釋義
應(yīng)用物理化學(xué)原理和方法研究冶金過程的學(xué)科。它是從20世紀20年代中期起逐步發(fā)展起來的。
冶金過程?
包括濕法冶金及高溫下進行的火法冶金過程。電冶金過程既包括水溶液電解，又包括高溫下的熔鹽電解及電熱的電弧冶煉（如電弧爐煉鋼等過程。一般來講，冶金過程是極其復(fù)雜的多相反應(yīng)，含有氣-液-固三態(tài)，而且其中液、固態(tài)經(jīng)常以兩個或更多的相出現(xiàn)。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(tǒng)稱為冶金熔體。固相包括礦石(或精礦的燒結(jié)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(jié)合，造成錯綜復(fù)雜的冶金過程。冶金過程有主要屬于物理性的，如蒸發(fā)、升華、熔化、凝固、溶解、結(jié)晶、熔析、蒸餾、萃取以及熱傳遞、物質(zhì)擴散、流體輸送等。這些過程可稱為單元操作(unit operation)。也有伴隨著化學(xué)反應(yīng)的，如焙解、焙燒、燒結(jié)、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，這些過程可稱為單元過程（unit process）。物理化學(xué)是從物理現(xiàn)象和化學(xué)現(xiàn)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)動力學(xué)和物質(zhì)結(jié)構(gòu)三部分。研究內(nèi)容主要為物質(zhì)三態(tài)、熱力學(xué)三個定律、熱化學(xué)、溶液、化學(xué)平衡、相平衡、化學(xué)動力學(xué)、電化學(xué)、表面化學(xué)及物質(zhì)結(jié)構(gòu)等。和物理化學(xué)相似，冶金過程物理化學(xué)的學(xué)科內(nèi)容包括冶金過程熱力學(xué)、冶金過程動力學(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)品的全部冶金過程。
冶金過程熱力學(xué)
研究冶金過程中的化學(xué)反應(yīng)（簡稱冶金反應(yīng)）的兩方面問題：①反應(yīng)能否進行，即反應(yīng)的可行性和方向性。②反應(yīng)進行達到平衡的條件及該條件下反應(yīng)產(chǎn)物能得到的最大產(chǎn)出率。冶金反應(yīng)是錯綜復(fù)雜的，其原因是：①礦石中有價金屬和大量雜質(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(yīng)盡可能分別提取予以綜合利用。③冶煉過程中所用的燃料、熔劑及耐火材料中某些元素也參加反應(yīng)。這里，有的反應(yīng)希望進行，有的反應(yīng)不希望進行；有的反應(yīng)希望提前進行，有的盡可能推遲進行；某一時期希望進行某一反應(yīng)，而另一時期又希望進行另一反應(yīng)；有時某些反應(yīng)本來在當時條件下是不能進行的，而力圖創(chuàng)造熱力學(xué)條件使它變?yōu)榭赡苓M行等等。
自由焓? 化學(xué)反應(yīng)的自由焓變量Δ
G
是判斷反應(yīng)在等溫等壓條件下能否發(fā)生的依據(jù)。改變溫度、活度、壓力及添加劑等條件可以改變冶金反應(yīng)的自由焓變量，而使反應(yīng)按所希望的方向進行。通過反應(yīng)的標準自由焓變量ΔG
°可以計算反應(yīng)的平衡常數(shù)，因而在給定某些反應(yīng)物質(zhì)的組成時可計算指定產(chǎn)物的最大產(chǎn)出率。參加冶金反應(yīng)的物質(zhì)經(jīng)常以溶液形式出現(xiàn)，進行自由焓計算及熱力學(xué)分析時，溶液中組分的濃度必須換以活度。20世紀40年代以來，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ΔH
、熵變量ΔS
、活度及活度系數(shù)等）的測定，并相應(yīng)地發(fā)展了一套測定及實驗研究方法，積累了相當多的數(shù)據(jù)，已自成為一較完整的系統(tǒng)。冶金過程動力學(xué)?
研究冶金反應(yīng)的速度及機理，找出提高或控制反應(yīng)速度的途徑。冶金過程熱力學(xué)提供冶金反應(yīng)能否自發(fā)地進行的條件，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(yīng)在熱力學(xué)上是可行的，但其進行速度太慢，難以在一定時間內(nèi)完成；因此，必須研究反應(yīng)的動力學(xué)條件，采取相應(yīng)措施，例如提高溫度、擴大參加反應(yīng)物質(zhì)的接觸面以提高其反應(yīng)速度。熱力學(xué)只根據(jù)物質(zhì)體系的始態(tài)及終態(tài)對反應(yīng)能否進行作出判斷，但一個反應(yīng)在進行過程中往往有許多步驟，即所謂基元反應(yīng)(elementary reaction)，其各自的反應(yīng)速度不同，研究這些步驟并求出影響反應(yīng)速度最慢的一步即所謂控制環(huán)節(jié)，稱之為反應(yīng)機理的研究。從分子運動觀點研究反應(yīng)速度及機理稱之為微觀動力學(xué)，也即通常物理化學(xué)中的化學(xué)動力學(xué)的研究范圍。冶金反應(yīng)經(jīng)常在伴有熱能傳遞、物質(zhì)傳遞及動量傳遞三種情況下進行，研究在伴有這三種傳輸現(xiàn)象下的反應(yīng)動力學(xué)稱之為宏觀動力學(xué)。冶金過程動力學(xué)屬于宏觀動力學(xué)范疇，它正處于發(fā)展階段，尚未形成較成熟的系統(tǒng)。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(jié)構(gòu)，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(nèi)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(dǎo)率、遷移數(shù)及電動勢等；屬于熱力學(xué)性質(zhì)的，有焓、熱容、熵及活度等；屬于動力學(xué)及傳遞性質(zhì)的，有擴散系數(shù)、傳質(zhì)系數(shù)及熱導(dǎo)率等。文獻中已提出不少熔體（如合金溶液、熔渣、熔鹽等）的結(jié)構(gòu)模型，利用此模型研究并預(yù)測其各種性質(zhì)，但迄今尚未能找出較全面的、適用于各類型各組成范圍而且與實驗數(shù)據(jù)相符合的通用模型。發(fā)展、評價及展望?
物理化學(xué)應(yīng)用于冶金首先從煉鋼工藝開始,1925年英國法拉第學(xué)會(Faraday Society)召開煉鋼物理化學(xué)的國際會議，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(dǎo)，在平爐進行系統(tǒng)的實驗研究工作。1957年由美國礦冶石油工程師學(xué)會(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)編寫出版的《鋼鐵冶金過程物理化學(xué)導(dǎo)論》(1932年第一卷，1934年第二卷,Springer社出版)是第一本煉鋼過程物理化學(xué)的名著，先后被譯成英、俄、意等文字。美國奇普曼(J.Chipman)的早期代表著作，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］進一步奠定了冶金過程物理化學(xué)學(xué)科的基礎(chǔ)。申克、奇普曼及其同事多年系統(tǒng)的研究工作，以及20世紀40年代以后國際冶金過程物理化學(xué)學(xué)術(shù)會議的定期召開，對本學(xué)科的發(fā)展起了促進和推動作用。本學(xué)科研究范圍從煉鋼進而擴展到煉鐵、有色金屬冶金、真空冶金及半導(dǎo)體冶金等。早期的冶金學(xué)者研究冶金過程，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(yīng)時，當時多采用經(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，開始用活度代替濃度以進行有溶液參加反應(yīng)的熱力學(xué)計算。50～60年代間活度在冶金過程物理化學(xué)中成為最活躍的研究課題之一。由于冶金過程是多相反應(yīng)，在過程進行中不可避免地要產(chǎn)生新相，例如鐵礦石還原過程中金屬鐵相的生成，煉鋼過程中CO氣泡的生成，以及煉鋼脫氧過程中非金屬夾雜物的生成等等。20年代開始創(chuàng)立的新相成核理論在第二次世界大戰(zhàn)后廣泛地引入冶金過程物理化學(xué)領(lǐng)域。戰(zhàn)后，化學(xué)動力學(xué)結(jié)合物質(zhì)、熱能及動量的傳輸現(xiàn)象擴展為宏觀動力學(xué)，又廣泛地加深冶金過程動力學(xué)的研究。隨著計算機在各種學(xué)科及工業(yè)上的廣泛應(yīng)用，50年代開始形成的化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)得到進一步的發(fā)展，對于某些有機合成反應(yīng)通過計算機數(shù)學(xué)模擬基本上可以不經(jīng)過中間工廠的試驗即可對反應(yīng)器進行設(shè)計，并能從事最優(yōu)化的操作控制。冶金反應(yīng)多屬于高溫及多相的反應(yīng)，其復(fù)雜性遠大于一般的化學(xué)反應(yīng)。冶金反應(yīng)動力學(xué)如何向類似的“冶金反應(yīng)工程學(xué)”發(fā)展，尚有待于今后的研究。
冶金過程物理化學(xué)對促進冶金工業(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重要的作用。下列二例足以說明：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(chǔ)。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。這充分說明冶金過程物理化學(xué)的理論研究促進了不銹鋼冶煉工藝的發(fā)展。②鋼液脫硫時，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）變形所引起的沖擊韌性各向異性的缺點，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，噴射冶金、二次重熔等新技術(shù)的發(fā)展，都是與冶金過程物理化學(xué)的長期研究工作分不開的。提煉冶金學(xué)從技藝逐步發(fā)展為應(yīng)用科學(xué)，冶金過程物理化學(xué)的研究起到了重要的作用。
參考書目
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.
