2024年, 第34卷, 第7期　刊出日期：2024-07-15

  

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技术综述
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  电解铝行业大气污染物与CO₂协同控制研究进展

  陈远翔, 许瑞, 向珂仪, 瞿广飞, 李志顺成

  中国冶金. 2024, 34(7): 1-10.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20240079

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  减污降碳协同是电解铝行业解决大气污染问题、实现深度降碳的重要路径。介绍了电解铝行业大气污染物和CO₂排放特征以及烟气净化和碳捕集的末端治理技术,围绕近年来电解铝的减污降碳协同控制措施,对惰性阳极材料应用、低温铝电解工艺、余热利用技术3个方向的研究进展进行了综述,并分析了可再生能源对电解铝企业减污降碳协同的支撑作用。电解铝行业大气污染物与CO₂排放具有同根、同源、同过程特性,但现行的末端治理技术在减污降碳方面的负协同特征正逐步显现。为实现减污降碳协同增效,在围绕源头控制、过程优化类技术开展深度研究和工业试验的同时,还需推动可再生能源与电解铝行业融合发展、实现可再生能源电力在电解铝行业的碳减排价值转化,为电解铝行业在“碳达峰”“碳中和”背景下深化绿色低碳发展提供有力支撑。
  
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  管线钢氢脆的研究进展

  刘祎, 董福涛, 齐程伟, 代鑫, 胡宝佳, 田亚强, 陈连生

  中国冶金. 2024, 34(7): 11-20.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20240018

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  氢能是一种绿色低碳二次能源,提高氢能的利用率可以促进节能减排,减少环境污染。现阶段高效率的输氢方式主要为管道运输,管线钢的氢脆影响着运输安全,如何提高管线钢抗氢脆能力一直受到广泛关注,但目前没有合适的理论可以完整解释氢脆现象。从管线钢的发展和氢脆机理等方面分析了不同等级管线钢的综合性能和发展趋势,主要介绍了氢压力理论、氢增强局部塑性理论(HELP)和氢致弱键理论(HEDE)3种氢脆机理。从合金元素、微观组织、加工工艺、氢浓度和氢环境的角度探讨了影响管线钢氢脆的因素。最后结合现阶段研究现状,分析了管线钢发展中的重点难点,为抗氢脆管线钢的开发与应用提供参考,同时展望了管线钢未来需要关注的研究方向。
  
冶金英才特约
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  冷轧板形控制技术的研究现状及展望

  李旭, 金树仁, 王鹏飞, 李晓华, 曹雷, 陈方升, 张殿华

  中国冶金. 2024, 34(7): 21-30.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20240311

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  冷轧板形控制是一个复杂的系统工程,涉及轧制工艺、控制理论、应用数学、计算机通信及人工智能等多个学科领域。冷轧板形控制技术是钢铁工业的核心技术之一,是实现精品板带钢稳定生产的关键技术环节,代表一个国家在钢铁技术领域的最高水平,其相关技术一直是冷轧领域技术研究的难点和热点。分别对板形表征及检测技术、板形预设定控制技术、板形前馈控制技术、板形闭环反馈控制技术以及核心板形控制模型等方面的研究进展进行了概述,分析了各种控制技术的现状及特点。在此基础上,结合作者团队在冷轧板形控制领域多年耕耘积累的研究成果,提出了以数字孪生及信息物理系统(CPS)为技术架构的研究路线和发展方向。通过持续聚焦冷轧板形控制领域的关键技术问题,结合数据处理技术及人工智能等学科前沿知识,融合轧制机理及优化控制理论,提出冷轧板形控制技术的数字化研究方法,以提升薄带材冷轧生产的技术水平和产品质量,推动轧制行业从工艺技术到产品质量获得全面提升,促进钢铁行业向高精产品方向发展。
  
专题研究
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  中国钢铁工业低碳发展路径优化

  杨玉桢, 刘智颖, 李杰, 韩阳, 杨爱民

  中国冶金. 2024, 34(7): 31-41.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20240110

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  在全球低碳发展的背景下,选择走节能减排和低碳绿色发展之路已经成为中国钢铁工业发展的必由之路。为优化中国钢铁工业高质量发展路径,系统研究了2000—2019年世界钢铁产量前5名的5个典型国家(中国、印度、日本、美国和俄罗斯)的CO₂排放量、粗钢产量和电弧炉炼钢比例等数据,以期找出中国钢铁工业绿色低碳发展的优化路径。首先,采用孤立森林方法进行数据预处理,构建多元线性回归模型,研究世界CO₂排放总量与5个典型国家钢铁工业CO₂排放量之间的定量关系,结果显示模型拟合度R²=0.998,表明选取的5个国家CO₂排放量在世界范围内具有很强的代表性。然后,利用多种回归模型基于粗钢产量、城市人口、钢铁工业贸易开放度、人均GDP、金融发展指数5大影响因素针对典型国家建立相应的钢铁工业CO₂排放量计算模型;经过模型灵敏度和鲁棒性校验,对上述5大影响因素进行优化配置,可以有效降低钢铁工业的CO₂排放量。最后,利用目标规划模型构建中国钢铁工业CO₂排放的优化模型,以计算结果为依据,提出中国钢铁工业低碳转型与高质量发展路径的优化方案。
  
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  回转窑内结圈物特性分析

  甄彩玲, 梁功庆, 潘建, 朱德庆, 郭正启, 李思唯, 李会义, 周晓军

  中国冶金. 2024, 34(7): 42-50.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20230765

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  回转窑结圈现象是限制回转窑制备氧化球团矿发展的重要因素。采用XRD和SEM-EDS分析回转窑氧化球团和结圈物的化学成分、显微结构、矿相组成及元素分布,以揭示结圈物形成机理。研究结果表明,结圈物主要为赤铁矿,其次为石英、钙铁橄榄石、钙镁橄榄石、长石等硅铝酸盐。球团矿产生的粉末及煤灰在高温下形成低熔点化合物,并形成液相渗入球团矿。液相中的赤铁矿在球团矿表面重结晶、再结晶,形成稳定的结圈物。通过改善配矿结构降低硅及碱金属含量、优化燃料资源质量减少低熔点物质的摄入、提高各工序操作条件来减少粉末的摄入,可有效抑制结圈现象。
  
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  高铌超纯铁素体不锈钢中铌的偏析行为及机理分析

  武敏, 付金柱, 刘春来, 李国平

  中国冶金. 2024, 34(7): 51-57.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20230777

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  超纯铁素体不锈钢是汽车排气系统领域的主流材料,铌(Nb)元素合金化能有效提高铁素体不锈钢的高温性能。以441高铌超纯铁素体不锈钢为研究对象,利用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)和电子探针(EPMA)表征了冷轧退火板中带状组织的形貌、成分和结构,并依次对连铸坯、热轧板以及热轧退火板进行全流程分析,结合热力学软件Thermo-Calc模拟,阐明铌元素的偏析行为、形成机理和影响因素。结果表明,铌元素偏析在连铸坯凝固环节形成,连铸坯等轴晶比例为主要影响因素;铌元素偏析从连铸坯中遗传至热轧退火板以及冷轧退火板中形成带状组织,带状组织由铌元素偏聚导致Laves相聚集析出并钉扎晶界形成。研究结果可为高铌超纯铁素体不锈钢的工艺优化控制提供理论基础。
  
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  460 MPa极地船舶用钢及焊接接头低温力学性能

  王超逸, 洪晓莉, 严玲, 张红岩, 高珍鹏, 刘鑫

  中国冶金. 2024, 34(7): 58-67.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20230791

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  极地船舶用钢及其焊接接头必须在低温环境下安全服役。为了研究极地低温环境对高强度极地船舶用钢及其焊接接头性能的影响,使用控轧控冷工艺(TMCP)生产了54 mm厚的460 MPa强度级别极地船舶用低温钢,采用埋弧自动焊(SMA)工艺对钢板进行焊接试验,分析母材、焊缝中心及焊接热影响区(HAZ)的组织形貌,测试母材及焊接接头在低温环境下的强度、断裂韧性及疲劳性能。结果表明,母材的组织以多边形铁素体(PF)、珠光体(P)及粒状贝氏体(GB)为主;焊接接头中心组织主要由针状铁素体(AF)和粒状贝氏体(GB)构成,焊接熔合线清晰,热影响粗晶区(CGHAZ)组织以贝氏体(B)为主,晶粒较粗大,热影响细晶区(FGHAZ)则呈现正火态组织。温度直接影响着极地船舶用钢母材及其焊接接头的力学性能。随着温度的下降,母材及焊接接头的强度上升、冲击功下降,在-70 ℃极端低温环境下,母材的屈服强度可达500 MPa以上;-10 ℃时,母材、焊缝中心、热影响区裂纹尖端张开位移(CTOD)的断裂最大值δ_m分别为1.18、1.11、0.98 mm;随着温度的降低,材料抗断裂的能力显著下降,-40 ℃时,母材、焊缝中心、热影响区CTOD的脆性失稳值δ_u分别为0.62、0.70、0.32 mm;在-70 ℃极端低温环境下,热影响区试样发生脆性断裂。母材的疲劳性能优于焊接接头,低温能提升材料抗拉强度,同时也能提升材料的疲劳极限强度。对于极地船舶用低温钢,必须重视焊接工艺和焊接质量,进而提高焊接接头的实际低温应用性能。
  
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  Er含量对Zn-Al-Mg合金组织和耐腐蚀性能的影响

  刘广会, 徐呈亮, 滕华湘, 蒋光锐, 刘全利, 陈建军

  中国冶金. 2024, 34(7): 68-73.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20240289

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  为了研究Er元素的添加对Zn-Al-Mg合金微观组织和腐蚀性能的影响,分别熔炼了4种不同成分的合金,即Zn-1.7%Al-1.1%Mg-0.1%Er、Zn-1.7%Al-1.1%Mg-0.5%Er、Zn-7%Al-2%Mg-0.1%Er和Zn-7%Al-2%Mg-0.5%Er。通过SEM观察合金的组织和析出相,采用EDS分析不同组织和相的成分,并利用XRD检测确定析出相的比例。通过EPMA分析,研究Er₂Zn₁₇在不同成分四元合金中的面积分数以及分布规律。测试了Tafel曲线和Nyquist曲线,以研究不同成分合金的耐腐蚀性能。结果显示,Zn-1.7%Al-1.1%Mg-0.5%Er合金比Zn-1.7%Al-1.1%Mg-0.1%Er合金的腐蚀电流密度低,Zn-7%Al-2%Mg-0.5%Er合金比Zn-7%Al-2%Mg-0.1%Er合金的腐蚀电流密度低,说明随着Er含量的增加,合金的耐腐蚀性能进一步提高。最终结果表明,Er元素的添加可以细化合金的组织,提高合金的耐腐蚀性能。
  
生产技术
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  南非铜尾矿球团氢基直接还原性能及优化配矿技术

  韩星, 张彩东, 王耀彬, 唐珏, 杨永强, 王小艾, 田志强, 李兰杰

  中国冶金. 2024, 34(7): 74-81.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20240012

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  为解决氢基竖炉还原用高品位铁矿粉成本高、供应不稳定的问题,河钢集团以自有南非铜尾矿作为氢基竖炉炉料结构开展研究,并在此基础上开展5 000 t铜尾矿工业应用试验。以特诺恩希尔(HYL)公司推荐的铁矿石使用要求为依据,实验室研究确定100%铜尾矿球团氢基还原的适合参数,并在模拟实际工况条件下给出铜尾矿适宜的配矿比例。当铜尾矿与高品矿配合使用且配比不超过60%时,球团氢基直接还原性能指标(还原性指数、还原膨胀率、还原黏结指数、低温还原粉化指数)满足氢基竖炉还原使用要求。为了保证竖炉平稳运行,采用“40%铜尾矿+60%高品矿”的配矿结构进行工业试验,结果显示,试验期比基准期(100%高品矿)直接还原铁(DRI)的金属化率提高0.97个百分点,达到95.45%,满足电炉冶炼要求。研究结果为优化氢基竖炉还原炉料结构提供了支撑。
  
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  富氧焙烧炉炉温先进控制的研究与应用

  杨义磊, 魏发宏, 张飞, 虞垚, 黄珊, 沈翠莲

  中国冶金. 2024, 34(7): 82-91.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20240061

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  锌精矿富氧焙烧炉高效、安全、稳定运行的关键是控制好炉温。炉温控制受多个变量影响,存在回路难以投自动、炉温波动幅度大、劳动强度大的问题。基于工艺流程分析识别操作变量、干扰变量、被控变量和约束变量,以装置历史运行数据为数据集,通过子空间辨识算法构建模型预测控制器并验证其准确性,从而建立焙烧炉炉温先进控制系统。以炉床面积109 m²、炉床处理能力7.8 t/(m²·d)的焙烧炉为研究对象,对比系统投运前后数据,发现系统投运后焙烧炉炉温波动明显下降,炉温标准差下降了36.64%;炉温实现了卡边控制,其控制范围从±25 ℃下降到±10 ℃。该系统可用性强,投运率为98.69%;操作员操作频次降低98.35%,劳动强度得以降低;抗干扰能力有所加强、装置处理量提升0.22%、经济效益增加190.98 万元/a。研究表明,锌冶炼富氧焙烧炉炉温先进控制系统提升了装置自动化水平、提高了焙烧炉运行效能、降低了人员劳动强度,达到挖潜增效的目的,并为先进控制技术在焙烧炉炉温控制的工业应用和推广提供理论支撑,具有一定的实践意义。
  
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  980 MPa级DH钢开发阶段铸坯开裂的分析与改善

  田贵昌, 袁天祥, 李宝宽

  中国冶金. 2024, 34(7): 92-100.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20240200

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  汽车结构日益复杂,需要具有高强度、高延伸性能的先进高强钢材料。DH钢是在传统DP钢基础上开发而来,在保持强度的同时,其成形性能更优,但铸坯开裂成为制约品种开发的关键问题。通过低倍检验、成分检测、金相分析等表征方法研究了DH钢铸坯开裂的原因。结果表明,柱状晶体粗大、中心偏析严重、芯部裂纹等内部质量问题是开裂的直接原因,存在内部裂纹的铸坯经过加热后,在冷却过程中裂纹会快速扩展。热模拟试验表明,铸坯表面微裂纹脱碳严重不会造成铸坯发生开裂。通过开发专用保护渣、优化铸机设备精度、减小铸坯过程温降,实现了连浇1 500 t以上,铸坯回退比例从7.0%降至0.2%,铸坯开裂发生率从1.74%降至0.11%以下。研究结果可为解决该类成分体系的铸坯开裂、断坯问题提供参考。
  
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  基于改进YOLOv7的连铸坯表面缺陷检测算法

  马智华, 曾凯, 陈波, 肖鹏程, 朱立光

  中国冶金. 2024, 34(7): 101-112.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20240008

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  针对连铸生产过程中铸坯表面缺陷检测准确率不高、检测速度慢等问题,提出一种基于改进YOLOv7-Tiny的铸坯表面缺陷检测算法。首先,提出一种结合分布移位卷积的自适应高效层聚合网络,增强对不同尺度特征信息的提取能力,提高模型泛化能力和计算效率;其次,在特征融合部分引入协调注意力模块,增强通道和位置信息感知,提高对重要特征的捕获能力,加强特征融合;同时,引入基于最小点距离的MPDIoU损失,解决现有损失函数局限性,增强回归结果准确性并加速模型收敛;最后,根据采集的实际生产中的铸坯缺陷图像,构建铸坯缺陷数据集并进行验证。试验结果表明,改进YOLOv7算法相较于基础网络有较大提升,在参数量保持不变的情况下,计算复杂度降低约35%,准确率提升4.4个百分点,平均精度均值(mAP)提高2.8个百分点,检测速度为130帧/s,能满足连铸生产现场对缺陷的实时检测要求,同时在NEU-DET公开数据集上体现出较强的泛化性。本研究提出的铸坯表面缺陷检测算法为提高缺陷检测精度与优化检测流程提供了技术支撑。
  
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  卷取温度对X80M热轧带钢微观组织及力学性能的影响

  许海平, 史根豪, 裴庆涛

  中国冶金. 2024, 34(7): 113-121.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20230768

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  高级别管线钢不仅可以满足长距离高压大输量输送油气的要求,还能大幅度节约钢材,积极地响应国家的“双碳”战略目标。然而国内能够实现X80M管线钢稳定供货的厂家不多,其中卷取工艺作为影响管线钢稳定生产的重要一环而备受关注。测定了不同卷取工艺下X80M热轧带钢的拉伸性能,并对其微观组织进行了表征,分析了卷取温度对X80M热轧带钢微观组织和拉伸性能的影响。研究结果显示,随着卷取温度的升高,板条贝氏体逐渐减少直至消失,粒状贝氏体逐渐增多,并出现了少量的针状铁素体;平均晶粒尺寸增大,马氏体/奥氏体(M/A)组元的形态由条状向块状转变,面积分数增加;屈服强度和抗拉强度降低,而断后伸长率和冲击功则逐渐升高。晶粒尺寸与屈服强度的Hall-Petch关系拟合程度较好,各卷取工艺下晶界强化对屈服强度的贡献率为57.1%~62.7%,晶界强化为该工艺下X80M管线钢的主要强化方式。卷取温度的升高使得过冷度减小、位错密度降低,随着晶粒尺寸增大,位错滑移过程中的阻力减小,滑移更容易进行,这将导致断后伸长率升高;大角度晶界所占比例随卷取温度的升高而增大,显著阻碍裂纹的扩展,使得冲击功升高。试验结果为X80M管线钢的热轧生产提供了参考。
  
节能环保
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  采用RKEF技术从铜渣尾料中提取铁合金

  马鹏, 吴红星, 宗红星, 赵德刚, 赵怀宇, 张天权, 金玉芬, 郑江华

  中国冶金. 2024, 34(7): 122-128.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20230754

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  中国是铜冶炼生产大国,每年产出铜渣尾料约1 500万t,该尾料中富含多种有价金属。为了有效回收铜渣尾料中的有价金属,实现固废资源再利用,减少环境污染,以铜渣尾料为原料,采用RKEF技术(球团预制→回转窑还原焙烧→电炉还原熔炼)还原提取铜渣尾料中的有价金属。试验以煤为还原剂、石灰石为熔剂,探索最佳冶炼参数,最终在电炉中还原熔分得到含Fe质量分数大于95%的铁合金,其可作为钢铁冶炼的原料。本研究将铜渣尾料资源化利用延伸至炼钢行业,为铜渣尾料综合利用奠定了理论及实践基础。
  
有色冶金
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  电解铝液精炼及对原铝导电性能和力学性能的影响

  王正兴, 金会心, 黄润, 雷二帅, 顾伟

  中国冶金. 2024, 34(7): 129-136.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20240017

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  随着电力行业的发展以及用电需求的增加,制备高强度高电导率铝导线是提高输电效率和输电容量的有效途径之一。电工纯铝与其他材料相比具有成本低、生产工艺简单等优势,但其强度较低,且受原铝中杂质元素影响电导率较低。电解铝液精炼是提高其纯度和性能的关键,因此以电解铝液铸锭为原料,通过向电解铝液精炼过程添加氟化盐类精炼剂和硼化剂,研究了其对铝液中金属杂质元素含量的影响以及对原铝导电性能和力学性能的影响规律。结果表明,添加氟化盐类精炼剂后,原铝电阻率可降至27.46 nΩ·m,抗拉强度提升至58.29 MPa,伸长率提升至45.24%;加入硼化剂后对V元素的去除效果较明显,当硼添加量(质量分数)为0.08%时,V元素的去除率达到94.2%;精炼剂与硼化剂复合作用下可进一步降低原铝的电阻率,提高其抗拉强度和伸长率。在试验条件下,电解铝液较精炼前的电阻率平均下降7.54%,抗拉强度平均提升35.60%,伸长率平均提升64.84%,使得铸态原铝性能较传统铝熔体精炼工艺条件下有较大提升。研究结果可为重熔用原铝及铝型材加工和电工圆铝杆行业提供参考依据。
  
冶金科技英才
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  李旭

  中国冶金. 2024, 34(7): 137-137.

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  林利

  中国冶金. 2024, 34(7): 138-138.

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冶金科学技术奖
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  高品质长型材连铸坯生产关键技术集成开发与应用

  中国冶金. 2024, 34(7): 139-139.

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  面向碳中和的高性能汽车白车身用钢开发与应用

  中国冶金. 2024, 34(7): 140-140.

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