在全球气候变化压力不断加剧的背景下,钢铁与化工行业的深度脱碳已成为实现“双碳”目标的关键任务。鉴于以往研究多集中于生物质在单一工业部门内的应用,未能充分体现跨行业协同潜力,本文提出一种“生物质-钢铁-化工”一体化协同框架。该框架以生物质为核心纽带,通过能量耦合、物料耦合及价值链延伸,实现两大高耗能产业的深度融合。该体系通过利用钢铁生产过程中产生的高品位余热(熔渣显热和烟气余热)及副产物(钢渣),驱动生物质高效转化为生物炭和合成气等关键平台产物;随后,这些绿色中间产品分别用于钢铁冶金(作为绿色燃料或还原剂)和化工合成(作为绿色原料)。通过构建物质闭环与能量梯级利用的协同系统,该模式突破了传统线性生产结构,有望实现“系统效应大于要素效应”的减排优势,为钢铁与化工行业的绿色化、循环化和高效化发展提供新路径。

为阐明灰岩煅烧工艺对活性石灰性能的调控机制,本文以江西某熔剂用灰岩为研究对象,通过控制原料粒度、煅烧温度及保温时间等参数,系统研究了原料粒度、煅烧温度及保温时间对石灰活性度、微观结构的协同影响规律。结果表明:当原料粒级为10~20mm、煅烧温度为1000℃、保温时间为 60min 时,制备的石灰综合性能最优,其活性度可达 385mL,CaO 质量分数为 93.03%,各项指标显著优于《冶金石灰》行业标准(YB/T 042—2014)中一级品的技术要求。结合 X 射线衍射与扫描电子显微镜的表征分析可知:粒级过细的原料(5~10mm)会因颗粒耐热性降低而诱发熔结现象,进而劣化石灰活性;煅烧温度过高(＞1000℃)会加剧 Ca²⁺与O^2-的热运动速率,造成 CaO 晶核快速形成、晶粒过度细化且结晶度下降,最终损害石灰活性;保温时间过长(＞60min)则会促使 CaO 晶粒发生粗化,并引发颗粒间的烧结熔合,导致石灰内部孔隙塌陷、结构趋于致密,从而大幅降低其活性度。本研究明确了高性能活性石灰的优化煅烧工艺,可为冶金熔剂的绿色低碳化生产提供关键技术支撑。

顶底复吹转炉是当前主流的炼钢工艺,其底吹系统的优化对提升冶炼效率至关重要。然而,300t级以上大型转炉的底吹布局优化研究目前仍较为匮乏。本文以某厂大型顶底复吹转炉为研究对象,结合水力学、物理模拟试验与数值模拟手段,系统研究了底吹元件数量(8孔、12孔、16孔)及排布方式(单环/双环、对称/非对称)对大型转炉熔池搅拌与混匀效果的影响规律。结果表明,与对称布局相比,底吹元件的双环非对称分布模式可显著改善转炉熔池的动力学条件,具体表现为熔池平均流速提升、死区占比下降、混匀时间大幅缩短。同时,底吹元件的数量并非越多越优,其作用效果与排布方式存在明显的协同效应。经综合对比确定,12孔双环非对称分布(方案 D-3-10)为最优方案。该方案下,熔池平均流速可达0.286m/s,死区占比仅为0.55%,混匀时间缩短至33s,熔池混匀效果达到最佳水平。

研发具备废钢预热功能的氧-燃枪,对于提高转炉废钢比、降低钢铁行业碳排放具有至关重要的作用。本研究以六孔交错式氧枪结构为基础,在其内孔拉瓦尔喷管的扩张段增设燃气孔,并基于气体射流与燃烧过程的数值模拟,深入探讨燃气孔的数量、角度及开设位置对煤氧掺混效果、燃烧效率及NO_x生成量的影响规律。试验结果表明:当燃气孔直径为10mm、动量通量比为 0.81时,燃气穿透主氧射流的深度较大,燃料混合均匀性指数可达 0.7;当燃气孔开设位置为0.6 L_e(L_e为扩张段长度)时,燃料混合均匀性指数同样为0.7;综合燃料混合均匀程度、燃烧效率及NO_x排放水平等多方面因素,确定60° 为燃气射入的最优角度。该优化方案可为实现废钢快速预热、提高转炉废钢比提供有力的技术支撑。

高废钢比冶炼工艺随着废钢使用量的提升大幅降低了钢铁生产过程碳排放强度,但精炼渣组成的变化改变了镁碳砖的侵蚀行为,现有镁碳砖的抗渣侵蚀性难以适应新工艺要求。为此,本文研究了CaO-MgO-Al₂O₃-SiO₂-FeO_x(CMASF)渣系对镁碳材料的侵蚀行为,并利用前驱体原位转化在镁砂微粉表面制备了镁铝尖晶石,探究其对高FeO_x熔渣抗侵蚀性能的影响机制。结果表明,随着FeO_x质量分数的增加,镁碳材料的侵蚀指数增大。空气气氛下碳材料的氧化以及碳热还原消耗石墨形成的气孔、MgO微粉溶解留下的孔隙通道以及材料表面原生裂纹,共同为熔渣深度渗透提供了路径。试验温度下,渗透渣中的CaO、SiO₂与基质中MgO反应生成具有良好流动性的低熔点相,显著加速了熔渣对变质层的溶解及侵蚀进程,最终导致材料结构破坏。镁碳材料中引入表面负载尖晶石前驱体的镁砂微粉后,侵蚀指数小于直接以镁砂为原料制备的镁碳材料。一方面,微粉表面均匀分布的原位镁铝尖晶石的微膨胀提升镁碳材料基质的致密度,减少熔渣渗透通道并阻断“氧化脱碳-熔渣渗透-溶解蚀损”的链式反应循环;另一方面,微粉表面镁铝尖晶石有效吸收熔渣中的铁并析出形成(Mg,Fe)(Al,Fe)₂O₄固溶体,提升了熔渣黏度,降低了熔渣渗透深度,材料抗渣侵蚀性能显著提升。

为探明Q235板坯皮下10mm处内裂纹缺陷的形成机制,本研究分别在板坯裂纹位置与正常部位取样,并开展对比分析。借助显微观察、夹杂物自动扫描等测试手段,对2类样品的金相组织及夹杂物的数量、尺寸、位置分布、类型及形貌特征进行了系统表征。结果表明,裂纹样品周边存在明显的MnS夹杂物聚集区,且聚集区附近的组织特征与钢基体存在显著差异,片层状铁素体与珠光体组成的魏氏组织在裂纹样品周围较为突出,同时带状先共析铁素体中可见链状硫化物夹杂析出。此类夹杂物破坏了钢基体的连续性,进而在连铸过程中引发应力集中,最终作为裂纹源诱发了Q235板坯内裂纹的形成。

在全球减碳需求持续提升的背景下,液化天然气(LNG)作为清洁能源的应用不断拓展,其储运容器的材料研发已成为当前研究热点。高锰钢凭借优异的力学性能与低温服役性能成为 LNG 储罐等低温装备领域的理想材料。本文采用热模拟试验,系统研究了高锰钢在 800~1200℃范围内的高温力学行为,揭示了其热塑性、强度变化规律及脆性温度区间。结果表明:高锰钢在800~1000℃区间热塑性良好,断面收缩率大于40%;而在1050~1200℃区间热塑性明显下降,呈现高温脆性特征。断口形貌分析显示,1000℃条件下发生动态再结晶,改善了材料的塑性;1100℃时断口呈冰糖状形貌,表现为典型脆性断裂。断口区域析出的碳化物、氮化物、硫化物及磷化物等第二相粒子,对高锰钢高温力学性能具有显著调控作用。

连铸坯表面缺陷检测是钢铁生产过程中质量控制的重要环节,高效、准确的表面缺陷在线检测系统是实现钢铁智能制造的关键。传统的人工检测方法存在效率低、主观性强、漏检率高等问题,难以满足现代化生产的需求。针对这一需求,本文提出了1种基于改进YOLOv11的连铸坯表面缺陷在线检测方法,以提高检测精度和效率。首先,构建了用于连铸坯表面缺陷检测的数据集,涵盖了生产过程中常见的各类表面缺陷类型,并采用传统数据增强方法扩充训练样本。然后,针对连铸坯表面缺陷的复杂性和多尺度特征,引入渐近特征金字塔网络增强多尺度特征融合能力,集成注意力机制模块提升YOLOv11模型对关键缺陷特征的提取能力,实现缺陷的精准识别与定位。最后,为实现检测结果的可视化与生产端的实时交互,设计了连铸坯表面缺陷在线检测系统,将训练完成的改进YOLOv11模型嵌入至系统,实现了模型的工程化应用。试验结果表明,改进后的YOLOv11模型在自建数据集的指标优于89%,满足实际应用需求,为钢铁企业的智能化质量控制提供了切实可行的解决方案。

耐候钢因其优异的耐大气腐蚀性能而被广泛应用于桥梁、车辆等长期户外暴露的结构中,合金化是改善其综合性能的关键手段。利用相变仪、轧制热模拟试验机、万能轧机及显微组织表征设备,开展了不同Cr含量对耐候钢相变行为、显微组织和力学性能影响的研究。结果表明,随着Cr质量分数增加(0.57%、1.07%和3.13%),相变曲线相较于05Cr钢先左移后整体向右下方移动;在相同冷速下,硬度总体表现为3Cr>05Cr>1Cr。在模拟轧制中,随终轧温度由800℃升高至950℃,晶粒粗化导致05Cr、1Cr和3Cr钢的硬度总体上明显下降。尽管3Cr钢在静态CCT中硬度最高,且模拟轧制后的硬度高于05Cr、1Cr钢或保持相当,但其热轧后的屈服强度却最低;而1Cr钢的硬度值均处于最低,但热轧后的屈服强度最高,这与相变-形变的先后顺序导致显微组织类型、尺寸及位错密度的差异密切相关。综上所述,Cr元素不仅影响耐候钢的耐腐蚀性,更通过改变其相变特征影响微观组织与力学性能的演变。

本研究以工业化双真空熔炼Cr14Mo4V钢锭为试验材料,探讨不同变形比对试验钢中碳化物特征及力学性能的影响。通过系统分析碳化物的尺寸、数量、面积占比及棱角化指数等参数,并重点考察最大碳化物的尺寸、轮廓系数、圆形度以及大颗粒碳化物的数量变化,发现随着变形比增大,试验钢中大尺寸碳化物数量减少,小尺寸碳化物显著增多,冲击韧性与抗弯强度均随之提高。采用传统的方法统计最大碳化物尺寸时,未能建立最大碳化物尺寸与性能之间的有效关联,因此本研究进一步引入多种碳化物形态表征参数,在一定程度上揭示了碳化物演变与变形比、力学性能之间的关联。最终发现,退火态下最大碳化物的圆度可用于预测回火后的无缺口冲击韧性,而退火态中小尺寸碳化物的数量则对抗弯强度具有指示作用。

奥氏体不锈钢(ASS)在氢能储运领域具有广阔应用前景,但其存在强度较低、塑性冗余的问题。应变强化技术可通过利用部分塑性以显著提高材料强度,其中应变量是影响组织与性能的关键因素。本文系统研究了不同预应变(0、5%、10%、15%)对ASS显微组织与力学性能的影响规律。结果表明,随着应变量的增加,试验钢的屈服强度显著提升,抗拉强度略有增加,总伸长率降低,屈强比则呈上升趋势。当应变量为10%时,屈服强度为535.2MPa,抗拉强度为697.5MPa,总伸长率为56.2%,屈强比为0.77,较好地实现了塑性冗余的合理利用。分析认为,应变强化过程中随着应变量的增加,位错带、位错胞及位错缠结的出现是屈服强度提升的主要原因。拉伸后试样中孪晶界的比例略有增加,孪晶厚度与间距明显减小,有利于在微观尺度分散应变、缓解应力集中。同时,拉伸过程中产生的大量平行孪晶及交叉孪晶增加了裂纹扩展路径的曲折度,从而提升了塑性。因此,试验钢的主要变形机制为孪晶诱导塑性(TWIP)效应。

本文研究了加热工艺对高强微合金钢奥氏体长大的影响,通过设计不同加热温度(1050~1250℃)和保温时间(1、5、10、20、30、60min),对Ti-Nb微合金钢进行回溶热处理试验,分析了奥氏体晶粒尺寸的变化规律。结果表明,加热温度对奥氏体晶粒尺寸影响显著,加热温度为1050~1110℃时奥氏体晶粒长大缓慢,加热温度为1170~1210℃时粗化趋势明显,1190℃保温60min时奥氏体平均晶粒尺寸达到64.4μm。保温时间对奥氏体晶粒长大亦有影响,前10min奥氏体长大速度较快,10~20min长大速度逐渐减缓。上述奥氏体长大现象主要归因于Ti-Nb碳氮化物的回溶及析出粒子的粗化。透射电子显微镜(TEM)结果表明,随着加热温度升高,钢中碳氮化物析出数量逐渐减少,残留析出颗粒尺寸逐渐增大,导致其对奥氏体晶界的钉扎作用减弱。

为提高工业低品位余热利用率,本文提出一种结合闪蒸装置的卡诺电池储能系统。该系统由双级压缩热泵循环与有机朗肯循环(ORC)构成,以钢铁企业烧结冷却过程排放的低温烟气作为驱动热源。为探究系统运行特性,建立了系统稳态热力学模型,重点分析了不同ORC工质下系统往返效率、焑效率及总焑损失随热泵冷凝温度、闪蒸温度及ORC蒸发温度的变化规律,并对系统主要设备的焑损失进行了分析。研究结果表明,在工质一定的情况下,降低热泵冷凝温度、提高ORC蒸发温度有利于提升系统往返效率及焑效率,同时能够有效降低系统总焑损失。随着闪蒸温度的增加,系统往返效率及焑效率呈先上升后下降的趋势。综合比较不同ORC工质的运行效果,R1233zd(E)表现出较优的系统性能。在最优工况下,系统往返效率可达63.72%,焑效率为34.86%,系统总焑损失为1463.9kW。焑分析结果表明,热泵蒸发器是系统中焑损失最大的设备,其相对焑损率约为23.71%,其次为ORC蒸发器,而ORC工质泵的焑损失最小,相对焑损率仅为0.2%。