冶金過程動力學

冶金過程動力學目錄1冶金過程動力學2正文3配圖4相關連接冶金過程動力學-冶金過程動力學冶金過程動力學-正文用化學動力學原理及宏觀動力學方法研究從礦石提取金屬及其化合物的各種冶金過程的一門學科。它和冶金過程熱力學一樣，是冶金過程物理化學的一個分支。冶金過程動力學研究冶金過程（包括冶金反應及物理過程）的速度及其機理，是提高冶金過程的冶煉強度、縮短冶煉時間、提高冶金產(chǎn)品質(zhì)量、促進冶金工業(yè)自動化、探討和開發(fā)冶金新技術及新流程的重要手段。微觀動力學和宏觀動力學冶金過程通常是在高溫、有多相存在和有流體流動下的物理化學過程。反應速度除了受溫度、壓力和化學組成及結(jié)構(gòu)等因素的影響外，還受反應器（如冶金爐等）的形狀和物料的流動狀況以及熱源等因素的影響。當反應的條件發(fā)生變化時，反應進行的途徑（步驟）即反應機理也要發(fā)生變化。從分子理論微觀地研究反應速度和機理稱為微觀動力學。一般情況，物理化學中的化學動力學屬于微觀動力學的范疇；結(jié)合反應裝置在有流體流動、傳質(zhì)及傳熱條件下宏觀地研究反應速度和機理稱為宏觀動力學。冶金過程動力學即屬于宏觀動力學的范疇。反應的控制步驟為使某一反應進行，必須將參與反應的物質(zhì)傳送到反應進行的地點（界面），在那里發(fā)生反應，并使反應產(chǎn)物盡快排除。其中速度最慢的步驟限制著整個反應的速度，這個最慢的步驟稱為控制步驟或限制環(huán)節(jié)。研究反應速度的目的就是要弄清在各種條件下反應進行的各種步驟，也即反應的機理，找出它的限制環(huán)節(jié)，并導出在給定條件下反應進行的速度方程式，以便用來控制和改進實際操作。反應速度通常以單位時間物質(zhì)i的濃度q（對非理想溶液采用活度*）的變化來表示，即反應速度表示為， Z 。對反應物，反應速度vi是負值；對產(chǎn)物則vi為正值。以不可逆反應aA+bBcC+dD為例，如果體系的總體積不變，則反應物減少量和產(chǎn)物生成量與方程式中計量比a、b、c、d的關系為-dCA:-dCB:dCC：dCD=a：b：c：d用反應物（A或B）或產(chǎn)物（C或D）的濃度表示的反應速度的相互關系為Rrks根據(jù)質(zhì)量作用定律Z%i=#=斗己加+='畦+…+膈+…1n2n 2n

k為反應速度常數(shù)（或比反應速度），指數(shù)（m+n）值為反應級數(shù)。反應級數(shù)與方程式的計量比一致時（即m=a,n=b）,該反應稱為基元反應（elementaryreaction）,服從質(zhì)量作用定律。但許多反應不是一步完成，或有許多副反應，因而反應級數(shù)不與方程式的計量比一致，即m+n矗a+b,而其值也不一定是整數(shù)，應由實驗測得。氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐煉鋼的脫碳反應，由鋼液中的反應方程式【C】+【0】一-CO來看，似應為二級反應，但實驗表明，此反應相當復雜，其反應級數(shù)隨冶煉階段而變化（表1）。由于煉鋼過程的重要反應大部分在鋼液-熔渣界面上進行，單純研究均相反應的級數(shù)，其實際意義不大。吹烙卸FS吹烙卸FS備住脂盛逮#與跳城酎阿因T比中朔-砰，束沖-岑」心J冶金過程動力學傳遞現(xiàn)象與邊界層①傳質(zhì)。任何流體（氣體或液體）由于分子運動，其內(nèi)部的濃度是均勻的。但當流體與另一液體或固體接觸時，根據(jù)邊界層理論，它的分子向相界面擴散受到阻力，界面上物質(zhì)的濃度Ci和流體內(nèi)部的濃度q有較大差異。濃度隨距離x的變化情況見圖1。有濃度變化的這一層稱為濃度邊界層，其厚度為。。，在此產(chǎn)生物質(zhì)傳遞（簡稱傳質(zhì)）的阻力。相界面相界面冶金過程動力學代表傳質(zhì)速度，即單位時間傳遞的物質(zhì)的摩爾數(shù)（摩爾/秒）；J代表傳質(zhì)通量,即單位時間內(nèi)通過垂直于傳質(zhì)方向（沿X）的單位面積上的物質(zhì)的摩爾數(shù)［摩爾/（米2?秒）］；A代表面積,顯然 。根據(jù)斐克（Fick）第一定律：式中d為物質(zhì)的擴散系數(shù)（米2/秒），a*為物質(zhì)沿x方向的濃度梯度（物質(zhì)是沿與x相反的方向向相界面?zhèn)鬟f）。圖1中0。是濃度邊界層的厚度（米或厘米），但有效濃度邊界層0N的定義為可以證明

則J=-&(C-C)68 1為傳質(zhì)系數(shù)（米/秒或厘米/秒），1/6為物質(zhì)在相界附近的傳質(zhì)阻力。以上各式均按穩(wěn)態(tài)，即濃度梯度不隨時間變化的情況下分析的。對非穩(wěn)態(tài)則采用斐克第二定律在已知的邊界條件下求解。動量傳遞。當流體沿固體平行流動，或兩個密度懸殊的液體相互流動，在相界面產(chǎn)生摩擦，形成速度邊界層。pr,而在相界面上的流體速度為零。研究動量傳遞則采用類似的牛頓粘滯定律。傳熱。當流動的流體接觸固體時，發(fā)生對流傳熱，流體內(nèi)部的溫度不同于相界面的溫度，在固體表面附近形成一溫度邊界層。T。研究傳熱則采用類似的傅立葉（Fourier）定律。三傳現(xiàn)象（傳質(zhì)、動量傳遞及傳熱）對研究冶金過程動力學非常重要。例如在煉鐵高爐中，焦炭在風口燃燒產(chǎn)生大量的高溫氣體，后者沿爐身上升，而加入的爐料則自爐頂下降，在高溫區(qū)鐵滴及熔渣滴穿過焦炭流入爐缸。高爐中充滿了氣、固、液流動體，在它們的相互流動中發(fā)生熱交換及物質(zhì)交換。所以研究高爐反應動力學必須研究三傳的作用。又如為提高鋼質(zhì)量的噴射冶金，用氬氣將固體粉料噴入鋼液中，形成氣泡、固體顆粒及液體的流動體，這里動量傳遞起重要作用。對連續(xù)鑄錠，用電磁攪拌研究凝固速度與鋼液流動的相互關系，從而改進鋼坯的表面質(zhì)量，這里傳熱起重要作用。多相反應模型雙膜理論為了研究反應機理和控制步驟有必要設計冶金過程的模型。熔渣和金屬液的反應常用雙膜理論模型來處理（圖2）。圖內(nèi)1、11分別代表熔渣和金屬液兩個相Ci、Cu為某組分在I、II兩相內(nèi)部的濃度,C嫣、C娘為相界面處的濃度,x為距相界面的距離。從I相內(nèi)部向相界面的傳質(zhì)通量JI，即單位面積的傳質(zhì)速度為6i為I相的傳質(zhì)系數(shù)。料界面囹乏灌-源界面附近的溪廢更化示第冶金過程動力學設在相界面發(fā)生的化學反應（或分配過程）為一級反應，則在單位面積的相界面發(fā)生的反應速度為

Ji=k+C^-虹特k、k分別代表正、逆反應的速度常數(shù)，由于平衡常數(shù)自相界面向II相內(nèi)部的傳質(zhì)通量Ju為們I為II相的傳質(zhì)系數(shù)，反應達到穩(wěn)態(tài)時三式相加，得cfcn們I為II相的傳質(zhì)系數(shù)，反應達到穩(wěn)態(tài)時三式相加，得cfcn“+是界面反應的阻力，#是I相的上式中' 枝)“+是界面反應的阻力，#是I相的A傳質(zhì)阻力。這三個阻力之和就是總反應的阻力。通常，界面反應很迅速k很大，則+很小，可以忽略不計。傳質(zhì)速度決定于某一相邊界層的擴散阻力或雙方邊界層的擴散阻力。對于鋼液-熔渣反應，例如：鋼液中的Mn與溶渣中的FeO(Fe2+)反應:【Mn】+(FeO)—-(MnO)+【Fe】或【Mn】+(Fe2+) (Mn2+)+【Fe】其進行步驟為:鋼液中Mn原子向鋼渣界面擴散移動;渣中Fe2+離子向鋼渣界面擴散移動；在鋼渣界面上完成化學反應；生成的Mn2+離子從界面向渣內(nèi)部擴散移動；生成的Fe原子從界面向鋼液內(nèi)部擴散移動。步驟③是化學反應，在高溫下反應速度很快，不可能是控制步驟。曾根據(jù)渣中含Mm+5%、Fe2+20%，鋼液中含Mn0.2%,溫度為1600°C進行過計算（表2）?？梢钥闯觫艿乃俣茸盥?，是控制步驟，它控制著[Mn]氧化入渣的整個反應。根據(jù)現(xiàn)有的研究成果，在煉鋼雜質(zhì)去除過程中，硅、磷在鋼液中的擴散是控制步驟，而錳、硫在渣中的擴散是控制步驟。但當渣中含有大量不溶解的磷酸鈣或氧化鈣時，PO耍離子在渣中的擴散則成為磷的氧化反應的控制步驟。提高溫度降低熔體粘度或采用攪拌（機械或氣體攪拌）均可提高傳質(zhì)速度。索1框淹中?蜘北女莊的瓣藏度虹苗得1』（cm1}擴散薩冊翅度直Crra^l/s]i.sxio,IfT1?I.5XH51ILxgifl-*頌￡CL如冶金過程動力學未反應核模型常用來研究氣一固反應總反應速度的模型（圖3）。以鐵礦石還原為例:FeQ+4CO—-3Fe+4CO2設球形試樣（如球團礦）還原時，反應區(qū)域是由表面等速向中心推進的；反應前后，球團的體積沒有變化；固態(tài)產(chǎn)物是多孔的；還原氣體可以通過產(chǎn)物層擴散（內(nèi)擴散）到反應區(qū)域。當界面的化學反應按一級反應處理時，還原總反應速度為冶金過程動力學4兀蒂（閂一節(jié)）1I為捕一〃）|技寸式中凜為總反應速度（摩爾/秒）；r°為球團的半徑（米或厘米）；r為未反應核的半徑（米或厘米）；C°為氣體內(nèi)部還原氣體的濃度（摩爾/米3）；C*為同氣體產(chǎn)物相平衡的還原氣體的濃度（摩爾/米3）盤必氣體邊界層的傳質(zhì)系數(shù)（米/秒或厘米/秒）;K為反應的平衡常數(shù);k為反應前進方向的速度常數(shù)（米/秒或厘米/秒）；D有效為有效擴散系數(shù)（米2/秒或厘米2/秒），可按D有效=D￡￡求得，其中D為還原氣體在自由空間的擴散系數(shù)，￡是產(chǎn)物層的氣孔率,￡是迷宮度系數(shù)；因為產(chǎn)物層中的氣孔不是直通的，而是象迷宮一樣錯綜分布，還原氣體在產(chǎn)物層中的擴散途徑要比直線距離長得多，所以用￡加以修正?？偡磻俣裙接疫叿帜傅谝豁棿須怏w邊界層的傳質(zhì)阻力，第二項代表還原氣體通過固體多孔產(chǎn)物層的內(nèi)擴散阻力，第三項代表界面化學反應的阻力。這些阻力的相對作用大小隨著礦石的種類、性質(zhì)和反應條件而變化。代入上列總反應式中，得未反應核的半徑代入上列總反應式中，得未反應核的半徑r是無法直接測得的,在應用該式時常用反應的轉(zhuǎn)化率或還原度f來代替：式中d0是礦石中需要還原去除的氧濃度（摩爾/米3）。利用此式可以求出欲達到某個還原度所需的時間。冶金過程中的鐵礦石還原，石灰石焙解等都是適用未反應核模型的氣固相反應。但由于礦石顆粒本身也有孔隙度，化學反應可能在顆粒內(nèi)部任何地區(qū)進行，不一定有一明確的反應區(qū)域；而且因為這些反應經(jīng)常是吸熱的，需要外來熱源，伴有傳熱現(xiàn)象；所以全面地分析尚需要更復雜的反應模型。冶金過程動力學的發(fā)展概況從分子理論研究反應速度的化學動力學自1850年開始，已有百余年的歷史。應用于冶金過程的宏觀動力學自20世紀40年代末期開始發(fā)展。隨著氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐煉鋼、連續(xù)鑄錠、閃速熔煉和噴射冶金等新技術的發(fā)展，冶金過程動力學已成為70年代以來頗為活躍的邊緣學科。除了用動力學理論及實驗方法研究冶金過程的反應速度和機理外，冶金過程動力學的另一個發(fā)展趨勢是向冶金反應工程學發(fā)展。參考書目H.Y.Sohn&M.E.Wadsworth,RateProcessesofExtractiveMetallurgyienum,NewYork,1979