， ｍ
式 中：ｘ Ｃ ） （ ａ 为渣 中 ｃ 的摩尔分数；ｘ Ｍｇ ａ （ ）为渣 中 Ｍｇ 的摩尔分数 。ｌＬ ｉ ￣ｓ 可知，降低温度 （ 增大 ） ，提高 渣 中的 Ｆ Ｏ （ｅ十 ）的活度及 降低ｙｏ 提高碱度） ｅ Ｆ ２、Ｏ 一 ｓ （ ｉ ， 可提高 ［ｉ ｓ］的氧化速率 。
单 元
性多尺 度描述 、纳米材料 界面缺陷 的多尺度研 究及钢铁 材料裂纹 的建模等方面进行 了研究ｌ 。 ６ 最基 本的含义 ：尺度 指的是表达数据 的空间范围的
收稿 日期 ：２ １－１１；修 回 日期 ：２ １—２２ ０ １１－５ ０ ２０—６
时空多制度数量级， ｍ
图 １ 炼钢脱氧过程 中的多尺度 结构示意 图
２ ）熔渣 中 Ｆ Ｏ的扩散 为限制性环节 ｅ
＝ 一 ＝ 一
Ｗ（ｉ２为渣 中 ＳＯ 的质量分数，％；Ｗ（ｉ为钢液 中 ｓ Ｓ０ ） ｉ２ Ｓ） ｉ
的质量分 数，％； ｉ ｓ 的活度系数；Ｙｉ为 ＳＯ 的活 为 ｉ Ｓ２ ｉ ２ ０
度系数。
：
备 ｄ（ ） ｗ Ｆ ｅ Ｏ
（ ９ ）
多 尺度的术语现在被 广泛地使用 ，但是 不同学 者的 定义稍有不 同，例如 Ｌ ｒｕ和 Ｎｇ就定义为 “ ｅ ｏ 化学反应工 程 ，研 究多 目标任务 的多尺度 方法” ｉｅ ａｘ 提 出计 ，Ｖ ｌ ｍ ｕ ｌ 算化学 工程的多尺度 应用，李士琦提 出冶金 过程 中能量 控 制的多尺度研究方法［ ］ ３ 。基于多尺度理论， 国外在铝 合金裂 纹 、水泥复合材 料的多尺度服役 、材料 的非均匀
化进 行，这主要涉及 到热力学条件 ，现 以硅 的氧化为例
说 明［］ １。 ２
［ｉ＋Ｏ ＝ＳＯ Ａ ｏ＝ 一８ ４ ７ ＋２ ９ ２ Ｓ］ ２ ｉ ２ Ｇ １ ２ ０ １． Ｔ ４ ４
气相主体
相 界面
气模
液膜
液相主僻
Ｐ
ＡＯ
～
～
尸ＡＩ
‘
Ｃ
ＣＡ Ｌ
ｆ ｆ
图 ２ 双模理论传质示 意图
以反应 （ ）为例，当钢液 中硅含量高时，特别是在 ４ 氧化初期 ，硅 的氧化速率为渣 中 Ｆ Ｏ 的扩散所 限制 ，而 ｅ 当ｗ（ｉ ≤０１ Ｓ） ． ％时，则为钢 中 ［ｉ ｓ］的扩散 所限制 。速率
可表示 如下 ：ｌ ｎ ＝一 ｆ ‰ ，式 中：ｋ ＞ ￣ ｍｂ
钢液 洁净 度的一个最 重要 指标就是合理控 制钢 中的
２１ ０ ２年 第 ４ 卷 第 ３期 １
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Ｉ ＮＤＵＳ ＴＲＩ ＡＬ ＨＥＡＴＩ ＮＧ
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氧含 量， 自由氧 的脱 除是冶炼洁净钢 的首 要任务 。钢液 中的脱 氧反应主要涉及脱 氧剂与溶解氧 的结 合反应，主 要涉及元素有 Ｃ 、ｓ、ＡＩ ａ ｉ 、Ｍｎ和 Ｏ 等元 素。微观尺度 （ ｍ）主要关注本征化学反应，反应 能否顺利且高效 １ 。 ０
关键词 ：冶金 过程 ；时空多尺度；洁净度
中图分类号 ：Ｔ ０ Ｆ１ 文献标志码 ：Ａ 文章编号 ：１０ ．６ ９２ １）３０３ ．３ ０ ２１ ３ （０ ２０．０ ４０
Ｓ ａ ｅ ｔ ｕ ｔ ｃ ｌ ｔ ｕ ｔ ｅｏ ｅ ｎ ｉ ｅ ｓＣｏ ｔ ｏ ｌ ｇｉ ｅ ａ ｌ ｒ ｉ ａ ｒ ｃ ｓ ｐ ｃ －ｉ Ｍ ｌ ｓ ａｅ Ｓ ｒ ｃｕｒ ｆ ｍｅ ｉ Ｃｌ ａ ｌ ｓ ｎ ｒ ｌ ｎ Ｍ ｔ ｌ ｇ ｃ ｌ ｏ ｅ ｓ ｎ ｉ ｎ ｕ Ｐ
脚ｉ 意
式 中：脚 为标准状 态下反 应 （）的平衡 常数 ；ａｉ为渣 ４ ｓ２ ｏ 中 Ｓ０ 的活度；ａ。 ｉ２ Ｆ 为钢液 中 Ｆ 的活度；ａ。为渣 中 Ｆ Ｏ ｅ Ｆ ｏ ｅ 的活度；ａｉ ｓ 为钢液 中 ｓ ｉ的活度 ；Ｌｉ ｓ ｓ 为 ｉ的分配 系数 ；
Ｓ Ｓ） （ 从而上式 硅 氧化 反应 的脚）一ｗ（ｉ ｗ（ｉ ＝ （ｉ Ｓ０ ６ 由于 中的浓度差ｗ（ｉ很 大，故Ｗ（Ｓ），式 中ｗ（ｉ， ） Ｓ Ｓ） ｉ ） ） 为反应界面 ｓ 的质量分数 。 ｉ
ＬＩ ｎｇ ｃ ａ ， ＺＨＵ ｎｇ Ｎ Ｔｅ — ｈ ｎｇ Ｒｏ
（ｃｏ ｌ ｆ ｔｌ ｒｉａ ａｄＥ ｏｏ ｉ ｌ ｎ ｉｅｒ ｇ Ｕ ｉｅ ｔ ｆ ｃｅｃ ｄＴｃｎ ｌｇ ｅ ｉｇ Ｂ ｉｎ ０ ３ Ｃ ｉａ Ｓ ｈ ｏ ｏ ａ ｕｇｃｌｎ ｃ ｌ ｃ ｇｎｅｉ ， ｎｖ￣ｉ ｏ ｉｎｅａ ｅｈ ｏｏ ｙＢ ｉｎ ， ｅ ｉｇ １０ ８ ， ｈｎ） Ｍｅ ｌ ｇ ａＥ ｎ ｙ Ｓ ｎ ｊ ｊ ０
脚 ：ａｉａｅ Ｙ％ Ｓ０ ） — ｏ ２ ｓ ｉ２ ｓ— ２ ｉｗ（ Ｉ 口 ｌ Ｊ
＝
ａ ｅ ａ ｉ ｃ ￣ ｓ ｏ ｏ
Ｊ ｉ ｅ Ｓ ０
（） ５
、
＝
ｗ（ ２ ｓｏ ） ｉ
＝
式 中：Ｖｉ 的氧化速度 ，％／； ／ 为单位体积钢一渣 Ｓ 为硅 ｓ 的反应界面积，ｎ ｓ ｌ ； ｉ 为熔体 的传质系数，ｍ ｓ ／。
时空多尺度 的概念 来 自化学工程行业 ，它 是研 究过 程工程物质和 能量转化 的科学方法＿。 １ 时空多尺度的概念 ］ 在化 工领域的研究 已经有很多年，现在也 已经渗 透到地 理 、微波 、材料 等研 究领域，但是在冶金领域 的研 究才
大小 和时间的长短，是数据 的重要特征 。不 同尺度所表 达 的信 息密度有很大 的差异 。观测尺度变化得 到的结果 在某一 尺度下会发生实质性 的改变 。这种特征 尺度发生 质变 的系统可称之为多尺度 系统 ＿ １ 。 钢铁企 业的生产流程 ，处理 的物料 以金属铁 为基本 元素 （ 过程 中还包含碳 、氧、磷 、硫及合金元 素的合理 控 制） ，以铁矿石为原料，经过高 温的物理化学变化后连 铸成钢坯，再 经塑性加工成为合格钢材 。在冶金行业 中， 可将多尺度的模型用图 １ 表示。
Ｐｏ ＷＦ Ｆ告 蒜 ｅ 雨 ｅ） （ Ｏ
。 ｏ
硅离子 （ｉ ｓ ）的活度可 由正规 离子溶液模型导 出的 式 （）计算 。 ７ ｌ ， ＝ｌＹ ＞ ｇｓ ｇＦ － ）ｉ ｅ （ ａ＋ ＋ Ｍｇ＋］ ｃ ２ （ ） ） （） ７
式 中：ｆ 时 间，ｓ 为 ；Ｐ为渣 的密度 ，ｋ ／ 钢液密 ｇｍ ；Ｐ 为 度，ｋ ｍ ｇ ； 为 ＦＯ的密度， ， （ｅ 为渣 中 ＦＯ Ｃ ｅ ｍ ； Ｆｏ） ｅ 的质 量 分 数，％。由于 平衡 常数脚 很大 ，故Ｗ（ｅ ＦＯ）＝ （ｅ ０ Ｆ Ｏ） ，从而式 （）中的浓度差Ｗ（ｅ ） Ｗ（ｅ ） ９ ＦＯ 一 ＦＯ ｗ（ｅ ，式 中ｗ（ｅ ）为反应界 面 Ｆ Ｏ的质 量分数 。 Ｆ Ｏ） Ｆ Ｏ ｅ 影响硅 氧化速率的 因素，主要有 ｉ — ， ｓ ｓ× ｉ 及
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年 卑 呱
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２１ ０ ２年Βιβλιοθήκη 第 ４ １卷 第 ３期 Ｖ Ｏ１ ４１ Ｎ Ｏ． ２０ｌ ． ３ ２
Ｉ ＮＤＵＳ ＴＲＩ ＡＬ ＥＡＴＩ Ｈ ＮＧ
《 工艺研究 黍
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Ｄ ：１ ． ６ ￣ ｉｓ．１０ －６ ９２ １． ．１ ＯＩ ０３ ９ ． ｓｎ ０ ２ １３ ．０２０ ０ ３ ９ ３
（） １
０ ６ｎ
［ｉ Ｏ ＝ＳＯ（） △ ｏ＝ 一９ ６ ＋ ７ ５ ｓ］ ＋［ ］ ｉ ｇ Ｇ ２ ７ ７ ２． Ｔ ２ ９ （） ２
［ｉ Ｏ ：Ｓ Ａ ０＝ 一５４２ ５ ２ ． Ｔ Ｓ］ ＋［ ］ ｉ Ｏ２ Ｇ３ ９ ８ ＋２ ９ ６ ７
（） ３ ［ｉ＋２ ｅ Ｓ］ Ｆ Ｏ：ＳＯ２ ［ｅ Ａ ￣＝ 一 ８ ７９ ０ ． ｉ ＋２ Ｆ ］ Ｇ４ ３ ６ ６ ＋２ ２ Ｔ ３ （） ４
冶金过程 中炼钢洁净度控 制的时空多尺度结构
林腾 昌， 朱 荣
（ 京科 技大学 北 冶金与生态工程学院，北 京 １０ ８ ） ０ ０ ３
摘要 ：将时空多尺度理论 引入到炼钢洁净度控制研 究中 ，以炼 钢氧含量控制为切人点 ，简述 了钢的洁净度控制过 程存 在时空多尺度
结构 ，说 明了时空多尺度理论在钢的洁净 度控 制中所具有 的研究价值和应用前 景。
式 中：Ａ 。 Ｇ 为标准吉布斯 自由能。反应 （）可形成覆盖 １
在钢液表面 的高熔点 Ｓ０ 固体膜 ，阻碍 ［ｉ ｉ２ ｓ］继续氧化； 反应 （ ）仅能在 １７０℃高温的钢水液面上进行；只有 ２ ０
反应 （）和反应 （ ）才 能在钢 液与熔渣界面上 正常进 ３ ４ 行 。如式 （ ）的分配系数为 ４
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ｉ ｉ ｕ ｔ ｂ ｅ ｆ ｒｉ ｔ ｄ ｃ ｎ ｅｔ ｅ ｒ ｆｓ ａ ｅ ｔ ｌ ｓ ａ ｅ ｉｔ ｅ ｓｕ ｙ ｏ ｔｅ ｌａ ｌ ｅ ｓ ｓ ｒ ｃ ： ｔ ｓｓ ｉ ｌ ｏ ｒ ｕ ｉ ｇ ｔ ｏ ｙ ｏ ｐ ｃ －ｉ ｍｕ ｔ ｃ ｌ ｎ ｏ ｔ ｔｄ ｎ ｓｅ ｌ ｅ ｎ ｉ ｓ ．Ｂａ ｅ ｎ ｔ ｅ ｃ ｎ ｒ ｌ ｎ ｆ ａ ｎ ｏ ｈ ｈ ｍｅ ｉ ｈ ｃ ｎ ｓｄｏ ｏ ｔ ｌ ｇ ｏ ｈ ｏ ｉ ｏ ｙ ｅ ｏ ｔｎ ，ｔ ｅｓ ａ ｅｔ ｌ ｓ ａｅｓ ｕ ｔ ｒ ｆ ｌａ ｌ ｅ ｓ ｏ ｔ ｌｉｇｗａ ｌｍ ｉａ ｅ ．Ｔ ｅ ｅ ｅ ｒ ｈ ａ ｄ ａ ｐ ｉａ ｉ ｎｐ ｏ ｐ ｃ ｆ ｐ ｃ — ｘ ｇ ｎ ｃ ｎ ｅ ｔ ｈ ｐ ｃ — ｍｅｍｕ ｔ ｃ ｌ ｔ ｃｕ ｅｏ ｃｅ ｎ ｉ ｓ ｎ ｒ ｌ ｓｉ ｕ ｎ ｔ ｄ ｈ ｓ ａｃ ｐ ｌ ｔ ｒ ｓ ｅ ｔ ｓ ａ ｅ ｉ ｉ ｒ ｎ ｃ ｏ ｎ ｌ ｒ ｎ ｃ ｏ ｏ ｔ ｅｍｕｔｓ ａ ｅｔ ｅ ｒ ｎ ｔ ｅｓｕ ｙ ｏ ｅ ｌ ｌ ａ ｌ ｅ ｓｃ ｎ ｒ ｌ ｎ ｓｅ ｐ ａｎ ｄ ｉ ｌ ｃ ｌ ｏ ｏ ｈ ｔ ｄ ｆｓ ｅ ｅ ｎ ｉ ｓ ｏ ｔｏ ｌ ｇ ｗａ ｘ ｌｉ ｅ ． ｍ ｉ ｈ ｙ ｔ ｃ ｎ ｉ Ｋｅ ｒ ｓ ｙ ｗｏ ｄ ：ｍｅ ａｌｒ ｉ ａ ｒ ｃ ｓ ；ｓ ａ ｅｔ ｅｍｕｔｓ ａｅ ｌａ ｌ ｅ ｓ ｔ ｌ ｇ ｃ ｌ ｏ ｅ ｓ ｐ ｃ — ｍ ｌ ｃ ｌ ；ｃ ｅ ｉ ｓ ｕ ｐ ｉ ｉ ｎ ｎ