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出版者:冶金工业出版社

作者:傅杰

出品人:

页数:355

译者:

出版时间:2001-5

价格:32.00元

装帧:

isbn号码:9787502427542

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• 冶金
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钢冶金过程动力学 引言 钢的生产，作为现代工业的基石，其背后是复杂的物理化学过程和精密的工程控制。从铁矿石的还原到最终钢锭的凝固，每一个环节都遵循着一系列动态变化的规律。这些规律的理解与掌握，直接关系到生产效率、产品质量、能源消耗以及环境影响。本书《钢冶金过程动力学》正是致力于揭示这些动态变化的本质，深入剖析钢冶金过程中涉及的传质、传热、化学反应以及相变等核心动力学现象。它旨在为冶金工程师、研究人员以及相关专业的学生提供一个全面、深入的知识框架，帮助他们理解、预测并优化钢的生产过程。 第一章 钢冶金过程概述与动力学基础 本章将首先勾勒出整个钢冶金流程的宏观图景，从铁矿石的制备、高炉炼铁、转炉炼钢、精炼到连铸，简要介绍各工序的功能与联系。在此基础上，本章将引入动力学研究在冶金过程中的重要性，强调理解过程的动态特性对于提高效率、降低成本、保障安全以及减少污染的关键作用。 随后，本章将深入探讨与钢冶金过程相关的基本动力学概念。这包括： 化学反应动力学： 介绍反应速率、反应级数、活化能、催化剂等基本概念，并阐述它们在高炉还原、钢水氧化脱碳等过程中的应用。我们将讨论如何通过动力学模型来描述和预测这些化学反应的进程。 传质动力学： 重点关注物质在不同相（如固-气、液-液、液-固）之间的传递过程。我们将讨论扩散（分子扩散、湍流扩散）、对流以及相界面传质的机理，并解释这些过程如何影响氧化还原反应、杂质去除以及合金元素的均匀化。 传热动力学： 阐述热量在物质中的传递方式（传导、对流、辐射）以及影响因素。我们将分析钢冶金过程中热量的产生、传递和损失，并探讨如何通过控制传热过程来优化反应速率、防止局部过热或过冷，以及实现高效的能量利用。 相变动力学： 探讨物质在不同相态之间转变的规律，例如固体的熔化、液体的凝固、以及溶液中的沉淀和析出。我们将分析相变的驱动力、形核与长大机制，以及这些过程如何影响钢的组织和性能。 本章还将简要介绍描述和分析动力学过程的常用数学工具，如微分方程、差分方程以及数值模拟方法，为后续章节的深入分析奠定基础。 第二章 高炉炼铁过程的动力学 高炉炼铁是钢铁生产的起点，其核心在于铁矿石在高温下被还原成生铁。本章将聚焦高炉内的复杂动力学过程： 还原动力学： 深入研究铁氧化物（如Fe₂O₃, Fe₃O₄, FeO）在不同温度和气氛下的还原反应机理。我们将分析固体还原（如C + CO₂ → 2CO, CO + FeO → Fe + CO₂）和气体还原（如CO + FeO → Fe + CO₂）的速率控制步骤，并讨论炉料的性质（粒度、孔隙率、表面积）以及操作参数（鼓风温度、鼓风量、喷吹比）对还原反应速率的影响。 传质与传热过程： 分析炉内不同区域的气流分布、固体颗粒的填充以及气固传质和传热的规律。我们将讨论炉料下降过程中，气体与固体之间的传质传热效率，以及这如何影响还原反应的进行。 熔化与滴落动力学： 探讨炉料在高温区熔化以及熔融金属滴落的动力学。我们将分析熔池的形成、流动以及炉渣与铁水的相互作用，理解这些过程如何影响生铁的成分和质量。 碳的渗碳与脱碳动力学： 分析生铁在炉内与碳的相互作用，包括渗碳反应和脱碳反应的动力学。这将有助于理解最终生铁中碳含量的控制。 高炉过程的动力学模型： 介绍用于模拟和预测高炉内物质和能量传递的动力学模型，包括一维、二维甚至三维模型，以及它们在优化操作、提高生铁质量和降低能耗方面的应用。 第三章 转炉炼钢过程的动力学 转炉炼钢是将生铁转化为钢的主要手段，其核心在于利用吹氧去除生铁中的过量碳、硅、锰、磷等杂质。本章将深入分析转炉炼钢过程的动力学： 氧气吹炼动力学： 详细分析氧气与熔池金属及炉渣的化学反应动力学。我们将重点关注碳的氧化（C + [O] → CO(g)）、硅的氧化（[Si] + 2[O] → SiO₂）、锰的氧化（[Mn] + [O] → MnO）以及磷的氧化（2[P] + 5[O] + 2[O²⁻] → 2[PO₄³⁻]）等主要反应的速率。 传质与混合动力学： 探讨氧气在熔池中的分散、穿透以及熔池自身的剧烈搅拌对传质效率的影响。我们将分析吹氧气泡与熔池金属的传质动力学，以及熔池的湍流混合如何加速反应和杂质的去除。 炉渣-熔池相互作用动力学： 分析炉渣的形成、性质以及其与熔池金属之间的相互作用。我们将讨论炉渣的氧化能力、对杂质的吸收能力以及它们在去除磷、硫等元素中的作用，并研究渣-金界面的传质动力学。 CO 气泡的形成与逸出动力学： 深入研究碳被氧化后产生 CO 气泡的形成、长大以及逸出过程。这将有助于理解转炉内鼓泡强度与反应速率之间的关系。 转炉过程的动力学控制： 探讨如何通过控制吹氧强度、终点吹炼方式、加入脱氧剂的时机和量等操作参数，来优化反应速率、控制温度、实现精确的成分调整和减少钢中夹杂物的含量。 第四章 钢水精炼过程的动力学 为了获得更高品质的钢材，钢水需要经过一系列精炼过程，以进一步去除杂质、调整成分、改善洁净度和均匀性。本章将聚焦几种主要的精炼工艺及其动力学： 真空脱气 (VD/VOD) 动力学： 详细分析真空环境下，利用降低分压来促进碳、氮、氢等溶解气体的逸出动力学。我们将讨论气体的脱附机理、传质阻力以及真空度对脱气速率的影响。 钢包炉 (Ladle Furnace, LF) 动力学： 分析 LF 炉中电弧加热、搅拌以及合金添加等过程的动力学。我们将研究电弧传热效率、感应搅拌引起的传质强化以及合金元素在熔池中的均匀化动力学，并探讨其在脱硫、脱氧以及成分调整中的作用。 钢包喷溅与搅拌动力学： 深入研究钢包吹氩或吹氮所引起的熔池搅拌动力学。我们将分析搅拌强度对传质（如脱硫、脱磷、夹杂物上浮）的影响，并探讨搅拌宏观及微观流动模式。 夹杂物动力学： 重点研究钢水中非金属夹杂物的形成、生长、聚集、上浮以及沉淀动力学。我们将分析不同类型夹杂物的生成机理，以及它们在钢水冷却过程中如何影响钢的洁净度。 精炼过程的优化： 讨论如何通过动力学分析来优化精炼工艺参数，例如真空度、吹氩强度、合金添加方式等，以实现更高效的杂质去除、更精确的成分控制和更佳的钢水洁净度。 第五章 钢的凝固过程动力学 钢锭或连续铸坯的凝固是钢材最终成形的关键步骤，其动力学过程直接决定了钢材的组织结构、宏观缺陷以及最终性能。本章将深入探讨钢的凝固动力学： 枝晶生长动力学： 分析固液界面上的原子扩散、形核和生长过程，以及枝晶的形成和发展机制。我们将讨论过冷度、溶质再分配以及枝晶臂间距等因素对枝晶结构的影响。 显微偏析动力学： 深入研究枝晶生长过程中溶质在固相和液相中的重新分布，从而导致的显微偏析现象。我们将分析偏析的形成机理、其对材料性能的影响以及如何通过控制凝固速率和成分来减小偏析。 宏观偏析动力学： 探讨在较大的凝固区域内，由于密度差异、对流等因素引起的宏观偏析（如偏析带、中心疏松）。我们将分析这些宏观缺陷的形成机理，并提出相应的控制策略。 连续铸锭过程的凝固动力学： 专门分析连续铸造过程中，铸坯在结晶器内的凝固过程。我们将讨论二次冷却、二次结晶、电磁搅拌等对凝固组织和缺陷形成的影响，并分析传热与传质在连续铸造中的作用。 凝固过程的模拟与控制： 介绍用于模拟钢凝固过程的动力学模型，包括有限元法、有限差分法等。我们将探讨这些模型在预测凝固时间、揭示缺陷形成机制以及指导工艺参数优化方面的应用，例如优化结晶器尺寸、冷却强度和搅拌参数。 结论 《钢冶金过程动力学》旨在提供一个全面、系统的视角，来理解和分析钢生产过程中涉及的各种复杂动力学现象。通过深入研究化学反应、传质、传热和相变等基本原理，并将其应用于高炉炼铁、转炉炼钢、钢水精炼和钢的凝固等具体工序，本书为读者提供了强大的工具和深刻的洞察力，以应对现代钢铁工业面临的挑战。理解并掌握这些动力学过程，不仅能够提升生产效率，降低能耗，还能显著改善钢材的质量和性能，最终为构建更高效、更经济、更绿色的钢铁工业奠定坚实的基础。本书的每一章都力求在理论深度和实际应用之间取得平衡，希望能为钢冶金领域的科学研究和工程实践提供有力的支持。

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我花了相当大的精力去研读其中关于“反应界面扩散控制”的那几章，那里的数学模型推导和边界条件设定，简直是一场智力上的马拉松。作者显然没有满足于引用标准教科书上的经典模型，而是深入挖掘了影响这些模型有效性的环境因素，比如高粘度熔渣层对物质迁移的影响，以及温度梯度对局部反应速率的非线性修正。我印象特别深的是，书中对“湍流混合”在钢液精炼过程中的作用进行了详尽的讨论，并巧妙地引入了修正的Stanton数和Peclet数来量化混合效率对脱氧和脱硫效率的实际增益。这种层层深入、不断挑战现有简化假设的写作风格，让我感觉自己不是在一个被动地接受知识，而是在一个高级的学术研讨会上，与一位经验丰富的领域专家进行高强度的思维碰撞。每一次读完一个复杂的数学推导，都有一种成功攻克技术堡垒的满足感，这远非仅仅背诵几个公式所能比拟的。

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总而言之，这本书带给我的感受，是一种“重装上阵”的力量。它不是那种让人读完后感觉轻松愉快的读物，相反，它要求读者投入大量的认知资源。但正是这种高强度的智力投入，带来了长久的知识沉淀和解决复杂问题的能力。我发现自己现在看待高炉、转炉的操作数据时，思维模式已经发生了根本性的转变——不再仅仅关注最终产物的化学成分是否达标，而是开始追问：“驱动这个成分变化的速度和限制因素究竟是什么？”这本书成功地将冶金工程这个偏向于宏观操作的领域，注入了精密的动力学分析的灵魂。对于任何一个想要从“操作者”跃升到“设计者”或“优化者”的冶金从业者而言，这本书无疑是一份沉甸甸的、不可或缺的智力投资。它的价值，将在未来的每一次工艺调试和问题排查中，持续显现出来。

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初翻开这本书的目录，我立刻被那种庖丁解牛般的结构清晰度所折服。它不是简单地罗列知识点，而是构建了一个逻辑严密的知识框架。从宏观的传质现象，到微观的界面反应速率控制，再到热力学与动力学的相互作用，章节之间的衔接如同一条精心铺设的铁轨，引导着读者从基础概念平稳地过渡到复杂的工程应用。我注意到作者在引入新概念时，总是会先回顾相关的热力学基础，这避免了读者在理解动力学机制时陷入“黑箱操作”的困境。这种循序渐进的叙事方式，对于我这种需要将理论知识与实际生产线上的波动、波动背后的真正驱动力建立联系的人来说，简直是福音。它不像有些教材那样，只是孤立地介绍速率方程，而是将这些方程置于具体的冶金场景——比如炉内金属液的搅拌、渣液对流、氧气吹入的界面反应——中去剖析它们的适用边界和局限性。这种对“实战性”的强调，让书本的理论不再是空泛的公式，而是解决实际问题的钥匙。

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这本书的插图和图表质量，也值得称赞。它们绝不是那种为了填充页面而存在的低分辨率扫描图。我看到许多图表，清晰地展示了不同温度下，特定合金元素在液态钢中的溶解速率曲线，这些曲线的差异，往往直接决定了钢厂的生产效率和最终产品的质量指标。特别是书中关于“炉渣-金属界面传质系数”的实验数据拟合部分，作者列举了多组来自不同研究机构的实验结果，并对比了不同模型预测的吻合度。这种基于实证数据的比较分析，极大地增强了结论的说服力。很多动力学书籍在这里往往会草草带过，但《钢冶金过程动力学》却用大量的图表数据支撑了其核心论点：任何优化的尝试都必须建立在对实际反应速率的精确量化之上。这让我对那些“凭经验办事”的传统操作流程，有了一种更深层次的审视和批判性的眼光。

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这部《钢冶金过程动力学》的封面对我来说，简直像是一本沉睡了许久的古籍，散发着一种厚重的、需要耐心去解读的神秘气息。它没有采用那些花哨的、试图用鲜艳色彩和夸张字体吸引眼球的设计，而是选择了那种沉稳的深蓝色调，配上简洁的衬线字体，让人一看就知道这不是一本适合用来“快速阅读”的消遣读物。我尤其喜欢封面设计上那种微妙的纹理感，似乎能透过纸面感受到高炉内部那翻滚的熔融金属和激烈的化学反应的温度。它给我的第一印象是：这是一本严肃的、为专业人士准备的工具书，而非仅仅是理论的堆砌。拿到手里，那恰到好处的重量感和纸张的质地，都暗示着内容的扎实和严谨。我甚至能想象到，每一个章节的标题，都可能是一个需要反复推敲、横跨多个学科知识点的复杂课题。这本书的“外观”本身，就完成了一种筛选，它自然地将那些对冶金学抱有一点好奇心的门外汉隔绝在外，而将真正对“过程动力学”这个硬核领域感兴趣的工程师和学者们牢牢地锁定。

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