冶金原理(9.3)--金属氧化物还原动力学
氧化还原动力学
氧化还原动力学氧化还原动力学是研究化学反应中电子的转移、氧化还原的条件、速率与机理等方面的分支学科。
氧化还原反应是一种电子转移的化学反应，即通过电子的转移，原子或离子中的负电子数目和正电子数目发生变化，同时产生的化学键也发生了变化，占据了化学反应的核心地位。
氧化还原动力学研究的主要内容包括反应条件、反应速率和反应机理。
反应条件是指影响氧化还原反应的因素，如温度、催化剂、浓度、溶剂、光照等。
不同的条件会导致反应的速率和机理产生不同的变化。
而反应速率是指氧化还原反应进行的快慢，在研究中需要力求得出最佳的反应速率条件，从而研究反应的机理。
反应机理则是指在有机激发下氧化还原反应中物质发生的反应过程，分子间的相互作用和转移过程以及反应规律等方面。
在氧化还原反应的研究中，参与反应的物质即为氧化剂和还原剂。
氧化剂指通过接受电子而引起其他物质负电荷增加的物质，如氧气O2、二氧化氯ClO2等；而还原剂指通过捐赠电子而引起其他物质负电荷减少的物质，如水H2O、硫酸SO2等。
在氧化还原反应中，氧化剂和还原剂总是成对存在的，而且要满足电荷守恒的原则。
虽然氧化还原动力学研究的重点在氧化还原反应中电子转移、反应条件、反应速率和反应机理等方面，但其在实际应用中具有广泛的意义。
氧化还原反应是很多化学反应的基础，如生命活动中的呼吸作用、燃烧反应中的氧化反应等都与氧化还原反应有密不可分的关系。
此外，氧化还原反应还被广泛应用于化学工业、环境保护、电化学等领域，如金属腐蚀、电池、防腐剂等都是氧化还原反应在实际应用中的例子。
在化学反应研究中，氧化还原动力学具有至关重要的作用。
通过对氧化还原反应的深入研究，可以揭示其基本规律和机理，从而为合理设计和调节反应条件提供有力支持。
此外，氧化还原反应在实际应用中的广泛应用，也凸显了其在促进人类进步和改善生活质量方面的重要意义。
总之，氧化还原动力学是一门很重要的化学分支学科，并且在实际应用中具有广泛的意义。
金属冶炼过程中的反应动力学
固态金属的塑性变形与扩散
固态金属的塑性变形
在金属冶炼过程中，固态金属在外力作 用下会发生塑性变形，变形程度与外力 大小、金属的力学性质以及温度等因素 有关。
VS
固态金属中的扩散行为
在金属内部，原子或分子的迁移过程称为 扩散，扩散速率受到物质浓度梯度、温度 以及扩散激活能等因素的影响。
相变动力学与金属的凝固
详细描述
利用计算机模拟技术，可以预测金属冶炼过程中不同条 件下的反应行为，从而优化工艺参数，提高冶炼效率和 产品质量。同时，反应动力学模型可以为实际生产提供 理论指导，推动金属冶炼技术的发展。
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相变动力学
金属在冶炼过程中会发生相变，即固态、液 态、气态之间的转变，相变过程的动力学规 律与温度、压力以及物质性质有关。
金属的凝固过程
金属由液态转变为固态的过程称为凝固，凝 固过程中会伴随着相变、热量的吸收或释放 以动力学在金属冶炼过程中 的应用
优化冶炼工艺参数
要点一
总结词
要点二
详细描述
高温高压极端条件下的金属冶炼过程具有挑战性，研究其 反应动力学有助于提高冶炼效率和产品质量。
在高温高压条件下，金属冶炼过程中的反应速度和机理可 能发生变化，研究这些变化有助于改进冶炼工艺，提高金 属产品的纯度和性能。
反应动力学模型与计算机模拟的应用
总结词
通过建立反应动力学模型并利用计算机模拟技术，可以 深入理解金属冶炼过程并优化工艺参数。
熔融状态下的化学反应动力学
总结词
熔融状态下，金属及其化合物的化学反应动力学表现出独特 的规律和特点。
详细描述
在高温熔融状态下，金属和其化合物发生一系列化学反应， 如氧化、还原、硫化等。这些反应的动力学特性对于熔炼过 程的控制和优化至关重要，有助于提高金属的纯度和生产效 率。
金属冶炼中的氧化与还原反应
05 金属冶炼中的环 境保护
冶炼过程中的污染物排放
排放物种类
金属冶炼过程中会产生多种污染 物，如废气、废水、废渣等。
排放标准
为保护环境，各国政府制定了严格 的污染物排放标准，限制金属冶炼 过程中污染物的排放。
减排措施
企业应采取有效措施，降低污染物 排放量，如改进工艺、使用环保设 备等。
冶炼过程中的废弃物处理
碳作为还原剂
碳是一种常见的还原剂， 能够与金属氧化物反应生 成金属单质和二氧化碳。
氢气作为还原剂
氢气在高温下能够还原金 属氧化物生成金属单质和 水蒸气。
铝作为还原剂
铝是一种活泼的金属，能 够还原其他金属氧化物生 成相应的金属单质。
金属的还原过程
氧化物与还原剂反应
金属氧化物与还原剂在高温下发生化 学反应，生成金属单质和相应的气体 或化合物。
金属冶炼中的氧化与还原反 应
汇报人：可编辑 2024-01-06
contents
目录
• 氧化与还原反应的基本概念 • 金属冶炼中的氧化反应 • 金属冶炼中的还原反应 • 金属冶炼中的氧化与还原反应实例 • 金属冶炼中的环境保护
01 氧化与还原反应 的基着化合价升高的过程。
废弃物分类
金属冶炼过程中产生的废弃物可 分为有价金属废弃物和无价金属
废弃物。
废弃物处理方法
对于有价金属废弃物，可以采用 回收、提取等方法进行处理；对 于无价金属废弃物，则需要进行
无害化处理。
资源化利用
通过合理利用废弃物资源，可以 实现资源循环利用，降低生产成
本。
冶炼过程中的节能减排
节能技术
采用先进的节能技术，如余热回收、能量梯级利 用等，可以提高能源利用效率，降低能耗。
金属冶炼中的还原与氧化反应
汇报人：可编辑 2024-01-06
目录
• 金属冶炼概述 • 还原反应在金属冶炼中的应用 • 氧化反应在金属冶炼中的应用 • 金属冶炼中的还原与氧化反应的平衡 • 金属冶炼中的安全与环保
01
金属冶炼概述
金属冶炼的定义和目的
定义
金属冶炼是指通过化学或物理方法将 矿石或金属废料中的金属提取出来的 过程。
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境的负担。
污水处理
03
对产生的废水进行处理，确保达标排放，防止对水体造成污染
。
金属冶炼中的安全与环保实例
某钢铁企业采用先进的冶炼工艺和设备，通过严格的安全操作规程和环保措施，实现了安全生产和环境保护的 双重目标。
该企业建立了完善的安全管理体系和环保监测系统，确保了生产过程中的安全与环保。同时，该企业还积极开 展废弃物回收利用和污水处理工作，实现了资源循环利用和环境保护的双赢。
金属冶炼中还原与氧化反应的平衡实例
பைடு நூலகம்炼铁
在炼铁过程中，铁矿石中的铁元素被还原为金属铁，同时产生的二氧化碳被氧 化为碳酸盐。
炼铜
在炼铜过程中，硫化铜矿中的铜元素被还原为金属铜，同时产生的二氧化硫被 氧化为硫酸。
05
金属冶炼中的安全与环保
金属冶炼中的安全操作规程
严格遵守操作规程
金属冶炼过程中，应遵循安全操作规程，确保生产安全。
铁矿石（主要为铁的氧化 物）在高温下与碳或一氧 化碳反应，生成液态生铁 。
铜的冶炼
铜矿石（主要为铜的硫化 物）在高温下与碳或一氧 化碳反应，生成铜和硫化 氢气体。
铝的冶炼
铝土矿（主要为铝的氧化 物）在高温下与碳或一氧 化碳反应，生成液态铝和 二氧化碳气体。
冶金原理实验报告纸无名版
冶金原理实验报告专业冶金班级学号姓名同组成员冶 金 原 理 实 验 报 告专业班级： 学号： 姓名： 实验日期：2012年11月17 室温： 大气压：实验名称：硫化锌精矿氧化焙烧一．实验目的1.采用固定床进行硫化锌精矿氧化焙烧，分析各段时间硫的产出率，来测定氧化速度与时间曲线。
2.学会氧化动力学的研究方法。
3.了解硫化锌精矿氧化过程机理。
4.学会硫的分析方法。
二．实验原理在冶炼过程中，为了得到所要求的化学组分，硫化锌精矿必须进行焙烧，硫化锌的氧化是焙烧过程最主要的反应：ZnS+3/2O 2=ZnO+SO 2反应过程的机理：ZnS+1/2O 2（气）——ZnS …[O]吸附——ZnO+[S]吸附 ZnO+[S]吸附+O 2——ZnO+SO 2解吸这个反应是有气相与固相反应物和生成的多相反应，包括向反应界面和从反应界面的传热与传质过程。
硫化锌颗粒开始氧化的初期。
化学反应速度本身控制着焙烧反应速度。
但当反应进行到某种程度时，颗粒表面便为氧化生成物所覆盖，参与反应的氧通过这一氧化物层向反应界面的扩散速度，或反应生成物SO 2通过扩散从反应界面离去的速度等，便成为总氧化速度的控制步骤。
因此，可以认为反应按如下步骤进行1.氧通过颗粒周围的气体膜向其表面扩散；2.氧通过颗粒表面氧化生成物向反应界面扩散；3.在反应界面上进行化学反应；4.反应生成的气体SO 2向着氧相反的方向扩散，即反应从颗粒表面向其中心部位逐层进行，硫化物颗粒及其附近气体成分的浓度可用未反应核模型表示。
本实验采用固定床焙烧，来测定硫化锌氧化速度。
分析氧化过程某一时刻产生的SO 2的量，来计算硫化锌硫的脱出率；即单位时间硫的脱出率。
为了便于比较不同硫化物和不同条件下硫化物的氧化速度，引入以下公式：总S S SiR式中R S ——精矿中硫的氧化分数；S i ——硫化锌精矿氧化过程中某一时间内失去的硫量；S 总——精矿中所有的含硫量。
利用氧化分数和时间关系作出，可以得出不同温度、不同粒度、不同气相组成对硫化锌焙烧过程的影响。
冶金原理(9.3)--金属氧化物还原动力学
金属氧化物还原动力学一、实验目的和要求用气体还原剂还原金属氧化物，属于气—固多相反应体系。
是一个复杂的物理化学变化过程。
还原热力学公研究反应过程达到平衡时的热力学条件。
而动力学则研究还原反应过程进行的快慢。
即研究影响反应速度大小有关的条件。
其目的在于：查明在冶炼条件下反应速度最慢的步骤（即限制性环节）是什么？以便针对该环李的影响因素，改变冶炼条件，加快反应速度，从而提高生产率。
具体要求如下：1．通过实验说明还原反应的有关机理。
加深课堂讲授内容的理解、巩固和提高。
2．研究还原温度，气体性质及流量，矿石的物理化学性质对还原速度的影响。
3．验证用气体还原剂还原金属氧化物的纯化学反应控制模型和纯扩散控制模型。
4．学习实验数据处理方法及实验操作技术。
分析金属氧化物还原动力学的一般规律。
二、实验原理用气体还原原氧化物是多相反应机理最完整的，如及H2气还原金属氧化物（MeO）的反应式如下：MeO+H2=Me+H2O其反应模型如图9—1所示，在反应物（MeO）外层，生成一层产物层（Me），Me外表存在一边界层，（又称为气膜），最外面为包括反应气体（H2）和生成物气体（H2O）的气流。
反应机理包括以下环节：（1）H2的外扩散；（2）H2的内扩散；（3）结晶化学反应；（4）H2O穿过Me层的内扩散；（5）气体H2O穿过界层的外扩散。
还原反应是由上述各环节完成的。
然而各环节的速度是不相等的，总的速度取决于最慢的一个环节。
即限制环节。
而影响限制性环节的主要因素是：还原温度、矿石孔隙度、矿石粒度、还原气体的性质及流量等。
如果氧化矿结构很致密，还原反应将是自外向内逐渐深入的，存在开头规整的连续反应相界面，对于球形或立方体颗粒而言，这样的反应界面通常是平行于外表面，同时随时间的延续，反应界面将不断向固体内部推进，金属（MeO）内核逐渐缩小。
还原反应遵循结晶化学反应和阻力相似的收缩核模型。
因为H2气需通过生成物层扩散。
以及在MeO、Me 界面上的结晶化学反应。
有色金属冶金原理(第三章)
T1<T2时 T3>T2时
第五节 复杂混合物和溶液中氧化 物的还原
一、复杂化合物中氧化物的还原
NiO+CO=Ni+CO2
ΔG0 = -48325 +1.92T
+ NiO·Cr2O3=NiO+Cr2O3
ΔG0 = 53555-8.37T
NiO·Cr2O3+CO= Ni +CO2+Cr2O3 ΔG0 = 5230 -6.45T
二、H—O系和C—H—O系燃烧反应
1. 氢的燃烧反应： 2H2+ O2=2H2O 与煤气燃烧反应比较 2CO+O2=2CO2 1083K下 CO的还原能力大于H2。 1083K上 H2的还原能力大。
2. 水煤气反应：
CO+H2O=H2+CO2 3. 水蒸气与碳反应：
2H2O+C=2H2+CO2 H2O+C=H2+CO
第四节 氧化物用固体还原剂C还原
▪ 当固体C存在时，反应分两步进行。
1.MeO+CO=Me+CO2 2. C+CO2=2CO ▪ 根据气化反应的特点，应区分温度高低来考虑（1000℃） 一、高温下用C还原MeO 温度高于1000℃时，气相中CO2平衡浓度很低。可忽略不计。
MeO+CO=Me+CO2 + C+CO2=2CO MeO+C=Me+CO
(1)
2. 煤气燃烧反应：2CO+O2=2CO2
(2)
3. 碳的完全燃烧反应：C+O2=CO2
(3)
4. 碳的不完全燃烧反应：2C+O2=2CO (4)
冶金原理讲授教学大纲
冶金原理教学大纲一、课程在培养方案中的地位、目的和任务本课程系冶金专业的主业课程。
本课程是在无机化学、物理化学和冶金概论的基础上进行的。
通过学习，使学生掌握冶金过程的基本原理和使用原理分析问题解决问题的方法，为今后的专业学习和工作实践奠定基础。
二、课程的基本要求1、了解重要基本概念和基本原理的定义和含义；2、能运用所学的理论对基本冶金过程进行定性、定量分析；3、能够初步解决具体的研究问题；4、不要背诵公式定理，而要在理解的基础上学会灵活运用。
各章的基本要求：1.冶金熔体a.冶金熔体的基本概念和特点；三元相图相平衡（初晶面，划分三角形，平衡线、平衡点的性质，冷却过程分析，等温截面图）。
要求能够熟练的进行冷却过程分析，会根据相图选择合理的熔体成分；b.了解各种冶金熔体的结构理论，特别是对于冶金炉渣，要求会应用所学的理论解释相关现象；c.了解冶金熔体的物理化学性质及其变化规律，能够使用公式进行简单的计算，以及正确的查图都区有关参数；d.掌握熔渣的酸碱性、氧化性的表示方法，会用来初步分析问题；了解渣与金属间的反应；e.会读图获取熔体的热力学参数。
2.热力学基础a.了解热力学的性质和应用，严格与动力学相区分；b.掌握吉布斯自由能图的构筑和应用方法、图中线的斜率的变化规律，会计算化合物的分解压。
c.掌握绘制热力学平衡的方法，能够熟练的绘制Me-O系、Me-O-S系的平衡图、电势-pH图，会举一反三建立其他体系的平衡图如Me-Cl-O系的平衡图等；并能用来初步解决具体问题，如解释冶金现象、选择工艺条件等；d.掌握碳的燃烧反应特别是布多尔反应的平衡关系，掌握氢的燃烧反应及C-H-O系的平衡，会进行平衡计算并建立变价金属氧化物用CO和H2、C还原的平衡图；明确熔渣中金属氧化物的还原的对比关系；理解真空还原、金属热还原的原理；e.掌握不同标准状态的换算关系，并会运用活度进行精炼的平衡计算，了解熔析精炼、区域熔炼的原理。
第三章钢铁冶金原理铁的还原
铁的还原
地壳中铁的储量比较丰富，仅次于O、Si、Al而居于第4位。 自然界中铁不能以纯金属状态存在，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(nFe2O3.m H2O)、菱铁矿(FeCO3)4种。在炼铁过程中，这些矿物被还原成铁。 §3.1.1 还原反应的热力学 1、铁氧化物的特性 • Fe2O3、Fe3O4、FexO(x：0.87-0.95，含氧量25.60-23.26%) • 理论含铁量：铁矿石中含铁氧化物的含铁量。 • Fe2O3：70% Fe3O4：72.4% • 还原难易程度：易→难， Fe2O3→Fe3O4→FexO（温度、还原剂用量）
§3.1.2 铁氧化物还原的动力学
将正在还原中的矿球急冷剖开，断面分层结构，表明还原反应时逐级进 行 的 。 为 典 型 的 气 - 固 相 未 反 应 核 模 型 。 因 FexO→Fe 最 慢 ， 一 般 只 讨 论 FexO→Fe一个未反应核模型。据此模型，矿石的性质、煤气成分、还原温度 对还过程有影响。 1、矿石的性质： 矿物组成、结构、气孔率等因素对还原均有影响 人造富矿>天然矿；赤铁矿>磁铁矿 2、还原温度： T↑，k↑，D↑，Ek：62.8-117.2
3Fe2 O3 ( S ) + CO = 2 Fe3O4 (S ) + CO2 , ∆G 0 = −52131 − 41.0TJ ⋅ mol −1
(1)
1 3 Fe3O4 ( S ) + CO = Fe( S ) + CO2 , ∆G 0 = −9382 + 8.58TJ ⋅ mol −1 4 4
CO+CO2的总mol数相等。 各反应达平衡时的CO%含量（体积）成为气相平衡组成。 CO%
有色冶金原理第三章-氧化物的还原
5
→在标准状态下，在氧势图(或氯势图等) 中位置低于MeA的元素才能作为还原剂 将MeA还原。
→在标准状态下，MeA的分解压必须大于 MeX的分解压，即： PA(MeA) > PA(XA)
6
2、在非标准状态下还原反应进行的热力学条件
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
2CO(g) + O2(g) = CO2(g)
△rGθ(3-3) = -564840 + 173.64T J·mol-1
△rHθ298(3-2) = -565400
J·mol-1
(反应3-3) (式3-3)
15
（3）碳的完全燃烧反应
C(s) + O2(g) = CO2(g)
△rGθ(3-4) = -394133 - 0.84T J·mol-1
△rHθ298(3-8) = 90031
J·mol-1
（式3-9）
H2O+C = H2+CO △rGθ(3-9) = 140248 - 146.36T
△rHθ298(3-9) = 13153
J·mol-1 J·mol-1
（反应3-9） （式3-10）
34
四、燃烧反应气相平衡成分计算
多组份同时平衡气相成分计算的一般途径 平衡组分的分压之和等于总压，即ΣPi=P总。 根据同时平衡原理，各组分都处于平衡状态。
500 -445241 46.50
1000 -386561 20.189
1500 -327881 11.41
2000 -26920 7.02
29
在通常的冶炼温度范围内，氢的燃烧反应进行得十分完全， 平衡时氧的分压可忽略不计。
有色冶金原理第三章-氧化物的还原
碳的完全燃烧反应：△Gθ<<0
碳的不完全燃烧反应：△Gθ<<0
19
2、布多尔反应(C-O系优势区图) 该反应3-2体系的自由度为：f=c-p+2=2-2+2=2 →在影响反应平衡的变量(温度、总压、气相组成)中，
有两个是独立变量。
反应3-2为吸热反应，随着温度升高，其平衡常数增 大，有,利于反应向生成CO的方向迁移。 →在总压P总一定的条件下，气相CO%增加。 在C-O系优势区图中，平衡曲线将坐标平面划分为二 个区域： I——CO部分分解区(即碳的稳定区)
5
→在标准状态下，在氧势图(或氯势图等)
中位置低于MeA的元素才能作为还原剂
将MeA还原。 →在标准状态下，MeA的分解压必须大于 MeX的分解压，即： PA(MeA) > PA(XA)
6
2、在非标准状态下还原反应进行的热力学条件 1）降低生成物活度aXA、aMe 当生成物XA不是纯物质，而是处于某种溶液(熔体) 中或形成另一复杂化合物时，其活度小于1，对反应
金属元素在自然界很少以单质形态存在 有色金属矿物大多数是硫化物或氧化物 炼铁所用矿物及很多冶金中间产品主要是氧化物 形态
钛、锆、铅等金属的冶金中间产品为氯化物
还原反应在从这些矿物提取金属的过程中起着重 要作用 还原过程实例: 高炉炼铁、锡冶金、铅冶金、火法炼锌、钨冶 金……/钛冶金……
△rGθ(3-7) = -30459.1+28.14T J· mol-1 △rHθ298(3-7) = -41120 反应3-7为放热反应。 J· mol-1
（反应3-7）
（式3-7）
反应3-7的 △rGθ值为CO燃烧反应与氢燃烧反应之差。
金属的氧化与还原反应及应用
金属的氧化与还原反应及应用金属是一类常见的化学元素，其在自然界中广泛存在，并在我们的日常生活与工业生产中扮演着重要的角色。
金属可以与氧气发生氧化与还原反应，这一过程涉及着物质的电子转移与能量变化。
本文将就金属的氧化与还原反应原理及其应用进行探讨。
一、金属的氧化与还原反应原理当金属与氧气发生反应时，金属会失去电子而形成金属离子，而氧气则会接受这些电子形成氧离子。
这一过程即为氧化反应。
以铁与氧气反应为例，化学方程式为：4Fe + 3O2 → 2Fe2O3在这个反应中，铁原子失去了电子，形成了Fe3+离子，而氧分子则接受了这些电子，形成了O2-离子。
金属离子与氧离子之间的相互作用形成了金属氧化物，这是一类常见的金属氧化产物。
反之，当金属氧化物中的氧与金属离子发生反应时，金属离子会接受氧离子的电子，而氧离子则失去电子。
这一过程被称为还原反应。
以铁氧化物与碳单质反应为例，化学方程式为：Fe2O3 + 3C → 2Fe + 3CO在这个反应中，碳原子失去了电子生成碳正离子，而铁离子接受了这些电子还原成了金属铁。
这是一种典型的金属还原反应。
二、金属的氧化与还原反应的应用金属的氧化与还原反应具有广泛的应用价值，下面我们将介绍一些常见的应用。
1. 防腐蚀金属与氧气的氧化反应会导致金属表面的氧化膜形成，这一薄膜能够阻止氧气与金属进一步反应，从而保护金属不被进一步氧化，起到防腐蚀的作用。
例如，铝可通过与空气中的氧气反应形成致密的氧化膜，防止其进一步腐蚀。
2. 钢铁制备铁的还原反应是钢铁制备过程中的关键步骤。
铁矿石经过高温还原反应后，其中的氧化物被还原成金属铁，得到纯净的铁材料。
这是钢铁行业中常用的金属还原应用之一。
3. 燃烧燃料金属氧化反应也常用于燃烧燃料的过程中。
例如，汽车引擎中的燃油在与空气中的氧气发生反应时会产生能量，并释放出二氧化碳和水蒸气。
这一过程就是金属的氧化反应。
4. 电池制造电池是应用金属氧化与还原反应原理的重要技术。
铁的氧化物的还原
CO： (1) 3 Fe2O3 + CO ===== 2 Fe3O4 + CO2 + Q
(2) Fe3O4 + CO ===== 3 FeO + CO2 Q
(3) FeO + CO ===== Fe + CO2
+Q
(4) 1/4 Fe3O4 + CO ==== 3/4 Fe + CO2 + Q
H2：(1’) 3 Fe2O3 + H2===== 2 Fe3O4 + H2O
T 685℃的区域，
气相中CO浓度各级铁氧化物的CO平浓度
Fe2O3 Fe3O4
FeO
Fe 即为Fe稳定区
647℃ T 685℃区域，
FeO + n CO ====== Fe + CO2 + (n 1) CO
式中 n 称为过剩系数。由
Kp%CO2 1 %CO n1
n 1 1 Kp
n 1
CO
故 1000℃下， n = 1 0.3 3.33
即，还原每kg铁，需消耗3.3312 56 = 0.7136 kgC，
= 0.84 kg焦炭，来制造还原剂CO。
铁的氧化物的还原分为三类
• ●在CO的氧势线以上的区域： • 元素的氧化物可以被C还原 • ●在CO的氧势线以下的区域： • 元素的氧化物不可以被C还原 • ●中间区域：当温度＞交点温度时，元素C被氧化，当
温度＜交点温度时，其它元素被氧化，
2.各种铁氧化物还原的热力学
用CO、H2还原的还原反应 (间接还原)：
3.1 高炉内还原过程
CO还原铁氧化物的平衡三相成分与温度关系图
叉子曲线
粉末冶金原理第二章
(2)多相反应的特点
1)多相反应的速度方程式。 ① 界面上的化学反应速度比反应剂扩散到界面的速度快得 多，于是ci=0。这种反应是由扩散环节控制的，其速度=(D/δ) A(c-ci)=k1Ac0。 ② 化学反应比扩散过程的速度要慢得多，这种反应是由化 学环节控制的，其速度=，n是反应级数。
1.金属氧化物还原的热力学
3)位于图中最下面的几条关系线所代表的金属如钙、镁等与 氧的亲和力最大，所以，钛、锆、钴、铀等氧化物可以用钙、 镁作还原剂，即所谓的金属热还原。
1.金属氧化物还原的热力学
图2-10 金属氧化物Δ -T
例CO2还-2原就时ApCl2OO/是3生多成少反？应，求在1620℃下，Al2O3被
(2)多相反应的特点
③ 若扩散过程与化学反应的速度相近，这种反应是由中间 环节控制的。这种反应较普遍，在扩散层中具有浓度差，但 ci≠0。其速度=k1A(c-ci)=k2Acn，设n=1，则k1A(c-ci)=，所以c i=k1c/(k1+k2)，将ci值代入k1A(c-ci)得:速度=k1k2Ac/(k1+k2)=kA c。如果k2<<k1，则k=k2，即化学反应速度常数比扩散系数小 得多，扩散进行得快，在浓度差较小的条件下能够有足够的 反应剂输送到反应区，整个反应速度取决于化学反应速度， 过程受化学环节控制。如果k1<<k2，则k=k1=D/δ，即化学反 应速度常数比扩散系数大得多，扩散进行得慢，整个反应速 度取决于反应剂通过厚度为δ的扩散层的扩散速度,过程受扩 散环节控制。当过程为扩散环节控制时，化学动力学的结论 很难反映化学反应的机理。 2)多相反应的机理。
图2-11 氧化物的Δ -T图附加的专用坐标解说图
金属冶炼中的氧化物还原和还原物氧化技术
金属冶炼环境保护的措施和方法
废气治理
01
采用高效除尘器、脱硫脱硝技术等手段减少废气排放，同时对
排放的废气进行回收利用，降低对环境的污染。
废水处理
02
采用物理、化学、生物等方法对废水进行处理，去除其中的有
害物质，使废水达到排放标准或循环利用标准。
固体废弃物处理
03
对固体废弃物进行分类处理，可回收利用的部分进行回收，不
金属冶炼技术的发展历程
古代金属冶炼
古代人类在生产实践中不断探索 金属冶炼技术，如铜、铁等金属 的冶炼方法逐渐得到改进和发展
。
近代金属冶炼
随着工业革命的兴起，金属冶炼技 术得到了进一步发展，新的冶炼方 法和设备不断涌现，提高了金属的 产量和纯度。
现代金属冶炼
在现代工业中，金属冶炼技术不断 创新和完善，采用先进的工艺和设 备，实现高效、低耗、环保的生产 。
02 氧化物还原技术
氧化物还原的定义和原理
氧化物还原的定义
氧化物还原是指在金属冶炼过程中，通过化学反应将金属氧化物中的氧元素还 原成气态或液态，从而得到金属单质的过程。
氧化物还原的原理
氧化物还原的原理是利用还原剂将金属氧化物中的氧原子还原成气态或液态， 同时生成相应的金属单质。常见的还原剂包括碳、氢、一氧化碳等。
可回收利用的部分进行安全处置，避免对环境造成污染。
金属冶炼的可持续发展策略
清洁生产
采用先进的生产工艺和设备，提高资源利用效率 ，减少污染物排放，实现清洁生产。
循环经济
推动金属冶炼与循环经济的融合，实现资源循环 利用，降低能耗和资源消耗。
科技创新
加强科技创新，研发更高效、更环保的金属冶炼 技术和设备，推动金属冶炼行业的可持续发展。
氧化铁还原动力学
氧化铁还原动力学指的是氧化铁（Fe2O3）在还原条件下发生的化学反应动力学过程。
具体来说，还原氧化铁的过程是指将氧化铁中的氧原子去除，其中电子被供给给还原剂，生成FeO或Fe。
在还原氧化铁的过程中，反应速率受到多种因素的影响，包括还原剂浓度、温度、气氛、氧化铁粒径、表面性质等。
其中，还原剂浓度越高，反应速率越快；温度升高，反应速率也会加快；而还原剂和氧化铁之间的接触面积越大，反应速率也会加快。
此外，氧化铁的晶体结构、晶面等也对还原反应速率有影响。
例如，一些研究表明，氧化铁的（001）晶面比（111）晶面更容易被还原剂还原，因为其表面能更低，更容易形成反应中间体。
总之，氧化铁还原动力学是一个复杂的过程，受到多种因素的影响。
深入研究这些因素对反应速率的影响，有助于提高还原氧化铁的效率和控制反应过程。
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金属氧化物还原动力学
一、实验目的和要求
用气体还原剂还原金属氧化物，属于气—固多相反应体系。
是一个复杂的物理化学变化过程。
还原热力学公研究反应过程达到平衡时的热力学条件。
而动力学则研究还原反应过程进行的快慢。
即研究影响反应速度大小有关的条件。
其目的在于：查明在冶炼条件下反应速度最慢的步骤（即限制性环节）是什么？以便针对该环李的影响因素，改变冶炼条件，加快反应速度，从而提高生产率。
具体要求如下：
1．通过实验说明还原反应的有关机理。
加深课堂讲授内容的理解、巩固和提高。
2．研究还原温度，气体性质及流量，矿石的物理化学性质对还原速度的影响。
3．验证用气体还原剂还原金属氧化物的纯化学反应控制模型和纯扩散控制模型。
4．学习实验数据处理方法及实验操作技术。
分析金属氧化物还原动力学的一般规律。
二、实验原理
用气体还原原氧化物是多相反应机理最完整的，如及H2气还原金属氧化物（MeO）的反应式如下：
MeO+H2=Me+H2O
其反应模型如图9—1所示，在反应物（MeO）外层，生成一层产物层（Me），Me外表存在一边界层，（又称为气膜），最外面为包括反应气体（H2）和生成物气体（H2O）的气流。
反应机理包括以下环节：
（1）H2的外扩散；
（2）H2的内扩散；
（3）结晶化学反应；
（4）H2O穿过Me层的内扩散；
（5）气体H2O穿过界层的外扩散。
还原反应是由上述各环节完成的。
然而各环节的速度是不相等的，总的速度取决于最慢的一个环节。
即限制环节。
而影响限制性环节的主要因素是：还原温度、矿石孔隙度、矿石粒度、还原气体的性质及流量等。
如果氧化矿结构很致密，还原反应将是自外向内逐渐深入的，存在开头规整的连续反应相界面，对于球形或立方体颗粒而言，这样的反应界面通常是平行于外表面，同时随时间的延续，反应界面将不断向固体内部推进，金属（MeO）内核逐渐缩小。
还原反应遵循结晶化学反应和阻力相似的收缩核模型。
因为H2气需通过生成物层扩散。
以及在MeO、Me 界面上的结晶化学反应。
所以，还原反应的限制性环节可以是受扩散阶段控制，也可以是受结晶化学阶段控制。
为上述扩散和结晶化学反应速度相差不大时，我们称它为综合控制。
如果反应产物层是疏松的，气体还原进入界面将不受阻力。
反应速度不受产物的影响，反应为结晶化学阶段控制，如果产物层致密，还原剂必须扩散，通过此层方能达到反应界面，反应则为内扩散阶段控制。
实验研究表明，在火法冶金中，气流速度很快，常常高于形成边界层的临速度。
因而外扩散通常不是限制性环节。
在火法冶金的高温和常压条件下，吸附速度也很快，通常也不是限制性环节。
因此，限制性环节主要是内扩散和结晶化学两个阶段，或
介于两者之间的综合阶段控制。
同时，实验也进一步证明了，对于氧化物的还原反应，在反应初期生成物层很薄或者生成物层结构疏松时，常由结晶化学阶段控制，而反应后期，生成物层增厚或生成物层结构致密时，常由内扩散阶段控制，处于中间情况，由于反应气体通过产物层的扩散速度和界面上的结晶化学反应速度接近同样大小，则为两者综合阶段控制。
反应的速度方程可以用下式来表示：
γ——矿石颗粒半径，cm；ρ——矿石密度，g/cm3；C——气体还原剂浓度；
K——化学速度反应常数；De——内扩散系数；τ——还原时间，s 上述速度方程中，在一定还原条件下，除时间和还原率外，其它均为常数。
通过计时和称重，就可以计算。
各断时间的还原率R可以由下式求出：
R=Oτ/OεX100%=g t/O∑X100%.
式中：Oτ——某一时刻试样失去氧的重量，g；
g t——试样还原至某一时刻累加的减重量，g；
O∑——试样在还原完全时，失去的部O2量，g
从而可分别求出速度常数和D e，因而Co、γo、ρo、K、Do皆为常数。
在实验室条件下，一般进行等温还原动力学实验。
因而除应考虑主要影响因素温度的高低外，还应考虑其它因素对还原速度的影响。
这些因素是矿石的种类孔隙度及粒度，气体还原剂的种类及其流量等。
为还原温度、矿石粒度、气体性质及流量处于一定的条件时，可通过热减重法测出不同矿石种类的还原分数（R）与时间（t）的关系。
三、仪器试剂
仪器：
电子天平、竖式管状电炉、温度控制器、热电偶、气体转子流量计、氢气气体净化装置、氢气瓶、氮气瓶
试剂：
高纯氢气、高纯氮气、硫酸、焦性没食子酸、氧化铁球团矿
四、实验步骤
1. 检查电气线路，开启温度控制器，设定温度，调节手动控制电压旋钮，缓慢对电炉进行升温；
2. 预热电子天平；
3. 待温度快到设定的温度，开启氮气瓶，进行除氧操作；
4. 利用电子天平称取铁球团矿10g左右，记下数据，；
5. 将所称取的铁矿装入镊铬编织的吊蓝中，放置在天平托盘上，同时对天平进行清零操作；
6. 在温度已经达到设定的温度，通氮气20分钟后，停氮气，同时开启氢气；
7. 开启数据打印机，将盛铁矿的吊蓝缓慢放入竖式炉内，并迅速在电子天平上设定打印时间间隔，实验开始；
8. 待矿的重量在10分钟之内不超过15mg便可以停止实验，关闭氢气，同时开启氮气，断掉设备电源，通氮气20分钟后，关闭氮气阀门；
9. 实验完毕打扫实验场地，经检查同意后方可以离开。
五、数据处理
1. 计算出还原分数，作出R-t关系曲线图；
2. 将数据代入公式进行计算并作图，判断在实验的条件下，各还原时间段属于哪个环节控制。