冶金原理 (2)

1、爐喉爐喉爐身爐身爐腰爐腰爐腹?fàn)t腹?fàn)t缸爐缸2000150014001000800200 加料面加料面 煅燒帶間接還原帶直接還原帶塊狀區(qū)塊狀區(qū)焦焦/ /礦交替層狀礦交替層狀分布分布煅燒煅燒/ /間接還原間接還原軟熔區(qū)軟熔區(qū)礦軟、煤氣阻礦軟、煤氣阻力大力大直接還原直接還原/ /滲滲碳碳/ /氣化氣化滴落區(qū)滴落區(qū)焦下降、夾雜焦下降、夾雜渣鐵液滴渣鐵液滴非鐵還原非鐵還原/ /滲滲碳碳/ /氣化氣化/ /脫硫脫硫焦碳回旋區(qū)焦碳回旋區(qū)焦碳回旋焦碳回旋燃燒反應(yīng)燃燒反應(yīng)爐缸區(qū)爐缸區(qū)渣鐵分層渣鐵分層最終渣鐵反應(yīng)最終渣鐵反應(yīng)Fe2O3.xH2OFe2O3+xH2OFeCO3FeO+CO2MnCO3FeO+CO2Mg

2、CO3FeO+CO2CaCO3FeO+CO2Fe2O3+COFe3O4+CO2Fe3O4+COFeO+CO2 FeO+COFe+CO2MnO2+COMn2O3+CO2Mn2O3+COMn3O4+CO2Mn3O4+COMnO+CO2滲碳：滲碳：Fe+COFe3C+CO2 C焦焦C生鐵生鐵FeO+CFe+COMnO+CMn+COP2O5+CP+COSiO2+CSi+CO造渣：造渣：碳?xì)饣禾細(xì)饣篊+O2CO C+H2OCO+H2脫硫：脫硫：FeS+CaO+CFe+CS+CO高爐煉鐵高爐煉鐵【還原還原】O2爐渣爐渣鋼液鋼液煉鋼煉鋼【氧化熔煉氧化熔煉】煉鋼任務(wù)：四脫、二去、二調(diào)整：（1）高爐中過多還

3、原元素：Si、Mn、C（2）有害產(chǎn)品性能的雜質(zhì)： S、P、氣體（N、H）（3）氧化過程中伴生物： 引入的O、伴生夾雜物氧化氧化： C+O2 CO 爐氣爐氣 Si+O2 SiO2 入渣入渣 Mn+O2 MnO 入渣入渣入渣入渣2P+5FeO+3CaO 5Fe+Ca2(PO4)2 入渣入渣合金化、脫氧合金化、脫氧 ：MnFeO MnOFeSi2FeO SiO22FeAl3FeO Al2O33Fe吉布斯自由能變化（吉布斯自由能變化（G）判斷反應(yīng)進(jìn)行的方向和趨勢大小方向限度快慢GG0 + RTln J 平衡常數(shù)（平衡常數(shù)（K）計算平衡產(chǎn)物濃度或反應(yīng)物的最大轉(zhuǎn)化率渣金脫硫反應(yīng)渣金脫硫反應(yīng)：S(O2)(S

4、2)O2222( ) OOmSSsSSOOaaw Sf w OKa af w Sa)(222owfNfKswswLosOOsmsS22( )mOOSsSSaaCKw Sa2121111 Kk)K/cc(Av 反應(yīng)速率（反應(yīng)速率（V）判斷限制性環(huán)節(jié)，指導(dǎo)操作條件，反應(yīng)需要的時間熱力學(xué)動力學(xué)分配常數(shù)：硫容量：相相相相相界面相界面*1C1C2C12*2C界面化學(xué)反應(yīng)界面化學(xué)反應(yīng)擴(kuò)散擴(kuò)散對流對流擴(kuò)散擴(kuò)散對流對流多相反應(yīng)一般有以下三個環(huán)節(jié)：多相反應(yīng)一般有以下三個環(huán)節(jié)：反應(yīng)物對流擴(kuò)散到反應(yīng)界面上；反應(yīng)物對流擴(kuò)散到反應(yīng)界面上；在反應(yīng)界面上進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)；在反應(yīng)界面上進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)；反應(yīng)物離開反應(yīng)界面向相內(nèi)擴(kuò)散。

5、反應(yīng)物離開反應(yīng)界面向相內(nèi)擴(kuò)散。l氣固相反應(yīng)：氣固相反應(yīng)：未反應(yīng)核模型未反應(yīng)核模型l液液/液、氣液、氣/液相反應(yīng)：液相反應(yīng)：雙膜模型雙膜模型研究冶金動力學(xué)的目的研究冶金動力學(xué)的目的l了解反應(yīng)在各種條件下組成環(huán)節(jié)及其速率表達(dá)式；了解反應(yīng)在各種條件下組成環(huán)節(jié)及其速率表達(dá)式；l導(dǎo)出總反應(yīng)的速率方程，確定反應(yīng)過程限制環(huán)節(jié)；導(dǎo)出總反應(yīng)的速率方程，確定反應(yīng)過程限制環(huán)節(jié)；l討論反應(yīng)的機(jī)理以及各種因素對速率的影響；討論反應(yīng)的機(jī)理以及各種因素對速率的影響；l選擇合適的反應(yīng)條件，控制反應(yīng)的進(jìn)行，強(qiáng)化冶煉，選擇合適的反應(yīng)條件，控制反應(yīng)的進(jìn)行，強(qiáng)化冶煉， 縮短冶煉時間及提高生產(chǎn)效率。縮短冶煉時間及提高生產(chǎn)效率。5主要內(nèi)

6、容主要內(nèi)容地位作用地位作用局限性局限性學(xué)科發(fā)展學(xué)科發(fā)展金屬熔體金屬熔體冶金爐渣冶金爐渣研究目的研究目的化學(xué)反應(yīng)速率化學(xué)反應(yīng)速率擴(kuò)撒傳質(zhì)和對流傳質(zhì)速率擴(kuò)撒傳質(zhì)和對流傳質(zhì)速率氣相氣相-凝固相間氣體吸附凝固相間氣體吸附 反應(yīng)動力學(xué)反應(yīng)動力學(xué)氣氣-固相反應(yīng)動力學(xué)模型固相反應(yīng)動力學(xué)模型 （未反應(yīng)核、多孔體積（未反應(yīng)核、多孔體積)液液-液相反應(yīng)動力學(xué)模型液相反應(yīng)動力學(xué)模型 （雙膜理論）（雙膜理論）化合物的生成化合物的生成與分解與分解碳碳/氫燃燒氫燃燒氧化物的還原氧化物的還原熔煉反應(yīng)熔煉反應(yīng)氧化熔煉反應(yīng)氧化熔煉反應(yīng)熱力學(xué)基礎(chǔ)熱力學(xué)基礎(chǔ)1.1 化學(xué)反應(yīng)的吉布斯自由能變化（化學(xué)反應(yīng)的吉布斯自由能變化（ G ）

7、和平衡常數(shù)和平衡常數(shù)K 1.2 反應(yīng)自由能變化反應(yīng)自由能變化G0的計算的計算1.3 有關(guān)活度的概念和計算有關(guān)活度的概念和計算1. 1. 冶金熱力學(xué)基礎(chǔ)冶金熱力學(xué)基礎(chǔ)00()iiiiii RPPNP a()0ii RiiiPaNP()()i Riiii RaPNP()ii HiiHPaf NKl以亨利定律為基準(zhǔn)或參考態(tài)，對組分以亨利定律為基準(zhǔn)或參考態(tài)，對組分i的濃度進(jìn)行校正：的濃度進(jìn)行校正：活度活度：活度系數(shù)活度系數(shù)：活度活度：活度系數(shù)活度系數(shù)：)(HiHiiHiaKNfKPl以拉烏爾定律為基準(zhǔn)或參考態(tài)，對組分以拉烏爾定律為基準(zhǔn)或參考態(tài)，對組分i的濃度進(jìn)行校正：的濃度進(jìn)行校正：(%)(%)(%)

8、iHiiHiaKwfKP活度活度：活度系數(shù)活度系數(shù)：(%)(%)HiiiiKPwfal以亨利定律為基準(zhǔn)或參考態(tài)，對組分以亨利定律為基準(zhǔn)或參考態(tài)，對組分i的質(zhì)量濃度進(jìn)行校正：的質(zhì)量濃度進(jìn)行校正：PiNi/(wi)Pi0KH(N)123ai(R)ai(H)溶液蒸氣壓與組分濃度的關(guān)系溶液蒸氣壓與組分濃度的關(guān)系ai(%)KH(%)(%)HiiiiiPPwaf（1）活度為修正后的濃度；）活度為修正后的濃度；（2）活度系數(shù)是濃度的修正系數(shù)，表示實(shí)際）活度系數(shù)是濃度的修正系數(shù)，表示實(shí)際溶液對選作標(biāo)準(zhǔn)態(tài)溶液偏差的方向（正或負(fù)偏溶液對選作標(biāo)準(zhǔn)態(tài)溶液偏差的方向（正或負(fù)偏差）和程度；差）和程度；（3）活度是個相對值

9、，對不同標(biāo)準(zhǔn)態(tài)，由同）活度是個相對值，對不同標(biāo)準(zhǔn)態(tài)，由同一組分的蒸汽壓計算的活度數(shù)值不同一組分的蒸汽壓計算的活度數(shù)值不同)()(HiiiHiiPPNaf活度標(biāo)準(zhǔn)態(tài)的轉(zhuǎn)換：活度標(biāo)準(zhǔn)態(tài)的轉(zhuǎn)換： （1）純物質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)態(tài)的活度與假想純物質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)態(tài)活度之間的轉(zhuǎn)換）純物質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)態(tài)的活度與假想純物質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)態(tài)活度之間的轉(zhuǎn)換（3）純物質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)態(tài)的活度與重量）純物質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)態(tài)的活度與重量1溶液標(biāo)準(zhǔn)態(tài)活度之間的轉(zhuǎn)換溶液標(biāo)準(zhǔn)態(tài)活度之間的轉(zhuǎn)換（2）假想純物質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)態(tài)的活度與重量）假想純物質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)態(tài)的活度與重量1溶液標(biāo)準(zhǔn)態(tài)活度之間的轉(zhuǎn)換溶液標(biāo)準(zhǔn)態(tài)活度之間的轉(zhuǎn)換00/RHHaP PaP K0%100RiMaaM%/100HHiaP KMaP

10、KM%100HiMaaM0RHaaB0的定義的定義：B0是是稀溶液內(nèi)組分稀溶液內(nèi)組分B以純物質(zhì)為標(biāo)準(zhǔn)態(tài)的活度系數(shù)以純物質(zhì)為標(biāo)準(zhǔn)態(tài)的活度系數(shù)， 同時又表示稀溶液對理想溶液的偏差。同時又表示稀溶液對理想溶液的偏差。 aB(R)aB(H)aB()計計算算方方法法BHBxBxaB)(10limBxBB00lim由稀溶液的由稀溶液的aB(H)=B0 xB直線外推到直線外推到xB=1縱軸上的截縱軸上的截距求得；距求得；由實(shí)際溶液的由實(shí)際溶液的BxB圖形外推到圖形外推到xB=0縱軸上的截距縱軸上的截距求得，此時，求得，此時，fB=1；反應(yīng)自由能變化反應(yīng)自由能變化G0的計算的計算:l 絕對熵法絕對熵法l 利用

11、化合物的標(biāo)準(zhǔn)生成吉布斯自由能計算化學(xué)反利用化合物的標(biāo)準(zhǔn)生成吉布斯自由能計算化學(xué)反應(yīng)的應(yīng)的G0l 利用實(shí)驗(yàn)測定的平衡常數(shù)利用實(shí)驗(yàn)測定的平衡常數(shù)K0求反應(yīng)的求反應(yīng)的G0l 利用電化學(xué)反應(yīng)的利用電化學(xué)反應(yīng)的E0求反應(yīng)的求反應(yīng)的G0l 線性組合法求反應(yīng)的線性組合法求反應(yīng)的G0000298298298298000298298TTPTPTCGHT SC dT TdTTGHT S ),(),()(000TGvTGvTGii反應(yīng)物生成物G0RTlnK0=H0-TS0nFEsBOGsAOG),(),(活度的計算活度的計算：)()(IBIIBBaaL l 蒸氣壓法蒸氣壓法l 分配定律法分配定律法l 化學(xué)平衡法化學(xué)

12、平衡法l 電動勢法電動勢法)(/標(biāo)BBBppa 先求先求PB(標(biāo)標(biāo)),再根據(jù)測得再根據(jù)測得PB求求aB組分組分B溶解于互不相溶的兩相中，當(dāng)兩相平衡時，如果已知一相中的活度，溶解于互不相溶的兩相中，當(dāng)兩相平衡時，如果已知一相中的活度，則則可由分配常數(shù)的測定求出此組分在另一相中的活度。可由分配常數(shù)的測定求出此組分在另一相中的活度。 當(dāng)相間的化學(xué)反應(yīng)達(dá)到平衡時，利用當(dāng)相間的化學(xué)反應(yīng)達(dá)到平衡時，利用平衡常數(shù)平衡常數(shù)及反應(yīng)中氣體物的分壓或組分在某及反應(yīng)中氣體物的分壓或組分在某液相中已知的活度，可以計算另一液相中另一組分的活度。液相中已知的活度，可以計算另一液相中另一組分的活度。2 2COCCO221CO

13、CCOPaKP221COCOcPKPa1）測定鋼液中氧的活度（或濃度）測定鋼液中氧的活度（或濃度）0lnaRTEEJnF能斯特公式：能斯特公式：,()T PGnFE 化學(xué)反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)的G G產(chǎn)生電動勢：產(chǎn)生電動勢：00lnln22aORTGRTEEJanFFF 02lnOGEFaRTRT O0alnRTGG鐵液中組分的相互作用系數(shù)鐵液中組分的相互作用系數(shù): :iiwfe22lg fFe-2, 組元組元i能降低能降低f2，F(xiàn)e2 + i Fe + 2i， 使組分使組分2的的溶解度溶解度增加；增加； 如鐵液中如鐵液中 ，Mn、Cr使使C溶解度溶解度增加。增加。0: fi-2 fFe-2, 組元組

14、元i能提高能提高f2，F(xiàn)e2 + i Fei + 2， 使組分使組分2的的溶解度溶解度降低。降低。 如鐵液中如鐵液中 ，Si、P使使C溶解度溶解度降低。降低。222wfa 相互作用系數(shù)相互作用系數(shù) 能大于或小于能大于或小于0，取決于第三組分，取決于第三組分i在在Fe-2-i體系中質(zhì)點(diǎn)間體系中質(zhì)點(diǎn)間作用力的特性。作用力的特性。ie20, 0CrCMnCee.lg4423322222wewewef0, 0PCsiCee 冶金反應(yīng)中冶金反應(yīng)中組分活度的處理組分活度的處理：1）對鐵液或鋼液中鐵組分（鐵為溶劑，其他元素溶解量不高，而鐵濃度很）對鐵液或鋼液中鐵組分（鐵為溶劑，其他元素溶解量不高，而鐵濃度很

15、高時），可認(rèn)為高時），可認(rèn)為wFe=100%或或xFe=1 ，以純物質(zhì)為標(biāo)準(zhǔn)態(tài)時，以純物質(zhì)為標(biāo)準(zhǔn)態(tài)時，aFe=xFe=Fe=1 2）形成飽和溶液的組分）形成飽和溶液的組分B以純物質(zhì)為標(biāo)準(zhǔn)態(tài)時，其以純物質(zhì)為標(biāo)準(zhǔn)態(tài)時，其aB=13）對于鋼鐵液中的溶質(zhì)組分（溶液屬于稀溶液），選質(zhì)量對于鋼鐵液中的溶質(zhì)組分（溶液屬于稀溶液），選質(zhì)量1%溶液為標(biāo)準(zhǔn)態(tài)，溶液為標(biāo)準(zhǔn)態(tài)，則可以用濃度代替活度則可以用濃度代替活度，此時：，此時： 1BfBBwa 4）冶金熔渣中組分的活度，常選用純物質(zhì)為標(biāo)準(zhǔn)態(tài)，主要考慮溶質(zhì)組分的濃度冶金熔渣中組分的活度，常選用純物質(zhì)為標(biāo)準(zhǔn)態(tài)，主要考慮溶質(zhì)組分的濃度 一般都比較高。一般都比較高。1-

16、6. 在在1800K測得測得Fe-Ni系內(nèi)系內(nèi)Ni以純液態(tài)為標(biāo)準(zhǔn)態(tài)的活度系數(shù)如下表，以純液態(tài)為標(biāo)準(zhǔn)態(tài)的活度系數(shù)如下表， 求求Ni在稀溶液內(nèi)的在稀溶液內(nèi)的0及質(zhì)量及質(zhì)量1%溶液標(biāo)準(zhǔn)態(tài)的活度？溶液標(biāo)準(zhǔn)態(tài)的活度？xNi0.10.20.30.40.5Ni0.6680.6770.690.710.75 P961-6 1-14. 在在1873K下，與純氧化鐵渣平衡的鐵液含氧量為下，與純氧化鐵渣平衡的鐵液含氧量為0.23。試計算組成。試計算組成為為41.93CaO、2.74MgO、42.58SiO、13.39%FeO的熔渣內(nèi)的熔渣內(nèi)FeO的的活度及活度系數(shù)，已知位于此渣下鐵液的平衡氧含量為活度及活度系數(shù)，已知

17、位于此渣下鐵液的平衡氧含量為0.048。解解: (FeO)=O+FeK0可理解為氧以不同的形式在兩相中的分配比，即可理解為氧以不同的形式在兩相中的分配比，即K0L00 /0.048/0.230.209FeOaw OL0, 0.230.231satFeOw OLKa純NFeOFeOFeOFeOaN，如何求？)()(0FeOOFeOFeOawaaaK 熔渣中（熔渣中（FeO）的活度的標(biāo)準(zhǔn)態(tài)為純物質(zhì)）的活度的標(biāo)準(zhǔn)態(tài)為純物質(zhì) 鐵液中鐵液中O的活度標(biāo)準(zhǔn)態(tài)為質(zhì)量的活度標(biāo)準(zhǔn)態(tài)為質(zhì)量1%溶液溶液 氧在鐵液中形成稀溶液，氧在鐵液中形成稀溶液，aO=wO 熔劑熔劑Fe以純物質(zhì)為標(biāo)準(zhǔn)態(tài)，濃度很高，以純物質(zhì)為標(biāo)準(zhǔn)態(tài)，

18、濃度很高， xFe1,aFe=xFe=12()41.93/560.749, ()2.74/400.069()42.58/600.710, ()13.39/720.185n CaOn MgOn SiOn FeO以以100g熔渣為基礎(chǔ)進(jìn)行計算：熔渣為基礎(chǔ)進(jìn)行計算：()/0.185/1.7130.108FeOiNn FeOn/ ()0.209/0.1081.932FeOFeOan FeO對純氧化鐵渣：對純氧化鐵渣：與熔渣平衡的鐵液：與熔渣平衡的鐵液：ao=wo=0.0481-141-151-26 1-30 1-26 1-35 第三章：第三章：206頁頁011. 0,028. 0,029. 0,026

19、. 0,063. 0,11. 0CrsssPsMnsSisCseeeeee已知： 3-1 2. 化合物的形成化合物的形成-分解分解 及碳、氫燃燒反應(yīng)及碳、氫燃燒反應(yīng)2.1 化合物形成-分解反應(yīng)的熱力學(xué)原理2.2 碳酸鹽的分解反應(yīng) 2.3 氧化物的形成-分解反應(yīng)2.4 可燃?xì)怏w的燃燒反應(yīng)2.5 固體碳的燃燒反應(yīng)第五章：第五章：410頁頁23COCaOCaCO53. 78908lg32TPCaCOCO23COMgOMgCO80. 66210lg32TPMgCOCO解：解：23COCaOCaCO53. 78908lg32TPCaCOCO【T沸：分解壓達(dá)到體系總壓時的溫度】OHC2/COCOPPOHHPP22/2OPoSPMgPMgPMgOHC2/COCOPPOHHPP22/2OP101.65-4401127%1023. 2%100101023. 2)(7542O2222COOCOTG17.1755653900837. 5/25853lg0TK3.1 氧化物還原的熱力學(xué)條件3.2 氧化物間接還原3.3 氧化物直接還原3.4 金屬熱還原3.5 鐵的滲碳3.6 爐渣中氧化物的還原3.7 高爐冶煉的脫S反應(yīng)3. 氧化物的還原熔煉反應(yīng)氧化物的還原熔煉反應(yīng)OHC2/COC