2023年, 第33卷, 第8期　刊出日期：2023-08-15

  

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技术综述
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  中国钢铁行业工业软件现状及思考

  刘文仲

  中国冶金. 2023, 33(8): 1-5.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20230216

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  中国钢铁行业各类工业软件的发展水平不平衡,研发设计类软件的短板最为明显、生产制造类软件外国产品和国产化产品共存、运维服务类软件面临国产化机遇、经营管理类软件稳步推进国产化替代、新型架构类软件具有很大的发展潜力。钢铁行业自主开发工业软件取得一些突破性成果,归纳、总结了这些成果的共同特点和创造出的经验,即工业软件研发要紧密结合钢铁行业的实际需求,以找到合适的应用场景;在研究基础理论和关键技术的基础上,实现技术突破;技术突破与科研成果落地体现为研发的工业软件成功在企业运行,通过实践检验;研发的工业软件为企业创造了效益和价值,促使企业使用和推广;工业软件具有的品牌效应和用户认可度建立于其应用、推广和服务过程。钢铁行业高质量发展需求为自主研发工业软件带来了新的机遇和新的动力。
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  第一性原理计算方法在钢中夹杂物研究中的应用

  张静, 刘瀚泽, 张世锟, 任强, 张立峰

  中国冶金. 2023, 33(8): 6-16.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20230164

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  钢中夹杂物控制对提高钢的性能十分重要,第一性原理计算方法可以从微观角度解释并预测钢中夹杂物生成机理,并解释其结构与性能的关系,现已开始在钢中夹杂物性质研究中应用。综述了第一性原理计算方法在钢中夹杂物控制研究中的应用,包括钢中夹杂物诱导腐蚀、异质形核和力学性能等性质,总结了表面能、电子功函数、界面能、黏附功以及体积模量等性质参数的意义及计算公式,对比了其与钢基体之间的性质差异。采用第一性原理计算方法研究钢中夹杂物性质,可为钢中夹杂物控制提供一定的理论基础。
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  烧结烟气中CO与NO的协同控制研究进展

  李杰, 郝鑫涛, 赵欣锋, 张遵乾, 杨爱民, 杨强

  中国冶金. 2023, 33(8): 17-24.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20230247

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  在“双碳”政策的大环境下,烧结烟气逐步成为钢铁行业节能减排的关注点。对烧结烟气中的CO和NO进行了研究,分析了烧结烟气中CO和NO的生成机理,并从源头削减和末端治理方面分析总结了目前烧结烟气中CO和NO单独脱除的方法。目前中国在绿色低碳发展方面的要求较为严格,单独脱除往往存在能耗高、成本高等问题,而烧结烟气中的CO还原NO具有良好的热力学及动力学条件,脱除产物也不会造成二次污染。为此,综述了烧结烟气中CO与NO的协同控制方法,指出了采用CO-SCR法和烧结烟气循环法催化CO还原NO均具有良好的控制效果,明确了推进低温高效催化剂的工业化发展和深入研究烧结烟气循环中铁酸钙的催化机理是烧结烟气协同控制未来发展的趋势。
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  钒钛基废SCR催化剂中回收有价金属的研究进展

  靳嘉浩, 曹卫刚, 梁精龙, 许亚男, 蔡宗英

  中国冶金. 2023, 33(8): 25-32.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20230187

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  随着NO_x排放要求的提高,选择性催化还原(SCR)脱硝技术引起广泛关注,废SCR催化剂量也因此快速增长。废SCR催化剂中含有钛、钨、钒等大量有价金属,若将其直接丢弃,不仅会引发环境污染,还会造成资源浪费等问题,故资源化回收废SCR催化剂意义重大。系统地阐述了钒钛基废SCR催化剂中钒、钨、钛的回收和分离方法,分析了钒钛基废SCR催化剂回收工艺的优缺点,展望了有价金属回收技术的未来发展方向。本研究可为废SCR催化剂的回收提供参考。
专题研究
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  高炉综合炉料熔滴性能及其预测模型

  周荣宝, 王寅, 陈鹏飞, 王宏涛, 明名, 龙红明, 杨代伟, 王平

  中国冶金. 2023, 33(8): 33-42.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20230191

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  含铁炉料冶金性能和高炉炉料结构优化是实现低碳低成本炼铁的重要举措。熔滴试验对于全面把握含铁炉料的冶金性能具有重要意义。由于钢铁企业内各高炉炉料结构不同且不断调整,加上熔滴试验成本较高且检测时间较长,多数企业仅检测单种含铁炉料的熔滴性能,操作者难以根据炉料结构的变化预知综合炉料的冶金性能、进而调整冶炼制度。在对永钢高炉常用单种含铁炉料进行熔滴试验的基础上,根据永钢典型炉料结构,研究不同炉料结构条件下综合炉料的熔滴性能。同时,利用回归法建立了单种炉料配比及熔滴性能与综合炉料熔滴性能间的关系模型,模型具有一定适用性,可为高炉炉料结构优化及提前制定合理的操作制度提供参考。
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  2 600 m³浇注型高炉炉缸侵蚀形貌及侵蚀原因分析

  王凤民, 赵鸿波, 张福, 迟臣焕, 孟照伟, 张建良, 宋明波

  中国冶金. 2023, 33(8): 43-53.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20230137

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  为了明确浇注型炉缸的侵蚀特征与侵蚀机理,对国内1座2 600 m³浇注型高炉炉缸侵蚀形貌及侵蚀原因进行了研究。通过破损调查的方式,对停炉后的浇注炉缸进行测量与取样。破损调查过程中炉缸拆除采用逐层拆除方式,拆除过程中对炉缸侧壁浇注料残厚进行了人工测量;在炉缸浇注料与炭砖的结合区域发现了浇注料脆化现象,对浇注料脆化层进行了测量取样;炉缸热面浇注料中发现了明显的渗铁侵蚀现象,使用电镜、XRD等检测手段对服役后浇注料进行研究,明晰了高炉浇注型炉缸的侵蚀原因。研究表明,炉缸侧壁浇注料侵蚀严重的位置位于1号、2号铁口方位,高度上集中在铁口下0.5~1.5 m,其中1号铁口方位17、18层炭砖对应高度的浇注料残厚最小,为180 mm。在浇注料与炭砖界面处发现50~180 mm厚的脆化层,铁口方位的浇注料脆化层平均厚度小于非铁口区域脆化层平均厚度。电镜观察结果表明,炉缸浇注料热面侵蚀的主要原因为高温渣铁渗透侵蚀,浇注料脆化层的形成是高温物相转变、有害元素侵蚀等因素综合作用的结果。浇注型炉缸侧壁脆化层的产生,使得炉缸侧壁浇注料与炭砖结合区域出现气隙,破坏了炉缸的传热体系,使得炉缸浇注料的侵蚀加剧。研究结果可为实现浇注型炉缸的长寿提供参考。
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  机理和数据混合驱动的RH脱碳建模方法

  周春昊, 何杨, 刘建华, 杨飞, 肖敏, 袁静

  中国冶金. 2023, 33(8): 54-60.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20230255

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  RH精炼是冶炼超低碳钢的重要工序之一,其中碳含量的控制尤为重要。为提高RH脱碳模型计算的精准度和应用的泛化性,提出一种机理和数据混合驱动的RH脱碳模型构建方法。首先,为更贴近实际生产过程的吹氧操作,采用即时学习算法预测RH脱碳过程的吹氧量;然后,针对脱碳方程中不同地点的脱碳量引入权值参数,结合历史数据通过即时学习算法确定参数值;最后,将权值参数代入脱碳机理模型,实现机理和数据混合驱动的碳含量预测。相较于传统机理模型,机理和数据混合驱动的RH脱碳模型具有更高的预测精度,吹氧量预测误差在±10 m³以内的命中率为89%;碳质量分数预测误差在±5×10^-6以内的命中率为100%,误差在±3×10^-6以内的命中率为78%,模型可为现场操作人员提供参考。
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  回火工艺对含Ce轴承钢440C组织性能影响

  马帅, 李阳, 姜周华, 孙萌, 毛昀惬, 马彦硕

  中国冶金. 2023, 33(8): 61-69.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20230146

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  为探究不同回火工艺对440C轴承钢组织性能的影响,以含Ce超洁净440C轴承钢为研究对象,通过SEM、XRD、TEM等对比研究了球化退火-淬火-回火工艺与球化退火-淬火-回火-冷处理-回火工艺对440C轴承钢显微组织与性能的影响。试验选择的淬火温度为1 050 ℃、回火温度为200 ℃、冷处理温度为-78.5 ℃。结果表明,两种工艺下试验钢中的物相均为马氏体 + 残余奥氏体 + M₂₃C₆型碳化物。相比于仅对试验钢进行球化退火-淬火-回火的情况,在球化退火-淬火-回火-冷处理-回火工艺条件下,试验钢中残余奥氏体的体积分数由11.06%降至7.63%,一次碳化物的尺寸及数量基本无变化,二次碳化物的个数增加了49.4%、平均面积下降了24.0%;在力学性能方面,冲击功由90.5 J提高到115.0 J,拉伸试样断后伸长率由5.3%增加到8.3%,而抗拉强度仅由2 039.24 MPa增加到2 060.14 MPa,洛氏硬度由58.70HRC提升到59.09HRC,提升幅度较小。力学性能的转变归因于组织及碳化物的共同作用,本试验条件下球化退火-淬火-回火-冷处理-回火工艺更有利于440C轴承钢韧塑性的提升,但对强度和硬度提升有限。本研究为440C轴承钢在回火工艺的设计提供了参考。
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  超高强极地船舶用钢低温海冰介质磨损性能

  王超逸, 常雪婷, 严玲, 安涛, 刘文月

  中国冶金. 2023, 33(8): 70-77.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20230178

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  在极地航行的船舶不可避免会遇到海冰磨损的情况,频繁的海冰磨损会对极地船舶用钢表面造成影响,甚至威胁极地船舶的安全。为了探究低温海冰磨损对极地船舶用钢的影响,采用460 MPa级超高强极地船舶用钢作为研究对象,测试了材料在低温环境下的强度、硬度及塑性变化,利用摩擦磨损试验机对比分析了不同环境下材料磨损失重率,观察材料磨损后的表面形貌,进一步采用自制专业设备模拟制备极地海冰,开展了极地船舶用钢低温海冰介质环境摩擦磨损试验,得到了极地船舶用钢在低温海冰介质下的磨损厚度损失参考数据。结果发现,随着温度的下降,超高强极地船舶用钢的屈服及抗拉强度上升,而塑性下降,硬度值变化不明显。常温海水环境下材料的磨损失重率约为0.44E-05 g/(N·m),而在-40 ℃低温干摩擦环境下,磨损失重率高达1.90E-05 g/(N·m),是常温海水环境下的4倍多;在-40 ℃模拟低温海冰介质磨损环境下,极地船舶用钢受海冰介质磨损作用明显,材料的磨损失重率约为0.70E-05 g/(N·m)。在无保护条件下,极地船舶用钢因低温海冰磨损导致的表面厚度损失约为0.082 mm,海冰磨损会对钢板表面造成较大损伤。明确低温海冰对极地船舶用钢磨损性能的影响,对开发新型国产极地破冰船用材料、加快极地船舶事业发展有积极推动作用。
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  CBAM对中国钢铁行业的影响和应对策略

  李涛, 上官方钦, 郦秀萍, 崔志峰, 周继程, 倪冰

  中国冶金. 2023, 33(8): 78-83.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20230232

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  为了更好地应对碳边境调节机制(Carbon Border Adjustment Mechanism,CBAM)对中国钢铁行业带来的冲击和影响,减缓全球气候变暖,系统地介绍了CBAM的最终法案、计算方法和目前存在的问题。经研究和分析发现,CBAM对中国钢铁行业的影响主要在增加钢铁产品成本、削弱中国钢铁行业国际竞争力、推进中国钢铁行业低碳转型等方面。通过设置不同的碳排放强度和碳市场交易情景,以1 t生铁为例,分析和预测了CBAM法案可能对生铁出口欧盟成本产生的影响。最后,针对性地提出应对策略,如加强中国钢铁行业顶层设计、加强国际合作和交流、进一步推进“六化一体+多平台”发展模式的数字化碳管理建设和应用,在提高钢铁行业的国际影响力和话语权的同时,应该激发钢铁企业节能降碳的主观能动性。
生产技术
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  转炉+AOD两步法冶炼不锈钢物热平衡模型开发

  杜鑫, 龚伟, 姜周华, 黎涛

  中国冶金. 2023, 33(8): 84-91.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20230130

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  以高炉铁水为主原料,利用合金熔化炉熔化高碳铬铁、镍铁等合金,采用转炉进行脱磷,再将混合后的不锈钢母液兑入AOD炉进行精炼脱碳来生产430、410及其他马氏体等常规400系不锈钢,这是近年来国内流行的两步法不锈钢生产工艺流程。基于宝钢德盛不锈钢有限公司两步法不锈钢工艺流程,建立转炉与AOD炉的物料平衡和热平衡计算模型,对转炉+AOD的两步法物料平衡和热平衡工艺、物料匹配工艺等方面进行系统优化研究,探索不同炉料组合生产常规400系不锈钢的工艺路径。研究结果表明,中频炉(合金熔化炉)的使用对AOD冶炼的热平衡有很大影响,当不使用中频炉时需要使用焦炭补充热量缺口,并以品种不锈钢废钢作为冷却剂来保证出钢温度满足生产要求;铬铁水在AOD入炉不锈钢母液中最优的配比为30.0%~32.5%,这时基本不需要额外加入焦炭和不锈钢废钢。模型计算结果可为转炉+AOD两步法生产不锈钢提供生产指导。
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  含B齿条钢电渣重熔渣系设计

  张永娇, 孔令种, 臧喜民, 李世森, 张滨雁, 王同君

  中国冶金. 2023, 33(8): 92-103.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20230211

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  齿条钢作为海上钻井平台用钢,其规格与质量对海洋平台的适用范围、寿命有着重要影响。为抑制齿条钢在电渣重熔(ESR)过程钢中B元素的氧化烧损,保证重熔过程的顺行与低成本,结合齿条钢的熔点与CaF₂-CaO-Al₂O₃相图,设计出熔化温度符合齿条钢冶炼要求的基础渣系,利用FactSage 8.2 软件和相关经验公式,研究了MgO和B₂O₃对基础渣系的熔点、黏度、电导率等物理性能的影响。基于炉渣结构的共存理论建立质量作用浓度计算模型,考察了渣系中MgO和B₂O₃的含量和渣中溶解氧与平衡B元素含量的关系,从而得到适宜重熔含B齿条钢的电渣重熔渣系,并通过高温试验对渣系的黏度进行了测定。结果表明,适宜重熔齿条钢渣系的熔点范围为1 309~1 409 ℃,MgO会降低熔渣的电导率、提高黏度,但MgO对渣系的氧势以及B₂O₃的活度几乎没影响;随着渣系中B₂O₃含量的增加,各渣系的转折点温度越来越低,渣系中高熔点物相的析出量减少;性能最良好的重熔含B齿条钢用渣为57.08%CaF₂-20.83%CaO-22.09%Al₂O₃-4%MgO-5%B₂O₃。
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  方坯中间包包盖吹氩数值计算研究与应用

  吴晨辉, 李阳, 白旭旭, 石鹏, 桂天浩

  中国冶金. 2023, 33(8): 104-111.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20230189

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  连铸过程中,通过包盖向中间包内吹入氩气可降低中间包内氧气质量分数,增强中间包保护浇注效果,减少钢水二次氧化。以6流方坯中间包为对象,针对其空包阶段与稳浇阶段包盖吹氩过程建立数值计算模型。为验证模型准确性,采用手持烟气分析仪测定了不同吹氩流量和不同吹氩时刻中间包氧气含量,并与计算值进行了对比,发现两者相对误差小于7.5%。基于该模型计算分析了采用不同工艺方案(包括吹氩管布局、氩气流量、吹氩时间)进行包盖吹氩时中间包氧气含量变化规律,据此确定了合理的包盖吹氩工艺方案为,吹氩管布放于包盖孔两侧,烘烤孔密封、塞棒孔畅通,空包吹氩阶段氩气流量不小于120 m³/h,中间包稳浇阶段氩气流量不小于60 m³/h。采用该工艺方案开展了工业试验,中间包内的氧气质量分数可稳定维持在0.1%以下,RH出站至中间包钢水增氮降低18.3%,由7.1×10^-6降低至5.8×10^-6,钢轨B、C类夹杂物评级得到改善。研究结果为设计中间包包盖吹氩工艺、增强中间包保护浇注效果提供了理论指导。
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  基于深度映射多核的热镀锌镀层厚度预测

  张岩, 翟景峰, 王军生, 孙瑞琪

  中国冶金. 2023, 33(8): 112-117.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20230144

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  连续热镀锌的镀层厚度控制具有高维、非线性和时变的特点,很难用传统的数学模型和浅层神经网络来预测。深度学习通过多层非线性网络结构,能实现复杂函数关系的良好逼近,而核学习是处理复杂非线性数据的强大工具。提出了一种基于深度神经网络多层信息的深度映射多核学习算法,通过将此深度映射核与多尺度高斯基核做非线性乘积,得到新的具有高度表达能力的改进核,其蕴含数据深层特征信息。大量基准数据集和实际工业数据表明,本算法通过结合深度学习和多核学习的优势,解决了镀锌过程强非线性、时变大滞后和多变量的控制难点,实现镀层厚度的更高精度预测,预测的平均绝对误差从3.04 g/m²降低到1.22 g/m²。
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  高强IF钢边部色差缺陷形成原因及改进措施

  王畅, 张阳阳, 张亮亮, 王林, 于洋, 高小丽

  中国冶金. 2023, 33(8): 118-125.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20230113

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  为了解决高强IF钢边部色差缺陷问题,采用扫描电镜和热重分析仪对高强IF钢边部色差缺陷的形貌以及热轧卷不同位置氧化铁皮的生长特性和组织特点进行研究。结果表明,高强IF钢边部色差缺陷产生的原因主要是由于冷轧卷存在表面开裂,造成边部缺陷位置与表面正常位置光线漫反射差异,从而形成宏观色差缺陷;而边部表面开裂主要是由于边部与中部的氧化铁皮厚度和结构存在差异,造成边部过酸洗,以及由于边部热轧温度过低,造成边部存在细小、拉长的铁素体形貌特征,使得其抗冷轧变形能力减弱。通过调整终轧温度、卷取温度和热轧速度,同时提高酸洗速度和降低冷轧压缩比,可有效抑制高强IF钢边部色差缺陷的产生。
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  厚规格双相车轮钢表面压痕缺陷分析及控制

  艾矫健, 王文广, 李兴波, 李建伟

  中国冶金. 2023, 33(8): 126-130.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20230096

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  针对厚规格双相车轮钢表面压痕缺陷问题,通过分析压痕缺陷与氧化铁皮厚度的关系,得知氧化铁皮偏厚是造成厚规格双相车轮钢表面压痕缺陷的根本原因。结合氧化铁皮生成规律分析结果和厚规格双相车轮钢生产工艺特点,确定了通过提高精轧速度来降低氧化铁皮厚度的技术思路和氧化铁皮厚度控制目标。在此基础上,提出前置超快冷+常规冷+后置超快冷的轧后冷却装置配置技术,制定速度优先的精轧初始速度设定控制策略,并在首钢京唐公司2 250 mm热轧生产线上应用,有效解决了厚规格双相车轮钢表面压痕缺陷问题,使由表面压痕缺陷导致的车轮残次品率由30%降至3%,对推动厚规格双相车轮钢稳定批量生产、提高产品质量起到重要作用。
节能环保
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  钢铁工业用水与节水的全生命周期集约化控制技术

  李素芹, 王姜维, 雷海萍, 赵鑫, 夏晴晴, 蔡银石, 郭鹏辉

  中国冶金. 2023, 33(8): 131-140.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20230400

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  中国水资源极度缺乏,年缺水量达500亿m³。钢铁工业属于高耗水行业,近年来,契合国家低碳绿色可持续发展政策导向,全行业齐抓共管,在节水减排方面成绩斐然,2021年全国重点钢铁联合企业新水消耗已经降至2.44 m³/t,达国际先进水平,水重复利用率达98.07%。但由于钢铁行业体量大,发展水平参差不齐,节水、减排尚有潜力可挖。为此,遵循工业生态学整体性原理、价值增值原理及循环经济3R(减量化、再利用、再循环)原则,提出全生命周期集约化控制新思路,通过全生命周期管控,科学用水与节水。源头控制方面,以经超导耦合技术处理的水源水替代净环水系统软水,用城市中水替代新水,实现绿色供水;在炼铁、炼钢及轧钢工序推行清洁生产技术实现工序节水;采用绿色药剂及水处理技术等,实现源头节水。过程控制方面,各水系统采用适宜水处理技术,提高自循环利用率,然后在水平衡测试数据的基础上,根据不同水系统水质、水量要求合理串接与回用。末端控制方面,强化末端处理,如利用生物强化-絮凝低成本短流程焦化废水处理技术、人工湿地生态化治理技术等,实现最小化排放甚至零排放;尽可能发挥钢铁联合企业的消纳功能,内部消纳或回收雨水、城市中水等二次水资源。全生命周期集约化控制最终目标是实现水资源利用最大化、污染排放最小化,从而实现钢铁工业高质量低碳绿色可持续发展,人与自然的和谐共生。
冶金科技英才
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  赵坦

  中国冶金. 2023, 33(8): 141-141.

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  胡侨丹

  中国冶金. 2023, 33(8): 142-142.

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冶金科学技术奖
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  高炉安全长寿自修复理论与关键技术研发应用

  中国冶金. 2023, 33(8): 143-143.

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  基于非铝脱氧工艺高品质轴承钢关键冶金技术研发及产业化

  中国冶金. 2023, 33(8): 144-144.

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