2024年, 第34卷, 第2期　刊出日期：2024-02-15

  

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技术综述
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  钒钛磁铁矿直接还原的研究与发展

  王新宇, 赵海泉, 齐渊洪, 王锋

  中国冶金. 2024, 34(2): 1-8.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20230563

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  钒钛磁铁矿是中国重要的特色资源,其高效清洁利用具有重要意义。由于钒钛磁铁矿结构复杂,铁钒钛等矿物紧密共生,导致其难冶炼、难利用。当前高炉-转炉工艺实现了铁和钒的利用,但钒资源回收利用率较低、环境污染较大、运行成本较高,且钛资源尚未获得利用。直接还原工艺可在提铁的同时富集钒、钛,被认为是实现铁钒钛综合利用的可行工艺。从还原机理、还原效率和还原结果等方面,分别对不同的固态还原剂和气态还原剂进行了对比,阐述了还原强化的效果与机理,介绍了还原-钠化-熔分耦合新工艺的探索和研究进展。基于低碳、节能、高效等理念,提出了将氢冶金技术应用于还原-钠化-熔分耦合工艺的设想,即氢还原-钠化-熔分耦合工艺,以及该工艺需要开展的研究内容。兼顾低碳、短流程、高效的氢还原-钠化-熔分耦合工艺发展前景可观。
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  金属化炉料的高炉低碳冶炼研究现状

  蔡大为, 陈青月, 潘建, 朱德庆, 杨聪聪

  中国冶金. 2024, 34(2): 9-20.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20230589

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  高炉低碳冶炼是实现钢铁行业“碳达峰”“碳中和”目标的关键,金属化炉料高炉冶炼可提高高炉产量、降低高炉焦比和高炉CO₂排放,是推动高炉节能降耗的有效措施。综述了国内外金属化炉料高炉冶炼在理论研究和应用方面的现状,揭示了金属化炉料对高炉冶炼性能、热动力学、能耗和产量的影响,通过评估金属化炉料高炉冶炼对高炉生产成本与CO₂排放的影响,对其进行经济性与生态性分析。高炉加入金属化炉料有利于降低吨铁成本,存在的限制因素有金属化炉料价格、天然气价格、炉料结构等,其具有较强的节能环保优势。最后分析了金属化炉料高炉冶炼未来的努力和发展方向。
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  当前形势下烟气循环烧结工艺发展现状及展望

  陈富松, 袁亚强, 康宏毅, 庞焯刚, 郭豪, 高彦, 左海滨

  中国冶金. 2024, 34(2): 21-34.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20230529

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  目前钢铁工业对节能减排的生产要求越发严格,减污降碳协同治理成为当前行业发展的新方向,尤其是烧结工序,存在固体燃耗高和各类污染物排放量大等问题。烟气循环烧结工艺同时具备降低固体燃耗和减少污染物排放等优点。为此,总结了烧结烟气中各污染物的生成机理、烟气循环烧结后的脱除机理以及进行循环的烟气中各组分变化对烧结生产的影响,从而对烟气循环烧结工艺的技术原理进行说明,为烟气循环烧结工艺的合理应用提供理论支持。同时,系统总结了国内外典型工艺的应用效果和存在的问题。结合烟气循环烧结工艺原理与烧结烟气中主要组分的排放规律,得出精细化选择性烟气循环工艺能实现高效节能减排的结论。最后,基于当前减污降碳需求进一步提升的形势,提出烟气循环烧结工艺未来进步的可行性方案,为该工艺在烧结生产中的普及应用和优化改进提供参考。
专题研究
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  配加细磨烧结粉矿对带式焙烧机球团质量的影响

  智谦, 张福明, 韩志国, 张卫华

  中国冶金. 2024, 34(2): 35-41.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20230602

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  为充分发挥带式焙烧机原料适应性强的优势,同时降低球团生产成本,将粗颗粒的烧结粉矿经闭路磨矿工艺处理至一定粒度和水分后,与磁铁精矿配合使用作为球团生产原料,通过工业试验考察其对带式焙烧机球团生产线生球和成品球的影响。试验结果表明,在麦克粉比例小于30%时,可保证细磨矿粒度小于0.074 mm(200目)以下的比例大于90%,滤饼水分小于9%,能满足球团生产原料要求。生球落下次数和抗压强度随细磨矿配比增加而提高,配加细磨矿可减少球团膨润土使用量,提高球团铁品位。配加细磨烧结粉会降低成品球的抗压强度,但对还原度和低温还原粉化率无明显影响。综合来看,巴西卡粉、托克粉、麦克粉按4∶3∶3的比例混磨后过滤,得到的细磨矿以40%的比例添加到球团原料中,为理想的配矿方案,有助于降低球团生产成本。
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  转炉钢渣碳热还原的热力学模拟分析

  张博康, 罗果萍, 郝帅, 柴轶凡

  中国冶金. 2024, 34(2): 42-51.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20230540

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  为研究转炉钢渣碳热还原平衡产物的物相种类和含量随还原温度、碱度及配碳量(即焦渣比)的变化规律,使用FactSage7.1热力学软件计算并进行分析。研究表明,在焦渣比一定的情况下,随着还原温度的升高,平衡物相组成中残C含量呈现下降趋势,Fe₃C和P₂气体含量则呈现升高趋势,表明高温有利于铁氧化物和磷灰石的还原,特别是有利于气化脱磷;随着还原温度的升高,平衡物相组成中Fe₃P/Fe₂P含量减少,Mn₂P和P₂(g)含量增多,表明还原温度对含磷物相的稳定顺序有较大影响,温度升高其稳定性增强的顺序为Fe₃P→Fe₂P→Mn₂P→P₂(g),高温有利于气化脱磷。在焦渣比和还原温度一定时,随着混合料碱度的升高,平衡物相组成中Fe₃C含量均呈现升高趋势,表明提高碱度有利于铁氧化物的还原;随着混合料碱度的升高,平衡物相组成中硅酸盐液相含量呈现降低趋势,碱度为1.8时所生成的液相量最多;混合料碱度在1.8到2.2之间时,有利于α-C₂S的生成及产物的自粉化,碱度为2.0时α-C₂S含量最多。焦渣比的变化对转炉钢渣碳热还原平衡产物的物相种类和含量影响不大。热力学计算表明,利于钢渣微粉化的温度范围为1 450~1 500 ℃,碱度范围为1.8~2.2,焦渣比范围为10∶90~15∶85,该条件范围利于α-C₂S的生成且钢渣粉化效果最好。
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  Si对高碳铬轴承钢晶界碳化物的影响

  徐太旭, 何志军, 杨鑫, 韩啸, 吕楠

  中国冶金. 2024, 34(2): 52-60.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20230572

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  为探究Si含量的变化对高碳铬轴承钢连铸坯截面不同位置晶界碳化物的影响,采用激光共聚焦显微镜模拟连铸坯截面相应位置的冷却速率(20.0、2.0、0.2 ℃/s),并以此冷却速率分别处理不同Si含量的高碳铬轴承钢。通过扫描电镜和X射线衍射仪检测并分析晶界碳化物析出量和尺寸分布。结果表明,Si质量分数的增加(0.29%~1.48%)导致C、Mo和Mn元素在晶界处的偏析程度降低,进而抑制了晶界碳化物的析出。同时,Si会增加晶界碳化物M₂₃C₆的吉布斯自由能,导致碳化物的析出延后,缩短了晶界碳化物的生长时间,由此可知,Si含量增加也存在细化晶界碳化物的效果。另外,在较低的冷却速率(0.2~2.0 ℃/s)下,Si含量对晶界碳化物的析出和尺寸变化影响显著。因此,可以推断出高碳铬轴承钢连铸坯芯部和糊状区(冷却速率较低)晶界碳化物的生长受Si含量的影响更加明显,适当提高Si质量分数(不大于0.71%)有助于晶界碳化物析出量的降低和尺寸的减小。本研究可为高品质轴承钢碳化物的精细调控进一步提供助力。
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  铸坯头尾温差模拟及直接轧制棒材力学性能分析

  吕明, 薛魁, 习晓峰, 郭红民, 梁少鹏, 张朝晖

  中国冶金. 2024, 34(2): 61-68.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20230513

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  直接轧制工艺中常存在铸坯头尾温差大的问题,控制铸坯温度的均匀性有利于减小棒材性能波动,对棒材生产具有重要意义。利用数值模拟研究了铸坯切断后不同部位的温度场变化,发现3 m/min拉速下,铸坯切断后头尾表面温差约为85 ℃,且其随运输时间增加而减小,但运输时间过长会导致铸坯温度无法满足轧制要求。针对铸坯头尾温差大的问题,提出了在连铸切割机后增设阶段冷却装置,同样利用数值模拟研究了增设阶段冷却装置对铸坯温度场的影响。结果表明,增设阶段冷却装置可有效减小连铸坯头尾温差,水流密度与铸坯长度基本呈抛物线关系,出冷却装置时的连铸坯头尾温差降低至约35 ℃,粗轧机入口处铸坯中部的芯表温差减小约9 ℃,尾部的芯表温差增大约19 ℃,阶段冷却装置对芯表温差的影响基本消除。根据计算结果对阶段冷却装置的关键工艺参数进行设计,利用某企业生产线进行阶段应用试验,对棒材屈服强度和抗拉强度等力学性能进行研究,发现屈服强度和抗拉强度的波动范围为30 MPa,棒材性能均匀性得到有效控制,同时棒材屈服强度远高于415 MPa的要求,为减少炼钢过程的合金消耗提供了有利条件。研究结果为阶段冷却装置实际应用提供参考和依据,同时为钢铁企业控制铸坯头尾温差和棒材性能均匀性提供了新思路。
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  钢中非金属夹杂物性质第一性原理计算

  琚立颖, 谷少鹏, 谭敏, 李涛, 孟倩, 杨志南

  中国冶金. 2024, 34(2): 69-82.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20230594

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  采用第一性原理研究了钢中非金属夹杂物的晶体结构性能、电子性能和力学性能,从微观角度评价了非金属夹杂物的结构稳定性,揭示了非金属夹杂物对钢材力学性能的影响规律。结果表明,所分析夹杂物中,TiN的结合能绝对值最大、结构最稳定,其次为SiO₂和Al₂O₃;MnS、Cu₂O、CuO和FeO的结合能绝对值较低,原子间化学键较弱,结构相对不稳定。能带结构分析表明,Al₂O₃、CaO、MgO、SiO₂、AlN、MgAl₂O₄、Ca₂SiO₄、CaAl₄O₇属于绝缘材料,Cu₂O、CaS、MnS属于半导体材料,FeO、CuO、FeS、TiN属于导体材料。弹性性能计算结果表明,TiN的弹性模量和硬度值最大,分别为517.70 GPa和31.77 GPa,表明TiN夹杂物刚性大,抵抗变形或破坏的能力较强,属脆性夹杂物;Cu₂O的弹性模量和硬度值最小,分别为25.06 GPa和0.24 GPa,属塑性夹杂物;复合非金属夹杂物CaAl₄O₇弹性模量和硬度值分别为124.58 GPa和5.52 GPa,塑性变形能力相对较差,属半塑性夹杂物。G/B(体积模量与剪切模量的比值)和泊松比结果表明,SiO₂的G/B值偏离0.57最多,泊松比最小,为0.02,夹杂物脆性严重。Cu₂O的泊松比最大为0.46,结合其弹性模量与硬度值可知,其弹性性能较好。研究结果为钢中非金属夹杂物的合理控制提供了理论依据和数据支撑。
生产技术
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  基于理论分析和智能算法的高炉炉缸活性预测模型

  刘小杰, 温梁亦欣, 张玉洁, 李欣, 刘然, 吕庆

  中国冶金. 2024, 34(2): 83-95.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20230557

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  延长高炉使用寿命、保证高炉炉况稳定顺行和降低高炉能源消耗已经成为现代高炉生产发展的主要方向,为实现这些目标,提高高炉炉缸活性被认为是至关重要的措施之一。炉缸活性可以揭示高炉内部的化学反应和热力学条件,有助于深入了解高炉冶炼过程的基本机理,合理评价炉缸活性对指导高炉生产有着重要意义。为此,首先从高炉生产现场采集的工艺数据出发,经过预处理和计算,得到高炉炉缸活跃性指数;然后,为了进一步提高预测准确性,采用特征选择方法以及冗余性分析,从众多参数中选取最具影响力的作为输入参数;最后,采用贝叶斯优化的XGBoost模型对高炉炉缸活性进行回归预测,同时对比了默认超参数的XGBoost模型与随机森林模型的回归效果。结果表明,贝叶斯优化的XGBoost模型在预测炉缸活性方面表现出卓越的性能,具有很好的泛化性和非线性拟合能力,取得了较好的预测效果。该研究结果为高炉生产提供了有力的决策依据,可以帮助优化操作参数、提高冶炼效率和降低能源消耗。
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  攀钢1 750 m³高炉冶炼钒钛矿指标优化技术应用

  黄云, 储满生, 闫瑞军

  中国冶金. 2024, 34(2): 96-107.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20230553

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  炼铁技术发展到目前,高炉炼铁仍然是能效利用最高的工艺之一。高炉炉况稳定对铁水的产量及质量具有重要影响。钒钛磁铁矿资源开发与综合利用是国家的重大战略。攀钢攻克了用普通高炉冶炼钒钛磁铁矿这一技术难题,建设了攀西钒钛磁铁矿资源综合利用开发基地,逐步实现了对钒钛磁铁矿资源中铁、钒、钛元素的规模化利用。攀西地区原燃料特点为炼焦煤资源短缺,矿石有害元素含量高。由于影响高炉稳定顺行的因素繁多,高炉冶炼过程炉况波动时有发生,如何确保高炉的稳定顺行和低碳冶炼是有效利用攀西钒钛资源的重要前提。结合攀西地区资源特点和西昌钢钒1 750 m³高炉炉型生产实践,从送风制度、造渣制度、热制度、装料制度入手,通过理论分析、对比实际生产数据、与相近原燃料或炉型参数的高炉对标等方法,阐明了1 750 m³高炉冶炼钒钛矿保持炉况长期稳定的合理操作制度和特殊炉况快速恢复的技术路径及实施效果。研究结果可为钒钛磁铁矿资源高炉高效冶炼提供理论和生产实际指导。
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  铁水包脱磷工艺优化与工业试验

  冯梦龙, 林路, 姚同路, 李相臣, 何赛

  中国冶金. 2024, 34(2): 108-116.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20230571

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  随着优质矿产逐渐减少,低品质铁矿的使用使得脱磷任务加重,如何实现高效稳定的铁水预处理脱磷是炼钢技术研究者普遍关注的问题。采用工业数据分析、X射线荧光分析、直读光谱仪分析等方法,对某不锈钢厂铁水包脱磷工艺脱磷率、物料消耗、渣系成分进行分析;结合FactSage热力学计算、正交试验,炉渣矿相与成分分析等方法优化铁水包脱磷造渣供氧工艺,并进行工艺试验对比。结果表明,工艺优化前脱磷率低、不稳定,物料消耗偏多,炉渣流动性差,碱度偏低;通过增大氧气流量、调整辅料加入制度,优化后炉渣熔点降低、未熔石灰含量减少,炉渣形成了更多的Ca₂SiO₄(C₂S)相,利于富磷相形成;终点脱磷渣的平均脱磷率为93.2%,较优化前提高了5.7个百分点,炉渣的磷分配比(L_P)增大,平均lg L_P为4.11,较优化前提高了23%。工艺优化后吨铁石灰消耗量减少4.37 kg,氧化铁皮消耗量减少5.12 kg,化渣剂消耗量减少0.54 kg,氧气消耗量增加0.73 m³,总体辅料消耗成本降低,符合高效稳定、绿色低碳生产,对钢铁企业提升自身产品竞争力具有重要意义。
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  高碳铬轴承钢全流程夹杂物演变机理及关键控制工艺

  刘洪波, 刘颖, 谢荣圆, 张彩东, 车晓锐, 李民, 高鹏, 田志强, 张杰

  中国冶金. 2024, 34(2): 117-125.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20230584

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  为研究GCr15轴承钢中夹杂物演变规律,利用Zeiss Ultra55型场发射扫描电镜配置的Aztec-Feature夹杂物自动分析系统对GCr15轴承钢EAF-LF-RH-CC全流程中各工序试样进行大范围(大于200 mm²)定量扫描分析,研究各工序夹杂物形貌、成分、数量、尺寸、分布等演变规律。结果表明,GCr15轴承钢EAF出站时夹杂物主要为纯Al₂O₃夹杂;LF精炼过程中夹杂物转变为MgO-Al₂O₃及含有少量CaO的Al₂O₃-MgO-CaO复合夹杂;RH进站后夹杂物中CaO含量升高,逐渐形成Al₂O₃-CaO-MgO夹杂;最终GCr15轴承钢中间包内夹杂物平均成分为56Al₂O₃-22CaO-7MgO-8CaS。同时,LF-RH精炼阶段及软吹前期对GCr15轴承钢中夹杂物具有显著去除效果,去除率达95.6%;但随着RH软吹时间的增加,对钢中T[O]、[N]含量的进一步去除影响不大,甚至还会发生大型夹杂物的卷入,导致T[O]含量升高、夹杂物平均尺寸增大等问题。由FactSage平衡热力学计算分析可知,在轴承钢w(T[O])=7×10^-6条件下,钢中w([Mg])和w([Ca])分别超过0.4×10^-6和0.16×10^-6时,钢液中可分别生成镁铝尖晶石和钙铝酸盐夹杂物。研究结果为轴承钢中该类夹杂物控制提供了参考和理论指导。
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  基于自蒸馏的热轧带钢表面缺陷识别

  李秋雨, 李维刚, 田志强

  中国冶金. 2024, 34(2): 126-133.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20230527

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  表面缺陷检测是热轧带钢生产过程中十分重要的环节,是提高热轧带钢产品质量的关键。首先,针对当前带钢表面缺陷图像形貌多样、干扰多以及检测算法精度有待提高的问题,设计了一种自蒸馏框架(Self-knowledge Distillation,SD)来提高模型的缺陷检测精度,通过采用几何变换、色彩增强和图像线性插值的数据增强方法,增加样本数据的表征信息;从标签的概率分布和接近程度两方面提出了新的损失函数(LCK Loss),使模型能更好地学习样本提供的知识,实现相同数据不同表征间的信息传递,进而提高模型的泛化能力。其次,将Poolformer网络应用到热轧带钢表面缺陷检测中,针对Poolformer12网络参数量多的问题,设计了轻量化网络LRAM-Poolformer8,通过减少网络层数和计算量,实现模型加速的目的。最后,在武钢CSP机组的8类带钢表面缺陷数据集上进行了试验,结果表明,所提SD-LRAM-Poolformer8模型的平均识别精度为98.20%,相较于Poolformer12,检测精度提高了1.62个百分点,且计算量仅为原来的56.4%,这证明了新模型在热轧带钢表面缺陷检测中的可行性与有效性。
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  热浸镀锌低碳钢丝表面结瘤及镀层脱落分析及控制

  王海宾, 李坤峰, 贾建平, 王建忠, 狄增文, 宋仁伯

  中国冶金. 2024, 34(2): 134-141.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20230483

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  针对热浸镀锌低碳钢丝表面的锌瘤及镀层脱落问题,利用X射线光电子能谱、扫描电子显微镜以及能谱仪进行了成因分析,并提出了控制措施。结果表明,热浸镀锌低碳钢丝表面产生锌瘤是由于原料丝表面残留的含硅氧化物与锌液反应产生“圣德林效应”,导致局部镀层增厚;镀层脱落是由于钢丝浸镀时间过长,导致塑性不佳的合金层过度生长。因此建议严格控制加热、酸洗工艺,以清除钢丝表面的氧化物残留,同时可往锌锅中加入一定量的镍和铝,以抑制“圣德林效应”的发生和防止合金层的过度长大。研究结果对提升产品质量、实现产品升级有着重要意义。
有色冶金
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  微波干燥钛渣的动力学特性及其机理

  林清华, 黄巍巍, 高磊, 陈晋, 陈菓

  中国冶金. 2024, 34(2): 142-148.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20230574

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  氯化法生产钛白粉的工艺是以钛渣为原料,主要包含氯化、氧化和后处理等工艺。钛渣中含有一定的水分,易与氯气发生反应,生成的HCl和HClO会腐蚀设备。氧化过程中急剧的温度变化会导致水蒸气聚集,进而引起产品严重团聚,增大生产成本并降低产品性能。常用的烘箱干燥法、冷冻干燥法和喷雾干燥法已经难以满足现如今工业化生产中节约时间、节省成本的要求。微波干燥有着独特的传热机理,它的选择性加热会将热量直接传递给物料中的水分,从而迅速提高水分的温度使其快速挥发。利用微波选择性加热干燥钛渣的优点,讨论了初始水含量、初始质量以及微波功率对干燥过程的影响规律。钛渣质量为50 g、水含量(质量分数)为2%,在微波功率550 W的条件下,有效扩散系数为1.244 31×10^-7m²/s。研究结果表明,上述因素与有效扩散系数呈正相关,结合微观图像分析获得了钛渣微波深度干燥过程中的热质迁移机理,微波干燥能使钛渣快速释放内部水分,实现钛渣的深度干燥。本研究为微波干燥的工业化施行提供了一定的理论基础。
冶金科技英才
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  李红红

  中国冶金. 2024, 34(2): 149-149.

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  杨建炜

  中国冶金. 2024, 34(2): 150-150.

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冶金科学技术奖
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  超洁净度高均质化厚板坯的高效制造关键技术开发与应用

  中国冶金. 2024, 34(2): 151-151.

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  热轧无缝钢管智能工厂关键技术及装备

  中国冶金. 2024, 34(2): 152-152.

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