非平衡态热力学理论与钢铁冶金过程.pdf

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1、第)<卷第=期天津化工N%5K)>;年))月/#,&P#&Q0’1#R,5D&4ST7"UE%OK.>>;非平衡态热力学理论与钢铁冶金过程何力佳!，"，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；.K辽宁工学院材料与化学工程学院，辽宁锦州).)>>)）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

2、；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式中，@、B、F、C分别为反应物与生成物，!G为反应逆过程为研究对象，是一门关于结构、稳定性及涨的生成热，交集符号D表示反应进行的条件，!表示落的热力学理论。近年，将非平衡态热力学应用于反应进行的方向，在一定条件下是可逆的。冶金过程，解释了许多不甚清楚的冶金现象，是目高炉操作方针要求“安全、顺行、稳定、均衡”，前冶金学科的热点问题之一。研究工作从利用线性高炉炉温是体现这些要求的重要指标。目前没有在平衡态热力学理论拓展到非线

3、性非平衡态热力学线直接检测炉缸铁水物理温度的一次检测元件，一领域，主要的理论有!"#$%$#&’的耗散结构理论()*，般用铁水含硅量(H#*来间接反映炉缸的热状态。作为(.*，/0%1的突变论(2*，3,&4’56"%7的+,-’&的协同理论这种非线形描述的关键参数(H#*，当我们把不同企分形几何理论(8*等，根据钢铁冶金流程的特点以及业、不同条件下的高炉铁水硅含量(H#*时间序列图放所涉及到的复杂物理化学变化，我们发现对应钢铁在一起进行比较分析时，很容易看到炉温波动的冶金过程的不同阶段，普遍具有非线性非平衡特征。“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

4、别只是波动的频率与幅度不同而!混沌与高炉炼铁过程已。炉温(H#*的“混沌形似性”是建立高炉冶炼过程变美国气象学家9%"’&:(;*在)<=2年首次发现混频统计分析方法的工艺原理基础，是求解高炉冶炼沌。混沌是非线形耗散系统中产生的一种貌似随机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高炉和山西临钢=号高炉在线采集(H#*时间序列为预测性。从混沌系统的这一本质特征出发考察高炉样本空间，容量为)>>>炉数据，利用相空间重构技冶炼过程，我们可以看到高炉炉温发展过程对初值

5、术和IJ!算法，得出了莱钢)号和临钢=号高炉冶的极端敏感性等特征，从而定性地说明高炉系统上炼过程的混沌吸引的饱和关联为数存在且为分数，一种混沌系统。证明了两座高炉冶炼过程具有混沌特性，这为进一高炉的冶炼过程是一个高度复杂的非线形过步用混沌理论来分析研究高炉冶炼过程以及炉温程。炉内发生的主要化学反应多达)>?种，可分为的混沌预测与动态控制开辟了一条新路。三类：还原剂与热量的生成反应；铁氧化剂的还原"非平衡态热力学在冶金界面反应反应；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中的应用现状径，消耗着不同的能量，得到不同的反应结果。我们脱碳和

6、脱硫反应是钢铁冶金中的基本反应，对用广义化学反应方程式表达其反应过程是：@AB!CA!!D显著反应起始温度"（D压力#）（$浓度E）（)）收稿日期：.>>;J>;J);第50卷第@期何力佳等：非平衡态热力学理论与钢铁冶金过程??钢铁工业特殊的重要性。对铁液中的!"#反应本身工程学和非平衡态热力学的观点，原理和方法来研和脱碳过程的研究，有关的报道，包括热力学的动究实际冶金过程，如真空循环精炼脱碳和喷粉脱硫力学，难以枚举。随着实验手段和测试技术的进步，这样典型的非平衡过程，$涉及的是气—液型反应和结果的精度也不断提高，这里值得和必须提到的一（弥散相）液—液和液—固反应&，可更深

7、入地搞清其点是已经发现了关于这个反应的非线性平衡现象$%&，本质和内在规律，不同操作条件、工艺及几何参数即铁液中碳或氧的浓度随化学位梯度而变，以非线等的影响，由此研制更切合实际的过程数学模型。这性的动力学模型作分析，可以再现有关电磁悬浮熔对推动和促进真空循环精炼超低碳钢和超低硫钢炼脱碳或氧化过程中铁液内碳和氧浓度的非线性冶炼技术及冶金反应工程学（冶金科学和技术）的进变化的实验结果$’&，尽管所作的分析基本还是基于步与发展，无疑具有重要的科学意义和实用价值。化学动力学，但这项结果仍十分有意义，它证实了脱!非平衡态动力