2023年, 第33卷, 第7期　刊出日期：2023-07-15

  

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技术综述
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  钢铁行业含锌冶金尘泥资源化利用现状与研究进展

  李强, 陈铁军, 李奇勇, 周仙霖, 施艳鸿, 陈王媛

  中国冶金. 2023, 33(7): 1-9.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20230043

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  含锌冶金尘泥是钢铁行业的大宗固体废弃物,但其又含有多种有价成分。分析了钢铁行业目前处理含锌冶金尘泥的主要方法,即厂内循环处理工艺、回转窑处理工艺和转底炉处理工艺,厂内循环处理工艺配合转底炉处理工艺比较符合当前的环保政策要求。对含锌冶金尘泥资源化利用方法进行分析,湿法浸出法、真空冶金法、氯化挥发法、选择性还原法等方法均较难实现环保高效的工业化应用,而微波还原法可有效克服转底炉处理工艺目前存在的问题,具有很好的研究意义和应用前景。
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  高强高导Cu-Cr合金的研究现状及进展

  罗晓阳, 唐兴昌, 匡川, 张志坚, 周维莲

  中国冶金. 2023, 33(7): 10-20.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20230121

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  铜合金作为一种功能材料被广泛应用于各个行业。Cu-Cr系列高强高导电合金不仅具有良好的导电性能,同时与其他系列铜合金相比具有优异的力学性能,因此在机械、电力、交通等工业生产领域有着广泛应用。通过添加微量合金元素,可以显著改善Cu-Cr合金的力学性能。归纳了国内外学者对高导电性和高强度Cu-Cr系列合金成分以及加工工艺的现有研究成果,总结了优化Cu-Cr合金综合性能的基本方法;系统介绍了Cu-Cr-Zr、Cu-Cr-Mg和Cu-Cr-REs等合金体系的研究进展;阐述了目前国内外学者利用机械加工工艺对Cu-Cr合金组织性能调控方面的研究成果;综合分析了Cu-Cr系列合金强化及导电性增强机制,最后对Cu-Cr合金研究及发展方向进行了展望。
专题研究
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  磁场下白云鄂博贫铁矿的热力学模拟

  张凯旋, 金永丽, 蒋锦韬, 赵树海

  中国冶金. 2023, 33(7): 21-30.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20230195

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  基于最小Gibbs自由能计算理论建立了白云鄂博贫铁矿碳热还原的磁热力学模型,确定了白云鄂博贫铁矿体系内主要组元的磁化率随温度的变化关系,研究了不同温度和磁场强度条件下白云鄂博贫铁矿碳热反应过程中矿物转变的规律,为该反应提供了理论依据。研究表明,磁场可提高Fe金属化率,在磁场强度B=0.2 T、温度t=1 000 ℃条件下,金属化率达到最大值。磁场促进了硅酸盐中Mg²⁺、Mn²⁺等阳离子与Fe²⁺的置换,尤以0.8 T和1.0 T最为明显,对橄榄石而言,存在Fe₂SiO₄→(Mg、Mn)FeSiO₄→(Mg、Mn)SiO₄的转变,中间相(Mg、Mn)FeSiO₄在0.6 T或850 ℃时达到峰值。磁场的存在有利于FeNb₂O₆→Ca₂Nb₂O₇的转变,其中,B=1.0 T条件下铌铁矿转变为烧绿石(Ca₂Nb₂O₇)而不发生还原的理论温度范围为774~1 164 ℃。磁场对FeS、TiO₂、Ca₅(PO₄)₃F以及CaF₂的影响较小,其中在B=0 T、800 ℃条件下生成(FeO)₂(TiO₂),随着温度升高或者磁场强度的增大,TiO₂与CaO、SiO₂形成了CaSiTiO₅。
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  含氧化镧精炼渣的热力学分析及性能优化

  赵博, 吴伟, 杨峰, 曾加庆, 何建中, 梁志刚

  中国冶金. 2023, 33(7): 31-39.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20230131

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  针对含La稀土钢精炼渣的优化问题,采用分子-离子共存理论计算碱度、钙铝比(C/A)、MgO含量、MnO含量、FeO含量以及La₂O₃含量对La₂O₃活度、传氧量及硫容量的影响,并采用正交试验法确定最合适的精炼渣配比,从矿相结构、熔点等方面分析优化后的精炼渣性能。研究得出,随着碱度、C/A、MnO含量、La₂O₃含量的增加,La₂O₃活度增加;随着FeO含量的增加,La₂O₃活度减小;MgO含量对La₂O₃活度影响不大。FeO和MgO的含量对传氧量的影响较大,两者会明显增加传氧量,而碱度、C/A以及La₂O₃含量的增加则会降低传氧量。碱度以及C/A的增大会增加熔渣硫容量,MnO、MgO、FeO的增加则会降低硫容量。当熔渣碱度为8、C/A=1.8、w(FeO)=0.4%、w(La₂O₃)=12%、w(MgO)=3%、w(MnO)=0.6%时,La₂O₃的活度为0.003 1,传氧量为2.83×10^-6,硫容量为0.635 4,此时La₂O₃活度和硫容量相对较大,传氧量相对较小,为最优配比。优化后熔渣的矿相主要以3CaO·Al₂O₃、2CaO·SiO₂、MgO以及含La₂O₃矿相为主,熔化温度为1 338 ℃,因此在冶炼温度下能够很好地化渣,满足精炼要求,为稀土钢冶炼技术提供理论基础。
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  中间包内钢液流动和二次氧化的数值模拟

  陈宏亮, 刘珍童, 周秋月, 巴钧涛, 陈威, 张立峰

  中国冶金. 2023, 33(7): 40-50.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20230100

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  由于目前关于铸锭中间包内钢液二次氧化过程仍然缺乏深入研究,对某厂实际生产303 t铸锭过程中真空脱气精炼(Vacuum Degassing Refining,VD)过程以及中间包内钢液进行取样,分析了钢中总氧(TO)和总氮(TN)含量的变化以及夹杂物成分、数量和尺寸的变化。结果表明,由于大铸锭浇注过程没有进行保护浇注,导致中间包内钢液的TO和TN质量分数较精炼结束分别增加了5.59×10^-6和9.08×10^-6。二次氧化后,夹杂物的数密度增加了近4倍,夹杂物也由液态的钙铝酸盐向Al₂O₃转变,降低了钙处理效果。数值模拟得到浇注时中间包钢液面卷入空气的平均速率为4.2×10^-5 kg/s,圆形中间包较深的液位导致中间包进出口温差达到3.9 K。二次氧化后,在注流区的TO质量分数较高,而在右侧循环流区域和靠近底部区域质量分数较低,TO的平均质量分数和最大质量分数分别为28.6×10^-6和45.3×10^-6;CaO和Al₂O₃的平均质量分数分别为20.9×10^-6和32.3×10^-6。研究结果为优化中间包浇注过程中钢液二次氧化问题提供理论指导。
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  镁对N06625合金铸态组织的影响

  张海宝, 刘福斌, 姜周华, 李花兵, 耿鑫

  中国冶金. 2023, 33(7): 51-58.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20230155

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  N06625合金中含有大量强化元素,在凝固过程中会发生溶质再分配和组分过冷现象,从而对合金的微观组织结构产生重大影响。利用Thermo-Calc热力学软件计算分析了非平衡凝固过程中Mg含量对N06625合金相转变规律和残余液相中主要元素含量变化的影响,并通过光学显微镜(OM)和场发射扫描电镜(FESEM)研究了不同质量分数Mg (0、0.005 2%、0.008 1%和0.025 0%)对N06625合金铸态组织产生的影响。结果表明,随着Mg含量升高,固液相温度区间增加,各相析出温度发生改变,但不改变析出相种类,且随着Mg含量增加,残余液相中Ni和Mg元素含量增加,Cr、Mo、Nb和C元素含量降低。未加Mg时,二次枝晶间距较大,析出相以条状和块状在枝晶间区域析出,其平均面积分数和尺寸较大;当合金中Mg质量分数从0增加到0.005 2%、0.008 1%时,二次枝晶间距发生细化,析出相的平均面积分数降低并产生细化球化作用,分布更加弥散,Ti、Cr、Mo和Nb元素偏析程度减弱;当Mg质量分数增加至0.025 0%时,二次枝晶间距细化不明显,析出相的平均面积分数略增大,细化球化作用减弱,Ti、Cr、Mo和Nb元素偏析程度加剧。因此,需要在N06625合金中添加适量的Mg元素,从而为优化N06625合金提供一定程度的理论参考。
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  固溶热处理温度对Fe-Mn-Mo阻尼钢组织和性能的影响

  李江文, 孙美慧, 李大航, 郭呈宇, 张弛, 刘文月

  中国冶金. 2023, 33(7): 59-64.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20230110

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  为探究固溶热处理温度对Fe-Mn-Mo阻尼钢组织和性能的影响,采用真空感应熔炼和两阶段轧制,制备了15 mm厚度的Fe-Mn-Mo阻尼钢板。针对不同温度固溶热处理后的Fe-Mn-Mo阻尼钢,利用OM、SEM、EBSD表征手段,系统研究了不同固溶热处理温度对组织和性能的影响。结果表明,随着固溶温度的升高,Fe-Mn-Mo阻尼钢组织中ε马氏体增加,α′马氏体减少,屈服强度和抗拉强度逐渐降低,塑性和韧性逐渐升高。高的ε/ε马氏体界面密度有利于获得高的阻尼性能,经800 ℃固溶热处理后,组织中ε马氏体板条多为交叉态,在低应变振幅下阻尼性能较高;经1 000 ℃固溶热处理后,组织中ε马氏体板条多为平行态,在高应变振幅下阻尼性能较高。研究结果可为Fe-Mn-Mo阻尼钢的组织和性能控制提供参考。
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  AlFeCoNiMo_0.2在不同pH值的3.5%NaCl酸性溶液中的腐蚀行为

  彭雨涵, 周舸, 韩金科, 张浩宇, 林立, 陈立佳

  中国冶金. 2023, 33(7): 65-72.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20230169

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  为了研究AlFeCoNiMo_0.2在不同pH的3.5%NaCl酸性溶液中的腐蚀行为,对自主设计的具有单相BCC结构的AlFeCoNiMo_0.2高熵合金进行研究,其微观组织为等轴晶组成的简单多晶结构,且晶粒大小较为均匀,平均晶粒尺寸为50 μm。利用动电位极化曲线、电化学阻抗谱、SEM和XPS等测试方法研究了合金在不同pH条件下的3.5%NaCl(质量分数)酸性溶液中的腐蚀行为。结果表明,在不同pH条件下的3.5%NaCl酸性溶液中合金无明显的钝化现象,其中在pH=6时合金具有最小的腐蚀电流密度,耐蚀性能最好。由于合金中Al元素和Mo元素偏析,与Cl^-发生络合反应,导致极化后的合金表面均发生点蚀。合金钝化膜主要由Al、Fe、Co和Mo的氧化物以及Ni氧化物和氢氧化物组成。
生产技术
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  基于熔剂分布均质化概念的碱性球团配矿新模式

  田筠清, 孙大为, 李明, 钱瑞清, 牛行磊, 王鹏铖

  中国冶金. 2023, 33(7): 73-80.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20230081

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  发展碱性球团生产、高炉实行高比例球团冶炼是铁前工艺绿色低碳发展的重要途径。碱性球团的固结过程比较复杂,在分析碱性球团的固结过程、理论计算碱性球团液相以及研究磁铁精粉与碱性熔剂反应能力的基础上,提出碱性熔剂分布均质化的概念,并解释了其存在的3个逻辑层次和微观反映。分析表明,碱性球团在实现碱性熔剂均质化后能够获得更好的固结质量和冶金性能。首钢京唐球团基于碱性熔剂分布均质化概念的新型配矿模式生产实践表明,熔剂分布均质化后,球团固结质量保持在较高水平,成品球抗压强度超过3 200 N,还原膨胀率由16.5%降低至15.2%左右,还原度由86.72%升高至88.90%,低温还原粉化指数IRD+3.15小幅降低,熔剂分布均质化效果明显。
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  基于多任务学习的高炉热状态预测

  胡进, 郜传厚

  中国冶金. 2023, 33(7): 81-90.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20230167

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  高炉热状态是影响高炉冶炼的重要因素之一,对其进行监控和预测是业界关注的重点。高炉热状态的预测常转化为对铁水硅含量数值变化趋势进行预测的分类问题,以及对铁水硅含量具体数值进行预测的回归问题。结合长短期记忆(LSTM)和多任务学习提出了一种神经网络模型,用于同时解决高炉热状态预测的分类和回归问题。模型在两个典型的高炉数据集上进行训练,分类预测结果准确率可达0.84,回归预测结果命中率和相关系数分别可达0.76和0.819 6。训练了两种单任务学习模型并与多任务学习模型进行对比。试验结果表明,多任务学习模型能同时提升高炉热状态分类和回归任务的预测性能,预测结果均优于单任务模型。
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  基于分段式氧气脱碳效率的转炉供氧量预测模型

  王慧贤, 徐安军, 谷茂强, 刘旋

  中国冶金. 2023, 33(7): 91-99.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20230107

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  为了提高转炉炼钢过程中供氧量预测精度,提出基于分段式氧气脱碳效率的转炉供氧量预测模型。通过机理分析确定转炉内脱碳3阶段的拐点及不同阶段的氧气脱碳效率,利用案例推理在以往案例库内寻找相似度最高的参考案例数据,并根据参考案例阶段划分时间和不同阶段的氧气脱碳效率对待求解炉次的供氧量进行预测。采用某钢厂实际生产数据对模型进行测试,在预测供氧量与实际供氧量的相对误差分别为[-3%,3%]、[-5%,5%]、[-8%,8%]、[-10%,10%]范围内,该模型的命中率分别为79.3%、98.0%、99.3%、100.0%。建立传统数据驱动模型,选取传统模型中预测命中率最高的多元线性回归模型,预测相对误差在[-3%,3%]、[-5%,5%]、[-8%,8%]和[-10%,10%]的命中率分别为46.7%、65.3%、93.3%和98.0%。与传统模型相比,本模型的转炉炼钢供氧量预测精度提高了32.6、32.7、6.0和2.0个百分点,表明该模型的供氧控制精度较高,模型为提高转炉终点控制提供了一定指导。
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  钢包透气砖防钢液渗漏的数值模拟

  张加毓, 娄文涛, 邵品, 朱苗勇

  中国冶金. 2023, 33(7): 100-106.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20230123

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  针对炼钢生产中存在的透气砖钢液渗漏堵塞问题,在新研发的透气砖防渗漏装备基础上,采用数值模拟方法对防渗漏所需的安全流量与透气砖结构和工艺参数之间的定量关系展开研究。研究结果表明,狭缝内近壁面函数模型对透气砖内的气流-压损具有重要影响,采用Non-Equilibrium Wall Function函数模型可以较好预测透气砖内的流动行为。随着透气砖狭缝宽度和长度的增加,透气砖防渗漏所需安全流量增大,相比于透气砖狭缝长度,透气砖狭缝宽度对安全流量的影响更为显著。随着狭缝条数增加,透气砖防渗漏的安全流量近线性增加,液面高度对防渗漏安全流量影响较小。最后基于因次分析方法,提出防渗漏装置安全流量的计算式,为钢包透气砖防渗漏技术开发应用提供重要理论基础。
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  基于GBDT算法真空自耗铸锭终点锰含量预测模型

  查伟, 董艳伍, 姜周华, 刘玉潇

  中国冶金. 2023, 33(7): 107-114.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20230098

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  真空自耗熔炼是生产高品质特殊钢的重要方法之一,但熔炼过程中易挥发元素容易烧损并使铸锭成分产生波动,影响最终铸锭的质量。为准确控制锰元素熔炼前后的成分波动,采用皮尔逊相关系数法和互信息法对生产数据进行降维处理,选取12个特征作为模型输入,数据标准化和超参数寻优后建立真空自耗铸锭梯度提升决策树(GBDT)终点锰含量预测模型,并与决策树(DT)、随机森林(RF)和适应性提升(Adaboost)预测模型进行对比。研究发现,工艺参数中熔炼电流、补缩电流及真空度对终点锰含量的影响程度最大。经过降维处理后各模型的预测误差都有降低,其中GBDT模型的降低幅度最大,并且其均方根误差为0.031 46,平均绝对误差为0.025 51,模型误差最低,在±0.06%、±0.04%、±0.02%误差范围内的炉次所占比例分别为96%、78%、44%,整体误差范围内预测效果较好,对实际生产有一定的指导意义。
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  不同工艺对热浸镀铝锌钢板形貌及组织的影响分析

  李伟刚, 柴立涛, 王伟峰

  中国冶金. 2023, 33(7): 115-123.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20230075

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  热浸镀铝锌钢板以优异的耐腐蚀性、耐热性、抗高温氧化性等优点而广泛应用于建筑、家电等行业。但是厚规格钢板在热浸镀铝锌时,存在表面质量及加工性能控制较为困难的问题。为研究热浸镀工艺、镀后冷却工艺对上述问题的影响,在不同热浸镀温度、热浸镀时间、入锌锅温度、镀后冷却速率条件下,利用CAG-III热浸镀锌模拟试验机对低碳钢板开展了试验,并通过扫描电镜及能谱仪对试样的表面形貌及组织进行了分析。试验结果表明,不同的工艺下,热浸镀铝锌镀层均由浅灰色的富Al相、亮白色的富Zn相、黑色的富Si相和深灰色的Fe-Al-Zn-Si四元合金相组成;热浸镀温度为600 ℃、热浸镀时间为3 s、入锌锅温度为610 ℃、镀后冷却速率为25 ℃/s时,镀层表面最为平整、锌花较小且合金层厚度较薄,该条件为最合适的工艺参数。研究结果可为企业在生产热浸镀铝锌钢板时的工艺控制提供一定参考。
装备技术
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  连退平整机支撑辊剥落分析及辊形优化

  闫磊, 齐春雨, 孙建华, 商光鹏, 柳智博, 宋元坤

  中国冶金. 2023, 33(7): 124-129.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20230078

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  针对某厂连退平整机组在生产过程中发生的支撑辊剥落问题,从现场测试、理论分析、有限元仿真等方面开展了研究,发现支撑辊剥落与中间辊和支撑辊辊间接触压力的应力集中有关。结合该平整机的设备工艺特点,对支撑辊辊形进行优化设计,新辊形使支撑辊与中间辊之间的接触压力的压力分布更加均匀,辊间接触压力平均值较原辊形可下降5.82%~17.16%,辊间接触压力尖峰值较原辊形可下降26.16%~62.37%,减小了应力集中且未对板形的调控性能产生影响。新辊形上机应用后,该机组再未发生支撑辊的剥落现象,生产带钢板形质量良好。
节能环保
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  基于响应曲面法的除尘灰与粉煤灰冷固结工艺优化

  甄杰, 王宝祥, 赵凯, 陈伟, 甄常亮, 佟岩

  中国冶金. 2023, 33(7): 130-136.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20230102

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  为了实现除尘灰与粉煤灰的高附加值协同利用,提出了除尘灰与粉煤灰协同制备陶瓷纤维的方法。传统的矿粉造块工艺参数不适用于除尘灰与粉煤灰的混合料,因此选择落下强度作为评价指标,水分含量、黏结剂配比、成型压力为主要影响因素,采用响应曲面法对除尘灰与粉煤灰冷固结成型的工艺参数重新进行优化设计与分析。结果表明,水分含量和黏结剂配比对落下强度影响显著,而成型压力的影响较小;水分含量和黏结剂配比的交互作用明显。通过分析试验结果建立了此配料情况下的落下强度二项式模型,模型预测的最优工艺参数为水分含量(质量分数)7.68%、黏结剂配比5.91%、成型压力38.8 MPa,按此参数进行试验,得到的落下强度与模型预测的误差小于2%,可以作为预测模型使用。按此参数进行不同粉煤灰与除尘灰的配比试验,结果符合预期,可为后续高温还原试验提供合格冷固结压块。
冶金科技英才
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  何西扣

  中国冶金. 2023, 33(7): 137-137.

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  陈军平

  中国冶金. 2023, 33(7): 138-138.

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冶金科学技术奖
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  新能源汽车用高端硅钢产品创新与应用技术开发

  中国冶金. 2023, 33(7): 139-139.

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  钢铁制造过程能效评估及优化控制关键技术开发与应用

  中国冶金. 2023, 33(7): 140-140.

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