教学大纲冶金物理化学.docx

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教学大纲冶金物理化学

《冶金物理化学》教学大纲

一、课程概要

   课程编号：

020401

   开课院系：

冶金与生态工程学院

   课程类别：

必修课 

   适用专业：

冶金工程

   课内总学时：

88（课内64，实验24）

   课程基础：

物理化学，冶金传输原理  

   根据我校的人才培养目标，建设特色突出、国内一流、国际知名的研究型大学，对国家与地方经济，特别是钢铁行业，培育创新、进取、团结、实践能力强的一代新人。

本课程采用多种教学手段和方法，精心设计教学内容，对于来自全国各地的优质学生来源，培养学生掌握运用冶金物化基本理论去解决实际问题的方法和能力，了解该学科的思维方法，培养冶金工程专业的本科生对新工艺、新流程设计能力、实践探索能力、创新意识和创新能力。

   本课程的目标是通过学习冶金物理化学的基本理论，为后续的其他专业课程学习打好扎实的理论基础；培养运用冶金的基础理论分析和解决实际问题的能力。

   为了达到本课程的预期目的，在课程内容的设置上，注意传统内容与现代内容的结合；课堂教学与实验课教学的呼应，主讲老师的科研成果对教学的促进，将本课程办成具有研究性和前沿性的时代特征的国际一流新的教学平台。

二、教学目的

   1．本课程是冶金工程专业本课生必修课程，是一门重点介绍冶金物理化学基本概念、基本原理以及在冶金过程中应用的专业基础课。

   2．通过本课程的学习使学生掌握冶金热力学、冶金动力学的基本原理。

学会运用这些原理分析和解决生产中出现的新问题；不断地改造旧工艺，创造新工艺，降低生产消耗，提高生产率；不断地向相关学科渗透，扩大冶金物理化学的研究领域。

   3.通过本课程的学习，使学生掌握冶金物理化学基本的实验技能，对冶金中的问题，利用冶金物理化学基础和其他专业知识综合的研究方法。

三、基本要求

1．课程重点

   热力学基本定理在冶金中应用及标准吉布斯自由能的计算方法；Elingham图的应用；溶液（包括铁液与渣液的活度与活度系数、Wagner模型、分子理论与离子理论模型、标准溶解自由能等）；扩散与传质的基本理论；三个典型的冶金动力学模型（气固相反应动力学、气液相反应动力学、液液相反应动力学）。

2．课程难点

   活度的概念及活度标准态的选择；不同标准态活度及活度系数之间关系；相图的基本规则（邻接、相界限构筑、二次体系副分、切线、阿尔克马德、零变点）。

含有一个不稳定二元化合物的三元系相图的冷却过程分析；气泡在均相与非均相形核、气泡长大与上升过程动力学机理；液液反应动力学的双膜理论的应用；不同控速条件的气固反应动力学的未反应核模型。

3.解决办法

   1）充分发挥优质教师资源，让国内外著名学者周国治院士给全体学生开第一课－绪论，除全面介绍冶金物理化学的发展及如何在冶金中的应用外，重点指导学生如何学习冶金物理化学，学会解决冶金物理化学中难点问题的方法。

2）教师通过举例、通俗化、强调、比较等手段使学生真正掌握教学中的重点和难点。

教师在讲解重点和难点内容的过程中，要放慢速度，举一反三。

3）每章教学内容完成之后，助课老师对内容进行总结，讲解习题中的问题，针对不同章节的内容，讲有代表性的例题。

在这些过程中，也把重点和难点内容再一次渗透进去，又一次达到了举一反三的作用；4）针对重点和难点内容，每次课后留一至两道思考题，用“探究性”的学习方式，充分发挥学生的主观能动性，给学生指定不同的参考书中的相关内容，要求学生课外阅读，学生尝试自己解决这些知识点。

如对于“活度的概念及活度标准态的选择”问题，要求学生阅读魏寿昆院士编著的“冶金过程热力学”的有关章节，对于“液液反应动力学的双膜理论的应用”，要求学生阅读韩其勇教授编写的“冶金过程动力学”的相关章节等。

针对这些问题，也作为作业，要求学生写出评论。

   通过教学中采取了以上方法，对解决教学过程中出现的重点和难点，收到了很好的效果。

4．能力培养要求

   重点要求学生牢固地掌握冶金物理化学的基本概念和基本原理，独立完成大量习题，能够正确熟练地计算冶金体系中化学反应的吉布斯白由能变化，判断化学反应的方向和限度，分析化学反应的反应机理，独立完成要求的四个实验。

以课堂讲授为主，辅以习题课、课堂讨论及答疑，提高作业数量及批改质量，对重点学生加强答疑，在条件成熟时实现多媒体教学。

四、教学内容

模块一  理论课教学  （64学时）

绪论（2学时）

   现代冶金过程与冶金物理化学；

   冶金热力学与冶金动力学的最新发展；

   如何学习冶金物理化学？

（一）冶金热力学部分（32学时）   

1．热力学基本定理及在冶金中的应用（4学时）

1.1几个基本公式

   1）体系中组元i的自由能的描述；理想气体体系中组元i的自由能；液相体系中组元i的自由能；固相体系中组元i的自由能。

   2）等温方程式的导出

   由单个组元I的自由能推导化学反应的自由能变化；讨论自由能变化的三种形式；重点讨论

的形式，得出

；自由能变化与标准自由能便哈的关系与联系，二者在热力学中分别承担的角色。

   3）等压方程式与二项式 

   微分式；由微分式导出积分式；讨论其意义。

第1、2学时

   作业1-1，1-5 

1.2冶金热力学中标准自由能的计算

   1）用积分法计算化学反应的标准自由能变化；（注：

讲不定积分法，学生阅读定积分法）；例题：

教科书p22例1-6                     

   2）由积分法得到的化学反应的标准自由能求化学反应标准自由能与温度的二项式；

   3）由标准生成自由能和标准溶解自由能求化学反应的标准自由能（二项式）；

   4）由电化学反应的电动势求化学反应的标准自由能变化；

   5）由自由能函数求化学反应的标准自由能变化。

第3、4学时

   作业1-61-71-8 

2．热力学参数状态图（10学时）

2.1Ellingham图  

思路：

   氧势图的形成原理

   ---氧势图的热力学特征

   ---氧势图的应用

具体内容

   1）氧势图的形成原理；

   2）氧势图的热力学特征；（特殊的线；直线斜率；直线位置）

   3）氧势图的应用

第5、6学时

   作业1-4，1-9，1-10，1-11，1-12

   课外阅读：

氧气标尺；Jeffes图；溶解在铁溶液中的元素与氧气反应的氧势图 

2.2相图分析方法及基本规则 

具体内容

   1）相图基本定律：

相律、连续原理、相应原理

   2）三元系相图的构成：

构成原理、浓度三角形

   3）三元系浓度三角形性质：

杠杆规则与重心规则

 第7、8学时

   作业：

3-1 

   4）三元系浓度三角形性质：

垂线、平行线、等含线、定比例、直线

   5）简单共晶型三元系：

图的构成、平面投影图、结晶过程（冷却组织及量-杠杆原理应用）、等温线与截面。

第9、10学时

   作业：

3-2

   课外阅读：

相图的基本规则 

   6）具有一个稳定二元化合物的三元系

   7）具有一个不稳定二元系的三元系：

图的特点、分析相图中一个特殊的点M1的冷却过程                                   

第11、12学时  

   作业：

分析M2、M3点的冷却过程 

2.3相图的应用

   1）高炉渣系CaO-SiO2-Al2O3 分析

   2）转炉渣系CaO-SiO2-FeO2 分析                               

第13、14学时

  作业3-4  

3．冶金溶液（10学时）

3.1铁溶液

3.1.1两个基本定律  

具体内容

   拉乌尔定律；亨利定律；两个定律的联系及区别分析。

3.1.2不同标准态活度及活度系数之间的相互转换                  

具体内容

   三个不同标准态的活度的定义；三个不同标准态的活度之间的关系（3个关系式）；三个不同标准态的活度系数之间的关系（11个关系式）                     

第15、16学时

   作业2-12-2；思考2-12-22-5 

3.1.3标准溶解自由能

具体内容

   溶解前为纯物质M，溶解在溶液中分别为三个不同标准态时标准溶解自由能；例题2-2

3.1.4多元系铁溶液?

?

活度相互作用系数

具体内容

   瓦格纳模型（一价、二阶作用系数）;相互作用系数的关系（

）；

   例题2-3，2-4                                                       

第17、18学时

   作业2-42-52-72-9；思考2-6 

3.2 二元正规溶液 

具体内容

   混合自由能与过剩自由能；正规溶液的定义；正规溶液的混合函数与过剩函数；

   正规溶液的性质

   例题2-6                                                        

第19、20学时

   作业2-112-12；思考2-8

3.3 冶金炉渣                                                   

3.3.1炉渣的性质 

   碱度（碱度，光学碱度，过剩碱）；氧化还原性                    

3.3.2分子理论     

   理论模型;例题2-8                                        

 第21、22学时

   作业2-132-14 2-15 

3.3.3捷姆金完全离子理论                               

   理论模型;例题2-9

3.3.4炉渣的硫容量 

   硫化物容量;硫酸盐容量;硫容量与碱度 

第23、24学时 

   作业2-162-172-19

   阅读磷酸盐容量 

4．冶金热力学应用（8学时）                                            

4.1冶金反应过程最高反应温度及炼钢中元素发热能力的计算                                     

1.冶金反应过程标准焓的计算

2.最高反应温度的计算

3.炼钢中元素发热能力的计算

第25、26学时

4.2固体氧化物直接还原

   直接还原热力学分析；直接还原机理；直接还原％CO－T平衡图。

第27、28学时

   阅读：

固体氧化物的间接还原 

4.3选择性还原-----从红土矿中提取钴和镍  

   选择性还原过程热力学；分析讨论。

4.4选择性氧化-----奥氏体不锈钢的去碳保铬

   1）铬的氧化物；含铬铁水的吹炼；

  第29、30学时 

   阅读：

炉渣脱硫、脱磷的热力学分析（P127-134） 

   2）奥氏体不锈钢冶炼发展的三个阶段；奥氏体不锈钢的去碳保铬；理论计算；分析讨论。

 第31、32学时

   作业4-34-44-5

   阅读：

雾化提矾（P122-123）

（二）冶金动力学部分（30学时） 

5．冶金反应动力学基础（8学时）

5.1化学反应速率及反应级数                             

1.化学反应进度；

2.化学反应速率；

3.化学反应速率方程（n级不可逆反应）；

4.1级可逆反应方程。

5.2反应速率与温度的关系                                

1.阿累尼乌斯公式与活化能；

2.活化能与热力学函数关系式。

第1、2学时

   作业5-1，5-2；思考题：

5-1，5-2

   阅读：

串连反应 

5.3扩散与传质                                               

   费克第一定律；费克第二定律；费克二定律的特解（扩散偶；几何面源）

第3、4学时

   阅读：

有效碰撞理论及过渡态理论 

5.4相际传质                                        

   边界层的概念；边界层理论；传质系数

第5、6学时

   作业6-1 

5.5多相反应动力学基本模型                         

   双膜理论；溶质渗透理论；表面更新理论；举例6－6

 第7、8学时

   作业6-3，6-7；思考题：

6-5 

6．多相反应动力学（22学时）

6.1 气一固反应（8学时）

6.1.1气-固反应特点与反应机理                

   气固反应特点及处理方法；

6.1.2未反应核模型          

   1）外扩散为限制环节时反应模型

第9、10学时

   2）内扩散为限制环节时反应模型

   3）界面化学反应为限制环节时反应模型

第11、12学时

   4）内扩散和界面化学反应混合控速时反应模型

   5）一般情况

第13、14学时

   作业7-1，7-2；思考题7-1 

6.1.3未反应核模型应用                    

   未反应核模型特殊条件下：

外扩散、内扩散或界面化学反应控速应用

及动力学参数获取，举例

第15、16学时

   作业7-3，7-4；思考题：

7-2，7-3 

6.2 气一液反应（8学时）

6.2.1气泡形成机理与动力学过程                  

6.2.2均相中气泡的生成机理

   均相中气泡的生成机理；例：

碳-氧反应；非均相气泡生成机理；活性气隙的最大半径；气泡长大与上升动力学机理。

第17、18学时

   作业7-5

6.2.3气泡在液相中的行为

1.气泡在液相中的运动；

2.气泡在上浮过程中长大。

6.2.2钢液中碳-氧反应动力学      

   1）碳氧反应机理

   2）碳氧反应动力学模型

 第19、20学时

   作业7-6 

   3）碳氧反应动力学模型举例

6.2.4气泡冶金过程动力学

   1）吹氩冶炼超低碳不锈钢碳氧反应机理

   2）吹氩冶炼超低碳不锈钢碳氧反应模型

（1）                   

第21、22学时

    作业7-7；思考题7-4 

   3）吹氩冶炼超低碳不锈钢碳氧反应模型

（2）

   4）吹氩脱氢过程动力学

第23、24学时

   作业7-8；思考题7-5 

6.3 液一液反应（4学时）

6.3.1液-液相反应特点与动力学方程                      

1.液-液反应特点

2.液-液反应动力学机理

3.液-液反应动力学方程

第25、26学时

   作业7-9 

6.3.2液-液反应应用实例                

    例：

锰氧化反应动力学

第27、28学时

   作业7-10；思考题7-6，7-7 

6.4液－固反应（2学时）

   固-液相反应特点；固-液相反应机理；实例介绍：

炉渣-耐火材料反应实例

第29、30学时

   作业7-11；思考题：

7-8 

模块二冶金物理化学实验教学（24学时）

（一）课程设计的思想、效果以及课程目标

   基于冶金物理化学学科特点和学生培养目标，即培养基础知识扎实，综合素质高，实践能力强，具有创新精神，适应社会发展需要的高水平研究型创新人才，不仅需要传授给学生冶金物理化学的理论知识，更要培养学生的工程实践能力和科技创新能力。

实验教学作为冶金物理化学教学的重要组成部分，是培养学生理论结合实际、动手能力、创造力、想象和思维能力的有效手段，对于工程技术与研究型人才的培养尤为重要。

根据冶金物理化学教学大纲，按照学生培养目标，密切结合冶金物理化学的特点，切实把握理论教学、实践教学和科技创新环节，注重相互之间的联系与结合，科学地设计实验教学内容。

课程的设计思想

（1）注重实践，倡导创新，将学生分析和解决实际问题的能力及创新能力的培养放在首位；

   在实验设计上，我们将传统的印证性实验改为探索性、设计性实验，用以培养学生分析和解决实际问题的能力及创新能力。

教学内容重点体现在本科生综合能力、实践能力和创新能力培养与提高方面。

既要符合培养适应社会发展对创新型人才、工程型人才的需要，同时又要注重层次化，即基础层次、综合层次、创新层次。

在基础层次培养的基础上，加强综合层次和创新层次的能力培养的教学体系。

将科研成果、科研思路、新型实验装备和新的实验技术和方法引入到课程教学内容中，拓宽课程内容和方法，让学生更多地了解冶金学科的发展，增强科技创新意识，进一步培养学生的理论联系实际、科研创新能力。

将实践教学与创新教育结合，把实践教学作为创新精神与工程能力培养的重要环节，达到培养学生综合能力的目的。

（2）实验教学与课堂教学紧密结合、互相补充、相互加强。

   由于课堂教学和实验教学进度一致，使得实验内容与课堂教学的重点、难点相互呼应。

学生带着问题做实验，在实验中去寻找这些问题的答案，有利于巩固学生对相关知识的掌握，达到了强化课堂教学效果的目的。

实验课程效果

   多年来，学院“211”工程建设实验室投入资金2000万元，建成了符合当前世界冶金科技发展趋势的“现代冶金技术实验室”、“高温物理化学实验室”两个特色、优势明显的高水平实验室，形成了从事冶金技术和现代冶金学科领域基础研究、进行冶金工艺改造和研究开发冶金新工艺等方面科学研究和教学基地。

为冶金学科的全面发展并在整体上接近国际同类学科先进水平奠定了很好的基础。

目前已建立了软、硬件条件良好的完善实践教学体系。

另外，实验教学内容与课堂讲授内容相互配合，极大地促进了学生对相关理论知识的掌握，使理论教学和实践教学结合的更加紧密，相辅相成，大大促进了学生工程实践和创新能力的培养，全面提高了课程的教学效果。

课程目标

   通过冶金物理化学实践教学活动的学习与锻炼，为后续的其他专业课程学习打好扎实的实践基础；提高学生实践动手能力与理论联系实际的能力，分析解决问题的能力和创新能力，达到培养高水平研究型人才、工程型人才的目标。

（二）课程内容

冶金物理化学实验教学共计24学时，由三个“子模块”组成:

   子模块一：

学生在实验室完成四个综合实验，每个实验4学时，共计16学时。

这部分进行的教学改革是：

为了充分发挥部分同学的潜能，在每个实验后均有相应的拓展实验训练内容，以供优秀的学生在业余时间选择练习。

   子模块二：

利用网络和国际优秀物理化学软件FactSage，设计了四个网络实验平台，每个实验2学时，共计8学时。

   子模块三：

进一步培养学生的理论联系实际、科研创新能力，将科研成果、科研思路、新型实验装备和新的实验技术和方法引入到课程教学内容中，拓宽课程内容和方法，达到培养学生综合能力的目的，设计了四个选作实验，每个实验4学时，共计16学时。

子模块一内容

实验一、铜液定氧实验

【实验性质】综合性实验；学时：

4

   通过本实验的学习，使学生能够理解固体电解质定氧电池的工作原理，掌握运用冶金热力学分析计算结果和铜液定氧的方法，定氧数据的处理计算；了解定氧探头的制作；了解高温炉的结构、电热体、加热原理；了解并掌握热电偶的测温原理、测温方法、高温炉恒温带的测量；了解气体净化方法和原理、高温炉内气氛控制的方法。

提高学生的动手能力、综合运用知识的能力。

 在上述实验的基础上，学生可以在业余时间开展如下拓展实验训练：

（1）自己设计一个电炉；

   已知：

炉管尺寸Ф50*60*600mm,电源电压220v加热带长度400mm，氧化性气氛工作，炉体中等保温，要求炉膛温度1000℃.计算电热丝的直径与长度，匝数及匝间距。

（2）自己制作一个单铂铑热电偶；

（3）氩气脱水、脱氧、脱除CO2的具体实验步骤；

（4）简述定氧电池的制作步骤；

（5）铁液定氧实验的设计。

实验二、利用差热分析技术研究AlN材料的氧化行为

【实验性质】设计性实验；学时：

4

   通过本实验的学习，使学生能够理解热分析技术相应的工作原理，掌握运用热分析数据研究AlN材料的氧化反应动力学过程的方法，相关数据的处理计算；了解TG、DTA及TG-DTA（DSC）联用热分析仪的操作技术；掌握试样化学反应过程中质量变化的测量方法。

提高学生的动手能力、综合运用知识的能力。

在上述实验的基础上，学生可以在业余时间开展如下拓展实验训练：

（1）用TG-DTA（DSC）法测量含水铁矿石或红土镍矿在加热过程中质量变化及热分解温度；

（2）通过分析软件，计算反应的几个阶段的失重量，几个阶段的起始反应温度，几个阶段的热效应的变化，并输出测量数据；

   （3）根据数据处理计算结果，判断几个特殊阶段的化学反应方程式。

实验三、铁矿石900℃间接还原性能检测

【实验性质】综合性实验；学时：

4

   通过本实验的学习，使学生能够理解、巩固所学冶金物理化学过程热力学、动力学等专业基础知识，并运用所学相关知识，对影响铁矿石还原动力学性能的相关因素进行分析讨论，提高理论联系实际的水平；了解并掌握铁矿石还原动力学性能测定方法；了解所用设备的工作原理及基本操作方法。

通过实验，使得同学们的动手能力和分析问题与解决问题的能力得到提高。

在上述实验的基础上，学生可以在业余时间开展如下拓展实验训练：

（1）球团矿900℃还原膨胀性能检测；

（2）块矿的爆裂性能。

实验四、含钛高炉渣中钛的结晶富集

【实验性质】综合性实验；学时：

4

   通过本实验的学习，使学生能够理解、运用所学冶金物理化学热力学相图、动力学等专业基础知识，对影响钛富集相物相的组成、晶体结构、微观形貌等相关因素进行分析讨论，找出优化的选择结晶条件；了解并初步掌握X射线衍射仪的工作原理和正确操作方法，初步掌握X射线衍射进行物相鉴定的方法；了解扫描电子显微镜与能谱仪的结构与工作原理，初步掌握扫描电子显微镜与能谱仪进行物相的微观形貌和化学组成的鉴定方法；通过实验，使得同学们的动手能力和分析问题与解决问题的能力得到提高。

在上述实验的基础上，学生可以在业余时间开展如下拓展实验训练：

（1）钢中非金属夹杂物的金相鉴定；

（2）炉渣和烧结矿的矿相分析；

（3）利用扫描电镜和能谱仪对钢中夹杂物微观形貌和组成进行分析及测定。

子模块二内容

实验五、硅热还原法炼镁的热力学分析

【实验性质】网络平台实验；学时：

2

   通过本实验的学习，使学生能够掌握标准状态和非标准状态时化学反应等温方程式的计算方法及应用，能分析温度、活度、分压等因素对化学反应方向的影响；理解硅热还原法炼镁的热力学原理。

掌握FactSage软件的Reaction模块的主要用法。

实验六、铁水脱硫的热力学模拟

【实验性质】网络平台实验；学时：

2

   实际冶金过程多为金属熔体、炉渣、烟气等多元多相组成的复杂体系，计算其平衡组成目前唯一可行的方法是采用如FactSage这样的热化学计算