固-液反应动力学.pdf

固固--液反应动力学液反应动力学 USTB 冶金与生态工程学院 April, 2014 3.5 固/液反应动力学 固/液反应是指发生在固相与液相之间的反应。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、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。如合金凝固过程中界面晶体的生长的形状及凝固后成品的宏观 偏析和凝固速率有关。此外，像区域熔炼提纯金属这样一些工艺流 程等要考虑凝固速率的影响。 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。另一方面，抗渣侵蚀的研究也是研制新 型耐火材料的重要内容。耐火材料和熔渣的相互作用是典型的固/液 反应。这类过程一般也都包括化学反应及传质的步骤。界面化学反 应和传质过程的规律通常也都适用于熔渣中耐火材料溶解过程动力 学的研究。 USTB 冶金与生态工程学院 April, 2014 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。 氧化镁质耐火材料是各种碱性炉的主要炉衬材料。 3.5.1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。下图是常用的耐火材料 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，即符合抛物线方程 R kt1/2。 USTB 冶金与生态工程学院 April, 2014 实际结果表明，若在液相中存 在自然对流或强制对流，溶解 会加速。 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 1-气体入口; 2-橡皮塞；3-持样杆; 烈地溶解。这可以由界面处的 4-高温炉; 5-样棒；6-熔渣；7-热 液相表面张力作用引起自然对 电偶; 8-耐火材料衬管；9-坩埚; 流，从而加速溶解过程来解释。 10-气体出口 动态实验还可以用耐火材料圆 盘，在