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中国冶金
2023年 33卷 12期
刊出日期 2023-12-15
冶金科技英才
冶金科学技术奖
有色冶金
冶金英才特约
技术综述
专题研究
生产技术
冶金英才特约
1
何西扣, 刘正东, 王天剑, 彭建强, 聂义宏, 沈国劬
中国超超临界汽轮机转子耐热材料及锻件研制进展
转子是超超临界汽轮机的重要部件,转子材料及锻件的发展是支撑超超临界汽轮机及电站技术进步的基础。随着超超临界机组蒸汽温度从620 ℃提高至630 ℃,甚至未来到650 ℃和700 ℃,汽轮机高中压转子耐热材料及锻件的制造将是要面临的主要挑战之一。综述了中国超超临界汽轮机高中压转子耐热材料的发展历程、设计思路及研制进展,重点介绍了中国630~700 ℃超超临界汽轮机高中压转子系列自主研制的耐热材料C630R、C650R、C700R及其锻件研制的最新进展,并展望了高中压转子锻件的未来研究和发展重点,以期助力加速中国超超临界汽轮机的完全自主化进程。
2023 Vol. 33 (12): 1-11 [
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技术综述
12
马亮, 施富中, 彭开香
数据驱动的热轧过程故障诊断研究现状与展望
热轧过程是钢铁制造全流程承上启下的重要环节,其安全生产与高效运行对钢铁工业的高质量发展具有重要意义。由于热轧过程工况复杂多变、层级分工明确、回路互联耦合,多个工序、设备、子系统或控制回路可能同时发生或先后级联出现故障,使得热轧过程故障诊断理论与方法成为过程控制领域的研究热点。从分析热轧过程特点与主要故障类型出发,重点总结了数据驱动的热轧过程故障诊断方法的研究现状,定性分析了主流方法的优势和劣势,梳理了热轧过程故障诊断中存在的问题,并进一步展望了热轧过程故障诊断方法未来的发展方向。
2023 Vol. 33 (12): 12-17 [
摘要
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专题研究
18
陈煜, 高怀, 王新江
中国电弧炉炼钢生产情况调研
钢铁行业是中国经济发展的基础工业,未来中国钢铁的需求量将依然旺盛,钢铁行业在高速发展的同时也面临着巨大的碳减排压力。电弧炉炼钢短流程相较于转炉炼钢长流程具有流程短、能耗低、碳排放量少的特点,优势明显。为更好地支持钢铁产业结构化调整,需要对电弧炉炼钢的技术装备水平和生产操作水平进行调研和了解。通过调研发现,现在国内的电弧炉炼钢设备公称容量主要以70~100 t为主,技术装备水平与国外相当,主要的电弧炉炼钢生产炉型在国内均有运行,生产操作水平能够达到国际同等先进水平,最好的冶炼周期水平可以实现从出钢到出钢的时间为35 min,但多数企业的实际操作居于中等水平,有待继续提高。调研结果对中国实现“碳达峰”“碳中和”目标和提高钢铁供给竞争力具有重要的意义。
2023 Vol. 33 (12): 18-23 [
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24
李晨晓, 张昀, 姚鑫, 孙华康, 沈浩杰, 孟鑫
炼钢温度下小颗粒石灰石热分解反应机理
转炉喷吹石灰石粉造渣脱磷有利于提高其反应效率,在快速造渣同时还可资源化利用CO
2
。为此基于热重-差热分析仪和高温管式炉,对小颗粒石灰石在炼钢温度下的分解行为进行研究。研究结果表明,升温速率越小,小颗粒石灰石分解反应开始温度和完成温度越低,且升温速率越大分解反应持续时间越短;粒径2.5 mm以下的石灰石颗粒均可以在1 000 ℃以下快速完成分解反应,且粒径越小分解越快,反应完成温度越低,可见转炉采用喷粉方式可减少造渣时间,提高冶炼效率;与N
2
、空气、O
2
气氛相比,在纯CO
2
气氛下,石灰石热分解反应完成温度提高,但分解所需时间反而缩短1/3,随着CO
2
分压增加,分解完成温度提高但分解速度加快;随着煅烧温度提高,不同颗粒度石灰石分解完全所需时间均有不同程度的缩短,且粒径越大缩短程度越明显;在同一煅烧温度下,随着石灰石颗粒度由小到大,石灰石完全转化所需时间呈现由长到短再到长的趋势。仅从小颗粒石灰石煅烧效率上讲,转炉喷吹石灰石粉粒径选取0.13～1.5 mm为宜。
2023 Vol. 33 (12): 24-30 [
摘要
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63
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31
杨智文, 余建波, 张一帆, 王江, 任忠鸣
铁矿氧化球团氢等离子熔融还原动力学分析
氢等离子熔融还原作为下一代氢冶金CO
2
减排新技术受到广泛关注。以铁矿氧化球团为试验原料,系统地研究了气体流量和还原时间对氢等离子熔融还原过程的影响(气体流量为5、8、10 L/min,H
2
的体积分数为10%),为氢等离子熔融还原铁矿氧化球团的研究提供理论依据。通过X射线粉末衍射、Rietveld精修、扫描电子显微镜和化学分析对铁矿氧化球团还原动力学、含铁物相演变、微观结构及生铁中杂质含量进行研究。结果表明,铁矿氧化球团最大转化速率从气体流量为5 L/min时的1.05 g/min升高至气体流量为8 L/min时的3.60 g/min,而继续增大气体流量至10 L/min,最大转化速率反而有所下降。氢等离子熔融还原符合相边界反应模型,其机理函数为
f
(
α
)=3(1-
α
)
2
/3
(
α
为铁转化率),不同气体流量下对应的反应速率常数分别为2.12×10
-4
、7.29×10
-4
、6.62×10
-4
s
-1
,表观活化能约为21 kJ/mol,反应速率方程为
ln
r=-0.18-2 856/T(
r
为比还原速率,
T
为反应温度)。铁矿氧化球团还原反应过程为Fe
2
O
3
→Fe
3
O
4
→Fe
x
O→Fe
2
SiO
4
→Fe,完全还原后,生铁的纯度可达到3N级工业纯铁水平。
2023 Vol. 33 (12): 31-41 [
摘要
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42
陈希青, 雷琳琳, 宋异, 肖红, 王璞, 冯文文, 张家泉
板坯连铸浸入式水口控流的物理和数值模拟
浸入式水口结构从根本上决定了结晶器内的钢液流动形式,采用物理模拟和数值模拟方法研究了水口结构及铸坯断面尺寸对板坯结晶器流动行为的影响。通过解析速度云图、表面流速、液面波动、冲击深度及保护渣覆盖情况等特征参数,对结晶器内钢液流动行为进行多角度定量表征。结果表明,水口侧孔倾角向上对1 600 mm×220 mm断面结晶器流场液面扰动较大,其倾角向下15°时射流冲击深度较大,倾角向下8°时最为适宜。水口底部形状会影响钢液的湍动能耗散及流场对称性,对比后得出凹底水口为最佳水口形状。侧孔形状对表面流速影响较小,但对自由液面波动有显著影响,可能导致钢液裸露;当水口侧孔面积一致时,矩形侧孔水口条件下的结晶器液面裸露面积小于跑道形侧孔和方形侧孔情况。而在浇注不同断面尺寸时,仅通过改变水口结构和使用工艺难以获得合理的结晶器流场,还需要借助其他控制流动的手段来推动未来板坯多元化生产的发展。本研究可为改善板坯质量提供理论与工艺指导。
2023 Vol. 33 (12): 42-55 [
摘要
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56
张育萌, 程树森, 冯永平, 李积鹏
连铸浇注过程滑动水口开度控制及喷钢分析
为改善钢包滑动水口反馈控制存在的滞后问题,基于伯努利原理研究了影响滑动水口开度的因素,提出水口开度前馈-反馈控制方案;分析了换包初期长水口与下水口接缝位置的喷钢原因及影响因素。结果表明,在恒拉速条件下,钢包液位逐渐降低,为了稳定中间包液面高度,需要增加滑动水口开度;减小滑动水口及长水口直径、增大水口吹氩速度均会增加钢液流经水口时的压力损失,而长水口浸入深度对钢液压力损失没有影响。开浇时,长水口内气体受钢液压缩及加热影响而压力增大,导致喷钢。采用喇叭型长水口及减小浸入深度可以使得水口内压力变小,降低喷钢现象发生的概率。本研究对实现滑动水口开度的在线实时稳定控制、提高中间包液面稳定性以及提高钢液质量有重要作用。
2023 Vol. 33 (12): 56-65 [
摘要
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66
李荣, 孟倩, 李涛, 谭敏, 陈晨, 张福成
稀土钇处理对铁路辙叉用高锰钢中夹杂物的改性
高锰钢辙叉是铁路运输系统的关键部件,对铁路安全运行具有重要影响。钢中夹杂物严重影响钢的性能,稀土改性夹杂物是控制夹杂物的有效手段。基于热力学和第一性原理计算以及试验研究,系统分析了铁路辙叉用高锰钢稀土处理前后夹杂物的演变及其对钢性能的影响。热力学计算结果表明,未添加稀土Y时,高锰钢中主要的夹杂物为MnS和Al
2
O
3
;添加稀土Y后,高锰钢中的MnS和Al
2
O
3
转变为Y
2
S
3
、YS、YAlO
3
、Y
2
O
3
和Y
2
O
2
S;当Y质量分数为0.03%时,夹杂物全部转变为稀土夹杂物。第一性原理计算结果表明,高锰钢中夹杂物形成并稳定存在的顺序为Y
2
O
3
＞YAlO
3
＞Y
2
O
2
S＞Al
2
O
3
＞Y
2
S
3
＞YS＞MnS。Al
2
O
3
、YAlO
3
对高锰钢的性能不利,而含稀土夹杂物具有相对较好的延展性和弹性,可有效降低夹杂物周围的应力集中。钢中Y添加量为0.031 9%时,对高锰钢中夹杂物的改性效果最好,可生成尺寸较小的稀土夹杂物,部分复相夹杂物转变为近球形的Y
2
S
3
-Y
2
O
2
S,外层Y
2
S
3
夹杂物弹性较好、硬度较低,可以减少夹杂物与基体的应力集中,从而有效提升高锰钢的力学性能。研究工作为稀土对钢中夹杂物的调控提供了理论依据。
2023 Vol. 33 (12): 66-78 [
摘要
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生产技术
79
王岩, 田丰硕, 王长军, 魏瑛康, 王建勇, 张亮亮, 贾文鹏, 刘世锋
激光立体成形Fe-30Mn-9.5Al-2C钢的工艺与组织特征
Fe-Mn-Al-C系列轻质钢具有低密度和良好的力学性能,契合航空航天、汽车能源和深海探测等领域对轻质高强材料的需求。然而,Al作为其轻量化和性能调控主要元素,大量添加会导致传统浇铸困难,限制了其在复杂异形构件上的应用。本研究利用激光立体成形增材制造技术成形自由度高、微熔池冶金的特点解决上述问题。以Fe-30Mn-9.5Al-2C为研究对象,通过正交试验探寻最优工艺参数,研究最优工艺参数下的物相组成和组织演变。结果表明,最优的工艺参数下组织由奥氏体、少量铁素体和κ-碳化物构成,硬度最高可达539HV。研究结果可为激光立体成形Fe-Mn-Al-C钢提供指导。
2023 Vol. 33 (12): 79-89 [
摘要
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90
李长海, 孙彦广
基于信息物理深度融合的钢铁流程动态调度技术
钢铁流程动态调度对钢铁全流程跨工序紧凑连续、动态有序运行非常重要。概述了钢铁流程动态调度技术现状,针对其面临的对象描述难、优化求解难、变化适应难3个难点,提出了对应的解决方案,即采用多智能体建模和数字仿真技术、采用规则与优化算法相结合进行迭代优化的方法、采用分场景不确定优化方案;构建了基于信息物理深度融合的钢铁流程动态调度平台,介绍了基于平台的动态调度运行过程,从协同规则、流程仿真和动态甘特图3个方面探讨了动态调度的信息物理融合方法和技术。该技术可提升钢铁流程动态调度系统的多目标全局优化水平,增强其对复杂工况的适应性。
2023 Vol. 33 (12): 90-96 [
摘要
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49
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97
董建民, 张全一
热风炉蓄热设计及优化
随着工程设计要求不断提高、数值计算手段不断增强,当前已可以采用计算形式明确热风蓄热体换热过程的细节,对设计工作进行优化指导。对5座高炉热风炉蓄热体进行分析,讨论热风炉蓄热体设计优化条件、优化目标、优化变量间的关系,为蓄热体设计提供指导。在优化条件限制下,通过不同变量的目标比较,提出最优变量。以工程实际常用的耐火材料物理特性、工艺需求、煤气参数、操作为优化条件,以格子砖几何尺寸、蓄热体几何尺寸、不同耐材段蓄热体高度作为优化变量,通过数值计算的方法分析5座高炉热风炉蓄热体的传热过程,获得蓄热体传热过程参数。对比数值分析结果并分析其与投资、送风期热风温降等优化目标关系。5座高炉热风炉蓄热体数值分析结果表明,影响蓄热体高度方向温度分布的主导因素是蓄热体高度,不同耐材段蓄热体的高度受耐材使用温度限制;传热流量的主导因素是作业制度,热辐射传热与蓄热体表面黑度相关度较低,而结构格子砖几何尺寸不是蓄热体阻损的主导因素。结合分析结果给出5座高炉热风炉的优化建议,由优化条件、变量构成的准数可用于定量确定送风期热风温降,同时给出了蓄热体适宜的高径比以及热风炉数量、作业制度与格子砖几何尺寸的关系建议,可为今后的设计工作提供指导。
2023 Vol. 33 (12): 97-106 [
摘要
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37
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107
吕明, 王钰淙, 杨猛, 孙博, 张朝晖, 蔡坤坤
转炉采用氧化钼直接合金化冶炼含钼钢技术
采用氧化钼代替钼铁直接合金化冶炼含钼钢可减少钼铁生产流程、降低成本,但氧化钼的高温挥发特性阻碍了氧化钼直接合金化技术的应用。为保证转炉采用氧化钼合金化过程取得较高的钼收得率,研究了转炉吹炼不同阶段氧化钼还原反应的热力学机理,发现炼钢温度下金属液中各元素可作为还原剂与氧化钼产生还原反应,吹炼前中期熔池中还原剂含量高,氧化钼挥发率低,此时加入氧化钼可获得较高的钼收得率。分析了氧化钼反应动力学环节,发现反应限制性环节为还原剂向氧化钼表面的扩散。在此基础上进行了高温试验,结果表明氧化钼合金化的冶金效果优于钼铁,吹炼前中期金属液中[C]、[Si]含量较高,此时进行氧化钼合金化钼收得率在95%以上。对成品钢中的夹杂物进行了分析,夹杂物主要为硫化物和氧化铝,采用氧化钼合金化不会增加钢中夹杂物。研究结果为炼钢过程采用氧化钼直接合金化冶炼含钼钢提供了理论和技术支撑。
2023 Vol. 33 (12): 107-114 [
摘要
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50
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115
魏荣祥, 张华, 李仁兴, 陈远清, 李成斌, 刘海宁
PMO对硬线钢小方坯凝固组织和中心偏析的影响
硬线钢连铸生产过程中产生的中心宏观偏析往往无法通过后续工艺完全消除,该缺陷会遗传到最终成品,从而造成硬线钢钢丝拉拔断裂。为了改善铸坯中心偏析问题并提高硬线钢力学性能,采用脉冲磁致振荡(PMO)凝固均质化技术对SWRH82B硬线钢160 mm×160 mm小方坯凝固过程进行均质化处理。PMO技术首次在该钢种上进行应用,结果表明,经PMO处理,SWRH82B硬线钢铸坯中心等轴晶率由23.47%扩大至29.14%,中心缩孔和中心缩松评级分布由1.5级和1.0级均降低至0.5级,铸坯中心碳元素偏析指数由1.30降低至1.06,Si、Cr、Mn元素在铸坯中心偏聚现象基本消除。研究结果为国内外生产高质量高碳钢小方坯提供了一种新方法。
2023 Vol. 33 (12): 115-121 [
摘要
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72
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122
光红兵, 林媛, 张文康
热轧工艺对免常化50W400钢组织及磁性能的影响
高牌号无取向硅钢采用一次冷轧制造工艺时,热轧板必须常化,主要目的是使热轧板组织更加均匀、再结晶晶粒增多,同时使晶粒和析出物粗化,强化有利织构,提高磁性能。但为进一步降低高牌号无取向硅钢制造成本,通过优化热变形工艺,促进动态再结晶,使实现免常化“一次冷轧”生产低成本高牌号硅钢成为一种可能。针对免常化2.5%(Si+Al)(质量分数)的50W400钢开展了3种不同热轧工艺调整试验,并对试验后热轧板组织和最终成品组织、织构、磁性能进行了系统研究。结果表明,通过提高加热温度可促进热轧动态再结晶,但总体对成品磁性能有害;在不提高加热温度的前提下,通过将粗轧5道次变为3道次,提高粗轧终轧温度,加大各道次压下量,可促进热轧动态再结晶,使热轧板再结晶晶粒明显增多且粗化,强化了成品中有利的{110}〈001〉织构,磁性能得到了明显提升。研究结果对高牌号无取向硅钢产品免常化低成本生产具有一定的指导意义。
2023 Vol. 33 (12): 122-127 [
摘要
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44
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128
周亚罗, 武献超, 刘文广, 张瑞成
基于STCS-YOLO的带钢表面缺陷检测算法
带钢表面缺陷检测技术是高质量带钢产品生产的重要技术之一。针对以往带钢表面缺陷检测中存在漏检、定位不准、小尺度缺陷目标检测能力较差的问题,提出了一种改进YOLOv5的带钢表面缺陷检测算法(STCS-YOLO)。首先,在特征融合网络的输出部分采用Swin Transformer模块与原有C3模块相融合,增强对全局特征信息的交互与复用,显著提高了对小尺度缺陷目标的检测能力;其次,采用一种轻量级上采样算子CARAFE来替换传统上采样操作,以更好地恢复缺陷信息,提高对带钢表面缺陷的识别精度;最后,在特征提取网络中嵌入3-D权值注意力机制SimAM,以加强对前景特征信息的关注能力,提高对缺陷目标的强辨识能力。试验结果表明,所提算法在NEU-DET数据集上均值平均精度
P
mA达到了79.7%,比原网络提高了3.9个百分点,并且在模型权重与计算复杂度几乎不变的情况下,单帧检测时间达到了10.9 ms,基本能够满足带钢表面缺陷准确、快速的检测需求。本研究提出的带钢表面缺陷检测算法为生产整洁、无瑕的高质量带钢产品奠定了技术基础。
2023 Vol. 33 (12): 128-138 [
摘要
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55
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有色冶金
139
丁威, 包申旭, 史皓东, 刘博, 张一敏, 任浏祎, 侯晓川
柠檬酸还原性体系浸出废旧锂电池中有价金属
随着电动汽车和便携式电子产品用量的不断增长以及对可持续资源管理需求的提升,废旧锂离子电池的回收变得越来越重要。以废旧三元锂电池中的混合电极活性材料为研究对象,考察了硫酸-柠檬酸体系下不同反应参数对有价金属Li、Ni、Co和Mn浸出率的影响。结果表明,在1.0 mol/L硫酸为浸出剂、10%(质量分数)柠檬酸为还原剂的混酸体系下,固液比为40 g/L、浸出温度为80 ℃、浸出时间为120 min时,Co、Ni、Li、Mn的最大浸出率分别为98.52%、98.67%、99.73%、98.48%。在此基础上,通过X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、扫描电镜-能谱(SEM-EDS)和电子探针(EMPA)等表征手段对硫酸-柠檬酸协同浸出机理进行了探析。该研究为采用还原性有机酸从废旧三元锂离子电池混合电极材料中绿色、安全、高效回收有价金属提供了技术方案。
2023 Vol. 33 (12): 139-147 [
摘要
] (
47
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冶金科技英才
148
廖席
冶金科技英才
2023 Vol. 33 (12): 148-148 [
摘要
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37
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278
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冶金科学技术奖
149
高效节能焦炉上升管荒煤气余热回收技术的研发和应用
2023 Vol. 33 (12): 149-149 [
摘要
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50
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205
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150
炼焦生产过程中污染物无组织排放控制技术及应用
2023 Vol. 33 (12): 150-150 [
摘要
] (
23
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