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吹尽黄沙始见金——冶金中的生成相和相分离
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吹尽黄沙始见金——冶金中的生成相和相分离
科学网有很多科普文章，文笔流畅，思想深刻，复杂的专业知识讲得深入浅出，通俗易懂。谁说俗就不雅？虽说阳春白雪，下里巴人各有所爱，但如同大智若愚，通俗之雅才是学问的最高境界。俗话说“临渊羡鱼，不如退而结网”，尽管学了近10年的冶金，自知功力尚浅，不足以写出好的科普（写科普难还是容易？），但是年轻人就得有骨子冲劲，就得不信邪，那斗胆写一篇，从生成相和相分离的角度谈谈冶金学科，权当贻笑大方吧。
1 技术类学科的“问题意识”
学科体系中有一类叫技术学科。什么是技术？核心就是解决问题的办法，一套操作程序，一些参数。科学总是追求逻辑的严谨性，而技术不讲这一套，核心是能用，能解决问题。打个比方说，同样是面对一堆石头，材料科学家琢磨石头的组成、结构、性能。化学家琢磨石头的化学性质，研究其分子结构等。物理学家研究石头的运动，也可以模仿《孙子兵法》来一段：“山石之高，至于落地者，势也”。在搞技术的人眼中，石头硬可以做房子地基，加热可以分解得石灰。技术人员看世界的思路都是从问题入手的，或者理解为有什么用，能做什么。再打一个比方。如果把这个世界的知识不严格的分为是什么（what）为什么（why）和怎么办（how）,科学家不断的在世界的各个尺度上琢磨是什么和为什么。而工程师则不断的想怎么办或者怎么用。
从技术类的书名也可以看出技术类学科的问题意识。比如冶金中的《炼铁学》告诉我们如何把矿石中的铁元素拿出来，《炼钢学》告诉我们如何对炼铁工艺得到的含有各种杂质的铁水进行提纯净化。再比如《机械设计》、《材料成形技术》、《煤化工》……一切都是从解决对象的问题出发来编排书籍的内容。
从现实问题出发，以各类相关基础学科提供的知识作为基础，提出各种解决问题的手段，这是一切工程技术学科的本质思路。不仅以自然为对象的工程技术是这个思路，面对人和社会所进行的社会实践也是这个思路。毛主席在从事军事实践的时候，一直把握“围绕目标构造条件”，而不是“从条件出发判断目标是否可行”。林总在指挥辽沈战役的时候，塔山阻击战打得十分激烈，下属向林总汇报情况说伤亡很大，林总回答：“我只要塔山，不要伤亡人数。”既然通过战前分析，守住塔山是辽沈战役成功与否的关键，一切要围绕这个目标来思考，而不是盲目从现实条件去否定目标的可行性。
强烈的问题意识是技术人员必备的一个素质，但是我们在从问题入手进行思考时要注意三点。
（1） 本质问题与面上问题
先说一个故事，大概意思是，一个靠出海打鱼为生的人，每天挣钱够了就不出海，而是在海边自由自在的钓鱼。有人就劝他，你咋不利用空余时间多打点鱼，这样可以更多的钱。打鱼人问，那钱多了我又干嘛？建议人说，钱多你就可以享受更好的生活了。打鱼人说，我现在钓鱼不就在享受生活？这段对话很多人应该都看到过。我个人的理解，这里谈的核心问题是人生目的问题。人生的目的问题是最复杂最难解的，也是所有活着的人都在思考且各自有不同答案的问题。有人说人生就是吃喝拉撒睡，有人说人生要挣钱当官，有人说人生是虚无的，出家才能得道……个人认为这些所谓的目的都只能算面上问题。究其本质，人生的核心是追求更多的幸福感，一种发自内心的舒服感，而不是那种为别人活着为面子活着的所谓的高人一等的感觉。本质问题外化出面上问题，面上问题服务于本质问题，这是两者之间的关系。挣钱，当官…这些都是面上问题，我们常常被面上问题所迷惑，就好比一直在忙着赶路，而忘了路边就有鲜花。等有一天走不动了，突然发现自己一辈子什么也没有得到。赵本山的《不差钱》这个小品也在教人反思这个问题。
在冶金学科中，有的书提到炼钢的基本任务有脱硫，脱磷？这是炼钢的基本任务？如果要冶炼一种炮弹钢，就是含磷高的钢种，还要脱磷？这种说法就是没有抓到本质问题，而只抓到了调整化学成分这个炼钢的本质问题在大多数钢种冶炼时的面上问题脱硫和脱磷。炼钢的本质任务是在铁水的基础上调整成分，而不是简单的脱硫和脱磷。这也把本质问题和面上问题搞混了。
很多时候，我们常常被面上问题所糊弄而抓不到本质问题，这样就使得我们在解决问题的时候思路狭窄，易被书本所骗。
（2）为什么要去解决这个问题
解决问题前需要琢磨这个问题是否值得解决。孔庆东老师谈过一个笑话。大概的意思是，中央计划在中关村盖个50层的高楼，需要专家学者进行策划。这个问题同时交给清华和北大的学者进行研究。一个月后，清华拿出很厚的一叠材料，详细列出了高楼的建设方案。北大也拿出了一叠材料，从政治、经济、文化等各个角度论证中关村这个地方不适合盖高楼。这个故事只是一个笑话，但是背后反映了工程师思维中的一种局限性。那就是很多时候只想如何做成事，而忘记了为什么要做这个事情。这是很多工科领域的专家学者存在的问题。
（3）工程问题并不是单纯的技术问题
工程问题不是一个简单的技术问题，而是同政治、经济、文化紧密联系一起的，从这个角度可以理解工程和技术的区别。比如现在所谓的产业升级问题，核心不是技术问题，而是产业政策问题，是“造船不如买船”等思想观念的问题。再比如环境污染问题，私有制的竞争制度以及低端制造业中心就决定了环境污染不可避免。再好的环保技术也推广不了，金钱成为了一切经营活动的控制参量。在中国搞技术革新是非常难的，大多数专家学者都是小打小闹，少数专家有新技术却推广不开，背后是有深层次的制度与文化的原因。这个时代，很多主张技术救国的好像又成了老舍《茶馆》里面那个秦二爷。
2 冶金及冶金中的“相”和“生成相”
（1）从问题入手谈冶金
既然技术学科是从问题出发的。那冶金学科的根本任务就是将上帝给人类的各种矿石变成各种有用的金属材料。这就是冶金学科要解决的问题。围绕这些问题，物理的、化学的、生物的、力学的，各种手段都进来了。从而形成了物理冶金，化学冶金，生物冶金，力学冶金学科。这里讲的冶金是大冶金，也就是包括从矿石一直到最终使用的金属制品这个过程，目前，学术圈内谈的冶金已经把其研究范围缩小了，只解决从矿石到合格成分的金属液这个过程，也就是把化学成分调整好，至于之后从液体变成固态且成型的金属材料已经归到材料加工成型学科中。从这个角度看，小冶金也叫化学冶金或者提取冶金。
举个例子，下图是钢铁材料生产工艺的一个环节，高炉冶炼过程，即将矿石变成铁水的环节。核心的化学反应是大家都熟悉的Fe2O3+C=Fe+CO2+CO。
图1 高炉剖面图
上头进矿石，下面出铁水，跟人的消化系统有点类似
气固液运动，传热，化学，机械，测控等各类学科耦合一起形成有机整体
高炉流出来的铁水含碳量比较高，因为要使得碳热还原反应进行彻底，就要有过量的碳存在。那就需要另外一个环节把其中的碳元素去掉。围绕这个问题，发明了一种炉子叫转炉。将铁水倒入转炉后，其内部核心反应时C+O2=CO+CO2。
图2 转炉剖面图
是否有点类似用吸管往一杯肥皂水里吹气泡？
冶金的工艺就是围绕矿物到金属这个物质转化的核心问题，由具有不同任务的工艺环节组成的。
（2）冶金中“相”和“生成相”
物理化学学科中，我们定义“相为系统中具有相同物理和化学性质的任一均匀的部分”。常见的物质分三态，即气态、液态及固态。化学冶金中所谈的相主要是以液态和气态两种形式存在。液态有金属熔体，各种氧化物组成的液态炉渣等，这都属于独立的相。气态有炉气等。具体到不同的金属生产工艺，有不同的相。比如高炉工艺的相有铁水、炉渣、炉气。转炉冶炼中的相有初炼钢水、炉渣和炉气。有色冶金中的相有冰铜，富含SO2的炉气等。
“生成相”这个概念是从冶金工艺所解决的问题角度去定义的，如果是炼铁高炉，生成相就是铁水，至于其余的炉气相，炉渣相均不属于生成相。而对于富锰渣高炉，同样是高炉设备，但是该工艺的生成相是炉渣，而不是金属熔体。
下面，以图表的形式列举火法冶金工艺中的各种生成相。
图3 火法冶金工艺中的生成相
3 化学冶金中的两大根本问题——生成相与相分离
谈到这里，铺垫做完了，文章的核心问题就要出来了。我们认为一切冶金学科知识体系都是围绕生成相和相分离两个问题展开的。从这个角度去学习和思考传统冶金知识体系效率会极大提高，同时能提高冶金新工艺的研发能力。
牛皮吹得很大，先从这两个问题看各类学科在冶金中的应用。
为了解决生成相这个问题，我们主要利用化学的知识来进行，同时配合温度、压力、气氛等因素的控制不断构造条件去实现该冶金工艺的生成相的形成。这个问题所涉及的学科包括化学、传热学、传质学、流体力学等。
为了解决相分离这个问题，我们主要利用各种物理知识来进行。好比淘米利用密度不同把米和石子分开，相与相要分开，总得利用相之间的某些性质的差异来展开。冶金中的相分离需要调整的物理性质有密度（气液分离）、界面张力、粘度等。相分离体现最直接的在矿物预处理工艺中，即常说的选矿，本质就是相分离的过程。按照分离依据的不同性质可以分为重力选矿，浮选，磁选等。
以上讲了从两个问题入手重新思考冶金学科体系的问题。对于冶金新工艺的设计也可以从这个两个问题出发，首先是思考要形成什么样的生成相，然后解决如何形成该相，最后解决相分离的问题。比如目前十分火热的太阳能级硅的提炼问题，本质也是一个冶金过程。要把硅中的硼和磷降低到ppm级别，首先就是构想什么元素跟硼、磷结合紧密，而与硅几乎不反应，然后琢磨一旦硼和磷与该种元素结合后形成新的化合物，能否从硅熔体中分离开来。这就是采用化学法去除硼、磷等杂质元素的基本思路。
这部分专业思想较浓，功力不够暂时很难谈透，先这么写着，以后慢慢完善。
结语：中国需要思想——科普工作迫在眉睫
科普工作关系到整个民族科学素质的提高。大量技术类学术论文束之高阁，不同企业生产相结合，不同广大群众需要相结合，注定会被历史所抛弃。
钢铁大王卡内基说：“将我所有的工厂、设备、市场、资金全部拿去，但只要保留我的组织人员，四年之后，我们仍将是一个钢铁大王。”神州到处是浮云，思想精神方永存。人活着到底要追求什么？这是个急需解决的本质问题。
20世纪70，80年代是我国科普的黄金时期
注明：本文思想全部来自于俺的导师们，他们是太阳，俺最多最多是个小月亮，帮着反射而已。另一切图片来自网络，具体链接不说明了。
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