冶金過(guò)程物理化學(xué)，是應用物理化學(xué)原理和方法研究冶金過(guò)程的學(xué)科。是從20世紀20年代中期起逐步發(fā)展起來(lái)的，冶金過(guò)程是極其復雜的多相反應，含有氣-液-固三態(tài)，而且其中液、固態(tài)經(jīng)常以?xún)蓚€(gè)或更多的相出現，反應進(jìn)行達到平衡的條件及該條件下反應產(chǎn)物能得到的最大產(chǎn)出率。

釋義

應用物理化學(xué)原理和方法研究冶金過(guò)程的學(xué)科。它是從20世紀20年代中期起逐步發(fā)展起來(lái)的。

冶金過(guò)程?

包括濕法冶金及高溫下進(jìn)行的火法冶金過(guò)程。電冶金過(guò)程既包括水溶液電解，又包括高溫下的熔鹽電解及電熱的電弧冶煉（如電弧爐煉鋼等過(guò)程。一般來(lái)講，冶金過(guò)程是極其復雜的多相反應，含有氣-液-固三態(tài)，而且其中液、固態(tài)經(jīng)常以?xún)蓚€(gè)或更多的相出現。氣相包括如O2、H2、N2、Cl2、H2O、CO、CO2、SO2、SO3、碳氫化合物氣體、HCl及H2SO4的蒸氣和各種金屬及其化合物的蒸氣或混合氣體。液相包括金屬液、熔融爐渣、熔鹽、熔锍（冰銅、冰鎳、冰鈷及黃渣）、水溶液及有機液等。金屬液、熔渣、熔鹽及熔锍又統稱(chēng)為冶金熔體。固相包括礦石(或精礦的燒結塊或球團)、冶金熔劑、燃料、耐火材料、固體金屬合金及金屬化合物等。這些多相體相互結合，造成錯綜復雜的冶金過(guò)程。冶金過(guò)程有主要屬于物理性的，如蒸發(fā)、升華、熔化、凝固、溶解、結晶、熔析、蒸餾、萃取以及熱傳遞、物質(zhì)擴散、流體輸送等。這些過(guò)程可稱(chēng)為單元操作(unit operation)。也有伴隨著(zhù)化學(xué)反應的，如焙解、焙燒、燒結、氯化(鹵化)、造锍熔煉、還原熔煉、氧化吹煉、氧化精煉、浸取、離子交換、沉淀（見(jiàn)水解沉淀，置換沉淀）、電解等。對于煉鋼的精煉經(jīng)常有“四脫二去”，即脫硫、脫磷、脫碳、脫氧、去氣及去非金屬夾雜物等，這些過(guò)程可稱(chēng)為單元過(guò)程（unit process）。

物理化學(xué)是從物理現象和化學(xué)現象的聯(lián)系研究物質(zhì)變化基本原理的學(xué)科，主要包括化學(xué)熱力學(xué)、化學(xué)動(dòng)力學(xué)和物質(zhì)結構三部分。研究?jì)热葜饕獮槲镔|(zhì)三態(tài)、熱力學(xué)三個(gè)定律、熱化學(xué)、溶液、化學(xué)平衡、相平衡、化學(xué)動(dòng)力學(xué)、電化學(xué)、表面化學(xué)及物質(zhì)結構等。和物理化學(xué)相似，冶金過(guò)程物理化學(xué)的學(xué)科內容包括冶金過(guò)程熱力學(xué)、冶金過(guò)程動(dòng)力學(xué)及冶金熔體三部分，其研究對象為從礦石到金屬或其化合物產(chǎn)品的全部冶金過(guò)程。

冶金過(guò)程熱力學(xué)

研究冶金過(guò)程中的化學(xué)反應（簡(jiǎn)稱(chēng)冶金反應）的兩方面問(wèn)題：①反應能否進(jìn)行，即反應的可行性和方向性。②反應進(jìn)行達到平衡的條件及該條件下反應產(chǎn)物能得到的最大產(chǎn)出率。

冶金反應是錯綜復雜的，其原因是：①礦石中有價(jià)金屬和大量雜質(zhì)（脈石）共同存在。用選礦法精選后的精礦仍含有一定量的雜質(zhì)。②礦石如含有多種有用金屬，對每一種金屬應盡可能分別提取予以綜合利用。③冶煉過(guò)程中所用的燃料、熔劑及耐火材料中某些元素也參加反應。這里，有的反應希望進(jìn)行，有的反應不希望進(jìn)行；有的反應希望提前進(jìn)行，有的盡可能推遲進(jìn)行；某一時(shí)期希望進(jìn)行某一反應，而另一時(shí)期又希望進(jìn)行另一反應；有時(shí)某些反應本來(lái)在當時(shí)條件下是不能進(jìn)行的，而力圖創(chuàng )造熱力學(xué)條件使它變?yōu)榭赡苓M(jìn)行等等。

自由焓? 化學(xué)反應的自由焓變量Δ

G

是判斷反應在等溫等壓條件下能否發(fā)生的依據。改變溫度、活度、壓力及添加劑等條件可以改變冶金反應的自由焓變量，而使反應按所希望的方向進(jìn)行。通過(guò)反應的標準自由焓變量Δ

G

°可以計算反應的平衡常數，因而在給定某些反應物質(zhì)的組成時(shí)可計算指定產(chǎn)物的最大產(chǎn)出率。參加冶金反應的物質(zhì)經(jīng)常以溶液形式出現，進(jìn)行自由焓計算及熱力學(xué)分析時(shí)，溶液中組分的濃度必須換以活度。20世紀40年代以來(lái)，不少冶金熱力學(xué)工作者從事高溫冶金體系的熱力學(xué)性質(zhì)（如焓變量Δ

H

、熵變量Δ

S

、活度及活度系數等）的測定，并相應地發(fā)展了一套測定及實(shí)驗研究方法，積累了相當多的數據，已自成為一較完整的系統。

冶金過(guò)程動(dòng)力學(xué)?

研究冶金反應的速度及機理，找出提高或控制反應速度的途徑。冶金過(guò)程熱力學(xué)提供冶金反應能否自發(fā)地進(jìn)行的條件，它是必要的、最根本的條件，但不是全面的、充分的條件。因為有些反應在熱力學(xué)上是可行的，但其進(jìn)行速度太慢，難以在一定時(shí)間內完成；因此，必須研究反應的動(dòng)力學(xué)條件，采取相應措施，例如提高溫度、擴大參加反應物質(zhì)的接觸面以提高其反應速度。熱力學(xué)只根據物質(zhì)體系的始態(tài)及終態(tài)對反應能否進(jìn)行作出判斷，但一個(gè)反應在進(jìn)行過(guò)程中往往有許多步驟，即所謂基元反應(elementary reaction)，其各自的反應速度不同，研究這些步驟并求出影響反應速度最慢的一步即所謂控制環(huán)節，稱(chēng)之為反應機理的研究。從分子運動(dòng)觀(guān)點(diǎn)研究反應速度及機理稱(chēng)之為微觀(guān)動(dòng)力學(xué)，也即通常物理化學(xué)中的化學(xué)動(dòng)力學(xué)的研究范圍。冶金反應經(jīng)常在伴有熱能傳遞、物質(zhì)傳遞及動(dòng)量傳遞三種情況下進(jìn)行，研究在伴有這三種傳輸現象下的反應動(dòng)力學(xué)稱(chēng)之為宏觀(guān)動(dòng)力學(xué)。冶金過(guò)程動(dòng)力學(xué)屬于宏觀(guān)動(dòng)力學(xué)范疇，它正處于發(fā)展階段，尚未形成較成熟的系統。

冶金熔體?

研究金屬液、熔渣、熔鹽及熔锍（包括砷、銻化合物的黃渣）等冶金熔體體系的相平衡、性質(zhì)和結構，以及熔渣與金屬液，溶鹽與金屬液，或熔渣與熔锍間的相互作用。研究的內容屬于物理性質(zhì)的，有表面（或界面）張力、粘度、比重、蒸氣壓和金屬雜質(zhì)或氣體在熔體中的溶解度等；屬于電化學(xué)性質(zhì)的，有電導率、遷移數及電動(dòng)勢等；屬于熱力學(xué)性質(zhì)的，有焓、熱容、熵及活度等；屬于動(dòng)力學(xué)及傳遞性質(zhì)的，有擴散系數、傳質(zhì)系數及熱導率等。文獻中已提出不少熔體（如合金溶液、熔渣、熔鹽等）的結構模型，利用此模型研究并預測其各種性質(zhì)，但迄今尚未能找出較全面的、適用于各類(lèi)型各組成范圍而且與實(shí)驗數據相符合的通用模型。

發(fā)展、評價(jià)及展望?

物理化學(xué)應用于冶金首先從煉鋼工藝開(kāi)始,1925年英國法拉第學(xué)會(huì )(Faraday Society)召開(kāi)煉鋼物理化學(xué)的國際會(huì )議，引起全世界冶金工作者的重視。1926年美國礦業(yè)局組織煉鋼物理化學(xué)小組，由赫蒂(C.H.Herty,Jr.)領(lǐng)導，在平爐進(jìn)行系統的實(shí)驗研究工作。1957年由美國礦冶石油工程師學(xué)會(huì )(AIME)匯編為《鋼的脫氧──C.H. Herty紀念論文集》。1932～1934年德國申克(H. Schenck)編寫(xiě)出版的《鋼鐵冶金過(guò)程物理化學(xué)導論》(1932年第一卷，1934年第二卷,Springer社出版)是第一本煉鋼過(guò)程物理化學(xué)的名著(zhù)，先后被譯成英、俄、意等文字。美國奇普曼(J.Chipman)的早期代表著(zhù)作，如《1600℃的化學(xué)》【Trans.ASM Vol.30（1942），817】和《金屬溶液中的活度》［Discussion Faraday Soc.No.4(1948)23］進(jìn)一步奠定了冶金過(guò)程物理化學(xué)學(xué)科的基礎。申克、奇普曼及其同事多年系統的研究工作，以及20世紀40年代以后國際冶金過(guò)程物理化學(xué)學(xué)術(shù)會(huì )議的定期召開(kāi)，對本學(xué)科的發(fā)展起了促進(jìn)和推動(dòng)作用。本學(xué)科研究范圍從煉鋼進(jìn)而擴展到煉鐵、有色金屬冶金、真空冶金及半導體冶金等。

早期的冶金學(xué)者研究冶金過(guò)程，多從質(zhì)量作用定律出發(fā)。由于高溫熔體不是理想溶液，它的各組分不服從質(zhì)量作用定律，在闡明反應時(shí)，當時(shí)多采用經(jīng)驗公式，對熔渣則采用各組分的“自由”狀態(tài)的量或假定熔渣中存有若干化合物。30年代中期，開(kāi)始用活度代替濃度以進(jìn)行有溶液參加反應的熱力學(xué)計算。50～60年代間活度在冶金過(guò)程物理化學(xué)中成為最活躍的研究課題之一。由于冶金過(guò)程是多相反應，在過(guò)程進(jìn)行中不可避免地要產(chǎn)生新相，例如鐵礦石還原過(guò)程中金屬鐵相的生成，煉鋼過(guò)程中CO氣泡的生成，以及煉鋼脫氧過(guò)程中非金屬夾雜物的生成等等。20年代開(kāi)始創(chuàng )立的新相成核理論在第二次世界大戰后廣泛地引入冶金過(guò)程物理化學(xué)領(lǐng)域。戰后，化學(xué)動(dòng)力學(xué)結合物質(zhì)、熱能及動(dòng)量的傳輸現象擴展為宏觀(guān)動(dòng)力學(xué)，又廣泛地加深冶金過(guò)程動(dòng)力學(xué)的研究。隨著(zhù)計算機在各種學(xué)科及工業(yè)上的廣泛應用，50年代開(kāi)始形成的化學(xué)反應工程學(xué)得到進(jìn)一步的發(fā)展，對于某些有機合成反應通過(guò)計算機數學(xué)模擬基本上可以不經(jīng)過(guò)中間工廠(chǎng)的試驗即可對反應器進(jìn)行設計，并能從事最優(yōu)化的操作控制。冶金反應多屬于高溫及多相的反應，其復雜性遠大于一般的化學(xué)反應。冶金反應動(dòng)力學(xué)如何向類(lèi)似的“冶金反應工程學(xué)”發(fā)展，尚有待于今后的研究。

冶金過(guò)程物理化學(xué)對促進(jìn)冶金工業(yè)發(fā)展、提高冶金產(chǎn)品質(zhì)量、增加品種、發(fā)展冶金新技術(shù)及探索冶金新流程等方面起著(zhù)重要的作用。下列二例足以說(shuō)明：①在40年代以前，不銹鋼冶煉采用的“配料熔化法”只能使用低碳原料，而不能重熔不銹鋼返回料。一系列的鉻碳氧化平衡的研究工作指出，必須提高熔池的溫度方能去碳保鉻，從而就能采用不銹鋼返回料。此項熱力學(xué)的理論分析奠定了40年代中期“返回吹氧法”即以氧氣吹煉不銹鋼的理論基礎。但此法仍受到必須采用相當量低碳鉻鐵的限制。60年代后期，利用真空冶金原理發(fā)明的“氬氧混吹法”（AOD法）,被譽(yù)為不銹鋼冶煉史上的新紀元，可采用高碳含鉻原料冶煉超低碳不銹鋼，既提高了產(chǎn)品質(zhì)量，又降低了冶煉成本。這充分說(shuō)明冶金過(guò)程物理化學(xué)的理論研究促進(jìn)了不銹鋼冶煉工藝的發(fā)展。②鋼液脫硫時(shí)，加入稀土金屬或鈣、鋯等金屬，得到塑性加工中不變形的球狀硫化物，克服了在塑性加工時(shí)夾雜物（如硫化錳）變形所引起的沖擊韌性各向異性的缺點(diǎn)，獲得高質(zhì)量的鋼種，改善了低溫用石油鋼管的性能。此發(fā)明曾被譽(yù)為1974年鋼鐵冶金理論研究領(lǐng)域三大成果之一。

70年代以來(lái)，噴射冶金、二次重熔等新技術(shù)的發(fā)展，都是與冶金過(guò)程物理化學(xué)的長(cháng)期研究工作分不開(kāi)的。提煉冶金學(xué)從技藝逐步發(fā)展為應用科學(xué)，冶金過(guò)程物理化學(xué)的研究起到了重要的作用。

參考書(shū)目

J.Chipman & J. F. Elliott, Electric Furnace Steelmɑ噚ing Vol.II,Chapter 16, Interscience, NewYork,1963.

E.T.Turkdogan, Physical Chemistry of High- Temperature Technology,Academic Press, New York,1980.