[科普中国]-冶金过程物理化学

冶金过程物理化学，是应用物理化学原理和方法研究冶金过程的学科。是从20世纪20年代中期起逐步发展起来的，冶金过程是极其复杂的多相反应，含有气-液-固三态，而且其中液、固态经常以两个或更多的相出现，反应进行达到平衡的条件及该条件下反应产物能得到的最大产出率。

学科介绍应用物理化学原理和方法研究冶金过程的学科。它是从20世纪20年代中期起逐步发展起来的。
冶金过程包括湿法冶金及高温下进行的火法冶金过程。电冶金过程既包括水溶液电解，又包括高温下的熔盐电解及电热的电弧冶炼（如电弧炉炼钢等过程。一般来讲,冶金过程是极其复杂的多相反应,含有气-液-固三态,而且其中液、固态经常以两个或更多的相出现。气相包括如O2、H2、N2、Cl2、H2O、CO、CO2、SO2、SO3、碳氢化合物气体、HCl及H2SO4的蒸气和各种金属及其化合物的蒸气或混合气体。液相包括金属液、熔融炉渣、熔盐、熔锍（冰铜、冰镍、冰钴及黄渣）、水溶液及有机液等。金属液、熔渣、熔盐及熔锍又统称为冶金熔体。固相包括矿石（或精矿的烧结块或球团）、冶金熔剂、燃料、耐火材料、固体金属合金及金属化合物等。这些多相体相互结合，造成错综复杂的冶金过程。冶金过程有主要属于物理性的，如蒸发、升华、熔化、凝固、溶解、结晶、熔析、蒸馏、萃取以及热传递、物质扩散、流体输送等。这些过程可称为单元操作（unit operation）。也有伴随着化学反应的，如焙解、焙烧、烧结、氯化（卤化）、造锍熔炼、还原熔炼、氧化吹炼、氧化精炼、浸取、离子交换、沉淀、电解等。对于炼钢的精炼经常有“四脱二去”，即脱硫、脱磷、脱碳、脱氧、去气及去非金属夹杂物等，这些过程可称为单元过程（unit process）。
物理化学是从物理现象和化学现象的联系研究物质变化基本原理的学科，主要包括化学热力学、化学动力学和物质结构三部分。研究内容主要为物质三态、热力学三个定律、热化学、溶液、化学平衡、相平衡、化学动力学、电化学、表面化学及物质结构等。和物理化学相似，冶金过程物理化学的学科内容包括冶金过程热力学、冶金过程动力学及冶金熔体三部分，其研究对象为从矿石到金属或其化合物产品的全部冶金过程。1

发展简史早在19世纪末霍尔 （C.M.Hall） 发明电解法炼 铝之前，考尔斯 （Cowles） 就运用热力学原理发明 了碳还原法制备铜铝合金。在本世纪20年代中期才 将冶金物理化学作为一门学科进行研究和发展。当 时，物理化学用于炼钢工业，使炼钢由一门技艺变成 科学。1925年英国法拉第学会召开了引起全世界冶 金工作者关注的炼钢物理化学国际会议。美国国家矿 业局于1926年成立了由赫尔第 （C.H.Herty，Jr） 领 导的炼钢物理化学小组，对平炉进行了系统的实验研 究 （美国矿冶石油工程师学会1957年汇编了《钢脱 氧——C.H.Herty纪念论文集》）。1932～1934年德 国申克 （H. Schenck） 推出两卷本名著《钢铁冶金过 程物理化学导论》，系统地运用物理化学分析归纳总 结炼钢过程，后被译成英、俄等文字。30年代冶金 工作者开始用活度代替浓度进行有溶液参加反应的热 力学计算。40年代奇普曼 （J.Chipman） 编写了 《1600℃的化学》和《金属溶液中的活度》，进而完 成了冶金物理化学的基础工作。50年以后瓦格纳 （C.Wagner） 的 《合金热力学》、达尔肯 （L.S. Darken） 的 《金属物理化学》、埃利奥特 （J.F.Elliott的 《炼钢热化学》、库巴谢夫斯基 （O.Kubaschewski） 的 《冶金热化学》、里查森 （F.O.Richardson） 的《冶金熔体物理化学》及特克 道根 （E.T.Turkdogan） 的《高温工艺物理化学》相 继问世。自申克以来冶金工作者的重要贡献及40年 代后定期召开的冶金过程物理化学国际会议推动和促 进了本学科的发展。2

研究内容冶金过程物理化学主要内容包括冶金过程热力学、冶金过程动力学和冶金熔体三个部分：

（1） 冶金过程热力学。研究 冶金体系热力学和各种冶金过程中 有关体系间的相互反应。它涉及热 力学的质量作用定律、自由焓、 焓、熵、活度、Gibbs-Duhem公 式、熔解、分配系数、化学平衡、 相图和相平衡等。利用这些热力学 原理，可研究冶金过程中的化学反 应能否进行，即反应的可行性和方 向性; 反应进行达到平衡的条件及 该条件下反应能得到的最大产率。

（2） 冶金过程动力学。研究 冶金过程的速率及机理。研究反应 速率和机理的目的在于弄清在各种 条件下反应进行的各种步骤，找出 它的最慢环节，即限速反应，并导 出在给定条件下反应进行的速率方 程式，以便提高冶金过程的冶炼强 度、缩短冶炼时间、提高冶金产品 质量、促进冶金工业自动化、探讨 和开发冶金新技术及新工艺。

（3） 冶金熔体。研究金属 液、熔渣、熔盐及熔锍等冶金熔体 体系的相平衡、性质和结构，以及 它们之间的相互作用。属于熔体性 质的有表面 （或界面） 张力、粘 度、比重、蒸气压、溶解度、电导 率、迁移数、电动势、焓、热容、 熵、活度、扩散系数、传质系数和 导热率等。

研究意义冶金过程物理化学对促进冶金工业发展、提高冶金产品质量、增加品种、发展冶金新技术及探索冶金新流程等方面起着重要的作用。下列二例足以说明：①在40年代以前，不锈钢冶炼采用的“配料熔化法”只能使用低碳原料，而不能重熔不锈钢返回料。一系列的铬碳氧化平衡的研究工作指出，必须提高熔池的温度方能去碳保铬，从而就能采用不锈钢返回料。此项热力学的理论分析奠定了40年代中期“返回吹氧法”即以氧气吹炼不锈钢的理论基础。但此法仍受到必须采用相当量低碳铬铁的限制。60年代后期，利用真空冶金原理发明的“氩氧混吹法”（AOD法）,被誉为不锈钢冶炼史上的新纪元，可采用高碳含铬原料冶炼超低碳不锈钢，既提高了产品质量，又降低了冶炼成本。这充分说明冶金过程物理化学的理论研究促进了不锈钢冶炼工艺的发展。②钢液脱硫时，加入稀土金属或钙、锆等金属，得到塑性加工中不变形的球状硫化物，克服了在塑性加工时夹杂物（如硫化锰）变形所引起的冲击韧性各向异性的缺点，获得高质量的钢种，改善了低温用石油钢管的性能。此发明曾被誉为1974年钢铁冶金理论研究领域三大成果之一。
70年代以来，喷射冶金、二次重熔等新技术的发展，都是与冶金过程物理化学的长期研究工作分不开的。提炼冶金学从技艺逐步发展为应用科学，冶金过程物理化学的研究起到了重要的作用。

本词条内容贡献者为:

耿彩芳 - 副教授 - 中国矿业大学