2022年钢铁冶金原理教案.docx

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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 学习好资料 欢迎下载四,气 -固相反应速率的影响因素：气-固相反应的速率与 k 、De 等参数有关, 故影响反应速率的因素有温度、压力、气流特性及多孔产物层的物理性状等；EDkED温度：DD0eRT,k 0eRT,但EkED,所以温度对 k 的影响大于对 D 的影响；随着温度的上升k 的增加率大于 D；故在低温下,kD,界面化学反应为过程的限制性环节, 随着温度的上升, k 与 D 的差别减小,过程处于过度范畴,在高温下kD,扩散为过程的限制性环节；固相物的孔隙度： 假如固相反应物的孔隙度较大,孔隙结构为开口型, 构成了贯穿固体内部的微小通道网

2、络,气体沿这些通道扩散,除了固体的宏观表面外,其微观表面也可作为反应的相界面,反应核模型的运算值；使反应成体积性进展, 总反应速率远大于未固相生成物的孔隙度对反应过程速率的影响往往更大；当孔隙度较大时, 气体内扩散阻力减小, 过程的限制性环节可能是界面化学反应；生成物的孔隙度取决于固相生成物与固相反应物的摩尔体积的差别；当生成物的摩尔体积小于反应物的 摩尔体积时,固相生成物具有多孔结构,对气体的内扩散有利,相反,固相生成 物具有致密结构；固相物的粒度及外形：固相反应物的粒度越小, 比表面积越大, 反应速率加快； 因而对于致密结构的矿 石应选取较小的粒度；但粒度过小会影响料柱的透气性；矿粒的外形

3、会影响反应物的比表面积,外形越不规章比表面积越大； 当界面化学反应为限制性环节时,其速率与外形系数的关系为：名师归纳总结 11R1kc0c平r0第 1 页,共 31 页FF-外形系数,FrA（A-面积, V-体积, r-特性尺寸）V对于球形矿粒, F=3,11R1kc00c 平3r对于圆柱形矿粒, F-2,11R1kc00c 平2r对于平板形矿粒, F-1,11Rkc00c 平r- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 学习好资料 欢迎下载可见平板形矿粒的反应速率最高；流体速度当扩散为过程的限制性环节时,对总反应速率的影响较大,u n0,故 n流体速度加快,增

4、大,传质速率及总反应速率加快,这时边界层厚度 减小；当界面化学反应为限制性环节时,流速加快对总反应苏联新无影响；五,速率限制环节的确定对于多相反应, 其限制环节可能是界面化学反应,速率 v 与的关系,确定限制性环节；QQ-E 或ED,Jmol1vAeRTA-指数前因子,与温度无关；扩散或混合限制； 可据总反应lgvVQ1A（AlgA常数）Q ）,因而可求出活化能 RRT以lg1Q ,截距 R A ,可求出斜率（作图,斜率TQ；分 2 种情形争论：如反应为 1 级反映,活化能 Q 又比较小,就为；Q E D,扩散为限制性环节；如为 2 级反应,活化能 Q 又比较大,就 Q E k,界面反应为限制

5、性环节；例 P90（自学） 2.5 新相形核的动力学冶金过程的化学反应都有新相的产生,反应产物往往经过新相核的形成和长大过程；新相形核也是反应过程的组成环节,在肯定条件下, 也可能成为过程的限制性环节；如金属氧化物仍原过程中金属新相核的形成,碳酸盐分解过程横中氧化物新相核的形成,炼钢过程中 CO新相核在钢水中的形成等等；新相形核可分为均相与非均相形核两种类型； 2.5.1 均相形核 均相形核：新相在匀称旧相内形核的过程成为均相形核；非均相形核：新相在旧相中的夹杂物或反应器壁上形核的过程；名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 31 页精选学习资料 - - - - - - - -

6、 - 学习好资料 欢迎下载等温等压下, 化学反应能够自发进行的条件是体系的自由能变化为负值；对于均相形核过程,体系自由能变化由新相形成的体积自由能变化与新相形成的表面自由能变化两部分组成；G4r3G V4r2J/m 3；3G 析出单位体积新相核体系的自由能变化,析出单位面积积新相核体系的自由能变化,J/m 2; r 新相核半径, m；假如要形成新相核体系自由能减小才是自发过程：G 4 r 3G V 4 r 203其中 G V 0,随着 r 4r . 3G V ,4 r 2 ,这样 G 随 r 的变3化显现峰值,当 r *r 时,G G *为最大值, 如下列图 ；当 r *r,随着 r G 晶核

7、能够自发长大；当 r *r,随着 r G 晶核不能自发长大, 将会重新气化或溶解, 晶核消逝；当 r *r 时,晶核长大与消逝的几率相等,成为临界晶核；临界晶核半径 *r ：当体系自由能变化达到最大值 G 时所对应的晶核半径 * *r ；*r 的求法：名师归纳总结 dGd4r3G Vd4r2第 3 页,共 31 页3drdrG Vdr2 rdG43 r24dr3dG4r2G V8rdr当 rr 时：0dG0dr4r2G V8r- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - r2学习好资料欢迎下载G VG4 r3 G V4 r2224r214r23G423G V4 3

8、G VG VG42 3G V4 2216G V33G VG V3233作业：非均相形核临界晶核半径*r 运算式推导； 2.5.2 非均相形核 当旧相内有异相粒子或反应器壁存在时,称为非均相形核过程；图 2-18 （P94）为气相内固相物表面上形成半径为R的球冠形液相核的过程；设液相核与气相及固相的接触面积分别为A gl及 A sl,界面张力gl,sl,sg应用相同原理,得出新相形核时体系自由能的变化：GV G VA glglA slslglcosR212 cosslslsl称为液相核对固体表面的附着力；gl球冠形液相核体积V l与面积A gl、A sl的运算：V 2R32cos1cos23A

9、gl22 R1 cos A sl2 R2 1 cosslslslsgslglcosslglcosG2R32cos1cos2G V2R21cos 3微分得：名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 31 页精选学习资料 - - - - - - - - - 令：dG 0学习好资料欢迎下载drR 非=2gl图 2-18（P94）：*,这时异相形核与均相形核G VG 非4323cos3 cosgl32 G VG 非=123cos3 cos=G 均4由于1,G 非G 均非均相形核比均相形核简单；见180 ,形成球形液相核,1,G*G非均条件相同,均为球形核；90 ,1 ,2G*01G*,非

10、均相形核简单,形成半球形核；非均20 ,0 ,G* 非,非均相形核无条件,形核最简单； 2.5.3 钢液结晶动力学当钢液温度降到熔点以下时,固相晶核自发形成,钢液开头凝固结晶；G=HmTS mHmTHmM=H（1-mT）MQ（1-mT）MV mG=HmVTS mHmTS mMT 熔T 熔T 熔mHm钢液的结晶潜热,J mol1; 1；S 钢液的结晶熵,J mol1KV 固体晶核的摩尔体积,3 mmol1；钢液的密度,kg m3；M 钢液的摩尔质量,kg mol1；Qm钢液的熔化热,J mol1; T熔 钢液的熔点；名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 31 页精选学习资料 -

11、 - - - - - - - - r2Qm2学习好资料熔欢迎下载2MTTMT熔QmTG V钢夜的过冷度：2TTT熔2MT熔2铁的仍原G14r4QmT33第三章地壳中铁的储量比较丰富,仅次于 自然界中铁不能以纯金属状态存在,O、Si、Al 而居于第 4 位；绝大多数形成氧化物、 硫化物及硫酸盐； 常用的铁矿石有赤铁矿 Fe2O3 、磁铁矿 Fe3O4 、褐铁矿 n Fe2O3.m H2O 、菱铁矿 FeCO34 种；在炼铁过程中,这些矿物被仍原成铁； 3.1.1 仍原反应的热力学 1、铁氧化物的特性 Fe2O3、Fe3O4、FexOx：0.87-0.95,含氧量 25.60-23.26% 理论含

12、铁量：铁矿石中含铁氧化物的含铁量；Fe2O3：70% Fe3O4：72.4% 仍原难易程度：易难,Fe2O3Fe3O4FexO（温度、仍原剂用量）2、铁氧化物仍原的次序性：仍原反应是由高级铁氧化物到低级铁氧化物的次序逐级进行的；T570: Fe2O3Fe3O4FeOFe T570: 3 Fe 2O 3SCO2Fe 3O 4SCO 2,G05213141 . 0 TJmol1 1 Fe 3 O 4SCO3 FeOSCO 2,G03538040 . 16 TJmol1 2 FeOSCOFeSCO 2,G02280024 . 62 TJmol1 3 T1,%CO 平0 几乎与横轴重合,反应不行逆,F

13、e2O3 很易仍原；Fe、FexO、Fe3O4 平反应、的平稳线在570相交,形成叉形,此点衡共存；4 条曲线把图面分成4 个区,分别是 Fe2O3、Fe3O4、FeO、Fe 的稳固存在区；曲线的走向取决于反应的热效应 放热 T %CO平 ；吸热 T %CO平1 个吸热反应, 3 各放热反应,总热效应 用 H2 仍原铁氧化物：T570: Fe2O3Fe 是放热的；3 Fe 2O 3SH22 Fe 3 O 4SH2Og,G01554774 . 40 TJmol1 1 Fe 3 O 4SH23FeOSH2Og,G07194073 . 62 TJmol1 2 FeOSH2FeSH2Og,G02343

14、016 . 16 TJmol1 3 T810,%H2平%CO平, H2 的仍原才能大于 COT自然矿；赤铁矿 磁铁矿2、仍原温度：T , k , D , Ek：62.8-117.2 kJ.mol1,ED：8.4-21kJ.mol1T 对 k 的影响大于 D,低温下,界面反应为限制性环节,高温下扩散为限制性环名师归纳总结 节；在复合限制条件下,vv0. Tn（n=0.75-3.0）第 8 页,共 31 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 学习好资料 欢迎下载3、仍原气体成分：H2 的扩散系数 D 及化学反应 k 均大于 CO,因而无论什么限制环节,煤气

15、%H2含量高时,仍原速率快；4、仍原气体压力：P 反应物气体浓度 仍原反应速率 3.2 碳的仍原P 对扩散速率的影响不大；矿石的冶炼周期约为5-8h,其中 1-2h 完成从高级氧化物到浮氏体的气- 固相仍原反应,再用 1-2h 完成约一般浮氏体的气 - 固相仍原过程, 另一半浮氏体只能键 入 1000以上的高温区后,被固体碳直接仍原；F O 3COF O 4COF OCO H2CF eF eC T1000H2H2 3.2.1 直接仍原反应 消耗固体碳仍原剂 C的仍原反应,成为直接仍原反应；直接仍原度 r d: 直接仍原所占的比例： 从 FexO 中直接仍原出的铁量占从铁氧化物 中仍原出的总铁量

16、的比例；dr直接仍原出的铁量rdri1全部仍原出的铁量直接仍原反应发生的途径：FeOSCCOFeSCO2, H013190Jmol11298CO2SS2 CO, COHH0 298165390Jmol, FeOCSFe0152200Jmol1S298直接仍原反应的 气相平稳曲线图 （%CO 平-T）,可由间接仍原及碳的气化曲线组 合而成；特点：T710,碳气化生成的 %CO 大于各级铁氧化物仍原需要的 %CO,可发生各 级铁氧化物的直接仍原：Fe2O3Fe3O4FexOFe 是 Fe 的稳固存在区；680T710碳气化产生的 %CO 大于 Fe2O3Fe3O4、Fe3O4FexO 所需的 %C

17、O,但小于 FexO名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页,共 31 页精选学习资料 - - - - - - - - - 学习好资料 欢迎下载Fe 所需的 %CO,故可发生 Fe2O3Fe3O4FexO 的仍原,是 FexO 的稳固存在 区；T1000时, C 的企划才能显著发生,所以约1000是直接仍原开头温度,只存在FexOFe 的直接仍原；第四章 碳的氧化反应钢和铁都是铁 -碳合金,钢铁冶炼工艺是和碳紧密联系在一起的；对于炼铁碳是仍原剂和发热剂, 对炼钢脱碳反应涉及到熔池的各种化学反应；碳可增加钢的强度、硬度、转变钢的组织,影响钢材性能；不论炼钢、炼铁发生的均是碳的氧化反应；

18、 4.1 高炉风口前回旋区内碳的氧化高炉风口前发生的主要是煤粉及焦炭的燃烧反应,煤粉的燃烧过程由煤的热分解和碳的氧化两个过程组成, 焦炭在炼焦过程中已完成了热分解,只发生碳的氧化 一个次过程；风口前焦炭的燃烧分两种状态：层状燃烧：当风速较小时,焦炭相对静止,类似于炉蓖上的燃烧,具有典型的 层状燃烧的燃烧带的特点；这在冶炼强度低的中小高炉上显现,沿风口中心线煤气成分变化如图 1 所示：燃烧带氧化带CO 2CO 2仍原带CO 2CCO回旋燃烧： 当风速较大时, 鼓风吹动风口前的焦炭, 形成一个疏松而近似球形 的回旋区, 焦炭随鼓风作高速回旋运动； 这在强化冶炼的中小高炉和大高炉上出 现；沿风口中心

19、线燃烧带内气相成分变化如 图 2 所示； 4.2 生铁的渗碳4.2.1 CO-CO2 气体对铁的渗 C 反应名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页,共 31 页精选学习资料 - - - - - - - - - 学习好资料 欢迎下载生铁的渗 C 作用开头于固态海绵铁的渗 碳素而形成；2CO海绵铁 C烟+CO2 C烟=C海绵铁C,大量发生就是当铁滴落的过程中溶解2CO=C海绵铁+CO2G=-166550+171T Jmol1%COCXCKPaC%CO22P2CXC100 100100P%CO2PP%CO100XC%CO2PK1100 100%COCC：海绵铁中的C 以纯石墨为标准态的

20、活度系数；P313 说明已知：fC1CKHfCXC（1）1 5XP CP CCXCCKHfC0饱fC（2）CP CC饱=0Cf饱1Ca C饱C饱XCC饱=X1饱3 C4 f C饱151C饱X3、4带入（ 2）中：名师归纳总结 X1饱=0CfC饱=01C饱第 11 页,共 31 页CC1 5XC0=15X饱CXC饱- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - C=0fC=15XC饱学习好资料XC欢迎下载1C=1 5饱CXC饱1 5XCXC饱1 5XXC%CO2PK15XCCXC饱100 100%COCX% CO2PK1C100 100% CO15 X饱当铁液中渗碳量

21、较低时（ %C1）时：XC55.85% C0.0465 % C100 12例 P314,自学 4.2.2 铁液的渗 C 海绵铁渗 C 后熔点不断降低熔化成为铁液, 下落过程中会进一步溶解渗 C 使%C上升；F eC 焦F C 3铁中碳的溶解度运算式：% C=1.34+2.54 103t（）铁液中其它元素对碳的溶解度的影响：% C=1.34+2.54 103t0.04 %Mn0.30 %S0.35 %P0.40 %SNb、V、Cr、Mn 等能形成比 Fe3C 稳固的碳化物,使 %C Si、P、S 等能形成比 Fe3C 稳固的含铁化合物,使 %C 4.3 炼钢过程的脱碳炼钢过程的主要反应是脱C,需

22、要从铁水中去掉较多的C 量,冶炼时间与C 氧化速率有关, 由于碳氧化形成了大量的 进行,加强了熔池的传热与传质； 4.3.1 碳氧化反应的热力学 1、C 氧化反应的类型 气体 O2 的脱 C：CO 气泡,促进了熔池内其它化学反应的C1O 2CO,O G =-136900-43.51T Jmol12铁液中 O的脱 C：名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页,共 31 页精选学习资料 - - - - - - - - - COCO,学习好资料mol1欢迎下载O G =-22364-39.63T J此反应主要发生在铁水与炉底耐火材料的接触面上及铁水中的 CO 气泡表面上；熔渣中 FeO的

23、脱 C：CFeOFeCO,O G =98799-90.76T Jmol12、碳氧浓度积钢水中的脱 C：COCOP COfCfO1KaP COOfCf OCa% C% O由于平稳时,钢液中的%C 、 %O 很低,可以认为KP COO% C%m1% C% OP COKT=1873K,m=0.0025 % C% OmP CO0.0025 P CO0.0025（称为碳氧浓度积）当PCO1 atm, % C% Om3、钢液不同部位的碳氧浓度积由于钢液不同部位的 PCO 不同,故有不同的碳氧浓度积；熔池内部：只有钢水内部 CO 气泡内 PCO 满意以下条件时,气泡才能形成P COP COP gmmgssg

24、2r：气泡内 CO 的压力, Pa；P ：炉气压力, Pa；名师归纳总结 mmg ：钢夜的静压力,Pa；（m钢夜的深度, m;m钢夜的密度, ）第 13 页,共 31 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - ssg ：炉渣的静压力,学习好资料欢迎下载Pa；2：气体的附加压力,Pa；（：N m 1；r 半径, m）r故：% C % O mP CO 0.0025 P g m m g s s g 2r钢夜深度m mg P CO % C % O %O 平 ；钢夜 - 熔渣界面：PCO 1 atm, % C % O m 0.0025；钢液表面：钢液表面形成的 CO

25、气泡为平展气泡, r,附加压力2 0,m 0,rs sg 值较小,故：P CO P , % C % O mP CO mP g m 0.0025；悬浮的金属液滴：当金属液滴进入熔渣或炉气中时 ,液滴表面的碳氧化形成 CO 气泡 ,铁滴位于气泡内部, 2 0 r%C临,O 的扩散为限制性环节；%C%C暂时的脱 C 速率（ O 的扩散为限制性环节）CC%Cm 12molm3d% Cm100CO%Om 16molm3100vCdnCV mdCCddd10012vOdnOVmdCOd% Omddd10016vCvOmd%Omd%Cd10012d10016d% C1d% O1d12d16d% C12d%

26、Ov Cd16dO 的扩散由以下的环节组成：名师归纳总结 （1）渣中FeO 向渣钢水界面的扩散FeOFeO；第 15 页,共 31 页（2）界面反应：FeOFeO；O；（3）渣钢界面的O向钢水中的扩散：O- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 学习好资料 欢迎下载依据双膜理论,高温下界面化学反应速率很快,过程由（1）、（3）混合限制：vOd% O1km/L0FeOFeO%FeOL% OP3487-10 dk mkSL00FeO式中 : km0A,ksFeOAsvCM0；VmmMFeOVmL 0% OCOsM0；%FeOC CFeOMFeOmlgL 06320

27、0 . 734,可求出L ；T12d% Ov Cd% C,即可求出d16d争论 FeO 、 O 的扩散哪个为扩散性环节？（P369 ：1）2）自学）3、%C%C暂时的脱 C 速率：（C 的扩散为限制性环节）钢液中 %C 的扩散为限制性环节：vCCA% CKP CO,C为钢液中的传质系数；V m% O（P369 例,自学）第五章 硅、锰、铬、钒等元素的氧化和仍原第六章 磷的去除 6.1 磷在冶金中的行为P 在地壳中的存在外形：磷灰石：Ca5F,ClPO43,磷铁矿： FePO4.2H2O,磷铝矿： AlPO 4.2H2O,独居石： CePO4等磷酸盐的外形存在,约占地壳总重量的 0.12%；名师

28、归纳总结 高炉冶炼过程中P 来自矿石及熔剂带入的磷酸盐,这些磷酸盐在有SiO2及 C 存第 16 页,共 31 页在的条件下,很简单发生仍原,几乎全部仍原进入生铁冢；生铁含P 高达0.1%-2.0%,炼铁过程掌握P 的唯独方法就是掌握原料中的P 含量；23 CaOP 2O 53 SiO232CaOSiO2P 2O52P 2O510C4P10CO23 CaOP 2O 53 SiO210C32 CaOSiO24 P10COg- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 学习好资料 欢迎下载P 是钢液中的有害元素,在炼钢过程中,尽可能除去P；P 溶于铁液中放出大量的热,形成 Fe2P、Fe3P,说明 P、Fe 原子有较强的亲和力,在固态铁中形成置换 固溶体； P