第2章 冶金动力学基础
冶金动力学(1)-10
绪论
•氧化物（球团）还原过程动力学； 氧化物（球团）还原过程动力学； 氧化物 •冶金反应器中的混合、流动和传质。 冶金反应器中的混合、流动和传质。 冶金反应器中的混合
化学反应动力学
§1 化学反应速率与浓度关系
1.1基元反应 基元反应 一个化学反应方程式仅仅表示反应的初态和末态， 一个化学反应方程式仅仅表示反应的初态和末态，即只表明反应的 原始物是什么，产物是什么以及反应的计量系数。 原始物是什么，产物是什么以及反应的计量系数。至于反应的机理如 由反应物变为产物的过程中，要经过什么步骤， 何，由反应物变为产物的过程中，要经过什么步骤，这从反应式是看 不出来的。 不出来的。 事实上，化学反应一般多是由若干个简单步骤－基元反应组成的。 事实上，化学反应一般多是由若干个简单步骤－基元反应组成的。 基元反应： 基元反应：如果反应物分子在相互作用或碰撞时一步就直接转化成产 则该反应称为－基元反应。 物，则该反应称为－基元反应。 如反应物分子要经过两个或两个以上步骤才能转化为产物， 如反应物分子要经过两个或两个以上步骤才能转化为产物，则为非基 元反应。 元反应。
1 CA
1 1 = + kt C A C A0
t
t1/ 2
1 = kC A0
特征
化学反应动力学
Ⅱ)
A + B k C →
0 x CA0-x CB0-x
t＝0 CA0 CB0 ＝ t=t
dx r= = kC AC B = k (C A 0 − x)(C B0 − x) dt
(C A0 − x)C B0 1 ln = kt C A0 − C B0 (C B0 − x)C A0
冶金过程动力学（Ⅰ） 冶金过程动力学（
绪论
1.冶金动力学研究的目的、意义和内容 冶金动力学研究的目的、 冶金动力学研究的目的
《冶金过程动力学》课件
汇报人：PPT
CONTENTS
PART ONE
PART TWO
冶金过程动力学是一门研究冶金过程中物理化学反应速率和反应机理的学科 冶金过程动力学涉及到金属和合金的制备、加工、使用和回收等过程中的物理化学变化 冶金过程动力学的研究目的是为了优化冶金过程，提高产品质量和降低成本 冶金过程动力学的研究方法包括实验研究、理论分析和数值模拟等
钢铁冶金过程动力学在炼钢中的应用：介绍钢铁冶金过程动力 学在炼钢过程中的具体应用，包括转炉炼钢、电弧炉炼钢和炉 外精炼等。
钢铁冶金过程动力学在连铸和轧制中的应用：介绍钢铁冶金过 程动力学在连铸和轧制过程中的具体应用，包括连铸坯质量控 制、轧制工艺优化等。
钢铁冶金过程动力学在节能减排中的应用：介绍钢铁冶金过程 动力学在节能减排方面的应用，包括提高能源利用效率、降低 污染物排放等。
资源短缺：随着矿产资源的不断开 采，资源短缺问题日益严重，需要 寻找新的替代材料和工艺。
市场需求变化：随着市场需求的不 断变化，冶金产品需要不断更新换 代，满足客户的需求。
冶金过程动力 学前沿技术
面临的挑战与 解决方案
未来发展趋势 预测
未来研究方向 建议
汇报人：PPT
性和可靠性。
单击添加标题
模型优化方法：通过对模型 参数的调整、改进模型结构 等方式对模型进行优化，提 高模型的预测精度和实用性。
单击添加标题
模型验证与优化的关系：模 型验证是模型优化的基础， 只有经过验证的模型才能进 行优化；而模型优化则可以 进一步提高模型的预测精度 和实用性，为实际生产提供
更好的指导。
冶金过程动力学定义 冶金过程动力学研究目的 冶金过程动力学研究方法 冶金过程动力学研究意义
物理冶金基础-第二-三章
第三章 位错
3.5 位错理论的应用
3.5.1 位错与溶质原子的交互作用
B 弹性交互作用（还有化学、电化学、几何交互作用）
设溶剂原子(半径为r)被溶质(r’)取代，应变ε =(r’-r)/r,处于位错的应力场σrr ，溶 质原子处于位错的位置为(R, α ),则：
rr
Gb sin 2 (1 ) R
第三章 位错
3.4 实际晶体中的位错
3.4.1 实际晶体位错存在的基本要求
A 结构上的要求
位错的柏氏矢量必须是连接一个原子的平衡位置到另一个原子的平衡 位置。 简单立方晶体中柏氏矢量等于点阵矢量；在复杂晶体结构中，如bcc. fcc ,fcp,柏氏矢量不一定等于点阵矢量。 分类：全位错-b=na 单位位错- b=na 不全位错-b≠na 部分位错- b<a B 能量上的要求 位错的能量与不b2成正比，柏氏矢量越小越好。高能量的位错不稳定，可通过位错 反应分解为能量较低的位错组态，如：b12>b22+b32,b1→b2+b3
第二章 空位
2.2 空位形成
空位（vacancy）特性
晶体结构中本应由质点正常 占有的位置,实际上缺失了 质点而留下的空位。 是一种点缺陷 晶格点缺陷有三种： 1）空位； 2）间隙原子；3）置换原子。 是热力学平衡过程 当温度升高时，集团原子的平均热能加大，导致全局平均 振幅加大，因此，由于振动而能脱离金属键结合的原子数量 增大，空位浓度增大。反之亦反。
实际晶体中存在位错的柏氏矢量限于少数最短的点阵矢量。
第三章 位错
3. 4 实际晶体中的位错
3.4.2 典型晶体中的位错
A fcc
最短点阵矢量，[1/2,1/2,0],a/2<110>,长度为b=√2/2 a<a 次短点阵矢量， a<100>, b=a, 能量分析，单位位错为 a/2<110>,
冶金反应动力学基础
(3-8)
即 nA = nA0 (1 − f A ) 。所以
JA
= − d (nA /V0 ) dt
= − d (nA0 (1 − f A ) /V0 ) dt
=
n A0 V0
df A dt
= CA0
df A dt
(3-9)
二、 质量作用定律 一定温度下的反应速率，与各个反应物的浓度的若干次方成正比。对基元反
流体中分子扩散的物质流为：
46
第三章 冶金反应动力学基础
47
J i = −DgradC 流体带动质点迁移的物质流为：
（3-36）
→→
Ji = vC
（3-37）
→
式中 v 为流体流速。所以对流扩散的总物质流为：
→
J = −DgradC + v C
（3-38）
如果在对流扩散中有化学反应存在，即在对流传质过程中出现物质的消耗或 积累，这时的对流方程还应增加化学反应影响项。
动量传输服从 Newton 方程
τ xy
=
−η ∂vy ∂x
（3-39）
式中η为动粘度系数（g/cm·s）。运动粘滞系数为γ=η/ρ（cm2/s）。 热量传输服从 Fourier 定律：
qx
=
−λ
∂T ∂x
（3-40）
式中λ为导热系数（W/cm·℃）。导温系数为α=λ/ρCp（cm2/s）。
质量传输服从 Fick 定律：
k
=
k0
exp(−
ER RT
)
(3-11)
44
第三章 冶金反应动力学基础
45
3．3 冶金反应动力学基础
在同一相内进行的反应称为均相反应，而在不同相间发生的反应则称为多相 反应。高温冶金反应多半是在炉气、熔渣、金属之间进行的，属于多相反应多相 反应的特征是反应发生在不同的相界面上，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，而生成物要从界面处离开。
02液态金属的凝固理论基础-第2章 液态金属(合金)凝固热力学和动力学
二、形核率
形核率： 形核率：是单位体积中、 是单位体积中、单位时间内形成的晶核数目。 单位时间内形成的晶核数目。
− ∆G A I = C exp KT − ∆G ∗ exp KT
I
式中， 式中，ΔGA为扩散激活能 。 →∞，I → 0 ; ΔT→0时，ΔG*→∞， ΔT 增大， 增大，ΔG* 下降， 下降，I 上升。 上升。 对于一般金属， 对于一般金属，温度降到某一程 度，达到临界过冷度（ ），形核 达到临界过冷度（ΔT*），形核 率迅速上升。 率迅速上升。 计算及实验均表明: ΔT*～0.2Tm
T K 0＜ 1
T
*
K
0
C = C
∗ S ∗ L
C 0K 0
K0 的物理意义： 对于K0＜1， K0越小， 越小，固相线、 固相线、液相线张开 程度越大， 程度越大，固相成分开始结晶时与终了结晶 时差别越大， 时差别越大，最终凝固组织的成分偏析越严 重。因此， 因此，常将∣ 常将∣1- K0∣称为“偏析系数”。
ERROR: rangecheck OFFENDING COMMAND: string STACK: 66038 33018 32512 33019
第2章 液态金属（ 液态金属（合金） 合金）凝固热力学 和动力学
凝固是物质由液相转变为固相的过程，是液态成形技
术的核心问题， 术的核心问题，也是材料研究和新材料开发领域共同 关注的问题。 关注的问题。 严格地说， 严格地说，凝固包括： 凝固包括：
（1）由液体向晶态固体转变（结晶） 结晶） （2）由液体向非晶态固体转变（玻璃化转变） 玻璃化转变）
• 一、非均质形核形核功 • 二、非均质形核形核条件
一、 非均质形核形核功
钢铁冶金与材料科学作业指导书
钢铁冶金与材料科学作业指导书第1章钢铁冶金基础理论 (4)1.1 冶金反应热力学基础 (4)1.1.1 热力学基本概念 (4)1.1.2 热力学第一定律 (4)1.1.3 热力学第二定律 (4)1.1.4 冶金反应热力学基本方程 (4)1.2 冶金反应动力学基础 (4)1.2.1 反应速率与反应机理 (5)1.2.2 动力学方程 (5)1.2.3 冶金反应动力学参数 (5)1.2.4 反应速率与过程控制 (5)1.3 金属结构与功能关系 (5)1.3.1 金属晶体结构 (5)1.3.2 金属键与金属特性 (5)1.3.3 合金相与相图 (5)1.3.4 金属强化机制 (5)1.3.5 金属疲劳与断裂 (5)第2章矿石与原材料 (5)2.1 矿石的性质与评价 (5)2.1.1 矿石的物理性质 (6)2.1.2 矿石的化学成分 (6)2.1.3 矿石的评价指标 (6)2.2 炼铁原料及其选择 (6)2.2.1 铁矿石 (6)2.2.2 燃料 (6)2.2.3 熔剂 (6)2.3 炼钢原料及其选择 (6)2.3.1 铁水 (6)2.3.2 废钢 (6)2.3.3 造渣料 (7)2.3.4 合成渣 (7)2.3.5 脱氧剂和合金料 (7)第3章烧结与球团工艺 (7)3.1 烧结工艺及其设备 (7)3.1.1 烧结工艺原理 (7)3.1.2 烧结工艺流程 (7)3.1.3 烧结设备 (8)3.2 球团工艺及其设备 (8)3.2.1 球团工艺原理 (8)3.2.2 球团工艺流程 (8)3.2.3 球团设备 (9)3.3 烧结球团矿的质量评价 (9)第4章炼铁工艺 (9)4.1 高炉炼铁原理 (9)4.1.1 高炉炼铁反应过程 (9)4.1.2 影响高炉炼铁的因素 (9)4.2 高炉操作与控制 (10)4.2.1 炉料布料 (10)4.2.2 送风制度 (10)4.2.3 炉渣控制 (10)4.2.4 热制度 (10)4.3 高炉煤气净化与利用 (10)4.3.1 高炉煤气净化 (10)4.3.2 高炉煤气利用 (10)4.3.3 煤气净化与利用设备 (10)第5章炼钢工艺 (11)5.1 转炉炼钢原理 (11)5.1.1 熔化期 (11)5.1.2 氧化期 (11)5.1.3 精炼期 (11)5.2 电炉炼钢原理 (11)5.2.1 熔化期 (11)5.2.2 氧化期 (11)5.2.3 精炼期 (11)5.3 精炼与连铸工艺 (11)5.3.1 精炼工艺 (12)5.3.2 连铸工艺 (12)第6章钢的铸造与轧制 (12)6.1 钢的铸造工艺 (12)6.1.1 铸造概述 (12)6.1.2 铸造方法 (12)6.1.3 铸造工艺参数 (12)6.2 钢的轧制工艺 (13)6.2.1 轧制概述 (13)6.2.2 轧制方法 (13)6.2.3 轧制工艺参数 (13)6.3 钢的热处理工艺 (13)6.3.1 热处理概述 (13)6.3.2 常见热处理工艺 (13)6.3.3 热处理工艺参数 (13)第7章钢铁材料功能与检测 (13)7.1 钢铁材料的力学功能 (14)7.1.1 强度 (14)7.1.2 塑性 (14)7.1.3 硬度 (14)7.1.5 疲劳功能 (14)7.2 钢铁材料的物理功能 (14)7.2.1 热功能 (14)7.2.2 电功能 (14)7.2.3 磁功能 (14)7.3 钢铁材料的化学功能 (15)7.3.1 耐腐蚀功能 (15)7.3.2 耐氧化功能 (15)7.4 钢铁材料的检测方法 (15)7.4.1 宏观检测 (15)7.4.2 力学功能检测 (15)7.4.3 物理功能检测 (15)7.4.4 化学功能检测 (15)7.4.5 微观结构分析 (15)第8章钢铁材料的应用与选择 (16)8.1 建筑用钢铁材料 (16)8.1.1 钢筋 (16)8.1.2 型钢 (16)8.1.3 钢板 (16)8.2 机械用钢铁材料 (16)8.2.1 碳素结构钢 (16)8.2.2 合金结构钢 (16)8.2.3 不锈钢 (16)8.3 耐热耐腐蚀钢铁材料 (16)8.3.1 耐热钢 (17)8.3.2 不锈钢 (17)8.3.3 耐酸钢 (17)8.4 特殊功能钢铁材料 (17)8.4.1 永磁钢 (17)8.4.2 形状记忆合金 (17)8.4.3 磁悬浮材料 (17)8.4.4 超导材料 (17)第9章钢铁冶金环境保护与节能减排 (17)9.1 钢铁冶金过程中的污染与治理 (17)9.1.1 污染源分析 (17)9.1.2 污染治理技术 (18)9.2 钢铁企业节能减排技术 (18)9.2.1 能源优化配置 (18)9.2.2 节能技术 (18)9.2.3 减排技术 (18)9.3 绿色钢铁冶金发展趋势 (18)9.3.1 绿色制造 (18)9.3.2 循环经济 (18)9.3.4 环保技术研发与创新 (19)第10章钢铁冶金新技术与发展趋势 (19)10.1 智能制造与自动化技术 (19)10.1.1 智能炼钢 (19)10.1.2 自动化铸造 (19)10.1.3 在钢铁生产中的应用 (19)10.2 低碳技术与绿色冶金 (19)10.2.1 低碳冶炼 (19)10.2.2 能源回收与利用 (20)10.2.3 环保技术 (20)10.3 新型钢铁材料研究与发展 (20)10.3.1 高功能钢铁材料 (20)10.3.2 特殊功能钢铁材料 (20)10.4 钢铁冶金行业国际化趋势与挑战 (20)10.4.1 市场竞争 (20)10.4.2 国际合作 (20)10.4.3 技术交流 (20)第1章钢铁冶金基础理论1.1 冶金反应热力学基础1.1.1 热力学基本概念本节主要介绍热力学中的一些基本概念，包括系统、状态、过程、能量、熵等，并解释它们在钢铁冶金过程中的意义和作用。
《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，
《焊接冶金学——基本原理》教学课件 第二章
熔渣
埋弧焊、电渣焊、不含造气成分的焊条和药芯焊丝焊接
气体
熔渣和气体 真空 自保护
气焊、在惰性气体和其他保护气体(如CO2、混合气体)中焊接
具有造气成分的焊条和药芯焊丝焊接 真空电子束焊接 用含有脱氧、脱氮剂的所谓自保护焊丝焊接
表2-2 熔焊方法的保护方式
2.1.1 焊接过程中对金属的保护
各种保护方式的保护效果是不同的。例如,埋弧焊是利用焊剂及其熔化 以后形成的熔渣隔离空气保护金属的,焊剂的保护效果取决于焊剂的粒度 和结构。多孔性的浮石状焊剂比玻璃状的焊剂具有更大的表面积,吸附的 空气更多,因此保护效果较差。试验表明,焊剂的粒度越大,其松装密度(单位 体积内焊剂的质量)越小,透气性越大,焊缝金属中含氮量越高,说明保护效果 越差(见表2-3)。但是不应当认为焊剂的松装密度越大越好。因为当熔池 中有大量气体析出时,如果松装密度过大,则透气性过小,将阻碍气体外逸,促 使焊缝中形成气孔,使焊缝表面出现压坑等缺欠,所以焊剂应当有适当的透 气性。埋弧焊时焊缝的含氮量一般为0.002%~0.007%(质量分数),比焊条 电弧焊的保护效果好。
180
20~40
伸长率(%)
25~30
5~10 冲击吸收能量/J 117.6 3.92~19.6
表2-1 低碳钢无保护焊时焊缝的性能 2.保护的方式和效果
事实上,大多数熔焊方法都是基于加强保护的思路发展和完善起来的。迄 今为止,已找到许多保护材料(如焊条药皮、焊剂、药芯焊丝中的药芯、保护 气体等)和保护手段(见表2-2)。
550 800 1000 1200
3800 3000 2500 2000
0.0094 0.0043 0.0022 0.0022
表2-3 中锰高硅低氟焊剂(HJ331)的松装密度与焊缝含氮量的关系
冶金热力学及动力学
◆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：