液固反应动力学详解课件.ppt

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1、究冶金固—液反应动力学及其在冶金上的应用学生：周甜甜研方法123耐火材料抗熔渣侵蚀动力学研究的一般方法固体物质在熔体中的溶解溶解物质在熔体中的传输氧化钙在熔渣中的溶解动力学氧化镁在熔渣中的溶解动力学45目录在钢铁冶金中多涉及的固-液反应有炉渣对耐火材料的侵蚀、炼钢转炉中石灰的溶解、废钢和铁合金的溶解、铁的熔融还原、钢液和合金的凝固、铜转炉中石英的溶解等都属于冶炼过程液、固相间的重要反应。固/液反应速率不仅影响生产率，还会显著影响到冶金产品的质量。耐火材料在熔渣中的溶解是炉衬侵蚀及炉龄降低的重要原因。耐火材料在渣中的溶解机理及动力学的研究对于提高炉衬的寿命，从而

2、降低冶炼成本有重要意义。耐火材料和熔渣的相互作用是典型的固/液反应。本节结合耐火材料的抗渣侵蚀讨论固/液反应动力学及其应用。耐火材料抗熔渣侵蚀动力学研究的一般方法耐火材料抗熔渣侵蚀动力学实验一般分为静态实验和动态实验两类。静态实验主要考察熔渣离子扩散对耐火材料的侵蚀作用。动态实验主要考察强制对流条件下熔渣对耐火材料的侵蚀。无论哪类实验，一般要先将耐火材料加工成圆柱状的样棒。进行静态实验时，先将耐火材料样棒在静止的熔渣中浸没一定时间，然后急冷。再用化学方法去除样棒外部的残渣和固体产物层，测量侵蚀后的样棒直径。在离子扩散控制的条件下会得到直径的缩小值与时间的平方根

3、成正比，图1常用的耐火材料抗熔渣侵蚀动力学实验装置的示意图进行动态实验时，将耐火材料的样棒与马达相联，带动样棒以一定的角速度旋转，在熔渣中形成强制对流。旋转速度加快，则样棒的侵蚀加速。一般说来，部分浸入熔渣的试棒，在液体－气体界面处，会更强烈地溶解。这可以由界面处的液相表面张力作用引起自然对流，从而加速溶解过程来解释。动态实验还可以用耐火材料圆盘，在熔渣中侵蚀不同时间后测量圆盘厚度的减小。固体物质在熔体中的溶解由两个步骤组成：1）溶解元素脱离晶体或元素从点阵中进入到熔体中2）溶解物质通过扩散边界层传递到熔体内部溶解模型晶体点阵上的单原子层按下述方式逐步分离：原

4、子一个接着一个或一排接着一排地过渡到邻相中。这些“半晶体状态”的原子，一半价电子还结合在晶体上，而另外一半已经自由。如果存在着容易生成半晶体状态的机制，那么就促进了溶解过程。一般在固体物质表面有三种容易生成半晶体状态的机制：1）形成二维空穴核心，其上可以形成半晶体状态2）刃型位错由晶体内部向表面延伸，紧接位错形成空穴。由于位错与原子间结合能较小，二维空穴核心在这里容易形成。3）在延伸到表面的螺旋型位错露头上形成螺旋空穴根据设想的三种机制，用单原子在半晶状态的溶解过程动力学可以计算溶解速率，三种溶解机制的速率各不相同。对石墨在1540℃溶解的过程进行了数学计算，

5、得到的溶解速率常数k的结果是•二维空穴核心时，k＝6.5×10-3m·s-1•刃型位错时，k＝6.7×10-3m·s-1•螺型位错时，k＝4×10-3m·s-1溶解物质在熔体中的传输晶胞（原子）脱离晶体并向熔体过渡后，通过附着的扩散边界层进行传输。动态实验：旋转圆盘法旋转圆柱法1）旋转圆盘法在盘厚为无限薄的极限情况下，可用理论方法求解圆盘表面附近的流场，利用它计算出层流时的扩散边界层厚度。（1）式中－角速度(rad·s-1)在对流传质条件下，可以用下式表示物质流密度J：（2）式中－固/液界面溶质浓度，mol·m-3；－在液体体相内溶质的浓度，mol·m-3；

6、－有效边界层厚度；－溶质的偏摩尔体积；D－溶质穿过界面的有效扩散系数。将式（1)代入式(2)得出，圆盘到液体传质的物质流密度公式为：（3）一些耐火材料在熔渣中的溶解实验说明，耐火材料溶解速率与其样品转动的角速度的平方根成直线关系，在温度一定、熔渣组成一定条件下，该直线斜率为定值。如果耐火材料在渣中的溶解实验是在自然对流的条件下进行的，旋转的圆盘或样棒自然对流传质的边界层则服从自然对流的规律。2）旋转圆柱法旋转圆盘只能用不脆裂或不受熔体渗透而被破坏的薄片材料，而旋转圆柱法几乎可用与所有的材料。旋转圆柱法的缺点:无法用理论方法求解围绕旋转圆柱体的流场。因此，圆柱体

7、溶解时，传质只能通过经验关系来描述。氧化钙在熔渣中的溶解动力学旋转柱体法研究了CaO在渣中的溶解速度。400g渣在石墨坩埚，氩气气氛中熔化，CaO转子的直径19.4mm，两端加石墨帽。所用熔渣的成分：部分实验结果：实验结果讨论处理思路：(1)首先用半径减小值对时间作图，以确定半径减小值与时间的关系，进一步确定溶解速度随时间的变化情况。(2)大多数固体溶于液体的控速步骤是传质控速，同样我们假定旋转石灰溶于渣中的控速步骤是传质控速。那么，溶解速度v与柱体表面的线速度u应有如下关系，其中A0是常数。我们用lnv对lnu作图以验证上述假设。(3)如果是传质控速根据下式

8、计算传质系数和边界层厚度。(4)确定传