2钢铁制造流程与工程科学

2钢铁制造流程与工程科学冶金基础科学冶金物理化学2.1冶金基础科学——冶金物理化学22冶金技术科学冶金传输原理2.2冶金技术科学——冶金传输原理2.3冶金工程科学——冶金流程工程学2.3冶金工程科学冶金流程工程学1钢铁制造流程流程烧结炼铁炼钢连铸热轧冷轧焦化产品„能源转换„高温冶金工序多、过程复杂、流程长高温冶金„凝固成形„塑性变形多学科交叉2塑性变形„性能控制3反应-熔化-凝固-加热-形变-相变-再结晶42.1冶金基础科学——冶金物理化学冶金物理化学冶础学冶学冶学冶金：技艺Æ科学（1930s—）应用物理化学方法研究冶金及材料制备过程；是以实验为基础发展起来的学科。电化学在冶金中的应用。研究冶金反应的机理和速率及其影响因素。电化学在冶金中的应用。研究反应的方向和限度，以及影响反应进行的各种因素；以期控制反应向所需方向进行，从而探索新工艺、新流程、新方法和新产品。52.1冶金基础科学——冶金物理化学冶金物理化学冶础学冶学冶学冶金：技艺Æ科学（1930s—）62.1.1反应焓与吉布斯自由能热效应„纯物质的焓变（物理热）热效应„„化学反应焓变化学反应焓变：在恒压下化学反应所吸收或放出的热量rHΔ或放出的热量。标准焓变标准焓变：标准压力下的反应焓变。rTHΘΔ7标准焓变标准焓变力rT„化学反应焓变„化学反应焓变赫斯赫斯(Hess)(Hess)定律定律：在恒温恒压或恒温恒容下，化学反应焓变只取决于反应的始末态，而与过程的具体途径无关。焓变只取决于反应的始末态，而与过程的具体途径无关。即反应无论是一步或分几步完成，其反应焓变相同。8„化学反应焓变„化学反应焓变‡基尔霍夫公式‡相对焓9„集成热化学数据库(ITD)„吉布斯自由能变„吉布斯自由能变（值越负，反应向指定方向进行的可能性越大）rGΔ‡‡物质标准生成（或溶解）吉布斯自由能‡‡吉布斯自由能标准平衡常数‡标准平衡常数10‡电化学反应电动势r11„埃林汉图„埃林汉图(Ellingham)（氧化物生成）（氧化物生成）位置越低：‡氧化物越稳定‡氧化物越稳定‡元素易被氧化‡可还原位置高的氧化物炼铁过程——还原顺序‡还原顺序‡直接还原？12间接还原？„埃林汉图„埃林汉图(Ellingham)（铁液内元素氧化）（铁液内元素氧化）炼钢过程——‡Cu难去除‡NiMoW合金可先‡Ni,Mo,W合金可先加入‡P只能造碱渣去除‡P只能造碱渣去除‡Si,B,Ti,Al,Ce合金后加入金后加入‡Cr,Mn,Nb与C相13交，与温度相关2.1.2金属相变等过程的热力学学„凝固过程中晶体形核的热力学„金属固态相变热力学„金属再结晶过程热力学„金属再结晶过程热力学„相图：体系热力学函数在满足热力学平衡条件下轨迹的几何描述轨迹的几何描述。用以描述体系的相关系，反映物质的相平衡规律。14Fe-Fe3C相图(F-铁素体，A-奥氏体，Fe3C-渗碳体，P-珠光体，Ld-莱氏体)15Fe-Fe3C相图(F-铁素体，A-奥氏体，Fe3C-渗碳体，P-珠光体，Ld-莱氏体)16三元相图172.1.3冶金化学反应过程动力学冶学学„化学反应速率：„速率方程：k——速率常数n——反应级数积分得：n反应级数半衰期：一级反应：积分得：半衰期18半衰期：2.1.3冶金化学反应过程动力学冶学学„反应速率与温度的关系：阿累尼乌斯公式：„„化学反应动力学化学反应动力学：从分子运动和分子结构等微观„„化学反应动力学化学反应动力学：从分子运动和分子结构等微观概念出发，研究冶金反应的机理和速率，分析冶金反应的路径和控制环节反应的路径和控制环节。‡有效碰撞理论（气体分子运动论）过态论力学统热力学‡过渡态理论（量子力学和统计热力学）„反应机理和速率研究反应机理和速率研究‡微观——化学反应动力学+微观传质机理宏观反应工程学+传热传质传动量19‡宏观——反应工程学+传热传质传动量2.2冶金技术科学——冶金传输原理冶学冶„„反应工程学反应工程学：装置及工序层次上的动力学研究„问题的复杂性：反应反应熔化熔化凝固凝固加热加热形变形变相变相变再结晶再结晶反应反应--熔化熔化--凝固凝固--加热加热--形变形变--相变相变--再结晶再结晶‡操作控制参数：浓度、温度、速度等系泡滴粒等弥散系‡多相体系：气泡、液滴、颗粒等弥散系统„研究内容：传热、传质、传动量传热、传质、传动量++化学反应化学反应研究内容：传热、传质、传动量传热、传质、传动量化学反应化学反应„研究目的：理解流动、混合、传热、传质等物理过程对反应过程的影响规律解决实际生产中单元过程对反应过程的影响规律，解决实际生产中单元操作或单元装置的合理性、有效性问题。202.2冶金技术科学——冶金传输原理冶学冶„„过程模拟过程模拟：对某一过程的全部或部分现象以某种方式所做的再现再现（目的：原理、规律性及控制方法等）‡物理模拟：物理模型实验再现模拟模实再现‡数学模拟：数学模型计算再现„„数学模型数学模型关于各种因素间定量关系的系列代„„数学模型数学模型：关于各种因素间定量关系的一系列代数或微分表达式（方程式或方程组）机模型基本定律原推来‡机理模型：基本定律和原理推导而来‡推理模型：利用已有数据进行数学推理而来‡经验模型：依据专家经验建立的专家系统21主流数学模型的描述流学„基础：反应机理，传输理论„补充：经验或半经验关系式和数据„手段数值计算方法„手段：数值计算方法„工具：计算机„目的：过程预测、优化、控制及新工艺开发其他：基于神经网络、模糊控制的专家系统等22建立数学模型的一般步骤学般骤数学描述数学描述：初步研究„过程模化(简化)„子过程解析数学描述„子过程解析„控制方程：描述各过程、现象的构造单元（如表）（如表）数学描述现象的构造单元（如表）（如表）„其他辅助关系式物性关系式编制程序赋值‡物性关系式‡反应速率关系式数值计算实验研究赋值验证‡湍流模型‡气体状态方程综合分析验证23‡初始条件、边界条件等综合分析24冶金过程问题的数学描述冶学„连续方程„运动方程25冶金过程问题的数学描述冶学„连续方程„运动方程„能量方程„能量方程„溶质方程„边界条件和初始条件26冶金过程问题的数学描述冶学27例1：转炉工序热工模型及能耗分析28例1：转炉工序热工模型及能耗分析29转炉炼钢过程成分变化30例1：转炉工序热工模型及能耗分析31例1：转炉工序热工模型及能耗分析能耗分析：‡铁水预处理过程：‡转炉炼钢过程：吹氧能耗铁水包预热能耗底吹氮气能耗转炉炼钢程吹氧能耗底吹氮气能耗产生烟气利用蒸汽发电‡二次精炼过程钢包预热能耗真空室预热能耗32‡二次精炼过程：钢包预热能耗真空室预热能耗LF电加热能耗精炼过程吹氩能耗例1：转炉工序热工模型及能耗分析33例2烧结过程数学模型例2：烧结过程数学模型烧结：将各种粉状含铁原料，配入一定数量的燃料和熔剂均匀混合制粒后和熔剂，均匀混合制粒后布到烧结设备上点火进行高温加热烧结成块的方高温加热，烧结成块的方法，是一个综合了流动、传热、传质的复杂过程。传热传质的复杂过程主要反应：3434„控制方程(化学反应动力学一维非稳态模型)„控制方程(化学反应动力学一维非稳态模型)（1）连续性方程连续性方程';(0)GrW∂=''''(0)GMMW∂ΔΔ;(0)wsrWy∂（2）动量守恒方程（厄根方程形式）;(0)ccclllsMnrMnrWy=Δ+Δ=∂（2）动量守恒方程（厄根方程形式）2215011.751()()pGGεμεΔ−−233()()pgpgpLddμεφρεφρ=+3535„控制方程„控制方程（3）能量守恒方程（3）能量守恒方程气相：固相''''()()gggggspgmggccclllTTCGCAHTTCTMnrMnryρτ∂∂=−−+Δ+Δ∂∂固相：0;()mTWW∂=≥';(0)mcsTWWCHrWWρ⎛⎞∂−=−Δ⎜⎟0;()scWWτ≥∂''()();(0)mmbmmspgmccclllradsTTCAHTTHnrHnrQWρλ∂∂∂=+−+Δ−Δ+=;(0)bswwsccCHrρτ=Δ⎜⎟∂⎝⎠3636()();()bmmspgmccclllradsQyyρτ∂∂∂„控制方程„控制方程（4）组分守恒方程分守恒方程氧气平衡方程：CC∂∂222'''''()ooggcccoccclllCCGnrCMnrMnryερρτ∂∂=−−−Δ+Δ∂∂二氧化碳平衡方程：CC∂∂222''''''()()cocoggccllcoccclllCCGnrnrCMnrMnryερρτ∂∂=−−+−Δ+Δ∂∂3737烧结过程模拟结果床层温度分布38床层温度分布烧结过程模拟结果沿烧结风箱废气温度分布沿烧结风箱废气温度分布600300400500度/℃100200300温度0135791113151719212325风箱号风箱烟气温度风箱号39风箱烟气温度烧结过程模拟结果烟气组分O2烟气组分0.25CO2H2O0.150.2比(%)0.10.15体积百分比00.050510020030040050060070080090010001100120013001400时间(s)40烧结过程出口烟气组分例3：高炉内气体流动与换热过程数值模拟¾计算工况选取氧气高炉某况数据结果焦比为喷煤•选取氧气高炉某工况数据结果，焦比为180kg，喷煤300kg，炉身循环煤气温度为800℃，炉身循环煤气量为800m3/t，风口循环煤气量为200m3/tCO脱除率为90%口循环煤气量为200m3/t，CO2脱除率为90%。¾基本假设高炉结构为轴对称风口分布也关于中心线对称•高炉结构为轴对称，风口分布也关于中心线对称；•风口区煤粉迅速燃烧，进入高炉内的是处于燃烧温度下的燃烧产物烧产物；•不考虑炉料的下降运动，炉料是多孔介质组成的连续体；由于直接还原度较低不考虑铁直接还原引起的煤气量的变•由于直接还原度较低，不考虑铁直接还原引起的煤气量的变化，煤气量在参与间接还原反应时体积没有变化；煤气物理性质在整个高炉过程中保持恒定。41性质在整个高炉过程中保持恒定。•煤气在多孔介质中的流动传热反应过程¾数学模型连续性方程r¾数学模型0gguρ∇=动量方程()⎡⎤湍动能方程()()TeffuuPuuρμ⎡⎤∇⋅=−∇+∇⋅∇+∇⎢⎥⎣⎦rrrr⎛⎞⎛⎞effjkjjkjkkkuGtxxxμρρεδ⎛⎞⎛⎞∂∂∂∂+=+−⎜⎟⎜⎟⎜⎟⎜⎟∂∂∂∂⎝⎠⎝⎠湍动能耗散方程湍动能耗散方程()12effjjjjkkuCGCtxxxkεεεμεερρεδ⎛⎞⎛⎞∂∂∂∂+=+−⎜⎟⎜⎟⎜⎟⎜⎟∂∂∂∂⎝⎠⎝⎠多孔介质的动量方程pμνα∇=−42¾数学模型湍流流动的壁面边界条件¾数学模型湍流流动的壁面边界条件入口边界条件入口边界条件出口边界条件出口边界条件对称面边界条件对称面边界条件底面边界条件底面边界条件43¾区域划分及材料属性参数颗粒直径，形状系数，φ热容，Cs表观密度ρ空隙度，ε¾区域划分及材料属性参数dpm形状系数，φJ/(kg．K)kg/m3空隙度，ε焦炭0.0161808(100℃)1465(1000℃)9900.4670(100℃)矿石0.0160.98670(100℃)840(500℃)35200.45密度粘度热容C导热系数，参数密度,ρgkg/m3粘度,μPa•s热容，CgJ/(kg•K)导热系数，kgW/(m•K)炉气0.83×10-511000.025区域孔隙率，ε内部阻力系数，C2阻力比，η渗透性，α块状带块状带0.441.444.850.46软熔带0.343.678.690.15死料柱0.4051.961.480.3244¾数值模拟流程¾数值模拟流程45¾煤气速度分布¾煤气速度分布46¾煤气温度分布¾煤气温度分布47¾煤气温度分布¾煤气温度分布4849铝液入射角β=60°50铝液入射角β=30°2.3冶金工程科学——冶金流程工程学冶学冶流学512.3.1科学层次分析学层522.3.1科学层次分析学层532.3.2钢铁制造流程的物理本质流钢铁制造流程是一个开放的、远离平衡的、钢铁制造流程是一个开放的、远离平衡的、不可逆的、由不同结构不