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2022年 57卷 4期
刊出日期：2022-04-15
综合论述
原料与炼铁
炼钢
压力加工
钢铁材料
环保与能源
综合论述
1
马国军, 刘孟珂, 张翔, 郑顶立, 姚旺龙
铁碳熔池中废钢熔化行为的研究进展
在钢铁冶金过程中,逐步减少铁矿石比例、增加废钢比例,实现钢铁循环,已成为世界钢铁行业追求的目标。废钢的熔化行为是控制转炉炼钢过程温度轨迹和废钢比以及电弧炉炼钢能耗和产能的关键因素;同时,铁水包中废钢的熔化行为可能影响铁水预处理工艺的顺利进行。研究废钢的熔化行为对提高废钢在转炉、电弧炉和铁水包等设备中的利用率以及对保证钢铁冶金流程的稳定顺行具有重要意义。通过对铁碳熔池中废钢熔化行为的研究成果进行总结,包括废钢的熔化机理以及采用数值计算与模拟、热模拟和水模拟试验研究熔池温度、熔池碳含量、废钢预热温度、废钢尺寸和吹气搅拌等因素对废钢熔化行为的影响,旨在为钢铁冶炼过程中提高废钢利用率提供理论指导与试验依据。废钢熔化主要包括固化层的形成、重熔与废钢本体的渗碳熔化等过程。随着熔池温度和熔池碳含量的增加、废钢尺寸的减小,废钢的熔化速度逐渐增大,预热温度对废钢熔化后期的熔化速度影响较小,改善吹气搅拌条件可以提高废钢的熔化速度、缩短熔池混匀时间。同时,随着熔池温度和熔池碳含量的增加、废钢比表面积的增大和熔池搅拌强度的增强,熔池与废钢之间的传热传质过程得以加强,熔体与废钢之间的传热系数和碳的传质系数随之增大。
2022 Vol. 57 (4): 1-11 [
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原料与炼铁
12
折媛, 湛文龙, 邹冲, 韩鹏, 吴铿
改进分段尝试法研究焦炭气化反应动力学
焦炭作为高炉炼铁的主要燃料,对高炉的正常运行以及高效冶炼发挥着至关重要的作用。伴随着现代高炉大型智能化的发展趋势,面对资源的不断消耗,用于冶炼优质冶金焦的原料逐渐减少,低质冶金焦引起了冶金工作者越来越多的关注。在测定高炉使用的焦炭基础理化特性后,通过对不同升温速率下不同质量焦炭与CO
2
的气化反应试验,采用分段尝试法建立焦炭气化反应过程动力学模型,探究焦炭气化反应过程控制机理。在非等温条件下,将反应过程分成前期化学反应控速和后期内扩散控速2个阶段。通过用2个阶段不同控速模型对气化反应过程数据进行拟合,分别建立了前期化学反应控速的未反应核模型与后期扩散传质控速的收缩核模型。给出了反应过程中2种控速的转换点和化学反应速度常数及扩散传质系数。讨论影响反应动力学参数的因素和分析产生补偿效应的原因。考虑到化学反应速度比扩散传质速度高出近3个数量级,根据不可逆热力学的唯象方程,研究在气化反应后期近平衡区域内化学反应过程对扩散传质过程的干涉效应并建立相关唯象方程,在确定化学反应扩散系数后,对焦炭气化后期扩散传质控速方程进行了修正,改进了适合冶金反应工程学研究反应过程动力学的分段尝试法,进一步提高了其精确度。
2022 Vol. 57 (4): 12-24 [
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25
胡心光, 沈峰满, 郑海燕, 郭永春, 姜鑫, 高强健
温度对CaO-SiO
2
-Al
2
O
3
-MgO高炉渣系Al
2
O
3
活度的影响
Al
2
O
3
作为熔渣中的主要组元之一,其对熔渣的冶金性能的影响尤为突出。对于高炉炼铁而言,高炉渣中Al
2
O
3
增加会对炼铁及脱硫造成不利影响。然而,随着中国钢铁工业的不断发展,相对低廉的高Al
2
O
3
进口铁矿石使用量不断攀升,使得高炉渣中Al
2
O
3
含量明显增加,高炉渣中Al
2
O
3
质量分数往往大于15%,更高的甚至大于20%。目前关于高Al
2
O
3
高炉渣系中Al
2
O
3
组元的热力学性质(例如采用参考渣法测定Al
2
O
3
的活度)及其对炉渣冶金性能的影响等研究鲜有报道,而温度是影响冶金熔渣冶金性能的重要热力学因素之一,因此探讨温度对冶金熔渣中Al
2
O
3
组元活度影响的规律不仅具有重要的研究意义,同时也为现场实践提供坚实的理论依据。采用参考渣法对1 773～1 873 K温度条件下CaO-SiO
2
-Al
2
O
3
-MgO高炉渣系Al
2
O
3
活度进行测定,并采用Raman光谱对熔渣的结构进行检测。考察了温度对CaO-SiO
2
-Al
2
O
3
-MgO高炉渣系Al
2
O
3
活度的影响。结果表明,随着温度的增加,熔渣中Al
2
O
3
的化学势降低,熔渣与铜金属熔液之间的反应向右移动来达到新的平衡,因而Al
2
O
3
的活度随着温度的增加逐渐降低。温度的增加使熔渣中Al
2
O
3
与碱性金属氧化物发生反应,使钙铝酸盐(CaO·Al
2
O
3
和CaO·2Al
2
O
3
)和镁铝酸盐(MgO·Al
2
O
3
)等复合物生成量增加,此时熔渣的结构由于O
2-
的增加而逐渐发生解聚,熔渣中的自由Al
2
O
3
减少,从而导致Al
2
O
3
活度逐渐降低。
2022 Vol. 57 (4): 25-33 [
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34
王永斌, 彭军, 罗果萍, 张芳, 安胜利
MgO、F、碱金属对球团矿相组织的影响
因为白云鄂博铁精矿球团含有较多的碱金属和氟,从而产生异常还原膨胀,而添加MgO可以有效抑制其还原膨胀,但是MgO的添加势必影响球团的矿相组成。目前研究多注重MgO、F、碱金属中某一单因素对球团物相的影响,而对3者共同作用于球团物相的影响还缺乏深入研究。采用正交试验的方法研究了(K
2
O+Na
2
O)、CaF
2
和MgO对赤铁矿球团矿相组成的影响,并利用矿相显微镜、SEM-EDS、XRD并结合FactSage软件计算研究了它们在球团中的分布情况。研究结果表明,MgO对球团矿中含铁矿物和孔洞影响明显,对渣相量影响不大。MgO的添加降低了Fe
2
O
3
的开始分解温度,促进了赤铁矿分解为磁铁矿,焙烧过程中Mg
2+
通过扩散进入到磁铁矿晶格中从而形成含镁磁铁矿并稳定了磁铁矿的结构,使得大部分MgO进入球团铁相,并随着MgO加入量的提高,含镁磁铁矿含量快速升高,导致球团中磁铁矿含量增加,提高了球团矿的稳定性,形成的磁铁矿多处于原赤铁矿基体的边缘部位并与赤铁矿互相连接在一起。当MgO添加量由1%提高到5%时,磁铁矿提高6.6%,赤铁矿降低15.4%,孔洞所占比例提高9.5%;添加的(K
2
O+Na
2
O)全部进入渣相,对球团渣相影响较大。当其添加量超过0.2%后,渣中Fe
2
O
3
溶解量快速升高,使得球团中液相量增加,而在随后的冷却过程中液相凝固导致球团体积收缩,引起球团孔隙率降低,当
w
(K
2
O+Na
2
O)由0.1%提高到0.4%时,球团渣相量提高2.6%,孔隙率降低5.9%,渣相大多分布于各铁氧化物之间,无固定的形状;CaF
2
全部进入渣相,对球团矿相组织影响较小。
2022 Vol. 57 (4): 34-42 [
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43
杨涛, 龙红明, 丁成义, 李勇, 曹发卫, 胡明意
铝硅比对烧结成矿特性及冶金性能的影响
Al
2
O
3
和SiO
2
是复合铁酸钙的重要组分,适宜的铝硅比是获得良好烧结成矿特性和冶金性能的重要条件。基于某钢厂现场烧结原料结构,运用FactSage理论计算了烧结体系的平衡物相组成及液相组分变化规律,随着铝硅比由0.41降至0.34,烧结矿中液相、铁氧化物等优质物相含量增加,尖晶石等劣质物相含量下降,且液相中析出复合铁酸钙逐渐增多。试验揭示了不同铝硅比对烧结矿产质量、物相组成、微观结构及冶金性能的影响规律,结果表明,随着铝硅比由0.41降低到0.34,烧结矿转鼓强度、成品率、利用系数等指标显著改善,分别由58.27%、60.24%、1.585 t/(m
2
·h)提高至61.73%、71.87%、2.185 t/(m
2
·h)。矿相分析表明,随着铝硅比降低,铁酸钙含量增加并逐步向针状发展,赤铁矿、磁铁矿及孔洞含量降低,并在铝硅比为0.34时达到最佳物相组成,该结果佐证了烧结矿产质量指标变化规律。铝硅比为0.34时烧结矿冶金性能比基准烧结矿冶金性能提升,其中还原度和低温还原粉化指数
RDI
>3.15 mm分别由73.11%、72%提升至77.47%、80%,软化温度区间和熔滴温度区间变窄,熔滴性能总特性值
S
也有下降趋势,烧结矿软熔性改善明显。根据理论计算及试验结果,提出的优化配矿建议对提高烧结矿产质量、优化烧结工艺具有重要的意义。
2022 Vol. 57 (4): 43-51 [
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炼钢
52
王野光, 刘承军, 邱吉雨
铝对稀土耐热钢中非金属夹杂物的影响
稀土能够显著提升钢材的性能,是高品质钢中常见的合金元素之一。然而,由于稀土与O、S等杂质元素之间存在极强的亲和力,加入钢中后形成的高熔点、大尺寸夹杂物对浇铸工艺的顺行及产品质量均有严重危害。为了探讨不同铝含量对稀土耐热钢中非金属夹杂物类型及尺寸分布的影响,在利用优化的热力学模型进行模拟计算的基础上,设计并开展了高温试验。热力学计算结果表明,增大铝含量能够抑制钢中Ce
2
O
3
夹杂物的析出,同时促进CeAlO
3
和Ce
2
O
2
S夹杂物的析出,根据钢液中Ce、Al、O及S含量的变化,总结了夹杂物转变的临界热力学条件,当铝质量分数为0.025%～0.065%时,满足
w
([Al])/
w
([Ce])为270,Ce
2
O
3
变质成CeAlO
3
;当铝质量分数为0.065%～0.17%时,满足
w
([S])/
w
([O])为10,Ce
2
O
3
转变为Ce
2
O
2
S。试验结果表明,在铈加入量一定的情况下,随着铝质量分数在0～0.3%范围内增大,不同试验钢中典型夹杂物的变化趋势为Ce
2
O
3
→Ce
2
O
3
+CeAlO
3
→CeAlO
3
+Ce
2
O
2
S,相应地,夹杂物的平均粒径由4.69 μm降低至2.73 μm。由夹杂物类型与尺寸之间关系的统计结果可知,尺寸较小的Ce
2
O
2
S的形成是导致夹杂物尺寸减小的主要原因之一;适当增大稀土耐热钢的铝脱氧强度,能够通过改变夹杂物类型的方式,有效细化钢中夹杂物的尺寸,有望改善稀土耐热钢的水口结瘤问题和产品质量。
2022 Vol. 57 (4): 52-57 [
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58
李勃, 杨凌志, 宋景凌, 郭宇峰, 李志慧
90 t电弧炉炼钢流程一键合金加料优化系统应用
电弧炉炼钢流程是钢铁行业转型的重要工艺路径。随着对特殊钢成分要求的不断提高,对钢铁企业电弧炉炼钢的成分控制提出了更高的要求。合金加料是电弧炉炼钢流程中调控成分的重要手段之一。由于冶炼不同钢种所需配入合金种类以及质量不同,各合金价价格不平均,合金成本一直是电弧炉炼钢冶炼生产成本的重要组成部分。当前,衡阳华菱钢管有限公司大管坯炼钢厂90 t电弧炉炼钢流程合金加料操作过程凭借现场技术人员经验,没有充分考虑不同钢种合金元素收得率差异、不同批次合金原料价格与成分的波动,造成窄成分控制差、合金加料次数多、合金成本高。针对这一问题,基于合金元素收得率动态库与2阶段单纯形算法对合金加料工艺的各影响因素进行分析,采用SQL数据库、Visual Studio 2013开发平台与OPC接口技术,研发了一键操作的合金加料优化系统,将系统计算结果传输至PLC,实现一键合金加料操作。系统运行结果表明,优化得出了不同钢种的合金元素收得率;电弧炉出钢后钢包合金配入比例与电弧炉炼钢流程合金配入比例相比,由73.88%左右提高到85.11%;电弧炉出钢后钢包内合金加料经系统计算成本降低了6.32%～8.07%,精炼炉合金加料经系统计算成本降低了1.04%～22.59%。电弧炉炼钢流程总成本降低了1.53%～10.02%。
2022 Vol. 57 (4): 58-67 [
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68
周秋月, 朱坦华, 张立峰, 陈威, 袁天祥, 刘珍童
非稳态浇铸对结晶器卷渣定量影响的大涡模拟
基于实际板坯连铸结晶器建立了耦合大涡模拟(LES)湍流模型和VOF多相流模型的三维数值模拟模型,讨论了不同结晶器浸入水口(SEN)结瘤程度和SEN未对中分布对结晶器内瞬态多相流场及卷渣行为的影响。通过用户自定义程序成功实现了不同工况下结晶器内卷入渣滴数量、大小、空间分布等信息的定量化预测,并得到了弯月面不同位置处发生卷渣的概率分布。结果表明,水口顺时针旋转5°的未对中分布下由于钢液射流更多地撞击宽面,导致弯月面近窄面处液位分布有轻微降低,液位波动也从理想状态下的±(6~7) mm降低至±5 mm以内。SEN结瘤对弯月面液位波动有较大影响,SEN左侧完全堵塞、右侧未堵塞情况下液位波动增大至±11 mm左右,而SEN左侧堵塞2/3且右侧堵塞1/3情况下弯月面液位波动则增大至±15 mm左右。理想工况下净卷渣速率为0.0130 kg/s,卷渣主要发生在弯月面四周以及流股碰撞处。SEN未对中布置工况下净卷渣速率轻微降低至0.009 3 kg/s,但宽面附近卷渣概率明显增大。SEN左侧完全堵塞且右侧未堵塞和SEN左侧堵塞2/3且右侧堵塞1/3情况下净卷渣速率则分别增大至0.045 5 kg/s和0.0670 kg/s;卷渣主要由过大的钢液流速对弯月面的剪切作用造成,且主要位于水口至1/4结晶器宽度的范围内。水口结瘤后不对称流动造成的旋涡增加,由此引起的卷渣也相应增加。
2022 Vol. 57 (4): 68-78 [
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压力加工
79
张建雷, 张杰, 秦松, 陆佳栋, 岳重祥
热轧薄带平整机支撑辊辊型优化的研究与应用
某热轧薄带平整机轧辊长度为1 800 mm,带钢宽度为1 320 mm,两者相差太大,造成工作辊与支撑辊间有害接触区长度过大,在轧辊自身挠度作用下,辊间应力峰值集中于带钢边部位置。随轧制公里数延长,工作辊边部磨损加剧,不利于后期板形控制,同时会缩短轧辊使用寿命。针对热轧薄带平整机工作辊磨损不均匀问题,设计优化支撑辊辊型,通过支撑辊两端倒角设计,减小工作辊与支撑辊间有害接触区长度。并借助数值模拟技术建立平整机三维弹塑性有限元模型,模拟了不同平整工艺、不同支撑辊辊型条件下工作辊的使用情况。通过模拟结果,对比分析不同辊型的板形控制效率、凸度调节域、承载辊缝横向刚度和工作辊接触应力等指标。模拟数据表明,3种倒角支撑辊辊型改善了工作辊应力分布均匀性,有利于提高轧辊服役周期;辊间有害接触区长度明显减小;弯辊力板形调控效率由0.048 μm/kN提高到0.130 μm/kN。考虑到带钢有跑偏风险,如果支撑辊倒角插入量过大,支撑辊倒角易窜入到带钢内部,造成边部拉紧甚至断带,因此选择倒角插入量最小的V+25辊型,并应用于现场调试。现场数据表明,平整机板形调控能力明显增强,单位轧制周期内平整量显著增加。工作辊平均使用寿命由1 500 t提高至1 800 t,产品合格率由95%提升至98%以上。
2022 Vol. 57 (4): 79-87 [
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钢铁材料
88
苏雪, 王厚昕, 朱敏, 张琪, 田俊羽, 徐光
原位观察铌对高碳钢珠光体相变的影响
为了研究微合金元素铌(Nb)对高碳钢中珠光体相变的影响,在高温激光共聚焦显微镜下原位观察了不含铌和含铌高碳钢连续冷却过程中珠光体动态形核和长大行为。结果表明,在高碳钢中添加铌增加了珠光体形核点的数量,这是因为铌提高珠光体单位面积形核数量。同时,铌元素减慢珠光体长大速率是由于铌显著阻碍珠光体长大,但当铌质量分数超过0.014%后,阻碍珠光体长大速率的效果不再进一步增加。从以上结果可知,在高碳钢中添加铌促进珠光体形核,但是减慢珠光体长大速率。所以,为了更加准确地研究铌元素对珠光体相变的影响,选用不含铌及铌质量分数为0.027%的两种高碳钢,在Gleeble-3500热模拟试验机上进行与高温原位观察试验相同试验工艺的热膨胀试验。通过热膨胀试验发现,铌的添加增大过冷度,导致降低了珠光体相变温度区间,但是铌显著阻碍碳在奥氏体中的扩散系数,所以铌减慢珠光体长大速率。另外,铌减慢连续冷却条件下的珠光体相变动力学,推迟珠光体相变,从而降低珠光体相变速率,表明铌对珠光体长大的阻碍作用强于其对珠光体形核的促进作用。因此,在高碳钢中,铌元素的添加推迟珠光体相变。此外,铌的添加增大过冷度,使含铌高碳钢的珠光体片层细化,提高了含铌高碳钢的硬度,但在铌质量分数超过0.014%后,细化效果不再进一步增强。
2022 Vol. 57 (4): 88-96 [
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97
邹英, 刘华赛, 韩赟, 邱木生, 阳锋
基于退火路径的中锰钢组织转变与力学性能
为了更好地指导中锰钢工业试制,利用扫描电镜、电子背散射衍射、透射电镜和拉伸试验机等研究了不同退火路径下低碳中锰钢的组织转变及合金元素配分行为,并评价了其对力学性能的影响。结果表明,热轧中锰钢的显微组织主要由铁素体、板条马氏体、粒状贝氏体和残余奥氏体构成。经冷轧变形后,原组织中的铁素体和马氏体晶粒破碎,残余奥氏体和M/A岛在应变诱导作用下转变为马氏体。两种不同退火路径下,中锰钢的显微组织均由铁素体、残余奥氏体和少量二次马氏体构成,其中一步退火工艺的组织结构呈多边形状,两步退火工艺的组织结构呈板条状。一步退火工艺中,残余奥氏体面积分数为25.6%,平均等效晶粒直径为0.32 μm,残余奥氏体内锰的质量分数为6.36%;两步退火工艺中,残余奥氏体面积分数为27.8%,平均等效晶粒直径为0.38 μm,残余奥氏体内锰的质量分数为5.37%。晶粒尺寸增大及锰元素富集程度降低,导致两步退火工艺得到的残余奥氏体力学稳定性较低。两种工艺下,中锰钢的屈服强度相差不大,但屈服类型有明显差异。一步退火工艺的应力-应变曲线存在屈服平台,应变约为4%,而两步退火工艺提高了中锰钢变形初期的加工硬化和抗拉强度,消除了屈服平台延伸。不过,两步退火工艺下中锰钢塑性损失明显,均匀伸长率和断后伸长率较一步退火工艺分别降低了4.6和6个百分点。
2022 Vol. 57 (4): 97-104 [
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105
郝硕, 李志国, 张鑫, 佘俊锋, 刘志磊, 陈雷
预应变对TRIP型双相不锈钢拉伸变形行为的影响
预变形通常作为工程构件服役前的关键预处理工艺,用以提高金属构件的力学性能。为了明确预应变对拉伸变形过程中力学行为和相变行为的影响,在INSTRON 8801试验机上进行了一系列准静态拉伸试验,研究了一种TRIP型双相不锈钢的拉伸变形行为及其预应变敏感性,同时结合TEM分析、EBSD分析和原位磁性测量讨论了微观机理。结果表明,试验钢在拉伸变形过程中会发生γ→ε→α'马氏体相变,表现出典型的“三阶段”加工硬化特征,这使得试验钢具有较强的加工硬化能力和优异的力学性能;预变形(卸载)的引入虽然不会改变α'马氏体的形核长大机制,但会通过改变后续变形过程中的马氏体相变动力学影响加工硬化行为,进而使试验钢的力学性能发生变化;随着预应变量的增加,试验钢的(后继)屈服应力逐渐上升,伸长率
A
逐渐降低;但试验钢的抗拉强度和总伸长率
A
t
(
A
t
=
ε
E
pre
+
A
)随着预应变量的增加表现出不同的变化规律,这与不同变形条件下马氏体相变动力学(即相变程度和相变速率)的差异密切相关。
2022 Vol. 57 (4): 105-113 [
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114
胡勇, 王力华, 林鸿泽, 欧阳明辉, 褚成, 胡永淇
5%Si高硅奥氏体不锈钢元素偏析及均匀化处理
高硅奥氏体不锈钢由于高含量硅元素的加入使其具有优异的耐高温腐蚀性能和较低的成本,在制酸行业有着潜在的应用价值。然而,该合金中高含量硅元素的加入会促进凝固过程中溶质再分配,进而造成显著的元素偏析,最终导致合金内部产生枝晶组织和大量的有害相。对铸锭组织进行均匀化处理能够有效消除枝晶与元素偏析,促进析出相回溶和枝晶消融,从而改善材料的热塑性,有效应对热变形开裂问题。因此,采用金相显微镜(OM)、扫描电镜能谱分析(SEM/EDS)、电子探针(EPMA)、JMatPro软件计算等方法,研究了实验室条件下制备的5%Si高硅奥氏体不锈钢铸锭的显微组织和元素分布状态,通过残余偏析指数、扩散动力学计算并结合均匀化处理试验验证,最终确定了5%Si高硅奥氏体不锈钢合理的均匀化处理工艺。结果表明,5%Si高硅奥氏体不锈钢凝固过程中钼元素偏析最为严重,通过残余偏析指数模型计算得到的均匀化动力学方程可用来指导该成分合金的均匀化处理工艺;5%Si高硅奥氏体不锈钢经过1 150 ℃×12 h均匀化处理后,铸锭内枝晶消融,元素偏析基本消除,析出相与铁素体回溶到基体中,合金转变为全奥氏体组织,热塑性得到改善;当加热温度达到1 250 ℃时,合金出现过烧现象,晶界开始熔化。
2022 Vol. 57 (4): 114-122 [
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123
张伟, 潘跃, 刘华赛, 李春光, 陈洪生
应变速率对增强成形性双相钢性能影响分析
增强成形性双相钢的组织比传统双相钢增加了一定量的残余奥氏体,使其具备了一定的TRIP效应,材料表现出更优的成形性,广泛适用于车身具有复杂造型的安全结构零件。为了研究应变速率对增强成形性双相钢HC440/780DHD+Z力学性能特征和内部组织变化的影响,采用万能试验机和液压伺服高速拉伸试验设备对0.001、0.1、1、10、100、200、500 s
-1
等7种不同应变速率的力学性能开展测试,获取强度、断后伸长率、强塑积等关键参数受应变速率影响的变化规律;对试样不同应变速率下的断口形貌进行观察分析,获取韧窝形貌和尺寸受应变速率影响的变化情况;对不同应变速率试样断口处的残余奥氏体质量分数进行定量测试,获取其与应变速率之间的变化关系;综合以上分析,获得应变速率对增强成形性双相钢性能和组织等的影响。结果表明,所研究HC440/780DHD+Z具有一定的应变速率敏感性,材料的强度、断后伸长率、强塑积等均呈现应变速率正敏感性,随着应变速率的增加而增强;随着应变速率的提升,材料的韧窝尺寸明显增加,材料吸能的能力也逐渐增强;由于残余奥氏体的转变作用,变形区域发生了塑性强化,促进其他区域的变形,进而增加了材料塑性变形过程中的变形均匀性,使得材料具有更好的伸长率,因此,随着应变速率的增加,残余奥氏体转变量增加,材料表现出了更好的延展性。
2022 Vol. 57 (4): 123-129 [
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环保与能源
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佘雪峰, 刘松昊, 王延江, 王建芳, 王静松, 薛庆国
热改性对柱状活性炭脱硫能力的影响
在N
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保护下采用不同温度对柱状活性炭进行热改性,得到了5种改性活性炭(AC-1~AC-5),将改性前后的活性炭(AC)分别置于含有SO
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且有水蒸气和氧气存在的条件下进行脱硫试验,利用气体吸附仪和扫描电镜对改性前后活性炭表面的物理性质进行了表征。试验结果表明,当改性温度为700~900 ℃时,改性后活性炭的脱硫能力随着改性温度的升高而提升,当改性温度为900 ℃时,所得活性炭的脱硫能力最强,当改性温度达到1 100 ℃时活性炭脱硫能力明显变差。气体吸附仪所得的BET分析结果和扫描电镜的结果表明,在加热过程中活性炭部分原本堵塞的孔道被打开,增大了其吸附表面积,对提升活性炭的初始脱硫率有利,但过高温度会破坏活性炭原有孔径结构,导致AC-4和AC-5样品脱硫能力变差。此外,利用程序升温脱附技术(TPD)对活性炭样品AC~AC-4的酸碱量进行了分析,结果表明,活性炭表面强碱中心的碱量与其脱硫能力存在良好的正线性相关关系,对比样品AC-2和AC-3发现,在活性炭物理性质差别不大的情况下,其脱硫能力的提升主要得益于表面化学性质的改变,尤其是碱性的增强。同时,通过Boehm滴定并结合傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)对活性炭样品AC和AC-3的表面酸性官能团变化进行分析,发现在热改性后活性炭表面羧基、内酯基和羟基数量减少,这说明热处理能使活性炭表面的酸性官能团分解,有利于提升其脱硫能力。
2022 Vol. 57 (4): 130-137 [
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柴锡翠, 岳强, 张钰洁, 王琦
氢冶金竖炉还原域的数值模拟分析
钢铁工业是中国国民经济发展的重要基础产业,在中国“碳达峰、碳中和”的背景下,低碳生产已成为钢铁行业新的竞争力。环境意识的日益提高迫切需要开发创新技术,氢冶金在炼铁环节利用清洁和可再生能源,是全世界公认的最清洁环保的冶金技术。H
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的利用可以减少炼铁过程产生的温室气体,从源头上减少碳还原剂带入的排放。氢冶金竖炉的数值模拟是研究钢铁冶金流程内部特性的一种重要方法,其目的是设定合理的氢直接还原反应器的炉型参数及还原条件,可为实现平稳运行提供有效策略。依据逆流还原竖炉规律和安全可靠、稳定顺行、高效节能的方针,充分发挥H
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还原优势,利用现有竖炉设计和生产经验,借助Ansys软件对氢冶金竖炉还原域进行数值模拟分析,重点研究纯氢在高温还原条件下的工艺优势。结果表明,还原反应沿着氢还原竖炉进行时,呈现出气态反应物含量降低而气态产物含量增加的变化趋势;同时,还原反应主要集中在还原域的中下部,即0.5~2.0 m的高度范围。合理设置还原条件及还原域参数可显著提高整个工艺流程的还原度,减缓原料的消耗,达到最优效率,为远期结合可再生能源廉价化趋势过渡到全氢竖炉提供合理化建议,支持氢冶金尽早实现工业化应用,为氢冶金工业设计提供理论支撑。
2022 Vol. 57 (4): 138-147 [
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孙曼丽, 张敏, 王键, 韩文韬, 陈帆
高炉煤气全干式精脱硫工艺路线探讨
针对高炉煤气含硫特性及气量大、下游用户多而分散等特点,简要分析了煤气精脱硫技术现状。采用源头控制方式,提出“预处理+水解催化+干法脱硫”精脱硫技术路线,根据实际工况可选择将预处理及水解系统置于余压发电(TRT)之前或之后。工艺路线采用全干式处理单元,可保证煤气热值,同时降低末端治理压力,实现超低排放。其中,预处理单元可有效避免氯化氢等酸性气体对后端工序的影响。以在TRT后设置该工艺路线的形式为例,搭建一体化试验平台,考察了预处理系统的设置、温度、水含量、氧含量等因素对系统效率的影响。试验结果表明,预处理系统可有效脱除氯化氢等酸性气体,延长水解剂使用寿命,避免后端管道设备腐蚀。在TRT后进行精脱硫处理的形式下,当系统温度在40~120 ℃变化时,存在较佳温度区间70~90 ℃,其中80 ℃为最优温度,总硫脱除率可长时间稳定在95%以上。试验结果还显示,当H
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O/COS体积比为6时,水解单元效率大于96%,过高或过低均不利于水解反应的进行。当O
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/H
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S物质的量之比大于3时,脱硫单元可实现硫化与再生的同步进行,无需额外再生操作。研究显示,“预处理+水解催化+干法脱硫”可满足不同工况需求,有效降低煤气中的硫分,是一种适用于高炉煤气精脱硫的简单高效且具有可行性的新工艺路线。
2022 Vol. 57 (4): 148-157 [
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钢铁
编辑部公告
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中国科协全国学会学术出版道德公约
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公告：《钢铁》2018—2019年论文电子版已全文上网（附下载方式）
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《钢铁》杂志2019年“先进炼钢-连铸工艺与装备”专刊征稿通知
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热烈庆祝《钢铁》杂志被评为“2014中国国际影响力优秀学术期刊”
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《钢铁》创刊60周年纪念特刊征订
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