中国冶金

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氢的大规模制备及在钢铁行业的应用和展望

车彦民, 曹莉霞, 刘金哲

中国冶金. 2022, 32(9): 1-7.
https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20220201

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中国钢铁产量占世界总产量的一半以上,随着全球“碳达峰”“碳中和”的推进,钢铁行业面临着巨大的低碳发展挑战。氢能被认为是一种低碳能源,“以氢代碳”是实现源头降碳和流程低碳转型的重要途径之一。重点介绍氢气基本性质、制备来源与碳排放的关系,探讨煤制氢、天然气制氢、甲醇制氢和电解水制氢4种主流大规模制氢路线的技术特性、发展现状、制备成本和发展方向,结合钢铁行业的用氢特点,对氢在氢冶金和燃料替代方面的应用前景进行分析展望,提出中国钢铁行业通过实施氢能利用逐步实现低碳转型的发展路径。

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转炉炼钢出钢过程的数值模拟

庞传彬, 袁飞, 徐安军, 贺东风, 刘旋

中国冶金. 2022, 32(9): 8-15.
https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20220275

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不同直径的出钢口决定转炉出钢流场的分布,从而影响出钢过程的钢水温降,而钢水温降直接影响转炉出钢温度以及炼钢生产节奏。为掌握出钢过程中的温降规律以及设计合理的出钢口参数,利用Ansys软件包建立三维转炉及钢包模型,借助数值模拟方法,研究得到200 t转炉在不同尺寸出钢口下的出钢流场数据,进而针对出钢过程中的钢水注流,研究出钢口尺寸及钢包内壁温度对注流温降的影响规律。研究发现,钢水注流的温降与注流比表面积成正比;另外在出钢早期,内壁温度每提升100 K,注流温降平均减小0.4~0.7 K。后续将继续开展出钢过程中钢包及合金辅料对钢水温降影响规律的研究,以期为转炉出钢工艺提供数据支撑。

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稀土对HRB400E螺纹钢低温冲击韧性的影响

魏书豪, 陆恒昌, 刘腾轼, 王长城, 谢吉祥, 董瀚

中国冶金. 2022, 32(9): 16-25.
https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20220268

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采用工业试验生产了稀土质量分数为0%、0.016 8%、0.028 5%和0.037 0%的HRB400E螺纹钢,使用DVN(Direct V-notched)冲击试样进行了低温冲击试验,以研究稀土含量对HRB400E螺纹钢低温冲击韧性的影响,并借助OM、SEM、EDS和全自动夹杂物分析仪表征了稀土处理前后螺纹钢的微观组织和夹杂物的形貌、化学成分和尺寸。结果表明,在-20、-40、-60 ℃ 3个试验温度下,试验钢的低温冲击韧性随稀土含量的增加呈现出先升高后降低的趋势。其中,稀土质量分数为0.016 8%的试验钢低温冲击韧性最佳,-20 ℃时其冲击功为276 J,相比未添加稀土的试验钢提高了117%。未添加稀土时,试验钢中的夹杂物主要为MnS、MnO-SiO₂和Al₂O₃,添加0.016 8%稀土后试验钢中MnO-SiO₂和Al₂O₃的比例(数量)大幅降低,MnS的比例明显提高,并生成了小尺寸、形状相对规则的稀土复合夹杂物,从而阻碍裂纹的萌生与扩展,改善了试验钢的低温冲击韧性。然而,过量添加稀土会导致试验钢中稀土夹杂物的尺寸增大,大尺寸的稀土夹杂物促进裂纹扩展,对试验钢的低温冲击韧性具有不利影响。

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Ni₆₀Ti₄₀形状记忆合金的热变形行为

马昕, 许斯洋, 周舸, 丁桦

中国冶金. 2022, 32(9): 26-36.
https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20220229

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为获得Ni₆₀Ti₄₀形状记忆合金热变形的最佳工艺参数,利用等温恒速率热压缩试验研究了在温度为800~1 000 ℃、应变速率为0.005~5.000 s^-1条件下Ni₆₀Ti₄₀合金的热变形行为,通过探究不同变形温度和应变速率对Ni₆₀Ti₄₀合金流变行为的影响创建本构关系,并以动态材料模型为基础构建热加工图。结果表明,Ni₆₀Ti₄₀合金的流变应力随变形温度的升高而减小、随应变速率的升高而增大。温度为900~1 000 ℃、应变速率为0.005~0.500 s^-1时,流变应力较快达到稳态,且所需的变形量较少。采用Arrhenius双曲正弦模型构建的Ni₆₀Ti₄₀合金热变形的流变应力本构关系模型可基本准确地预测实际流变应力随工艺参数的变化趋势,计算得到Ni₆₀Ti₄₀合金的平均热变形激活能为213 kJ/mol。Ni₆₀Ti₄₀合金的热变形有3个稳定变形区和1个失稳区,适宜变形的区域为800~870 ℃/0.005~0.080 s^-1、870~950 ℃/0.080~0.500 s^-1和950~1 000 ℃/0.050~5.000 s^-1;不适合进行热加工的区域为800~850 ℃/0.220~5.000 s^-1。

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随钻仪器钻铤的断裂失效分析

张玉霖, 郭闯, 尚捷, 杨恒灿, 菅志军, 尚成嘉

中国冶金. 2022, 32(9): 37-44.
https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20220223

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利用光学显微镜、扫描电镜进行组织观察,通过力学性能测试、微动磨损测试等试验方法,对一种随钻仪器无磁钻铤的断裂失效原因进行了分析。结果表明,该随钻仪器钻铤在使用过程中发生了微动磨损,在工件过渡锥角根部形成了环形磨损凹槽。环形磨损不仅使钻铤有效直径减小,而且在带有弯曲的复杂载荷下,易在环形磨损处造成很强的应力集中,最终导致工件的断裂。环形磨损的产生是由于工件装配结构所致,但钻铤取材于原材料锻件半径的1/2位置偏内,此处晶粒较为粗大,硬度低,在同等工况下磨损相对严重。

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RH加钛时机和纯循环时间对IF钢洁净度影响

温瀚, 周海忱, 罗衍昭, 黄财德, 赵长亮

中国冶金. 2022, 32(9): 45-51.
https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20220232

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为进一步提升RH精炼的冶炼效率,更好与高拉速连铸相匹配,对RH冶炼IF钢过程中加Ti时机和纯循环时间对夹杂物的影响开展了试验研究。结果表明,钢液中T.O质量分数在加Al 5 min后小于0.003 0%;夹杂物的数密度在合金化4~5 min后具有最小值,随后增加纯循环时间,夹杂物的数密度无明显变化。在300 t RH工业生产实践中,Al-Ti间隔时间为2 min、纯循环时间为5 min和Al-Ti间隔3 min、纯循环4 min的处理工艺可以保证钢液中的夹杂物充分上浮去除,夹杂物的数密度为0.7~0.8个/mm²,可以实现RH的高效化精炼。在Al-Ti间隔时间大于1 min、纯循环时间大于3 min的操作条件下钢液中未检测到尺寸大于50 μm的夹杂物。基于以上工艺优化,IF钢的RH真空处理时间已经降低至20 min。向钢液中加入Al后主要形成Al₂O₃夹杂物,加入钛铁合金化后钢液中会形成富[Ti]区域,[Ti]将Al₂O₃还原而生成Al-Ti氧化物。随着[Ti]在钢液内的扩散以及Al-Ti氧化物的生成,钢液中的[Al]将Al-Ti氧化物还原而生成Al₂O₃,最终生成以Al-Ti氧化物为核心、外层由Al₂O₃包裹的复合夹杂物。

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多模式全连续铸轧产线卷渣缺陷分析及控制

王章岭, 李向奎, 刘鸿明, 缪成亮, 马硕, 季晨曦

中国冶金. 2022, 32(9): 52-56.
https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20220494

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通过扫描电镜和能谱分析仪对低碳低硅铝镇静钢表面卷渣缺陷微观形貌进行观察和能谱分析。结果表明,低碳低硅铝镇静钢表面较短条状卷渣缺陷的主要成分为钙、铝和氧,为典型的钙铝酸盐夹杂物;较长条状卷渣缺陷的主要成分为钙、硅、氟、钠和氧,为典型的保护渣成分。针对不同类型的卷渣缺陷及其成因,分别在炼钢工艺的挡渣出钢、精炼工艺的升温时间和钙含量以及连铸工艺的中间包控流装置、中间包保护气氛、结晶器液面波动、钢包下渣和结晶器保护渣等方面进行改造、控制和优化。采取上述措施后,因低碳低硅铝镇静钢表面卷渣缺陷造成的产品降级率由大于10.0%降至1.5%以下,产品质量得到明显提升。

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浸入式水口结构对连铸大圆坯质量的影响

张洪才, 印传磊, 郑力宁, 翟万里, 石可伟, 张益民

中国冶金. 2022, 32(9): 57-63.
https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20220285

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为研究不同结构的浸入式水口对大规格连铸圆坯质量的影响,以某钢厂生产断面直径为500 mm的 42CrMo连铸圆坯为背景,对使用侧孔浸入式水口和传统直通浸入式水口的使用效果开展研究。结果表明,采用侧孔浸入式水口浇铸时,结晶器进出水温差由传统直通水口的3.30 ℃提高至3.54 ℃;连铸圆坯中心疏松由1.5级改善至1.0级,中心偏析指数由0.93~1.21降低到0.98~1.02,近表层至近中心碳极差由0.050%~0.075%降至0.035%~0.053%,使用侧孔浸入式水口的连铸圆坯碳偏析得到改善;铸坯内弧侧表层至3/4R处氧化物夹杂物总量减少0.5个/mm²;铸坯从1/4R处向内长度不小于13 μm的硫化物数量减少0.35个/mm²;轧材全氧质量分数平均降低0.000 12%,夹杂物中B类氧化物夹杂均在1.5级以内,钢中大尺寸夹杂物明显减少,钢的洁净度得到改善。

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连铸高铝氮积齿轮钢第三脆性区形成机制与控制

魏民, 李海洋, 董延楠, 唐海燕, 王得炯, 张家泉

中国冶金. 2022, 32(9): 64-72.
https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20220271

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钢中的Al、N含量对连铸及其后续加工热塑性和奥氏体晶粒度控制有重要影响,这也是高温渗碳钢与各种Al脱氧钢广泛关注的问题。使用Gleeble 3800热/力学模拟试验机测定了一种轨道交通用高铝氮积齿轮钢(SCM420H)的高温热塑性,并结合差示扫描量热仪(DSC)分析、AlN析出热力学模型以及Schwerdtfeger热塑性特征值计算模型揭示了其第三脆性区的形成机制与调控途径。结果表明,高铝氮积齿轮钢第三脆性区低谷温度范围为750~850 ℃,这是由应力诱导先共析铁素体膜的产生与AlN粒子的大量析出共同导致的。Schwerdtfeger热塑性特征值计算模型可以较准确地预测高铝氮积齿轮钢第三脆性区的上限温度与最小面缩率,但由其预测的热塑性曲线下限温度偏高,应进一步考虑先共析铁素体膜析出的影响,并依据Ar3温度对其进行修正。高Al高N齿轮钢第三脆性区的下限温度取决于其先共析铁素体开始析出温度,主要与钢种成分和铸坯冷却速率相关,连铸生产中可控性有限;但其上限温度则与铸坯应变速率、冷却速率以及钢中的Al、N含量和AlN析出行为均有关联,调控空间较大,应该是连铸生产中合理控制铸坯热塑性与表面裂纹倾向的正确途径。

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连铸二冷系统喷嘴堵塞物来源分析和控制措施

刘喜锚, 史伟宁

中国冶金. 2022, 32(9): 73-78.
https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20220473

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连铸二冷喷嘴堵塞会造成冷却水分布不均匀,导致铸坯表面温差大,使铸坯产生裂纹缺陷,严重降低轧材的成材率。针对湘钢4号小方坯连铸机出现的喷嘴频繁堵塞问题,全面、系统分析了喷嘴堵塞物类型及其来源,并提出了相应控制措施。分析结果表明,喷嘴堵塞物主要分为4种类型,即边角突出的致密铁氧化物,球形铁氧化物,含P、Si、Ca的无定形氧化物和多孔疏松结构的铁氧化物,其来源于水站沉淀池和连铸反冲洗过滤器后的碳钢材质部件结垢物。当反冲洗过滤器后的碳钢材质部件更换为不锈钢材质后,喷嘴堵塞物中多孔疏松结构的铁氧化物消失,喷嘴堵塞现象明显改善,最大喷嘴堵塞数量由5~8个减少为0~2个。

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传动-压下-带钢耦合激励CSP轧机振动分析

张义方, 何成, 崔立, 王才峄, 闫晓强

中国冶金. 2022, 32(9): 79-84.
https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20220478

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针对CSP轧机在轧制高强薄带钢时出现的强烈振动现象,利用在线监测系统对轧机机电液信号进行跟踪测试,获得了轧机垂扭耦合振动信号特征。在此基础上,探讨传动-压下-带钢耦合激励的轧机振动机制,利用ANSYS有限元方法构建传动-压下-带钢耦合激励谐响应仿真模型,求解在多激励下轧机的谐响应特征,得知F3轧机垂振在42 Hz频率处振动响应最大,与现场测试结果基本吻合。研究结果对提高薄规格带钢轧制生产稳定性具有参考价值,同时指出抑制轧机振动的方向。

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热轧板坯头部翘曲机器视觉检测与BP神经网络预测控制

黄华贵, 刘迎港, 黄海林, 陈光, 王晓东

中国冶金. 2022, 32(9): 85-89.
https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20220256

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为解决热轧粗轧阶段板坯头部翘曲自动控制问题,以某2 250 mm热轧线粗轧机组为对象,介绍机器视觉检测原理及其在热轧生产线检测位置及检测结果的表征方式。通过分析影响板坯头部翘曲的因素,建立了9-10-6-1的4层BP神经网络预测模型,以现场检测数据为样本对网络进行了训练和预测验证。结果表明,神经网络模型预测精度符合现场的控制要求,这为热轧过程头尾翘曲自动控制和生产的无人值守奠定了基础。

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980 MPa级冷轧超高强度双相钢边裂原因分析与工艺优化

曹晓恩, 赵红旗, 李守华, 刘自权, 薛仁杰, 张志扬

中国冶金. 2022, 32(9): 90-96.
https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20220399

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汽车用超高强度双相钢CR550/980DP冷轧边裂问题,严重影响热轧/冷轧工序界面生产顺行,易造成冷轧机架间及连退炉内断带事故,成为超高强度双相钢生产的难题。基于高温热塑性曲线和热轧动态CCT曲线,采用对显微组织、力学性能、裂纹扩展分析等手段明确冷轧边裂产生原因。试验结果分别指出,精轧阶段带钢横向温度分布不均匀、边部温降大,导致在第Ⅲ脆性区轧制;同时,受Nb作用再结晶温度提高,边部低温区为未再结晶区轧制;当应变量超过塑性极限、轧制力超过边部热强度时,形成热轧卷边裂。边部形成细小弥散的铁素体(F)和马氏体(M)两相组织,不协调应变将导致F/M相界面产生应力集中而形成裂纹;裂纹以微孔聚集方式进行扩展,形成热轧卷无边裂-冷轧边裂现象。通过投用边部加热器和优化初轧定宽量、精轧入口温度、精轧机架间冷却水、终轧温度、卷取温度等措施,实现热轧卷边部质量改善、解决边裂问题。

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高强IF钢冷轧边部条带缺陷机理分析与控制

王恩睿, 陈子刚, 柳风林, 李斌, 张明

中国冶金. 2022, 32(9): 97-104.
https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20220228

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通过光学显微镜、扫描电镜、能谱分析以及酸洗模拟等方法,研究了高强IF钢HC250IF表面条带缺陷的产生原因、结构特点和控制措施。结果表明,氧化铁皮沿带钢宽度方向的不均匀分布以及拉矫破碎效果不充分导致了带钢边部比中部更容易发生过酸洗。在磷元素表面富集和晶界偏聚作用下,基体晶界处优先发生选择性侵蚀,侵蚀裂纹沿晶界从表面向内部扩展,形成具有厚度差的多孔区和粗糙区结构。冷轧过程中,缺陷部位变形撕裂,产生了大量表面微裂纹,增大了局部粗糙度差异,进而在带钢边部形成条带缺陷。以优化匹配热轧和酸洗工艺参数、改善热轧带钢表面状态为基础,通过控制酸洗进程、提高酸洗质量均匀性等措施,能够有效减少这类缺陷的发生。

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表检系统在冷轧板表面线性缺陷检测中的应用

王林, 于洋, 倪有金, 付光, 王畅, 高小丽

中国冶金. 2022, 32(9): 105-112.
https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20220492

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保护渣缺陷、气泡缺陷、夹杂物缺陷和擦划伤缺陷是冷轧薄板表面典型的 4 种线性缺陷,由于此 4 种线性缺陷宏观形貌相似,优化前的表检系统难以对其进行准确区分,给线性缺陷的判定、溯源及工艺改进造成了极大的困难。通过大量取样分析,并对各线性缺陷的表检结果和实物形貌以及微观特征进行了对比,明确了各线性缺陷的宏观和微观形貌特征,并以此为依据优化了线性缺陷表检系统的判定规则和图库,使冷轧薄板表面线性缺陷判定的准确率由80%提高至90%。

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基于单目线结构光的智能仓库车辆识别系统

李小占, 闫书宗, 徐冬, 李全汉, 杨荃, 王晓晨

中国冶金. 2022, 32(9): 113-119.
https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20220213

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为了实现钢铁企业智能仓库的车辆识别,提出通过基于机器视觉技术的智能仓库车辆识别方案。将面阵CCD相机及线结构光布置在车辆停车位上方拍摄车辆及结构光图像,首先通过张正友标定法及光平面空间原理完成相机与光平面标定;其次使用图像预处理算法及骨架法提取结构光光条中心线;然后通过引入车上、车下点的判别标准,精准识别车上边缘点,并引入车辆高度变量,得到车上边缘点由图像坐标向世界坐标的转化模型;最后根据车上3个边缘点坐标计算车辆位置信息,完成智能库区车辆方位识别。研究结果表明,所构建的测量系统及算法可以获取仓库车辆位置信息,通过标准件精度验证试验可知系统测量结果精确度较高,能够准确实时反映仓库车辆位置信息,这为智能仓库车辆位置检测提供了有效测量手段。

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冷热双混辊压法高炉熔渣破碎试验

徐朝成, 陈光, 包向军, 张璐, 陈琰炜, 张秋波

中国冶金. 2022, 32(9): 120-125.
https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20220210

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围绕高炉熔渣余热回收设计开发了冷热双混辊压法高炉熔渣破碎装置,并以水淬高炉渣作为冷却介质,开展了高炉熔渣辊压破碎试验。试验研究了电机转速R、辊间距离L、冷却介质漏斗高度H等装置运行参数对处理后炉渣的厚度、温度以及玻璃化率的影响,获得最佳参数,为高炉熔渣余热回收及工业试验奠定基础。结果表明,在电机转速为9 r/min、辊间距离为2 mm、水淬渣漏斗高度为4 mm时,处理后的高炉渣呈现为厚度最小为1.26 mm的薄片。此时,炉渣温度为442 ℃,玻璃体化率达89.8%,可在保证高炉渣后续利用的同时,最大程度地提高余热回收温度。

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磷铝复掺对C₂S晶型转变的影响

郝帅, 罗果萍, 陈银胜, 柴轶凡, 宋巍, 安胜利

中国冶金. 2022, 32(9): 126-133.
https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20220263

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为了探明P、Al复掺对纯C₂S晶型转变及物相组成的影响规律,采用X射线衍射仪(XRD)和FactSage热力学分析软件分析了P₂O₅和Al₂O₃复掺C₂S焙烧后试样的主要矿物组成及平衡态时物相组成。研究发现,P₂O₅的掺杂对C₂S晶型由β-C₂S向γ-C₂S转变有抑制作用,当P₂O₅掺杂质量分数高于0.5%时,抑制效果明显。Al₂O₃掺杂C₂S,Al₂O₃中Al³⁺替代β-C₂S中Si⁴⁺形成氧原子空缺,提高了C₂S的活化能;铝酸盐能够替代硅酸盐四面体,形成低熔点物质,提高C₂S的稳定性,降低熔点。因此,P、Al复掺C₂S,既能抑制C₂S晶型由β-C₂S向γ-C₂S转变所产生的体积膨胀,提高硅酸盐水泥的安定性,又能降低C₂S的熔化性温度,节约硅酸盐水泥的烧制成本。

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含锌电炉粉尘水浸处理-真空碳热还原工艺

臧永港, 黄润, 杨婧飘, 李博, 徐安勋

中国冶金. 2022, 32(9): 134-141.
https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20220258

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根据国家对绿色冶金的倡导,对如何高效无污染回收含锌电炉粉尘中的金属锌及K、Na元素进行研究,采用水浸预处理回收粉尘中K、Na元素,再进行真空碳热还原回收金属锌。试验结果表明,水浸最佳方案为固液比为1∶10(g/ml)、搅拌速度为300 r/min、水浸时间为70 min。此条件下,K元素浸出率达91.09%,Na元素浸出率达85.68%。通过FactSage 8.0软件模拟真空碳热还原电炉粉尘在不同含碳条件下热力学行为,并结合前期探索试验表明,水浸渣添加质量分数为10%的焦炭、还原温度为950 ℃、保温时间为60 min的条件下进行真空碳热还原试验可有效分离Fe、Zn元素,获得金属锌锭(Zn质量分数为98.15%)及高品质铁精粉(Fe质量分数为61.93%)。

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余彬

中国冶金. 2022, 32(9): 142-142.

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高品质冷轧带钢精整核心装备及关键技术开发与应用

中国冶金. 2022, 32(9): 143-143.

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镁处理洁净钢新产品开发与关键技术集成

中国冶金. 2022, 32(9): 144-144.

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2022年, 第32卷, 第9期　刊出日期：2022-09-15

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