非平衡态热力学理论与钢铁冶金过程

第)<卷第=期.>>;年))月

天津化工

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非平衡态热力学理论与钢铁冶金过程

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何力佳!，，王建中"，曹丽云"，苍大强!

（)K北京科技大学冶金与生态工程学院，北京))>>?2；辽宁锦州).)>>)）.K辽宁工学院材料与化学工程学院，

摘要：钢铁冶金过程具有典型的非平衡和非线形特征。本文分析讨论了基于非平衡态热力学、耗散结构和混沌理论来研究处理实际钢铁冶金过程。认为：为真实地定量描述实际冶金过程，应该加强、加速开展和进行冶金过程非平衡态热力学及其应用的研究。

关键词：非平衡热力学；耗散结构；混沌；高炉；脱碳；脱硫；连铸；快速凝固中图分类号：L=8.

文献标识码：@

文章编号：（.>>;）)>>?J).=M>=J>>;8J>8

非平衡态热力学以开放的非平衡系统及不可逆过程为研究对象，是一门关于结构、稳定性及涨落的热力学理论。近年，将非平衡态热力学应用于冶金过程，解释了许多不甚清楚的冶金现象，是目前冶金学科的热点问题之一。研究工作从利用线性平衡态热力学理论拓展到非线性非平衡态热力学领域，主要的理论有!"#$%$#&’的耗散结构理论()*，

式中，@、B、F、C分别为反应物与生成物，!G为反应的生成热，交集符号D表示反应进行的条件，!表示反应进行的方向，在一定条件下是可逆的。

高炉操作方针要求“安全、顺行、稳定、均衡”，高炉炉温是体现这些要求的重要指标。目前没有在线直接检测炉缸铁水物理温度的一次检测元件，一般用铁水含硅量(H#*来间接反映炉缸的热状态。作为这种非线形描述的关键参数(H#*，当我们把不同企业、不同条件下的高炉铁水硅含量(H#*时间序列图放在一起进行比较分析时，很容易看到炉温波动的“混沌相似性”。这种混沌相似性在任何高炉，都是客观存在着。差别只是波动的频率与幅度不同而已。炉温(H#*的“混沌形似性”是建立高炉冶炼过程变频统计分析方法的工艺原理基础，是求解高炉冶炼过程统计优化规律的依据。

近期，浙江大学的有关学者(=*以山东莱钢)号高炉和山西临钢=号高炉在线采集(H#*时间序列为样本空间，容量为)>>>炉数据，利用相空间重构技术和IJ!算法，得出了莱钢)号和临钢=号高炉冶炼过程的混沌吸引的饱和关联为数存在且为分数，证明了两座高炉冶炼过程具有混沌特性，这为进一步用混沌理论来分析研究高炉冶炼过程以及炉温的混沌预测与动态控制开辟了一条新路。

+,-’&的协同理论(.*，/0%1的突变论(2*，3,&4’56"%7的

根据钢铁冶金流程的特点以及分形几何理论(8*等，

所涉及到的复杂物理化学变化，我们发现对应钢铁冶金过程的不同阶段，普遍具有非线性非平衡特征。

!混沌与高炉炼铁过程

美国气象学家9%"’&:(;*在)<=2年首次发现混

沌。混沌是非线形耗散系统中产生的一种貌似随机的不规则现象，是非线形确定系统内在随机性的表现。它具有对初值极端敏感性和系统长期行为不可预测性。从混沌系统的这一本质特征出发考察高炉冶炼过程，我们可以看到高炉炉温发展过程对初值的极端敏感性等特征，从而定性地说明高炉系统上一种混沌系统。

高炉的冶炼过程是一个高度复杂的非线形过程。炉内发生的主要化学反应多达)>?种，可分为三类：还原剂与热量的生成反应；铁氧化剂的还原反应；其他氧化物还原反应。这些反应在高炉的不同部位、不同条件下进行，并且走过不同的反应途径，消耗着不同的能量，得到不同的反应结果。我们用广义化学反应方程式表达其反应过程是：

（浓度@AB!CA!!D显著反应起始温度"（压力D#）$E）（)）

"非平衡态热力学在冶金界面反应

中的应用现状

脱碳和脱硫反应是钢铁冶金中的基本反应，对

收稿日期：.>>;J>;J);

第50卷第@期何力佳等：非平衡态热力学理论与钢铁冶金过程??

钢铁工业特殊的重要性。对铁液中的!"#反应本身和脱碳过程的研究，有关的报道，包括热力学的动力学，难以枚举。随着实验手段和测试技术的进步，结果的精度也不断提高，这里值得和必须提到的一点是已经发现了关于这个反应的非线性平衡现象$%&，即铁液中碳或氧的浓度随化学位梯度而变，以非线性的动力学模型作分析，可以再现有关电磁悬浮熔炼脱碳或氧化过程中铁液内碳和氧浓度的非线性变化的实验结果$’&，尽管所作的分析基本还是基于化学动力学，但这项结果仍十分有意义，它证实了脱碳过程确实具有非线性和非平衡性。对()真空循环脱碳（脱气）过程，*+,+-+./等$0&。12344等$56&，728+.+9+等$55&都曾从冶金反应工程学的角度作过数学模拟，建立了一维模型。魏季和等

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也对()和()"7<=

过程提出了一个一维模型。文献中有关的研究还有很多，但这些模型都存在这样或那样的不足。

关于铁液的脱硫反应本身和脱硫过程，包括喷粉脱硫过程，涉及热力学和动力学，以及过程的数学模拟等。文献$5>&就钢液真空循环（()）精炼喷粉脱硫过程的动力学和数学模拟研究，即使仅考虑到

()过程特殊的操作和精炼条件就不难理解，关于

钢包内钢液喷粉脱硫过程现有的动力学和数学模型也难以直接应用于钢液真空循环（()）精炼喷粉脱硫这一非平衡过程热力学上说，高的熔渣碱度、高的温度和低的氧位是钢液脱硫的必要条件。然而，在过程的动力学上，钢液的喷粉脱硫就不那么简单，从冶金反应工程学的角度看。则更为复杂，随着冶金反应工程学的成长，钢液喷粉脱硫过程研究的特点和进步是从冶金反应工程学的角度，以冶金反应学的观点、原理和方法来研究喷粉脱硫过程，把精炼反应与体系内的流动现象、工艺和操作参数等相结合。但是，这些动力学和过程数学模型，如钢液真空循环（()）精炼喷粉脱硫过程的动力学模型，同样都存在这样或那样的不足，亦都没有充分考虑过程本质上的非线性和非平衡性。

东北大学学者翟玉春等$5?，5@&

在均相单一化学反

应的不可逆热力学的基础上，将其扩展到远离平衡体系，建立了有界面存在的远离平衡的化学反应体系的不可逆过程热力学方程，并将其应用于渣金间的氧化锰还原反应，得到了氧化锰还原的不可逆过程热力学的动力学方程。是将不可逆过程热力学应用于远离平衡体系的一次有益尝试。运用冶金反应

工程学和非平衡态热力学的观点，原理和方法来研究实际冶金过程，如真空循环精炼脱碳和喷粉脱硫这样典型的非平衡过程，$涉及的是气—液型反应和（弥散相）液—液和液—固反应&，可更深入地搞清其本质和内在规律，不同操作条件、工艺及几何参数等的影响，由此研制更切合实际的过程数学模型。这对推动和促进真空循环精炼超低碳钢和超低硫钢冶炼技术及冶金反应工程学（冶金科学和技术）的进步与发展，无疑具有重要的科学意义和实用价值。

!非平衡态动力学理论与薄带坯连

铸的凝固过程

目前，连续铸钢技术研究的热点问题有：连铸坯热装热送技术（!!"A)!(），近终形连铸技术（薄板、薄带、异形坯连铸技术），快速凝固钢带连铸技术，水平连铸技术等。其中快速凝固钢带连铸技术是研究热点问题，将非平衡态热力学应用于此将是个有益的尝试。

由于快速凝固所具有的特点，当金属及合金在快速凝固时，往往 …… 此处隐藏：6470字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……