第1章　衡算
　　原料经过一系列单元工序转化为产品的工业称之为过程工业。过程工业是一类重要的工业，包括石化、冶金、医药等等，过程系统中的单元工序有的以物理过程为主，有的以化学过程为主。过程系统及其单元工序的基本特征是物质的守恒—物料在系统中可以转化，而构成物料的元素之量经过处理并不变化；与之相应的还有能量的守恒—能量的形式虽变化，但是其总量不变。
　　冶金过程系统中处理的物料是含有金属元素的物料，其中以处理铁元素的冶金过程系统*多，占金属总量的90%以上，所以钢铁冶金是代表性的冶金过程系统。冶金过程系统的输入除富铁原料外还包括各种辅料和燃料，输出物料除钢铁产品和副产品外也包括过程损失物和各种气液排放物及污染物。原料经过冶金过程系统转化为产品，各种物料的总量守恒，其中铁元素的量以及其他有关各元素的量也分别守恒；与之相应的能量的形式虽然会变化，但其总量也守恒。
　　1.1　近代冶金工程系统的基本情况
　　2020年全球粗钢产量接近20亿吨，占人类使用金属材料量的90%以上。钢铁冶金是关于铁元素的制备工程，是*主要的冶金过程系统，其技术特点是火法冶炼，是高温多相的化学反应。冶金过程的基本规律是物质不灭和能量守恒，在化学层面上的物质不灭的含义是：物料可以转化、但物料总量不变，而且每个元素的量也不变，归结为衡算形式的化学计量模型。
　　现代工业化炼钢方法诞生于1850年代，是以热铁水为原料的酸性空气转炉和碱性空气转炉炼钢方法；稍后问世的平炉炼钢方法还可以消化大量废钢铁料；再后，电弧炉炼钢方法问世，主要以废钢铁为原料，生产特殊钢。在其后的一百多年间，平炉炼钢方法占据了统治地位；到1950年以后，氧气转炉炼钢方法逐渐居主导地位；2000年前后，大致形成了氧气转炉钢和电炉钢年产量各占2/3和1/3的局面。在此之前，以各种直接还原方法制取钢铁制品已有数千年的历史。
　　世界粗钢产量增长的情况如表1-1和图1-1所示，1900年全球粗钢年总产量大约只有2000吨；第一次、第二次世界大战对钢铁生产有一定的刺激作用，1950 年前后全球钢年产量达到了两亿吨左右；1950年代在大规模空气分离制氧技术的支持下氧气转炉炼钢技术得到了发展，全球钢产量快速增长；而在1970年代，由于能源危机的影响，钢年产量的增速有所放缓；然而，21世纪以来，全球钢年产量仍在持续增长，每年的产钢量甚至能超过2000年以前产钢量的总和。
　　钢铁冶金是关于铁元素的过程系统，铁矿石经一系列单元工序转换为钢铁产品。其中，占产量70%以上的主力生产流程是矿石/高炉炼铁/转炉炼钢生产流程，基本工序构成是：矿石→烧结（球团）→高炉炼铁→铁水预处理→转炉炼钢→二次精炼→连铸→热轧→冷轧（精整/热处理）→成品，示意见图1-2（a）；其余占产量30%的生产流程是废钢/电弧炉炼钢流程，示意见图1-2（b）。
　　当前冶金工程系统炼钢工艺是两步法，见图1-3（b），铁矿石经高炉炼铁获得初级金属/热铁水，再经转炉炼钢的氧化精炼和其后的二次还原精炼得到粗钢；相对比的一步法直接炼钢法至今尚没有获得成功的工业化应用，一步法炼钢和两步法炼钢过程对比示意于图1-3。
　　钢的炉外精炼是氧化性炼钢后的第二次还原性精炼，习惯称之为二次精炼或二次冶金（secondary metallurgy），示意如图1-4所示。
　　冶金过程系统及其单元工序的物料平衡和能量平衡是其基本的工艺特征，每个单元的物料平衡和能量平衡按照系统内部的结构综合构成了系统的物料平衡和能量平衡，反之系统的物料平衡和能量平衡按内部结构分解就是对每个单元的物料平衡和能量平衡的要求。
　　每个单元的物料平衡和能量平衡是其冶金模型和热模型的基本模型，加上相关的数据库—物料库、经验参数库、物理化学库和方法库；在操作-时间表的主导下就是工艺操作模型；如果能实时得到各种实际测量（包括物理参数和化学参数）数据的反馈，就可以实行人工的自动控制；如果决策过程有人工智能成分，就是智能控制。当然人工智能的水平可能有相当大的差别。
　　1.2　高炉炼铁单元的物料衡算和能量衡算
　　高炉炼铁单元过程是冶金过程系统中*重要的单元工序，铁矿石中铁的氧化物被还原、铁的氧化物转化成铁元素，原料中的二氧化硅等物质转为炉渣，物料形态变了，但是铁元素的量、氧元素的量、碳元素的量等都没有发生变化。1mol的氧化铁被还原生成1mol的铁，即72g的氧化铁转化成56g的铁，损失16g的氧给了一氧化碳（*终转化为二氧化碳），反应前后物质的总量没有改变，每个元素的量也没有改变，改变的只是各种物料的形态和量。过程的能量没有增多，也没有减少，这是冶金工程*基本的现象，这种化学计量模型是冶金工程学*基本的定量描述。
　　高炉炼铁过程所涉及的物料种类多，涉及的元素、混合物种类也很多，而且有固相、液相、气相三种相，有氧化、还原多个反应，产物有生铁、副产物有煤气、废弃物有高炉渣等等，高炉炼铁过程的物料衡算和能量衡算比较繁复。
　　实际的高炉炼铁单元过程的物料衡算和能量衡算与理论值有所不同，不同的高炉、不同的原料、不同的炉况、不同的时代都有所不同，许多重要的参数需要靠操作经验的积累，在智能时代，依靠各种仪器仪表的检测、认识、辨识、识别，对这些参数估计的正确与否是高炉炼铁过程优化控制的关键。
　　1）原燃料及炉尘化学成分
　　原燃料及炉尘化学成分如表1-2、表1-3所示。

目录
序
第1章　衡算　1
1.1　近代冶金工程系统的基本情况　1
1.2　高炉炼铁单元的物料衡算和能量衡算　4
1.3　氧气转炉炼钢单元的衡算（钢水量为1000 kg）　8
1.4　电弧炉炼钢单元的衡算（钢水量为1000 kg）　10
1.5　冶金过程衡算应用实例——四元炉料的电弧炉炼钢过程物耗和能耗分析　13
1.6　冶金生产系统物料和能量的宏观情况　19
1.7　现代冶金过程系统品质的主要评价指标　22
1.8　铁钢比　23
第2章　冶金物理化学　27
2.1　铁氧化物还原的单元过程　28
2.1.1　化学反应的自由能变化　29
2.1.2　铁氧化物被一氧化碳还原单元过程的物理化学　30
2.2　铁熔池中的碳氧反应单元　34
2.3　高碳钢液的脱氧脱气单元过程　42
2.4　不锈钢冶炼的脱碳保铬单元过程　45
第3章　冶金反应工程　52
3.1　概述　52
3.2　单元操作—搅拌　54
3.2.1　混匀时间　54
3.2.2　钢包底吹气体搅拌　55
3.2.3　气泡泵　56
3.2.4　电磁搅拌　57
3.3　单元操作—钢液中夹杂物上浮去除　58
3.4　单元操作—固体中传导传热　59
3.5　单元操作—水冷模内纯金属凝固　62
3.6　冶金反应工程—真空氧脱碳冶炼超低碳不锈钢　73
3.7　关于确定型解析模型的讨论　77
3.8　方坯连铸凝固单元过程的数值模拟　83
3.8.1　物理模型和数学模型　83
3.8.2　工艺参数　86
3.8.3　离散化和求解　86
3.8.4　方坯连铸传热单元过程的数学模拟结果　88
3.9　钢包底吹氩单元现象的数学模拟——气液两相流现象的数学模拟　90
3.10　市场供需现象的模拟　92
第4章　冶金系统工程　95
4.1　系统和系统方法　95
4.1.1　关于系统的一些概念　95
4.1.2　系统的基本知识　97
4.1.3　系统模型　106
4.1.4　常用模型类型　107
4.1.5　优化设计与运行优化　110
4.2　黑箱　111
4.2.1　“黑箱”概念　111
4.2.2　传递函数　112
4.2.3　多输入-输出系统　113
4.3　冶金工程研究中的脉冲-响应实验　115
4.4　过程系统和冶金系统工程概念　121
4.4.1　过程系统　121
4.4.2　过程系统工程和冶金系统工程　123
4.5　冶金工程系统现象的理解和认识　125
4.6　系统分析和系统优化举例　130
第5章　系统优化　134
5.1　*优化技术概述　134
5.1.1　古典*优化　134
5.1.2　现代*优化　136
5.2　线性规划模型　139
5.2.1　线性规划　139
5.2.2　线性规划模型的规范形式　140
5.2.3　线性规划模型的标准形式　141
5.2.4　常见的几种化规范模型为标准型的数学处理技巧　142
5.3　现代*优化方法的基本特征　142
5.4　线性规划和单纯形方法　149
5.4.1　线性规划　149
5.4.2　求解线性规划的单纯形方法　153
5.4.3　单纯形方法　154
5.5　线性规划问题的类型及其用　159
5.5.1　混合及配料问题　159
5.5.2　覆盖、职员雇佣和下料问题　163
5.5.3　产品组合问题　164
5.5.4　多阶段计划问题　169
5.5.5　投入产出模型　174
5.6　冶金生产实际应用实例　176
5.6.1　不锈钢优化模型配料　177
5.6.2　炼铁用烧结矿优化模型配料　179
第6章　不确定性　182
6.1　数据的不确定性　182
6.1.1　科学研究的认识论和方法论　182
6.1.2　数据的描述　186
6.1.3　一组观测值的数字特征　192
6.2　误差和精度　197
6.2.1　误差的表示方法　197
6.2.2　误差和精度概述　198
6.2.3　误差的传递　199
6.2.4　统计上允许的合理误差范围　202
6.2.5　“统计推断”和“假设检验”　203
6.2.6　质量控制　205
6.3　方差分析　206
6.3.1　方差分析概述　207
6.3.2　单因素试验的方差分析　209
6.3.3　两因素试验的方差分析　212
6.3.4　交互作用和重复实验　214
6.3.5　因子试验　216
6.3.6　正交试验设计　220
6.3.7　方差分析实际应用举例　221
6.3.8　小结　233
6.4　回归分析原理和应用　234
6.4.1　*小二乘法　234
6.4.2　回归分析　237
6.4.3　回归方程的方差分析　239
6.4.4　多元线性回归　246
6.4.5　可化为线性的非线性回归　250
6.4.6　逐步回归　254
6.4.7　回归分析建立碳氧模型　255
第7章　系统相似　260
7.1　相似和模拟　260
7.2　特征数　267
7.2.1　描述流体流动的“特征数”　267
7.2.2　描述非稳态传导传热的特征数　269
7.3　量纲分析简介　271
7.3.1　量纲和谐（等式两端的单位配平）　271
7.3.2　量纲　272
7.3.3　量纲分析　272
7.4　相似原理　276
7.4.1　相似三定理　276
7.4.2　关于相似原理的讨论　277
7.5　两个设想　282
7.6　系统相似实验　285
7.6.1　气液两相流的水力学模拟实验　285
7.6.2　电渣重熔系统的能量利用实验　293
第8章　冶金过程系统的时空多尺度结构及其效应　298
8.1　概述　298
8.1.1　时空多尺度结构的概念　298
8.1.2　化学工程系统中的多尺度结构　299
8.1.3　冶金过程系统的多尺度结构　301
8.2　气固还原的尺度效应　303
8.2.1　未反应核模型　303
8.2.2　超细粉尘的还原实验　306
8.3　电弧炉炼钢过程的多尺度现象探讨　310
8.3.1　冶金系统的时空多尺度结构探讨实验　310
8.3.2　跨尺度能量集成尝试实验　315
8.3.3　工业试验　316
8.4　更大尺度的冶金工程系统的讨论　318
8.4.1　更大尺度的冶金工程系统模拟实验　318
8.4.2　更大尺度的冶金过程系统的实验探讨　319
8.4.3　关于更大的冶金工程系统实验的认识　324
参考文献和资料　328
附录Ⅰ　中间包内钢液流动状况的数值模拟试验　331
附录Ⅱ　冶金过程系统的系统优化（系统分析、系统综合和系统优化）　353
跋　373