12月16日简报——先进冶炼、连铸工艺及装备技术

        2015年12月16日，先进冶炼、连铸工艺及装备技术方向在冶金馆313举行了年度汇报总结会，汇报总结会由方向首席朱苗勇教授主持。会上，共有21位学生汇报了各自在2015年度的科研工作进展及目标完成情况，主要取得的科研工作进展如下。

        1、彭娟

        本年度主要围绕真空感应炉的冶炼优势对真空感应炉冶炼超纯铁的工艺开展了研究工作。通过查阅文献了解冶炼工艺参数对真空感应炉冶炼超纯铁的影响，并设计了实验方案进行实验，通过分析实验数据，找到不足之处，通过改进，为下一步的实验提供依据。同时，开展了对真空感应炉底吹工艺、装备的研究工作，确定了影响底吹工艺的因素，通过实验可得到最优的冶炼工艺以此来提高脱氮效率，使钢的纯净度得到进一步的提高。

        2、王琦

        本年度主要围绕气相渗氮开展研究工作，主要研究课题为加压感应熔炼下氮元素的控制技术研究。具体内容有以下几点，首先在25kg加压感应炉气-渣-钢实验中，根据查阅的文献设计了高氮容渣系，随后进行了预熔渣的熔炼，而后制定冶炼实验步骤并进行了相关实验；其次是加压感应炉中的测温实验，确定了感应炉温度与功率的对应关系，对开展加压感应炉气-渣实验起到了先导作用；最后检验了所选渣系的渗氮效果，并探索了渣中氮含量的检测方法，包含凯氏定氮法和惰性气体熔炼法。

        3、彭辉

        本年度主要围绕3t底部侧阳极直流钢包炉流场数值模拟及工艺优化开展研究工作。通过对直流钢包炉精炼期间进入体系能量和体系损失能量的考察分析，推导出精炼过程钢水热平衡数学模型，得到供电制度与升温速率的关系式。通过推导钢包精炼吹氩搅拌功率公式，分析了影响吹氩搅拌功率的主要因素，建立了3t底部侧阳极直流钢包炉数学模型，初步确定了流场数值模拟的边界条件及计算方法，为后续探究直流钢包炉流场分布及底部侧导电方式对钢液流动的影响奠定了基础。

        4、柳政根

        本年度主要围绕高铁三水铝土矿高效清洁综合利用开展研究工作。研发了高铁三水铝土矿热压块-金属化还原-高效分选新技术，并提出催化还原-局部形核替代优化铁铝分离。当高铁铝土矿热压块外配2.0%Li₂CO₃、4.0%金属铁粉、配碳比1.00，还原温度1350℃、时间70 min时，铁、铝回收率分别为94.12%、90.16%，金属铁粉TFe 90.37%，富铝硅渣Al₂O₃含量56.28%，优于现有技术；FeAl₂O₄还原是高铁三水铝土矿碳热还原过程的限制性环节；基于热分析技术，得出高铁三水铝土矿非等温热分解反应符合Jander方程三维扩散模型。本研究形成了高铁三水铝土矿综合利用技术并完善了相关理论。

        5、陈双印

        本年度主要围绕钒钛磁铁矿有价组元高效分离及综合利用开展研究工作。研发了普通钒钛磁铁矿金属化还原-磁选分离-熔分新技术，获得了生铁块中铁、钒和选分尾矿中钛收得率分别为95.70%、72.21%和79.61%，实现了铁钒与钛的有效分离，优于传统高炉-转炉提钒流程；同时，阐明了碳热还原过程的相变历程及铁钒与钛有效分离的热力学条件：温度高于1160℃，配碳比不低于0.9；通过热分析技术，获得了碳热还原过程的最概然机理函数：f(α)=(1-α)[-ln(1-α)]^-3/4和碳热还原过程不同阶段的反应限制性环节。本研究完善了普通钒钛矿综合利用相关技术和理论。

        6、唐珏

        本年度主要围绕高铬型钒钛矿高效清洁综合利用开展研究工作。研发了高铬型钒钛矿氧化球团-气基竖炉直接还原-熔分新技术，得出焙烧条件为1300℃、20min，氧化固结分为氧化（<900℃）、再结晶-固结（至1100℃）、液相参加的细粒化作用和再结晶-固结（至1300℃）阶段；在1100℃、H₂/CO=5/2下还原32min，还原率达95.1%；还原初期界面反应占主导，后期内扩散为限制性环节；熔分条件为配碳比1.2、1625℃、40～50 min、2%CaF₂，碱度1.1，铁、钒、铬、钛收得率分别为99%、97%、92%和94%，实现有价组元高效分离，优于传统流程。本研究形成了高铬型钒钛矿利用新技术。

        7、付小佼

        本年度主要围绕硼镁铁共生矿高效清洁利用展开研究。开发了硼镁铁共生矿原矿金属化还原-高效分选新技术，并研究了碳热还原体系热力学、铁硼迁移规律及强化机制。确定了金属化还原-高效分选新技术最佳工艺参数为：还原温度1250℃，还原时间60min，配碳比1.4，矿粒度0.5-2.0mm，煤粒度0.5-1.5mm，磁场强度50mT，铁、硼、镁收得率分别达88.02%、88.86%、94.60%，实现选冶优化匹配和有价组元高效分离，优于传统工艺；碳热还原过程元素迁移规律为：Fe₃O₄→FeO→Fe，Mg₂B₂O₄(OH)₂ → Mg₂B₂O₅ → Mg₃B₂O₆ →Mg₂B₂O₅，Mg₃Si₂O₅(OH)₄ →（Mg₃Si₂O₇）→Mg₂SiO₄ → MgSiO₃，Fe₃Si₂O₅(OH)₄ →（Fe₃Si₂O₇）→Fe₂SiO₄ →Fe。本研究为硼镁有价组元的富集再提取研究奠定了基础。

        8、汤雅婷

        本年度主要围绕含碳酸盐铁矿悬浮焙烧-磁选新技术开展了研究工作。进行了鞍山式含碳酸盐铁矿及大西沟菱铁矿的原料基础特性、预氧化探索实验，考察了氧化温度及时间对含碳酸盐铁矿预氧化过程中氧化度及物相组成的影响，得出大西沟菱铁矿适宜预氧化条件为500℃、30 min，氧化过程含铁物相转变历程为FeCO₃→Fe₃O₄→γ-Fe₂O₃→α-Fe₂O₃；并对实验室冷（热）态悬浮焙烧炉结构进行设计及二维冷态模拟，发现气速过大易形成节涌床，压差波动大，不利于气固流动。本研究悬浮焙烧新工艺的系统研究奠定基础。

        9、李峰

        本年度主要围绕高铬型钒钛磁铁矿气基还原过程机理开展研究工作。经气基竖炉还原模拟实验，得出还原温度、还原气组成对高铬钒钛球团还原和高温冶金性能影响显著，还原气宜选取富氢煤制气，有利于提高竖炉作业温度和还原速率，并降低膨胀和改善强度。在1100℃、H₂:CO=5:2条件下还原32min，还原度达95%，RSI低于18.27%，高温强度高于140N，满足气基竖炉生产要求；还原初期，还原过程由界面化学反应与内扩散混合控制，界面化学反应占优；随还原进行，内扩散逐渐占主导。该研究为高铬型钒钛矿气基竖炉还原机理的系统研究奠定了基础。

        10、赵嘉琦

        本年度主要围绕普通铁矿高值利用开展研究工作。基于国内原料条件和选矿技术进步，研究了超高品位铁精矿氧化球团-气基竖炉直接还原-熔分制备超纯铁新技术，经探索研究得出小幅降低铁精矿品位有利于改善超高品位氧化球团冶金性能，同时降低成本。TFe71.87%铁精矿氧化球团焙烧固结困难，还原膨胀严重，而70.1%铁精矿经1250℃焙烧25min获得的球团强度达3081 N/个，还原膨胀率接近达标，满足气基竖炉要求；超高品位球团气基竖炉还原宜选取高氢高温的HYL-ZR工艺。该研究为今后超高品位铁矿气基竖炉还原技术的系统研究奠定了基础。

        11、王峥

        本年度主要围绕高铁三水铝土矿高效清洁综合利用新技术开展研究工作。研发了高铁铝土矿热压块金属化还原-自粉化-浸出铁铝分离新技术。通过对热压块特性、金属化还原、铝酸钙渣凝固特性以及自粉机制的探究，得出当热压块配碳比1.00、C/A=1.71、还原温度1350℃、还原时间20min，并以10℃/min冷却时，分别得到铁颗粒和铝酸钙自粉渣，铁、铝回收率均高于90%，实现铁与铝的高效分离，初步证明了新技术的可行性和优越性。该研究为金属化还原-自粉新技术的开发奠定了基础。

        12、娄文涛

        本年度主要围绕钢包底喷粉工艺喷吹系统开发、高温热态实验及底喷粉精炼动力学开展研究工作。开发了适用于钢包底喷粉的新型喷粉装置和自动化控制系统，克服了传统喷粉工艺无法满足底喷粉新工艺特性要求的难题。通过在1.5吨感应炉上的底喷粉热态实验，初步检验了底喷粉工艺的可行性。研究了钢包底喷粉新工艺多相流行为和精炼动力学，提出了顶渣-钢液、空气-钢液、粉剂-钢液、气泡-钢液同时反应模型理论，揭示了各喷吹和操作参数对脱硫效率和夹杂物去除的影响规律，为新工艺的工业化应用提供了理论支撑。

        13、邓志银

        本年度主要围绕耐火材料与钢液的相互作用开展研究工作。研究了钢液作用下的钢包引流砂烧结行为。提出了引流砂的烧结机理，并揭示了钢液对引流砂烧结的重大影响，并探讨了工业生产因素对引流砂烧结行为的影响。基于工业实验和数值模拟，针对不同钢种，研究了氧化铝夹杂物在浸入式水口的黏附行为。研究发现不同形态的氧化铝黏附物其形成机理有很大的差异。研究了不同耐火材料对不同夹杂物的影响，发现氧化铝和镁铝尖晶石耐火材料对夹杂物形态的影响并不大，而氧化镁耐火材料有助于氧化铝夹杂物演变为尖晶石夹杂物。

        14、杨杰

        本年度主要围绕新一代海洋平台用高锰钢连铸过程中因保护渣变性造成的严重浇铸困难问题，以自主设计渣/钢反应实验为基础，深入研究了高锰钢连铸结晶器熔池渣/钢界面行为，阐明了高锰钢连铸过程中随成分变化保护渣物化特性演变规律，为高锰钢连铸保护渣开发提供理论依据。开发了5Mn钢专用连铸保护渣，并在生产实践中取得了良好的应用效果。根据实际生产条件，建立了连铸结晶器内保护渣流变模型，描述了结晶器内保护渣流动、传热、相变等耦合行为。

        15、姜东滨

        本年度主要围绕连铸凝固过程中宏观偏析的产生机理及电磁搅拌的应用研究开展工作，通过采用数值模拟的方法实现了连铸过程中电磁场、流场、温度场、溶质场的多场耦合，提出了晶粒形核的单元跟踪方法和柱状晶尖端的动态跟踪模型，考察了连铸过程中电磁力、热溶质浮力、晶粒沉淀作用下等轴晶相的演变和溶质元素的传输行为，解释了连铸坯宏观偏析形成的基本原因，研究了电磁搅拌参数对铸坯等轴晶率和中心偏析的影响规律。根据模型计算结果，进行了多次现场工业试验，实现了高碳钢铸坯中心偏析和缩孔的降低。

        16、迟云广

        本年度主要围绕超洁净与均质化高铁轴承钢连铸坯生产应用基础研究开展工作，通过现场调研和文献查阅，明确了国内外高铁轴承钢生产方和研究方面的不同和差距。通过现场取样分析、气体分析和金相分析等方法，研究转炉脱氮过程和氮的过程控制，揭示了转炉脱氮规律，提出了炉渣二次脱氮理论，通过分析冶炼过程增氮原因，提出了控制增氮措施。通过现场取样分析和实验室实验分析，研究钢包钢水初始夹杂物来源，根据初始夹杂物种类，研究其对脱氧过程的影响，分析了脱氧过程中夹杂物形核和转变过程。

        17、李东亮

        本年度主要围绕Q235B钢在模拟海洋大气和工业-海洋大气中的对比腐蚀实验，了解了SO₂与Cl^-的协同作用会加剧钢材的腐蚀。为应对新型大气条件、减轻钢材的腐蚀，以“高性能、低成本”为核心，自行设计了成分不同的耐候桥梁钢，并通过室内加速腐蚀实验，系统地研究了Ni、Si、Al等合金元素对钢材耐蚀性的影响规律，同时开展了实验钢的焊接试验和户外暴露试验，均取得较好的成绩。期望这些研究成果能为沿海大桥用钢提供理论支撑。

        18、吴晨辉

        本年度围绕连铸过程中，铸坯的凝固传热及应力变形行为，结合具体的企业项目主要完成了连铸过程凝固传热仿真计算，制定了高强微合金钢角部强冷，防止角部区裂纹发生方的配水方案，制定了高锰钢生产过程中的铸坯表面目标温度曲线及相应的二冷区冷却配水。建立了板坯及方坯连铸过程中的热/力耦合模型，模拟计算并揭示了方坯及板坯连铸过程中的自然热收缩、热应力/应变及凝固末端压下过程中的铸坯的变形行为规律，从而为现场制定合理的基础辊缝及压下工艺提供了基础理论数据。

        19、余海存

        本年度主要围绕第三代先进高强汽车用钢的品种开发，从节能降污的角度，对质量轻，安全性能好的TG钢进行研究。基于中锰钢成分体系设计、经热轧、两相区退火、微观组织观察和残奥稳定性等方面，对含钒钛中锰钢的关键制备工艺、微观组织演变规律、塑性变形规律和相变诱导塑性行为进行研究，发现添加钒钛元素可细化原奥氏体晶粒，且沉淀强化作用达100MPa左右；经热轧后的中锰TRIP钢屈服强度达640-1100MPa，抗拉强度达980-1500MPa，总延伸率达30-40％，强塑积达到40GPa％以上，达到了预期目标。

        20、李尉

        本年度主要围绕红格钒钛磁铁矿基本物化特性和矿物学特征以及红格钒钛磁铁矿氧化球团焙烧过程开展了研究工作；通过在氧化性气氛下焙烧得到红格钒钛磁铁矿氧化球团，研究了不同焙烧温度和焙烧时间对球团氧化焙烧过程的影响，解析了球团氧化焙烧过程中有价组元的迁移及转化机制，并探讨了球团氧化固结机理；确定了合理的氧化球团焙烧制度；在实验室条件下开展了红格钒钛磁铁矿氧化球团气基竖炉直接还原研究，获得了新工艺关键技术参数。

        21、邢飞

        本年度主要围绕新型通道式感应加热中间包开展研究工作，应用数值模拟软件，通过对新型通道式感应加热中间包的流场，温度场，以及夹杂物在中间包内的运动行为和去除率的实验研究，旨在解决现有传统中间包存在的钢水温度波动大以及二次氧化等问题。为中间包提供稳定的外部热源。应用数值模拟软件，模拟新型中间包去除夹杂物以及维持钢水稳定的过程以及效果，为下一步物理实验研究做好理论基础。新型中间包还可以在保证加热通道的合理长度以及通道内钢水良好的流动状态的前提下，兼顾合理的中包宽度和加热效果。