第六章 冶金过程动力学应用.ppt

脱氧与脱碳 根据化学反应 [C]+[O]=CO(g) lgKCO =1168/T+2.07 W:钢液量，吨。 * --- 高碳、中碳钢 ( 碳含量变化很小视为常数） / m3 * --- 低碳钢 ( 氧含量变化很小视为常数） /m3 * 脱氢 / Dehydrogenation 钢液中 H 扩散系数较大，α=1。 pH2 -- - 气泡内氢压力，Pa； M[H] -- - 氢摩尔质量，kg/mol; ω[H]--- 钢液中氢质量分数。 * 脱氢与吹氩的关系 /m3 * 脱碳与脱氢的关系 * 真空脱气 / Vacuum degassing 气体原子在钢液表面，由原子态变成分子态后逸出。 * 脱气步骤 （1）金属液内气体原子通过对流和扩散迁移到金属液面; （2）在金属液或气泡表面上发生界面化学反应, 生成气体分子。 （3）气体分子通过气体边界层扩散进入气相, 或被气泡带入气相。 * 动力学方程 A?表面积; c A?钢液内部浓度; csA?气液界面处的浓度。 * 浓度与时间的关系 式中 V?钢液的体积。 式中cA0、cA?钢液的原始浓度及真空处理t时 该元素的浓度。 * 生核频率 假定单位炉底面积上的生核频率和氧的过饱和值成正比 ： 一个气泡的体积： * 单位炉底产生的CO体积 这一结论与电炉大体相符，金(T.King)从30t电炉的生产数据，得出脱碳速率与?O的2.2次幂成正比。 * 非均相形核Heterogeneous nucleation p附=p静 (活性孔隙) p静＝?lgh h * 气泡形成过程 p附，p静方向一致 pco pmax * 气泡形成压力变化 * 脱碳反应动力学步骤 （１）碳和氧扩散到CO气泡表面； （２）在CO气泡表面发生反应： （３）生成的CO气体扩散到气泡内部，使气泡长大并上浮。 * 控速环节 / Rate controlling step （1）碳和氧扩散到CO气泡表面； （2）在CO气泡表面发生反应： （3）生成的CO气体扩散到气泡内部，使气泡长大并上浮。 Dg比Dl约大5个数量级 pCO = pCO,s 化学反应处于 平衡状态 控速环节 钢液边界层扩散 * 对于中、高碳钢液 碳和氧向CO气泡表面扩散； 碳扩散 氧扩散 cCs=cCb （控速环节） c (mol·m-3) = * 单个球冠状气泡 Vm---气泡中1 mol CO的体积。 H?0.5r * 传质系数求法 取：雷诺数1000 韦伯数18 奥特斯数40 （斯托克斯公式） * 1mol CO气泡体积 * 球冠表面积 * 气泡长大 * CO 溢出时气泡半径 x = h时： * 转换 ?w[O] =w[O]-w[O]s ; T=1873K; R = 8.314 J·(mol.K)-1; D=5?10-9 m2·s-1; g = 9.8 m·s-2; ? = 7.2?103 kg·m-3; pg =1.013×105 Pa。 * r = f ( h, ?w[O ]) ?w[O] =w[O]b-w[O]s T=1873K; R = 8.314 J·(mol.K)-1; D=5?10-9 m2·s-1; g = 9.8 m·s-2; ? = 7.2?103 kg·m-3; pg =1.013×105 Pa。 * 气泡冶金 钢包吹氩是一个常用的钢液净化方法。 人们关心把钢中氧、氢含量降到一定值时，需要鼓入多少氩气？鼓入的氩气量与碳含量有什么关系？ 这里我们可以通过动力学原理进行预测。 * 不同状态下气体转换 * 吹氩脱气过程De-N,-H,-O,-C process by argon blowing * 脱气动力学步骤 （1）氧、碳、氢等穿过钢液边界层扩散到气泡表面： [O]?[O]s, [C]?[C]s， [H]?[H]s, [N]?[N]s等 （2）在Ar气泡表面上发生化学反应: [O]s＋[C]s?[CO]s，2[H]s ?H2, 2[N]s ?N2, 等 （3）生成的气体从气泡表面扩散到气泡内部，并随 　　气泡上浮排出。 * 控制环节 （1）氧、碳、氢等穿过钢液边界层扩散到气泡表面： [O]?[O]s