高温冶金实验PPT课件

1、2冶金工程实验技术- 高温冶金实验电阻炉结构 根据用途不同，实验室用的电阻炉，有竖式或卧式管状炉、箱式炉等，其基本结构大致相同。如图竖式电阻炉的结构，主要由以下6部分组成： (1)电热体 (2)电源引线 (3)炉管 (4)炉壳 (5)炉衬。 (6)支架第1页/共89页2冶金工程实验技术- 高温冶金实验电热、 电热体分为金属和非金属两类，以下分别介绍。 (1)(1)金属电热体 金属电热体通常制成丝状，缠绕在炉管上作为加热元件，常用的电热丝有： 铬镍合金丝可在1000以下的空气环境条件下长期使用。 铁铬铝合金丝使用温度在1200以下，可以在氧化气氛下（空气）使用 。 铂丝和铂铑丝铂丝使用温度在14

2、00以下，铂铑则可用到1600。 能在氧化气氛（空气）中使用。 钼丝Mo的熔点高，长期使用温度可达1700，但Mo在高温氧化气氛中可生成氧化钼升华，因而仅能在高纯氢、氨分解气或真中使用。第2页/共89页2冶金工程实验技术- 高温冶金实验(2) 非金属电热体 非金属电热体通常做成棒状或管状，作为较高温度的加热元件，常用的非金属电热体有如下三种： 硅碳电热体SiC电热元件在氧化气氛下能在1400以下长期工作，右图是不同形状的SiC电热元件，棒状SiC常用于箱式电阻炉（也称为马弗炉），管状SiC用于管式电阻炉。硅钼电热体 MoSi2电热元件一般做成I或U型，如图所示。这种电热体可在氧化气氛中1700

3、以下使用。石墨电热体 石墨通常加工成管状，用于碳管炉（也称为汤曼炉）电热元件，也可做成板状或其它形状。石墨电热体在真空或惰性气氛中使用温度可达2200，一般在1800以下使用。石墨耐急冷急热，配用低电压大电流电源，能快速升温。但石墨在高温下容易氧化，需在保护气氛（Ar、N2）中使用。第3页/共89页2冶金工程实验技术- 高温冶金实验第4页/共89页2冶金工程实验技术- 高温冶金实验感应炉 无芯感应炉是利用电磁感应在被加热的金属内部形成感应电流来加热和熔化金属的，感应炉的基本电路如图所示 。 感应线圈是用铜管绕成的螺旋形线圈，铜管通水进行冷却。交变电流通过感应线圈时使坩埚中的金属料因电磁感应而产

4、生电流。感应电流通过坩埚内的金属料时，产生热量，可将金属熔化。 第5页/共89页2冶金工程实验技术- 高温冶金实验根据电流频率，感应炉可分为以下三种：（1 1）工频感应炉 工频感应炉是以工业频率的电流（50或60赫兹）作为电源的感应电炉。国内工频感应炉的容量为0.520吨。它是一种用途比较广泛的冶炼设备。（2 2）中频感应炉 所用电源在150 10000赫兹范围内的感应炉称为中频感应炉。中频炉的容量可以从几公斤到几吨。中频炉的电源设备有中频发电机和可控硅变频器。中频炉的应用非常广泛，大部分冶金实验室都配备有5150公斤的中频炉。 (3) (3) 高频感应炉 高频感应炉使用的电源频率在10 30

5、0千赫兹，所用电源为高频 电子管振荡器、可控硅变频器或高频发电机，以产生高压高频率交流电供高频炉使用。高频炉受电源功率限制，主要用于实验室。作为科研试验用的高频炉容量通常仅有几百克。高频感应炉的电源设备复杂，工作电压高，安全性差，这种炉子逐步被中频感应炉所代替。第6页/共89页2冶金工程实验技术- 高温冶金实验（4 4）真空感应炉 真空感应炉是用来进行真空冶炼的设备。真空炉的电源设备与中频感应炉基本相同。真空炉的感应圈和坩埚部分被放在能够密封的炉壳内（如图），由真空泵抽气后，真空度可达到1.34-0.134Pa范围内。国产真空感应炉容量为101500公斤。真空炉的设备和操作都比较复杂，可以在真

6、空下加料、取样和铸锭，一般仅在进行特殊要求的钢种试验时才使用。第7页/共89页2冶金工程实验技术- 高温冶金实验电磁感应电磁感应原理-麦克斯韦电磁理论tIimAsin)120sin(tIimB)120sin(tIimC第8页/共89页2冶金工程实验技术- 高温冶金实验电磁感应三相电流产生的旋转磁场第9页/共89页2冶金工程实验技术- 高温冶金实验电磁感应第10页/共89页2冶金工程实验技术- 高温冶金实验电磁感应第11页/共89页2冶金工程实验技术- 高温冶金实验电磁感应 在电磁力的作用下，坩埚内已熔化的钢液将产生运动（电磁搅拌）。钢液的运动可带来一些有益和有害的作用。有益作用有： 均匀钢液温

7、度； 均匀钢液成份；改善反应动力学条件。有害作用有：冲刷炉衬，加剧炉衬侵蚀；增加空气中氧对钢液的氧化； 将炉渣推向坩埚壁，使壁厚增 加，降低了电效率。 使钢液产生电磁搅拌的电磁力大小可由下式计算： 式中： P炉料吸收的功率，W f 电流频率，Hz K常数 电磁搅拌的强弱与电流频率的平方根成反比。f/KPF 第12页/共89页2冶金工程实验技术- 高温冶金实验其它高温炉等离子电弧炉 等离子炉是用电弧放电加热气体以形成高温等离子体作为热源进行熔炼或加热的电炉。 等离子电弧炉由等离子枪、炉体及直流电源三部分组成。当气态原子获得一定能量时，其最外层电子脱离原子核的吸引成为自由电子。而原子则成为正离子。

8、这种现象叫做气体的电离。自由电子、正离子以及气体的原子和分子等组成的混合体叫做等离子体。 用于产生等离子体的装置称为等离子发生器，也叫等离子枪。当气体（常用Ar气）通过等离子枪内电弧区时，被电离成等离子体，从喷口高速喷出，喷出后等离子体又极快复合成分子状态而放出能量。氩弧等离子流的温度能达2万以上。 等离子电弧炉 1-等离子发生器;2-炉顶密封部分; 3-底部电极; 4-倾出口第13页/共89页2冶金工程实验技术- 高温冶金实验等离子体发生器有两种 ：(a) 一种是等离子枪中只有一 个负电极，而正电极是用被加热和熔化的金属充当，这种方式称为转移弧。 (b)另一种是发生器本身就具有 正负两极，极

9、间产生电弧， 这种电弧又被等离子气体带 出形成等离子体火炬，这种方式称为非转移弧； 转移弧等离子炉可用于金属熔炼;非转移弧炬亦称为等离子体气体加热器，可用于加热气体或加热金属和钢液。第14页/共89页2冶金工程实验技术- 高温冶金实验电子束炉 电子束加热的原理将是高速电子流轰击被加热金属表面，将它的动能转化为热能，从而金属被加热、熔化并流入水冷铜模内。 熔炼是在10-1 10-3Pa的高真空下的水冷铜坩埚（结晶器）内进行的，可以有效地避免金属液被耐火材料污染，因此电子束熔炼为一些金属材料，特别是难熔金属提供了一种有效地精炼手段。在实验室里，电子束加热已成功的用来区域精炼金属和生产单晶。 第15

10、页/共89页2冶金工程实验技术- 高温冶金实验悬浮熔炼炉 悬浮熔炼炉又称为无坩埚熔炼炉，如图所示。 当悬浮线圈通入交流电后就会产生一个磁场，如果有一个导体（金属试样）在这个高频磁场中，由于感应作用在金属内部产生感应电流，同时也产生一个磁场，其方向与悬浮线圈产生的磁场相反，从而产生一个斥力使导体悬浮于空间。 悬浮熔炼可以避免坩埚材料产生的污染，主要用于实验室的小型纯金属熔炼研究，也可用于冶金反应平衡研究。第16页/共89页2冶金工程实验技术- 高温冶金实验第17页/共89页2冶金工程实验技术- 高温冶金实验冷坩埚熔炼炉 冷坩埚熔炼是一种采用水冷分瓣铜坩埚对物料进行真空感应熔炼的方法。典型的冷坩埚

11、熔炼炉结构如图所示。 铜坩埚分瓣的目的是为了避免导电的坩埚对电磁场产生屏蔽作用； 水冷的目的是为了使坩埚壁温度保持在冷态，避免熔池中熔料与坩埚发生物理和化学反应。第18页/共89页2冶金工程实验技术- 高温冶金实验2.2 温度的测量 在冶金高温实验中，准确的温度测量和控制是必不可少的。测量温度的方法分二类 接触式测温（如热电偶）-温度传感元件要紧靠被测物体或直接置于温度场中； 非接触式测温（如光学高温计）-利用被测物体的热辐射或辐射光谱分布随温度的变化来测量物体温度的。第19页/共89页2冶金工程实验技术- 高温冶金实验热电偶热电偶的工作原理 在一个由两种不同金属导体A和B组成的闭合回路中，当

12、此回路的两个接点保持在不同温度t1和t0时 ,只要两个接点有温差，回路中就会产生电流，即回路中存在一个电动势，这就是“赛贝克温差电动势”，简称“热电势” 第20页/共89页2冶金工程实验技术- 高温冶金实验第21页/共89页2冶金工程实验技术- 高温冶金实验 由导体A、B可组成一对热电偶。接点1焊接在一起，工作时将它置于被测温的场所，故称为工作端（热端）。接点2要求恒定在一定温度下，称为自由端（冷端）。常用的标准热电偶有：热电偶名称 极性 化学成分 使用温度() 长期 短期铂铑10-铂 Pt90%，Rh10% 1300 1600 PtRh10-Pt Pt100% 铂铑30-铂铑6 Pt70%，

13、Rh30% 1600 1800PtRh30-PtRh6 Pt94%，Rh6%第22页/共89页2冶金工程实验技术- 高温冶金实验辐射温度计 用来测量热辐射体的辐射通量，并按温度单位分度输出信号的仪表，通称为辐射温度计。如光学高温计、红外温度计和比色高温计等。辐射温度计是非接触式测温。以下介绍光学高温计 光学高温计是由望远镜与测量仪表连在一起的整体型测温仪器。常用的灯丝隐灭式光学高温计的示意图如图。第23页/共89页2冶金工程实验技术- 高温冶金实验 用光学高温计测温时，是基于比较被测物体的亮度和光学高温计灯丝的亮度。 （a）当灯丝的亮度较被测物体低时，灯丝发黑； （c）当灯丝亮度高于被测物体时

14、，灯丝发白； （b）当灯丝亮度恰好与被测物体相同时，灯丝隐灭在被测物体的背景中，此时可以从高温计刻度盘上读出被测物体的温度值。第24页/共89页2冶金工程实验技术- 高温冶金实验第25页/共89页2冶金工程实验技术- 高温冶金实验2.3 高温实验用耐火材料 纯氧化物耐火材料 (1) Al2O3：为中性氧化物，高温烧成的熔融纯Al2O3称为刚玉，在高 温实验中被广泛使用。 用途：坩埚,炉管,热电偶保护管、套管、垫片等。 (2) MgO：为碱性氧化物，常用来做坩埚，可盛钢铁液、金属熔体 和炉渣。抗碱性氧化渣的能力强，适合盛转炉型熔渣。 (3) ZrO2：系弱酸性氧化物。可用来做坩埚盛金属熔体，适合

15、盛酸性或一般硅酸盐炉渣。可做固体电解质定氧探头。 (4) SiO2：系酸性氧化物，纯SiO2称为石英。石英做成坩埚时，可盛铁水和酸性炉渣。还可用于炉管,液态金属取样管,真空容器等 第26页/共89页2冶金工程实验技术- 高温冶金实验第27页/共89页2冶金工程实验技术- 高温冶金实验第28页/共89页2冶金工程实验技术- 高温冶金实验炉衬耐火材料和结合剂 在感应炉中进行冶金实验时，需用耐火材料做炉衬。制作感应炉炉衬时，常用耐火捣打料配加结合剂捣打成坩埚，经自然养护、烘干后使用；也可先用散状耐火材料制成坩埚，经干燥或高温烧结后，再放入感应圈内使用。耐火捣打料 耐火捣打料是不定型耐火材料的一种，它

16、是由耐火骨料、粉料和结合剂组成的。 骨料为60-65%，由5-0.5mm 的颗粒组成； 粉料35-40%, 细度为0.09mm的大于85%。第29页/共89页2冶金工程实验技术- 高温冶金实验第30页/共89页2冶金工程实验技术- 高温冶金实验 几种普通耐火捣打料 （1）高铝质普通耐火捣打料；（2）铝镁质普通耐火捣打料；（3）镁质水泥耐火浇注料；（4）镁铬质普通耐火捣打料 结合剂 （1）水玻璃：硅酸纳（nNa2OmSiO2）。水玻璃结合成型后耐火材料的室温强 度高，但对高温性能不利。 （2）磷酸盐：磷酸（H3PO4）常用作Al2O3的结合剂。在不定形耐火材料 中， 应用最多的是三聚磷酸钠（Na

17、2P3O10）和六偏磷酸钠(NaPO3)6，这两 种聚合磷酸钠为白色粉末，均溶于水，是镁质耐火材料的良好结合剂。 （3）硫酸铝：Al2(SO4)3为白色粉末，溶于水，可作高铝质耐火材料的结合剂。 （4）卤水：主要成份是MgCl2，主要用作镁砂的结合剂。由卤水结合的镁砂成型 后，常温强度低，经高温煅烧后，MgCl2放出氯气并生成MgO. （5）软质粘土：含w(Al2O3)30、w(SiO2) 55，可用作粘土质和高铝质 耐火材料的结合剂。第31页/共89页2冶金工程实验技术- 高温冶金实验第32页/共89页2冶金工程实验技术- 高温冶金实验第33页/共89页2冶金工程实验技术- 高温冶金实验石墨

18、和非氧化物耐火材料石墨 (1)常用石墨坩埚盛碳饱和铁水，以研究其熔体反应或渣-铁反应情况， (2)石墨坩埚可在感应炉中作容器，以熔化非磁性金属材料或氧化性炉渣； (3)石墨坩埚还常用作外层保护坩埚，其内层放入MgO或Al2O3坩埚，以使氧化物坩埚在升温速度较快时能均匀受热。金属坩埚 （1）纯铁坩埚：含氧化铁较高的炉渣能够侵蚀任何氧化物坩埚，并使炉渣成份显 著改变。而纯铁坩埚可以作为高氧化铁炉渣的容器，一般使用温度在1400以下。 （2）钼坩埚：可在较高温度下（如1600）作为氧化性炉渣的容器。但Mo易氧 化，需在惰性保护气氛下或真空中使用。 （3）铂坩埚：Pt坩埚可盛氧化性炉渣，常用温度140

19、0，短时间可用到1600，可在氧化性气氛下使用。但价格昂贵，故很少使用。金属陶瓷 金属陶瓷也可做坩埚、热电偶保护套管等。第34页/共89页2冶金工程实验技术- 高温冶金实验第35页/共89页2冶金工程实验技术- 高温冶金实验保温隔热材料 在高温实验炉中，为减少热损失和保证炉温稳定,常需要在炉壳内填充保温材料。保温材料要求导热系数小、具有一定的耐火度、容重应小些（轻）。 常用的保温隔热材料有:硅酸铝纤维空心氧化铝球轻质高铝砖轻质粘土转 第36页/共89页2冶金工程实验技术- 高温冶金实验第37页/共89页2冶金工程实验技术- 高温冶金实验第38页/共89页2冶金工程实验技术- 高温冶金实验高温实

20、验耐火材料的选用 进行高温实验时，对耐火材料选用一般应考虑如下几点： 使用温度； 耐火材料和炉渣的酸碱性。例如，碱性渣要用碱性耐火材料； 热稳定性，激冷激热性能； 所盛金属的种类。例如，铁水可用石墨坩埚，钢水可用Al2O3 或MgO坩埚； 使用气氛。例如，石墨坩埚必须在惰性或还原性气氛中使用； 所研究的渣系。例如，进行平衡实验，坩埚材料一般在渣中都要达到饱和，如研究渣中MgO的饱和溶解度时, 则要选用MgO坩埚。第39页/共89页2冶金工程实验技术- 高温冶金实验2.4 气氛控制和真空的获得 进行冶金实验研究时，常用到气体作为反应剂或载气,这些气体或参与反应,或作为惰性保护气氛。 某些冶金实验

21、需要在真空条件下进行。 以下介绍气氛控制技术和获得真空的方法。第40页/共89页2冶金工程实验技术- 高温冶金实验气体的来源 实验室常用的气体有下列十种：O2、N2、H2、Ar、CO、CO2、H2S、SO2、NH3和Cl2。 其中大多数气体装在高压贮气瓶中由工厂生产出售，各种气体所用的钢瓶外都涂上不同的颜色，以便识别。气体种类O2N2H2CO2ArCl2NH3气瓶颜色天蓝黑深绿黑灰草绿黄 各种气体的颜色第41页/共89页2冶金工程实验技术- 高温冶金实验第42页/共89页2冶金工程实验技术- 高温冶金实验第43页/共89页2冶金工程实验技术- 高温冶金实验 在没有瓶装气体时，就需要自行制备。以

22、下介绍一种铁矿石还原实验用CO气体的制造方法。 将瓶装CO2通入管式电阻炉，炉内装有木炭，并加热到1150-1200，产生如下反应： CO2 CCO 然后将CO进行净化，脱除残留的CO2 和水，制的纯净的CO气体。 第44页/共89页2冶金工程实验技术- 高温冶金实验第45页/共89页2冶金工程实验技术- 高温冶金实验 气体的净化 大部分由工厂购入的气体含有杂质，在使用时需要进行净化处理。气体净化的方法有以下几类：(1)吸收净化；(2)吸附净化；(3)冷凝净化(4)过滤净化法；(5)催化净化。 实验室中往往用几种方法结合起来净化气体。 第46页/共89页2冶金工程实验技术- 高温冶金实验 常用

23、气体的净化方法有： （）N N2 2、ArAr的净化高压瓶装氮气和氩气可能含有O2、CO2、H2O等杂质。其净化方法是，先用装在管式电阻炉内的铜屑在600脱氧，反应如下： 4Cu+O2=2Cu2O再通过装在玻璃瓶内的KOH或碱石棉除CO2，CO2+2KOH=K2CO3+H2O 最后再干燥脱水,脱水时可按照CaCl2硅胶P2O5的次序进行脱水。如需脱除氩气中的杂质氮，可用600镁屑脱氮，反应式为： N2+3Mg=Mg3N2第47页/共89页2冶金工程实验技术- 高温冶金实验第48页/共89页2冶金工程实验技术- 高温冶金实验 （）（）COCO的净化的净化用钢瓶装的高压CO2通过加热到1150-1

24、200的木炭而制得的CO中，其主要杂质是CO2和N2。其中CO2杂质可以用50%KOH溶液或碱石棉除去，然后再按照CaCl2硅胶P2O5的次序进行脱水。因铁矿石还原实验常用CO N2的混合气体，所以N2杂质不必去除。 （）H H2 2的净化钢瓶装氢气的主要杂质是O2、N2和水。 一般将H2通过加热到400的铂（或钯）石棉或经过活化后的105催化剂（一种含钯为0.03%的分子筛，呈颗粒状，它能使氢和氧在室温下迅速化合为水），在催化作用下产生如下反应脱除O2：2H2+O2=2H2O然后再经过硅胶，P2O5干燥脱水，即可满足大多数实验的要求。第49页/共89页2冶金工程实验技术- 高温冶金实验第50

25、页/共89页2冶金工程实验技术- 高温冶金实验气体流量的测定 实验室内常用的气体流量计有转子流量计和毛细管流量计两种 。 (1) 转子流量计 转子流量计由一根垂直带有刻度的玻璃管和放入管中的 一个转子所构成 。使用时，气体从管的下口 进入管中， 使转子向上移动。 根据转子位置高低即可由刻度上读出相应的 流量 。 (2) 毛细管流量计 毛细管流量计如图所示 。 Vs-流量； h-液面差 K(系数）/（气体粘度）-由实验确定 第51页/共89页2冶金工程实验技术- 高温冶金实验第52页/共89页2冶金工程实验技术- 高温冶金实验真空的获得和真空泵 ）真空度 用气体压强表示,单位用Pa表示 托（To

26、rr)=1mmHg=1/760 atm=133.3Pa低真空度：3 -1 Pa 高真空度：-1 -6 Pa 超高真空度： -6 Pa ）获得真空的方法用真空泵抽气：主要方法。吸附：辅助方法，加入吸附剂，将气体吸附。冷凝：辅助方法，用液氮将气体冷凝。第53页/共89页2冶金工程实验技术- 高温冶金实验（）常用真空泵机械真空泵：有旋片式真空泵、往复式真空泵、滑针式真空泵等。一般能达到小于Pa的低真空度。油扩散泵：由加热部分、冷却部分和喷射部分组成。工作时经电炉加热使泵体内的扩散油挥发成蒸汽，油蒸汽沿导管上升由喷嘴喷出。一般可达小于Pa的高真空度。水蒸气喷射泵：由高速水蒸气喷入抽气机造成低压空间，被

27、抽气体不断流入这一低压空间，被水蒸气带出而获得真空一般可达小于Pa的低真空度。 水蒸气喷射泵抽气量大，冶金工业中常用，如VD、RH真空炉。第54页/共89页2冶金工程实验技术- 高温冶金实验第55页/共89页2冶金工程实验技术- 高温冶金实验第56页/共89页2冶金工程实验技术- 高温冶金实验第57页/共89页2冶金工程实验技术- 高温冶金实验第58页/共89页2冶金工程实验技术- 高温冶金实验第59页/共89页2冶金工程实验技术- 高温冶金实验第60页/共89页2.5 2.5 冶金热力学研究方法冶金热力学研究方法冶金反应平衡及组元活度的测定 钢铁冶金过程一般存在以下几种反应 (1)气相液相：

28、例如气相中氧与钢液中元素的反应，气体（H2，N2等）在钢液中 的溶解等。 (2)气相固相：例如各种氧化物的分解，一氧化碳对铁矿石的还原等。 (3)液相液相：例如炉渣对钢液或铁水的脱磷脱硫，熔渣中氧化铁对钢液中元素的 氧化等。 (4)液相固相：例如合金元素在钢液中的溶解，炉渣对耐火材料的侵蚀等。 冶金化学反应一般可用下列方程式表示 平衡常数K可表示为 反应的自由能变化为 反应的标准自由能与平衡常数的关系为 =dDcCbBaAbBaAdDcCaaaaKJRTGGlnlnK0RTGT第61页/共89页 化学反应平衡研究的中心问题就是求反应的平衡常数或平衡时反应物质的活度（如为气相则为分压），从而计算

29、其它有关热力学数据。 本节简介几种冶金反应平衡和有关组元活度的测定方法。 建立化学位和确定平衡时间建立化学位和确定平衡时间 (1) 建立所需要的化学位 研究有气相参与反应的化学平衡时，需要建立所需要的化学位（如氧位等），它可由适当的气体混合物来控制。 例如，用H2还原金属氧化物的反应 （2-1） 气相中水蒸气和氢气的分压比控制反应的方向，也就是控制着下列反应的方向。)()()()(gSgSOHMHMO22第62页/共89页 （2-2） 如果大于平衡值，金属被氧化；反之，金属氧化物被还原。 H2-H2O气体混合物所以能控制反应的方向是由于气相中H2、H2O之间存在着下列平衡 = （2-3） 平衡

30、常数为： = 所以 = （2-4） 因此，用H2-H2O混合气体可建立一定的氧位 。 同样，用CO和CO2混合气体也可建立一定的氧位 = 类似氧位的建立，还可以用H2-H2S混合气体控制气相硫位，用H2-NH3混合气体控制气相的氮位，用H2-CH4混合气体控制气相的碳位等等。)()()(gSSOMMO221ggOHOH2)(2221K21222/OHOHPPP2OP22122KPPHOH)/(2OP)()()(gggOCOCO22222222COCOOPPPK 2OP22)(COCOPPK第63页/共89页 (2)平衡时间的确定 在进行冶金反应平衡研究时，首先要做预备试验确定平衡时间，以保证体

31、系真正达到平衡。 确定的方法，对大坩埚一般是相隔一定时间（从几十分钟到几小时）进行取样分析（或用定氧探头测定金属液中a0），至组成（或a0）不变表示已达平衡；对小坩埚可依次加热至不同时间，样品全部淬火分析组成。 在正式实验时，为了确保平衡真正达到，实验时间应比确定的时间长。 冶金反应平衡的测定冶金反应平衡的测定 (1)气相一固相反应平衡的测定 下面以CO还原FeO的反应为例说明气一固反应平衡的测定方法。 第64页/共89页 固体FeO被CO还原时，因为纯物质的活度为，所以平衡常数只取决于气相成分，反应式如下： eO（s）+ CO（g）= e（s） +CO2（g） 标准自由能变化 平衡常数 K=

32、P2 /P 为研究以上反应的平衡，可以使一定组成的CO-CO2混合气体(P2 /P值一定)连续送入炉管内，在实验过程中用热天平称量FeO和Fe混合物质量的变化。 在恒温下用 不同组成的P2 /P气体 进行试验，找出固相质量不改变时的气相组成，此时的气相组成即为此温度下的平衡气相的组成。KRTGln第65页/共89页 (2)气相一液相反应平衡的测定 以氢为例，它在铁液中的溶解反应为：H2(g)=2H 如实验使用纯铁，又因为氢在铁液中溶解度很小，可忽略元素之间的相互作用，所以aH=%H，则反应的溶解平衡常数为： K=%H2/PH2 或 %H= 测定H2在铁液中的溶解度时，可将高纯铁在感应炉中一个事

33、先抽成真空的密封系统的坩埚内熔化，然后将一定量的H2气通入，铁液从气相中吸收H2，直到饱和为止，这可由气相的压力稳定不变来判断。 (3)液相一液相反应平衡的测定 以下举例说明液一液反应平衡的测定方法。 用分配定律方法测定炉渣中eO的活度时，可利用如下反应：2HPK第66页/共89页 平衡常数 (2-5)习惯上用分配常数 首先将纯eO液体与铁液在一定温度下作平衡实验。因为eO为纯物质，所以L=1/ 。在纯铁液中,可以假定fO,即 = %O，所以L%O。 然后在反应达平衡时取样分析其氧含量（此时为铁液中的饱和氧含量），可求得L%O饱和的值。 对任一含eO的炉渣体系与铁液进行平衡实验时，根据以上结果

34、： =%OL=%O/%O饱和 已知%O饱和值，测定该系统平衡时铁液中的氧含量，即可求得。 )()(FeOOFe1OFeFeOaaaK/OFeOaaL OaOaFeOaFeOa第67页/共89页 (4)液相一固相反应平衡的测定 下面以稀土元素铈的脱反应平衡为例。铈脱的反应产物为固体，反应式如下： CeS（s）= Ce + S （2-6） 平衡常数 表观平衡常数 所以 K=K 由于 的值很小，可忽略不计，上式变为： （2-7） 由换算式 .可得： 略去后项可得% CeSCeSKaafCefS%SCeKSCeff%loglogSeSeCeeCeeKKSCeSSCeSCeCe%loglogSeCeeK

35、KSCeCeS015.037.4CeSSCeee)(112302301SCeCeSSCeMMeeCeSSCeee37.4CeSCeSee、第68页/共89页 代入（2-7）式得到： 即 将 与 作图，如图2-23所示。)%.(%loglogSCeeKKCeS374)%.(%loglogSCeeKKCeS374logK)%.(%SCe374图2-23 用图解法求铈的脱硫常数 其中%Ce和%S由平衡时取样分析得到。将图2-23中 外推到零时，根据式（2-7）得： 即 )%.(%SCe374KKloglogKK第69页/共89页 由此可求得值。将不同温度下实验得到的值对温度作图，可得到与温度的关系，

36、进而可求得式（2-6）反应的 铁液中溶质活度和元素间相互作用系数的测定铁液中溶质活度和元素间相互作用系数的测定 进行冶金反应的自由能计算，必须知道铁液中溶质的活度。下面以铁液中的活度测定为例，说明元素间相互作用系数的测定方法。 以H2H2S混合气体与含硫Fe液在一定温度下做平衡实验，反应为 H2（g）+S= H2S（g） （2-8） 反应的表观平衡常数为 反应的真实平衡常数为 （2-9） 将平衡实验结果得到的k与w %S作图，如图2-24所示。G%SPPKHSH22%2222SfPPaPPKSHSHSHSH第70页/共89页 因为 ，当图中 时 ，可得 , K=2.6410-3。%logSef

37、SSS%S0)%, 1(SafSSKK 图2-24 w%S与K的关系 求得值后可根据式（2-9）的关系求得不同 时的aS值，然后按 的关系求出不同w%S时的 。 将 对%S作图，如图2-25中S曲线所示。因为 = ，当%S0时，图中曲线的切线斜率即为 。22HSHPP/%SfaSSSfSflogSflog%SeSSSSe第71页/共89页 炉渣- -铁液间元素平衡分配的测定 直接测定元素在渣-铁间的平衡分配比,将更为方便和直观。其结果可直接说明冶金反应的平衡状态及其影响因素，因而具有较大的实用价值。 以下分别举例说明平衡分配的测定方法及其在冶金工艺过程中的应用。 (1)(1)铌在渣铌在渣- -

38、铁间平衡分配的测定铁间平衡分配的测定 研究铌在渣-铁间分配平衡时，可采用实际铁水和铌渣，使实验条件尽量接近实际情况，以便平衡实验结果直接与工艺过程相对比，找出渣-铁反应实际状态与平衡状态的差距，以利于对反应进行控制和改进冶炼操作条件。 例如，铁水提铌条件下的硅铌选择性氧化 Si + O2 = (SiO2) 2Nb + 5/2 O2 = （Nb2O5） （Nb2O5）+ 5/2 Si = 2Nb + 5/2（SiO2） 第72页/共89页 将硅铌选择性氧化条件下的渣-铁平衡实验结果与实际工艺试验结果相对比，如图2-28所示。该图表明，当wSi 0.15%时，连续底吹 炉 试 验 的 渣 - 铁

39、间(Nb2O5)/Nb接近平衡状态，即此时铌的分配比很小，说明用连续底吹炉进行含铌铁水预脱硅，可得到很好的硅铌选择性氧化分离效果。图2-28 (Nb2O5)/Nb与wSi%的关系 -连续底吹试验, 1330-1370 -渣铁平衡实验, 1350第73页/共89页 (2)(2)锰在渣一铁间的平衡分配锰在渣一铁间的平衡分配 在顶底复吹少渣精炼或用锰矿直接合金化时，可加入锰的氧化物使其还原进入钢中，以节省用以钢的合金化的锰铁用量。如要得到尽可能高的锰收得率，需要了解MnO被还原进入钢中的热力学条件和锰在渣一钢间的平衡分配比。进行平衡实验时，可采用炉渣一钢液直接平衡法（与以上铌的实验方法相同），以测定

40、锰在渣一钢间的平衡分配情况。图2-29和2-30是实验得到的渣中CaO/SiO2和w(FeO)%与锰的平衡分配比的关系。 第74页/共89页 图2-29 (MnO)/Mn与CaO/SiO2 图2-30 (MnO)/Mn与渣中w(FeO)% 的关系(1600) 的关系(1600) -wSi=0.08-0.11%;-wSi=0.17-0.25% 由图可知，提高渣中CaO/SiO2和减少渣中FeO含量，可显著降低锰的平衡分配比。因此，在实际工艺中可控制较高的渣碱度和较低的FeO含量，以获得较高的锰收得率。当然，还要创造较好的动力学条件，使渣一钢反应尽快接近平衡。第75页/共89页FeC系内: :Si提高C的活度Cr降低C的活度。 C.Wagner法（计算活度系数）：把lni函数按泰勒级数展开