冶金宏观动力学基础

　　本书可作为高等院校冶金工程专业研究生、本科生的教学用书，也可供冶金相关企事业单位的工程技术人员阅读参考。 

　　本书根据冶金过程多相反应的特点，以典型冶金过程为例，论述气-固反应、气-液反应、液-液反应、液-固反应、固-固反应过程中进行模型建立和解析的方法。本书的内容丰富和完善了冶金物理化学中的相关内容，也为冶金反应工程学及冶金传输理论的进一步学习奠定了基础。在详细解析论述的基础上，还介绍了如何利用Excel进行求解典型冶金宏观动力学问题的方法，为增强读者利用计算机解决实际问题的能力开辟了空间。书中精选了适量例题、思考题及练习题，以便读者加深理解并复习巩固所学内容。

　　孟繁明，1964年生，副教授，现就职于东北大学材料与冶金学院钢铁研究所，主教课程“冶金资源综合利用与环保”等，主要科研成果（论文）列举如下：[1]孟繁明，应自伟，许力贤，等．基于HYL标准的氧化球团冶金性能测试研究[C]．2008年非高炉炼铁年会文集．2008，47-52．[2]孟繁明，宫下重人，八木顺一郎．焦炭过滤床电炉粉尘捕集特性的模拟研究[J]．中国冶金，2008，18(7)：5-9．[3]孟繁明，王文忠，八木顺一郎．焦炭过滤床在线分离电炉粉尘中氧化锌的研究[J]．钢铁，2008，43(4)：89-92．[4]孟繁明，王文忠，八木顺一郎．用固体碳及CO/CO2还原电炉粉尘中氧化锌的研究[J]．中国冶金，2007，17(2)：43-46．[5]孟繁明，赵庆杰．铁矿石含碳球团中碳的气化反应速度对球团熔融的影响[J]．钢铁研究学报，2007，19(12):5-9．已出版1本教材《复合矿与二次资源综合利用》，冶金工业出版社，2013年.

1 概述
1.1化学反应动力学基础
1.1.1反应速度的表示方法
1.1.2反应速度与物质浓度的关系——反应级数
1.1.3反应速度与温度的关系——反应活化能
1.1.4反应速度式的确定
1.2冶金宏观动力学概述
1.2.1宏观动力学与微观动力学
1.2.2冶金宏观动力学的特点
1.3本章符号列表
1.4思考与练习题
2 气-固界面反应——缩核模型
2.1模型的建立
2.2综合反应速度方程
2.3模数与转化率函数
2.3.1模数的意义——扩散时间与反应时间之比
2.3.2转化率函数的实质——无因次时间
2.3.3两种无因次时间——t*和t+
2.4转化率与时间及反应速度的关系
2.4.1转化率与时间的关系
2.4.2转化率与反应速度的关系
2.5过程限制环节的推断
2.5.1利用转化时间与颗粒半径间的关系
2.5.2根据准数或模数值的大小
2.5.3利用实验观察及计算结果
2.5.4考察过程机理时的注意点
2.6固体颗粒形状的广义化
2.6.1广义半径及形状系数
2.6.2广义颗粒的反应速度方程式
2.6.3颗粒形状对反应速度的影响
2.6.4过程限制环节判据的验证
2.6.5颗粒形状对反应界面移动速度的影响
2.7本章符号列表
2.8思考与练习题
3 气-固界面反应——模型扩展
3.1无产物层生成的气固反应
3.1.1模型的建立
3.1.2综合速度方程式
3.1.3过程限制环节的判断
3.2体积变化的校正
3.3可逆气-固反应
3.3.1浓度及速度常数项的修正
3.3.2反应速度方程式
3.4非线性气-固反应
3.5传热的影响
3.5.1非恒温体系的速度方程
3.5.2传热控制的吸热分解反应
3.5.3扩散控制的放热温升
3.6多界面气-固反应
3.6.1铁氧化物还原过程热力学特征
3.6.2铁氧化物还原过程动力学特征
3.6.3铁氧化物还原三界面缩核模型
3.7三界面缩核模型解析
3.7.1还原率及速度方程式
3.7.2一界面模型
3.7.3二界面模型
3.7.4三界面模型
3.8本章符号列表
3.9思考与练习题
4 气-固区域反应
4.1微粒模型
4.1.1微粒模型的数学描述
4.1.2不同条件下微粒模型的解
4.2区域模型
4.2.1多孔颗粒均匀气化反应模型
4.2.2孔隙扩散和化学反应混合控制模型
4.2.3考虑外表面反应和外部传质阻力的综合模型
4.3本章符号列表
4.4思考与练习题
5 气-液反应
5.1相间传质理论概述
5.1.1膜理论
5.1.2渗透理论
5.1.3表面更新理论
5.2气泡与液体间的传质
5.2.1气泡的形成
5.2.2气泡在液体中的运动
5.2.3气泡与液体间的传质
5.3持续接触的气液反应
5.3.1气液反应分类
5.3.2气液反应速度
5.4冶金气-液反应动力学分析举例
5.4.1铁水脱碳反应
5.4.2铁水脱气与吸气反应
5.5本章符号列表
5.6思考与练习题
6 液-液反应
6.1渣金反应动力学
6.1.1渣金反应的特点
6.1.2渣金传质通量方程
6.1.3渣金传质速度方程
6.2渣金反应操作解析
6.2.1分批式持续接触操作
6.2.2半分批金属流通式操作
6.2.3半分批熔渣流通式操作
6.2.4渣金连续逆流接触操作
6.3液滴反应动力学
6.3.1液滴运动
6.3.2液滴传质
6.3.3液滴反应
6.4本章符号列表
6.5思考与练习题
7 液-固反应
7.1固体熔解
7.1.1废钢的熔解
7.1.2渣料的熔解
7.1.3耐材的熔解
7.2金属凝固
7.2.1凝固速度
7.2.2凝固偏析
7.3固体浸出
7.3.1浸出反应过程
7.3.2浸出过程解析
7.4本章符号列表
7.5思考与练习题
8 固-固反应
8.1固-固加成反应
8.1.1反应控制模型
8.1.2扩散控制模型
8.1.3单独控制模型通式
8.1.4混合控制模型
8.2双气-固反应
8.2.1模型表达式
8.2.2极限情况的讨论（渐进解）
8.3本章符号列表
8.4思考与练习题
9 基于EXCEL的解析举例
9.1引言
9.2连串反应组元浓度随时间的变化
9.2.1问题
9.2.2分析
9.2.3求解
9.3广义化颗粒的气固反应动力学
9.3.1问题
9.3.2分析
9.3.3求解
9.4渣金反应级数及活化能的确定
9.4.1问题
9.4.2分析
9.4.3求解
9.5无产物层生成的气固反应
9.5.1问题
9.5.2分析
9.5.3求解
9.6反应级数对反应速度的影响
9.6.1问题
9.6.2分析
9.6.3求解
9.7氧化铁三界面还原反应模型
9.7.1问题
9.7.2分析
9.7.3求解
9.8气固反应微粒模型的数值解
9.8.1问题
9.8.2分析
9.8.3求解
9.9多孔颗粒均匀气化反应
9.9.1问题
9.9.2分析
9.9.3求解
9.10钢液中锰的氧化脱出
9.10.1问题
9.10.2分析
9.10.3求解
9.11扩散控制的放热温升
9.11.1问题
9.11.2分析
9.11.3求解
9.12废钢的溶解速度
9.12.1问题
9.12.2分析
9.12.3求解

参考文献

　　冶金宏观动力学是冶金反应工程学的重要理论基础之一，也是衔接冶金传输原理和冶金反应工程学的重要桥梁，一般作为冶金专业本科生和研究生的必修内容讲授。然而，冶金宏观动力学的相关内容一般主要是在物理化学或冶金物理化学课程中出现，由于热力学在其中占据较重位置、学时较长，结果极易造成冶金宏观动力学相关内容的讲授相对不足，使后续的冶金反应工程学甚至冶金传输原理课程的学习缺乏足够坚实的基础。其实，即使以分子碰撞理论为基础的化学反应动力学也常常因为学时限制等原因，相对热力学在讲授中涉及不多。因此，补充、完善冶金宏观动力学的理论知识，使冶金宏观动力学成为冶金专业独立的一门课程越显重要。
　　本书略去一般现有冶金动力学相关书籍中常包括的传输理论部分，将重点放在冶金宏观动力学本身及利用计算机进行求解方法的介绍上。全书共分九章，在章的序言中，简要回顾总结化学反应动力学的主要重点内容并对冶金宏观动力学进行概述。之后，对冶金过程中发展较为成熟、内容较多的气-固反应分三章予以介绍。首先，在第二章中通过一个简单的气-固反应系统，介绍气-固界面反应的缩核模型，引导读者熟悉气-固反应动力学模型的建立及推导方法，为其它复杂反应的解析、掌握反应过程限制环节的判断方法奠定基础。其次，在第三章中对已建立的气-固反应模型进行扩展，讨论在实际具体条件下进行模型设计和解析推导过程。在第四章中介绍气-固区域反应模型，进一步论述复杂气-固反应系统条件下的反应模型设计和解析方法。针对冶金宏观动力学是关于冶金过程多相反应的特点，在接下来的第五章至第八章中，选择冶金中的典型反应过程作为研究对象，分别对气-液反应、液-液反应、液-固反应、固-固反应进行模型建立和解析方法的介绍。后，在第九章中举例介绍了以Excel为解析工具求解冶金宏观动力学典型问题的方法。对每一个举例，首先给出与相关章节相关联的问题本身，其次分析问题的解题思路，后给出利用Excel进行解析的方法和步骤。
　　本书精心设计了适量的例题、思考题及练习题，以便读者加深理解并复习巩固所学内容。此外，对一些常见的复杂计算、数值求解等问题，避免现有冶金动力学书籍中常有的简单泛泛讲解，力争将理论阐述与例题计算紧密结合，尽力给出具体计算公式、计算流程、计算程序代码以及较为详细的Excel操作方法。通过这些实际求解操作过程，实现加深读者对冶金宏观动力学的理解并增强求解复杂问题能力的目的。
　　本书在编写过程中，参考和引用了相关文献的资料。此外，东北大学王文忠和施月循为本书的编写提供了宝贵资料和建议，在审稿和指导过程中付出了辛劳，在此向相关人员表示衷心感谢。由于编者水平所限，加之成稿时间仓促，书中不妥之处，敬请读者批评与指正。
　　孟繁明
　　2014年7月于东北大学材料与冶金学院a