热力学在冶金中的应用

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1、热力学在冶金中的应用班级：13钢一作者：李远，孙建坤，陈小康，王坤，姜洁，张英杰一．热力学的有关概念1.冶金反应焓变及标准自由能变化计算研究化学反应、溶液生成，物态变化（如晶型转变、熔化或蒸发等）以及其他物理变化和化学过程产生热效应的内容，称为热化学。冶金反应焓变的计算实际上是冶金热化学的主要内容。高炉炼铁以及电炉、闪速炉熔炼铜锍为半自热熔炼，其热量来源既有物理热，又有化学热；电炉炼钢则需要电能转变为热能，而转炉炼钢、吹炼铜锍、镍锍则为自热熔炼，主要的热源是化学热。以氧气顶吹转炉炼钢为例，把1350℃的铁水升温到1650℃，主要依赖于

2、铁水中的［Si］、［Mn］、［C］等元素氧化反应放热；即由化学能转变成热能。要控制氧气顶吹转炉的温度，需要进行冶金热化学计算（热平衡计算），温度偏高加降温剂，如废钢等；温度偏低则要加入提温剂，如硅铁等，以达到控制冶炼过程的目的。总之，金属的提取过程一般都伴有吸热或放热现象。因此，计算冶金反应焓变，不仅有理论意义，还有实际意义。2.焓变计算方法纯物质的焓变计算，一是利用热容；二是应用相对焓。（1）用恒压热容计算纯物质的焓变:对于成分不变的均相体系，在等压过程中的热容称为定压热容（Cp），在等容过程中的热容称为定容热容（Cv）.在绝大多数

3、情况下，量热给出了纯物质在298K时的热化学常数称为摩尔标准相对焓，即一摩尔物质在常压下从298K加热到K时所吸收的热量。若物质的量为n摩尔，其相对焓为若该物质在所研究的温度下为固体，且有固态相变，则相对焓若在所研究温度下该物质为液态，则相对焓若在所研究温度下该物质为气态，则相对焓为3.最高反应温度（理论温度）计算利用基尔霍夫公式计算化学反应焓变，前提是反应物与生成物的温度相同，为了使化学反应温度保持恒定，过程放出的热要及时散出；对吸热反应则必须及时供给热量。如果化学反应在绝热条件下进行，或因反应进行得快，过程所放出的热量不能及时传出

4、，此时也可视为绝热过程。对于放热反应，生成物将吸收过程发出的热，使自身温度高于反应温度。如果已知反应的焓变，以及生成物热容随温度变化的规律，即可计算该体系的最终温度，该温度称为最高反应温度（又叫理论最高反应温度）。绝热过程是理想过程，实际上和环境发生能量交换总是不可避免的。因此，反应所能达到的实际温度总是低于理论最高温度。计算放热反应的理论最高温度，实际上是非等温过程焓变的计算。一般假定反应按化学计量比发生，反应结束时反应器中不再有反应物。可认为反应热全部用于加热生成物，使生成物温度升高。实标上，反应结束时总还残留未反应的反应物。因此

5、，也证实了实际能达到的温度比理论最高温度要低。4.炼钢过程中元素氧化发热能力计算氧气转炉炼钢过程所需的热量来源:(1)加入转炉内1350℃左右的铁水带来的物理热(2)主要是在吹炼过程中，铁水中各元素［C］、［Si］、［Mn］、［P］、［Fe］等氧化反应放出的化学热。虽然炉渣、炉气、炉衬等升温消耗一定热量，但过程产生的化学热仍过剩。因此，在氧气转炉炼钢过程中要加入冷却剂，借以消耗多余的热量。二．选择性氧化—奥氏体不锈钢的去碳保铬奥氏体不锈钢是一种重要的金属材料，其特点是具有良好的抗晶间腐蚀能力。其含碳量越低，抗腐蚀能力越强。奥氏体不锈钢

6、的一般钢号为1Cr18Ni9（Ti），即，C≤0.12%，Cr17%～19%，Ni8%～9.5%，Mn1%～2%，S≤0.02%，P≤0.035%。钢号为0Cr18Ni9的不锈钢，C≤0.08%。对于超低碳优质不锈钢，C≤0.02%。1.第一个阶段—配料熔化法（1926年～上一世纪40年代）方法特点就是使用各种低碳原料，如工业纯铁、纯镍、低碳铬铁及低碳废钢等。按钢号要求事先配好料，然后在电炉内熔化生产不锈钢。所以该法在电炉中只是个单纯的熔化过程。由于在熔化过程中，电极会向熔池渗碳，因此必须使用低碳原料。配料熔化法存在如下两个主要问题:

7、（1）不能使用不锈钢返回料。不锈钢生产中会产生大约30%～50%的返回料。如果使用这些返回料，那么由于熔化过程中，电极会向熔池渗碳0.08%左右，因此将造成钢水中含碳量超标。（2）如果使用返回料，不能用铁矿石氧化去碳。在当时，吹氧氧化去碳技术还未产生，氧化剂主要是铁矿石。然而，若想使用返回料，用铁矿石作氧化剂，只会造成铬的大量氧化，而碳并不氧化，从而达不到去碳保铬的目的。2.第二个阶段—返回吹氧法（1939年）该法在1939年由美国发明，称为不锈钢冶炼史的一次革命。该法的优点是可以使用返回料，并通过吹氧的方法达到去碳的目的??该法同样

8、存在下面两个问题:（1）吹氧时，钢水中的[Cr]也要氧化一部分，大约2%～2.5%，造成一定的浪费。（2）配料时Cr不能一次配足。即，生产1Cr18Ni9不锈钢时，Cr不能一次配到18%，而只能配到12%～13%。这样停