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湿法炼锌系统为锌冶炼主流工艺, 生产过程中形成的含钴上清液和钴渣蕴含可观资源, 高效回收利用可推动固废资源化, 缓解中国钴资源短缺。首先, 深入分析了硫酸锌浸出液除钴工艺的研究进展, 全面对比了锌粉置换法(包括砷盐与锑盐活化)、有机试剂除钴法和氧化还原除钴法在除钴原理、效率、经济性与安全环保方面的不同; 其次, 系统梳理了净化钴渣先浸出后多金属离子分离的流程, 综述了不同浸出方法(选择性浸出法、酸浸法、碱浸法与联合浸出法)、不同分离方法(氧化沉淀法、化学沉淀法、溶剂萃取法、离子交换法与膜电解法)的技术优势与不足之处; 最后, 结合宝徽集团湿法炼锌厂的钴回收工艺流程, 揭示钴在氧化焙烧、酸浸、三段净化与钴渣处理全流程中的迁移与转化行为。湿法炼锌工厂宜根据冶炼技术、生产成本和节能环保等方面设计合适的工艺路线, 优化浸出-沉淀工艺参数, 开发新型除钴剂, 建立钴锌联产体系, 在保障电解锌质量前提下提升钴回收经济效益。
大型复合轧辊在极端轧制工况下面临因表面磨损严重引发的服役失效问题。采用增材制造(AM)技术实现复合轧辊再制造可有效重构几何尺寸与定制梯度性能, 但是增材修复层内部微米级微孔缺陷在交变载荷作用下易成为疲劳裂纹源, 成为制约再制造复合轧辊服役安全的关键瓶颈。提出一种大型复合轧辊增材微铸轧工艺, 采用增材制造工艺制备Cr5钢; 基于Gleeble-3800热模拟试验机, 在800~1 200 ℃温度范围和0.01~10 s-1应变速率下开展热压缩试验, 建立高温流变本构模型; 利用扫描电镜(SEM)、电子反向散射衍射(EBSD)、维氏硬度测试等研究热变形温度与应变速率对组织性能的协同调控作用, 证明热塑性变形能够强化组织性能; 建立了增材制造微铸轧工艺载荷预测模型, 为微铸轧工艺介入位置和设备设计提供理论指导。研究结果为大型复合轧辊增材微铸轧工艺中的细晶调控与缺陷抑制提供了理论依据, 对推动高性能复合轧辊再制造、实现资源循环再利用具有重要工程意义。
以V单一合金化和Cu-V双合金化的锰合金钢为研究对象, 对比2种锰钢在低温回火和时效处理前后的力学性能变化。研究发现, 2种钢淬火后经100~175 ℃回火后, 屈服强度因淬火残余应力的释放而提高, 并趋于稳定; 550 ℃时效后Cu-V钢中析出的VC颗粒尺寸大于V钢, 但数量密度更低, 推测是因为富Cu相和VC粒子均在位错、晶界等形核位点独立析出。因此, Cu-V钢中VC在更少的位点上形核, 然后长大至更大尺寸。基于2种钢时效后实测的屈服强度增量及时效前后的变化值(残余应力、位错强化、固溶强化、晶粒细化强化等), 定量估算出V钢和Cu-V钢的实际时效析出强化值。研究结果表明, Cu-V钢的Cu、VC双析出强化显著高于V钢的VC单一强化贡献, 且后者双析出强化的叠加符合均方根叠加模型。这是由于2种粒子尺寸相近且均以绕过机制强化, 而经典Ashby位错绕过强化理论认为此时可将两者简化为同一种粒子的析出强化。
GCr15轴承钢中碳、铬等元素含量较高, 凝固过程极易形成大尺寸的液析碳化物, 直接影响轴承钢的使用性能。为了改善GCr15轴承钢中的液析碳化物, 本研究通过向钢中复合添加Mg-Ce处理, 探究Mg-Ce复合添加对液析碳化物的影响规律与细化机理。研究结果表明, GCr15轴承钢复合添加Mg-Ce处理后, 液析碳化物的细化效果显著, 当钢中含质量分数为0.001%Mg和0.027%Ce时, 其液析碳化物的面积占比和最大尺寸均为最低, 与未添加Mg、Ce的试样相比, 分别减小了4.18个百分点和17.21 μm; 液析碳化物的改善促使了GCr15轴承钢力学性能的提升, 含有0.001%Mg和0.027%Ce试样的硬度和抗拉强度均为最高, 相对于未添加Mg、Ce的试样, 其硬度和抗拉强度分别增大了8.9%和33.5 MPa。GCr15轴承钢中液析碳化物一般依附大尺寸、不规则的MnS夹杂物析出, 而添加Mg-Ce协同处理后, MnS夹杂物被改性为尺寸较小、具有规则形貌的双层结复合夹杂物, 为液析碳化物的析出提供了有效的形核位置, 从而促进了液析碳化物的细化。
残余奥氏体作为轴承钢中重要的亚稳相, 对轴承钢的耐磨性有重要影响, 然而当前缺乏相关的定量研究。以GCr15轴承钢为研究对象, 通过调整深冷处理和回火参数获得不同残余奥氏体体积分数和碳质量分数的试样, 对2组试样进行干滑动摩擦磨损性能测试。结果表明, 当残余奥氏体碳质量分数不变时(1.0%), 随着残余奥氏体体积分数增加, 试样耐磨性先下降后上升, 耐磨性下降是由于摩擦过程中残余奥氏体转变量逐渐增多, 引起局部应力集中, 表面微裂纹扩展; 而当残余奥氏体体积分数由7.3%增加至13.8%时, 其耐磨性的提升是由于摩擦过程中新生马氏体进一步增加, 残余奥氏体转变引起硬度大幅提升, 此时硬度强化占主导。当残余奥氏体体积分数(5.0%)不变时, 随着残余奥氏体碳质量分数由0.96%增加至1.28%, 残余奥氏体的稳定性提高, 更稳定的残余奥氏体能够在摩擦磨损过程中更好地抵抗冲击, 进而减少摩擦过程中的剥落, 提升轴承钢耐磨性。研究结果可为高耐磨轴承钢热处理工艺开发提供理论依据。
传统淬火+低温回火工艺制备的马氏体组织GCr15轴承钢通常可获得不低于2.0 GPa的超高强度, 但其韧性往往受到限制(通常KW2≤100 J); 强韧性失衡主要源于马氏体组织中高密度位错和碳化物的脆性特征。通过含Si-Al系纳米贝氏体钢的合金设计理念启发, 本研究在传统GCr15轴承钢成分体系基础上添加质量分数为1.5%的Si和1.0%的Al; 在稍高于马氏体开始转变温度(Ms)的250 ℃区间进行低温贝氏体等温转变, 成功开发出2.0 GPa级强度和显著改善韧性(KU2为22.3 J, KW2为286 J)的纳米贝氏体轴承钢, 且相变时间适当(等温时间为12 h)。与常规低温贝氏体相变的GCr15钢显微组织(下贝氏体、马氏体及少量残留奥氏体、碳化物的复相)相比, GCr15-1.5Si&1.0Al钢转变为纳米贝氏体铁素体和残留奥氏体双相组织。其超高强度源于Si-Al复合添加完全抑制了碳化物析出, 形成无碳化物贝氏体组织, 以及显著细化的晶粒尺寸, 其中贝氏体铁素体板条宽度仅为(62±30)nm。而优异的冲击韧性则归因于高体积分数(29.4%)和高碳质量分数(2.05%)的残余奥氏体, 以及完全无碳化物的纳米贝氏体铁素体交错平行排列的组织特征, 能有效阻碍裂纹的萌生和扩展。
GCr15轴承钢性能要求极高, 而钢中难以避免的TiN夹杂物对钢液洁净度及材料性能影响显著。为此, 本研究基于高温试验, 通过扫描电镜、夹杂物自动分析、元素成分分析以及理论计算聚焦碲(Te)处理对GCr15轴承钢中TiN析出特性并对其析出模型进行构建。试验研究表明, 碲的添加显著降低了TiN夹杂物的尺寸并使其弥散分布, 具体表现为含碲钢中TiN夹杂物分布均匀, 统计平均尺寸由2.645 μm降至1.980 μm, 尺寸集中在0~2 μm。通过建立活度相互作用系数预测模型, 计算得出碲对钛的活度相互作用系数为0.007 2, 该值表明碲的加入会提升钛在钢液中的活度, 增加TiN夹杂物形核概率; 同时, 理论分析揭示, 碲作为表面活性元素, 在固-液界面上具有较高表面活性, 降低了TiN夹杂物的形核能垒从而促进其形核。基于此, 本研究构建了含碲钢中TiN夹杂物的理论析出模型, 详细分析TiN的析出行为。模型计算显示, 碲元素的添加可有效延缓TiN的析出, 使其析出温度从1 674.02 K降至1 664.58 K, 从而在钢液凝固后期形成更多小尺寸TiN夹杂物。本研究从动力学和热力学角度阐明了碲含量对TiN析出特性的影响, 同时也为GCr15轴承钢中TiN夹杂物的处理提供了新的理论依据和应用参考。
随着废钢资源的规模化利用, 残余元素在钢中的富集效应对钢材组织性能产生严重的影响。聚焦废钢中典型残余元素Sn引起的晶界脆化和热塑性恶化问题, 以单相奥氏体Fe-36Ni因瓦合金为研究对象, 研究稀土Ce微合金化对含Sn合金热塑性的影响。试验结果表明, 添加0.015%Sn(质量分数)后, 0Ce-Sn合金在温度低于1 150 ℃时热塑性较差, 其原因是晶界Sn-Ni夹杂物的存在; 温度不低于1 150 ℃时, 合金热塑性明显改善, 动态再结晶的发生是其热塑性改善的主要原因。热塑性改善归因于晶粒细化和夹杂物有益转变的综合作用。复合添加0.002 3%Ce-0.015%Sn(质量分数)后, 23Ce-Sn因瓦合金在1 050~1 150 ℃呈现优异的热塑性; Ce添加不仅通过增加凝固形核位点细化组织, 更促使Sn-Ni与Al2O3夹杂物向晶内Ce2O2S与Ce-Sn-Ni复合夹杂物转变。通过构建夹杂物演变模型与热塑性改善机理模型, 进一步阐明了稀土Ce通过调控含Sn因瓦合金组织改善其热塑性的机理。
为降低18MnD5钢探伤不合格率、提高产品的安全性和长期可靠性, 对某一批次产品进行探伤检测。首先分析确定缺陷类型, 然后通过全流程取样分析和热力学计算确定缺陷形成机理, 最后有针对性地提出工艺改进措施。结果表明, 探伤缺陷处存在富氧化铝系大尺寸夹杂物, 尺寸为20~200 μm。冶炼过程中, 转炉(LF)进站时夹杂物主要为氧化铝, LF出站时夹杂物部分演变为低熔点的CaO-MgO-Al2O3(-SiO2); 浇注阶段, 夹杂物逐渐演变为镁铝尖晶石等富氧化铝系夹杂物; 凝固过程中, 该类夹杂物进一步聚集、合并、长大, 最终导致产品探伤不合格。基于上述分析, 在满足钢中[Al]质量分数为0.01%的要求下, 通过将钢中[Ca]质量分数控制在0.003%~0.004%范围内, 可减少富氧化铝系夹杂物的形成, 从而降低产品探伤不合格率。
变厚度环在航空、航天、航海等领域有着广泛的应用前景, 然而传统的环轧方法难以生产变厚度环, 因此本文提出一种创新的基于辊缝控制的变厚度环轧制方法。该方法通过驱动芯辊往复运动来控制芯辊和驱动辊之间的辊缝, 进而实现环件周向的厚度变化。为实现变厚度轧制技术, 首先提出先轧制出目标环件所需厚度、再调整环件形状的工艺流程; 接着通过切片法深入研究轧制过程中芯辊的控制策略, 并据此提出了芯辊进给速度的计算方法; 在此基础上, 进一步建立轧制瞬时环件轮廓尺寸的方程, 并推导了导向辊运动方程; 最后采用数值模拟方法对芯辊和导向辊的控制策略进行验证, 以确保这些方法的有效性。数值模拟结果表明, 采用该方法轧制出的变厚度环具有较高的精度, 环件周向最薄和最厚位置的厚度比为0.8, 厚度变化符合预期趋势, 证明了提出的轧制工艺和轧辊控制方法的可行性, 其对变厚度环的制备工艺有借鉴意义。
烧结烟气中CO和NO的减排是近年来钢铁领域烟气治理的重要方向, 为此开展了烧结过程CO和NO协同控制机理研究。从热力学原理出发, 通过FactSage模拟和配气试验, 充分探究了烧结过程中CO和NO协同控制影响机理。结果表明, CO和NO协同控制效果随温度的升高而提升, 700 ℃时协同控制效果达到最佳, 此时CO的脱除率为80%, NO脱除率达到49%。超过700 ℃后, 虽然CO脱除效果继续提升, 但是由于CO不足, NO的控制效果开始下降。O2能够促进CO的脱除, 降低NO的脱除率。综合O2浓度、温度和CO浓度的影响, CO与NO的协同控制效果在700 ℃时最好。在此基础上, 结合烧结现场烟气循环工艺对CO和NO协同脱除进行了在线工业试验, 通过多元线性回归、逐步回归等方法, 结合燃料机理分析了烧结生产过程中不同因素对烟气CO和NO协同控制的影响, 获得了各个因素的作用机制。烧结生产过程中将含有高浓度CO和NO的烟气引到烧结矿高温区域, 能够实现CO和NO的协同控制。
烧结机头灰是典型的难处理高钾粉尘类固废, 富含钾盐和金属铁的氧化物等有价物质, 具有较高的回收利用价值。从烧结机头灰中提取高纯度钾盐是烧结机头灰高值化利用研究的难点。为此, 以包钢烧结机头灰为研究对象, 在单因素试验的基础上, 通过综合平衡法优化烧结机头灰脱除钾、钠的水浸工艺, 考察了固液比、水浸温度、搅拌时间3个因素对烧结机头灰钾、钠脱除效果的影响, 对比分析了循环水浸和单次水浸条件下钾、钠脱除率, 提出烧结灰水浸脱钾-滤液除杂-定量蒸发-降温结晶的KCl提纯方案, 实现液相定量蒸发-降温结晶提取高纯KCl。研究结果表明, 固液比对烧结机头灰钾、钠脱除率的影响效果最为显著; 在循环水浸固液比1∶1、浸出时间15 min、浸出温度30 ℃、搅拌速度100 r/min、循环4次、Na2CO3按与Ca2+物质的量之比按1∶1加入和结晶温度25 ℃的工艺条件下, 烧结机头灰中钾离子脱除率高达97.80%、钠离子脱除率可达92.75%, 得到的KCl结晶产物质量分数大于97%, 回收率大于70%。该技术有望提升高纯KCl生产效率, 有较好的应用前景, 为后续钢铁企业优化除尘灰处理工艺提供一定的理论指导。
卧式热回收焦炉炼焦产生的絮状物, 常导致干熄焦(CDQ)二次除尘器旋风子堵塞, 降低除尘效率和加剧循环风机磨损。当前主要采用定期停产、人工清理或改造优化二次除尘器和循环风机等措施来缓解这一问题, 效果有限且耗费大量的人力、物力。针对这一难题, 本研究利用X射线衍射(XRD)和扫描电镜-能谱(SEM-EDS)技术分析了絮状物的晶相结构和微观形貌。研究结果表明, 絮状物的微观形貌主要呈纤维状和块状, 其晶相主要由镁硅钙石(Ca3Mg(SiO4)2)、钙长石([JP2]Ca3Al2Si2O8)、红柱石(Al2SiO5)和铁橄榄石(Fe1.5SiO4)等高熔点(不低于1 200 ℃)[JP]矿物组成, 这些矿物灰化后转化为SiO2、Al2O3、Fe2O3等成熔点依旧很高的化合物。因此, 絮状物及其灰化产物均具有高熔点特性, 无法通过燃烧化学反应有效去除。综合表征结果表明, 配合煤中的碱金属硅(铝)酸盐在焦炭形成的高温环境下被碳还原, 生成钠、钾蒸气和SiO2, 随后在出焦或焦炭运输过程中, 温度下降后钠、钾蒸气被铁氧化物氧化, 并与SiO2结合生成新的碱金属硅(铝)酸盐(如钠辉石等), 进而与硅酸铝、SiO2、氧化铁以及钙镁硅酸盐等共同形成絮状物。基于上述研究, 提出了结合在线喷吹清理、半离线清理与离线清理的絮状物系统治理方法, 有效解决了絮状物堵塞二次除尘器的问题, 可为卧式热回收焦炉配套干熄焦装置中絮状物的清理研究提供理论依据和技术参考。
电炉精炼不锈钢粉尘与高炉除尘灰是钢铁行业典型二次固废, 两者均含有大量有价金属组元, 如铁、铬、镍等, 具有较高回收价值。转底炉处理工艺具有原料适应性强、操作流程简便等优点, 被广泛用于处理含铁固废。高炉除尘灰中含有大量碳, 在充当还原剂的同时还可降低外配焦煤的添加量。焦煤高温炭化过程可形成胶质体, 无需外配黏结剂即能达到转底炉用原料所需强度要求。文章对原料配比、成型温度、成型压力、成型保压时间对含碳热压块抗压强度的影响, 以及不同原料配比对含碳热压块的还原性能的影响进行了研究, 并获得了较优的工艺参数。试验结果表明, 电炉精炼不锈钢粉尘与高炉除尘灰制备含碳热压块的较优配比为70%∶30%, 焦煤外配比例为12.25%, 成型温度为200 ℃, 成型压力为30 MPa, 成型保压时间为3 min。在此条件下, 含碳热压块抗压强度达到732 N, 满足转底炉入炉强度要求; 在1 450 ℃的条件下, 还原30 min后得到还原产物可实现冷却粉化, 失重率达到43.9%, 金属铁、铬、镍的回收率分别为89.32%、88.81%、79.25%。该研究为含铁固废资源协同利用提供了理论基础和新的思路。
随着钢铁工业环保要求的日益严格, 铸余渣(LRS)难以继续作为商品渣外售, 成为企业绿色化转型的重要障碍。本文提出将铸余渣作为转炉(BOF)炼钢助熔剂的新型消解路径, 可部分替代石灰、白云石等造渣材料, 改善冶炼过程的资源消耗和渣系性能。首先对铸余渣的化学组成与物相结构进行分析, 明确其富含CaO和Al2O3, 主要矿相为低熔点的12CaO·7Al2O3和游离CaO, 结合高温热态试验, 验证铸余渣在转炉前期温度下可迅速熔化, 具备快速成渣能力; 进一步通过FactSage热力学计算, 系统分析Al2O3对炉渣熔点、液相区分布与黏度的调控机制, 明确Al2O3的质量分数约为5%时, 可显著提升炉渣熔融性和操作稳定性; 在此基础上, 依托马钢150 t转炉平台开展工业试验, 设置不同掺量与加料时机的工艺方案。结果表明, 掺量为10 kg/t、分两批加入方案的综合性能最优。相较对照组, 平均钢铁料消耗和平均辅料消耗分别降低6.34 kg/t和3.59 kg/t, 平均脱磷率提高0.031个百分点, 溢渣次数下降至0.11次/炉。稳定性分析显示, 合理的尾渣加入策略不仅能提升成渣效率与脱磷能力, 还能改善冶炼过程的一致性和可控性。明确了铸余渣在高温成渣过程中的反应机制与行为路径, 验证了其在转炉炼钢中稳定回用的可行性, 为钢铁企业实现固废资源化利用与冶炼工艺优化提供了理论依据与工程示范。
为缓解铜渣大量堆存、资源利用率低以及含铜特殊钢冶炼工艺流程冗长、合金元素利用率低等问题, 提出了铜渣和铬铁矿粉矿压团-预还原-熔分短流程制备铁铬铜特殊钢母液的创新思路, 系统研究了预还原温度、时间、配煤量及碱度对复合团块预还原行为的影响, 揭示了铜渣和铬铁矿复合团块的协同还原热力学行为及微观结构转变机制。研究表明, 在还原温度为1 050 ℃、还原时间为50 min、配煤量为10%及碱度为0.6的条件下, 预还原团块铁金属化率达55.82%;提高还原温度和配煤量可促进铁金属物还原; 适当提高碱度可促进团块的还原, 但是当碱度超过0.6时, 因生成难还原的钙铁橄榄石(CaFeSiO4), 团矿金属化率降低。XRD和SEM-EDS分析表明, 两矿预还原过程铜渣中铜矿物被还原为金属铜或与金属铁固溶形成铁铜合金, 而铬铁尖晶石因热力学稳定性较高难以被还原成金属铁。研究结果为铜渣和铬铁矿资源高效利用及含铜特殊钢绿色冶炼工艺开发提供了理论支撑。
高炉煤气作为高炉冶炼过程的重要参与者, 不仅直接参与矿石的还原反应, 还与节能减排密切相关。因此, 掌握高炉煤气分布状态并进行监测评估尤为重要。本文基于高炉生产数据, 利用数据分析、机器学习及Web技术等搭建了高炉煤气分布状态预警平台。首先, 对采集的生产数据进行预处理, 以保证数据的准确性, 提高模型精度; 然后, 根据专家经验和高炉生产特点, 初步筛选出12个可能对高炉煤气分布产生影响的生产参数, 并通过无监督灰色关联度(UGRA)对参数的冗余信息剔除后得到包含关键信息的5个参数; 其次, 利用多核主成分分析(MKPCA)对这5个参数进行特征提取得到了煤气状态综合表征指标, 并通过模糊C均值(FCM)聚类算法对该指标进行聚类分析, 结合实际生产数据对结果进行了校验分析; 进而通过构建新的Bayesian-SACNN-LSTM模型, 实现了对该指标提前1 h预测, 预测精度R2达到了92.5%;最后, 搭建了基于Web技术的煤气分布状态预警系统, 并结合统计过程控制(SPC)监测算法绘制了综合指标的控制图, 实现在看板上直观展示预警信息的功能, 可以有效辅助高炉操作人员掌握炉内煤气分布情况。
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