冶金過程物理化學

應用物理化學原理和方法研究冶金過程的學科。它是從20世紀20年代中期起逐步發展起來的。

冶金過程包括濕法冶金及高温下進行的火法冶金過程。電冶金過程既包括水溶液電解，又包括高温下的熔鹽電解及電熱的電弧冶煉（如電弧爐鍊鋼等過程。一般來講,冶金過程是極其複雜的多相反應,含有氣-液-固三態,而且其中液、固態經常以兩個或更多的相出現。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、熔鋶（冰銅、冰鎳、冰鈷及黃渣）、水溶液及有機液等。金屬液、熔渣、熔鹽及熔鋶又統稱為冶金熔體。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，造成錯綜複雜的冶金過程。冶金過程有主要屬於物理性的，如蒸發、昇華、熔化、凝固、溶解、結晶、熔析、蒸餾、萃取以及熱傳遞、物質擴散、流體輸送等。這些過程可稱為單元操作（unit operation）。也有伴隨着化學反應的，如焙解、焙燒、燒結、氯化（鹵化）、造鋶熔鍊、還原熔煉、氧化吹煉、氧化精煉、浸取、離子交換、沉澱、電解等。對於鍊鋼的精煉經常有“四脱二去”，即脱硫、脱磷、脱碳、脱氧、去氣及去非金屬夾雜物等，這些過程可稱為單元過程（unit process）。

物理化學是從物理現象和化學現象的聯繫研究物質變化基本原理的學科，主要包括化學熱力學、化學動力學和物質結構三部分。研究內容主要為物質三態、熱力學三個定律、熱化學、溶液、化學平衡、相平衡、化學動力學、電化學、表面化學及物質結構等。和物理化學相似，冶金過程物理化學的學科內容包括冶金過程熱力學、冶金過程動力學及冶金熔體三部分，其研究對象為從礦石到金屬或其化合物產品的全部冶金過程。 ^[1] 

早在19世紀末霍爾 （C.M.Hall） 發明電解法煉 鋁之前，考爾斯 （Cowles） 就運用熱力學原理髮明 了碳還原法製備銅鋁合金。在本世紀20年代中期才 將冶金物理化學作為一門學科進行研究和發展。當 時，物理化學用於鍊鋼工業，使鍊鋼由一門技藝變成 科學。1925年英國法拉第學會召開了引起全世界冶 金工作者關注的鍊鋼物理化學國際會議。美國國家礦 業局於1926年成立了由赫爾第 （C.H.Herty，Jr） 領 導的鍊鋼物理化學小組，對平爐進行了系統的實驗研 究 （美國礦冶石油工程師學會1957年彙編了《鋼脱 氧——C.H.Herty紀念論文集》）。1932～1934年德 國申克 （H. Schenck） 推出兩卷本名著《鋼鐵冶金過 程物理化學導論》，系統地運用物理化學分析歸納總 結鍊鋼過程，後被譯成英、俄等文字。30年代冶金 工作者開始用活度代替濃度進行有溶液參加反應的熱 力學計算。40年代奇普曼 （J.Chipman） 編寫了 《1600℃的化學》和《金屬溶液中的活度》，進而完 成了冶金物理化學的基礎工作。50年以後瓦格納 （C.Wagner） 的 《合金熱力學》、達爾肯 （L.S. Darken） 的 《金屬物理化學》、埃利奧特 （J.F.Elliott的 《鍊鋼熱化學》、庫巴謝夫斯基 （O.Kubaschewski） 的 《冶金熱化學》、裏查森 （F.O.Richardson） 的《冶金熔體物理化學》及特克 道根 （E.T.Turkdogan） 的《高温工藝物理化學》相 繼問世。自申克以來冶金工作者的重要貢獻及40年 代後定期召開的冶金過程物理化學國際會議推動和促 進了本學科的發展。 ^[2] 

冶金過程物理化學主要內容包括冶金過程熱力學、冶金過程動力學和冶金熔體三個部分：

（1） 冶金過程熱力學。研究 冶金體系熱力學和各種冶金過程中 有關體系間的相互反應。它涉及熱 力學的質量作用定律、自由焓、 焓、熵、活度、Gibbs-Duhem公 式、熔解、分配係數、化學平衡、 相圖和相平衡等。利用這些熱力學 原理，可研究冶金過程中的化學反 應能否進行，即反應的可行性和方 向性; 反應進行達到平衡的條件及 該條件下反應能得到的最大產率。

（2） 冶金過程動力學。研究 冶金過程的速率及機理。研究反應 速率和機理的目的在於弄清在各種 條件下反應進行的各種步驟，找出 它的最慢環節，即限速反應，並導 出在給定條件下反應進行的速率方 程式，以便提高冶金過程的冶煉強 度、縮短冶煉時間、提高冶金產品 質量、促進冶金工業自動化、探討 和開發冶金新技術及新工藝。

（3） 冶金熔體。研究金屬 液、熔渣、熔鹽及熔鋶等冶金熔體 體系的相平衡、性質和結構，以及 它們之間的相互作用。屬於熔體性 質的有表面 （或界面） 張力、粘 度、比重、蒸氣壓、溶解度、電導 率、遷移數、電動勢、焓、熱容、 熵、活度、擴散係數、傳質係數和 導熱率等。

冶金過程物理化學對促進冶金工業發展、提高冶金產品質量、增加品種、發展冶金新技術及探索冶金新流程等方面起着重要的作用。下列二例足以説明：①在40年代以前，不鏽鋼冶煉採用的“配料熔化法”只能使用低碳原料，而不能重熔不鏽鋼返回料。一系列的鉻碳氧化平衡的研究工作指出，必須提高熔池的温度方能去碳保鉻，從而就能採用不鏽鋼返回料。此項熱力學的理論分析奠定了40年代中期“返回吹氧法”即以氧氣吹煉不鏽鋼的理論基礎。但此法仍受到必須採用相當量低碳鉻鐵的限制。60年代後期，利用真空冶金原理髮明的“氬氧混吹法”（AOD法）,被譽為不鏽鋼冶煉史上的新紀元，可採用高碳含鉻原料冶煉超低碳不鏽鋼，既提高了產品質量，又降低了冶煉成本。這充分説明冶金過程物理化學的理論研究促進了不鏽鋼冶煉工藝的發展。②鋼液脱硫時，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夾雜物（如硫化錳）變形所引起的衝擊韌性各向異性的缺點，獲得高質量的鋼種，改善了低温用石油鋼管的性能。此發明曾被譽為1974年鋼鐵冶金理論研究領域三大成果之一。

70年代以來，噴射冶金、二次重熔等新技術的發展，都是與冶金過程物理化學的長期研究工作分不開的。提煉冶金學從技藝逐步發展為應用科學，冶金過程物理化學的研究起到了重要的作用。