超重力在冶金和金属材料领域的研究进展及展望

超重力作为一种外场强化新技术,基于其优越的传质和相际分离特性,引起了广泛的关注。本文着重介绍了我国超重力技术在金属熔体提纯、冶金固废中有价物质的富集提取分离、金属材料凝固组织细化、非金属夹杂物的去除以及矿石气基还原等冶金和金属材料领域的研究进展和成果,提出了其应用过程中存在的科学问题,并展望了超重力技术的发展前景。虽然,目前还以实验室研究阶段为主,并未实现普适化。但作为一种外场强化新技术,其在冶金和金属材料凝固控制等相关研究体系中已突显出强大的熔体提纯、有价组分富集提取、组织细化、夹杂物去除等作用效果,这为进一步拓展超重力技术在冶金和金属材料领域的研究和开发应用提供了参考价值。超重力有望凭借自身的优点成为冶金和金属材料领域生产过程中一种新的外场技术。随着超重力设备的发展及相关科学问题的研究探索,相信在不久的将来,超重力技术必会在冶金和金属材料研究领域得到广阔的应用前景。

含表面活性剂SDS和DTAB复配溶液的表面张力的测定及其机理研究

通过真球气泡法测定了相同总浓度下、不同复配比的阴离子型表面活性剂十二烷基硫酸钠(SDS)表面张力,探究加入阳离子型表面活性剂十二烷基三甲基溴化铵(DTAB)后复配体系的相互作用。结果表明,无论何种复配体系,在任意总浓度下,其表面张力的最低值都处于相同的复配比例,故认为有一个简易得到复配体系最低表面张力的方法,即在总浓度一定时,找到表面张力值最低时的复配比例,并在此比例下求得cmc值;复配体系泡沫性能优劣的排序与其表面活性大小的排序一致,故泡沫最佳性能的获取方法与复配体系最小表面张力值获取方法一致;并通过建立模型,定义且计算了表面张力系数(K)值。

还原焙烧行为对冶金尘泥含碳球团结构及强度的影响

以高炉瓦斯灰和转炉污泥为原料制备含碳球团,通过还原焙烧实验,考察了焙烧温度、焙烧时间以及球团配碳量对球团微观结构及强度的影响。结果表明,升高还原温度、延长还原时间均使得球团内金属铁相连晶增加、孔隙减少且金属铁相、浮氏体及渣相连结增强,球团抗压强度提高,特别是升高温度对改善球团微观结构并提高球团抗压强度的作用最为显著,而球团配碳量的增加导致还原后的球团内部灰分及残碳增多,将铁相连晶分割成大小不一的片区,破坏了铁相聚集连续性,且球团中孔洞及脆性残碳增多,球团强度降低。因此,在控制较低球团配碳量的条件下,在还原焙烧过程中选择较高的温度及较长的时间,冶金尘泥含碳球团可获得较高的抗压强度。

Fe_2O_3对煤焦热解反应的催化作用研究

采用热分析仪、滴管炉等研究了Fe_2O_3对煤焦热解过程的催化作用,借助XRD分析了Fe_2O_3在不同反应温度下的转变产物。结果表明,添加Fe_2O_3后煤焦热解吸热量明显下降,生成烟气中CO、CO_2含量显著上升;Fe_2O_3在1000℃和1100℃时的主要转化产物分别为Fe_3O_4和FeO,在1200℃时转变为Fe_3O_4、FeO和Fe。

ZnO纳米棒阵列的可控制备、改性及其光催化性能研究

通过一步电沉积法在不锈钢网基底上制备ZnO纳米棒阵列,然后采用水热法在ZnO纳米棒上包覆C,制得C/ZnO纳米复合结构。借助SEM、XRD、TEM、UV-Vis等对相关样品的形貌、结构、物相组成及光催化性能进行表征。结果表明,在沉积电压为-1.0V的条件下所制备的ZnO纳米棒阵列具有长度适中、分布均匀及垂直取向的结构特点,纳米棒平均直径和长度分别为150nm和1.35μm,在紫外光照射下其对亚甲基蓝的降解效率可达95.1%,催化稳定性良好;制得的C/ZnO纳米复合结构在可见光照射下对亚甲基蓝的降解效率相比ZnO纳米棒阵列有明显提升,并具有较高的催化稳定性。

钢渣-废FCC催化剂耦合制备地质聚合物及其性能表征

以钢渣和废催化裂化(FCC)催化剂为原料以及硅灰为硅铝调节剂,通过碱激发方式制备新型地质聚合物材料,利用XRD、SEM、FTIR、抗压强度测试等手段,对所制地聚合物材料的形貌、物相组成和强度性能进行表征,分析了利用钢渣耦合废FCC催化剂制备地质聚合物的可行性以及相应的反应机理。结果表明,在碱激发作用下,以钢渣和废FCC催化剂为原料制备具有一定抗压强度的地质聚合物材料是可行的,钢渣中大量活性物质参与到地质聚合反应中,通过地质聚合反应形成了大量非晶相凝胶组织,其结构为富Ca的N(C)-ASH凝胶。CaO等化学纯物质在碱激发作用下未表现出明显的活化反应性,因而无法替代钢渣中的复合含钙组分。

硼对60Si2Mn弹簧钢连续冷却相变行为的影响

以国产的60Si2Mn含硼弹簧钢为研究对象,利用Gleeble 1500热模拟实验机和高温共聚焦显微镜,进行临界相变温度和动态CCT曲线的测试,并进行不同冷却速率下弹簧钢在连续冷却过程中先共析铁素体生长过程的原位观察。结果表明,含硼26 ppm与不含硼弹簧钢发生完全马氏体转变的临界冷却速率分别为10℃/s和13℃/s。硼元素的加入,使临界冷却速率降低,提高了过冷奥氏体的稳定性,抑制了晶界处先共析铁素体的析出,阻碍了奥氏体的共析分解转变。另外,随着冷却速率的增大,晶界处的先共析铁素体明显减少。

高温下灰铸铁微观组织的演变及其对抗拉强度的影响

灰铸铁刹车毂在行车过程中因连续刹车导致温度快速升高而过早失效。采用高温拉伸试验机和室温拉伸试验机分别对灰铸铁试样进行室温和高温拉伸试验,利用光学显微镜和扫描电镜观察不同温度拉伸后试样的微观组织,研究了灰铸铁的微观组织演变规律及其对高温抗拉强度的影响。结果表明:当拉伸试验温度从室温升高到200℃时,石墨形态变化不大,珠光体片层间距增大,抗拉强度下降幅度不大;当温度升高到500和700℃时,石墨片有粗化的倾向,石墨团聚数量增加,珠光体片层间距明显增大,同时部分渗碳体片发生断裂、溶解,转变成细粒状结构。高温下灰铸铁微观组织的变化导致其抗拉强度明显下降,800℃时的抗拉强度仅为室温下的17.2%。

评价表面活性剂溶液泡沫性能的方法—真球气泡法

通过真球气泡法测定了不同价数和浓度的无机盐体系下十二烷基硫酸钠(SDS)表面活性剂溶液的表面张力和表面扩展黏度;通过Ross-Miles法测定了相应同一溶液的发泡力和泡沫稳定性;结果表明:SDS溶液的表面张力值随着各种无机盐浓度的增加而减小至不变,此时的无机盐浓度作为相对浓度100%来考察时,发现临界胶束浓度(CMC)值与添加盐的种类无关,只随无机盐的相对浓度的增加而减少;即CMC值随着无机盐的相对浓度的增加从不含无机盐时的8.3 mmol/L均收敛至最小值3.0 mmol/L;表面张力值和对应的发泡力值呈负线性关系,由此推断表面张力值可以评价发泡力;表面扩展黏度值和对应的泡沫稳定性值呈正线性关系,由此推断表面扩展黏度可以评价泡沫稳定性;无机盐种类对SDS表面活性剂发泡力和泡沫稳定性的影响力随阳离子价数(Na^(+)、Cu^(2+)、Fe^(3+))增加而增加。

硫酸渣直接还原熔分制备珠铁

硫酸渣是一种富含铁的二次资源,如何高效利用硫酸渣中的铁资源,实现硫酸渣固废的资源化利用意义重大。基于直接还原熔分工艺,在实验室条件下采用无烟煤作还原剂,用消石灰调整渣相碱度,同时外加适量CaF2助熔。选取内配碳比为1.2,在1250 ℃还原10 min后升至1500 ℃进行熔分。探索了熔分时间和碱度对硫酸渣含碳压块还原熔分最终效果及脱硫脱磷的影响。研究发现,熔分时间和碱度对最终硫酸渣含碳压块的还原熔分效果影响明显。在保证熔分时间的前提下,随着碱度的升高铁的金属化率先上升后下降。本次硫酸渣自还原试验表现出了较高的脱硫和脱磷能力。在R=2时,总脱硫率达到92.77%,总脱磷率随碱度变化规律与总脱硫率相似,平均总脱磷率达60%左右。这对直接采用煤基自还原含铁矿渣,并分离渣铁及同步脱硫脱磷,提供了一定的指导意义。

高温烟气中煤焦气化行为

针对高温烟气中煤焦的气化行为,本文采用FactSage 6.1计算了煤焦在高温烟气下的高温反应特性,并利用热重分析仪分析了煤焦气化行为。通过沉降炉实验进一步研究了不同温度、气体配比、粒径条件下气体产物的动态析出特性,同时计算了评价指标α、β、LHV值。结果表明:随着温度的升高,气体产物H2和CO的含量增加,β、α、LHV值增大,CH4和CO2的含量下降。在温度为1200℃时,β、α值分别由CO2/CO比为10∶70时的10.80%、5.21%增加到CO2/CO比为50∶30时的24.71%、41.06%。同时,随着CO2/CO比值的增大,高温烟气对煤焦气化反应抑制减弱。通过对比反应温度和粒径对煤焦气化反应的影响,得出反应温度远大于粒径对煤焦气化反应的影响。通过实验验证了向高温烟气中喷吹煤焦制备高品质可燃气体方法的可行性。

子午线轮胎用帘线钢非金属夹杂物的研究进展

随着汽车轻量化的发展,子午线轮胎用帘线钢对夹杂物的要求越趋严格。根据钢帘线用盘条对夹杂物的要求,综述了国内外帘线钢冶炼工艺和目前关于帘线钢中夹杂物的研究进展,并对未来需关注的夹杂物控制方向提出观点。随着90级极高强度级帘线钢将成为主流产品,富含Al2O3类夹杂物和钛夹杂物依旧是控制的重难点所在。除了进一步加强冶炼过程中夹杂物塑性化控制外,对于轧制和拉拔等各个环节中夹杂物的性质行为都应予以重视,从而更好地实现全过程控制。

炭化温度对高炉喷吹用竹炭微观结构的影响

为了研究炭化温度对高炉喷吹用竹炭微观结构的影响,采用元素分析仪、红外光谱、XRD、拉曼、扫描电镜等先进的表征手段解析了不同炭化温度条件下竹炭的化学成分、官能团、微晶结构、石墨化结构以及微观形貌特征。研究结果表明,随着炭化温度的增加,竹炭的挥发分大幅降低,固定碳大幅增加,H和O元素含量逐渐减少。炭化温度高于500℃后,竹炭基本完成了含氧官能团和不饱和侧链的分解。随着炭化温度的升高,竹炭的芳香微晶逐渐长大,碳基质有序化程度逐渐变好,竹炭的空心管壁逐渐产生微孔。此外,炭化温度高于500℃后,竹炭的空心管壁发生破碎、坍塌,有助于降低其机械强度,改善竹炭的可磨性。

钙处理对稀土在大线能量焊接HAZ中作用的影响

为了探明钙处理对稀土改善C-Mn钢焊接HAZ韧性作用的影响,利用Gleeble模拟了热输入为339kJ/cm的焊接热循环过程,对比研究了稀土处理钢和Ca-稀土处理钢焊接HAZ中夹杂物、显微组织和低温冲击韧性差异,分析了钙对稀土在HAZ中作用的影响规律,发现钙处理能促进稀土改善HAZ低温冲击韧性。钙能使稀土处理钢HAZ中的夹杂物从稀土氧化物复合夹杂转变为稀土-Ca的复合夹杂,平均尺寸从1.5增大到2.2μm,长宽比从1.5减小到1.4,夹杂物总量降低。虽然钙对稀土处理钢HAZ中晶内针状铁素体的含量影响不大,但钙能增强稀土对HAZ原奥氏体晶粒粗化的抑制作用,Ca-稀土处理钢HAZ原奥氏体晶粒尺寸比稀土处理钢小。热输入为339kJ/cm时,钙处理能使稀土处理钢HAZ低温冲击韧性明显提高。

高炉炉缸凝铁层导热系数测定及传热模型修正

高炉炉缸内衬表面形成稳定的凝铁层将延长高炉寿命。采用自制的凝铁层模拟实验装置,在中温高压条件下利用锡与焦炭制备凝铁层模拟样品;通过三维数码显微镜观察统计不同凝铁层模拟样品对应的金属与焦炭的面积比,采用瞬态平面热源法测定导热系数,探究其对凝铁层导热系数的影响。结果表明,凝铁层模拟样品(凝锡层)的导热系数范围是23.58～40.39 W/(m·K);凝铁层样品的导热系数范围为28.05～48.19 W/(m·K);还原凝铁层真实导热系数后,可以确定高炉炉缸区域传热模型中的气隙厚度为0.5～1.0 mm。

高炉炉缸凝铁层的组成分析与导热系数测定

高炉炉缸内衬表面形成稳定的凝铁层将保护高炉炭砖并延长高炉寿命。利用光学数码显微镜观察统计分析高炉凝铁层生产样品,探究不同焦炭体积占比对凝铁层导热系数的影响。利用元素分析(XRF)、X射线衍射分析(XRD)、扫描电镜(SEM-EDS)等手段分析凝铁层的组成,并观察其微观形貌。利用瞬态平面热源法(TPS)测定凝铁层的导热系数,进一步分析其组成与导热系数之间的关系。结果表明,凝铁层由铁、充满铁水的焦炭、石墨碳、少量渣相组成,凝铁层内部没有气隙。凝铁层生产样品的导热系数测定范围为27.21~97.38 W/(m·K),导热系数(λ)与其组成的焦炭面积比(S_c=22%~48%)之间的线性关系为:λ=-257.47S_c+157.65。模拟实验凝铁层的导热系数范围为30.54~53.95 W/(m·K),该值远大于目前数学模型中采用的凝铁层导热系数(2~4 W/m·K),随着焦炭粒度的增加,凝铁层的导热系数先增加后减小。凝铁层中导热系数(λ)与焦炭体积分数V_c(V_c=39%~50%)的线性关系为:λ=-80.50V_c+78.56。研究结果进一步明确了凝铁层的物相组成及其导热系数,为高炉长寿的研究指明了方向。

转炉烟气中金属氧化物催化煤焦-CO2气化反应

提出了利用转炉烟气中金属氧化物催化煤焦-CO2气化反应的新方法来提高CO2转化效率。利用热重分析对金属氧化物催化煤焦-CO2气化进行理论研究,并通过滴管炉研究了不同温度下金属氧化物对煤粉-CO2气化反应的影响。计算不同条件下的α、β、LHV值,对催化效率进行评估。结果表明,金属氧化物对煤焦-CO2气化具有显著的催化作用,并表现出不同的特征温度。添加催化剂后,可燃性气体含量增加,CO2含量降低。根据α、β、LHV值的计算,复合催化剂催化效率最佳,而且催化效率随温度升高而增加。对于单一催化剂,在1000~1200℃温度范围内,CaO的催化效率优于FeO,FeO稍优于Fe2O3。滴管炉试验结果初步验证了利用转炉烟气中金属氧化物提高CO2的转化效率以及转炉煤气热值的可行性。

煤焦还原分解烧结烟气脱硫石膏的试验

针对烟气脱硫石膏综合利用问题,提出了利用煤焦还原分解石膏制备CaO和SO2的新方法。采用FactSage 6.1计算了煤焦与脱硫石膏的高温反应特性,并利用热重分析仪在理论上分析了煤焦还原分解石膏行为的可行性。通过管式电阻炉试验进一步研究了温度、煤焦添加量、保温时间对石膏分解率和固态产物影响以及气体SO2释放规律。试验结果表明,升高温度、增加煤焦添加量和保温时间均能提高石膏的分解率;煤焦质量分数从5%增加到20%,CaO和SO2的质量分数先升高后下降,而CaS的质量分数一直增大;在煤焦量为11%时,CaO和SO2的质量分数达到最大值,CaO和SO2成分的变化规律主要受CaS和CaSO4相对含量的影响。采用煤焦还原分解石膏的方法,可为石膏综合利用提供理论指导。

气隙对高炉炉缸凝铁层的影响

高炉炉缸内衬表面形成稳定的凝铁层将延长高炉寿命。采用三维数值模拟探讨了凝铁层的导热系数及炉缸区域气隙对高炉传热体系的影响;数学模型中凝铁层的导热系数采用修正后的结果,发现冷面附近的计算温度与热电偶实测温度不符,推断有绝热层(气隙)的存在。当绝热层(气隙)厚度在0.5~1 mm时,计算温度与实测温度(正常炉况下)一致。通过引入绝热层(气隙)的概念对现有的传热模型进行了修正,绝热层(气隙)的厚度变化将影响炉缸凝铁层的厚度;发现当绝热层(气隙)厚度达到6.5 mm时,凝铁层刚好完全消失;即绝热层(气隙)厚度的变化是影响凝铁层消失的主要因素,进而影响高炉长寿。

铁矿粉对铁焦炭化过程体积演变的影响

为了研究铁矿粉对铁焦炭化过程中体积膨胀-收缩机制的影响,采用高温热台显微镜、Image-pro-plus软件、扫描电镜、XRD等先进的表征手段解析了不同铁矿粉及其添加量对铁焦成焦过程的宏观体积、微观结构和矿物组成的影响。研究结果表明,随着铁矿粉添加量的增加,铁焦炭化过程中的体积收缩量逐渐减小。相同铁矿粉添加量时,铁矿粉种类对铁焦炭化过程中的体积演变影响较小。炭化过程中铁焦内含铁矿物由Fe2O3逐渐还原为金属Fe,但不同铁矿物还原后在铁焦内的分布规律有所差异。