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冶金系統工程導論 版權信息
- ISBN：9787030733955
- 條形碼：9787030733955 ; 978-7-03-073395-5
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
冶金系統工程導論 本書特色
本書可以作為冶金工程專業的高年級本科生、碩士生、博士生的輔助教材，也可供冶金工程和材料工程領域的科學研究人員、工程技術人員和教學人員參考。
冶金系統工程導論 內容簡介
本書**章介紹了主要的冶金過程的物料和能量的情況，第二章冶金物理化學，敘述了含鐵原料如何在冶金過程系統轉化為合格產品，定量解決過程系統及各單元工序的方向和限度。第三章冶金反應工程，敘述了冶金過程是現代工業生產系統的重要部分，重點分析冶金過程的"速率"、方向和限度等冶金過程*關心的問題。第四章至第八章是著者關于冶金系統工程的一些理解和認識，希望有興趣的讀者關注和討論，書中有一些實例也可供有關人士參考。
冶金系統工程導論 目錄
目錄
序
第1章 衡算 1
1.1 近代冶金工程系統的基本情況 1
1.2 高爐煉鐵單元的物料衡算和能量衡算 4
1.3 氧氣轉爐煉鋼單元的衡算（鋼水量為1000 kg） 8
1.4 電弧爐煉鋼單元的衡算（鋼水量為1000 kg） 10
1.5 冶金過程衡算應用實例——四元爐料的電弧爐煉鋼過程物耗和能耗分析 13
1.6 冶金生產系統物料和能量的宏觀情況 19
1.7 現代冶金過程系統品質的主要評價指標 22
1.8 鐵鋼比 23
第2章 冶金物理化學 27
2.1 鐵氧化物還原的單元過程 28
2.1.1 化學反應的自由能變化 29
2.1.2 鐵氧化物被一氧化碳還原單元過程的物理化學 30
2.2 鐵熔池中的碳氧反應單元 34
2.3 高碳鋼液的脫氧脫氣單元過程 42
2.4 不銹鋼冶煉的脫碳保鉻單元過程 45
第3章 冶金反應工程 52
3.1 概述 52
3.2 單元操作—攪拌 54
3.2.1 混勻時間 54
3.2.2 鋼包底吹氣體攪拌 55
3.2.3 氣泡泵 56
3.2.4 電磁攪拌 57
3.3 單元操作—鋼液中夾雜物上浮去除 58
3.4 單元操作—固體中傳導傳熱 59
3.5 單元操作—水冷模內純金屬凝固 62
3.6 冶金反應工程—真空氧脫碳冶煉超低碳不銹鋼 73
3.7 關于確定型解析模型的討論 77
3.8 方坯連鑄凝固單元過程的數值模擬 83
3.8.1 物理模型和數學模型 83
3.8.2 工藝參數 86
3.8.3 離散化和求解 86
3.8.4 方坯連鑄傳熱單元過程的數學模擬結果 88
3.9 鋼包底吹氬單元現象的數學模擬——氣液兩相流現象的數學模擬 90
3.10 市場供需現象的模擬 92
第4章 冶金系統工程 95
4.1 系統和系統方法 95
4.1.1 關于系統的一些概念 95
4.1.2 系統的基本知識 97
4.1.3 系統模型 106
4.1.4 常用模型類型 107
4.1.5 優化設計與運行優化 110
4.2 黑箱 111
4.2.1 “黑箱”概念 111
4.2.2 傳遞函數 112
4.2.3 多輸入-輸出系統 113
4.3 冶金工程研究中的脈沖-響應實驗 115
4.4 過程系統和冶金系統工程概念 121
4.4.1 過程系統 121
4.4.2 過程系統工程和冶金系統工程 123
4.5 冶金工程系統現象的理解和認識 125
4.6 系統分析和系統優化舉例 130
第5章 系統優化 134
5.1 *優化技術概述 134
5.1.1 古典*優化 134
5.1.2 現代*優化 136
5.2 線性規劃模型 139
5.2.1 線性規劃 139
5.2.2 線性規劃模型的規范形式 140
5.2.3 線性規劃模型的標準形式 141
5.2.4 常見的幾種化規范模型為標準型的數學處理技巧 142
5.3 現代*優化方法的基本特征 142
5.4 線性規劃和單純形方法 149
5.4.1 線性規劃 149
5.4.2 求解線性規劃的單純形方法 153
5.4.3 單純形方法 154
5.5 線性規劃問題的類型及其用 159
5.5.1 混合及配料問題 159
5.5.2 覆蓋、職員雇傭和下料問題 163
5.5.3 產品組合問題 164
5.5.4 多階段計劃問題 169
5.5.5 投入產出模型 174
5.6 冶金生產實際應用實例 176
5.6.1 不銹鋼優化模型配料 177
5.6.2 煉鐵用燒結礦優化模型配料 179
第6章 不確定性 182
6.1 數據的不確定性 182
6.1.1 科學研究的認識論和方法論 182
6.1.2 數據的描述 186
6.1.3 一組觀測值的數字特征 192
6.2 誤差和精度 197
6.2.1 誤差的表示方法 197
6.2.2 誤差和精度概述 198
6.2.3 誤差的傳遞 199
6.2.4 統計上允許的合理誤差范圍 202
6.2.5 “統計推斷”和“假設檢驗” 203
6.2.6 質量控制 205
6.3 方差分析 206
6.3.1 方差分析概述 207
6.3.2 單因素試驗的方差分析 209
6.3.3 兩因素試驗的方差分析 212
6.3.4 交互作用和重復實驗 214
6.3.5 因子試驗 216
6.3.6 正交試驗設計 220
6.3.7 方差分析實際應用舉例 221
6.3.8 小結 233
6.4 回歸分析原理和應用 234
6.4.1 *小二乘法 234
6.4.2 回歸分析 237
6.4.3 回歸方程的方差分析 239
6.4.4 多元線性回歸 246
6.4.5 可化為線性的非線性回歸 250
6.4.6 逐步回歸 254
6.4.7 回歸分析建立碳氧模型 255
第7章 系統相似 260
7.1 相似和模擬 260
7.2 特征數 267
7.2.1 描述流體流動的“特征數” 267
7.2.2 描述非穩態傳導傳熱的特征數 269
7.3 量綱分析簡介 271
7.3.1 量綱和諧（等式兩端的單位配平） 271
7.3.2 量綱 272
7.3.3 量綱分析 272
7.4 相似原理 276
7.4.1 相似三定理 276
7.4.2 關于相似原理的討論 277
7.5 兩個設想 282
7.6 系統相似實驗 285
7.6.1 氣液兩相流的水力學模擬實驗 285
7.6.2 電渣重熔系統的能量利用實驗 293
第8章 冶金過程系統的時空多尺度結構及其效應 298
8.1 概述 298
8.1.1 時空多尺度結構的概念 298
8.1.2 化學工程系統中的多尺度結構 299
8.1.3 冶金過程系統的多尺度結構 301
8.2 氣固還原的尺度效應 303
8.2.1 未反應核模型 303
8.2.2 超細粉塵的還原實驗 306
8.3 電弧爐煉鋼過程的多尺度現象探討 310
8.3.1 冶金系統的時空多尺度結構探討實驗 310
8.3.2 跨尺度能量集成嘗試實驗 315
8.3.3 工業試驗 316
8.4 更大尺度的冶金工程系統的討論 318
8.4.1 更大尺度的冶金工程系統模擬實驗 318
8.4.2 更大尺度的冶金過程系統的實驗探討 319
8.4.3 關于更大的冶金工程系統實驗的認識 324
參考文獻和資料 328
附錄Ⅰ 中間包內鋼液流動狀況的數值模擬試驗 331
附錄Ⅱ 冶金過程系統的系統優化（系統分析、系統綜合和系統優化） 353
跋 373
序
第1章 衡算 1
1.1 近代冶金工程系統的基本情況 1
1.2 高爐煉鐵單元的物料衡算和能量衡算 4
1.3 氧氣轉爐煉鋼單元的衡算（鋼水量為1000 kg） 8
1.4 電弧爐煉鋼單元的衡算（鋼水量為1000 kg） 10
1.5 冶金過程衡算應用實例——四元爐料的電弧爐煉鋼過程物耗和能耗分析 13
1.6 冶金生產系統物料和能量的宏觀情況 19
1.7 現代冶金過程系統品質的主要評價指標 22
1.8 鐵鋼比 23
第2章 冶金物理化學 27
2.1 鐵氧化物還原的單元過程 28
2.1.1 化學反應的自由能變化 29
2.1.2 鐵氧化物被一氧化碳還原單元過程的物理化學 30
2.2 鐵熔池中的碳氧反應單元 34
2.3 高碳鋼液的脫氧脫氣單元過程 42
2.4 不銹鋼冶煉的脫碳保鉻單元過程 45
第3章 冶金反應工程 52
3.1 概述 52
3.2 單元操作—攪拌 54
3.2.1 混勻時間 54
3.2.2 鋼包底吹氣體攪拌 55
3.2.3 氣泡泵 56
3.2.4 電磁攪拌 57
3.3 單元操作—鋼液中夾雜物上浮去除 58
3.4 單元操作—固體中傳導傳熱 59
3.5 單元操作—水冷模內純金屬凝固 62
3.6 冶金反應工程—真空氧脫碳冶煉超低碳不銹鋼 73
3.7 關于確定型解析模型的討論 77
3.8 方坯連鑄凝固單元過程的數值模擬 83
3.8.1 物理模型和數學模型 83
3.8.2 工藝參數 86
3.8.3 離散化和求解 86
3.8.4 方坯連鑄傳熱單元過程的數學模擬結果 88
3.9 鋼包底吹氬單元現象的數學模擬——氣液兩相流現象的數學模擬 90
3.10 市場供需現象的模擬 92
第4章 冶金系統工程 95
4.1 系統和系統方法 95
4.1.1 關于系統的一些概念 95
4.1.2 系統的基本知識 97
4.1.3 系統模型 106
4.1.4 常用模型類型 107
4.1.5 優化設計與運行優化 110
4.2 黑箱 111
4.2.1 “黑箱”概念 111
4.2.2 傳遞函數 112
4.2.3 多輸入-輸出系統 113
4.3 冶金工程研究中的脈沖-響應實驗 115
4.4 過程系統和冶金系統工程概念 121
4.4.1 過程系統 121
4.4.2 過程系統工程和冶金系統工程 123
4.5 冶金工程系統現象的理解和認識 125
4.6 系統分析和系統優化舉例 130
第5章 系統優化 134
5.1 *優化技術概述 134
5.1.1 古典*優化 134
5.1.2 現代*優化 136
5.2 線性規劃模型 139
5.2.1 線性規劃 139
5.2.2 線性規劃模型的規范形式 140
5.2.3 線性規劃模型的標準形式 141
5.2.4 常見的幾種化規范模型為標準型的數學處理技巧 142
5.3 現代*優化方法的基本特征 142
5.4 線性規劃和單純形方法 149
5.4.1 線性規劃 149
5.4.2 求解線性規劃的單純形方法 153
5.4.3 單純形方法 154
5.5 線性規劃問題的類型及其用 159
5.5.1 混合及配料問題 159
5.5.2 覆蓋、職員雇傭和下料問題 163
5.5.3 產品組合問題 164
5.5.4 多階段計劃問題 169
5.5.5 投入產出模型 174
5.6 冶金生產實際應用實例 176
5.6.1 不銹鋼優化模型配料 177
5.6.2 煉鐵用燒結礦優化模型配料 179
第6章 不確定性 182
6.1 數據的不確定性 182
6.1.1 科學研究的認識論和方法論 182
6.1.2 數據的描述 186
6.1.3 一組觀測值的數字特征 192
6.2 誤差和精度 197
6.2.1 誤差的表示方法 197
6.2.2 誤差和精度概述 198
6.2.3 誤差的傳遞 199
6.2.4 統計上允許的合理誤差范圍 202
6.2.5 “統計推斷”和“假設檢驗” 203
6.2.6 質量控制 205
6.3 方差分析 206
6.3.1 方差分析概述 207
6.3.2 單因素試驗的方差分析 209
6.3.3 兩因素試驗的方差分析 212
6.3.4 交互作用和重復實驗 214
6.3.5 因子試驗 216
6.3.6 正交試驗設計 220
6.3.7 方差分析實際應用舉例 221
6.3.8 小結 233
6.4 回歸分析原理和應用 234
6.4.1 *小二乘法 234
6.4.2 回歸分析 237
6.4.3 回歸方程的方差分析 239
6.4.4 多元線性回歸 246
6.4.5 可化為線性的非線性回歸 250
6.4.6 逐步回歸 254
6.4.7 回歸分析建立碳氧模型 255
第7章 系統相似 260
7.1 相似和模擬 260
7.2 特征數 267
7.2.1 描述流體流動的“特征數” 267
7.2.2 描述非穩態傳導傳熱的特征數 269
7.3 量綱分析簡介 271
7.3.1 量綱和諧（等式兩端的單位配平） 271
7.3.2 量綱 272
7.3.3 量綱分析 272
7.4 相似原理 276
7.4.1 相似三定理 276
7.4.2 關于相似原理的討論 277
7.5 兩個設想 282
7.6 系統相似實驗 285
7.6.1 氣液兩相流的水力學模擬實驗 285
7.6.2 電渣重熔系統的能量利用實驗 293
第8章 冶金過程系統的時空多尺度結構及其效應 298
8.1 概述 298
8.1.1 時空多尺度結構的概念 298
8.1.2 化學工程系統中的多尺度結構 299
8.1.3 冶金過程系統的多尺度結構 301
8.2 氣固還原的尺度效應 303
8.2.1 未反應核模型 303
8.2.2 超細粉塵的還原實驗 306
8.3 電弧爐煉鋼過程的多尺度現象探討 310
8.3.1 冶金系統的時空多尺度結構探討實驗 310
8.3.2 跨尺度能量集成嘗試實驗 315
8.3.3 工業試驗 316
8.4 更大尺度的冶金工程系統的討論 318
8.4.1 更大尺度的冶金工程系統模擬實驗 318
8.4.2 更大尺度的冶金過程系統的實驗探討 319
8.4.3 關于更大的冶金工程系統實驗的認識 324
參考文獻和資料 328
附錄Ⅰ 中間包內鋼液流動狀況的數值模擬試驗 331
附錄Ⅱ 冶金過程系統的系統優化（系統分析、系統綜合和系統優化） 353
跋 373
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冶金系統工程導論 節選
第1章 衡算 原料經過一系列單元工序轉化為產品的工業稱之為過程工業。過程工業是一類重要的工業，包括石化、冶金、醫藥等等，過程系統中的單元工序有的以物理過程為主，有的以化學過程為主。過程系統及其單元工序的基本特征是物質的守恒—物料在系統中可以轉化，而構成物料的元素之量經過處理并不變化；與之相應的還有能量的守恒—能量的形式雖變化，但是其總量不變。 冶金過程系統中處理的物料是含有金屬元素的物料，其中以處理鐵元素的冶金過程系統*多，占金屬總量的90%以上，所以鋼鐵冶金是代表性的冶金過程系統。冶金過程系統的輸入除富鐵原料外還包括各種輔料和燃料，輸出物料除鋼鐵產品和副產品外也包括過程損失物和各種氣液排放物及污染物。原料經過冶金過程系統轉化為產品，各種物料的總量守恒，其中鐵元素的量以及其他有關各元素的量也分別守恒；與之相應的能量的形式雖然會變化，但其總量也守恒。 1.1 近代冶金工程系統的基本情況 2020年全球粗鋼產量接近20億噸，占人類使用金屬材料量的90%以上。鋼鐵冶金是關于鐵元素的制備工程，是*主要的冶金過程系統，其技術特點是火法冶煉，是高溫多相的化學反應。冶金過程的基本規律是物質不滅和能量守恒，在化學層面上的物質不滅的含義是：物料可以轉化、但物料總量不變，而且每個元素的量也不變，歸結為衡算形式的化學計量模型。 現代工業化煉鋼方法誕生于1850年代，是以熱鐵水為原料的酸性空氣轉爐和堿性空氣轉爐煉鋼方法；稍后問世的平爐煉鋼方法還可以消化大量廢鋼鐵料；再后，電弧爐煉鋼方法問世，主要以廢鋼鐵為原料，生產特殊鋼。在其后的一百多年間，平爐煉鋼方法占據了統治地位；到1950年以后，氧氣轉爐煉鋼方法逐漸居主導地位；2000年前后，大致形成了氧氣轉爐鋼和電爐鋼年產量各占2/3和1/3的局面。在此之前，以各種直接還原方法制取鋼鐵制品已有數千年的歷史。 世界粗鋼產量增長的情況如表1-1和圖1-1所示，1900年全球粗鋼年總產量大約只有2000噸；**次、第二次世界大戰對鋼鐵生產有一定的刺激作用，1950 年前后全球鋼年產量達到了兩億噸左右；1950年代在大規模空氣分離制氧技術的支持下氧氣轉爐煉鋼技術得到了發展，全球鋼產量快速增長；而在1970年代，由于能源危機的影響，鋼年產量的增速有所放緩；然而，21世紀以來，全球鋼年產量仍在持續增長，每年的產鋼量甚至能超過2000年以前產鋼量的總和。 鋼鐵冶金是關于鐵元素的過程系統，鐵礦石經一系列單元工序轉換為鋼鐵產品。其中，占產量70%以上的主力生產流程是礦石/高爐煉鐵/轉爐煉鋼生產流程，基本工序構成是：礦石→燒結（球團）→高爐煉鐵→鐵水預處理→轉爐煉鋼→二次精煉→連鑄→熱軋→冷軋（精整/熱處理）→成品，示意見圖1-2（a）；其余占產量30%的生產流程是廢鋼/電弧爐煉鋼流程，示意見圖1-2（b）。 當前冶金工程系統煉鋼工藝是兩步法，見圖1-3（b），鐵礦石經高爐煉鐵獲得初級金屬/熱鐵水，再經轉爐煉鋼的氧化精煉和其后的二次還原精煉得到粗鋼；相對比的一步法直接煉鋼法至今尚沒有獲得成功的工業化應用，一步法煉鋼和兩步法煉鋼過程對比示意于圖1-3。 鋼的爐外精煉是氧化性煉鋼后的第二次還原性精煉，習慣稱之為二次精煉或二次冶金（secondary metallurgy），示意如圖1-4所示。 冶金過程系統及其單元工序的物料平衡和能量平衡是其基本的工藝特征，每個單元的物料平衡和能量平衡按照系統內部的結構綜合構成了系統的物料平衡和能量平衡，反之系統的物料平衡和能量平衡按內部結構分解就是對每個單元的物料平衡和能量平衡的要求。 每個單元的物料平衡和能量平衡是其冶金模型和熱模型的基本模型，加上相關的數據庫—物料庫、經驗參數庫、物理化學庫和方法庫；在操作-時間表的主導下就是工藝操作模型；如果能實時得到各種實際測量（包括物理參數和化學參數）數據的反饋，就可以實行人工的自動控制；如果決策過程有人工智能成分，就是智能控制。當然人工智能的水平可能有相當大的差別。 1.2 高爐煉鐵單元的物料衡算和能量衡算 高爐煉鐵單元過程是冶金過程系統中*重要的單元工序，鐵礦石中鐵的氧化物被還原、鐵的氧化物轉化成鐵元素，原料中的二氧化硅等物質轉為爐渣，物料形態變了，但是鐵元素的量、氧元素的量、碳元素的量等都沒有發生變化。1mol的氧化鐵被還原生成1mol的鐵，即72g的氧化鐵轉化成56g的鐵，損失16g的氧給了一氧化碳（*終轉化為二氧化碳），反應前后物質的總量沒有改變，每個元素的量也沒有改變，改變的只是各種物料的形態和量。過程的能量沒有增多，也沒有減少，這是冶金工程*基本的現象，這種化學計量模型是冶金工程學*基本的定量描述。 高爐煉鐵過程所涉及的物料種類多，涉及的元素、混合物種類也很多，而且有固相、液相、氣相三種相，有氧化、還原多個反應，產物有生鐵、副產物有煤氣、廢棄物有高爐渣等等，高爐煉鐵過程的物料衡算和能量衡算比較繁復。 實際的高爐煉鐵單元過程的物料衡算和能量衡算與理論值有所不同，不同的高爐、不同的原料、不同的爐況、不同的時代都有所不同，許多重要的參數需要靠操作經驗的積累，在智能時代，依靠各種儀器儀表的檢測、認識、辨識、識別，對這些參數估計的正確與否是高爐煉鐵過程優化控制的關鍵。 1）原燃料及爐塵化學成分 原燃料及爐塵化學成分如表1-2、表1-3所示。
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