中国冶金

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气基竖炉直接还原过程及性能的研究进展与展望

王小艾, 郄亚娜, 李娜, 王新东, 李晓兵, 牛佳星, 冀宗贺, 白佳佩

中国冶金. 2024, 34(11): 1-9.
https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20240280

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气基竖炉直接还原具有还原气体富氢率高、流程短、对环境污染小等特点,是实现“以氢代碳”降低钢铁冶金碳排放的重要路径。随着还原气源由天然气转向焦炉煤气、煤制气、化工副产H₂等,更多的灰氢、蓝氢、绿氢制备技术为气基直接还原的全球化发展奠定了基础。结合中国资源现状,分析焦炉煤气零重整竖炉氢冶金技术还原铁氧化物的过程,并结合国内外研究现状综述了气基竖炉还原过程球团性能变化,分析了竖炉运行状态,获得了不同还原气体组成对气基竖炉还原热力学、动力学、还原性能、竖炉运行状态的特点,得到控制较低的气体压力和较高的温度有利于焦炉煤气零重整工艺条件下铁氧化物的还原。适当增加还原气体中φ(H₂)/φ(CO)有助于降低球团还原膨胀率、改善还原过程球团抗压及高温热结性能,但还原过程受众多因素影响,还原速率并不简单正比于还原气中H₂含量。结合还原气体组成对竖炉内流分布、温度分布、压力分布等运行状态的影响进行研究,得到在调节气体组成的同时需要调整温度制度、操作压力,并且合理的气体组成不仅需要考虑铁氧化物的还原速率,还需要结合球团还原性能和竖炉运行状态综合考虑。综述分析结果为中国气基竖炉的实施提供了理论基础。

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机器学习在连铸过程应用研究进展

周乐君, 王万林, 计熠, 陈佳希

中国冶金. 2024, 34(11): 10-21.
https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20240592

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在连铸生产中,各工艺参数与控制目标之间存在复杂的非线性关系,通过数值模拟、实验室试验等方法进行优化效率太低,难以满足企业高效生产需求。目前,机器学习已广泛应用于异常预测、质量检测和工艺优化等过程,旨在提高生产效率和铸坯质量,加速连铸新技术的开发和数字化转型。总结梳理了连铸不同生产环节所采取的机器学习预测思路、特征选择和模型构建应用现状,结果表明,与传统方法相比,机器学习在连铸生产中具有更高的预测精度和良好的泛化能力。针对不同预测目标建立相应模型,可以实现连铸过程的精细化和智能化控制。同时,从样本分布、数据质量、模型开发与应用3个方面,对未来机器学习应用于连铸生产的研究方向提出展望,以期为连铸生产智能化发展提供参考。

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富氧助燃蓄热式钢包烘烤的数值模拟

王立鹏, 张占伟, 李梅娟, 陈雪波

中国冶金. 2024, 34(11): 22-31.
https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20240285

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钢包烘烤作为炼钢生产中的一个重要环节,其能耗和NO_x排放水平对整个生产流程的节能减排效果具有重要影响。因此,为了研究富氧助燃对蓄热式钢包烘烤过程的影响,首先借助SpaceClaim软件建立钢包三维模型,采用数值模拟的方法,基于标准k-ε湍流模型、组分输运燃烧模型和DO辐射模型,建立了蓄热式钢包烘烤的气体燃烧、流动与耦合传热的多场耦合数学模型。然后根据所建模型,利用有限元分析软件ANSYS Fluent 2024 R1,模拟氧气体积分数为21%、24%、27%、30%、33%和99%时钢包内的燃烧场,并分析不同氧气含量条件下钢包内部流体流动特征、燃烧温度场和NO_x含量的分布情况,同时对钢包内衬温度分布及其升温速率进行讨论。结果表明,在数值模拟设定的边界条件下,采用富氧助燃不仅能够提高钢包烘烤的火焰温度,而且能够加快钢包烘烤速率、提高燃烧效率、节约煤气。因此,将蓄热式燃烧技术与富氧助燃结合进行研究,以期对钢包烘烤工艺的改进提供一定的参考。

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凸透镜形结晶器内铸坯凝固传热行为

贲东阳, 蔡兆镇, 朱苗勇, 徐栋, 赵和明

中国冶金. 2024, 34(11): 32-43.
https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20240341

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宽厚板轧制过程边部高发宽度45~120 mm的边线裂纹是钢铁行业的共性技术难题。制备窄面为内凹弧面结构的宽厚板坯,可有效防止轧制过程中间坯窄面翻转至宽面,从而大幅减小宽厚板边线裂纹的宽度。为了制备窄面凹形弧面宽厚板坯,设计了1种窄面为凸形弧面结构的结晶器(称为凸透镜形结晶器),并构建了1/4铸坯-结晶器系统的三维传热与力学耦合有限元模型,对比分析了铸坯在凸透镜形结晶器和传统窄面平面形结晶器内凝固过程坯壳动态变形、坯壳/铜板界面传热介质分布、凝固坯壳与铜板传热规律。结果表明,凸透镜形结晶器内铸坯宽面角部在出口处的坯壳-结晶器界面间隙最大为1.26 mm,由此造成铸坯宽面角部的最大气隙厚度为0.71 mm,最厚保护渣分布于偏离角区域,最大厚度约1.13 mm;窄面最大界面间隙位于弯月面下500 mm处的铸坯角部,达1.40 mm,最大气隙厚度为0.53 mm,最厚保护渣为偏离角区域的1.35 mm。相比于传统窄面平面形结晶器,凸透镜形结晶器在铸坯宽面和窄面角部区域的最大间隙分别减小0.29 mm和0.33 mm,最大气隙厚度分别减小0.23 mm和0.18 mm,保护渣最大厚度分别减小0.35 mm和0.34 mm。为此,铸坯宽面和窄面偏离角部高温区的分布范围横向分别减少了36 mm和17 mm,最高温度分别降低35 ℃和44 ℃,提高了铸坯温度均匀性。同时,受益于凸透镜形结晶器窄面铜板水缝均匀化设计,弯月面附近的窄面铜板温度横向分布较均匀,热面最高温度降低15 ℃。

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低碳马氏体不锈钢热处理过程中夹杂物转变动力学

黄日清, 任英, 张立峰, 程礼梅, 张健

中国冶金. 2024, 34(11): 44-52.
https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20240302

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夹杂物对低碳马氏体不锈钢的力学性能和腐蚀性能有重要影响,已有研究主要针对低碳马氏体不锈钢钢液中夹杂物的控制,对热处理过程中夹杂物转变的相关研究较少。通过实验室热处理试验和动力学计算,揭示了低碳马氏体不锈钢加热过程中夹杂物的转变规律。结果表明,热处理前低碳马氏体不锈钢中夹杂物的主要成分为24%Al₂O₃-9％MgO-41%CaO-26%SiO₂;热处理后,夹杂物中的Al₂O₃含量增加,CaO含量和SiO₂含量降低,MgO含量波动变化。随着热处理温度从900 ℃增加至1 200 ℃,钢中夹杂物的尺寸、面积分数和数密度因夹杂物与钢基体之间的化学反应而产生波动。随着加热温度升高,基体中相关元素在低碳马氏体不锈钢中的扩散系数增加,有利于钢基体与夹杂物发生化学反应,导致夹杂物成分发生的转变概率增加。建立了低碳马氏体不锈钢加热过程中夹杂物转变的动力学模型,模型考虑了元素的扩散和边界层的化学反应,计算了热处理过程中夹杂物成分随时间的变化规律,可以用于预测热处理过程中不同参数对夹杂物成分的影响。

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DP1180钢的高温变形行为

高兴健, 谭传成, 罗健, 王文礼

中国冶金. 2024, 34(11): 53-60.
https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20240328

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为优化DP1180钢热变形工艺,在变形温度为850～1 100 ℃、应变速率为0.1～10.0 s^-1条件下,利用Gleeble-3800热模拟试验机对DP1180钢连铸坯进行高温压缩,得到其真应力-真应变曲线,分析变形温度和应变速率对其应力的影响;通过已有模型建立和修正了适合于该钢种的变形抗力模型,并根据真应力-真应变曲线绘制其在不同应变量下的热加工图。试验表明,变形温度的升高和应变速率的降低都会使真应力变小,动态再结晶也就更容易发生;利用Origin软件获得的变形抗力模型拟合值与实测值基本一致,经过误差分析,模型精度较高,但其适用范围仍有一定局限性;绘制热加工图后发现,试验条件下其中几乎很少有流变失稳区,得到试验钢种理论热加工最佳区域为应变速率1.0~10.0 s^-1、变形温度1 050~1 100 ℃。研究结果为DP1180钢热变形工艺优化设计提供了试验依据及理论指导。

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基于FA-KM-SPC的高炉评价监测系统

刘金祥, 孟丽丽, 刘然, 李宏扬, 郑直, 彭垚, 崔溪

中国冶金. 2024, 34(11): 61-74.
https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20240322

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高炉作为钢铁生产的枢纽环节,其稳定运行对生产效率和产品质量至关重要。因此,对高炉的运行状态进行及时全面的监测与评估尤为必要。根据高炉历史生产数据资料,基于因子分析(Factor Analysis)、K-Means聚类分析和统计过程控制(SPC)等多种方法,利用计算机技术、信息技术、数据库技术等开发一套能对高炉运行状态进行综合评价与监测的软件系统。首先,对生产数据做预处理,确保数据的完整性和准确性;其次,根据专家经验和高炉运行的特点,筛选出29个关键参数用于构建评价模型;然后,采用因子分析与K-Means聚类分析相结合建立高炉状态评价模型,并通过提取出能够全面反映高炉运行状态的关键指标,建立综合的高炉运行状态评价体系,应用K-Means聚类分析对高炉运行状态进行分类判断,并对结果进行验证;进而,通过SPC控制图实现对高炉运行状态及评价指标的异常监测,并追溯运行异常的原因,从而帮助操作人员及时调整生产策略,确保高炉的连续稳定运行;最后,基于上述模型完成高炉评价监测系统开发,实现高炉运行状态的可视化,有效辅助操作人员监控和管理高炉运行,有助于实现高炉生产的高质量、低能耗、高产量、高效益及长寿命目标。

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含硫脱铜剂在碳饱和铁液中脱铜

陆志豪, 廖相巍, 赵成林, 张晓博, 刘承军

中国冶金. 2024, 34(11): 75-82.
https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20240318

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铜会恶化钢材热加工性能,引发热脆,因此大多数钢种中都严格限制其含量,是典型的钢中有害残余元素。铜元素一旦进入钢铁冶炼流程,现有的技术装备和工艺流程无法将其有效脱除,只能依靠稀释法降低钢中铜含量,以避免不利影响。高温下S-Cu元素间亲和力较S-Fe元素间更强,基于此原理开发的利用含硫脱铜剂在铁基熔体内脱铜方法具有较大发展潜力。采用高温试验方法对不同种类的含硫脱铜剂在碳饱和铁液中的脱铜过程进行研究。结果显示,在使用x_FeS/x_Na₂S=6/4(x为物质的量分数)的Na₂S-FeS渣进行脱铜时,可在15 min内脱除碳饱和铁液内95.1%的铜,提高渣中Na₂S配比可显著抑制含硫渣系引起的铁液增硫,x_FeS/x_Na₂S=2/8时脱铜后铁液硫质量分数可控制为0.032%,向硫化物渣中添加氧化物,如Al₂O₃,可以控制硫化物渣向铁液传硫,但对渣的脱铜能力和最终的脱铜效果有一定影响。

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GH4169D合金电渣重熔过程中铝钛元素烧损规律及精准调控技术

李乐松, 朱勤天, 王民庆, 曲敬龙, 杜金辉

中国冶金. 2024, 34(11): 83-92.
https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20240315

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Al、Ti作为高温合金的强化相形成元素,在冶炼过程中精准调控是保证合金棒材头尾性能的一致性和批次稳定性的关键。在电渣重熔过程中,由于Al、Ti元素的化学性质活泼,很容易烧损,造成电渣锭轴向Al、Ti含量分布不均匀,进而导致铸锭组织和性能产生波动。以GH4169D为研究对象,系统研究了不同渣系条件下电渣重熔过程中的Al、Ti烧损规律,并基于热力学模型分析了冶炼温度、渣系组元含量及初始电极Al、Ti元素含量对平衡Al、Ti含量的影响规律和机制。基于此,通过渣系设计实现了GH4169D合金电渣锭Al、Ti元素的精准调控。

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数据驱动的热轧轧制力预报模型研究与应用

王海玉, 方坤, 董立杰, 郭立伟, 孙力娟, 李亮举

中国冶金. 2024, 34(11): 93-99.
https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20240429

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当前热轧带钢轧制逐渐呈现品种多样性、工艺复杂性的特点,由于考虑因素较少,传统轧制力预报模型逐步显现一些缺陷和不足,已不能满足高精度、高性能产品控制精度的要求。为此,针对国内某2 250 mm热连轧精轧机组,利用数据挖掘技术和智能化算法,结合机理模型,开发机理模型+梯度提升决策树算法的智能化轧制力模型。该模型考虑因素全面,能够提前获取计划单数据,对将要轧制钢种进行针对性训练,提升小样本预报精度;开发自训练与闭环控制技术,能够在多种环境部署应用,实现自动闭环控制。将该模型在线应用后,轧制力长遗传预报误差控制为5%以内,单次计算耗时为10 ms以内。结果表明,该模型响应速度快、计算精度高、计算稳定性好,能够满足换钢种规格、换工况下的轧制力精度控制要求,从而提高带钢轧制稳定性和头部厚度控制精度,提升产品竞争力。

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16MnCr5钢板表面发黄缺陷成因分析与控制

张亮亮, 于洋, 张大伟, 周绍轩, 王畅, 王梅林

中国冶金. 2024, 34(11): 100-106.
https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20240406

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16MnCr5钢板表面发黄缺陷影响产品表面质量,采用扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)、辉光放电光谱仪(GDS)等手段分析了16MnCr5钢表面发黄缺陷的形成原因。结果表明,发黄缺陷与热轧钢板表面氧化铁皮状态及酸洗工艺控制密切相关。由于钢中Mn和Cr质量分数高达2%,热轧钢板高温卷取过程中Mn和Cr元素沿着晶界扩散形成晶界氧化产物,导致后续酸洗过程中晶界优先被腐蚀形成孔洞,使得酸液容易滞留在孔洞中造成表面氧化发黄,当酸洗段漂洗工艺不合理时发黄缺陷进一步加剧。对应提出了降低热轧卷取温度、提高卷取后冷却速度及改善漂洗工艺等控制策略,工艺调整后发黄缺陷基本消失,实现了典型热轧遗传性缺陷的源头控制。

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改性膨润土降低高比例硫酸渣球团黏结剂消耗

刘嘉琦, 夏羽, 康有成, 郑浩然, 夏子豪, 张子悦

中国冶金. 2024, 34(11): 107-116.
https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20240385

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为解决高比例硫酸渣球团黏结剂用量高、球团质量差的难题,开展了低品质钙基膨润土提质改性研究,以降低黏结剂用量、提高硫酸渣比例。在钙基膨润土基础上添加1.5%有机黏结剂OA(高分子有机聚合物)后,采用高压挤压的有机插层改性方式得到改性膨润土。结果表明,以黏结剂用量1.2%为基准,混合矿硫酸渣比例均为50%时,使用改性膨润土较使用未改性钙基膨润土制备的球团性能显著提高,其中生球落下强度由1.2次(0.5 m)提高至4.8次(0.5 m),焙烧球强度由1 095 N/P提高至2 721 N/P。改性膨润土的晶体层间距由钙基膨润土的d₁(001)=1.529 7 nm降低至d₄(001)= 1.190 6 nm,说明有机改性效果充分,Si—O—Si、MgAl—OH、H—O—H、COO—和NH⁺₄的特征峰得到增强,提高了原料的持水能力和球团的塑性变形性能,最大毛细水质量分数由未改性时的23.8%增加至27.0%。此外,改性膨润土中的有机组分受热挥发,在膨润土晶层间形成孔道,有利于氧气向球团内部及矿粒表面扩散并充分氧化固结,使球团内部结构更加紧密,从而提高了球团强度。研究可为低品质膨润土的提质改性和高比例硫酸渣球团的工业化应用提供理论指导和实践依据。

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从黏土型锂矿焙烧-草酸浸出液中制备粗碳酸锂

杨宇春, 杨敏

中国冶金. 2024, 34(11): 117-123.
https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20240296

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现有的黏土型锂矿草酸浸出提锂法仅研究了浸出阶段的影响因素,缺乏对浸出液后续提锂的系统研究。通过光照沉铁、过量生石灰法、碳酸钠除钙沉锂等方法对浸出液进行处理,考察光照时间、氧化钙用量、碳酸钠用量、反应温度及反应时间等因素对杂质离子沉淀分离的影响。试验结果表明,在光照7 h、氧化钙用量4 g(30 mL光照后的溶液)下75 ℃反应2.5 h、碳酸钠40 mg(30 mL过量生石灰法处理后的溶液)下75 ℃反应20 min,铝的沉淀率达到99.91%,铁、镁和钙的沉淀率达到99.99%。碳酸钠除钙液经浓缩和高温沉淀后得到碳酸锂。机理分析表明,光照后铁主要以FeC₂O₄形式沉淀;过量生石灰法使铝、镁等以氢氧化物形式沉淀,有效减少了无定形氢氧化铝对锂的吸附;碳酸钠则使钙以碳酸钙形式沉淀、锂沉淀得到粗碳酸锂。通过研究,获得了一种从黏土型锂矿的焙烧-草酸浸出液中制备粗碳酸锂的方法。

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木炭在无氧铜熔铸中的行为机理

张健宇, 杨佳仪, 吴婷, 李荣平, 柴胜利, 刘伟

中国冶金. 2024, 34(11): 124-135.
https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20240601

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木炭由水分、挥发分、固定碳和灰分4部分组成,在无氧铜制备过程中,其作为覆盖剂发挥着关键作用。为了优化木炭的处理条件及使用条件,探究木炭在无氧铜熔炼和保温过程中的作用,分析了木炭在不同预处理条件下的微观形貌和物相变化。结果表明,在500 ℃-5 h和550 ℃-4 h时,木炭中的水分与挥发分能够得到有效释放,且固定碳损失最小。木炭中的灰分会与铜液及磷铜反应生成氧化亚铜(Cu₂O)与磷酸钙铜(Ca₃Cu₃(PO₄)₄)等化合物,导致铜与磷的损失。在木炭覆盖厚度研究中,木炭厚度为15~20 cm时,无氧铜铸锭的碳质量分数低于0.002%,氧质量分数低于0.000 5%,且铸锭缺陷最少,材料利用率最高。

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周乐君

中国冶金. 2024, 34(11): 136-136.

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全流程钢厂水系统智慧管控与零排放关键技术开发应用

中国冶金. 2024, 34(11): 137-137.

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超高料层均质低碳烧结关键技术及应用

中国冶金. 2024, 34(11): 138-138.

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2024年, 第34卷, 第11期　刊出日期：2024-11-15

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