冶金动力学基础

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1、冶金物理化学第十章冶金动力学基础PhysicalChemistryofMetallurgy第十章.冶金动力学基础研究化学（冶金）反应的方向，反应能达到的最大限度，外界条件对反应平衡的影响。热力学只能预测反应的可能性。无法确定反应的速率，无法了解反应的机理。一热力学的研究对象和局限性§1概述§10.冶金动力学基础化学（冶金）反应的速率化学（冶金）反应的机理（历程）温度、压力、催化剂、溶剂及其它外界因素对反应速率的影响热力学的反应可能性变为现实性。点火，加温或催化剂C+O2=CO2(g)点火，加温二动力学的研究对象扩散与传质

2、过程比化学反应慢，往往构成冶金反应的限制环节。因此，冶金动力学研究必然涉及动量传递、热量传递和质量传递等问题。目的：找出影响反应速率因素，选择合适的反应条件，控制反应的按照人们期望的速率进行。10.冶金动力学基础三冶金反应的类型均相反应参与反应的各物质均处于同一个相内进行化学反应。非均相反应参与反应的各物质处于不同的相内进行化学反应。10.冶金动力学基础特点：一高三多化学反应动力学：反应速率和反应机理。以单位时间内反应物或生成物浓度的变化来表示。如反应A+B￫AB的速率10.冶金动力学基础§2化学反应动力学基础JA,JB,J

3、AB---分别表示反应物A,B及生成物AB的反应速率注意：若反应物和生成物的化学计量系数不同，则以各物质浓度随时间变化所表示的反应速率亦不同。物质浓度表示方法不同，在处理不同类型的反应时，应该采用相应的反应速率表示方法。以质量百分数表示时，如炼钢过程钢液的降碳速率：10.冶金动力学基础在均相反应中，浓度采用单位体积内物质的量表示，在流体与固体的反应中，以单位质量固体中所含物质A的物质的量来表示浓度，则：10.冶金动力学基础在两流体间进行的界面反应，如渣－钢反应；或者气－固界面反应，如高炉中CO还原铁矿石的反应。以界面上单位面

4、积S为基础，即用单位界面上所含的物质的量来表示浓度，则：在气－固相反应中，有时也以固体物质的单位体积来表示浓度：由此可见，欲求反应速率，就必须求浓度对时间的变化率。10.冶金动力学基础质量作用定律：一定温度下的反应速率与各个反应物浓度的若干次方成正比：10.冶金动力学基础§3化学反应动力学基础10.冶金动力学基础均相反应，多相反应。高温冶金反应多半属于多相反应，例如燃料的燃烧、金属的氧化、铁矿石的还原、钢液的脱硫、脱磷等。多相反应特征：在不同的界面上发生，反应物要从相内部传输到反应界面，并在界面处发生化学反应，生成物要从界面

5、处离开。10.冶金动力学基础反应总速率取决于各个环节中最慢的环节，这一环节称为限制环节。首先必须找出反应的限制环节，然后再导出动力学方程。10.冶金动力学基础3限制性环节以一级反应为例，设物质A由相的内部扩散到相界面处，并在界面上发生化学反应，其速率：物质A的扩散量，即单位时间、通过单位截面积的物质流：当反应为稳态时：J=JA10.冶金动力学基础可以看出，反应的总阻力等于界面反应阻力于传质阻力之和。当km<>k时，即传质阻力可忽略，过程的总速率由界面反

6、应速率所决定，界面化学反应为限制环节。10.冶金动力学基础1.综合控制；2.反应过程中限制环节发生改变；10.冶金动力学基础10.冶金动力学基础4确定限制性环节的方法基于温度对多相反应速率的影响来预测；一般情况下，界面化学反应活化能大于150～400kJ/mol；气相中组元的扩散活化能为4～13kJ/mol；铁液中组元的扩散活化能为17～85kJ/mol；熔渣中组元的扩散活化能为170～400kJ/mol。当活化能E>400kJ/mol，过程处于界面化学反应控制。若E<150kJ/mol，过程位扩散传质所控制。(1)活化能法

7、根据Arrhenius公式例：在平炉冶炼过程中，纯沸腾氧由炉气通过熔渣层进入熔池。当t1=1527oC时，J1=0.1%[C]/h；t2=1627oC时，j2=0.13%[C]/h。试求脱碳反应的活化能，并确定限制环节。解：由Arrhenius公式，E<150kJ/mol,因此，脱碳反应的限制环节位扩散传质。10.冶金动力学基础10.冶金动力学基础当界面反应速率很快：同时有几个扩散环节存在时：其中相内与界面浓度差较大者为限制环节；各环节的浓度差相差不大，则同时对过程起作用。如果在界面附近不出现浓度差或浓度差极小，则说明过程处

8、于界面化学反应控制之中。(3)搅拌法如果温度对反应速率影响不大，而增加搅拌强度，则使反应速率迅速增大，这就说明扩散传质是限制环节。(2)浓度差法10.冶金动力学基础CaO-SiO2-MgO-Al2O3渣中的MnO被铁水中硅还原的反应：2(MnO)+[Si]=2[Mn]+(SiO2)(MnO