2023年, 第33卷, 第5期　刊出日期：2023-05-15

  

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技术综述
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  中国钢铁工业国际产能合作案例特点分析及展望

  苏长永, 李新宇, 林严, 苏步新

  中国冶金. 2023, 33(5): 1-8.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20220999

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  钢铁工业全球化具有资源、技术、市场和人才全球化4个特征。中国钢铁工业在践行“一带一路”倡议上,已在铁矿资源获取、国际工程承包和钢材消费市场开发方面取得突破。计算了中国钢铁相关企业跨国指数,总结了钢铁工业国际产能合作现状,并给出合作成功案例的4个特点。对钢铁工业国际产能合作涉及的风险因素进行识别和影响分析,从相关政府部门和“走出去”企业层面分别给出合作建议,最后对钢铁工业国际产能合作进行展望。
冶金英才特约
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  淬火工艺对新型耐蚀耐磨钢的组织和性能的影响

  梁亮, 严立新, 邓想涛, 刘宁, 汪净, 王昭东

  中国冶金. 2023, 33(5): 9-17.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20230095

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  为了得到综合性能优异的新型耐蚀耐磨钢,探究了淬火工艺对1.0Cr和3.5Cr两种钢组织性能的影响。借助场发射扫描电镜、透射电子显微镜、拉伸和冲击检测等手段对两种钢在不同淬火工艺下的组织性能进行了观察及分析。研究结果表明,淬火温度通过影响晶粒尺寸和碳化物溶解程度来影响两种钢的力学性能。当淬火温度为900 ℃时,两种钢均得到最佳的综合力学性能;当淬火温度低于900 ℃时,1.0Cr钢的晶粒尺寸不均匀导致力学性能相对较差,而3.5Cr钢中弥散分布的碳化物阻碍了原奥晶粒长大,因此其力学性能比同淬火温度下的1.0Cr钢更优异;淬火温度升高到960 ℃时,由于Cr的碳化物完全溶解,两种钢的晶粒尺寸均显著增大,力学性能相对降低。研究结果为获得最佳性能的新型耐蚀耐磨钢提供了工艺指导。
专题研究
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  碱金属盐对赤铁矿球团渗碳效率的影响

  吴飞豹, 陈栋, 苏一璠, 刘少强, 胡鑫

  中国冶金. 2023, 33(5): 18-26.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20220976

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  赤铁矿是一种制备碳化铁的优质含铁原料,但是目前存在渗碳效率低下的问题。为了提高赤铁矿的渗碳效率,在赤铁矿中加入碱金属盐,并借助X射线衍射(XRD)、高频红外碳硫分析仪和扫描电子显微镜等揭示碱金属盐在赤铁矿球团渗碳过程中的作用机理。结果表明,碱金属盐(Na₂CO₃)能够促使致密的赤铁矿颗粒转变为疏松多孔的铁矿物颗粒,强化铁矿物的晶格畸变,提高 CO在金属铁和碳化铁表面的吸附和分解能力,从而改善赤铁矿球团还原和渗碳效率;此外,预热处理是一种十分有效的强化Na₂CO₃添加剂作用的方法,不仅可以强化铁矿物的晶格畸变,还可以增强Na⁺离子的强化作用,显著提高赤铁矿球团的渗碳效率。当赤铁矿球团添加了质量分数为3%的Na₂CO₃并在1 000 ℃预热15 min后,球团的渗碳指数从 13.23升高到28.99。研究结果可为提高赤铁矿的渗碳效率提供参考。
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  赤铁矿粉在H₂气氛中闪速还原过程的数值模拟

  国爱, 曲迎霞, 邢力勇, 高叶, 邵磊, 邹宗树

  中国冶金. 2023, 33(5): 27-36.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20220980

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  为了考察赤铁矿粉在不同反应条件下的闪速还原行为,基于欧拉-拉格朗日方法建立了描述赤铁矿粉在氢气气氛中闪速还原过程的数学模型。通过数值计算获得了反应器内气粒两相的温度分布、速度分布以及颗粒运动轨迹,并对赤铁矿粉在反应器中的闪速还原过程进行了分析,考察了炉温、氢气体积分数、粒度等操作条件对闪速还原行为的影响。结果表明,当炉温不高于1 550 K时,赤铁矿粉在运动过程中经历了升温、热分解和气-固还原反应;当炉温高于1 550 K时,赤铁矿粉还会发生气-液还原反应且该反应区域随着炉温和氢气体积分数的升高而增大。当氢气体积分数为40%时,炉温每升高150 K,粒度为53~64 μm的赤铁矿粉在0.5 m反应区内的最终还原度提高约40个百分点。模型的建立为闪速还原炼铁技术的开发提供了理论指导。
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  煤粉与熔剂混合喷吹管道偏析行为的数值模拟

  王凯, 何晓霞, 赵满祥, 张建良, 贾国利, 徐润生

  中国冶金. 2023, 33(5): 37-43.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20230065

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  为了探究高炉煤粉与熔剂混合喷吹时的偏析行为,对高炉喷吹煤粉和熔剂取样并进行测试,得到喷吹煤粉的工业分析结果和元素分析结果,以及煤粉和熔剂的成分检测结果。在此基础上使用Fluent软件对喷吹煤粉与熔剂混合喷吹输送过程中的不同颗粒沉降规律进行数值模拟分析,解析熔剂添加量、载气速度以及管道长度对偏析的影响。试验结果表明,熔剂添加量对偏析的影响较小;随着载气速度的增大,偏析程度逐渐降低;管道越长,受偏析影响的粉煤量也越多。因此,提高载气速度有助于抑制偏析;管道过长不仅会增加颗粒的沉降度,还会加大偏析的影响。研究结果可为煤粉和熔剂混合喷吹技术的应用提供指导。
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  全成分体系钢溶质平衡分配系数的热力学计算

  王亚栋, 张立峰

  中国冶金. 2023, 33(5): 44-52.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20220985

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  为了获得全成分钢体系溶质平衡分配系数,基于钢的凝固过程,建立了多元体系溶质平衡分配系数的热力学计算模型,利用FactSage热力学软件计算了全成分体系下20CrMnTi齿轮钢的相变过程及溶质平衡分配系数。20CrMnTi齿轮钢凝固过程中,主要发生L→L+δ→L+δ+γ→L+γ→γ的相变。在L+δ共存区,C、Si、Mn、P、S、Cr、Ti和Al的平均平衡分配系数分别为0.167、0.702、0.693、0.267、0.035 5、0.889、0.255和1.268。在L+γ共存区,C、Si、Mn、P、S、Cr、Ti和Al的平均平衡分配系数分别为0.328、0.718、0.723、0.135、0.016 5、0.855、0.176和1.324。C含量对C、Mn、Cr和Al元素在L+δ共存区的平衡分配系数影响较小,随着C质量分数从0.2%增加至0.4%,在δ铁素体中,Si的平衡分配系数平均值从0.702增加至0.735,P的平衡分配系数平均值从0.267增加至0.272,S的平衡分配系数平均值从0.035 5增加至0.036 3,Ti的平衡分配系数平均值从0.255降低至0.236。C含量对P、S和Al元素在L+γ共存区的平衡分配系数影响较小,随着C质量分数从0.2%增加至0.4%,在奥氏体中,C的平衡分配系数平均值从0.328增加至0.341,Si的平衡分配系数平均值从0.718增加至0.755,Mn的平衡分配系数平均值从0.723降低至0.708,Cr的平衡分配系数平均值分别为0.855、0.857和0.853,Ti的平衡分配系数平均值从0.176降低至0.161。计算结果为研究溶质偏析提供了准确的参数。
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  PMO对42CrMoA钢ø300 mm圆坯枝晶组织的影响

  刘均, 左小坦, 陈永峰, 刘海宁, 徐智帅, 翟启杰

  中国冶金. 2023, 33(5): 53-59.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20220998

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  枝晶形貌是影响铸坯元素分布、缩孔缩松及性能的重要因素,细化枝晶能够有效提高铸坯质量。研究了PMO处理对42CrMoA钢ø300 mm连铸圆坯枝晶形貌的影响。研究发现,PMO处理坯的柱状枝晶生长方向发生偏转,枝晶臂间距明显减小,其中一次枝晶臂间距减小率为10%~35%,二次枝晶臂间距减小率为25%~35%。分析认为,PMO造成凝固前沿热流方向及溶质场变化,导致枝晶重新竞争生长,因此一次枝晶生长方向发生改变,且一次枝晶臂间距减小。另外,PMO在铸坯凝固前沿形成感生电流,固液相电导率差异造成枝晶尖端电流聚集,进而导致曲率半径增大,降低了细枝晶的溶解速率,抑制了二次枝晶的熟化过程,因此二次枝晶臂间距减小。研究结果为今后利用PMO改善铸坯枝晶组织提供了指导。
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  κ-碳化物对低密度超细珠光体组织细化的影响

  张晨, 胡锋, 周杰, 周雯, 张东, 吴开明

  中国冶金. 2023, 33(5): 60-70.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20220901

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  低密度钢已成为开发满足安全和节能要求材料的研究热点,为实现材料的轻量化,推动绿色发展,在超高强度珠光体桥索钢的合金设计中加入适量的轻质元素中Mn(质量分数为5%)和中Al(质量分数为5%)以降低材料密度,其理论计算密度由7.85 g/cm³降至6.81 g/cm³,降幅达13.2 %。在相同珠光体等温处理(600 ℃-0.5 h和500 ℃-2.0 h)后,与传统珠光体钢相比,低密度珠光体钢抗拉强度和屈服强度显著提高,分别由(1 237±24) MPa提高到(1 247±37) MPa、(923±12) MPa提高到(1 171±34) MPa,伸长率稍微降低,由6.46%±0.20%降低到5.18%±0.06%,显微组织由传统的θ-珠光体(铁素体+渗碳体)转变为θ-珠光体和κ-珠光体(铁素体+渗碳体+κ-碳化物)。结果表明,添加适量的Al和Mn抑制C的扩散,提高珠光体的转变自由能,显著延缓珠光体的共析转变过程,同时超细珠光体的片层间距明显细化,团簇尺寸明显减小;促进了低密度珠光体钢中κ-碳化物的形成,其与位错的相互作用提高了材料的应变硬化,实现了超细珠光体桥索钢的低密度、超高强度的目标。
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  固溶温度对17Cr-1Ni-3Mn-0.12N经济型不锈钢组织及力学性能影响

  吕杰晟, 宋志刚, 何建国, 丰涵, 郑文杰, 朱玉亮

  中国冶金. 2023, 33(5): 71-77.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20230057

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  针对一种新成分体系17Cr经济型不锈钢,通过室温拉伸试验、显微组织观察、X射线衍射等手段,研究了不同固溶温度对17Cr不锈钢显微组织和力学性能的影响,遴选出最佳的热处理温度区间,同时明确了固溶温度对该类型不锈钢奥氏体稳定性的影响。结果表明,17Cr不锈钢在900~1 000 ℃固溶处理会发生上下屈服,1 200 ℃固溶处理不发生相变诱导塑性(TRIP)效应,其最佳的固溶处理温度区间为1 050~1 150 ℃。不同固溶温度处理后试验钢均呈现铁素体、奥氏体和马氏体三相并存的组织;随着固溶温度升高,淬火马氏体相变发生率先降后增,奥氏体的热力学稳定性先升高后下降,同时TRIP效应减弱、抗拉强度降低、断后伸长率提高,奥氏体力学稳定性升高。分析拉伸试样断口可知,试样由马氏体处起裂呈解理断裂,而铁素体在断裂过程中阻碍了裂纹扩展。本研究为经济型双相不锈钢成分及显微组织设计提供了新的思路和理论基础。
生产技术
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  高铬型钒钛磁铁矿内配碳钠基碱性球团制备

  朱奎松, 蒲韵竹, 王来信, 李佳欣, 程相魁, 林银河

  中国冶金. 2023, 33(5): 78-85.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20220948

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  为探究高铬型钒钛磁铁矿内配碳钠基碱性球团的性能,开展了内配碳碱性球团制备工艺参数优化的试验研究。首先通过单因素试验讨论加水量、成球压力、黏结剂加入量、Na₂O加入量和配碳量对球团落下强度的影响;然后采用正交试验结合极差分析和方差分析确定影响球团落下强度的主次因素和最优工艺参数组合;最后在最优工艺参数组合条件下进行球团高温热裂性、转鼓指数和膨胀率测试。研究结果发现,球团制备的最优工艺参数组合为加水量6%、成球压力10 MPa、黏结剂加入量0.4%、Na₂O加入量1.2、配碳量1.2;影响球团性能的主次因素依次为成球压力、配碳量、Na₂O加入量、加水量、黏结剂加入量。在最优参数组合条件下,干球团在950、1 050、1 150、1 250 ℃下的高温热裂性分别为15%、20%、25%、35%,转鼓指数分别为82.3%、77.6%、72.8%、63.4%,膨胀率分别为108%、120%、106%、70%。上述球团制备工艺参数优化的研究结果可为后续高铬型钒钛磁铁矿碱性球团制备以及非高炉工艺回收高铬型钒钛磁铁矿中有价金属提供工艺参考。
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  高炉高球比条件下炉料颗粒偏析行为及其优化

  赵立辉, 王炜, 胡鹏, 郑魁, 王斌, 解明亮

  中国冶金. 2023, 33(5): 86-93.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20221004

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  提高入炉球团矿比例是高炉低碳冶炼的重要手段,由于球团矿滚动性强,在高炉布料过程中会存在炉料粒度偏析的问题,因此优化布料制度、降低炉料粒度偏析,对改善高炉上部气流分布具有重要意义。为此,通过建立物理模型,研究球团矿配比、矿石批重和溜槽倾角对高炉布料偏析的影响,结果表明,提高球团矿配比能够降低炉料的粒径差,改善炉料粒度偏析情况。基于试验结果建立了炉料粒度偏析指数预测的多元回归模型,发现炉料粒度偏析指数随着溜槽倾角的增加逐渐增大,在溜槽倾角大于32°后炉料粒度偏析指数的增幅变小;炉料粒度偏析指数随着矿石批重的增加呈现先增大后减小的变化趋势。在球团矿配比固定时,采用大批重小角度溜槽倾角或者小批重大角度溜槽倾角可以有效减小炉料粒度偏析。研究结果可以为高炉采用高比例球团矿冶炼时优化调整装料制度提供参考。
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  基于因果推断的冷轧带钢厚度异常根因分析

  周军, 杨荃, 王晓晨

  中国冶金. 2023, 33(5): 94-101.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20220867

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  厚度精度是衡量冷轧带钢质量的重要指标之一,快速诊断带钢厚度异常并定位异常发生的根本原因,对提升带钢质量及生产稳定性具有非常重要的意义。为此,通过轧制机理模型确定厚度影响因素,采用多元线性回归方法构建厚度增量残差模型,对残差进行核密度估计来检测厚度异常;针对厚度异常,基于因果推断计算影响因素的因果效应,辨识出厚度异常的根本原因。实际应用结果表明,该方法能准确地诊断厚度异常和辨识异常的根本原因,与常规方法相比,其对冷连轧过程变量之间具有高度相关性的工况更为有效。
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  基于迭代学习的轧辊偏心补偿控制

  乔继柱, 史鸿剑, 孙杰, 彭文, 李霄剑, 张殿华

  中国冶金. 2023, 33(5): 102-108.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20220977

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  针对轧机普遍存在的轧辊偏心问题,结合偏心信号的特点及补偿控制方法,将一种在工业机器人重复性控制领域广泛使用的迭代学习控制方法应用在轧辊偏心补偿控制中。基于对周期误差数据不断学习,轧机偏心控制系统的压下控制调整更加精准。对构造的轧辊偏心信号进行测试,其相比于快速傅里叶变换补偿方法,迭代学习10~50次后的补偿精度提高20.1%~56.4%;经过迭代学习律参数的优化,迭代学习后补偿精度达到50%以上的同时,收敛速度大幅增加。考虑到在轧机加减速状态时偏心信号频率发生改变,通过迭代学习控制对变频信号进行补偿,经过10次的快速学习补偿,误差评价函数值达到最初的13.6%。利用冷连轧一道次的生产线实际数据进行测试,结果表明迭代学习补偿控制能够在学习过后有效提升偏心补偿精度。研究基于迭代学习控制方法,为轧辊偏心的补偿控制提供一定的参考。
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  冷轧带钢开卷机、卷取机电机参数及减速比计算实用方法

  蔡玲, 邵远敬, 宋军, 徐蕾

  中国冶金. 2023, 33(5): 109-115.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20220965

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  开卷机、卷取机是冷轧连续机组稳定运行的关键设备,合理选择其电机参数及配套减速机减速比尤为重要。目前在工程设计上,作为开卷机、卷取机关键参数之一的电机功率通常是在张力所需功率的基础上、叠加一个放大系数来确定,计算过程粗放,计算准确性低,难以满足现代化机组对张力控制精度越来越高的要求,也与当前市场竞争环境对设计的精细化要求相悖。按照系统化思维的方法,从工艺、设备、电机制造、电气控制等多方面综合考虑,给出了冷轧处理机组开卷机、卷取机工艺张力、电机型式、减速比等的确定原则。在此基础上,从工艺张力所需功率、动力矩所需功率、弹性变形损失功率以及摩擦损失功率4个方面精确推导了开卷机、卷取机的功率计算公式,为工程设计中开卷机、卷取机电机功率以及减速机减速比的精确计算和选择提供了一套实用方法。
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  微波消解ICP-AES法测定镍基合金4种元素含量

  刘芳, 赵卫星, 董盼, 侯向东, 霍雨卉

  中国冶金. 2023, 33(5): 116-120.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20220992

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  镍基合金是一种在高温下具有良好耐腐蚀性及相当高强度的合金,在其成分分析中,存在样品难溶、分析测定不准等困难。研究比较了在不同混酸种类和配比条件下,采用传统湿法消解和现代微波消解2种溶样方式处理样品的不同。试验发现,采用HCl-HNO₃(10∶1)(体积比,下同)可将难溶镍基合金样品消解澄清,替代使用强腐蚀性HF作为助溶剂的消解方法。同时,考察了以Ni(60%)、Cr(22%)(质量分数,下同)为基体制作工作曲线对测定Co、Fe、Mn、Ti等元素的影响。结果表明,用少量HCl-HNO₃(10∶1)混酸为溶剂,采用微波消解处理样品时酸消耗量小、消解用时短、测定结果准确。用多元素混合标准系列溶液制作工作曲线,测定结果扣除镍铬基体空白后,与Inconel标准物质BS 625E(UNS Number N06625)认证值对比,相对误差在-10.612 9%～8.709 7%范围内,相对标准偏差为0.062 9%～5.686 4%。该法可准确测定难溶镍基合金中质量分数范围为0.001%～5%的Co、Fe、Mn、Ti等元素。研究结果可为冶金企业技术检测部门消解难溶镍基合金、测定合金中Co、Fe、Mn、Ti等元素提供可行的方法。
节能环保
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  基于富氢/含碳煤气用于冶炼还原剂的减碳策略分析

  肖学文, 王刚, 李牧明, 邹忠平, 赵运建

  中国冶金. 2023, 33(5): 121-127.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20220928

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  钢铁厂有大量的富氢/含碳煤气资源,目前主要用于燃烧加热或发电。但是将煤气用于燃烧,仅利用了其热能(含化学热和物料热),而未发挥其化学还原功能,且能源转化效率不高。为合理利用钢铁厂富氢/含碳煤气、实现减碳目标,对基于富氢/含碳煤气用于冶炼还原剂的减碳策略进行分析。研究表明,钢铁厂的富氢/含碳煤气是良好的还原剂资源,高炉喷吹富氢/含碳煤气实现降碳具备技术可行性。因此,将富氢/含碳煤气经净化、加压、脱碳、加热等工序处理后用于高炉冶炼,可充分发挥煤气的还原功能,与煤气用于燃烧发电相比,全流程能耗和碳排放量更低。喷入高炉的煤气可置换焦炭和煤粉,实现高炉炼铁工序直接减碳10%~20%。当煤粉价格高于1 200元/t、焦炭价格高于3 000元/t、煤气置换焦炭比例高于20%时,与煤气用于发电相比,煤气用于高炉喷吹经济效益更好,且置换的焦炭比例越大、煤粉价格越高、电价越低,效益越好。
有色冶金
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  铝合金灰焙烧-酸洗除杂新工艺

  郑春艳, 谢明壮, 赵洪亮, 吕晗, 刘风琴

  中国冶金. 2023, 33(5): 128-134.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20221000

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  铝合金灰是铝工业生产中产生的危险废弃物,成分较为复杂,但因其含有含量较高的氧化铝,具有较大的回收利用价值。提出了一种铝合金灰焙烧-酸洗除杂工艺,主要考察酸洗过程中酸种类、酸浓度、反应温度、浸出时间、液固比等因素对铝合金灰除杂的影响。通过XRD及XRF对铝合金灰除杂前后的物相及元素成分进行分析。研究结果表明,最佳酸洗除杂条件是酸种类为硫酸、酸浓度为1 mol/L、反应温度为60 ℃、浸出时间为30 min、液固比为10 mL/g;经酸洗除杂后铝合金灰的物相主要为氧化铝(α-Al₂O₃)及镁铝尖晶石(MgAl₂O₄),两者所占比例之和约为94%,其中氧化铝质量分数可达82.73%。本研究为铝合金灰的资源化用提供了新思路。
冶金科技英才
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  梁亮

  中国冶金. 2023, 33(5): 135-135.

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  李铁

  中国冶金. 2023, 33(5): 136-136.

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冶金科学技术奖
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  露天开采低碳生态化设计及无人智能采矿关键技术与应用

  中国冶金. 2023, 33(5): 137-137.

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  超大规格高品质能源用钢板高效低托制造技术创新及应用

  中国冶金. 2023, 33(5): 138-138.

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