主要成分SiO2)及其他脉石成分形成熔渣；二者由于密度不同而实现分离。 实际上，冶炼过程中生成的金属或锍的液滴*初都是分散在熔渣中的，这些分散的微小液滴的汇集、长大和沉降等过程都是在熔渣中进行的。因此熔渣的物理化学性质(如黏度、密度等)对金属或熔锍与脉石成分的分离程度有着决定性的影响。 此外，在竖炉(如鼓风炉)冶炼过程中，炉渣的熔化温度(或化学组成)直接决定了炉缸的*高温度。因为对于熔化温度低的炉渣，增加燃料消耗量只能增大炉料的熔化量而不能进一步提高炉子的*高温度。因此，若要提高冶炼过程的*高温度，必须选择熔化温度适当的渣型。 2) 精炼渣 精炼渣是粗金属精炼过程的产物，其主要作用是捕集粗金属中杂质元素的氧化产物，使之与主金属分离。例如，在炼钢时，原料(生铁或废钢)中杂质元素的氧化产物(FeO、Fe2O3、SiO2、MnO、TiO2、P2O5等)与加入的造渣熔剂(主要成分CaO、MgO)融合成炉渣，从而除去钢液中的硅、锰、磷等有害杂质，同时吸收钢液中的非金属夹杂物。 另外，在金属和合金的精炼时，熔渣覆盖在金属熔体表面，可以防止金属熔体被氧化性气体氧化，减小有害气体(如H2、N2)在金属熔体中的溶解。 3) 富集渣 富集渣的作用在于使原料中的某些有用成分富集于炉渣中，以便在后续工序中将它们回收利用。例如，以钛铁精矿为原料提取金属钛时，精矿中主要伴生物质为氧化铁(占40%～80%)；为了将钛与铁分离并使钛富集，生产上一般先将钛铁精矿在电弧炉中进行还原熔炼，使氧化铁还原成生铁而除去，TiO2 则进入渣相，得到含TiO2 80%～85%的高钛渣，然后从高钛渣中进一步提取金属钛。 4) 合成渣 合成渣是由为达到一定冶炼目的、按一定成分预先配制的渣料熔合而成的炉渣，如铸钢用保护渣、电渣重熔用渣等。这些炉渣所起的冶金作用差别很大。例如，保护渣的主要作用是覆盖在熔融金属表面，将其与大气隔离开来，防止其二次氧化，从而使金属免受污染。而电渣重熔渣一方面作为发热体，为精炼提供所需要的热量；另一方面能脱除钢液中的杂质、吸收非金属夹杂物。例如，在电渣重熔法炼钢时，常以CaF2-Al2O3系渣为熔剂，一方面作为电阻发热体，另一方面钢液中的夹杂物(如FeO等)熔入渣中而被除去；同时，此熔渣亦具有保护钢液不被空气氧化的作用。 当然，熔渣对冶炼过程及生态环境也会有一些不利的影响。例如，熔渣对炉衬的化学侵蚀和机械冲刷，显著缩短了炉子的使用寿命；产量很大的炉渣带走了大量热量，因而明显地增加了燃料消耗；渣中含有各种有价金属，降低了金属的直收率；此外，炉渣中常含有重金属，甚至含有砷、镉、铬等有害元素，因此炉渣属于有害固体废弃物，如果不合理处置，容易成为环境污染源。 综上所述，熔渣在冶炼过程中起着非常重要的作用，俗话说“冶炼在于炼渣”，生动地说明了熔渣对于冶炼过程的重要性。冶金过程的正常进行及技术经济指标在很大程度上取决于熔渣的物理化学性质，而熔渣的物理化学性质主要是由熔渣的组成决定的。在生产实践中，必须根据各种冶炼过程的特点，合理地选择熔渣成分，使之具有符合冶炼要求的物理化学性质，如适当的熔化温度和酸碱性、较低的黏度和密度等。例如，在造锍熔炼过程中，为了使锍的液滴在熔渣中更好地沉降、降低主金属在渣中的损失，要求熔渣具有较低的黏度、密度和合适的渣-锍界面张力
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