转炉生产过程中产生的大量烟气具有很高温度且带有大量粉尘颗粒,转炉烟气降温除尘并回收高温烟气中的余热是转炉工序环保、低碳和降本增效的关键。综述了转炉烟气的处理手段,指出了传统余热回收及除尘方法存在的缺陷,分析了新的余热回收方法,设想出3条转炉烟气及产物处理应用的技术路线。目前对中低温度段的转炉烟气余热收集能力较差,传统的OG(Oxygen Converter Gas Recovery)法和LT(Lurgi-Thyssen)法存在煤气回收品质低、热量损失大、除尘效果差等缺点,已无法满足对中低温度段转炉烟气余热回收的技术需求,带有汽化冷却管道喷煤的全干法余热回收法和化学熔盐储能法等为转炉烟气的余热回收提供了新的技术途径。基于现有烟气处理流程,提出以烟气低温余热回收、转炉煤气与蒸汽多元化利用及智能化冶炼为核心的技术路线,旨在高效利用转炉二次能源并减少能源消耗。

石灰在炉渣中快速溶解以迅速提升炉渣碱度对炼钢高效脱磷和节能降耗十分重要。通过高温溶解实验和渣-金反应脱磷实验开展了石灰和石灰石在炉渣中溶解脱磷行为的对比研究。结果表明:石灰加入熔渣初期溶解迅速,随后溶解速率逐渐下降。石灰石在溶解的初期由于大量CaCO₃分解产生的CO₂阻碍了渣和分解后形成的表面石灰层的接触,导致前期溶解缓慢,后期CO₂起到了很好的加快石灰溶解的作用。脱磷反应与渣中CaO含量快速提升有着重要的关联性,石灰由于后期溶解缓慢,导致脱磷速率不高,金属液中的磷含量较高。在石灰石造渣脱磷前期脱磷效率不高,后期由于石灰石加快溶解,脱磷反应传质系数较前期提高约11.6倍,较石灰造渣脱磷提高约6.6倍。

转炉冶炼机制模型飞速发展但仍存在不少问题,如模型参数与实际吹炼和加料工况脱节、预测结果与实际情况不符等。以转炉熔池多反应区域、最小吉布斯自由能理论、热力学和动力学耦合反应等分析方法为基础建立冶金模型已逐渐成为业界共识。分析了转炉熔池反应过程钢液和炉渣成分变化,论证了冶炼过程冶金规律共性问题。通过解析熔池反应重要特征,提出了冶炼过程FeO积累和消耗同步变化机制、反应界面层平衡状态和冶炼过程渣料成渣路线。基于转炉多反应区域理论划分熔池为“气体-钢液”射流冲击区、“炉渣-金属液滴-炉气”乳化区和“炉渣-钢液(金属液滴)”炉渣区。建立了3个反应区域动态调控的氧分配模型,其取值范围为10%~20%:45%~65%:40%~25%。基于熔池混匀搅拌转炉反应三区模型的应用研究表明,当量综合搅拌能在0.60~0.75范围时,反应界面当量传质系数变化区间为1.019~1.024。

夹杂物控制是高品质钢生产过程中质量控制的核心问题。在连铸过程中,引流砂被用于隔离钢液和滑板,实现自动开浇和保护滑板的功能,但同时也向钢液引入了大量外来夹杂物。钢包电磁感应加热出钢技术(EICAST)取代了传统出钢过程中引流砂的使用,避免了钢液连铸过程的二次污染,为提高钢液洁净度提供了一种新的思路。应用EICAST技术需要对各过程工艺参数进行调配,其中电源参数的选择与搭配对于提高加热效率并实现钢包自动开浇至关重要。采用电磁场、温度场、固液相变等多物理场耦合的模拟仿真研究方法,探究不同电源参数对封堵层加热效率的影响。结果表明,在特定频率为200 kHz时,需要550 A的最小电流满足1 mm临界熔化宽度。在此基础上,探究的电流强度、频率等参数间的非线性匹配关系并推广其至一般纵向磁通感应加热模型。通过探究电磁感应加热机制,阐明了不同电源参数之间的相互匹配关系,为EICAST在钢铁工业的进一步推广应用提供了理论基础。

为解决转炉烧穿漏钢问题,提出了一种新型的转炉炉衬残厚监测预报模型。首先,通过对转炉炉衬侵蚀机制及影响因素的深入研究,明确了冶炼环境对转炉炉衬的机械损伤和化学侵蚀作用;通过分析红外热像仪的优势,阐明了红外图像分析技术实现炉衬残厚检测的可能性,设计了基于红外图像识别的转炉炉衬残厚预测模型的研究方案。随后,采用图像算法实现了红外图像与温度数据的相互转换,有效地降低了红外图像数据的分析难度,使用因子分析法对网络输入项进行降维,最后利用GA-BP神经网络预测单次冶炼的炉衬剥落量,进而计算炉衬残厚。模型实现98%的预测误差小于1 mm,85%的预测误差小于0.5 mm,填补了依托红外技术进行炉衬残厚检测的技术空白,拓展了红外技术在冶金行业的应用前景,为解决转炉炉衬安全问题提供了新的思路和方法。

为了解决某钢厂五流感应加热中间包内部钢液流动一致性较差,存在较大温差的情况,提出一种新型通道出口结构优化中间包流场。针对通道出口结构设计正交实验,获得不同方案的时间停留分布(RTD曲线),结合极差分析和水模实验的实际情况确定通道出口的最优结构,为实验3方案。该方案分流口1孔径为90 mm,竖直倾角为15°,水平倾角为20°;分流口2的孔径为80 mm,水平倾角为20°;通道直径为100 mm。该结构下死区比例为18.61%,较原型结构减少了17.77%,平均停留时间标准差为8.36 s,较原型中间包提升了66.64%。通过数模实验针对实验3进行流场和温度场的模拟,结果表明,具有角度的变径分口通道结构能够使钢液在中间包内进行充分的物质和能量交换,有效提升流场和温度场的均匀性,为后续优化通道感应加热中间包的物理场提供理论基础。

微合金钢由于其低成本和优异的性能引起了人们的广泛关注,大量应用于汽车、建筑等行业。热轧钢材性能预测是钢铁智能制造的主要方向之一,对提高产品性能稳定性意义重大。因此,研究微合金钢的力学性能预测对优化生产工艺、改善产品质量、提高生产效率具有重要的意义。基于微合金钢工业大数据、轧制工艺理论和统计学原理开发了聚类、异常值剔除、线性归一化等数据预处理方法,结合析出热力学计算有效Ti含量,并采用基于前向选择的方法进行特征筛选。基于随机森林建立微合金钢力学性能预测模型并采用粒子群优化算法对随机森林的超参数进行优化,实现Ti微合金钢力学性能的高精度预测。结果表明:模型屈服强度和抗拉强度在相对误差±6%的范围内命中率为96.8%和98.9%;伸长率在绝对误差±4%的范围内命中率为97.9%。经验证,所建立模型符合物理冶金学规律,并在现场在线预测中取得了较好的模型精度。

轧机刚度对板厚、板形的控制以及轧制的稳定运行有着重要影响。为研究1850炉卷轧机在实际轧制过程中的轧机系统刚度以及轧制力变化,基于有限元分析,在极限轧制情况下考虑轧制温度影响,建立炉卷轧机轧制过程热力耦合模型,计算多因素影响下轧机运行过程中刚度、关键部位的应力应变情况等。根据轧制规程中最大轧制力进行3组有限元模拟,轧机各部件的变形量随着轧制力的变化而上下波动,基于轧制过程中各时刻轧制力、垂直方向总变形量计算了轧机系统的实时刚度,并利用轧制力平均值与总形变量平均值,得到的轧机刚度分别为6 078、6 089、6 077 kN/mm。结果表明,即使3组轧制规程中的平均轧制力与总形变量各不相同,但刚度值基本一致。

为了满足高功率密度柴油机机体和汽缸盖材料的高温性能要求,研究了柴油机缸盖用高强度蠕墨铸铁在经过不同热暴露温度350、500 ℃和不同保温时间0~1 000 h处理后的力学性能和显微组织的变化。结果表明:热暴露后蠕墨铸铁试验件的抗拉强度R_m随着保温时间的增加而减小,伸长率A随着保温时间的增加而增大;350 ℃热暴露、保温1 000 h时,试件的室温抗拉强度R_{m(25 ℃)}和伸长率A_{25 ℃}比未保温时分别减小了20.0%和增大了41.7%,高温抗拉强度R_{m(200 ℃)}和伸长率A_{200 ℃}比未保温时分别减小了20.2%和增大了125%;500 ℃热暴露、保温1 000 h时,试件的室温抗拉强度R_{m(25 ℃)}和伸长率A_{25 ℃}比未保温时分别减小了46.7%和增大了36.1%,高温抗拉强度R_{m(200 ℃)}和伸长率A_{200 ℃}比未保温时分别减小了14.6%和增大了50%;随着热暴露时间的增加,蠕墨铸铁基体组织中的珠光体量逐渐减少,铁素体量逐渐增多,是造成组织和力学性能变化的主要原因。

针对C-HRA-3耐热合金在700和750 ℃时效后的试样研究了γ′相形貌、尺寸随时效温度和时间变化规律,推导γ′相长大动力学,并尝试预测10⁵ h时γ′相尺寸。结果表明:C-HRA-3合金在700 ℃长时时效11 023 h后,γ′相呈球形均匀分布,750 ℃长时时效11 023 h后,γ′相尺寸增大,形状由球形到部分呈近似球形。随时效时间和温度增加,γ′相尺寸逐渐增大,时效温度影响更显著。获得了C-HRA-3合金中γ′相在700和750 ℃时效后的长大动力学方程,计算γ′相长大有效激活能D_Eff为260 kJ/mol,预测γ′相700 ℃时效至10⁵ h时平均直径约140 nm,750 ℃时效至10⁵ h时平均直径约230 nm。

利用扫描电子显微镜(SEM)系统地研究了不同球化退火保温时间,Fe-Mo-Cr-C合金钢中碳化物在数量、尺寸、成分上的区别。结果表明退火时间较长的试样硬度偏高的原因是在奥氏体化过程中溶解更多的共晶碳化物,而在冷却过程中析出数量更多、尺寸更小的M₆C(Fe₃Mo₃C)型二次碳化物。第一性原理计算表明,在退火状态Fe-Mo-Cr-C合金钢的碳化物中,Fe₃Mo₃C的综合性能最好,有利于提升钢的综合力学性能。高、低能级差异和Fe-d、Mo-d、C-d、C-p轨道杂化的差异是造成Fe₃Mo₃C在结构稳定性和力学性质上均优于同为M₆C型碳化物的Fe₂Mo₄C的原因。研究了球化退火过程中碳化物对钢力学性能的影响,可为其他模具钢材料在热处理工艺方面提供一定的理论基础。

通过光学显微镜、场发射扫描显微镜和力学性能测试,研究了固溶温度对一种高γ′相含量镍基高温合金显微组织及拉伸、持久和高周疲劳性能的影响。结果表明:热轧变形组织在固溶过程中发生完全静态再结晶,再结晶晶粒在1 120和1 130 ℃时保持均匀细晶,在1 150和1 190 ℃时发生明显粗化且均匀性较差。随固溶温度升高,晶界一次γ′相含量逐渐降低,二次γ′相数量增加和尺寸降低,直至超过γ′相全溶温度(约1 137.3 ℃)。晶粒尺寸和晶内γ′相含量和分布共同决定合金的力学性能。室温和850 ℃拉伸强度随固溶温度升高先增大后减小,细晶组织的室温拉伸塑性较高,粗晶组织的850 ℃拉伸塑性稍微好。850 ℃/350 MPa持久寿命受固溶温度的影响,再结晶晶粒越粗大,持久寿命越长,持久塑性越高。850 ℃高周疲劳寿命随固溶温度升高先缓慢增加后下降,经1 130 ℃固溶的热处理组织具有较高的高周疲劳寿命。

随着不锈钢产业的发展,大量的不锈钢尘泥亟需处理。不锈钢尘泥中含有K、Na、Pb、Zn、S等有害元素,资源化利用并返回主流程使用时会产生不利影响,若能结合不锈钢尘泥预还原球团制备过程进行有害元素的高效脱除,实现闭环过程有害元素的减量,对不锈钢尘泥资源化具有重要意义。借鉴煤基直接还原工艺,研究了不锈钢尘泥球团预热氧化焙烧-煤基预还原过程有害元素的脱除行为,并优化其脱除工艺参数。在C/Fe质量比2,还原温度1 250 ℃,还原80 min的最佳预还原条件下,有害元素K、Na、Pb、Zn、S的脱除率分别达到95.47%、55.14%、98.13%、94.27%和65.57%,所得预还原球团抗压强度555 N/个,金属化率86.48%,可作为不锈钢电炉冶炼的炉料,实现资源化处理不锈钢尘泥。