液固反应动力学详解

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。
实验结果
1. 旋转速度对CaO溶解速度的影响
实验结果
2. 旋转速度与溶解速度的关系 固体在熔体中的溶解，如果是传质控速，溶解速率与转速的n次方 成正比 n
v A0u
由于圆柱形石灰的半径变化不大，故可以用上图中直线的斜率表示 溶解速度，即用 dr v dt 表示溶解速度
实验结果
BF渣 BOF渣
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 1
2 1.611 ( ) ( )
D
3
（ 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：
dn dt D(ci c ) j A (1 ci V )
（2）
式中 c i －固/液界面溶质浓度，mol·m-3； c－在液体体相内溶质的 浓度，mol·m-3； －有效边界层厚度；V －溶质的偏摩尔体积； D－溶质穿过界面的有效扩散系数。
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 R 与时间的平方根成正比，
冶 来自百度文库 研 究 方 法
固—液反应动力学及其在冶金上的应用
学生：周甜甜
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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
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氧化镁在熔渣中的溶解动力学
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。
R kt
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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。
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：
j 0.62D
2 3

1 6

1 2
(ci c ) (1 ci V )
（ 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。
dr - A0u 0.62 dt dr - A0u 0.69 dt
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 v A0u n，其中A 0 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计算传质系数和边界层厚度。 (4) 确定传质因子jD 与Re之间的关系，以进一步求得传质活化能。
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，得到的溶解 速率常数k的结果是 • 二维空穴核心时， k ＝ 6.5 × 10-3 m· s -1 • 刃型位错时， k ＝ 6.7 × 10-3 m· s -1 • 螺型位错时， k ＝ 4 × 10-3 m· s -1
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
晶体点阵上的单原子层按下述方式逐步分离：原子一个接着 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