冶金过程氧化还原反应动力学的研究是冶金物理化学研究的核心问题,为改进冶金工艺、提高生产效率及探索新的冶金流程提供理论依据。目前,常用的冶金过程反应动力学研究方法为热重法。为了丰富冶金反应动力学研究方法,实现动态化研究冶金反应过程,提出用气体在线质谱分析技术研究冶金反应动力学。气体在线质谱分析技术是通过在线监测反应过程中气体离子强度与时间关系,对反应进行定性、定量分析。反应气体为普通气体的气体在线质谱分析技术简称“气相质谱法”,反应气体为同位素气体的在线质谱分析技术并结合气体同位素交换技术的简称“同位素交换法”。CO2-CO与铁氧化物体系间的反应由于其在冶金反应过程的重要性,一直受到国内外冶金学者的关注,也获得了大量的数据,但是存在以下不足：第一,研究工作集中在CO2-CO与含铁氧化物熔渣、铁氧化物粉体的反应上,对于CO2-CO与固体铁氧化物(薄片)的研究较少；第二,研究的铁氧化物主要集中在浮氏体、四氧化三铁相区,对于氧化铁相区的研究较少；第三,为了获得准确的反应速率常数,基本采用碳同位素交换法,而用氧同位素交换法进行反应动力学的研究较少。为了C02资源回收利用,国内的冶金学者提出了用C02-02混合喷吹转炉炼钢工艺。这种工艺的优点较多,但是C02-02在钢液中的氧化反应规律、CO2参与反应的反应机理及利用率还不明确,需要对其反应动力学进行研究。因此,本文采用气体在线质谱分析技术研究CO2-CO与固体铁氧化物(纯铁片、浮氏体及氧化铁)的反应动力学、C02-02与钢液中Fe-C体系的反应动力学。采用气相质谱法研究了CO2-CO与纯铁片的氧化反应动力学,推导了利用气相质谱计算反应速率的方法。在结合该体系反应机理的前提下,获得了反应速率常数的计算公式。氧化反应包含三个阶段,反应的第一、二阶段为界面化学反应控速,第三阶段为混合控速。通过将气相质谱法结果与其他研究者采用热重法的实验结果对比,最终确定气相质谱法可用于CO2-CO与纯铁片体系间氧化反应动力学的研究。采用碳同位素交换法研究了CO2-CO与固体氧化铁的氧化还原反应动力学。对表观反应速率常数的计算进行了修正,并对真实反应速率常数进行了评估。氧分压越大,反应速率常数越小。本工作完善了氧在整个铁氧化物相区的表面反应动力学数据,反应速率常数对应与不同的铁氧化物相区有不同的直线斜率,且在相区的拐点处发生转折。采用氧同位素交换法研究了CO2-CO与固体浮氏体的氧化还原反应动力学。氧交换反应的前期约30s内为界面化学反应控速,之后变为扩散控速。获得了反应速率常数k1、k2及传质系数k3,反应速率常数随氧分压增加线性增加,传质系数随氧分压增加线性下降；得到k1、k2、k3的表观反应活化能分别为92.92kJ/mol、43.21kJ/mol及82.03kJ/mol。推获得了不同实验条件下的氧扩散系数,氧扩散系数随氧分压增大线性下降,通过氧扩散系数计算得到的活化能为151.26kJ/mol,最终确定浮氏体相区的氧扩散反应是由氧空位缺陷导致。通过气相质谱法研究了CO2-O2与Fe-C体系的反应动力学。从热力学角度考虑,CO2的利用率越小,符合热力学条件的CO2喷吹浓度的范围越大。从动力学角度考虑,考察了气体取样口位置、气体喷吹高度、原始配碳量、气体流速、CO2喷吹浓度以及反应温度等对脱碳反应速率的影响。反应气体流速、原始配碳量及反应反应温度等越大,脱碳反应速率越大：喷吹高度、CO2喷吹浓度越大,脱碳速率越小。CO2-O2参与的脱碳反应满足表观零级反应特征,且为平行反应。计算了不同CO2喷吹浓度下的CO2参与脱碳反应的利用率,在CO2喷吹浓度为0%～60%之间,CO2利用率随着CO2喷吹浓度的增大而减小；在70%～100%,CO2利用率随着CO2喷吹浓度的增大而增大；推导了CO2～O2混合气体脱碳反应动力学模型,认为在整个CO2喷吹浓度范围内脱碳机理呈两阶段变化：在CO2喷吹浓度为0%～60%之间为气相传质控速；在70%-100%范围,控速环节为混合控速(O2脱碳反应为气相传质控速、CO2脱碳反应为界面化学反应)。最终确定了最佳CO2喷吹浓度范围为30%以内。