冶金热力学及动力学
焊接冶金学基本原理
焊接冶金学基本原理引言：焊接冶金学是研究焊接过程中金属材料的物理和化学变化的学科。
它涉及到金属的熔化、凝固、晶体生长和相变等过程。
本文将介绍焊接冶金学的基本原理，包括焊接过程中的热力学、动力学和金相学等方面。
一、热力学原理焊接过程中的热力学原理是理解焊接过程中金属材料的熔化和凝固行为的基础。
焊接过程中，金属材料受到加热而达到熔点，然后在熔融状态下进行熔化和混合。
热力学原理研究了焊接过程中的相变行为，包括熔化、凝固和晶体生长等过程。
通过控制焊接过程中的温度和冷却速率，可以影响焊缝的组织和性能。
二、动力学原理焊接过程中的动力学原理研究了焊接过程中金属材料的相变速率和晶体生长行为。
焊接过程中，金属材料经历了熔化、凝固和晶体生长等过程。
动力学原理研究了这些过程中的相变速率和晶体生长速率，以及它们与焊接参数（如焊接速度、焊接电流等）的关系。
通过控制焊接参数，可以调节焊缝的组织和性能。
三、金相学原理焊接过程中的金相学原理研究了焊接过程中金属材料的组织和相变行为。
金相学是研究金属材料的组织和结构的学科，通过显微镜观察和分析焊接接头的金相组织，可以了解焊接过程中的相变行为和组织演变规律。
金相学原理对于评估焊接接头的质量和性能具有重要意义。
结论：焊接冶金学的基本原理包括热力学、动力学和金相学等方面。
热力学原理研究了焊接过程中的相变行为，动力学原理研究了相变速率和晶体生长行为，金相学原理研究了焊接接头的组织和相变行为。
通过深入理解焊接冶金学的基本原理，可以优化焊接过程，提高焊接接头的质量和性能。
参考文献：[1] Smith W F. Principles of Materials Science and Engineering[M]. McGraw-Hill, 2006.[2] Kou S. Welding Metallurgy[M]. Wiley, 2003.。
冶金热力学基础知识简介
第一章冶金热力学基础1.冶金反应的焓变和吉布斯自由能变计算2.化学反应等温方程式3.溶解组元的活度及活度系数4.有溶液参加反应化学反应等温方程式分析5.熔铁及其合金的结构6.铁液中组分活度的相互作用系数关系式7.铁液中元素的溶解及存在形式8.熔铁及其合金的物理性质绪论冶金过程，尤其是钢铁冶金过程是高温、多相、多组元的复杂物理化学反应体系，一般而言：温度：>1000℃，炼钢温度在1600℃，甚至1700℃；多相：包括气—液—固三相气相：大气、燃气、反应气体、金属及其化合物的蒸气；液相：金属液、渣液；固相：金属矿石、固体燃料、耐火材料；多组元：金属液、炉渣、燃料都不是纯物质，而是多组元物质。
冶金过程物理变化：熔化、溶解、吸附、脱气、分金属夹杂上浮、金属的凝固等；冶金过程化学反应：燃料燃烧反应、生成—离解反应、氧化—还原反应、脱硫反应、脱磷反应、脱氧反应、脱碳反应等。
对这样的复杂体系，冶金物理化学能做什么？运用物理化学基本原理及实验方法，冶金物理化学研究和分析冶金过程的基本规律，为探索高效、优质、绿色的冶金工艺过程提供理论依据。
冶金物理化学大致分为：冶金热力学——主要研究冶金过程（反应）进行的方向和限度，以及在复杂体系中实现意愿反应的热力学条件。
是以体系的状态（平衡态）为基础，以状态函数描述过程的可能性为基本分析方法，不涉及“时间”这个参数。
冶金动力学——主要研究冶金过程（反应）的机理和速率，以及确定过程的限制性环节和强化过程的措施。
工业过程是要在有限时间内完成反应产物的获得，光有“可能性”还不够，要有“实现性”，这就必然涉及过程（反应）的机理和速率。
冶金熔体——高温金属熔体和熔渣结构、性质及模型描述。
冶金电化学——高温电解反应、金属液熔渣多相反应的机理和描述。
应该说，正是冶金物理化学的发展，才使得冶金由“技艺”成为“工程”和含有“科学”分量。
相对而言，冶金热力学发展得较为成熟，但研究高温下多相复杂冶金反应很困难，许多热力学数据还不完整。
金属冶炼热力学与反应动力学
铜冶炼：研究铜矿石的氧化还原反应和 热力学性质
镍冶炼：研究镍矿石的氧化还原反应和 热力学性质
铝冶炼：研究铝矿石的电解反应和热力学 性质
铅冶炼：研究铅矿石的氧化还原反应和 热力学性质
THANK YOU
汇报人：
热力学与动力学在金属冶炼工艺优化中的作用
热力学：研究金属 冶炼过程中的能量 转换和传递规律， 为工艺优化提供理 论依据
动力学：研究金属 冶炼过程中的化学 反应速率和机理， 为工艺优化提供实 验依据
热力学与动力学的 结合：综合考虑能 量转换和化学反应 速率，为工艺优化 提供全面指导
工艺优化：通过热 力学和动力学的研 究，实现金属冶炼 过程的高效、节能、 环保和稳定生产
热力学第三定律：绝对零度，当温 度接近绝对零度时，系统的熵趋于 零，即系统达到完全有序的状态。
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热力学第二定律：熵增原理，孤立 系统的熵总是增加的，即系统总是 自发地向熵增的方向发展。
热力学函数：包括内能、焓、熵、 吉布斯自由能等，它们都是描述系 统状态的重要参数。
热力学第一定律和第二定律
热力学原理：法拉第定律，电 化学势，吉布斯自由能
动力学原理：电解质溶液的电 导率，电极反应速率，过电位
应用实例：铝电解槽的设计， 电解温度的控制，电解质的选 择
铜熔炼过程的热力学与动力学研究
铜熔炼过程：包括熔炼、精炼、浇铸等步骤
热力学原理：应用热力学第一定律和第二定律，分析熔炼过程中的能量转换和热平衡
金属冶炼过程中的热力学与动力学模型联合应用
热力学模型：描述金属冶炼过程中的能量转换和物质变化
动力学模型：描述金属冶炼过程中的反应速率和反应条件
热化学数据库1
•
1.2.4 集成热化学数据库的研制工作
•
目前国内加强了集成热化学数据库的研制工作： 原中国科学院化工冶金研究所在20世纪80年代研制的无机热化学数据库， 收集了2010个无机物的基本热化学数据35000个之多，可完成14种功能， 但研制时间较早，管理系统功能有待提高，用户界面也需改善； 北京科技大学正在研制的稀土卤化物热力学数据库系统（REHTDB) ，收 集了1900年以后的稀土卤化物热力学数据、文献来源及相图数据， REHTDB用功能强大的Forxpro数据库管理系统，以Windows为操作平 台，操作方便。 智能化冶金动力学数据库：高智能化、可视化，可建立用于微观、宏观动 力学中各种物质传输性质和物理性质的计算机预测知识系统。 一个内涵丰富、功能齐全、性能良好的数据库系统建成需要一批研究人员 长时间的不懈努力。
Ttr、TM、TB－－分别为晶型转变温度，熔点和沸点； ΔtrHm、ΔslHm、ΔlgHm－－摩尔晶型转变焓、摩尔熔化焓和摩尔蒸发焓； Cp，m(s)、 Cp，m(l) 、Cp，m(g)－－固、液、气态下物质的恒压摩尔热容。
化学反应的焓变：（计算时要针对具体情况灵活运用）
0 T 0 298 Ttr TM ' Tb T 298 Ttr TM Tb
冶金过程热力学和动力学
武汉科技大学冶金工程系 高运明 2008年6月
主要内容
第一部分
1. 无机热化学数据库简介 1.1 概述 1.2 无机热化学数据库 冶金热力学基础及其应用 2.1 关于标准吉布斯能的一些问题 2.2 吉布斯自由能变化及活度在冶金中的应用 2.3 金属液相中反应热力学分析 高温熔体模型 3.5 过剩函数 3.6 正规溶液 3.7 亚正规溶液 3.8 准正规溶液 3.9 熔渣分子结构模型 3.10 完全离子溶液模型 3.11 正规离子溶液模型 3.12 熔渣中组元的等活度（系数）曲线
冶金热力学-1
为了表示非理想溶液与理想溶液之间的偏差，在溶液热力
学中，提出了超额函数的概念，因此，体系又增加了几个导
出性（衍生性）的状态函数，即
ViE、
U
E i
、
H
E i
、
S
E i
、
AiE 、
G
E i
同样，也还有导出性（衍生性）的状态函数 ——超额偏摩尔
热容：
C
E p
?
??
?
H
E i
?? ?T
?? ?? p
和
CVE
KΘ= [(aC)c(aD)d/(aA)a(aB)b] eq
是反应达到平衡时的活度 (压强)商。 ▲ 若组元为固态，则 ai = 1 ( i =A，B，C，D)； ▲ 若组元为气态，则 ai = pi，且 pi是无量纲压强； ▲ 若组元在液态中，则 ai是组元 i 的活度，就要注 意其标准(参考)态的选择。一般情况下，若 i 在金属 溶液中，则选质量分数为 1% 的溶液为其标准 (参考) 态；而在炉渣中，则选纯物质为标准 (参考)态。
达到平衡时)的活度(压强)商。 化学反应等温方程式的计算结果用于判断化学
反应在指定温度下的方向和限度。有三种状况： ΔG > 0和ΔG < 0表明反应的热力学趋势；ΔG = 0表明 反应的热力学限度(平衡点)。
达到平衡时，ΔGΘ = - RT ln(Q)eq，将(Q)eq记为 KΘ，即：(Q)eq= KΘ，ΔGΘ = - RT lnKΘ，或：
标准平衡常数同化学反应的标准吉布斯自由能变
化量之间在数值上存在计量函数关系式：
?
r
G
? m
?
? RT
ln K ?
经验平衡常数的数值计算则不能随意地同化学反
《冶金热力学及动力学》
冶金动力学包括微观动力学和宏观动力学。所谓微观动力学是指在理想条件下(如恒温) 研究化学反应进行的 速度和机理。 但是在冶金生 产条件下，化 学反应进行的条 件是十分复 杂的，往往有其它物理过程同时存在，使冶金反应成为非单一的过程，即若干过程的总和。 宏观动力学的任务是 研究工业生产 条件下过程进 行的速度，它 与微观动力学的 区别是，除 了化学反应外，还要 考虑其它的物 理过程，即传 质过程、传热 过程和动量传递 过程。其研 究方法也不同，宏观 动力学主要是 应用数学模型 ，即对体系的 反应情况加以简 化，使其能 用一定的数学式表示 反应速度与其 影响因素的关 系。近年来， 计算机的应用， 为解决繁难 的动力学教学问题和 建立数学模型 提供了极为有 利的条件，促 进了动力学的飞 速发展，但 与热力学相比尚不成熟。
在本课程学习过程 中应贯彻理论 联系实际的原 则，在用一些 定律和理论来 分析冶金问 题时，一定要注意具 体的条件和状 态；在理论分 析和数学计算 时，仍然以实验 数据为基础 并在实践中加以验证和修正。
21-2
研究生学位课程《冶金热力学及动力学》 课程教案
第一章 冶金热力学基础
教学内容
教学目的
教学重点 教学难点 教学方法 教学教具 课时分配
冶金热力学及动力 学是运用物理 化学的基本原 理及实验研究 方法研究和分 析冶金过程 的一些基本规律，为改进现有冶金过程及探索新的冶金过程提供理论根据。
高温冶金原理-冶金反应过程的动力学
1.0
C0 lnC0 t0.5 lnt0.5
2.0 0.6931 2.5 0.9163
5.0 1.6094 1 0
斜率＝-1＝－（n－1），n＝2
lnt 0.5
0.8
0.6
0.4
Y=A+B*X
Parameter Value Error
0.2
----------------------------------------------
研究冶金动力学的目的
在于了解反应在各种条件下组成环节及其速率 表达式；导出总反应的速率方程，确定反应过程限制 环节；讨论反应的机理以及各种因素对速率的影响； 以便选择合适的反应条件，控制反应的进行，达到强 化冶炼过程，缩短冶炼时间及提高反应器生产效率的 目的。
§ 4.1 化学反应的速率
一、化学反应速度式
计算硫在熔铁中的传质系数及边界层的厚度。
分析： ln w [ S ] w [ S ]e Ds t t
w [ S ]0 w [ S ]e L
L
作ln（w[S]-w[S]e)－t图，
斜率＝
L
解：计算ln（w[S]-w[S]e)
时间/min w[s]
w[s]-w[s]e ln(w[s]-w[s]e)
A
A A
未占据的面积分数：
1A
A
吸附平衡常数：
KA
A P A(1 A
)
A
K A PA 1 KAPA
吸附反应的速率正比于θA：
v
k A A
k A K A PA 1 KAPA
如发生溶解组分A吸附：
v kAK AaA 1 K Aa A
－朗格缪尔吸附等温式
当KPA或KaA>>1时，
《冶金热力学与动力学实验》
《冶金热力学与动力学实验》指导书实验一 、 碳的气化反应一．实验目的1．测定恒压下不同温度时反应的平衡常数。
2．了解在恒温恒压下反应达平衡时测定平衡常数的方法。
3．了解影响反应平衡的因素。
二．实验原理在高炉炼铁、鼓风炉炼铜、铅、锌以及煤气发生炉等生产实践中，固体碳的气化反应具有十分重要的意义。
其反应为：C ＋CO 2＝2CO该反应的自由度为F ＝2－2＋2＝2,即反应平衡时，气相成分取决于温度和系统的压力。
在一大气压时，该反应的平衡常数为：%)(%)(2222CO CO P P K CO CO P ==（1—1）由等压式知B RT H K P +∆-=303.2lg （1—2）式中ΔH 为反应热，R 为气体常数，T 为绝对温度，B 为常数。
三．实验装置如图2-3所示，由二氧化碳气瓶、气体净化系统、管式高温炉及控温仪表、气体分析仪器组成。
图1-3碳的汽化反应实验装置1.CO2气瓶2 流量计3.管式电阻炉4.铂铑热电偶5.温度控制器6. CO2传感器；7.计算机8实验台四．实验步骤1．按图装好仪器设备，将碳粒装入电炉内瓷管的高温带，塞上胶塞，用融化的石蜡密封好。
2．分段检查系统是否漏气，重新密封，直至不漏气为止。
3.通电升温接通电源，打开控温器电流为5A，逐步升到10～12 A。
在升温的同时；打开气瓶，以较大的气流（40ml／分）排出系统内的空气，排气5分钟后调流量为20ml／分，并保持此流量不变。
4.炉温在600℃恒温5分钟后，接通CO2气体传感器，计算机读数，记录CO2％含量。
5. 再按上述操作连续4点，700℃，800℃，900℃，1000℃。
分析反应平衡气体中CO2含量同上操作，再取该温度下反应平衡气体，记录CO2％含量。
7．实验完毕，恢复仪器原状，切断电源，关闭气体。
五．实验报告要求1.计算各温度下平衡气相成分，以体积百分数表示，取10次结果的平均值。
2.计算各温度下的平衡常数K p。
3.绘制平衡气相中一氧化碳与温反t的关系曲线。
冶金过程中的热力学计算和实验研究
冶金过程中的热力学计算和实验研究冶金行业是指针对金属和非金属矿物资源进行提炼、冶炼、合金化等加工过程中的行业。
在冶金加工过程中，热力学计算和实验研究是至关重要的环节，能够为工程师和研究人员提供预测和控制生产过程的理论和实践依据，促进技术发展和产品质量提升。
1. 热力学计算在冶金中的应用冶金加工过程中，各种金属、合金及非金属物质的化学反应均与热力学有关。
热力学计算是应用热力学原理和方法，对冶金过程中所涉及的物质相平衡、化学反应等过程进行研究，以该过程的热力学数据为基础，计算出反应的热力学、热学和动力学参数，从而对反应进行预测和调控的一种技术。
例如，在冶金冶炼过程中，通过热力学计算可以确定反应平衡常数、反应速率常数、反应热、反应焓、反应熵等热力学参数，为反应的优化设计和控制提供了重要的信息。
2. 实验研究在冶金中的重要性在冶金加工过程中，实验研究是验证和应用热力学计算结果的重要手段。
通过实验研究，可以建立基于实验数据的反应参数模型，验证理论计算的准确性，提高技术运用的可靠性和精度。
例如，在金属材料的淬火过程中，通过实验测量样品的冷却曲线，可以确定材料的冷却速度和硬度，根据热力学计算的结果，优化淬火工艺参数，提高材料的强度和耐磨性。
3. 热处理工艺的研究热处理工艺是指用热能使材料发生相变或微观结构变化，以调控材料性能的一种工艺。
在冶金加工中，热处理工艺的研究是重要的研究方向之一。
例如，高温钢材的热处理工艺研究，通过热力学计算和实验研究，可以确定热处理参数，优化热处理工艺，提高钢材的抗氧化性和耐热性。
4. 冶金材料的构造与性能关系研究冶金材料的构造与性能关系研究是冶金加工的核心和重点研究方向之一。
通过研究材料的晶体结构、微观形貌和化学成分等特征，进一步深入理解材料的物理和化学性质，开发出可控性能的材料。
例如，在金属材料合金化研究中，通过热力学计算和实验研究，定制合金元素的含量和比例，获得具有优异机械和物理性能的金属合金材料。
金属冶炼中的热力学与动力学研究
案例三
要点一
总结词
新兴金属冶炼工艺包括钛、锆、铪等稀有金属的冶炼。
要点二
详细描述
在钛冶炼中，热力学与动力学研究对于了解四氯化钛制备 过程中的反应机理和速率至关重要。锆、铪等稀有金属的 冶炼工艺中，研究重点在于探索高效分离和提纯方法，以 降低生产成本和提高资源利用率。新兴金属冶炼工艺中的 热力学与动力学研究还涉及环境友好型工艺的开发，以降 低对环境的负面影响。
PART 05
案例分析
案例一：钢铁冶炼中的热力学与动力学研究
总结词
钢铁冶炼中的热力学与动力学研究主要关注高炉炼铁、平炉炼钢和电弧炉炼钢等工艺过程。
详细描述
在高炉炼铁过程中，热力学与动力学研究有助于了解铁矿石还原反应的机理和速率，优化反应条件，提高铁产量 和降低能耗。平炉炼钢和电弧炉炼钢中，研究重点在于熔池中元素迁移、相变和夹杂物形成等过程，以实现高效 、低耗和环保的冶炼目标。
热力学第二定律
熵增加原理，表示自发反 应总是向着熵增加的方向 进行，即熵是反应自发性 的度量。
热力学第三定律
绝对熵的概念，表示在绝 对零度时，系统的熵为零 。
金属冶炼过程中的热力学原理
1 2 3
熔化与凝固
热力学原理可以解释金属的熔化凝固过程，以 及这些过程中发生的相变和能量变化。
氧化与还原
热力学原理可以预测金属在冶炼过程中是否容易 被氧化或还原，以及如何控制反应条件以获得所 需的产物。
定义
金属冶炼是指通过一系列物理和 化学过程，从矿石或其他含金属 原料中提取和纯化金属的过程。
目的
金属冶炼的目的是为了获得高纯 度、高质量的金属，以满足工业 、科技和日常生活等领域的需要 。
金属冶炼的基本流程
冶金反应动力学(1)
第五章 冶金反应动力学基础
5.1 概述
（1）基本定义 （2）所属范畴 （3）应用实例 （4）参考书
2
所属范畴
冶金过程 动力学
3
定义与相关课程
化学反应动力学
均相内物质间
（均相）
反应机理与反应速度
Chemical kinetics
传输原理
物质（热量、动量、质量） 相内与相间传输
j Dc xx0
j
D
c'
(cs
cb)
当cb不随传质过程变化，cs又保持热力学平衡浓度， 这样就符合菲克第一定律的稳定扩散，简化了数学 处理过程。
31
（5) 传质系数 Mass transfer coefficient
考虑相间传质阻力集中在有效扩散边界层，
取：
kd
D
c'
有
Jkd(cscb)
传质方程，kd ---传质系数，cm/s。 32
n = (-A)+(-B)
反应级数
13
（5）速率方程解析
不可逆反应： AB
dcA dt
k
cAn
14
不可逆反应: n = 0, 1, 2
零级
n0, [c]cc0 kt c0ck,t cc0kt
一级 二级
n1 , ln c]c c0 [kt ln c0/(c)k,t ln c/c ()ln c0/(c)kt
气-固间传质系数
Sh kd L D
Re uL
Sc
D
(舍伍德准数 :Sherwood) (雷诺准数 ：Reynolds）
(施密特准数 ：Schmidt)
33
Sh, Re, Sc的关系
《冶金热力学基础》课件
推动新材料研发
通过研究金属及其化合物 的热力学性质，有助于发 现和开发具有优异性能的 新材料。
冶金热力学的发展历程
早期发展
冶金热力学起源于古代冶金实践 ，随着金属加工技术的发展而逐 步形成。
近代发展
20世纪以来，随着科学技术的进 步，冶金热力学在理论和实践方 面取得了重大突破。
现代发展
现代冶金热力学与计算机技术、 数值模拟等相结合，为冶金过程 的优化提供了强有力的支持。
金反应的平衡和过程方向具有重要意义。
03
冶金反应的平衡与过程
化学平衡
化学平衡的概念
化学平衡是化学反应进行到平衡状态时的一种动态平衡， 此时正、逆反应速率相等，反应物和生成物的浓度不再发 生变化。
化学平衡的建立
化学平衡是在一定条件下建立的，条件包括温度、压力、 浓度等。在冶金反应中，化学平衡的建立对于确定反应方 向、反应限度以及反应速率具有重要意义。
05
冶金热力学的应用实例
钢铁工业中的应用
钢铁生产过程中，冶金热力学提供了 高温反应过程的理论基础，如高炉炼 铁、转炉炼钢和连铸连轧等工艺流程 。
热力学原理在钢铁工业中用于优化工 艺参数、提高产品质量和降低能耗等 方面，例如通过热力学分析确定最佳 的炼钢温度和吹氧强度。
有色金属工业中的应用
在有色金属工业中，冶金热力学为铜 、铝、锌等金属的冶炼、电解和精炼 过程提供理论支持。
绿色冶金与资源循环利用
随着环保意识的提高，绿色冶金和资源循环利用成为冶金工业的重要发展方向。冶金热力学将在绿色冶 金和资源循环利用方面发挥重要作用，为节能减排和可持续发展提供理论支持。
对冶金工业的影响与贡献
提高冶金过程效率
冶金热力学对冶金过程的研究，有助于深入了解冶金反应的机理和 热力学性质，为优化冶金工艺未来发展方向
冶金物理化学第3章 吉布斯自由能变化(2.3MB)
Ja
2 a MnO a Si 2 a SiO 2 a Mn
a MnO
a SiO 2
造酸性渣
14
3.2 化学反应等温方程式
2.△G与△Gθ的区别
（2）应用
2 a MnO a Si 2 a SiO 2 a Mn
例3：反应：2[Mn]%+(SiO2)=[Si]%+2(MnO) 酸性渣: a SiO 1
5
3.2 化学反应等温方程式
1.基本概念
（2）等温方程式
G G RT ln J a
Ja
v ai i
ai
Pi Pi
Pi 气体： ，纯 i： id ： x i， 1， P 稀溶液： A， B (修正 ) x
在等温等压下，体系变化的自发性和限度的判据： △G>0 逆反应方向自发
8
3.2 化学反应等温方程式
2.△G与△Gθ的区别
（2）应用
G G RT ln J a
例1：用H2还原CrCl2制备金属Cr的化学反应。 CrCl2(s)+H2=Cr(s)+2HCl(g) 由热力学数据得: 若 T=298K
G [ 200900 132 .4(T / K )] J / mol
T
因为： H m H 0 C p dT
0
C p a bT CT 2
C p a bT CT 2
T 0
H 0 H m C p dT
H m ( aT
1
bT cT 3 ) 2 3
2
1
由热力学数据手册： H 298， a、 b、 c
炼钢过程中的冶金反应动力学和热力学模拟
炼钢过程中的冶金反应动力学和热力学模拟随着工业化的不断推进，钢铁工业也得到了快速的发展。
钢铁在世界工业中具有重要的地位，而炼钢过程是钢铁生产中最重要的环节之一。
炼钢过程涉及到多种冶金反应和热力学反应，这些反应的动力学和热力学模拟可以帮助我们更好地理解炼钢过程，提高钢铁生产的效率和质量。
炼钢过程中包括原料清理，高炉炼铁、炼钢等环节。
其中，炼钢是指将生铁转化为钢的过程，主要是通过钢水中的冶金反应来实现的。
因此，炼钢过程的冶金反应动力学模拟和热力学模拟成为了炼钢技术研究的热点问题。
冶金反应动力学模拟是指用数学方法研究冶金反应速率和反应机理的过程。
在炼钢过程中，冶金反应速率对钢铁生产的效率和质量都有着重要的影响。
研究冶金反应动力学可以帮助我们预测冶金反应的速率和机理，从而优化炼钢工艺，提高炼钢效率和产品质量。
冶金反应动力学模拟有多种方法，其中最常用的是基于微观动力学的热力学模拟方法。
这种方法将冶金反应考虑为一系列微观分子过程，通过建立反应机理的动力学方程，计算反应速率和反应通量。
另外，还有基于半经验公式的动力学模拟方法，该方法将反应机理视为多个元素反应、化学反应和物理反应之间的相互作用，通过实验数据和经验公式建立反应机理的动力学方程，计算反应速率和反应通量。
热力学模拟是指用数学模型计算反应前后的热变化及平衡态（如反应温度、反应生成物质的种类和量等）。
在炼钢过程中，热力学模拟可以帮助我们优化炉内的温度和化学成分，提高炼钢的效率和产品质量。
根据反应热学定律，我们可以利用热力学模拟来计算反应的热变化，从而维持炉内反应的平衡态，减少能源损失和产品残留物。
热力学模拟的方法也有多种，包括基于热力学基础数据的计算、基于相图和物相变化等。
其中，基于热力学基础数据的计算是最为常用的方法，该方法利用系统的热力学数据和物相结构信息，以系统的热力学平衡为基础，计算体系内各组分的相平衡条件，得出反应的热变化和平衡态。
此外，还有基于相图计算的热力学模拟方法，该方法基于相图和固相物的物相变化，提供了理论和实践的依据，帮助我们理解和优化炼钢的工艺条件和产品质量。
氧化物冶金技术的热力学及动力学研究进展
第 ２期
河北联 合大 学学 报 （自然 科学 版 ） Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｈｅ ｂ ｅ ｉ Ｕ ｎ ｉ ｔ ｅ ｄ Ｕｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ（ Ｎ ａ ｔ ｕ ｒ ａ ｌ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ Ｅ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ）
．
表 １ 利用夹杂物诱导晶 内铁索体的主要实例
夹 杂 物
过程或钢种
非调质钢
型钢、 厚板轧制
Ｍ ｎ Ｓ ； Ｍ ｎ Ｓ － Ｖ Ｎ； Ｖ（ Ｃ， Ｎ） Ｔ ｉ 。 Ｏ； Ｖ Ｎ； Ｔ ｉ ２ Ｏ ３ 一 Ｖ （ Ｃ， Ｎ） 一 （ Ｔ ｉ Ｎ — Ｍｎ Ｓ ） Ｔ ｉ Ｎ， Ｒ Ｅ Ｍ（ Ｏ， Ｓ ） － Ｂ Ｎ； Ｃ ａ （ ０， Ｓ ） ； Ｔ ｉ Ｎ — Ｍ ｎ Ｓ ； Ｔ ｉ Ｎ— Ｍｎ Ｓ 一 （ Ｃ， Ｂ ） ６ ； Ｔ ｉ ２ Ｏ ３ － Ｔ ｉ Ｎ － Ｍｎ Ｓ ； Ｃ ｕ Ｓ ； Ｍ ｎ Ｓ — Ｃ ｕ Ｓ ／Ｃ ｕ ２ ． Ｓ ； Ｔ ｉ Ｎ ・ Ｔ （ Ｃ， Ｎ）
对 夹杂物 形核 的影响 。 中图分 类 号 ： Ｔ Ｇ１ ４ ２ ． ２ ３ 文献标 志码 ： Ａ 从 氧化物 冶金技 术 ¨ 这 一概 念 的提 出到现 在 ， 得 到 了钢铁 学 术 界 和产 业 界 研 究 者 的广 泛关 注 和 重 视 ，
已成为钢铁材料细化晶粒 ， 改善组织 ， 同时提高强度和韧性的新方法 、 新技术。这一技术 的应用 已在某些领 域取得了重大的突破和进展 。比如－ ２ 引， 大线能量焊接热影响区组织性能改善 ， 大线能量焊接高强船板钢、 超 大型集装箱、 大型海洋平台结构用钢、 高级别管线钢、 汽车用非调质钢以及其它微合金钢的开发 和研制。基 于氧化物冶金技术的思想 ］ ， 要控制钢中夹杂物生成的种类 、 性状 （ 尺寸、 数量和分布） 以及 析出， 其热力学
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◆应用方法见李文超主编的《冶金与材料物理
冶金动力学 概述
七 冶金动力学中速率的表达方式 •以单位时间内反应物或生成物浓度的变化来 表示。 如反应 A+B￫AB 的速率
rA dC A dt
rB dCB dt
rAB dC AB dt
rA, rB, rAB---分别表示反应物A,B及生成物AB 的反应速率
•在气－固相反应中，有时也以固体物质的单位体积来 表示浓度：
dnA 1 rA dt VS dt dC A
dnA 1 rA dt S dt
dCA
由此可见，欲求反应速率，就必须求浓度对时间的变化率
冶金动力学 概述
• 高温冶金反应多半属于多相反应，例如 燃料的燃烧、金属的氧化、铁矿石的还 原、钢液的脱硫、脱磷等。 • 多相反应特征：在不同的界面上发生， 反应物要从相内部传输到反应界面，并 在界面处发生化学反应，生成物要从界 面处离开。
冶金动力学 概述
五 冶金动力学的研究方法（建立动力学模型 的方法）
◆建立动力学模型需要注意的几个问题。 ◆建立动力学模型的通用规则。
冶金动力学 概述
六 冶金动力学的数据库的应用
◆国外:
KINDAS
◆国内：IDMSKM
( Intelledualiged database management system on kinetics of metallurgy ) 化学》P358-372
冶金动力学 概述
•在均相反应中，浓度采用单位体积内物质的 量表示；
dnA 1 rA dt V dt dCA
•在流体与固体的反应中，以单位质量固体中 所含物质A的物质的量来表示浓度，则：
dnA 1 rA dt W dt dC A
冶金动力学 概述
在两流体间进行的界面反应，如渣－钢反应；或者气 －固界面反应，如高炉中CO还原铁矿石的反应。以界 面上单位面积S为基础，即用单位界面上所含的物质的 量来表示浓度，则：
冶金反应动力学基础*
一、化学反应动力学
核心内容：反应速率和反应机理 主要内容：各级反应速率方程，阿氏方程，有关计算 1．反应速率定义和反应速率方程 （1）反应速率定义 dnB νB B 化学反应：0 ，反应进度：dξ
物的化学计量系数不同，则以 各物质浓度随时间变化所表示的反应速率亦不 同。 物质浓度表示方法不同，在处理不同类型的反 应时，应该采用相应的反应速率表示方法。 以质量百分数表示时，如炼钢过程钢液的降 碳速率： θ
rA dCA dt d[w A /w ] dt
兰州理工大学研究生学位课程——冶金热力学及动力学
冶金动力学 概述
一 热力学的研究对象和局限性 ◆ 研究化学（冶金）反应的方向，
◆ 反应能达到的最大限度，
◆ 外界条件对反应平衡的影响。
热力学只能预测反应的可能性。
◆ 无法确定反应的速率， ◆ 无法了解反应的机理。
冶金动力学 概述
二 动力学的研究对象
冶金动力学 概述
三 冶金反应的类型 高温
特点：一高三多
◆均相反应
多相 多组分 多种传递方式并存
参与反应的各物质均处于同一个相内进 行化学反应。 ◆非均相反应 参与反应的各物质处于不同的相内进行 化学反应。
冶金动力学 概述
四 冶金过程动力学分类
◆微观动力学microscopic kinetics
化学反应动力学 ◆宏观动力学macroscopic kinetics 结合流体流动形式和反应器形状研究化 学反应速率和机理的科学
冶金动力学 概述
JA JA′
x传质方向
S
x 1 , c1
S
x 2 ,c 2
•传质过程的速率 J 扩散通量，单位时间通过单位截面的 质点数(质点数/s.cm2) 1 dn
JA S
A
dt
冶金动力学 概述
八 确定限制性环节的方法 (1)活化能法
• 基于温度对多相反应速率的影响来预测； • 一般情况下，界面化学反应活化能大于150～ 400kJ/mol；气相中组元的扩散活化能为4～13 kJ/mol； 铁液中组元的扩散活化能为17～85 kJ/mol；熔渣中组 元的扩散活化能为170～ 400kJ/mol。 • 当活化能E> 400kJ/mol，过程处于界面化学反应控制。 • 若E<150kJ/mol，过程位扩散传质所控制。
冶金动力学 概述
(2)浓度差法 • 当界面反应速率很快：同时有几个扩散环节存 在时： – 其中相内与界面浓度差较大者为限制环节； – 各环节的浓度差相差不大，则同时对过程起 作用。 • 如果在界面附近不出现浓度差或浓度差极小， 则说明过程处于界面化学反应控制之中。
冶金动力学 概述
(3)搅拌法 • 如果温度对反应速率影响不大，而增 加搅拌强度，则使反应速率迅速增大， 这就说明扩散传质是限制环节。
◆ 化学（冶金）反应的速率
◆ 化学（冶金）反应的机理（历程）
◆ 温度、压力、催化剂、溶剂及其它外界因素
对反应速率的影响
热力学的反应可能性变为现实性。
H 2 1 2O2 H 2O( l ) 点火，加温或催化剂
C + O2 = CO2(g)
点火，加温
冶金动力学 概述
•扩散与传质过程比化学反应慢，往往构成 冶金反应的限制环节。因此，冶金动力学 研究必然涉及动量传递、热量传递和质量 传递等问题。 •目的：找出影响反应速率因素，选择合适 的反应条件，控制反应使之按照人们期望 的速率进行。
冶金动力学 概述
九 界面反应和吸附 • 在冶金反应过程中：反应物由相内传输到界 面，往往是先发生吸附，再进行活性反应然 后生成物经脱附后离开反应界面。 • 在一些情况下，吸附和脱附亦可能成为限制 环节。
物理吸附：分子间力，吸附力较弱，随温度升高吸 附量减少。多分子层吸附，无选择性。 化学吸附：化学键力，单分子层吸附，有选择性。 （有时把化学吸附作为化学反应处理）
► 研究生学位课程
冶金热力学及动力学 Metallurgical Thermodynamics and kinetics
兰州理工大学
兰州理工大学研究生学位课程——冶金热力学及动力学
第六章 冶金动力学基础
1 2 1 3 4 1
6.1 6.2 6.3 6.4
概述 冶金反应动力学基础 扩散及其应用 流体中的传质及相际传质