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
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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。
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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