工程科學學報

氧氣高爐的發展歷程及其在北京科技大學的研究進展

薛慶國, 楊帆, 張欣欣, 王靜松, 左海濱, 姜澤毅, 佘雪峰, 王廣 — 2021-12-24

薛慶國, 楊帆, 張欣欣, 王靜松, 左海濱, 姜澤毅, 佘雪峰, 王廣首先介紹了氧氣高爐的發展歷程，早期的研究工作主要著眼于解決由于氧氣代替空氣鼓風而引起的“上冷下熱”問題，并總結了各國研究者提出的氧氣高爐流程及其主要特點。隨后系統闡述了北京科技大學科研人員在氧氣高爐工藝基礎研究與工程技術開發方面所取得的主要進展。這些研究包括氧氣高爐流程設計，含鐵爐料還原與軟熔，氧氣鼓風及循環煤氣噴吹條件下的煤粉燃燒，循環煤氣加熱過程中的物理化學變化等爐內反應與變化，以及在此基礎上開展的回旋區及全爐數值模擬研究，為氧氣高爐的工程化實施奠定理論基礎。最后對氧氣高爐的碳素流及節碳潛力進行了分析，并提出富氫碳氫循環氧氣高爐將成為煉鐵低碳化的重要發展方向。工程科學學報. 2021 43(12): 1577-1589.

超重力冶金：科學原理、實驗方法、技術基礎、應用設計

郭占成, 高金濤, 王哲, 郭磊, 王明涌 — 2021-12-24

郭占成, 高金濤, 王哲, 郭磊, 王明涌超重力顯著增大兩相間的重力差，可用于加速固?液、液?液、液?氣高溫黏稠混和體的相分離速度；超重力具有定向性，避免攪拌等技術產生的熔體湍流返混，可用于深度脫除金屬液中細小夾雜物；超重力條件下固?液界面張力微不足道，可容易實現微孔滲流；超重力條件下進行結晶凝固，按結晶順序實現固?液分離，可用于制備梯度材料；超重力加速固?液分離，可細化凝固組織晶粒，但對非共晶熔體也易產生宏觀偏析。將超重力技術應用于冶金及材料生產過程中，有望解決高溫冶金和材料制備的一些難題，如復雜礦冶金渣有價組分的分離提取、冶煉渣中金屬液的分離回收、多金屬的熔析結晶分離、復雜礦直接還原鐵的渣?金分離；在高端金屬材料方面，應用超重力技術，有望解決近零夾物金屬材料的精煉除雜難題，提高梯度功能材料、金屬?陶瓷復合材料、多孔金屬材料、器件材料表面電沉積修飾的制造水平。此外，在材料科學研究方面，超重力凝固可作為一種材料基因組高通量制備方法。工程科學學報. 2021 43(12): 1590-1615.

高溫熔鹽體系惰性陽極與月壤電解制氧技術

寇明銀, 王明涌, 焦樹強 — 2021-12-24

寇明銀, 王明涌, 焦樹強目前，熔鹽電化學冶金普遍采用炭素陽極，陽極CO₂產物是重要的碳排放源。若在高溫熔鹽體系中使用惰性析氧陽極，則可實現熔鹽電解過程低碳排放。因此，開發適用于熔鹽電解體系的惰性陽極至關重要，也是近年來國內外研究熱點。本文首先綜述了各種高溫熔鹽體系惰性陽極的研究進展，所涉及熔鹽體系包括：鋁電解氟化物鹽、CaCl₂熔鹽、碳酸鹽和熔融氧化物等。另外，近年來月球開發利用受到廣泛關注，太陽能驅動的月壤原位熔鹽電化學制氧，將是支撐人類未來月面生存氧氣需求的重要方法之一，故惰性析氧陽極不可或缺。因此，本文也簡要綜述了基于惰性陽極的月壤電解制氧技術。工程科學學報. 2021 43(12): 1616-1627.

煉鐵新技術及基礎理論研究進展

張建良, 劉征建, 焦克新, 徐潤生, 李克江, 王振陽, 王翠, 王耀祖, 張磊 — 2021-12-24

張建良, 劉征建, 焦克新, 徐潤生, 李克江, 王振陽, 王翠, 王耀祖, 張磊從煉鐵新技術及基礎理論研究方面介紹了燒結球團提質降耗新技術、焦炭在高爐內行為解析研究、高爐噴吹清潔燃料技術、高爐長壽技術、高爐煉鐵數據建模技術以及冶金塵泥再處理技術。從基礎研究出發，提出了目前最具有潛力的煉鐵新技術；然后在國家碳中和戰略的大背景下，綜述了目前國際上的非高爐煉鐵技術研究進展，為我國低碳煉鐵發展提供依據；最后從最新微觀研究手段出發，介紹了目前煉鐵研究領域在微觀尺度的研究進展，多尺度綜合調控研究高爐煉鐵過程機理，為未來低碳煉鐵發展方向提供思路。工程科學學報. 2021 43(12): 1628-1644.

鋼?渣界面非金屬夾雜物運動行為研究進展

劉威, 楊樹峰, 李京社 — 2021-12-24

劉威, 楊樹峰, 李京社鋼中夾雜物的去除一直是潔凈鋼研究的熱點，對于提高鋼材質量、保障產品性能具有重要意義。鋼液中夾雜物主要通過上浮至頂渣被吸收而去除，這個過程可細分為夾雜物在鋼液中長大上浮、在鋼?渣界面穿越分離、在熔渣中被吸附溶解3個步驟。鋼?渣兩相的物性差異及界面特性導致不符合條件的夾雜物無法穿過界面與鋼液分離，這使得該步驟成為夾雜物去除的決定性環節，且由于鋼?渣兩相周圍快速的物性過渡、并行的物理化學現象以及高溫、不透明等特性影響，使該步驟研究難度增大。近年來，隨著數值模擬技術和高溫實驗設備的進步，夾雜物穿越鋼?渣界面行為的研究取得了一些進展。經典的受力分析模型能夠對夾雜物界面行為進行半定量的預測，且對于渣系優化等具有一定的指導作用；計算流體動力學（CFD）模型在研究夾雜物界面現象方面具有優勢，但研究尚處于初期，未來有望適用于更大的尺度范圍、更多的行為場景和相態；水模型與數值模型相結合是一種有效的研究界面行為的方法，隨著實驗技術進步，可進一步對微觀尺度的界面行為進行研究；高溫共聚焦原位觀察是研究界面行為最為直接的方法，對于探究夾雜物界面行為極有幫助，有望通過設備改進，更加完整、深入地揭示夾雜物去除的關鍵機理。工程科學學報. 2021 43(12): 1645-1653.

板坯連鑄異鋼種連澆混澆坯長度及成分變化模型的開發及應用

安航航, 焦樹強, 孫彥輝, 劉崇林, 宋思程 — 2021-12-24

安航航, 焦樹強, 孫彥輝, 劉崇林, 宋思程基于建立的連鑄中間包及結晶器內鋼液混合過程的物理模型，開發了板坯連鑄異鋼種連澆過程混澆坯長度及成分變化模型。以某鋼廠單流板坯連鑄機220 mm×1560 mm斷面Q235與Q335Ti鋼的混澆過程為研究對象，采用水模型試驗結合數值模擬確定模型的關鍵參數，并通過開展現場試驗對混澆坯取樣驗證模型的準確性。結果證明：混澆坯成分取樣與模型預測的成分偏差小于5%，且模型預測的混澆坯長度與人工確定的一致。故采用該模型可跟蹤不同混澆工況下中間包內及鑄流上鋼液的混合行為，準確預測混澆坯的長度以及成分變化規律。采用該模型研究了拉速及中間包內剩余鋼液質量對混交坯長度及不同澆注長度鑄坯C元素質量分數變化的影響規律。發現當拉速保持不變時，中間包內剩余鋼液越多，混澆坯越長；當中間包內剩余鋼液質量保持不變時，拉速越大混澆坯越短。相比而言，中間包內剩余鋼液質量比拉速對混澆坯長度的影響更大。另外當拉速不變時，隨著中間包內剩余鋼液質量的增加，C元素質量分數由0.16%變化到0.18%的速率減慢；當中間包內剩余鋼液質量不變時，隨著拉速的增加，C元素質量分數由0.16%變化到0.18%的速率增加。因此異鋼種連澆過程，適當提高拉速以及減少中間包內剩余鋼液質量，可有效減少混澆坯長度，成分變化速率降低。工程科學學報. 2021 43(12): 1654-1663.

連鑄板坯三維二冷動態配水與精準壓下研究與應用

張炯明, 周青海, 尹延斌, 吳星星, 劉華陽 — 2021-12-24

張炯明, 周青海, 尹延斌, 吳星星, 劉華陽在現有工藝條件下，校驗和完善二冷區鑄坯凝固傳熱計算數學模型，開發三維二冷配水模型，解決目前設備狀況下冷卻水分布不均勻對鑄坯溫度的影響，從而控制鑄坯表面質量，特別是鑄坯的角部裂紋，同時對板坯連鑄二冷配水制度進行改進和優化，使之滿足高效連鑄生產條件和改善鑄坯質量的需要。提出壓下參數計算公式，結合所開發三維二冷配水模型，優化現有壓下工藝，提出并應用精準可控單段壓下、非穩態壓下控制，集中解決連鑄板坯中心偏析、中心疏松和縮孔等內部質量問題。同時優化模型數據庫，使之數據更加完備，模型計算更加準確，同時模型具備異鋼種混澆過程二冷及壓下控制功能，能夠進行凝固終點W形預測與控制，可進一步提高模型適用性和準確性。模型開發并成功在多家鋼廠現場應用，有效改善了鑄坯裂紋和偏析等鑄坯表面和內部的質量問題。工程科學學報. 2021 43(12): 1664-1676.

壓下對重軌鋼大方坯內裂紋敏感性的影響

馬海濤, 張炯明, 尹延斌 — 2021-12-24

馬海濤, 張炯明, 尹延斌為研究壓下對連鑄坯內部裂紋產生的影響，利用ABAQUS有限元軟件建立了230 mm×280 mm斷面大方坯壓下數學模型。通過壓下模型對重軌鋼連鑄坯壓下過程進行熱力耦合模擬計算，對壓下過程中產生的內部裂紋進行了預測。首先，對連鑄坯不同中心固相率為0.3～0.7的溫度場進行計算；然后，利用壓下模型計算了連鑄坯中心固相率0.3～0.7時凝固前沿的等效塑性應變。研究結果表明，在連鑄坯中心固相率為0.3～0.7的位置處分別施加7 mm壓下量進行壓下，連鑄坯凝固前沿等效塑性應變未超過臨界等效塑性應變（0.4%），連鑄坯未出現內裂紋；同時，對連鑄坯在中心固相率為0.6位置處進行了不同壓下量的研究，研究結果表明，當連鑄坯壓下量超過7 mm時，凝固前沿的等效塑性應變超過臨界塑性應變（0.4%），連鑄坯出現內裂紋，并且壓下量越大，連鑄坯內裂紋越嚴重。同時，工業試驗結果與模型計算結果基本吻合，驗證了模型計算的準確性。工程科學學報. 2021 43(12): 1677-1686.

煉鋼合金減量化智能控制模型及其應用

鄭瑞軒, 包燕平, 王仲亮 — 2021-12-24

鄭瑞軒, 包燕平, 王仲亮基于K均值聚類法對轉爐出鋼過程的合金損耗進行了研究，分析了影響合金損耗的關鍵因素，并將其分為3個聚類，得到轉爐出鋼合金損耗最低的工藝模式。在此基礎上，開發了基于PCA-BP神經網絡和混合整數線性規劃的合金減量化智能控制系統，并以某煉鋼廠為例進行了實際應用。通過對模型進行在線運行，驗證了模型的準確性和實用性。使用該模型后，提高了合金化鋼液成分準確度，減少由傳統人工經驗計算配料造成的成本浪費和成分超標等情況，優化了合金配料方案，降低了煉鋼合金化成本，不同鋼種鐵合金加入總成本降低5.95%～14.74%，平均降幅11.72%。工程科學學報. 2021 43(12): 1687-1695.

煉鋼廠多尺度建模與協同制造

劉青, 邵鑫, 楊建平, 張江山 — 2021-12-24

劉青, 邵鑫, 楊建平, 張江山在闡述煉鋼廠多尺度建模與協同制造技術架構的基礎上，分別從單體工序尺度、車間區段尺度與煉鋼廠運行尺度開展了煉鋼廠協同制造的研究。從工序/裝置過程控制系統（PCS）到煉鋼廠制造執行系統（MES）進行了較為系統的建模研發，構建了包括轉爐工序、精煉工序與連鑄工序在內的工序工藝控制模型以及以生產計劃與調度模型為核心的物質流運行優化模型，并通過工序工藝控制和生產計劃與調度的動態協同，實現了煉鋼廠多工序/裝置的高效運行。研發了煉鋼?連鑄過程工序工藝控制模型、生產計劃與調度模型同MES之間的數據接口，實現了MES與生產工藝控制、流程運行控制、生產計劃與調度系統的有機融合，形成了以機理模型與數據模型協同驅動的工藝精準控制、多工序協同運行、基于“規則+算法”的生產計劃與調度為支撐的煉鋼?連鑄過程集成制造技術，通過多層級的縱向協同與多工序的橫向協同，實現了煉鋼廠的協同運行與控制。研究成果是煉鋼?連鑄過程智能制造的有益探索與實踐，對流程工業智能制造企業具有很強的參考價值，對冶金工業綠色化、智能化發展具有示范與借鑒作用。應用后，明顯提升了煉鋼廠的協同制造水平，取得了顯著的經濟與社會效益。工程科學學報. 2021 43(12): 1696-1710.

我國冶金固廢大宗利用技術的研究進展及趨勢

李宇, 劉月明 — 2021-12-24

李宇, 劉月明我國鋼渣、赤泥、銅渣和部分鐵合金渣年排放量在千萬噸甚至億噸級，難以大量用于傳統的水泥、混凝土或道路工程領域，是難利用的大宗冶金固廢。本文分析了以上典型冶金固廢大宗資源化利用的現狀，指出了制約大宗資源化利用的瓶頸問題；進一步提出砂石骨料、陶瓷材料、人造石材在我國具有年億噸級乃至百億噸級的市場需求，適合作為冶金固廢利用的大宗量出口，并綜述了這一領域冶金渣低成本制備燒結陶粒、冶金渣制備陶瓷和燒結磚、熔渣調質制備骨料以及熔渣人造石材制備等方面研究取得的進展，包括在新建年10萬噸基于帶式焙燒機原理的固廢陶粒生產線上進行了赤泥摻加質量分數50%～65%的燒結陶粒工業化生產試驗；分別摻入質量分數40%～60%的赤泥，30%～50%的鋼渣，50%～80%的銅渣，先后完成了陶瓷磚和燒結磚的工業化中試以及工業化生產實驗；加入質量分數12.96%的砂子對熔融電爐渣進行調質并制備砂石骨料、基于“Petrurgic”工藝的利用熔渣制備石材技術也完成了工業化和中試試驗。在此基礎上提出了固廢的大宗量利用、協同利用、節能減碳利用和與智能化結合的資源化利用是這一領域技術發展的主要趨勢。工程科學學報. 2021 43(12): 1711-1722.

鉻元素固化機理及利用不銹鋼工業含鉻固廢制備無機材料研究進展

武紹文, 張延玲, 張帥, 高朝輝 — 2021-12-24

武紹文, 張延玲, 張帥, 高朝輝我國不銹鋼工業近年來飛速發展，產生大量含鉻固廢。含Cr固廢的綜合利用工藝技術的開發，Cr元素的解毒/固化機理是需要考慮的關鍵問題。本文綜述了前人在該領域的相關研究工作，包括國內外不銹鋼工業固廢的化學和物相組成、鉻在不同含鉻固廢中的存在形式、鉻在環境中的循環富集規律和毒性。探討了含Cr礦相的演變規律、Cr在不同礦相中的固化機理。總結了目前利用不銹鋼工業含鉻固廢制備水泥、微晶玻璃和燒結陶瓷等各類無機材料的研究進展。分析了目前利用不銹鋼工業含鉻固廢制備各類無機材料過程中存在的瓶頸問題。以期為未來中國無害化、高值化、資源化處理不銹鋼含鉻固廢并實現產業化應用提供基礎借鑒。工程科學學報. 2021 43(12): 1723-1734.

鋼鐵產業集聚區難處理塵泥處理與全量資源化利用進展

王靜松, 李巖, 馮懷萱, 薛慶國, 佘雪峰, 王廣, 左海濱 — 2021-12-24

王靜松, 李巖, 馮懷萱, 薛慶國, 佘雪峰, 王廣, 左海濱簡述了鋼鐵冶金塵泥現有的處理工藝，具體介紹了回轉窯工藝、Oxycup工藝、轉底爐工藝。鋼鐵冶金塵泥目前的處理工藝主要停留在塵泥資源化回收利用的前3個階段，往往只針對含量較高的部分元素進行分離回收。鋼鐵產業集聚區的塵泥除了含有 Fe、Zn、Pb、K、Na 等元素，還富集了大量 In、Bi、Sn、Cd等具有高附加值的稀散元素，是寶貴的有價資源。隨著國家環保法規和產業政策的要求，鋼鐵冶金塵泥已經到了必須100%全部回收利用的新階段。鑒于此，提出了根據各自的成分特征進行基于產品設計的各種塵泥間的協同搭配、單元技術間的科學耦合和系統集成，實現多組分梯級分離和全量利用的技術方案，希望能夠為鋼鐵企業冶金塵泥的全量資源化利用提供參考。工程科學學報. 2021 43(12): 1735-1747.

中國HyperCoal清潔高值化應用研究現狀與展望

王亞杰, 左海濱, 王京秀, 白凱凱, 陳建生, 榮濤 — 2021-12-24

王亞杰, 左海濱, 王京秀, 白凱凱, 陳建生, 榮濤作為一個煤炭大國，煤炭在我國的能源結構中占據重要地位。然而，煤炭的過度使用不可避免的造成了環境污染和溫室效應等問題。因此發展潔凈煤技術是解決煤炭利用問題的重要方式，對于我國經濟的可持續發展至關重要。HyperCoal（HPC）是通過溶劑萃取技術得到的一種煤衍生物，由于具有低灰、低水、高熱值、高反應性、良好熱塑性、環境友好等特性，在潔凈煤技術中有著重要的應用。基于此，本文指出了目前我國對HPC的應用研究現狀，并詳細闡述了本研究團隊在配煤煉焦和制備石墨電極領域的突破性研究進展。然而，目前HPC在推廣和應用過程中還存在一些問題。在未來，還亟需解決HPC的規模化生產問題，并對HPC的萃取機理和作用機制開展更加深入的研究。工程科學學報. 2021 43(12): 1748-1758.