中国冶金

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热轧智能工厂构架设计与实践:有形与无形的统一

邵健, 何安瑞, 陈雨来, 杨荃, 毛学庆, 司小明

中国冶金. 2022, 32(1): 1-10.
https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20210612

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面向高效、低耗、精益生产的热轧智能工厂构架设计与实践是目前冶金行业的热点和难点。通过开发轧线智能测控技术、高精度数学模型、远程运维技术、AI识别技术等,实现2条热轧线6大单元的远程集中操控,打破车间管理边界,实现轧线极度自动化和生产集约化。通过构建全域大数据平台,深度融合智能算法与工艺技术,以工厂绩效作为引领,将热轧工厂运行过程的生产、质量、设备、能源等任务进行协同管控,打造物理车间的数字孪生体。兼顾操作集控和业务协同管控的多层次智能工厂构架具有合理性和可行性,应用实绩表明,热轧智能工厂成功实施使得劳动生产率提升15%,产能提升8%,成本下降10%,质量不良率下降10%。

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Fe-Mn-Al-C低密度钢研究现状及展望

满廷慧, 彭伟, 王子波, 廉心桐, 陆恒昌, 董瀚

中国冶金. 2022, 32(1): 11-20.
https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20210322

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在汽车工业发展需求的节能环保与高安全性的双重目标下,Fe-Mn-Al-C低密度钢因其低密度和优异的力学性能,具有巨大的应用潜力,引起了国内外的广泛关注。因此,综述了Fe-Mn-Al-C低密度钢的合金成分与微观组织、生产工艺、强化机制及其性能的研究进展;对目前Fe-Mn-Al-C低密度钢中提出的变形机制及其拉伸性能、冲击韧性和疲劳性能进行阐述分析;最后总结了Fe-Mn-Al-C低密度钢研究现状中存在的不足,并提出了其未来研究方向。

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超声波法表征烧结返矿冷压块的固结程度

李映, 曹懿, 聂浩, 韦世玉, 严礼祥, 于要伟

中国冶金. 2022, 32(1): 21-26.
https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20210250

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烧结返矿通过冷压造块利用可以减少能源消耗,干燥固结会对烧结返矿冷压块性能产生显著影响。基于超声波法,定义了烧结返矿冷压块的干燥固结指数,并以其表征烧结返矿冷压块的干燥固结程度。通过测量超声波在湿态与干态烧结返矿冷压块中的传播速度和传播时间,计算烧结返矿冷压块干燥固结指数。同时,对相应的成品烧结返矿冷压块的抗压强度和落下强度进行检测,验证所定义固结指数的有效性。试验结果表明,在原料条件、混料参数和压块参数相对稳定情况下,固结指数越高,烧结返矿冷压块固结越完全,其抗压强度和落下强度越大。该方法能够快速准确表征烧结返矿冷压块干燥固结程度,为研究冷压块提供新的分析方法和质量评估指标。

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基于多类别生产状态的烧结矿转鼓指数预测模型

张振, 李欣, 刘颂, 李福民, 刘小杰, 吕庆

中国冶金. 2022, 32(1): 27-35.
https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20210365

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将烧结生产大数据与机器学习算法相结合,提出了一种多类别生产状态下预测烧结矿转鼓指数的研究方法。通过数据采集、整合及预处理操作,共获得特征参数65种。以烧结终点位置(BTP)为基础,采用试验研究及可视化分析等方法将转鼓指数划分为2个类别。基于分类别转鼓指数数据集,使用特征选择算法计算了特征参数的重要排序,确定最佳特征参数组合作为模型输入参数,使用LightGBM和CatBoost算法分别建立了转鼓指数的预测模型。测试结果表明,CatBoost预测模型综合预测效果最好,与全部数据集构建的转鼓指数预测模型相比,分类别构建的非正常烧和正常烧转鼓指数预测模型的预测效果均得到一定提升,决定系数R²拟合度可达88.09%和90.69%。同时,多类别生产状态下的烧结矿转鼓指数预测模型在误差范围0.25%内命中率能够达到95%。

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钙处理时机对LF-RH精炼过程Al₂O₃基夹杂物的影响

吴松杰, 杨文, 张立峰, 李四军, 付常伟

中国冶金. 2022, 32(1): 36-43.
https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20210275

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为研究LF-RH精炼工艺生产Q690钢时不同钙处理时机下夹杂物特征的变化,开展工业试验对RH精炼前后钙处理炉次取样进行定量分析对比。钙处理后夹杂物中CaO质量分数持续增加,CaS质量分数瞬态增加,夹杂物熔点降低。RH精炼前钙处理炉次中,RH精炼过程夹杂物的成分接近低熔点区,结束时夹杂物数量密度和面积分数分别为15个/mm²和0.01%。RH精炼后钙处理炉次中,RH精炼过程夹杂物依旧为高熔点Al₂O₃-MgO类型,结束时夹杂物数量密度和面积分数分别降至1个/mm²和0.002 5%。RH精炼前钙处理会使RH精炼过程夹杂物熔点以及夹杂物与钢液间的接触角降低,导致夹杂物去除驱动力降低,从而抑制夹杂物的去除。因此LF-RH精炼工艺生产铝脱氧钢时,为提高精炼过程钢中非金属夹杂物的去除效率,应在RH精炼后进行钙处理操作。

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立式组合电磁制动对CSP结晶器内钢液流动及偏流控制

张然, 许琳, 韩泽峰, 董王子, 王恩刚

中国冶金. 2022, 32(1): 44-51.
https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20210254

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紧凑型带钢(CSP)薄板坯连铸结晶器在浸入式水口下方设置水平式的全幅一段电磁制动器(Ruler-EMBr),在进一步提高薄板坯连铸拉坯速度的情况下,不能有效控制CSP结晶器自由表面的钢液流速和液面的稳定性。为此提出一种新型的立式组合电磁制动(VC-EMBr)技术,并利用商业软件ANSYS FLUENT数值模拟研究了全幅一段电磁制动和立式组合电磁制动作用下CSP结晶器内钢液流动和浸入式水口结瘤造成结晶器内钢液偏流的控制效果。研究结果表明,立式组合电磁制动在CSP结晶器宽面形成总体呈“凹”型分布的稳态磁场,在保持全幅一段电磁制动水平磁极电磁特征和对结晶器内下返流流动和偏流的有效控制作用的前提下,同时在结晶器窄面的水口出流钢液冲击区和弯月面波动区域形成磁感应强度达0.26 T的立式稳态磁场,可有效控制结晶器窄面区域上返流流动,降低钢液自由表面的流速;采用立式组合电磁制动,使CSP结晶器内钢液自由表面的流速控制在合理范围之内,结晶器整个自由液面的流速分布更加均匀。VC-EMBr克服了全幅一段电磁制动装置对CSP结晶器上返流和自由液面流速控制不足的弊端,为进一步提高薄板坯连铸的拉坯速度提供新的技术措施。

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热轧板翘皮缺陷处混晶及织构分析

潘以庆, 殷胜, 田青超, 裴新华, 罗克力

中国冶金. 2022, 32(1): 52-57.
https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20210348

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通过研究SAE1006热轧带钢的翘皮缺陷,以提高热轧产品的表面质量。利用光学显微镜、扫描电镜、能谱仪、EBSD和X射线衍射仪对缺陷处进行分析。结果表明,该热轧翘皮缺陷是由于连铸坯存在夹杂物所导致的,夹杂物起源于连铸阶段的结晶器卷渣。粗轧阶段的可逆轧制使翘皮发生翻折,降低了周围基体的有效应变量,从而进入部分再结晶区并产生了混晶现象。混晶区域的小角晶界数值高达0.074,是芯部正常部位的8倍;混晶区域的[001]晶向明显偏多,而芯部晶粒以[101]晶向为主。缺陷处的轧制摩擦力较大,容易产生剪切织构,因而Goss织构强度大于正常处,轧制时更易开裂。

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7075铝合金化学镀对镍磷合金镀膜组织和性能的影响

祝惠一, 毛建辉, 尹凌鹏

中国冶金. 2022, 32(1): 58-63.
https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20210312

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金属表面处理直接影响7075铝合金的力学性能及耐腐蚀性能。以7075-T6铝合金为基体,采用化学镀(EN)技术在光滑基体表面均匀镀覆一定厚度的镍磷(Ni-P)镀膜,镀膜厚度分别为3.64、5.87和7.33 μm,并通过扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、硬度测试及电化学工作站等手段分析膜层特性及膜厚对7075-T6 铝合金力学和腐蚀性能的影响。结果显示,化学镀镍可以在7075铝合金表面形成Ni-P镀膜,由SEM观察,Ni-P镀膜与铝合金基体结合紧密;经由XRD分析,该镀层为微晶状态;通过Rockwell-C压痕试验法可观察到镀膜具有良好的附着力。在力学性能方面,由于Ni-P镀膜的存在,除疲劳强度略有下降、伸长率下降较为明显外,硬度、屈服强度、抗拉强度和弹性模量都有明显改善。在耐腐蚀性研究方面,Ni-P镀膜的存在使基体表面耐腐蚀能力提高1个数量级,显著改善了7075-T6铝合金材料表面耐腐蚀性,能够较完好地保护基体材料。

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基于响应曲面法的烧结孔隙优化

易正明, 刘强, 覃佳卓, 聂礼, 杜东, 张东升

中国冶金. 2022, 32(1): 64-71.
https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20210272

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基于烧结生产实际工艺参数,采用响应曲面法对烧结矿孔隙率进行优化研究,以碱度(A)、燃料配比(B)、燃料粒度(C)为设计变量,以烧结矿孔隙率(Y₁)和转鼓指数(Y₂)为目标函数,建立数学模型,进行三因素的优化设计分析。研究结果表明,碱度和燃料配比对孔隙率和转鼓指数影响显著,燃料粒度的影响较小;碱度与燃料配比、燃料配比与燃料粒度的交互作用明显。通过分析试验结果,建立了烧结矿孔隙率和转鼓指数的二项式模型,模型预测的最优烧结参数为碱度值2.15,燃料粒度(小于3 mm颗粒占比)为71.19%,燃料配比为5.50%。在此最优烧结参数下进行工业试验,结果显示烧结矿孔隙率降低至20.07%,转鼓指数提高至78.43%,与优化前相比,孔隙率降低了1.85%,转鼓指数提高了3.26%。

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超低碳BH钢炼钢过程对碳含量的控制及影响因素分析

单庆林, 潘宏伟, 路博勋, 姜名贞, 姜仁波, 石晓伟

中国冶金. 2022, 32(1): 72-76.
https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20210352

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基于炼钢过程批量取样的分析结果,系统研究了RH控碳能力、控氮能力、合金残余元素、耐材中碳含量、中间包增碳、元素的检测分析能力对BH钢碳含量的影响规律。RH脱碳15 min可将碳质量分数稳定控制在0.001 0%~0.001 5%是BH钢碳含量稳定控制和精炼周期控制的重要基础。RH结束N元素质量分数控制在0.001 2%~0.002 4%,是简化当前Nb-Ti复合体系BH钢固溶碳控制的前提条件。精炼至中间包增碳的限制性环节在于钢包和中间包耐材的增碳,钢包增碳不得超过0.000 1%,中间包增碳不得超过0.000 3%,可稳定控制RH出站至连铸过程增碳0.000 4%以内。BH钢对元素检测分析提出了明确要求,Nb、Ti、B 3种微量元素的化验偏差须稳定控制在0.000 3%以内,光谱分析与碳硫分析的碳质量分数检测偏差须稳定控制0.000 2%以内。基于这些条件,提出了较为明确的BH钢炼钢工艺,使BH钢固溶碳内控合格率由65%提高至93%。上述控制措施对其他企业BH钢的生产具有借鉴作用。

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连铸管式结晶器变形的数值仿真与优化

谢鑫, 吴国荣, 吴晨辉, 曾建华

中国冶金. 2022, 32(1): 77-82.
https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20210429

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为了减小管式结晶器铜板变形,提高铸坯质量,建立钢液-铜管-冷却水的三维流动传热模型以及铜管应变模型,研究管式结晶器传热和形变特征,提出铜管优化方案。研究结果表明,铜管热面最高温度为500 K,最低温度为320 K,铜管角部60 mm区域的冷却水温度最低;铜管角部的变形量最大,角部和窄面中心向水缝侧变形,铜管宽面中心向钢液侧变形。通过在铜管角部增加铜质凸起,可显著减小角部变形量,同时对冷却能力影响不大,合适的凸起宽度为10~15 mm。

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基于降低轧机负荷的高性能特厚钢板轧制工艺

刘坚锋, 熊雄, 徐李军, 葛启录, 仇圣桃

中国冶金. 2022, 32(1): 83-89.
https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20210333

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为了得到综合性能合格的特厚钢板产品,对特厚钢板轧制工艺进行优化,通过轧机扭矩测试、钢板显微组织与力学性能分析,研究轧制道次压下率、轧制速度和开轧温度对轧机轧制过程扭矩及钢板力学性能的影响。结果表明,提高开轧温度、降低粗轧道次的轧制速度,可有效控制钢板的变形抗力、降低轧机负荷、增加钢板芯部的变形量,使得试验钢板的各项力学性能显著提高、厚度方向的抗拉与冲击性能均得到明显改善。

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气煤替代1/3焦煤的配煤方案优化试验

潘林辉, 黄胜, 时峰, 许佳, 张开幸, 张德祥

中国冶金. 2022, 32(1): 90-96.
https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20210313

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为扩大炼焦煤资源、降低焦化企业配煤成本,通过坩埚焦试验和40 kg小焦炉试验考察了3种气煤(分别记为QM1、QM2和QM3)替代某焦化企业工业配煤方案中1/3焦煤的可行性,并采用镜质体反射率分布图对气煤的适宜配入比例进行了优化。结果表明,在原生产配煤方案中,当气煤替换比为8%时,焦炭冷态强度变化较小,但其热态强度均有所劣化,其中反应性指数CRI从26.60%提高至27.97%~29.79%,反应后强度CSR从64.14%降低至61.14%~62.82%;当气煤替换比为5%时,配入QM3后焦炭质量与原工业方案相近,而配入QM1和QM2后焦炭CRI较工业方案提高约2%,CSR降低约2%。因此,针对该焦化企业生产一级冶金焦的配煤方案,宜用5%的QM3替代1/3焦煤,可降低入炉煤成本至少15元/t焦,而QM1和QM2的适宜配入比例应小于5%。

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炼铁系统能耗和成本的集成优化及分析

袁喻兴, 闫天一, 那洪明, 杜涛

中国冶金. 2022, 32(1): 97-103.
https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20210261

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炼铁系统是钢铁生产流程中至关重要的一环。基于物质与能量守恒规律和反应动力学,结合系统节能的理论和混合整数线性规划方法,建立了炼铁系统(烧结、球团、高炉工序)能耗-生产成本集成优化模型,采用企业实际数据验证了其有效性,并获得了目标下各工序最优配料和操作参数。结果表明,综合考虑能耗和成本进行多目标优化时,铁水能耗和成本分别降低了0.35 GJ/t和68.40元/t。此外,分析了高炉中球团比变化对系统能耗、成本及高炉铁渣、焦比、煤比等参数的影响关系,指出了提高球团矿比是降低高炉能耗、焦比、渣量的有效措施。

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直流矿热炉熔炼硅锰合金温度场-电磁场数值模拟

刘顺娣, 李宝宽, 于洋, 韵晨成, 欧海彬, 李奇

中国冶金. 2022, 32(1): 104-111.
https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20210289

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采用直流供电成为电弧炉熔炼硅锰合金的发展方向。由于直流供热强度增加,炉衬的温度分布及传热规律需要重新考察及设计。建立了炉衬与炉内熔池耦合的三维非稳态传热模型,研究给定不同外加电压时直流矿热炉炉内的温度场和电磁场。研究表明,外加电压由100 V增大到300 V后,电弧区的最高温度增大了150%。底电极中心与炉壁的温差T_GH随外加电压U增大呈二次线性增加,拟合曲线为T_GH=0.004 29U²-1.162 29U+135.2;底电极中心与炉衬外壁的温差T_GI随外加电压U增大呈二次线性增加,拟合曲线为T_GI=0.005 63U²-1.369 43U+1 188.4。故在提高炉内熔炼效率的同时,应考虑炉内高温对底电极带来的损耗以及炉内温差过大对矿热炉炉衬材料承受能力的影响。外加电压增大导致的炉内温度差过大,会造成炭砖的受热不均匀。结合实际冶炼情况,选择200~250 V的外加电压,最接近实际冶炼的最优指标。

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不同加热轧制AZ91镁合金带材数值模拟及试验验证

梅瑞斌, 史现利, 包立, 张碧辉, 侯俊卿, 李长生

中国冶金. 2022, 32(1): 112-120.
https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20210340

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利用有限元法研究了热辊热带(HSR-HR)、热辊冷带(NSR-HR)和冷辊热带(HSR-NR)3种不同加热方式下AZ91镁合金轧制过程热-力行为,并进行了大压下率热辊冷带工艺试验和组织性能分析。结果表明,HSR-HR、NSR-HR及HSR-NR 3种加热轧制方式的应力三轴度依次增大,中性点附近应力状态软性系数依次减小。热辊冷带方式通过热量传递兼具变形和退火双重作用, 确保了轧件变形温度和变形均匀性,有利于镁合金塑性变形极限提升和轧制过程裂纹愈合。辊面温度达300 ℃以上时,3道次轧后镁合金带材宏观形貌较好,组织发生了充分的动态再结晶,晶粒细化明显,有效提高了镁合金室温塑性和强度。辊面温度为350 ℃和轧制压下率为67%条件下,轧后带材抗拉强度和伸长率分别达312 MPa和32.3%。

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赵欣

中国冶金. 2022, 32(1): 121-121.

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杨利彬

中国冶金. 2022, 32(1): 122-122.

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二氧化碳绿色洁净炼钢技术及应用

中国冶金. 2022, 32(1): 123-123.

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热轧无缝钢管在线组织性能调控关键技术、装备开发及应用

中国冶金. 2022, 32(1): 124-124.

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2022年, 第32卷, 第1期　刊出日期：2022-01-15

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