2021年, 第31卷, 第5期　刊出日期：2021-05-15

  

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技术综述
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  现代炼铁工艺及低碳发展方向分析

  王新东, 郝良元

  中国冶金. 2021, 31(5): 1-5.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20210093

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  分析了现代高炉炼铁和非高炉炼铁(直接还原、熔融还原)工艺特点和发展现状,从多个方面比较现有生产条件下各工艺的优缺点。从能源结构、生产规模及工艺成熟度阐述高炉炼铁在当前仍是国内主流工艺,并结合当前国内外低碳发展趋势和政策要求,提出高炉工艺降低碳耗的措施,明确了以“短流程”替代“长流程”和以新能源替代碳素冶金的发展方向,以最终实现“零碳炼铁”。结合现有的国际上的能源结构调整方向,指出了氢冶金的发展方向。
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  钢锭铸造过程中宏观偏析的研究进展

  俞占扬, 张慧, 干勇, 王明林, 王学兵

  中国冶金. 2021, 31(5): 6-11.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20200536

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  宏观偏析现象普遍存在于铸造合金凝固过程中,直接影响材料的使用性能。近几十年来,研究工作者们对铸造过程中合金元素的宏观偏析进行了预测和控制研究,其目的是使钢锭中溶质元素的分布尽可能均匀。阐述了钢锭宏观偏析分布形式、形成机理和影响因素,详细地总结了宏观偏析数学模型的发展,介绍了钢锭宏观偏析的控制措施。最后,对铸锭宏观偏析数学模型开发和控制提出了新的发展方向。
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  锂电池极片轧制技术研究进展

  孙静娜, 向文杰, 黄华贵, 苑振革, 李金蕊

  中国冶金. 2021, 31(5): 12-18.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20200550

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  动力锂离子电池作为新能源汽车的“心脏”,其核心部件——正负极片的轧制厚度一致性、压实密度及剥离强度等指标直接决定着锂电池关键性能及安全性。针对锂电池极片轧制工艺技术及装备,介绍了近年来国内外学者在极片新型轧制工艺、轧制后极片微结构及性能、轧制过程工艺模型及极片轧制设备等方面的研究现状及研究成果,并结合未来锂电池行业需求及极片制备行业发展现状,对极片轧制工艺研究及装备工艺智能化升级方向进行了展望。
专题研究
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  高炉富氧喷吹还原性气体工艺分析

  王瀚, 王静松, 彭星

  中国冶金. 2021, 31(5): 19-25.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20200533

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  为降低高炉炼铁中固体碳耗、高效利用冶金高温副产煤气,提出高炉富氧喷吹还原性气体工艺流程,建立基于物料平衡与热平衡的高炉数学模型,并修正了理论燃烧温度计算公式。应用该模型分别对传统高炉、炉缸富氧喷吹还原性气体以及炉身喷吹循环煤气的炼铁流程进行技术参数分析。结果表明,炉缸富氧喷吹还原性气体以及炉身喷吹循环煤气的炼铁流程中,当氧气浓度达到50%、炉缸还原性气体喷吹量为267 m³/t时,焦比为291 kg/t,煤比为150 kg/t,直接还原度为0.195,相比传统高炉,燃料比降低109 kg/t,综合能耗降低4.8%。还原性气体温度每升高100 ℃,可多喷吹5.8 m³左右的还原性气体,降低焦比约5.5 kg/t;还原性气体喷吹量对理论燃烧温度影响较大,炉缸每喷吹1 m³/t、1 000 ℃的还原性气体,理论燃烧温度可降低约1.9 ℃。
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  高硅Fe-Si-Ni熔体还原脱磷反应动力学

  储少军, 陈佩仙, 韩培伟, 路明莹

  中国冶金. 2021, 31(5): 26-31.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20200534

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  基于电硅热法生产300系列不锈钢镍、铬铁合金基料工艺开发,着重研究高硅Fe-Si-Ni熔体的还原脱磷问题。试验证明,Fe-Si-Ni熔体的脱磷率主要取决于熔体中的硅含量,固态脱磷渣的物相结构检测表明,磷元素在渣中的存在形式不仅有Ca₃P₂简单组分,还存在Ca₄SiP₄和Ca_10+xSi_12-2xP₁₆等复杂组分。提出了Fe-Si-Ni熔体还原脱磷过程发生“回磷”现象的反应机理,根据试验数据给出了10 kg感应炉的脱磷宏观反应动力学公式通式为dw([P])/dt = -Aw([P]) + Bt(A、B为经验常数)。对于沉淀脱磷(SiCa合金作为脱磷剂,CaO-CaF₂为吸附渣),其宏观反应动力学公式为[%P] = 0.101e^-0.101t+1.06×10^-4t2-0.0301([%P]表示合金中磷的质量分数w([P])乘以100,t表示脱磷时间)。对于界面脱磷(CaO_(饱和)-CaF₂为脱磷渣),其宏观反应动力学公式为[%P] = 0.113e^-0.113t+ 7.76×10^-5t2+ 0.001 43。
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  镍基高温合金中非金属夹杂物成分和特征控制

  王林珠, 李翔, 刘录凯, 杨树峰, 李军旗

  中国冶金. 2021, 31(5): 32-38.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20200582

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  通过扫描电镜和能谱仪等设备,检测分析镍基高温合金中铝和钛含量对夹杂物的成分、形貌、尺寸、数量、夹杂物间的界面间距和面分布等参数的影响。通过经典热力学计算方法、FactSage软件,计算和分析冶炼过程中夹杂物的生成和演变。结果表明,镍基高温合金中夹杂物主要成分为Al₂O₃、Ti_xO_y、TiN,经典热力学计算和FactSage软件计算结果与夹杂物成分检测结果基本吻合。冶炼后期,高铝钛镍基合金、低铝钛镍基合金中夹杂物尺寸相差不多,但是高铝钛镍基合金中夹杂物数量明显较少,夹杂物界面间距较大,夹杂分布更加均匀。通过经典形核理论计算得出,高铝钛镍基合金中夹杂物形核半径是低铝钛镍基合金的3倍,在结合氧相同的情况下,增加合金中铝钛添加量,有利于减少夹杂物的形核数量,从而增加夹杂物的界面间距,减少夹杂物间的碰撞,减弱夹杂物间吸引,减少夹杂物间的聚集。
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  G102Cr18Mo不锈轴承钢VIM-VAR冶炼过程夹杂物的演变

  徐涛, 马红军, 吴振忠, 舒美良, 常立忠

  中国冶金. 2021, 31(5): 39-46.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20200543

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  通过真空感应冶炼、真空自耗重熔,制备了G102Cr18Mo不锈轴承钢锭,利用Aspex扫描电镜分析了夹杂物数量、尺寸、面积的变化规律,并采用SEM-EDS进一步观察夹杂物的元素分布。研究结果发现,不论是真空感应还是自耗重熔,夹杂物的组成变化不大,主要由硫化锰、铝酸钙、Al-Ca-Mn-(Ti)-O-S复合夹杂物3类夹杂物组成,其中Al-Ca-Mn-(Ti)-O-S夹杂物数量最多、直径(面积)最大。但是,与真空感应锭相比,经过真空自耗重熔以后,夹杂物的总数量降低55%以上,且不存在大于15 μm以上的夹杂。与真空自耗锭下部相比,其上部的夹杂物数量进一步降低,且最大夹杂物的直径不大于10 μm。大颗粒夹杂物生产的主要原因是凝固过程硫化物以钢液中残留铝酸钙夹杂物为形核核心,在其表面进一步富集、长大。因此,为了降低钢中的大颗粒夹杂,尽可能减少钢液中的铝酸钙类夹杂,以降低夹杂物形核核心的数量;同时尽量降低原料中的硫含量,以避铝酸钙和硫化锰的结合。
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  基于改进遗传算法的热轧批量计划优化模型

  幸火林, 徐安军, 吴双平, 宋伟

  中国冶金. 2021, 31(5): 47-53.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20200562

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  针对钢铁企业的热轧批量计划编制问题,考虑了热轧生产工艺规程、同宽板坯连轧长度限制等约束,建立基于不确定旅行商数的多旅行商问题(MTSP)的热轧批量计划数学模型,把轧制单元计划数最小化和紧邻轧制板坯间轧制宽度、厚度、硬度差异而造成的总惩罚值最小化作为优化目标。结合模型的实际情况,采用基于两交换启发式的改进遗传算法对问题进行求解。最后,利用某钢厂的实际生产数据进行计算试验,同时对结合传统遗传算法和改进遗传算法的优化情况进行对比和结果分析,模型的正确性和算法的有效性得到了验证。
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  析出相的微区电位差对搪瓷用钢板贮氢能力的影响

  赵曼羚, 徐春, 曹红, 杨铭

  中国冶金. 2021, 31(5): 54-59.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20200575

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  为了探究TiN、Ti(C,N)、MnS等析出相的微区电位差与搪瓷用钢抗鳞爆性能的关系,选取3种不同成分的搪瓷用钢板,利用扫描电镜、透射电镜、原子力显微镜及电化学氢渗透试验,研究了3种钢板的析出相电位差和抗鳞爆性能。研究发现,搪瓷用钢板中不同种类析出相电位差存在差异,随着不可逆陷阱析出相微区电位的增加,钢板的有效扩散系数减小,抗鳞爆能力增强。其中,含有MnS析出相的微区电位差最大,具有最好的贮氢能力;Ti的碳氮化合物析出相的电位差较小,贮氢能力相对较弱。
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  S390级转向架用耐候钢的高温塑性

  南涛, 陈雨来, 程知松, 余伟

  中国冶金. 2021, 31(5): 60-65.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20200527

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  利用Gleeble 3500热模拟试验机对S390转向架用耐候钢的高温塑性进行测定。通过金相显微镜、扫描电镜及能谱仪对断口组织、断口形貌和析出物进行观察和分析。利用热膨胀仪测定S390耐候钢的临界相变温度,通过Thermal-Calc软件计算微合金元素的热力学析出温度。结果表明,在1 250~650 ℃范围内,存在3个区间,第Ⅰ脆性区在1 220 ℃以上,断裂形式是由S、O等元素偏析引起的沿晶断裂;第Ⅲ脆性区为980~650 ℃,断裂形式是由析出物钉扎晶界及先共析铁素体析出引起的沿晶断裂;在1 220~980 ℃第Ⅱ脆性区内,由于动态再结晶的发生,不出现脆性区,断裂形式为穿晶塑性断裂。实际生产过程中可避开脆性区间,以减轻S390耐候钢的裂纹倾向。
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  A356铸造铝合金轮毂组织与性能分析

  毛建辉, 张玉贤, 姜路文, 曲攀

  中国冶金. 2021, 31(5): 66-71.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20200655

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  分析了A356合金和经T6热处理的A356-T6合金的组织与性能,结果表明,A356-T6合金的整体抗拉强度几乎不受固溶时间的影响,且其屈服强度和抗拉强度显著提高,但随着固溶时间的增加,其伸长率逐渐降低。随着热处理时效从4增加至48 h,A356-T6合金的屈服强度增加了约183.25%,抗拉强度增加了约71%。通过对铸态A356轮毂的弯曲力矩耐久性试验,由SEM分析结果可知,疲劳裂纹存在区域有组织不均匀的现象,判断此部位造型设计与冷却系统设计不良,导致此区域形成热点成为最后凝固区,造成该区域的共晶Al-Si相堆积及粗化共晶Si存在。因此,改善铸态组织不均与微缩孔形成以及降低铁基金属间化合物,有助于改善A356合金的组织与力学性能。
有色冶金
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  原位硫酸焙烧浸出低品位软锰矿及元素分离

  滕飞, 罗绍华, 康雪, 翟玉春, 梁金生, 段昕辉

  中国冶金. 2021, 31(5): 72-77.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20200557

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  研究了一种低品位软锰矿焙烧-水浸提锰的新方法。以锰和铁的提取率为指标,通过正交试验,确定了焙烧工艺的最合适条件为酸矿比2∶1,焙烧温度650 ℃,水酸比0.2∶1,焙烧时间4 h。进一步研究溶出温度、溶出时间、溶出液固比等因素对锰、铁提取率的影响,确定了溶出试验的最合适条件为搅拌速度300 r/min,溶出温度90 ℃,溶出时间50 min,溶出液固比6∶1,此条件下锰的提取率可达98.16%,铁的提取率约为0.87%,实现了低品位软锰矿中锰元素的高效提取以及锰与铁、硅元素的有效分离。
生产技术
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  全湿焦冶炼对于大型高炉生产的影响

  李熠, 李向伟, 万利德

  中国冶金. 2021, 31(5): 78-82.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20200572

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  受7.63 m干熄焦炉检修的影响,八高炉被迫由全干焦冶炼调整为全湿焦冶炼50天。重点分析了全湿焦冶炼期间对于高炉风量、煤气利用、消耗等的影响,高炉始终坚持以风为纲,增加中心布焦量,在保持中心气流畅通稳定的前提下调整边缘和中心两股气流的动态平衡,风量较干焦冶炼损失300~400 m³/min,日均铁水产量损失500 t/d,但燃料比仍稳定在510.9 kg/t,整体炉况稳定顺行,各项指标稳定,为大型高炉湿焦冶炼提供了重要的参考借鉴意义。
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  王家岭瘦焦煤在宣钢配煤生产中的应用

  刘颖义

  中国冶金. 2021, 31(5): 83-85.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20200571

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  为积极应对炼焦煤资源供应趋紧、质量下滑和价格波动等多变因素影响,河钢宣钢公司优化炼焦煤资源、配煤结构,深入市场探寻炼焦煤新资源,以小焦炉试验和煤岩分析为技术支撑,研究新资源的质量性能和各炼焦煤种的配入比例,开展配加王家岭瘦焦煤的多种配煤优选方案,在保证焦炭强度不降低的基础上,瘦煤配比提高至14%。通过对配合煤硫分和黏结指数的测算,扩大了炼焦煤资源,用普通焦煤代替部分高价低硫柳林类焦煤,降低了公司的配煤成本。
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  承钢高炉炼铁原燃料数据库的设计与构建

  杨世峰, 裴未迟, 刘小杰, 李红玮, 李欣, 吕庆

  中国冶金. 2021, 31(5): 86-91.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20200544

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  针对目前承钢原燃料信息管理存在生产数据分布散乱、数据记录不完全、数据存储方式落后等问题,结合实际生产过程,全面收集有关高炉原燃料数据,对数据进行整理分类记录,采用新奥尔良(New Orleans)数据库设计方法,将原燃料数据以数据表的形式存储在炼铁原燃料数据库中。炼铁原燃料数据库的建立提高了信息管理效率,实现了数据的整合和共享,使得海量高炉原燃料数据得到了有效整理和利用,为提高生产管理的效率创造了条件。
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  Nb对C38+N2非调质钢组织和力学性能的影响

  余大江, 高加强, 赵四新

  中国冶金. 2021, 31(5): 92-97.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20200528

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  针对曲轴用新型铁素体+珠光体型非调质钢C38+N2锻件组织中铁素体含量往往难以达到用户要求的问题,研究了微量Nb元素(质量分数为0.022%)对其锻造后组织和力学性能的影响规律。结果表明,C38+N2钢中添加微量Nb能够细化晶粒和锻后组织,显著地提高组织中的铁素体含量,模拟曲轴锻造后组织中的铁素体体积分数可达到20%,较未加Nb钢提高了一倍。钢中添加微量Nb后,锻件的强度基本未变或略有提高,但塑韧性得到提高。两种不同锻造工艺的试验结果表明,添加微量Nb元素后的锻造组织受锻造工艺和锻后冷却速度影响的程度较小,可在较宽的工艺窗口下获得满足用户要求的组织和性能。
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  Mn18Cr18N高氮奥氏体不锈钢的冶炼工艺

  曹呈祥, 崔怀周, 梁强, 吴林, 宁小智

  中国冶金. 2021, 31(5): 98-103.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20200520

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  为了研究Mn18Cr18N高氮奥氏体不锈钢的冶炼工艺,采用加压感应炉+保护气氛电渣重熔工艺进行Mn18Cr18N高氮奥氏体不锈钢的冶炼工艺试验,冶炼过程中采用氮化合金与加压氮气渗入相结合的方法增氮。结果表明,随着氮气分压的增加,钢中氮质量分数随之增大;当冶炼过程中氮气分压提高0.03 MPa时,能够成功抑制皮下气泡的生产;试验钢经保护气氛电渣重熔后,钢中夹杂物会普遍降低,主要为细小的方形TiN夹杂。
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  基于多传感器融合的钢包裸浇检测

  姚煜, 刘漫贤, 张兆杰, 丁丁, 王林浩, 刘洋

  中国冶金. 2021, 31(5): 104-110.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20200522

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  钢包浇注时,其保护套管容易发生断裂和脱落,造成钢水大范围的飞溅,严重影响到钢坯的生产质量。为了有效监控钢包浇注状态,研究了基于红外测温的钢包浇注状态检测方法。通过试验验证钢包正常浇注状态和裸浇状态有较大的温度差异,可通过设置温度阈值实现钢包浇注状态的有效分类。同时,研究了基于深度学习的钢包浇注状态分类方法,通过中值滤波和平均灰度级-梯度二维Otsu分割方法对钢包浇注图像进行预处理,再基于YOLO v3改进的目标检测算法完成了模型的训练。试验结果表明,该方法预测的钢包裸浇准确率为99.2%,具有更好的泛化性能。基于以上研究,开发了一套钢包裸浇检测设备,实现了浇注状态的准确报警,具备良好的现场应用效果。
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  Al₂O₃夹杂在DC06钢中的分布及对深冲性能的影响

  徐国军, 胡华东, 田川, 梁亚, 陈传磊, 潘振华

  中国冶金. 2021, 31(5): 111-117.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20200523

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  连退DC06钢板表面发现线链状及翘皮缺陷,初步判断是非金属夹杂物经轧制后破碎造成。通过扫描电镜(SEM)观察两种缺陷处夹杂物的微观形貌,线链状缺陷处夹杂物多为不规则的块状,翘皮处夹杂物多为颗粒状。经统计发现两种缺陷处夹杂物尺寸(d)均较小,为显微夹杂物,1.5 μm≤d≤6.2 μm。通过能谱检测分析两种缺陷处夹杂物的成分,确定夹杂物类型为非金属夹杂物Al₂O₃。通过模拟微冲压试验可知,此尺寸级别的Al₂O₃夹杂造成的线链状缺陷对连退DC06钢板的冲压性能无明显影响。翘皮缺陷已对钢板外观造成很大影响,故不再考察其对冲压性能的影响。
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  超低粗糙度高强滑轨钢生产研究与实践

  李显, 周明科, 郭宏海, 何精斌, 蒙曰睿

  中国冶金. 2021, 31(5): 118-122.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20200549

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  冷连轧超低粗糙度高强滑轨钢生产难度较大,其中又以粗糙度、板形、表面质量等问题的控制尤为突出。通过冷连轧后段机架工作辊粗糙度的调整,配合原料厚度、轧制速度的优化可有助于获得高强滑轨钢低且窄幅波动的粗糙度。通过将前段冷连轧打滑机架工作辊变为毛化辊、将平整的控制方式改为恒轧制力等手段可有效杜绝打滑现象,改善板形。通过酸洗后、冷轧后带钢表面清洁度控制,脱脂处理,退火工艺优化等手段可有效提高板面反射率,使带钢基本达到镜面效果。
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  立式退火炉带钢运行稳定性控制

  马晓宁, 祖艳萍, 任伟超, 闫洪伟, 常生财

  中国冶金. 2021, 31(5): 123-126.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20200538

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  带钢瓢曲是影响带钢炉内稳定运行的主要因素,为防止带钢在炉内发生瓢曲,提高带钢炉内运行稳定性,提出优化炉区张力设定方法,同时增加原料带钢易瓢曲等级判定以及产线降速过程中炉区最低运行速度功能,为预防带钢瓢曲提供可靠数据依据,旨在减少带钢炉内瓢曲,避免由于带钢瓢曲造成炉内断带。实际应用效果表明,提出的炉区张力优化、带钢易瓢曲等级判定及炉区最低运行速度功能能够满足现场实际应用需求,可有效提高带钢炉内运行稳定性。
节能环保
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  高炉渣作为气淬喷吹原料的可行性分析

  康月, 刘超, 张玉柱

  中国冶金. 2021, 31(5): 127-131.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20200556

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  干式粒化法能够克服传统高炉渣处理方法水淬法带来的一系列问题,气淬喷吹法作为一种有前途的干式处理方法在显著回收高炉渣显热的同时能够提高炉渣利用附加值。为了研究高炉渣作为气淬喷吹原料的可行性,通过对高炉渣进行不同碱度的调质,研究高炉渣的流动性、表面张力和结晶行为,并分析熔渣物理特性对粒化效果的影响。结果表明,高温下碱性渣的黏度要小于酸性渣,而且当碱度大于1.0后,高温区黏度值基本保持在1 Pa·s以下不易成纤区间,这更有利于熔渣破碎成珠,但超过1.3后,黏度有增加趋势,同时熔化性温度急剧增加,所以碱度不易过大;高炉渣表面张力随碱度的增加逐渐增加,有利于提高渣珠规则度;玻璃体随碱度的增加逐渐减少,不利于提升渣珠的物相品质。
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  顶燃式热风炉周期性工作的数值模拟

  赵臣臣, 陈良玉

  中国冶金. 2021, 31(5): 132-137.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20200540

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  提高高炉热风炉热风温度对于降低能耗、实现经济绿色发展具有重要意义。以某2 500 m³高炉热风炉为原型,建立了顶燃式热风炉的三维数学模型。采用Fluent软件对热风炉在“两烧一送”工况下烧炉和送风的过程进行多次连续性仿真模拟。选用可实现的k-ε湍流模型、P-1辐射模型和涡流耗散模型分别应用于模拟流体的流动、辐射传热以及化学燃烧。在此基础上,进一步分析了混烧不同比例的焦炉煤气对热风炉内部温度场和热风温度的影响。模拟结果表明,在这两个工作过程中,热风炉蓄热室内部温度相差200 ℃,这是冷风在蓄热室中所吸收的热量;混烧1%和2%焦炉煤气均可以提高热风平均温度20 ℃。
冶金科技英才
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  赵晋斌

  赵晋斌

  中国冶金. 2021, 31(5): 138-138.

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冶金科学技术奖
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  汽车用热冲压材料与零件关键技术与产业化应用项目

  中国冶金. 2021, 31(5): 139-139.

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  特殊高合金钢品种冶炼及连铸关键技术开发与应用

  中国冶金. 2021, 31(5): 140-140.

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