传输原理应用实例课件全套教学教程整套课件全书电子教案.pptx

,传输原理应用实例,在,冶金工业中，大多数冶金过程都是在高温、多相条件下进行的复杂物理化学过程，同时伴有动量传输、热量传输和质量传输现象。在实际的冶金生产过程中，由于反应温度较高，其本征化学反应的速率较快，整个冶金反应过程的速率主要取决于传质速率，而传质速率往往又与动量和热量传输密切相关。所以，冶金过程的传输现象对冶金反应过程有着重要影响。随着科学技术的不断发展，冶金已从狭义的从矿石提取金属，发展为广义的冶金与材料制备及加工过程工程，传输原理在认识冶金过程与材料制备过程及材料加工过程的本质，开发冶金与材料制备及加工新理论、新技术、新装置、新流程等方面起到了非常重要的作用，它已经成为现代冶金与材料制备及加工工程的理论基础。,前言,PREFACE,1,冶金熔体的传输特性,2,烧结球团过程的传输现象,3,高炉冶炼过程的传输现象,4,铁水预处理过程的传输现象,5,转炉炼钢过程的传输现象,目录,CONTENTS,6,炉外精炼过程的传输现象,7,连铸过程的传输现象,8,有色金属冶炼过程的传输现象,9,轧制过程的传输现象,10,新技术领域的传输现象简介,目录,CONTENTS,冶金熔体,是指在高温冶金过程中处于熔融状态的反应介质或反应产物。在冶炼和浇铸过程,中，冶金熔体,的传输特性直接影响物理化学反应的,效率，比如炼钢过程,的脱碳、脱磷、脱硫和脱氧反应,，不仅,与钢液中参与该反应的元素的浓度和活度,密切相关，同时,与钢液的黏度、各元素在钢液中的扩散特性紧密相连,，因此,必须研究它们,的传输,特性,。,根据组成熔体的主要成分不同，分为金属熔体与非金属熔体。,1,冶金熔体的传输特性,传输原理应用实例,1,冶金熔体,的传输特性,1.1,冶金熔体,的,流动性,液体,内摩擦力又称黏性力，液体流动时呈现的这种性质称为黏性，度量黏性大小的物理量称为黏度。液体的黏性是组成液体分子的内聚力阻止分子相对运动产生的内摩擦力，液体只有在流动或者流动趋势时才会出现黏性。这种内摩擦力只能使液体流动减慢，不能阻止。流体的黏性是流体在运动时表现出的抵抗剪切变形的能力,。,在,冶金工业中，熔体的黏度不仅是研究熔体结构的基础，也是冶金熔体的重要物理化学性质之一，还与冶炼反应的传热、传质、液体金属中非金属夹杂和气泡的排除、金属或熔锍与熔渣的分离及炉衬的寿命有很大的关系，密切关系到冶炼、铸坯等过程能否顺利进行,。,流体黏度,的倒数即为流动性,，流动性,=1/,。,1,冶金熔体,的传输特性,1.1.1,金属熔体的流动性,一般液体金属或合金的黏性越小，其流动性越大。但是也有例外情况，如锌比锡、铅、铝等黏性大，而流动性却较高。纯金属和共晶体合金具有较高的流动性；而结晶（凝固）温度范围大的合金则有较低的流动性，因此需要提高这些合金的过热温度来获得必要的流动性。,（,1,）铁熔体,金属熔体的黏度与组成有关。,例如：,1,）,当铁中其他元素的总量不超过,0.02,0.03,时，,1600,时液态铁的黏度为,0.0047,0.005 Pa,s,；,2,）,当其他元素的总量为,0.1,0.122,时，,1600,时液态铁的黏度为,0.0055,0.0065 Pa,s,。,图,1-1,含钛铁液的,ln,-1/T,关系,熔体温度升高，金属熔体黏度降低，即流动性增加，如图,1-1,所,示。,1,冶金熔体,的传输特性,1.1.1,金属熔体的流动性,（,2,）铝熔体,铝熔体在不同温度的黏度见表,1-1,。由表可见，随着温度升高，铝熔体黏度降低,。,液态合金的黏性与其成分密切相关。某些合金元素对纯铝在,700,时黏度的影响见图,1-2,。,金属,或合金熔体中悬浮的非金属夹杂物和气体饱和程度对黏度有很大的影响,。,黏度,随不溶于金属或合金熔体中悬浮物的数量以及气体饱和程度而增加。,图,1-2,合金元素对纯铝在,700,时黏度的影响,温度,/,669,710,744,776,804,837,860,885,923,944,黏度,/MPas,1.1603,1.0909,1.0231,0.9841,0.9481,0.9002,0.8722,0.8533,0.8104,0.7922,表,1-1,熔融铝在不同温度下的黏度,1,冶金熔体,的传输特性,1.1.2,熔,渣的流动性,黏度与渣和金属间的传质和传热速度关系密切，,因,为,它,影响着渣钢反应的速度和炉渣传热的能力。过黏的熔渣会导致熔池不活跃，冶炼不能顺利进行。过稀的渣容易造成喷溅，而且严重侵蚀炉衬耐火材料，降低炉子寿命。因此，冶金熔渣应有适当的黏度，以保证产品的质量和良好的技术经济指标。,合适的炉渣黏度在,0.02,0.1 Pa,s,之间，钢液的黏度在,0.0025 Pa,s,左右,。,若熔渣中出现或存在固相质点即固态微粒时，二者之间将要产生液,-,固界面，这会使得液体流动时需要克服的阻力大,增,，熔渣黏度增加,。,一般来说，一定成分的熔渣，当温度升高时能改变其流动性，这是因为提高温度可增加熔渣流动所需的黏流活化能，而且可使某些复合阴离子解体，或者使固体微粒消失,。,从熔渣结构来看，一般认为熔渣组成对其黏度的影响表现在对离子半径的影响和对是否产生固相质点的影响两个方面。,1,冶金熔体,的传输特性,1.1.2,熔渣的流动性,图,1-3,氧化性熔渣碱度和温度与黏度的关系,图,1-4 CaO-SiO,2,渣系的黏度和温度的关系,图,1-5 CaO-Al,2,O,3,渣系的黏度和温度的关系,1,冶金熔体,的传输特性,1.1.2,熔渣的流动性,图,1-6 CaO-SiO,2,-Al,2,O,3,渣系的黏度和温度的,关系,（,a,）,1400,;,（,b,）,1500,；（,c,）,18001900,图,1-9 CaO-Al,2,O,3,-SiO,2,-MnO,渣系（,Al,2,O,3,=6%,）的黏度（,1400,）,P.V.Riboud,整理的,CaO-SiO,2,-Na,2,O-CaF,2,-Al,2,O,3,多组元保护渣的黏度经验计算公式为：,1,冶金熔体,的传输特性,1.1.2,熔渣的流动性,其中：,中野武人整理得,CaO-SiO,2,-Al,2,O,3,CaF,2,-Na,2,O-Li,2,O,多组元渣系的黏度计算公式为：,其中：,1,冶金熔体,的传输特性,1.2,冶金熔体的导热性,大多数冶金生产过程都在高温下进行，冶金生产中的许多工序，如烧结、炼铁、炼钢和轧钢等都伴随着物料温度的变化，这就使冶金生产过程不可避免地与热量传输相联系,。,导热又称热传导，它是指物体内不同温度的各部分之间或不同温度的物体相接触时发生的热量传输现象,。反映,导热规律的基本定律是傅立叶,定律,：,式中比例系数称为导热系数，单位是,W/m,。,导热系数反映了物质导热能力的大小，它是物质的一个重要的热物性参数,。,物质的导热系数不但与物质的种类有关，而且还和物质的结构、密度、成分、温度以及湿度等因素有关。由于影响导热系数的因素很多，因此，各种物质的导热系数一般都由实验测定。,1,冶金熔体,的传输特性,1.2.1,金属熔体的导热性,各种物质的导热系数均随温度而,变化,，如图,1-12,所示,。,在,一定温度范围内，大多数材料的导热系数都可以近似看作是温度的线性函数，即：,式中，,0,为,0,时的导热系数；,b,为由实验确定的常数。,图,1-12,不同材料的导热系数与温度的关系,1,冶金熔体,的传输特性,1.2.1,金属熔体的导热性,图,1-13,金属的导热系数和温度的关系,大多数纯金属的导热系数随温度升高而减小。,这是因为当温度升高时,，晶格振动加剧会对自由电子的运动起阻碍作用，即对导热起阻碍作用。这一阻碍作用大于晶格振动加剧本身对导热产生的促进作用。所以总的结果是导热系数下降,。,金属中掺入任何杂质,，将破坏晶格的完整性，干扰自由电子的运动，致使导热系数减小。,合金的导热主要通过晶格振动方式进行，大部分合金的导热系数随温度升高而增加,。,液态金属的导热系数一般小于固体金属在温度刚低于熔点时的导热系数。在熔点时，导热系数剧减，平均相当于固体的,69%,左右。,1,冶金熔体,的传输特性,1.2.2,熔渣的导热性,熔渣导热系数和成分有关，也和温度的高低分不开，温度越高导热系数越,大,，如表,1-3,所示,。,在炼钢操作中，没有搅拌和对流也没有气泡的多元系炉渣的,导热系数,为,2.32,3.49 W/(mK),，在渣层厚度,d,为,100,150 mm,时，其热阻为,d,/,=0.0346,0.0515 m,2,K/W,。,炉渣在钢液搅拌沸腾时的导热系数和热阻数据，见表,1-4,。,由此可见,，,沸腾炉渣的导热性比静止的高,20,40,倍，,熔体,成分,/,导热系数,/,W,m,-1,K,-1,FeO,SiO,2,1350,1500,2000,66.7,57.0,50.0,33.3,43.0,50.0,5.21,1.55,0.771,6.46,2.33,1.22,15.73,5.67,3.56,表,1-3,硅酸铁二元渣系,的热传导性数值,表,1-4,炉渣的热传导性数值,炉 渣 种 类,/,W,(mK),-1,d/,/,m,2,K,W,-1,微流动的碱性泡沫渣,活跃的碱性沸腾渣,活跃的酸性沸腾渣,4.64,6.96,116,232,69.6,116,0.017,7.784,0.001,0.0016,0.01,0.017,1,冶金熔体,的传输特性,不同温度下保护渣层的,导热系数,，见表,1-5,。,在确定厚度的渣层中，导热系数按下式计算：,式,中,q,为流向渣层的热流密度，,W/m,2,；,h,n,为渣层中热电偶之间的距离，,m,；,t,n,为沿渣层温度的温度差,。,熔渣导热性的好坏直接影响到电弧炉炼钢熔池升温的快慢。,1.2.2,熔渣的导热性,保护渣,温度,/,400,600,800,1000,1100,1200,液体渣,0.24,0.25,0.26,0.34,0.40,0.51,1.45,0.40,0.41,0.46,0.58,0.71,0.95,1.97,0.79,0.82,0.86,0.92,1.05,1.34,2.21,保护渣,成分,w,/%,C,SiO,2,CaO,Al,2,O,3,MgO,MnO,FeO,Na,2,O,F,原始渣,29.8,22.3,13.0,13.2,1.0,0.7,1.7,9.0,9.3,原始渣,9.8,23.6,38.1,10.9,1.3,0.5,0.9,4.6,10.0,原始渣,/,26.3,42.4,12.1,1.45,0.56,1.0,5.1,11.1,表,1-5,保护渣的热传导率（,W/(m,K),）,保护渣、的成分组成为：,1,冶金熔体,的传输特性,1.3,冶金熔体的扩散性,冶金过程充满了质量传输现象，它发生在不同物质和不同浓度之间，而大多数则发生在两相物质之间，如吸附、氧化、还原、燃烧、气化、渗碳等是在气相与固相之间发生；分馏、吸收、精馏、吹炼等是在气相与液相之间发生；而溶解、浸出、置换等则是在液相与固相之间发生,。,质量传输的基本方式有两种，即分子扩散传质和对流流动传质,。,扩散系数与温度的关系为：,D,=,D,0,exp(-,E,D,/,RT,),1,冶金熔体,的传输特性,1.3.1,金属熔体的,扩散性,金属熔体中各种元素的扩散，通常认为它是与反应速度控制环节有关的重要物理性质，而且它也是阐明金属熔体结构的重要性质,。,测定,金属熔体中各种元素的扩散系数，通常用毛细管浸没法、扩散偶法和电化学法等,。,扩散系数和黏度都是流体的传输性质，它们进行的机理有相似性，所以扩散活化能,E,D,与粘滞流动活化能,E,几乎是相同的数量级，可以认为金属熔体的自扩散系数,D,与黏度,之间有一定的关系，斯托克斯、爱因斯坦根据流体动力学理论得到了下列著名的关系式：,式,中,k,是波茨曼常数，,r,是刚体球半径，若把原子看成刚体球时，,r,就是原子半径，,T,是绝对温度。,1,冶金熔体,的传输特性,1.3.1,金属熔体的,扩散性,图,1-15,钢水中常见元素的扩散系数,表,1-7,脱氧剂在各种含氧的铁液中的扩散系数,图,1-16,温度对铁液中元素扩散系数的影响,1,冶金熔体,的传输特性,1.3.2,熔渣的扩散性,熔渣中组元的扩散一般小于金属液，在熔渣中分子扩散系数和熔渣的黏度成反比，可写成如下的表达式,：,式,中,为熔渣黏度；,D,为熔渣中某组元的扩散系数,。,启普曼等人最早用同位素,Ca,45,成功地测量了,CaO-A1,2,0,3,-SiO,2,渣系中,Ca,2,的扩散系数如表,1-7,。,D,=,常数,温度,/C,1350,1400,1450,1600,Ca,2+,/cm,2,s,-1,3.310,-7,6.810,-7,310,-6,10.4,0,-6,表,1-8,CaO-A1,2,0,3,-SiO,2,渣系中,Ca,2+,的扩散系数,该渣系中,O,2-,、,Ca,2+,、,Al,3+,、,Si,4+,的,扩散系数数值,多在,10,-6,10,-7,cm,2,s,-1,，活化能,则为,230.12,292.88 kJ,mol,-1,。该渣系中硫的扩散系数为：,1450,=(0.9,1.5)10,-6,cm,2,s,-1,1,冶金熔体,的传输特性,1.3.2,熔渣的扩散性,对炼钢用的,CaO-FeO,t,-SiO,2,系渣中的扩散测定较少。其中,Fe(Fe,2+,和,Fe,3+,平均值,),的有效扩散系数在,1550,时,为,10,-4,10,-5,cm,2,s,-1,，比,CaO-A1,2,0,3,-SiO,2,系大一、二个数量级,。,43%CaO,、,21%A1,2,0,3,、,35%SiO,2,和,1%FeO,的渣中，,1500,时的,Fe,2+,离子,的扩散系数为（,2.1,5.0,）,10,-6,cm,2,s,-1,。,以,OH,形式存在于碱性渣中的氢扩散系数为,2.510,-6,cm,2,s,-1,，,实际上渣中,H,不是以,OH,形式扩散，而是,H,从一个,OH,到另一个,OH,的传递过程，此种氢的扩散系数,D,H,+,=,（,0.9,1.1,）,10,-3,cm,2,s,-1,，比其它组元扩散都快,。,一定组成,、,一定,温度下的熔渣中组元的扩散系数可用下述半经验公式描述：,D,i,r,3,i,=,常数,传输原理应用实例,在,冶金工业中，大多数冶金过程都是在高温、多相条件下进行的复杂物理化学过程，同时伴有动量传输、热量传输和质量传输现象。在实际的冶金生产过程中，由于反应温度较高，其本征化学反应的速率较快，整个冶金反应过程的速率主要取决于传质速率，而传质速率往往又与动量和热量传输密切相关。所以，冶金过程的传输现象对冶金反应过程有着重要影响。随着科学技术的不断发展，冶金已从狭义的从矿石提取金属，发展为广义的冶金与材料制备及加工过程工程，传输原理在认识冶金过程与材料制备过程及材料加工过程的本质，开发冶金与材料制备及加工新理论、新技术、新装置、新流程等方面起到了非常重要的作用，它已经成为现代冶金与材料制备及加工工程的理论基础。,前言,PREFACE,1,冶金熔体的传输特性,2,烧结球团过程的传输现象,3,高炉冶炼过程的传输现象,4,铁水预处理过程的传输现象,5,转炉炼钢过程的传输现象,目录,CONTENTS,6,炉外精炼过程的传输现象,7,连铸过程的传输现象,8,有色金属冶炼过程的传输现象,9,轧制过程的传输现象,10,新技术领域的传输现象简介,目录,CONTENTS,烧结,球团过程是一个复杂的流体流动、热交换和物理化学变化过程，气体在料层内的流动状况及变化规律，直接关系到物料间传质、传热和物理化学反应过程，对烧结矿和球团矿的产量、质量及能耗都有举足轻重的影响。本章主要介绍了烧结生产过程的动量传输、质量传输及热量传输，球团生产过程的传质传热,过程,等，并对烧结球团生产过程的传输现象进行实例分析,。,2,烧结球团过程的传输现象,传输原理应用实例,2,烧结球团过程传输现象,2.1.1,烧结矿生产工艺简介,烧结,生产过程是根据炼铁的要求，将粉矿配入一定比例的燃料和熔剂，经过混合制粒，运送至烧结机进行铺料、点火烧结，经过一系列的物理化学反应，得到热烧结矿，然后经过冷却、整粒工序，将成品运往炼铁厂。返矿则重新参加配料、烧结。,烧结矿层,料层分布,燃烧层,预热层,干燥层,过湿层,2,烧结球团过程传输现象,2.1.2,烧结过程的动量传输,烧结,过程主要存在气固两相流动，固相为散料层，主要由矿石、熔剂和燃料等的颗粒组成，气相为自上而下运动,(,抽风烧结,),的气体，沿着相互连通的、曲折复杂的通道通过料层。烧结料层的透气性作为衡量混合料空隙率的标志，反映了气体流经烧结料层的难易程度，是烧结过程中的一个非常重要的状态变量。炉料透气性的好坏，直接影响烧结过程的垂直烧结速度和烧结矿产量。,2,烧结球团过程传输现象,2.1.2,烧结过程的动量传输,沃伊,斯,公式,拉姆辛公式,埃,根,公式,卡,曼公式,2,烧结球团过程传输现象,2.1.2,烧结过程的动量传输,沃伊斯,公式：,式中，,P,为料层的透气性指数，即单位压力梯度下单位面积上通过的气体流量；,q,v,为,通风料层的风量，,m,3,/min,；,F,为抽风面积，,m,2,；,h,为料层高度，,m,；,为,料层阻力损失，,；,n,为系数,，,2,烧结球团过程传输现象,2.1.2,烧结过程的动量传输,埃,根,公式：,式中，,为,压力降，,Pa,；,为,单个颗粒的平均直径，,m,；,为,料层厚度，,m,；,为,气体粘度，,Pa.s,；,为,气体密度，,kg/m,3,；,为,空隙率；,为气体流速，,；,，,为,系数。,2,烧结球团过程传输现象,2.1.2,烧结过程的动量传输,卡曼公式：,g为重力加速度,，m/s,2,；,S为料粒比表面积,，m,2,。,2,烧结球团过程传输现象,2.1.2,烧结过程的动量传输,拉姆辛公式：,a,、,n,为系数,。,2,烧结球团过程传输现象,2.1.2,烧结过程的动量传输,四种阻力计算公式对比，,沃伊,斯,公式具有优势。,烧结料,层各部位的透气性并不相同，甚至相差很大,。,烧结,矿层因空隙多，透气性好，所以烧结矿层越厚，整个料层的透气性越好,。,气流,在料层各处分布的均匀性，对烧结生产影响很大。,均匀布料和减少粒度偏析是保证透气性均匀的必要手段。,2,烧结球团过程传输现象,2.1.3,烧结过程的,热量,传输,烧结,过程中进行着一系列复杂的物理化学变化，而这些变化的前提是一定的温度和必要的热量。烧结过程料层温度变化是物料物理和化学变化的推动力。烧结料层要求的热量和温度由燃料燃烧产生的废气提供，并由传热及蓄热决定。,2,烧结球团过程传输现象,2.1.3,烧结过程的,热量,传输,为了,建立完整的数学模型，将烧结机作为固定床传热进行解析。鉴于实际生产的复杂性，进行如下假设：烧结料层内部主要发生强制对流传热，忽略其他传热方式，气体内部无辐射效应；由于气体流速较快，忽略气相中物质扩散；不考虑料层收缩，局部内固体和气体的物理性质相同；烧结料层由准颗粒组成，并且具有相同的直径，不考虑颗粒粒度变化。,2,烧结球团过程传输现象,2.1.3,烧结过程的,热量,传输,典型,的抽风烧结过程,如,右,图所,示，料层在,x,方向上缓慢地移动，气体垂直于料层表面沿,z,方向流动，在抽风和热量传递作用下，料层各层依次向下迁移，各层的迁移速度和厚度也会发生变化，,y,方向热状态的波动，表示烧结的不均匀性，对稳定的烧结过程而言，其变化较小。,2,烧结球团过程传输现象,2.1.3,烧结过程的,热量,传输,为了建立完整的数学模型，将烧结机作为固定床传热进行解析。鉴于实际生产的复杂性，进行如下假设,：,烧结料,层内部主要发生强制对流传热，忽略其他传热方式，气体内部无辐射效应,；,由于,气体流速较快，忽略气相中物质扩散,；,不,考虑料层收缩，局部内固体和气体的物理性质相同,；,烧结料,层由准颗粒组成，不考虑颗粒粒度变化。,2,烧结球团过程传输现象,2.1.3,烧结过程的,热量,传输,烧结矿层传热模型,2,烧结球团过程传输现象,2.1.3,烧结过程的,热量,传输,燃烧层传热模型,为焦粉燃烧速率，,mol/(,),；,为碳酸盐分解速率，,mol/(,),；,为焦炭燃烧焓，,kJ/mol,；,为石灰石分解焓，,kJ/mol,2,烧结球团过程传输现象,2.1.3,烧结过程的,热量,传输,干燥、预热传热模型,为水的相变热，,kJ/kg,；,为水分干燥速率，,kg/(,),2,烧结球团过程传输现象,2.1.3,烧结过程的,热量,传输,过湿层传热模型,为水分冷凝,速率,，,kg,/(,),2,烧结球团过程传输现象,2.1.4,烧结过程,质量,传输,烧结,过程的传质主要是由于空气通过料层所发生的化学反应，包括料层水分的蒸发与冷凝、焦炭燃烧消耗氧气释放出二氧化碳、石灰石分解释放二氧化碳,等,。,2,烧结球团过程传输现象,2.1.4,烧结过程,质量,传输,水分的蒸发与冷凝：,2,烧结球团过程传输现象,2.1.4,烧结过程,质量,传输,碳燃烧及石灰石分解：,2,烧结球团过程传输现象,2.2.1,球团矿生产工艺简介,现代,球团矿生产规模庞大、工艺复杂。生产流程主要包括原料的准备、配料、混合、造球、干燥、焙烧、冷却、成品球团矿处理、品质检验及返料加工处理等工序。,2,烧结球团过程传输现象,2.2.2,链,篦,机干燥及预热过程,2,烧结球团过程传输现象,2.2.2,链篦机干燥及预热过程,2,烧结球团过程传输现象,2.2.3,回转窑传热传质过程,经过,干燥后的生球，必须进行焙烧固结，才能达到足够的强度，以满足高炉冶炼的要求。生球的焙烧固结通常在回转窑中进行，生球与天然气和煤粉等混合燃料燃烧产生的高温烟气在窑内相向运动，发生,热交换。,生球吸收大量热量后，内部温度不断升高，伴随发生高温固结反应。回转窑窑壁在整个传热过程中充当着换热器的作用。,2,烧结球团过程传输现象,2.2.3,回转窑传热传质过程,2,烧结球团过程传输现象,2.2.4,环,冷,机传热过程,环冷,机内烧结矿与冷却空气之间的热交换过程比较复杂，主要换热过程如下：,(1),烧结矿颗粒之间存在或不存在接触热阻,时,的,导热过程；,(2),空气的导热过程；,(3),空气与烧结矿颗粒之间的对流换热过程；,(4),烧结矿颗粒之间、烧结矿颗粒与空隙中空气之间的辐射过程。,2,烧结球团过程传输现象,2.2.4,环,冷,机传热过程,2,烧结球团过程传输现象,2.3,烧结,球团生产过程传输现象实例分析,烧结,球团生产过程涉及传热学、流体力学和物理化学，具有复杂性、非线性、迟滞性和强耦合性等特征。通过建立数学模型对铁矿粉造块的生产过程和终点控制进行模拟，实现高效、节能生产。,2,烧结球团过程传输现象,2.3.1,带式烧结机,在,气体温度达到最高点之前，同一点处的气体温度高于固体温度，此时气体向固体传热，加热料层并使燃料燃烧。随着料层中燃料的快速燃烧，固体温度超过气体温度，此时固体向气体传热，随着燃烧的完成，由上而下的气流对料层进行冷却。由于蓄热作用，烧结速度逐渐加快，并且料层最高温度逐渐增加。,2,烧结球团过程传输现象,2.3.2,链篦机,回转窑,球团,入窑时温度在,800,左右，经过高温烟气和窑内壁的辐射和换热，温度迅速升高，出窑时温度达到,1275,左右，基本达到了球团焙烧的要求。,2,烧结球团过程传输现象,2.3.2,链篦机,回转窑,传输原理应用实例,在,冶金工业中，大多数冶金过程都是在高温、多相条件下进行的复杂物理化学过程，同时伴有动量传输、热量传输和质量传输现象。在实际的冶金生产过程中，由于反应温度较高，其本征化学反应的速率较快，整个冶金反应过程的速率主要取决于传质速率，而传质速率往往又与动量和热量传输密切相关。所以，冶金过程的传输现象对冶金反应过程有着重要影响。随着科学技术的不断发展，冶金已从狭义的从矿石提取金属，发展为广义的冶金与材料制备及加工过程工程，传输原理在认识冶金过程与材料制备过程及材料加工过程的本质，开发冶金与材料制备及加工新理论、新技术、新装置、新流程等方面起到了非常重要的作用，它已经成为现代冶金与材料制备及加工工程的理论基础。,前言,PREFACE,1,冶金熔体的传输特性,2,烧结球团过程的传输现象,3,高炉冶炼过程的传输现象,4,铁水预处理过程的传输现象,5,转炉炼钢过程的传输现象,目录,CONTENTS,6,炉外精炼过程的传输现象,7,连铸过程的传输现象,8,有色金属冶炼过程的传输现象,9,轧制过程的传输现象,10,新技术领域的传输现象简介,目录,CONTENTS,高炉炼铁,是钢铁生产长流程中的一个重要环节，在能源效率方面优于其他炼铁方法,，成为,现代炼铁的主要方法。高炉是气体、固体和液体三相流共存的反应器，携带热能和,化学能,的煤气流在与炉料的逆向运动过程中完成了传热、传质和化学反应过程。,气体动力学条件,是冶炼过程中气相、液相和固相间进行传热、传质的先决和前提条件。因此，控制,和调节,高炉内煤气流的流动和分布，促使炉料均匀稳定地下降、实现热能和化学能的充分,利用成为,高炉强化生产的核心问题之一。,3,高炉,冶炼过程的传输现象,传输原理应用实例,高炉炼铁,生产是利用还原剂还原含铁原料，经济、高效地得到温度和成分符合要求,的液态,生铁的过程。冶炼时从炉顶装入铁矿石、焦炭及其他辅助原料，从位于炉缸上部的,风口,鼓入热风，并喷吹煤粉等辅助燃料。在高温下燃料中的碳与热风中的氧反应生成煤气,并放出,热量，携带大量热量的煤气在炉内上升过程中与逆向运动的炉料相遇，发生还原,反应,，并进行热量交换，铁氧化物被还原为铁，不能被还原的杂质进入高,炉渣。,3,高炉冶炼过程的传输现象,3.1,高炉炼铁,生产工艺简介,块料带,高炉内部区域,软熔带,滴落带,Ore,Coke,Lumpy zone,Cohesive zone,Dropping zone,Dead mand,燃烧带,渣,铁聚集区,高炉,内存在着气、固、液三相流动，即高速向上运动的煤气流，自上而下运动的,固体炉料,流和液态渣铁流，其中，高炉上部块料带内存在着气、固两相运动，而软熔带和,滴落带,则存在着气、固、液三相共存的运动。以动量传输为特征的三相流力学过程是高炉,冶炼的,基础过程，决定了高炉冶炼是否稳定顺行、煤气的热能和化学能能否充分利用。煤气,在炉,内的分布形态在很大程度上决定着煤气的利用，而煤气的稳定分布则在很大程度上,决定着,炉况的,顺行。下面将详细分析煤气流经固体散料层、煤气流经软熔带和煤气流经滴落带的动量传输现象。,3,高炉冶炼过程的传输现象,3.2,高炉,动量传输,3,高炉冶炼过程的传输现象,煤气流经固体散料层,1,块料带煤气流分布,料层空隙度,颗粒的排列状态,粒度组成,颗粒的形状,粒度组成,比表面积,3.2,高炉,动量传输,料层空隙度、粒度组成的,关系,三种粒度球形混合料的空隙度变化,3,高炉冶炼过程的传输现象,煤气流经固体散料层,1,3.2,高炉,动量传输,两种,粒级混合料层中，粒径差别越大，空隙度越小，,大小散,料粒径比达到,约,66.6,时，空隙度降到最低，而粒径比较均匀时（不论粒径大小），,空隙,度最大,。,在,三种粒级混合料层中，最小粒径与最大粒径的含量比对空隙度影响,最大。,3,高炉冶炼过程的传输现象,煤气流经固体散料层,1,散料层阻力损失公式,扎沃隆科夫公式,埃根公式,(Ergun),3.2,高炉,动量传输,3,高炉冶炼过程的传输现象,煤气流经固体散料层,1,埃根公式应用：,1.,2,.,透气性指数,3.,定性分析高炉顺行情况下的产量极限,3.2,高炉,动量传输,3,高炉冶炼过程的传输现象,煤气流经固体散料层,1,流态化现象及分析,在,高炉上部块料带内，煤气向上穿过料层,时,，在,低,流速阶段，气流速度增大导致煤气压力降随之升高，,当颗粒受到的气流浮力等于颗粒的重量时，产生悬料，空隙度减小或不随流速增大而增大，从而阻力损失急剧增加。,流速增大到一定值后，炉料开始松动，散料体积膨胀，空隙度增大，散料颗粒重新排列，进而颗粒间失去接触而悬浮，料层极不稳定，气流会穿过料层形成局部通道而逸出，阻力损失降低，形成区域性流化现象，即“管道行程”,。,一般,采用韦恩,(wenn),的实验式计算求得炉喉部分矿石最小流态化开始,速度,。,3.2,高炉,动量传输,3,高炉冶炼过程的传输现象,煤气流经固体散料层,1,3.2,高炉,动量传输,宝钢,高炉,v/v,mf,与,年平均利用系数的关系图,宝钢的,v/v,mf,数据,规律性强，在远离流态化的区域，随利用系数的增大，,v/v,mf,比值,呈平稳,上升趋势,，说明高炉炉况稳定、顺行，局部发生炉料吹出和管道的可能性小，利于达到高产、,低耗,。相比之下，日本京滨高炉,的,v/v,mf,数据,比较分散，反映出京滨高炉操作的波动比较大。,3,高炉冶炼过程的传输现象,当,煤气向上运动到软熔带时，由于软熔带内矿石层已开始软化熔融，体积不断收缩，空隙度急剧减少，煤气只能通过空隙较多的焦炭层（俗称焦窗），气流通道约减少,1/2,。,煤气流经软熔带,2,V,型,边缘气流，炉料的下降阻力较小，煤气利用差，且对炉墙的冲刷严重,型,中心气流，中心活跃，炉墙对炉料下降有较大的阻力,W,型,中心和边缘两道气流，可以兼顾煤气的利用和高炉的顺行，但是强化高炉煤气利用的潜力有限，且煤气流动会产生冲突，不利于煤气的分布,软熔带,3.2,高炉,动量传输,3,高炉冶炼过程的传输现象,煤气流经软熔带,2,定量描述软熔层的阻力损失,变化,的公式：,（,原,Ergun,公式,修正,而来）,3.2,高炉,动量传输,3,高炉冶炼过程的传输现象,煤气流经软熔带,2,于海彬等对高炉软熔带附近气体流动过程进行二维稳态,模拟,的,研究,结果：,软熔带下部煤气流动状况,软熔带中部煤气流动状况,3.2,高炉,动量传输,在风口燃烧带,生成的高温煤气快速向上冲向软熔带，气流因此受到极大的阻碍，造成软熔带,下方产生回流；,由于,软熔矿石层透气性很差，大部分气流会绕过透气性差的矿石,层，从焦炭层中,流过。,3,高炉冶炼过程的传输现象,煤气流经软熔带,2,软熔带上部煤气流动状况,软熔带,附近煤气流动流线图,3.2,高炉,动量传输,煤气,流经软熔带后，上部炉料透气性逐步变好，且上,部空间越来越小，煤气流速不断增加，煤气又逐步向中心,发展,。,滴落,带是熔化了的渣铁通过焦炭的空隙向下滴落的区域，矿石已经软融，唯有焦炭仍然保持固态。煤气能否顺利通过此区域，主要受焦炭和液态渣铁两方面的影响,。它是,一个三维动态、高温、充满化学反应且三相共存的逆流填充床，不定因素很多,，一般,通过在埃根方程中增加渣铁滞留率 对其进行修正，来分析滴落带的阻力,损失。,煤气流经滴落带,3,3,高炉冶炼过程的传输现象,3.2,高炉,动量传输,煤气流经滴落带,3,3,高炉冶炼过程的传输现象,液泛,现象是限制高炉强化的因素之一，是导致下部悬料的主要原因。当渣量过大、流动性不好或者煤气流速加快时，渣铁液滴与气流的摩擦力增加，,滞留率,增大，煤气阻力损失变大，严重时甚至出现渣铁液滴被上升气流反吹向上的现象，,形成液泛,。,研究,表明，,液泛,的发生与液体流量、煤气流量和流速、液体和气体的密度和黏度等有关，将上述诸,因素归纳,为液泛因子,和流量比,两组无量纲数群来判定产生液泛的,条件,。,液泛,因子：,流量比,：,高炉内的液泛极限图,3.2,高炉,动量传输,3,高炉冶炼过程的传输现象,斯坦迪（,Standish),的研究：,煤气流经滴落带,3,充填层中液泛与流态化的识别图,滞留量和压力损失随煤气流速变化的示意图,3.2,高炉,动量传输,项中庸等通过对宝钢高炉下部气体动力学,现象,的,研究结果：,3,高炉冶炼过程的传输现象,煤气流经滴落带,3,3.2,高炉,动量传输,宝钢,高炉,v/v,mf,与,年平均利用系数的关系,图,宝钢,高炉强化程度很高，煤气流速高位,运行，还有强化的潜力；,随着利用系数的提高,，炉,内煤气流速远离了液泛区域,，炉况,稳定，高炉,顺行。,日本,京滨高炉的数据比较分散，说明操作波动比较大,，且,v/v,mf,值,随利用系数的提高而呈上升趋势，,高炉,冶炼反应是高温、高热量消耗的反应，合理的煤气流和温度分布是保证高炉,顺行,、稳定和煤气充分利用的基础。高炉内煤气自风口区经炉腹向上流动，通过对流、,辐射和,传导的方式将热量传给炉料，使炉料温度在下降过程中逐渐升高，而煤气温度在上升,过程,中逐渐降低。炉顶温度和渣铁温度的高低，即为煤气与炉料热交换的结果,。下面分别根据软熔带模型、风口燃烧带模型和炉缸炉底模型详细分析高炉内的热量传输现象。,3,高炉冶炼过程的传输现象,3.3,高炉热量传输,3,高炉冶炼过程的传输现象,高炉,软熔带是炉内煤气通过阻力最大的区域，其形状影响着高炉煤气的分布，而,软熔带,的传热现象，与气流的分布密切相关,。,软熔带,的形状和位置直接影响,着块,料带和滴落带的体积，因而影响上、下部炉料与煤气之间的传热与传质过程的进行和,炉料,下降的均匀性。高炉内温度分布对软熔带的形状和位置具有决定性的,作用。,软熔带,模型是高炉煤气流分布和上下部调剂结果的直观反映和重要监视手段，正确,推定,和应用软熔带模型对高炉生产操作具有很好的指导作用。,软熔带模型,1,3.3,高炉热量传输,彭兴东对,宝钢集团一钢公司（一钢）,2500,3,高炉的软熔带形态的研究：,3,高炉冶炼过程的传输现象,软熔带模型,1,3.3,高炉热量传输,3,高炉冶炼过程的传输现象,软熔带模型,1,不同日期软熔带形状和位置图,（,a,）,2003-07-20,；（,b,）,2003-08-25,；（,c,）,2004-01-30,；（,d,）,2004-02-04,；,3.3,高炉热量传输,软熔带的形状,分析结果,该高炉,的软熔带形状大致为“”形和“”形。,但中心,和高炉中心有所偏离，在高炉径向方向分布不太均匀。,软熔带的位置,软熔带,的根部和顶部位置相对较高，说明块状带体积较小，不利于气固相的热量交换和,还原反应,的进行，因而煤气利用率较低，炉顶煤气温度,较高。,得出结论,该,高炉利用系数达到,了,2.45,以上,，且比较稳定，,铁水,Si,含量,在,0.4%,以下,，说明软熔带的形状和位置是基本合理的。,3,高炉冶炼过程的传输现象,软熔带模型,1,3.3,高炉热量传输,风口,燃烧带是焦炭做回旋运动并燃烧的区域，燃料燃烧生成了初始煤气，同时也,产生了,高温热量，是高炉冶炼所需热能和化学能的主要来源。风口燃烧带内的传热传质过程，,不但会影响风口燃烧温度和煤气的分布，而且还会影响炉缸内渣铁的温度和生铁质量。,因此,它是高炉冶炼过程顺利进行和高炉强化的关键。,风口燃烧带模型,2,3,高炉冶炼过程的传输现象,3.3,高炉热量传输,风口燃烧带模型,2,3,高炉冶炼过程的传输现象,郭术义对莱钢,750m,3,高炉回旋区的模拟研究结果：,z=0,平面内气体温度图,z=0,平面内,CO,组分分布图,3.3,高炉热量传输,风口燃烧带模型,2,3,高炉冶炼过程的传输现象,z=0.8,平面内,CO,组分分布图,结论：,CO,主要,集中于高炉的边缘，因此，可以判定煤气流在上行的过程中，中心气流弱，,而边缘,气流强。,3.3,高炉热量传输,导致,炉缸、炉底烧穿的原因主要是铁水对炉缸和炉底的冲刷、,氧化,及化学侵蚀。如果能在高炉炉缸和炉底冻结一层渣铁壳，将铁水与炉缸、炉底隔离，,便可,阻止铁水对炉缸和炉底的冲刷、氧化及化学侵蚀。生产实践表明，采用具有良好导热,能力,的炭砖和合理的冷却相结合，能够形成理想,的,1150,等温线，即铁水凝固线，而炉缸,炉底,工作表面形成稳定的渣铁凝结层则是长期稳定工作的可靠保证。,炉缸炉底模型,3,3,高炉冶炼过程的传输现象,3.3,高炉热量传输,炉缸炉底模型,3,3,高炉冶炼过程的传输现象,3.3,高炉热量传输,程树森等应用传热学理论建立了炉缸和炉底温度场的,数学模型，得出结果如下：,传,热法,：,利用炭砖,(,炉底炭砖材质相同,),的,高导热