高炉冶炼过程中的动量传输
材料加工冶金传输原理自然对流传热的计算
材料加工冶金传输原理自然对流传热的计算（最新版）目录一、材料加工冶金传输原理1.动量传输2.热量传输3.质量传输二、自然对流传热的计算1.自然对流空气冷却式冷凝器的传热计算2.强制通风空气冷却式冷凝器的传热计算三、应用实例1.材料加工中的应用2.冶金工程中的应用正文一、材料加工冶金传输原理在材料加工和冶金工程中，动量、热量和质量的传输是非常重要的过程。
动量传输指的是流体流动过程中，动量在流体中的传递和分布。
热量传输则是指热量在流体中的传递和分布，通过传热过程，可以实现流体温度的变化和热量的传递。
质量传输是指在流体中，质量的传递和分布，可以实现流体组成和浓度的变化。
动量、热量和质量的传输过程是相互关联的，它们在材料加工和冶金工程中起着重要的作用。
例如，在钢铁冶炼过程中，需要通过热量传输实现钢铁的熔化和凝固，同时需要通过动量传输和质量传输实现钢铁成分的均匀分布和调控。
二、自然对流传热的计算自然对流传热是一种常见的传热方式，它主要依赖于流体的自然对流和湍流。
在自然对流传热中，流体的温度差会导致流体的密度差，从而产生自然对流。
自然对流传热在空气冷却式冷凝器、散热器等设备中有着广泛的应用。
对于自然对流空气冷却式冷凝器的传热计算，可以采用一种比较简单的近似传热计算方法。
这种方法主要考虑了流体的自然对流和湍流，可以较为准确地预测冷凝器的传热效果。
强制通风空气冷却式冷凝器的传热计算则需要考虑流体的强制通风和湍流。
通过传热计算，可以优化冷凝器的结构和设计，提高冷凝器的传热效率。
三、应用实例材料加工和冶金工程中的动量、热量和质量传输原理，在实际应用中具有广泛的应用。
例如，在钢铁冶炼过程中，通过控制流体的动量、热量和质量传输，可以实现钢铁的熔化、凝固和成分调控。
在铝合金铸造过程中，通过控制流体的动量、热量和质量传输，可以实现铝合金的熔化、凝固和组织调控。
自然对流传热在空气冷却式冷凝器和散热器等设备中的应用，可以提高设备的传热效率，降低设备的能耗。
材料加工冶金传输原理自然对流传热的计算
材料加工冶金传输原理自然对流传热的计算（原创实用版）目录一、材料加工冶金传输原理1.动量传输2.热量传输3.质量传输二、自然对流传热的计算1.自然对流空气冷却式冷凝器的传热计算2.强制通风空气冷却式冷凝器的传热计算正文一、材料加工冶金传输原理在材料加工和冶金工程中，流体流动、传热和传质过程是重要的环节，它们对整个工艺过程的产生和影响不容忽视。
为了更好地理解和掌握这些过程，我们需要从动量、热量和质量传输的角度进行深入研究。
1.动量传输动量传输是指流体在运动过程中，由于流速和压力的变化导致动量的传递。
在材料加工和冶金工程中，动量传输通常涉及到流体的输送和混合过程，以及流体与固体颗粒之间的作用力。
2.热量传输热量传输是指热量从高温区域向低温区域传递的过程。
在材料加工和冶金工程中，热量传输主要包括热传导、热对流和热辐射三种方式。
其中，热对流是指由于流体的流动导致热量的传递过程。
3.质量传输质量传输是指物质在流体中传递的过程。
在材料加工和冶金工程中，质量传输通常涉及到溶质、悬浮颗粒和气泡等在流体中的传递和分离过程。
二、自然对流传热的计算在制冷装置中，自然对流空气冷却式冷凝器和强制通风空气冷却式冷凝器是两种常见的传热设备。
下面分别介绍它们的传热计算方法。
1.自然对流空气冷却式冷凝器的传热计算自然对流空气冷却式冷凝器的传热计算通常采用牛顿冷却定律和热传导定律相结合的方法。
首先，需要确定冷凝器的热负荷和传热系数；其次，根据冷凝器的结构和材料，计算出冷凝器的热传导阻力和热容；最后，利用牛顿冷却定律计算出冷凝器的传热速率。
2.强制通风空气冷却式冷凝器的传热计算强制通风空气冷却式冷凝器的传热计算通常采用对流传热公式进行计算。
首先，需要确定冷凝器的热负荷和传热系数；其次，根据冷凝器的结构和材料，计算出冷凝器的对流换热系数；最后，利用对流传热公式计算出冷凝器的传热速率。
第二章 高炉炼铁过程的传输现象
• 得到合理的煤气流分布，使炉料与煤气
能够充分接触，强化炉料、气流间的传
热与传质过程。
主要内容
• 2.1.1 煤气流经固体散料层的一般规律
• 2.1.2 炉料下降的条件
• 2.1.3 逆流运动中散料的有效重量
2.1.1 煤气流经固体散料层的一般规律
煤气流经固体散料层 →与炉料、炉墙间存
GS: 高炉截面炉料流量，kg ／h;
Cs : 炉料比热，kcal ／kg · ℃;
Gg : 高炉截面煤气流量，m3 ／h; Cg : 煤气比热， kcal ／m3· ℃。
（2）沿高炉高度方向水当量的变化特点
• Wg : 沿高炉高度方向，基本保持不变。Wg=Gg · g C • 原因：高炉下部，煤气量相对较少，但煤气温度高，比热 较大；而高炉上部，煤气量增加（直接还原产生CO、熔剂分解 产生CO2），但煤气温度下降，比热减小；
• 2.2.1 炉内温度分布规律 • 2.2.2 水当量
•2.2.1 炉内温度ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ布规律
Ws ts tg Wg
（50℃）
W
•2.2.1 炉内温度分布规律
•2.2.1 炉内温度分布规律
热交换空区大约占炉身高度的50%~60%，
如此长的区域，从热交换来看，似乎不起什么
作用，但对间接还原来说是非常重要的。
第二章 高炉炼铁过程的 传输现象
前言
传输——动量传输（速度差）、热量传输
（温度差）、质量传输（浓度差）。
第一章中，介绍了高炉冶炼过程的传质现
象； 本章主要介绍高炉冶炼过程的动量及热量 传输。
主要内容
• 2.1 高炉中的动量传输 • 2.2 高炉内的热量传输
高炉冶炼过程中的炉料与煤气运动
高炉冶炼过程中的炉料与煤气运动高炉冶炼过程中的炉料与煤气运动高炉冶炼过程中伴随着物质与能量的传递过程。
这些物理过程是在流动的物质中发生的，即反应介质是以一定的速度运动而展开的，形成了以动量传递为基础的物质传递和热量传递。
高炉冶炼是在炉料自上而下，煤气自下而上，即在两个相互逆向运动过程中进行的，逆向流股中热量及动量的传递与输送包括两个物理机理，一种是由物质的分子运动引起的传递过程，另一种是流体微团移动引起的输送过程。
高炉的冶炼过程尽管十分复杂，但是它具有的传输现象的特点仍然是很明显的。
例如煤气穿过炉料层而上升是流体力学现象；煤气流加热炉料是传热现象；煤气流还原铁矿石以及风口前燃烧等都包含着气体扩散的传质现象。
因此，高炉冶炼的工艺原理，由于结合了传输理论的应用而进入新的阶段。
一、散料层的流体力学现象分析1、散料的主要参数矿石、焦炭、石灰石等粒状物叫散料，它们的透气性对高炉冶炼指标有极大的影响。
从流体力学看，散料各个颗粒间空隙所占的相对体积及单位体积的总表面积，对透气性有决定性影响。
（1）空隙度散料各个颗料间空隙所占的相对体积即孔隙率或空隙度。
（2）比表面积散料体积中物料的表面积与体积之比称为比表面积。
（3）形状系数（4）当量直径（5）平均流速2、炉料下降的力学分析物体在运动过程中总会遇到阻力，当炉料在高炉内自上而下运动时也是如此，炉料要往下运动必须使它自身的重力超过阻力，受到的阻力主要来自三个方面：（1）炉料与炉墙之间的摩擦力P；墙；（2）炉料与料柱下部死焦堆之间的摩擦力P料。
（3）上升煤气对炉料的阻力及阿基米德浮力△P浮3、煤气经散料层的阻力损失高炉内煤气穿过炉料的通路近似于许多平行的、弯弯曲曲的、断面形状多变化的、但又是互相连通的管束，煤气流穿过这些管束的压力降是煤气作用于散料层的一种阻力或浮力，风压变化即代表这种阻力变化。
4、在有液相条件下的煤气流动高炉下部和炉身干区不同，这里唯一尚存的固体炉料是焦炭，在与煤气流向上的同时，液体渣铁往下滴落穿过焦炭的空隙，在气、固、液三相之间进行着剧烈的传热，还原与气化反应。
冶金传输原理的应用实例
冶金传输原理的应用实例1. 概述本文将介绍冶金传输原理在实际应用中的一些实例，并探讨其在冶金领域中的重要性和应用前景。
2. 冶金传输原理冶金传输原理是指在冶金过程中，通过传输将物质从一个位置或状态转移到另一个位置或状态的基本原理。
冶金传输原理包括传质、传热和传动三个方面。
其中，传质是指物质的扩散和迁移过程，传热是指热量的传递过程，传动是指动力的传递过程。
3. 实例一：高炉冶炼过程中的冶金传输原理应用3.1 概述高炉冶炼是冶金过程中的一项重要工艺，其实质是将矿石经过还原反应，使金属氧化物还原为金属。
在高炉冶炼过程中，冶金传输原理起到了至关重要的作用。
3.2 应用实例•传质：高炉冶炼过程中，矿石中的金属氧化物通过还原反应转化为金属。
可以利用冶金传输原理，通过控制温度、气体流动和矿石粒度等参数，促进还原反应速度，提高金属的回收率。
•传热：在高炉冶炼过程中，需要提供高温环境，将矿石加热至足够的温度以实现还原反应。
通过合理设计高炉结构和加热装置，利用冶金传输原理，可以提高传热效率，降低能源消耗。
•传动：高炉冶炼过程中，需要持续供给燃料和矿石，并排出冶金产物。
通过冶金传输原理，可以设计合理的输送系统和排放系统，确保原料和产物的顺畅传输，提高冶炼效率。
4. 实例二：锻造工艺中的冶金传输原理应用4.1 概述锻造是一种常用的金属加工工艺，通过冶金传输原理，将金属加热至可塑状态，然后施加力量使其发生塑性变形，最终得到所需的形状和尺寸。
4.2 应用实例•传质：在锻造过程中，金属材料需要加热至可塑状态，以便进行塑性变形。
采用冶金传输原理，通过控制加热时间、加热温度和加热介质等参数，实现金属材料的均匀加热，提高锻造质量。
•传热：在锻造过程中，需要对金属材料进行加热和冷却处理，以控制其结构和性能。
利用冶金传输原理，可以设计合理的加热和冷却工艺，提高材料的热处理效果。
•传动：在锻造过程中，需要施加力量使金属材料发生塑性变形。
第4章冶金中的动量传输.
16:15:12
第4章 冶金中的动量传输
1
第4章 冶金中的动量传输
两相流动
气-液两相
气-固两相
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第4章 冶金中的动量传输
2
第4章 冶金中的动量传输
固相：粒 状的固体 料块和由
料块堆集
的散料层， 气-固两相 流动可视 为气体通 过料块或 散料层的 流动。
16:15:12 第4章 冶金中的动量传输 3
pA ( p dp) A ρaA(a d ) a
2018/8/4
31
4.2.1 气体的音速
方程联立整理得：
a2
dp dρ
a
dp dρ
通过微弱扰动波的传热量极小，接近于绝热过程。因此，微弱扰动 波传播的热力学过程可看作等熵过程。
a
dp dρ s
16:15:12
4
d v 02
2 2
4qV0
d
2 2
m/s
23
第4章 冶金中的动量传输
4.1.2 烟囱
（2）烟囱实际抽力hV计算
hV (1.2 ~ 1.3 ) hL
（3）烟囱动压头增量Δhd计算
2 2 2 2 v3 v03 t3 v02 v2 t2 hd ρ g ρ g ρ0 (1 ) ρ0 (1 ) 2 2 2 273 2 273
第4章 冶金中的动量传输
位压头 上方气体<下方气体
16:15:12 9
4.1.1 热气体（烟气）的流动规律
2）热气体的静压头hs
单位体积热气体所具有的静压能与外界同一平面上单位体积大气所具 有的静压能之差。
冶金工业中对冶金传输原理的应用
冶金工业中对冶金传输原理的应用合肥学院机械系...........................摘要：本文主要论述了传输原理理论在冶铁工业中的应用，以及运用传输原理对对冶铁工艺的完善优化和传输条件的改善等，和传输原理理论随着科学的发展与计算机技术结合而广泛应用于各个领域，成为现代冶金过程的理论基础。
绪论：从20世纪50年代以来，随着科学技术的发展，传输理论已成为一门独立学科，并广泛应用于冶金、材料、机械、化工、能源、环境等领域。
在冶铁方面就有高炉炼铁的气固两相流动。
高炉强化冶炼，目的就是改善传输条件。
转炉炼钢的气液两相流动，转炉底吹，目的也是改善传输条件。
所以，冶金传输原理即为冶金中的动量、热量、质量传输理论，它已成为现代冶金过程理论的基础。
为冶金工业的技术革新提供理论基础。
在当下，冶铁工业依然立足于冶金传输原理理论基础，与计算机模拟技术相结合，让冶金传输原理基础理论得到更加科学的应用。
关键词：冶铁、传输原理、计算机控制、应用正文：钢铁的冶炼从古自今都是一个国家的重中之重，冶炼方法的变革创新都将是一个国家工业实力的体现，而冶铁技术工艺过程的优化与创新都离不开理论原理与技术经验的支持，冶金传输原理就是支持技术变革的重要基础理论，每一次的冶金技术的优化提高都是对冶金传输原理理论的更加充分的应用。
钢铁的冶炼的发展是复杂而曲折的，从炒钢法、灌钢法到土法小高炉炼铁以及现代的高炉炼铁，每一次技术的革新，冶金传输原理理论都起到不可或缺的作用。
传输现象是自然界及工程技术中普遍存在的现象，大多数金属的提取、精炼、浇铸等过程与传输即流体流动有着密切的联系。
也就是说，传热、传质与流体流动特性密切相关。
高炉炼铁过程、转炉炼钢过程、炉外精炼及钢水的浇注等钢铁冶金高温生产过程中，均存在动量、热量和质量三者的传递过程，并且它们是相互关联、相互耦合的。
流体流动过程中的流速的变化反映动量的变化，因此研究流体流动即动量的传输，掌握其有关的规律性，对冶铁设备的设计与改进以及冶金过程的优化与控制具有重要意义。
5.高炉冶炼过程的传输现象(08级)
6(1 - ε ) πd 3 0
比表面积
料块S↑→摩擦阻力 、∆P↑ 摩擦阻力↑、 料块 摩擦阻力
形状系数φ：实际炉料并非规则球形，为了修正，引入φ 形状系数 ：实际炉料并非规则球形，为了修正，引入φ
（ − ε） 61 d0 d′ 等体积圆球表面积 φ= = = 0 <1 （ − ε） d 0 61 料块表面积 d′ 0
ε3 1− ε
一座高炉燃料比决定后，产量∝送风量，炉内煤气量∝ 一座高炉燃料比决定后，产量∝送风量，炉内煤气量∝送 风量，炉内压力降（ ） 炉内煤气量，（ ，（∆P） 风量，炉内压力降（∆P）∝炉内煤气量，（ ）↑↑→煤 煤 气流支托起炉料（悬料） 气流支托起炉料（悬料）
欧根公式可以定性分析高炉产量的极限 欧根公式的限制 表达式是从固定床条件下推导出来的， 表达式是从固定床条件下推导出来的，只适用于炉身上部 没有炉渣和铁水的“干区” 高炉实际是移动床， 没有炉渣和铁水的“干区” 。高炉实际是移动床，ε移>ε
料块当量直径↑→摩擦阻力 、∆P↓ 摩擦阻力↓、 料块当量直径 摩擦阻力
煤气流经散料层的阻力损失 ρ g ω空 2 (1 − ε ) ηω空 (1 − ε ) 2 欧根公式 ∆p / L = 150 + 1.75 2 3 ( d eφ ) ε φd e ε 3
式中：ΔP/L－散料层的压力降梯度（牛顿/ 式中：ΔP/L－散料层的压力降梯度（牛顿/米2/米）； 气体粘度（Pa·s μ－气体粘度（Pa s）； 气体的空炉流速（m/s）； ω空－气体的空炉流速（m/s）； 颗粒的当量直径（ de－颗粒的当量直径（m）； 气体密度（ ρ－气体密度（kg/m3）； ε－散料层的空隙率； 散料层的空隙率； 颗粒的形状系数。 φ－颗粒的形状系数。
第四章高炉冶炼过程中的传输现象
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吴胜利 杨世山 国宏伟
2.1 煤气流经固体散料层的一般规律
（1） 散料的流体力学特性(参数)
①空(孔)隙度(率)(Porosity)ε(m3/m3) ε↑ → ΔP↓
ε ＝V空 ＝V散－V料 ＝1－ V料 ＝1－ r散 < 1
V散
V散
V散
r料
直径相同时：
ε=0.467 (最大)
ε=0.263 (最小)
传热学
热工
扩散和化学反应
冶金及物理 化学
高炉冶炼过程的传输现象
3/65
吴胜利 杨世山 国宏伟
内容结构
1高炉冶炼过程的传输特征
3高炉内的热量传输 3.1炉内温度分布规律
（上部热交换、空区、下部热交换） 3.2水当量
（定义、高度方向的水当量变化特 征、三个区域热交换特征）
3.3高炉条件下的传热方式和给热系数 （传热方式、各个部位的特点）
ε↑
粒度差别越 大，ε越小
64
0 粗粒比例% →
例如：大、小颗粒单独存在时，ε均约为0.40； 若加以混合，则 ε＜0.40 特别当大颗粒占64%，小颗粒占36%时，ε为最小。 而且当粒径比愈小时，ε降低得愈厉害。
高炉冶炼过程的传输现象
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吴胜利 杨世山 国宏伟
2.1 煤气流经固体散料层的一般规律
传输原理——研究反应的速率 (Rate)问题
反应物、生成物 能否及时传递?
热量补偿能否 及时完成等
高炉冶炼过程的传输现象
2/65
吴胜利 杨世山 国宏伟程中起重要作用：
传输 原动力(动 过程 力源)
基础学科
研究者
动量 传递
热量 传递 质量 传递
1动量传输的基本概念
M SIT/MED
1.4 流体的黏性及牛顿黏性定律
运动黏度
kg m s m2 s ⑴ 单位： 3 kg m
⑵ 物理意义： d( vx ) dy 1 时，单位面积上的黏性力，阻滞 流动的能力，亦即黏性动量传输量，ν亦称为黏性动量传 输系数。牛顿黏性定律也就是流体黏性动量传输基本定 律。
单位面积上的黏性力（切应力） y x
dvx F yx A dy
思考 柱坐标系下的F表达式？
N/m2
dvx F dL dr
N
M SIT/MED
1.4 流体的黏性及牛顿黏性定律
3．黏性系数 动力黏性系数，动力黏度。 yx N m2 N s m 2 Pa s (kg m s) ⑴ 单位: dv x dy (m / s) m
黏性动量通量：单位时间通过单位面积所传递的黏性动量，亦 即单位面积上的黏性力（切应力）。
yx
dv x d( v x ) d( v x ) dy dy dy
Pa
yx高速流层向低速流层传递； dv x dy
d( v x ) dy
低速向高速为正；
动量梯度（单位距离上的动量变化量)。
273 C T 0 T C 273
3 2
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
Pas
烟气（CO2、H2O、N2、O2）
M M
1 2 i i i 1 2 i i
M SIT/MED
1.4 流体的黏性及牛顿黏性定律
4．黏性动量传输及黏性动量通量
流体黏性作用 流体流层间出现速度差
分子热运动、分子内聚力
流体流层间产生动量交换
冶金热工基础——第1章 动量传输
第一章 动量传输
r0 rt = (1 + b t )
kg/m3
0 t = (1 + b t )
m3 m3/s
N/m3
G千克气体体积 ： Vt = V0 (1 + b t )
流量： Vt = V0 (1 + b t )
（热气体流动情况下）
流速： w t = w 0 (1 + b t )
m/s
V = wA
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第一章 动量传输
三、课程特点 难学：物理概念多；数学推导、计算复杂；(物理概念为主，数学为辅)重 点掌握基本概念、基本计算方法。 讲授方法：重点—讲授+作业，辅以习题课；难点—讲授+思考题，辅以 讨论课。 学习方法：上课认真听讲，课后认真复习，认真完成作业，不懂的即时解 决，“勤学苦炼”。
三、教参及教具:
⒈ 《加热炉》蔡乔方主编 冶金工业出版社 ⒉ 《冶金炉热工与构造》陈鸿复主编 冶金工 业出版社 教材《冶金炉热工基础》蒋光羲编
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重庆大学出版社
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第一章 动量传输 0
§0.1 冶金炉及其分类
冶金炉：冶金生产中各种冶炼和加热设备的统称。 分类：熔炼炉和加热炉两大类。 ⒈ 熔炼炉：完成物料的加热和熔炼。 特点：发生物态变化 固液态物理化学变化 原料与产品的性质、
x = r c o sq x = r sin j cos q y = r sin q
wx
wy
wz
wr wr
wq wj
wz wq
轴对称 (管流 ) 球体绕流
y = r sin j sin q
z = z z = r cos j
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高炉冶炼过程中的动量传输课件
高炉内的气体流动
炉顶气体的流动
气体流动的驱动力
高炉内的气体从炉顶进入，经过一系 列的流动和反应，最终从炉底排出。
高炉内的气体流动主要受到重力、浮 力和压力差的作用。
炉内气体的分布
高炉内的气体分布不均匀，不同部位 的气体成分、温度和压力都有所不同 。
气体流动对动量传输的影响
动量传输的定义
动量传输是指流体在运动过程中，由于外力作用或内部摩擦力作用，动量发生变化的过程 。
境的负面影响，实现绿色冶炼。
2023-2026
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高炉冶炼过程中的动 量传输课件
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目 录
• 高炉冶炼过程简介 • 高炉冶炼过程中的气体流动 • 熔渣和铁水的流动与动量传输 • 高炉冶炼过程中的动量传输现象 • 动量传输在高炉冶炼中的应用
PART 01
高炉冶炼过程简介
高炉冶炼的基本原理
熔渣和铁水的流动特性
熔渣和铁水的流动行为
熔渣和铁水在高炉冶炼过程中呈现复 杂的流动行为，包括层流、湍流等多 种流态。
流动速度与方向
熔渣和铁水的流动速度以及流动方向 受到高炉内温度、压力、物料的物理 性质等多种因素的影响。
熔渣和铁水的流动对动量传输的影响
动量传输机制
熔渣和铁水的流动对高炉内的动量传输产生重要影响，通过摩擦力、粘性力等 机制传递动量。
铁氧化物与碳反应生成金 属铁和二氧化碳。
熔剂分解反应
熔剂中的碳酸盐分解生成 氧化物和二氧化碳。
碳的燃烧反应
高炉冶炼过程的传输现象
第三章高炉冶炼过程的物理化学3.1 蒸发、分解与气化3.1.1物理水蒸发化学结晶水 −− 天然块矿和熔剂含有少量的结晶水∙ 一般固溶结晶水 −− 120 ~ 200℃分解出来 −→ 吸热 ∙ 以OH - 存在的结晶水：炉料结晶水蒸发对高炉冶炼过程的影响∙ 由于某种原因，当结晶水(20~50%)析出过晚，在>800℃的高 温区析出时，则会发生水煤气反应：H 2O + C ====== H 2 + CO - 7285 kJ/kgH 2O (5860 kJ/m 3H 2O ) ∙ 危害：❑强烈吸热，消耗大量高温区宝贵热量 ❑ 消耗固体碳素C ，破坏焦炭强度 ❑ 产生的还原性煤气H 2、CO 在上升过程中利用率不高（高炉中下部冷却器漏水时，也会发生类似问题。
〕∙炉料中碳酸盐来源：生熔剂(石灰石、白云石)、天然块矿∙碳酸盐分解反应：FeCO3 ====== FeO + CO2MnCO3 ====== MnO + CO2MgCO3 ====== MgO + CO2CaCO3 ====== CaO + CO2∙碳酸盐分解条件开始分解：Pco2 (分解压) ≥ Pco2 (炉内CO2分压) ⇐⇒T开 化学沸腾：Pco2 (分解压) ≥ P总(炉内总压) ⇐⇒T沸对策3.1.4碳素沉积反应(析碳反应)高炉上部发生着一定程度的析碳反应2 CO ====== CO2 + C+ 165.7 kJ/mol T ≤ 400 ~ 600℃危害❑此反应消耗高炉上部的气体还原剂CO；❑渗入砖衬缝隙的CO在析出固体碳时，产生膨胀，破坏炉衬；❑在炉料孔隙内发生的析碳，可能使炉料破碎、产生粉末，阻碍煤气流；❑析碳反应生成的细微碳粉阻塞炉料间空隙，使炉料透气性降低。
✪此反应在高炉内的热力学条件尚可，但动力学条件不足。
反应量较少←−→对高炉冶炼进程影响不大!3.1.5气化少量低沸点物质在高炉中可发生气化(蒸发或升华)K2O、Na2O、ZnO、PbO、As2O3、Sb2O3以及SiO、CS、C2S等 危害❑“循环富集”−→下部气化、上部冷凝❑渗入砖衬缝隙，破坏炉衬❑阻塞炉料孔隙，降低炉料强度，增加煤气流阻力⇒高炉难行、悬料、炉墙结厚及结瘤等✪解决方案：✩限制入炉量✩增大随炉顶煤气逸出的量－T or V✩增加随炉渣排出的量－R or渣量T or V or渣量 −→消极措施，要付出代价3.2 还原过程3.2.1铁的氧化物及其特征Fe2O3−六方晶系，含氧量30.06%在较低温度下极易还原Fe2O3⇒Fe3O4，体积膨胀Fe3O4−立方晶系，含氧量27.64%Fe x O (浮氏体) −立方晶系，x=0.87~0.95，（含氧量23.17~24.77%）为方便起见，常简写为FeO低温下，Fe x O不能稳定存在，温度<570℃时，分解⇒Fe3O4 + α-Fe 3.2.2铁氧化物还原的热力学1. 还原的顺序性2. 各种铁氧化物还原的热力学用CO、H2还原的还原反应(间接还原)：∵ %CO 2 + %CO = 100∴K p 100%C O%C O=- ⇒%CO 1001+Kp =%H 1001+K p2'=又Kp = f(t)K ’p = f ’(t)即平衡常数为温度的函数将Kp 和K ’p 与温度的关系式(书中表3-2)代入，求得各反应不同温度下的平衡浓度%CO 和%H 2， 作图得到“叉子曲线”(书中图3-6)。
金属冶炼中的材料流动和传输
材料流动与传输在炼钢中的应用
总结词
在炼钢过程中，材料流动与传输涉及生 铁、废钢、合金元素的加入和钢水的形 成。
VS
详细描述
炼钢过程通常在转炉或电炉中进行。生铁 、废钢等原料加入炉内，经过熔化、氧化 、还原等反应，形成钢水。在这个过程中 ，各种合金元素通过配料系统精确计量后 加入，以调整钢的成分。钢水通过出钢口 流入钢包或连铸机，进行进一步的精炼或 浇注成钢坯或钢材。
传输方式
气态金属通常通过管道进行传输，以实现从反应器到冷凝器等设 备的输送。
影响因素
气态金属的传输速度和流量受到气体成分、温度、压力和管道阻 力等因素的影响，需进行精确控制。
金属溶液的传
金属溶液传输的特
点
金属溶液在传输过程中具有粘性 和热敏感性，需要使用专业的泵 和管道进行传输。
传输方式
金属溶液通常通过泵和管道进行 连续或间歇的传输，以实现从溶 解炉到结晶机等设备的输送。
种产品，从而实现资源的循环利用。
谢谢聆听
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03
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金属冶炼中的材料流动与传输概述
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材料流动
在金属冶炼过程中，各种原料、半成品和产物在各工艺 环节之间不断流动和传递。
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传输方式
包括但不限于管道输送、带式输送、提升机输送、气力 输送等。
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重要性
材料流动与传输是实现连续、高效、低成本冶炼的关键 环节，对提高生产效率和降低能耗具有重要意义。
传输方式
液态金属通常通过管道、溜槽、倾翻式炉等设备进行传输，以实现 从熔炼炉到铸锭机等设备的输送。
影响因素
液态金属的传输速度和流量受到温度、压力、流量计等因素的影响 ，需进行精确控制。
固态金属的传
高炉铁合金制备过程中的热传递与物质传输研究
高炉铁合金制备过程中的热传递与物质传输研究摘要：高炉铁合金制备是现代冶金工业中的重要过程之一。
该过程中涉及到的热传递与物质传输问题对于产品质量和能源消耗具有重要影响。
本文将对高炉铁合金制备过程中的热传递与物质传输进行详细研究，探讨其影响因素及优化方法。
1. 引言高炉铁合金制备是一种重要的冶金过程，通过在高温条件下将铁矿石与还原剂结合，产生铁合金。
在该过程中，热传递和物质传输是关键问题，直接影响产品的质量和能源消耗。
2. 高炉铁合金制备中的热传递热传递是高炉铁合金制备中的重要问题之一。
高炉内部温度分布的均匀性对于产品的品质和能耗具有重要影响。
热传递的机理主要有热传导、对流和辐射传热。
2.1 热传导热传导是高炉内部热量传递的一种方式。
铁水通过铁口进入高炉内部后，热能逐渐传导到炉壁和其他部位。
热传导过程中，炉料的导热性质、热传导系数以及铁水流动状态都会影响热传导效果。
2.2 对流传热对流传热是高炉内热量传递的另一种方式。
铁水在高炉内部的流动会带走和分散热量，提高了热量的传递效率。
对流传热的效果受到炉内气流流速、铁水流动状态等因素的影响。
优化对流传热可以提高制备过程中的热传递效率。
2.3 辐射传热辐射传热是高炉内部的另一种热传递方式。
高温高炉内界面产生的热辐射能量会传递给其他部位。
辐射传热因高温部位的辐射能量和炉内气体的吸收、散射能力而受到影响。
辐射传热效果的优化可以提高制备过程中的热传递效率。
3. 高炉铁合金制备中的物质传输物质传输是高炉铁合金制备过程中另一个重要问题。
物质传输主要包括炉内气相和固相物质的传输。
3.1 气相物质传输高炉内部的气相物质传输影响着反应的进行和产品的生成。
气相传质的主要方式是气体的扩散作用。
气体在高炉内部通过对流和分子扩散的方式传输。
气相物质传输受到高炉内部气体流动状态和浓度梯度的影响。
3.2 固相物质传输固相物质传输是指炉料中的矿石和还原剂在高炉内部的传输。
固相物质传输主要有针对不同物质的堆积、碰撞和热化学反应等过程。
[知识]冶金传输原理在冶金中的应用
![[知识]冶金传输原理在冶金中的应用](https://img.taocdn.com/s3/m/60a3be552a160b4e767f5acfa1c7aa00b42a9d44.png)
传输原理在冶金工业中的应用在冶金工业中，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、热量和质量的传输现象。
在实际的冶金生产中，为使某一冶金反应进行，必须将参与反应的物质尽快地传输到反应进行的区域（或界面）去，并使反应产物尽快地排除。
其中最慢的步骤称为过程控制步骤或限制性环节。
高温、多相条件下的冶金反应大多受传质环节控制，即传质速率往往决定了反应速度，而传质速率往往又与动量和热量传输有密切关系。
传输原理是以物理学的三个基本定律（质量守恒定律、牛顿第二定律和热力学第一定律）为依据的【1】。
是动量传输、热量传输与质量传输的总称，简称“三传”或传递现象。
它可以看成是某物质体系内描述其物理量（如速度、温度、组分浓度等）从不平衡状态向平衡状态转移的过程。
所谓平衡状态是指在体系内物理量不存在梯度如热平衡是指物系内的温度各处均匀一致，反之则成为不平衡状态。
在不平衡状态，由于物系内物理量不均匀将发生物理量的传输，如冷、热两物体接触，热量将从高温物体转移到低温物体，直到两物体的温度趋于均匀，此时冷、热两物体即可达到平衡状态，其温度差就是热量传输的动力。
传输原理主要是研究传输过程的传递速率大小与推动力及阻力之间的关系。
其传输的物理量为动量、热量和质量。
动量传输是指在流体流动中垂直于流体流动方向，动量由高速度区向低速度区的转移；热量传输是指热量由高温区向低温区的转移；质量传输则是指物系中一个或几个组分由高浓度区向低浓度区的转移。
当物系中存在着速度、温度与浓度梯度时，则分别发生动量、热量和质量的传输过程。
传热即热量的传递，是自然界及许多生产过程中普遍存在的一种极其重要的物理现象【3】。
冶金过程离不开化学反应，而几乎所有的化学反应都需要控制在一定的温度下进行，为了维持所要求的温度，物料在进入反应器之前往往需要预热或冷却到一定程度，在过程的进行中，由于反应本身需要吸收或放出热量，又要及时补充或移走热量。
高炉冶炼过程中的动量传输
“管道行程”的生成机理及危害
4.5充液散料层的流体力学现象
“液泛现象”的危害
高度弥散在渣铁间的气泡，使煤气流阻力大大升
高； 被煤气流吹起的渣铁，在上部较低温度区域，有 重新冷凝的危险； 渣铁的重新冷凝，一方面将导致料柱孔隙度降低， 煤气流动受阻。另一方面，可造成炉墙结厚、结 瘤，破坏高炉顺行。
⑤流体流经散料层时的速度ω
式中： ω ——煤气的有效平均速度； ω空——空炉速度。 ω↑ → ΔP↑
4.1.2煤气流经散料层的阻力损失
由欧根公式：
式中：ΔP/L —— 散料层的压力降梯度(N/m2/m)； μ —— 气体粘度(Pa·s)； ω空——气体的空炉流速(m/s)； de ——颗粒的当量直径(m)； ρ ——气体密度(kg/m3)； ε ——散料层的空隙率(—)； φ ——颗粒的形状系数(—)。
——高炉冶炼过程中的悬料分析
1.前言
高炉炼铁过程伴随着复杂的物理、化学变化,目的
是将铁矿石冶炼成为合格的生铁。
炉料在重力作用下向下运动,与在炉内压差推动下
向上运动的高温煤气发生还原反应,生成液态生铁。 期间同时伴随着传输过程。
2.高炉生产流程及工艺
高炉冶炼是将铁矿石还原成生铁的连续生产过程。高炉
防止高炉发生“液泛现象”的对策分析
防止高炉发生“液泛现象”的对策:
① 提高焦炭粒度→ Fs ↓ → f ↓ (液泛因子) ② 改善焦炭强度→ 避免冶炼过程的细粒化→ f ↓ ③ 降低炉渣粘度→ η ↓ → f ↓ ④ 减少渣量L ↓ → K (流体流量比) ↓ ⑤ 减小气流速度υ↓ → f ↓ (高压操作) ⑥ 大力发展间接还原(间接还原不好时，渣中FeO与C反应 生成CO→ 渣体积↑ → ω↑ → f ↑ ) ⑦ 提高炉渣表面张力(表面张力小，易起泡→ 渣体积↑ → ω↑ → f ↑ )
第四章高炉冶炼过程中的传输现象
（6 1d－0 ε）＝
d d
' 0
0
<1
d0'
式中：d0'为与实际颗粒体积相等的球的表观直径
亦可下式计算：
3
φ＝ 1
6G
d p πNr
G —— 料层试样重量 N —— 料层中料块个数 r —— 料块密度 dp —— 料块平均粒径
焦 炭 0.73 一般 φ 石灰石 0.45
矿 石 0.57
高炉冶炼过程的传输现象
2高炉中的动量传输
2.1煤气流经固体散料层的一般规律 （1）散料的流体力学特性 （孔隙度、比表面积、形状 系数、当量直径、比表面 平均直径、气体流速） （2）煤气流经散料层的阻力损失 （欧根公式、炉料、煤气、 透气性、产量）
2.2炉料下降的条件（下降力、空间） 2.3逆流运动中散料的有效重量
（杨森公式及其分析） 2.4散料的流态化（流态化、管道行程） 2.5充液散料层的流体力学现象（液泛、
b. 炉顶压力↑ 压缩炉内煤气体积→ ω空↓ ⇒ ΔP ↓
(高炉高压操作：一般P顶 ＝ 0.5～1.5 kg/cm2， 高的可达 2.0～2.5 kg/cm2)
高炉冶炼过程的传输现象
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吴胜利 杨世山 国宏伟
对欧根公式的分析
实际应用 ? 限制条件 ?
高炉冶炼过程的传输现象
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即：S与d0成反比
(当炉料粒度越小
时，阻力就越大)
高炉冶炼过程的传输现象
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吴胜利 杨世山 国宏伟
6
2.1 煤气流经固体散料层的一般规律
③形状系数(Shape factor)φ(—) 料块φ↑→ 摩擦阻力↓、
高炉冶炼过程中的传输现象
1
φ
) 、
常识： 常在0.37-0.4之间。形状不规则 之间。 常识：实际的球状料 ε 常在 之间 ε 或表面粗糙颗粒的 ε 大于球形。粒径范围较宽的散 大于球形。 小于粒径范围窄的；粒度均匀的炉料， 料 ε 小于粒径范围窄的；粒度均匀的炉料，可以使 2 增加，高炉生产中推行炉料分级入炉 增加，高炉生产中推行炉料分级入炉
1
一、散料层中气体的流动
1、影响散料层中气体运动的主要参数 散料含义： 散料含义： 主要影响参数包括： 主要影响参数包括： 空隙度( 比表面积( 形状系数( 空隙度( ε ) 、比表面积(S ) 、形状系数( 当量直径（ ）、平均流速 当量直径（ d 当 ）、平均流速 （ ω ）等。 （1）散料空隙度 空隙度：各个颗粒间空隙所占的相对体积。 空隙所占的相对体积 空隙度：各个颗粒间空隙所占的相对体积。
9
CO2%
24 18 12 6 0 1 2 3 4 5 4 3
1 2
3 2 1
图1 CO2曲线 （图1中，1线为边缘气流型；2线为 线为边缘气流型； 中心气流型； 线为日常型） 中心气流型； 3线为日常型）
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课后作业与思考题： 课后作业与思考题：
1、写出高炉内散料层中煤气流运动过程的压 、 力降计算式？ 力降计算式？并回答影响煤气流运动的参 数有哪些？ 数有哪些？ 2、高炉内煤气分布是如何检测的？ 、高炉内煤气分布是如何检测的？ 3、高炉煤气曲线中 、高炉煤气曲线中CO2含量与煤气量有何关 常见有哪几种煤气流分布曲线？ 系？常见有哪几种煤气流分布曲线？
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3、CO2煤气曲线 、 CO2煤气曲线是指煤气中CO2与煤气所处距离 煤气曲线是指煤气中CO 关系曲线。 关系曲线。 4、CO2煤气曲线分析 1）每一点位处煤气中CO2高低，以判断各个 每一点位处煤气中CO 高低， 点煤气分布量； 点煤气分布量； 2）平均CO2含量，判断煤气化学能利用水平； 平均CO 含量，判断煤气化学能利用水平； 3）分析四条煤气曲线，判断四个方位上煤气 分析四条煤气曲线， 分布的均匀性。 分布的均匀性。
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“管道行程”的生成机理及危害
4.5充液散料层的流体力学现象
“液泛现象”的危害
高度弥散在渣铁间的气泡，使煤气流阻力大大升
高； 被煤气流吹起的渣铁，在上部较低温度区域，有 重新冷凝的危险； 渣铁的重新冷凝，一方面将导致料柱孔隙度降低， 煤气流动受阻。另一方面，可造成炉墙结厚、结 瘤，破坏高炉顺行。
式中：V —— 料层内物料之间空隙的体积； S —— 料层内物料的全部表面积； d —— 散料颗粒的直径。 比表面积平均直径de 当多种颗粒组成的炉料时： 式中： xi —— 第i 级别颗粒的重量分数； di —— 第i 级别颗粒的直径。 料块d′↑→摩擦阻力↓、水力学当量直径dS 、ΔP↓
4.3逆流运动中散料的有效重量
综上所述,影响炉料自身有效重力
的主要因素包含
以下几个方面:
4.4散料的流态化
当ω增大到一定值后，炉料开始松动，散料体积膨胀→ε
↑ → ΔP不再增加(料柱高度↑，颗粒失去接触面悬浮) 进一步增大ω，料层变得极不稳定，越来越多的煤气通过 这一局部，会形成气流的局部通道，即“管道行程” → ΔP ↓ 当ω增大到流态化的临界速度时，散料被气流带走→ 气 力输送
防止高炉发生“液泛现象”的对策分析
防止高炉发生“液泛现象”的对策:
① 提高焦炭粒度→ Fs ↓ → f ↓ (液泛因子) ② 改善焦炭强度→ 避免冶炼过程的细粒化→ f ↓ ③ 降低炉渣粘度→ η ↓ → f ↓ ④ 减少渣量L ↓ → K (流体流量比) ↓ ⑤ 减小气流速度υ↓ → f ↓ (高压操作) ⑥ 大力发展间接还原(间接还原不好时，渣中FeO与C反应 生成CO→ 渣体积↑ → ω↑ → f ↑ ) ⑦ 提高炉渣表面张力(表面张力小，易起泡→ 渣体积↑ → ω↑ → f ↑ )
（2）高炉是一个以煤气上升、炉料下降的逆流式 移动床为特征的反应器，存在着多相物质间的传
质、传热和动量传输，传输过程非常复杂。
① 煤气上升至少是二维流动； ② 煤气径向分布极不均匀； ③ 高炉中的五带具有不同的传输特征。
(3) 高炉中的软熔带是传递阻力最大的地方，因此 要求软熔带应尽可能薄、位置应尽可能低。 (4) 到目前为止，精确求解高炉中的传输问题尚不
第一项代表层流情况，第二项代表紊流情况。
4.2炉料下降的条件
高炉炉料顺利下降需要具备两个条件:具有下料的空间 和炉料下降的作用力。
4.2.1炉料下降的空间条件
炉料的下降空间主要由三个方面提供。
（1）焦炭在风口前的燃烧 （2）参加直接还原消耗的固态焦炭、炉料在下降过程 中逐渐溶化并成为液相而体积缩小 （3）渣、铁排放形成的空间
——高炉冶炼过程中的悬料分析
1.前言
高炉炼铁过程伴随着复杂的物理、化学变化,目的
是将铁矿石冶炼成为合格的生铁。
炉料在重力作用下向下运动,与在炉内压差推动下
向上运动的高温煤气发生还原反应,生成液态生铁。 期间同时伴随着传输过程。
2.高炉生产流程及工艺
高炉冶炼是将铁矿石还原成生铁的连续生产过程。高炉
可能，只能借助一些经验式或简化或对局部过程、 局部问题进行求解。
4.高炉中的动量传输
高炉中的动量传输最重要的是煤气在固体散料层 和固液共、存区的压力降和液泛。
4.1煤气流经固体散料层的一般规律
4.1.1散料的流体力学特性 ①孔隙度ε
ε↑ → 料柱压差ΔP↓
④当量直径d′ 水力学当量直径dS
高炉悬料(Hanging)机理的分析
炉料下降的有效作用力F ＜ 0 ，即炉料的有效 重量＜ 煤气流的浮力。最终导致悬料
⑤流体流经散料层时的速度ω
式中： ω ——煤气的有效平均速度； ω空——空炉速度。 ω↑ →损失
由欧根公式：
式中：ΔP/L —— 散料层的压力降梯度(N/m2/m)； μ —— 气体粘度(Pa·s)； ω空——气体的空炉流速(m/s)； de ——颗粒的当量直径(m)； ρ ——气体密度(kg/m3)； ε ——散料层的空隙率(—)； φ ——颗粒的形状系数(—)。
生产工艺流程如图2-1所示。
图2-1高炉生产工艺流程示意图
高炉内部结构示意图如下图2-2所示。
图2-2高炉内部结构示意图
3.高炉冶炼过程的传输特征
（1）传输现象在高炉中无处不在、无时不有：
动量传递：煤气压降：静压力损失→ 炉料 热量传递：煤气→ 炉料(升温、熔化、化学反应 吸热、渣铁过热等) 质量传递：气―固―液多相化学反应间的传质