2024年, 第34卷, 第5期　刊出日期：2024-05-15

  

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技术综述
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  高炉富氢冶炼发展现状与展望

  崔小杰, 胡长庆

  中国冶金. 2024, 34(5): 1-10.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20230704

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  高炉冶炼是目前国际上主流炼铁工艺,也是钢铁材料生产过程中能耗和碳排放最高的工序,高炉富氢冶炼是高炉炼铁降碳减排的关键技术。研究了国内外高炉富氢冶炼示范项目的技术路线、进展以及下一步规划,基于富氢燃料理化特性、富氢还原热力学和动力学条件,分析了高炉富氢冶炼的优势,阐述了高炉富氢冶炼发展中面临的技术、环境、经济等方面的挑战,展望了未来高炉富氢冶炼的发展方向,有利于推动高炉富氢技术的深入发展和高效应用。
  
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  铁焦性能的影响因素及富氢高炉使用铁焦的探讨

  武校章, 张淑会, 兰臣臣, 刘然, 纪恒, 韩星

  中国冶金. 2024, 34(5): 11-20.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20230779

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  铁焦是一种新型碳铁复合炉料,相比普通焦炭,其具有高反应性,能降低高炉热储备区温度,提高工作效率。铁焦的性能受制备原料的种类、配比和工艺参数等因素的影响。对于高炉富氢冶炼,因其铁矿石还原及成渣过程改变,需要加速初渣熔化和金属铁渗碳过程;而铁焦的气化反应温度低,有利于碳黑的析出和促进金属铁的渗碳,因此将铁焦代替部分焦炭应用于富氢高炉冶炼可以发挥铁焦和氢气的双重节能减排优势。系统讨论了制备因素对铁焦性能的影响,并探讨了铁焦在富氢高炉应用的可行性和优势。结果表明,铁矿粉对铁焦的反应性具有正向催化作用,加入一定配比的黏结剂可使铁焦结构致密,炭化温度会影响铁焦金属化率,适当的炭化时间可提高铁焦抗压强度和反应后强度。部分铁焦代替焦炭应用于富氢高炉,在发挥其高反应性作用的同时,还可以保护焦炭,加速铁水的渗碳过程并改善高炉的透气性。建议深入探索铁焦在富氢高炉内的反应行为和性能演变特点,并结合富氢高炉对铁焦的性能要求和制备铁焦的影响因素,研究适用于高炉富氢冶炼的铁焦制备技术,以推动高炉低碳冶炼技术的实施。
  
冶金英才特约
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  烧结多载能气料面耦合喷吹装备系统

  周浩宇, 叶恒棣, 魏进超, 刘前, 陈思墨, 李谦, 宋新义, 季志云

  中国冶金. 2024, 34(5): 21-28.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20240183

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  富氢燃气喷吹强化烧结技术是一项可以节约烧结燃料、降低污染物排放、提高烧结矿产质量的先进技术,但是目前该技术在应用推广过程中遇到了无法与热风、烟气、蒸汽等载能气介质耦合作业的难题。通过数值仿真建模对传统装置结构开展流场分析,探明了导致多种载能气体无法耦合喷吹的根本原因是热风/烟气循环罩侧部的不均匀进风造成罩内流场紊乱;针对性研制了渐扩进气口、矩阵多孔式整流花板、稳流导流筒、反射叠喷管排等一系列核心部件,攻克了技术瓶颈,开发集成了烧结多载能气料面耦合喷吹装备系统。在国内某360 m²烧结机生产现场投用后取得了良好效果,其台时产量提升了8 t/h,烧结工序能耗下降了2.5 kg/t,且富氢燃气的料面喷吹均匀度提升超过1倍,燃气罩内着火率降低90%,燃气顶部逃逸率降低95%,连续稳定运行周期明显延长。该项装备的研发拓宽了富氢燃气喷吹强化烧结技术的应用范围,推动了烧结工序的高效低碳化转型。
  
专题研究
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  冶金流程工程学理论在唐钢新区的应用实践

  王新东, 李毅挺, 李长海, 孙彦广, 赵军, 薛军安, 刘宏强, 王映红

  中国冶金. 2024, 34(5): 29-36.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20230621

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  在冶金流程工程学理论指导下,唐钢新区开展了流程优化与智能化运行的研究与实践。以提升流程自组织性和他组织力为出发点,围绕各工序高效稳定、界面流畅贯通、流程动态有序且连续协同运行3个层次开展攻关。以物质、能量、时间、空间、信息“五维”动态甘特图为核心,通过物质流、能量流、信息流协同优化,构建信息物理融合系统的技术路线。总结了在炼铁-炼钢界面优化和铁水动态调度、炼钢区段“一对一”层流高效协同运行、钢区界面优化和动态调度、连铸-热轧界面流程优化及协同调度等方面的阶段进展和指标改善情况。
  
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  钒钛磁铁矿内配骨料气基还原试验

  代文林, 邢相栋, 苗红生, 张宝婷, 卞卫新, 折媛

  中国冶金. 2024, 34(5): 37-44.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20230727

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  气基还原工艺处理钒钛磁铁矿逐渐受到研究者的关注,但目前该工艺还原后的钒钛磁铁矿金属化率较低。针对气基还原钒钛磁铁矿金属化率低的问题,以兰炭为骨料研究兰炭添加量、还原气氛、还原温度、还原时间等因素对钒钛磁铁矿气基还原金属化率及抗压强度的影响,并运用X射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)方法分析了还原产物物相变化及微观形貌变化,总结出兰炭的作用机理。结果表明,添加兰炭可提升钒钛磁铁矿气基还原的效果,在还原气氛φ(H₂)/φ(CO)=2.5、还原温度1 100 ℃、还原时间60 min条件下,未添加兰炭时试样金属化率仅为81.78%;在同样条件下,当兰炭添加量(质量分数)为6%时,试样金属化率可达到92.35%。钛铁化合物还原历程为Fe_2.75Ti_0.25O₄→Fe₂TiO₄→FeTiO₃→FeTi₂O₅→TiO₂和Fe,随着还原温度升高,金属铁相逐渐聚集连接成片,渣相与铁相分离明显。添加兰炭还原后试样内部的孔隙数量明显增多,促进还原气体向试样内扩散,推动还原继续进行,最终提高试样的还原效果。研究结果也为气基还原钒钛磁铁矿提供了理论指导。
  
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  基于Segment Anything的堆叠球团粒度检测

  张学锋, 黄永鹤, 余正伟, 陈良军, 龙红明

  中国冶金. 2024, 34(5): 45-54.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20240001

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  球团的合理粒度分布对其质量至关重要。通过深入研究现有方法,针对球团粒度检测中不完全分割和过度分割等问题,提出了Pellet-SAM(PelSAM)分割方法。该方法继承于Segment Anything(SAM)结构,主要操作是冻结图像编码器和提示编码器的相关参数,并在图像编码器上添加轻量级的空间和通道适配器及微调掩码解码器,使用标记的球团分割数据集对网络进行训练,从而实现对球团图像的准确分割。由于分割后的球团轮廓呈现类圆形,为了便于计算球团直径,先采用最小二乘法对分割后的球团轮廓进行圆拟合;再应用小孔成像原理,结合摄像头和球团表面的距离及摄像头的焦距等因素计算比例系数,然后利用该系数计算图像中球团颗粒的实际大小;最后根据球团颗粒的实际大小将球团粒度分布划分为4个范围,即小于8、[8,12]、(12,16]以及大于16 mm,其中[8,16] mm的为合格球。试验结果表明,该方法在球团分割数据集上取得了96.8%的准确率,比UNet和DeepLabv3方法分别提高了21.0和12.6个百分点。在实际工厂环境下,该方法计算得到的球团粒度分布与人工筛分测量的结果相近,最大误差仅为1.74个百分点。本研究为高效的球团粒度分析提供了可行的解决方案。
  
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  基于数字孪生和AO-ELM融合驱动的RH炉终点温度预报模型

  肖卓越, 刘惠康, 柴琳, 邓胤韬

  中国冶金. 2024, 34(5): 55-64.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20230667

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  RH精炼炉作为钢铁冶炼过程中的关键设备,其终点温度对后期铸造和产品质量影响较大。为了尽可能准确地预报钢水的终点温度,提出基于数字孪生的RH炉终点温度预报方法,通过数字孪生体模型实现终点温度的精准预报。首先通过天鹰优化器优化极限学习机(AO-ELM)构建终点温度预报虚拟模型,根据物理空间中得到的实时炼钢数据,由AO-ELM模型获得初始预测值,同时更新孪生数据库;然后通过相似度搜索,在孪生数据库中找到相似的冶炼炉次,对比相似炉次下的预报值与实际值,对初始预报值进行加权误差修正,得到最终预报值。实际算例结果表明,所建模型相较于传统人工智能终点温度预报模型更加精准和可靠,对后续温度控制有较好的指导意义。
  
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  立式连铸P91钢大圆坯表面纵裂缺陷及其控制

  宗健, 董延楠, 涂高岭, 程晃, 潘禹博, 张家泉

  中国冶金. 2024, 34(5): 65-73.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20230702

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  P91钢为微合金化改良型9Cr-1Mo马氏体耐热钢,具有良好的高温强度、高温抗氧化性和抗腐蚀性,是当前先进的电站用大口径高温高压蒸汽管道制备材料。针对国内外以坯代锭、开发圆坯连铸高合金钢高效制备工艺的需要,研究分析了P91钢连铸圆坯常见的表面纵裂问题及其影响因素。基于低倍观察、OM、SEM与EDS分析,揭示了这类表面裂纹的形貌、组织与成分特征;利用相变热力学计算揭示了其高温初凝的相变特点。研究表明,P91高合金钢具有亚包晶钢的凝固特点,其在结晶器弯月面附近可能发生的强烈δ→γ相变收缩是连铸坯壳凹陷与纵裂倾向大的内在诱因,浇注工艺不良所导致的初凝坯壳与气隙不均是造成裂纹发生的重要外部因素;P91钢圆坯纵裂起源于连铸结晶器内。生产试验表明,通过合理选择水口、控制钢水注流对初凝坯壳的冲刷,选用合适黏度与熔点的保护渣、增加液渣层厚度及其对坯壳气隙的充填能力等措施,均能从连铸工艺上不同程度地控制P91连铸圆坯的表面纵裂率;进一步优化设计结晶器铜管冷却结构,适当弱化一冷强度、提高结晶器周向冷却的均匀性,可以更有效地控制其连铸表面纵裂缺陷的发生率。研究结果可为P91等高合金钢圆坯连铸生产中表面纵裂的控制提供参考。
  
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  750 MPa级Nb-Ti-Mo复合微合金化方管用钢显微组织和力学性能

  惠亚军, 王文军, 田志红, 刘锟, 肖宝亮, 韩赟

  中国冶金. 2024, 34(5): 74-81.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20240078

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  为了实现汽车车身骨架轻量化,研发了750 MPa级Nb-Ti-Mo复合微合金化方管用钢。采用OM、SEM和TEM等分析方法对750 MPa级Nb-Ti-Mo复合微合金化方管用钢的显微组织与性能进行了分析。结果表明,采用低C、低Mn、Nb、Ti和Mo复合微合金化成分体系,通过优化卷取工艺路线,得到的750 MPa级Nb-Ti-Mo复合微合金化方管用钢的显微组织为全铁素体和大量弥散分布的纳米级析出物,材料具有优异的综合力学性能。750 MPa级 Nb-Ti-Mo复合微合金化方管用钢采用直接成方工艺制管后,材料性能与母材基本相当;采用圆变方工艺制管后,随着管径的下降,强度明显提高,塑性逐渐降低,伸长率依然大于14%。750 MPa级Nb-Ti-Mo复合微合金化方管用钢替代传统的 Q235、345C、510L等低强度钢材应用于车身骨架,减重比例高达30%,减重效果显著。
  
生产技术
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  基于工业CT微观孔隙结构表征球团矿抗压强度

  龙伟, 周恒, 孙大为, 武建龙, 寇明银, 吴胜利

  中国冶金. 2024, 34(5): 82-88.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20230668

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  球团矿内部的微观孔隙分布及孔隙率对球团的各项性能有着显著影响。基于X射线计算机断层扫描(CT)方法获得球团矿微观孔隙结构,根据孔径D的大小将其划分为微孔(D<20 μm)、中孔(20 μm≤D≤60 μm)和大孔(D>60 μm),分析不同孔径微孔与抗压强度的关系,并以此为基础提出球团矿孔隙指数I_p,由其表征球团矿的抗压强度。研究结果表明,在原料条件相对稳定的情况下,I_p越大球团矿内小于20 μm的微孔比例越大,球团矿的抗压强度越大。该方法不仅可以精准获得球团矿的基础特性,而且能准确直观地表征统一尺度后球团矿的孔隙率及抗压强度,这为科研、生产人员提供了一种新的分析方法,也为评估球团矿质量提供了一种新的指标。
  
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  高压辊磨强化粗粒铁矿粉制备高品质球团的规律

  吕浩, 甘敏, 文小平, 赵改革, 谢路奔, 范晓慧, 张凯

  中国冶金. 2024, 34(5): 89-97.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20230744

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  利用粗粒铁矿粉替代部分铁精矿生产氧化球团可降低原料成本,然而粗粒铁矿粉中粗颗粒含量高、成球与焙烧性能不佳,导致其制备的球团强度低,因此难以大量配加。研究了高压辊磨预处理对粗粒铁矿粉制备氧化球团的影响。结果表明,高压辊磨后粒度大于1 mm粒级的粗粒铁矿粉含量显著降低,微细粒含量增加,比表面积增大;相较于提高辊磨压力,增加辊磨次数更有利于粗颗粒的破碎,此外粗粒铁矿粉的适宜给料水分较低。高压辊磨可以改善颗粒表面性质,增强粗粒铁矿粉的亲水性与成球性,有利于生球质量的提高;同时,在机械力作用下含铁矿物发生晶体活化,当辊磨压力提高至12 MPa以上时机械活化作用更强,这有利于颗粒间固相反应的进行,从而提高球团强度。采用粒度小于1 mm粒级的粗粒铁矿粉进行球团试验,与未处理的粗粒铁矿粉相比,经辊磨压力14 MPa、给料水分(质量分数)3.5%、两次开路辊磨处理后,在相同的球团制备工艺下,粗粒铁矿粉配比(质量分数)可由15%提高至30%;当保持粗粒铁矿粉配比为15%时,焙烧球强度可提高589 N/个。研究结果为拓宽球团原料种类、降低预处理能耗与球团成本提供了理论和技术指导。
  
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  亚包晶钢板坯纵裂成因与浸入式水口改型

  张虎成, 李新, 赵晶, 谢翠红, 杨国伟, 徐凡

  中国冶金. 2024, 34(5): 98-105.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20240019

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  针对某厂连铸机浇注亚包晶钢板坯表面纵裂纹发生率较高的问题,分析了双侧孔浸入式水口对裂纹形成的影响。在此基础上对浸入式水口结构进行优化,开发了新型浸入式水口。通过模拟研究和生产应用分析,对比了双侧孔浸入式水口与新型浸入式水口结构的差异以及两者对结晶器内流场和温度场的影响。结果表明,采用双侧孔水口浇注时,结晶器钢液流场和温度场分布不合理,导致结晶器内液渣层厚度不均匀,尤其是水口与结晶器壁之间位置液渣层厚度偏薄,从而诱发了板坯表面纵裂纹缺陷的大量发生,纵裂纹集中在板坯宽面中心400 mm范围,裂纹长度50~1 200 mm,深度2~12 mm;采用新型浸入式水口更有利于水口与结晶器壁间钢液流动,增加水口出入口钢液束流能力,使结晶器内钢液流场对称、温度场分布均匀、液渣层厚度均匀增加,亚包晶钢板坯表面纵裂纹改善显著,表面纵裂纹发生率由10.9%降低至1.5%。
  
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  42CrMo钢特厚椭圆坯轧制工艺数值模拟

  白丽琴, 孙宪进, 吴扬, 何广霞, 谢振家, 尚成嘉

  中国冶金. 2024, 34(5): 106-113.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20230730

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  特厚模具钢因具有卓越的性能和可靠的使用寿命,在制造大型模具中起着不可替代的作用。然而,在连铸过程中,铸坯内部可能形成的缺陷对模具钢的力学性能和使用寿命造成严重影响。设计合理轧制工艺提高芯部变形是改善芯部缺陷的重要途经之一。针对大直径椭圆连铸坯轧制成特厚钢板的开坯粗轧、平整成型及精轧3个过程,采用有限元数值模拟的方法研究了不同轧制工艺对42CrMo特厚钢板不同位置的累积变形量、单道次变形量以及钢板成材率的影响。利用材料性能计算软件JMatPro计算了42CrMo钢的高温变形行为和热导率、比热容、密度、弹性模量、泊松比等物理参数,采用ABAQUS软件进行轧制有限元模拟分析了轧制道次压下量对椭圆坯内部疏松压合的影响规律。结果表明,开坯粗轧的前3道次压下量变化对芯部变形影响不大,芯部变形量主要取决于精轧阶段单道次压下量。采用前3道次较小压下量开坯加后5道次较大压下量精轧,芯部累积变形量最大,达1.5,且最后5道次中每道次的应变量均大于0.14,可以有效提高大规格椭圆坯轧制的特厚板芯部变形渗透率,有利于芯部裂纹和疏松等铸坯缺陷的改善。
  
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  镀锌光整机辊形优化及边浪板形缺陷控制

  王春海, 刘学良, 苏宝沧, 王永强, 林海海, 文杰

  中国冶金. 2024, 34(5): 114-124.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20230760

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  为解决镀锌光整机对超高强钢边浪板形缺陷消除能力有限的问题,建立了光整轧制过程的有限元模型,对光整机生产超高强钢板形调控能力不足的原因进行了分析;在此基础上,对工作辊和支撑辊辊形进行了优化,并对不同辊形配置条件下光整机的板形调控特性进行了分析。研究表明,辊形优化后承载辊缝横向刚度提高了9%~20%,弯辊调控功效提高了17%,在保证出口板形良好的前提下,弯辊力降低约40%,辊间接触压力不均匀度最大降低31%,从而实现了超高强钢大轧制力光整的可能性。之后分析了工作辊辊径对板形调控特性的影响,发现通过减小工作辊辊径,可以有效降低光整所需轧制力,即采用小辊径工作辊可轧制强度更高、厚度更薄的超高强钢;同时发现工作辊辊径越小,弯辊调控功效和承载辊缝凸度调节域越大,但是承载辊缝横向刚度随之降低,辊间接触压力不均匀度随之增加。对上述研究结果进行了上机应用,证明了优化后的辊形能够有效控制超高强钢边浪板形缺陷,为超高强钢光整过程的板形控制提供了理论依据。
  
节能环保
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  小颗粒石灰石代替石灰炼钢造渣及CO₂资源化利用

  孙华康, 田鹏, 薛月凯, 丁志军, 王书桓, 李晨晓

  中国冶金. 2024, 34(5): 125-132.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20230749

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  采用转炉喷吹石灰石粉造渣炼钢技术,可以提高铁水脱磷效率、对二氧化碳进行资源化利用。基于小颗粒石灰石与石灰化渣脱磷基础试验,对比分析小颗粒石灰石与石灰在相同条件下的化渣脱磷效果,计算了采用小颗粒石灰石造渣炼钢过程炉气的收益。研究表明,采用小颗粒石灰石冶炼前期脱磷速度快,冶炼5 min脱磷率可以达到49.2%,脱磷速率达到0.011 8 %/min,而采用小颗粒石灰冶炼5 min脱磷率为41.2%,脱磷速率为0.009 8 %/min;小颗粒石灰石与石灰冶炼脱磷效果相当,反应终点脱磷率分别为87.50%和89.08%,冶炼终点脱磷率均可以达到85%以上。小颗粒石灰与石灰石均可以实现均匀化渣,渣中元素分布均匀,石灰石脱磷渣P元素质量分数为9%,石灰脱磷渣P元素质量分数为8%,采用石灰石炼钢造渣时前期炉渣中P元素含量更高。采用小颗粒石灰石造渣炼钢时,石灰石分解产生的二氧化碳可以与铁水中多种元素反应,其利用率可以达到40%;石灰石分解产生的二氧化碳替代部分氧气参与氧化反应并生成一氧化碳,吨钢炉气中一氧化碳增加量约6.5 m³。研究结果为开展转炉喷吹石灰石粉造渣炼钢的工业应用提供理论基础,可推动绿色冶金进一步发展。
  
冶金科技英才
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  周浩宇

  中国冶金. 2024, 34(5): 133-133.

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  闫强军

  中国冶金. 2024, 34(5): 134-134.

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冶金科学技术奖
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  大型金属露天矿全流程智能安全开采关键技术研究与应用

  中国冶金. 2024, 34(5): 135-135.

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  杏山铁矿低碳高效开采技术研究与应用

  中国冶金. 2024, 34(5): 136-136.

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