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氢冶金基础研究和新工艺探索

材料导报 2023年第13期37卷 164-169页

作者：周美洁艾立群洪陆阔孙彩娇周玉青孟凡峻华北理工大学冶金与能源学院河北唐山063210

高炉炼铁和直接还原是目前最为主流的两大炼铁技术。高炉炼铁产能大,效率高,但其高焦比高能耗的现实与环境绿色发展的矛盾日益突出。煤基、气基直接还原或熔融还原技术的创新研发不断固化为效能的提高和成本的降低。但是,现有工艺下以... 详细信息

高炉炼铁和直接还原是目前最为主流的两大炼铁技术。高炉炼铁产能大,效率高,但其高焦比高能耗的现实与环境绿色发展的矛盾日益突出。煤基、气基直接还原或熔融还原技术的创新研发不断固化为效能的提高和成本的降低。但是,现有工艺下以碳的高效利用为核心的技术正在不断接近降碳的潜能极限。为按期实现碳中和、碳达峰的目标,钢铁制造业积极开发探索铁矿石的替代还原技术。在炼铁过程中合理利用H_(2)对减少能源使用和CO_(2)排放的作用越来越显著。本文论述了氢气还原铁矿石的基础研究、氢冶金的技术优势、我国氢冶金技术成果和发展面临的问题,提出并验证了采用微波照射实现含铁矿石的富氢或纯氢冶炼得到铁粉的新思路。在以H_(2)/CO为还原剂的对比实验中,微波加热比常规加热方式还原效果好,微波下1100℃时CO还原金属铁的还原率只达到3.1%,同条件下,H_(2)还原金属铁的还原率可达78.6%。

关键词：氢冶金微波二氧化碳排放还原铁粉

微波-氢气协同还原钒钛磁铁矿精矿的冶金效果

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中国冶金 2023年第11期33卷 48-54页

作者：佟帅艾立群洪陆阔孙彩娇袁艺旁周美洁华北理工大学冶金与能源学院河北唐山063210

为实现钒钛磁铁矿资源的高效合理利用,采用微波-氢气协同还原钒钛磁铁矿精矿粉/造块以及生物质复合造块,并对其还原的冶金效果进行解析。研究结果表明,还原产物具有较高的金属化率,平均达94%以上;精矿粉/造块的还原产物金属铁均呈多孔... 详细信息

为实现钒钛磁铁矿资源的高效合理利用,采用微波-氢气协同还原钒钛磁铁矿精矿粉/造块以及生物质复合造块,并对其还原的冶金效果进行解析。研究结果表明,还原产物具有较高的金属化率,平均达94%以上;精矿粉/造块的还原产物金属铁均呈多孔海绵状结构,未彻底被还原的钛铁共生矿中钛、铁氧化物交错分布且也伴有孔洞,但造块后还原生成的金属铁气孔结构更为发达、致密;生物质复合造块的还原产物内部存在发达的裂纹,金属铁呈大直径颗粒状,部分难还原氧化物被金属铁包裹。生物质的添加起到还原作用并产生可供气体扩散的孔隙。据此提出了“精矿球团/生物质复合球团-微波氢气还原-球磨磁选-尾矿高温还原”的“两步法”钛铁分离工艺策略,目前该策略虽然仍是一个笼统的概念,但微波-氢气协同还原方式既保证了产物较高的金属化率,又促进了产物形成孔洞和裂纹,这为钛铁分离提供了有利的矿物学条件。

关键词：钒钛磁铁矿微波-氢气协同冶金效果生物质钛铁分离

Fe-C-Si合金固态脱碳过程氧化层演变规律

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钢铁 2023年第12期58卷 107-118页

作者：周玉青艾立群洪陆阔孙彩娇周美洁佟帅华北理工大学冶金与能源学院河北唐山063210 河北大河材料科技有限公司河北石家庄052165

结合钢铁行业综合低碳减排研究现状,提出了电炉+固态脱碳制备硅钢的工艺构想。由于在固态脱碳过程中钢表面会形成氧化层,试验以1 mm Fe-Si-C(Si 1.5%~3.5%;C 0.18%~0.48%(质量分数))合金为研究对象,在H_(2)O-H_(2)气氛下开展固态脱碳研... 详细信息

结合钢铁行业综合低碳减排研究现状,提出了电炉+固态脱碳制备硅钢的工艺构想。由于在固态脱碳过程中钢表面会形成氧化层,试验以1 mm Fe-Si-C(Si 1.5%~3.5%;C 0.18%~0.48%(质量分数))合金为研究对象,在H_(2)O-H_(2)气氛下开展固态脱碳研究,以此来揭示脱碳过程中表面氧化的规律。利用FactSage热力学软件绘制H_(2)O-H_(2)气氛下Fe-C-Si氧化热力学平衡相图,明确了各温度、气氛条件下Fe、Si选择性氧化的热力学规律。在1423 K温度下开展固态脱碳试验,结果表明,脱碳效果良好,脱碳后碳质量分数可达到0.02%以下;气氛pH_(2)O/pH_(2)小于0.31时(pH_(2)O、pH_(2)分别为水蒸气和氢气的分压),固态脱碳后Fe-C-Si合金表面氧化物主要为SiO2,气氛pH_(2)O/pH_(2)达到0.34时,脱碳后Fe-C-Si合金表面氧化物主要由SiO2和Fe2SiO42种氧化物组成,随着气氛氧化性的增强,表面氧化物由SiO2转变为Fe2SiO4,这与热力学分析结果一致。试验利用扫描电子显微镜对脱碳后氧化层形貌、厚度进行观察分析,结果表明,在1423 K下,pH_(2)O/pH_(2)=0.31时3.5%Si合金薄带氧化层内氧化物为细小球状SiO2,pH_(2)O/pH_(2)=0.56时氧化层内SiO2尺寸增大,且在氧化层与基体之间形成了一条明显的深色条状带;1.5%Si硅钢固态脱碳后所形成的氧化层内高度弥散分布着粒度细小的球状SiO2,在氧化层与基体之间并没有形成可作为分界线的条状SiO2带。研究氧化层生长动力学发现,1423 K下Fe-1.5%Si-C硅钢氧化层生长速率最大,1363 K下Fe-3.5%Si-C硅钢氧化层生长速率最小,这主要是因为脱碳过程形成了一种“蜂窝状”的氧化层结构,并不断向基体内部生长。

关键词： Fe-C-Si合金固态脱碳 H_(2)O-H_(2) 氧化层动力学

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固态脱碳法制备高强塑性成分梯度中锰钢

钢铁 2023年第5期58卷 131-136页

作者：洪陆阔艾立群孙彩娇李亚强周美洁孟凡峻华北理工大学冶金与能源学院河北唐山063210 河北科技工程职业技术大学河北邢台054099

如何打破金属材料强度与塑性的权衡关系一直是材料科学中长期存在的难题。大自然中许多生物体内部都形成了从表面到内部逐渐变化的梯度结构,这使它们更加的坚韧。据此提出了一种利用固态脱碳制备成分梯度钢铁材料的工艺策略,为了证实这... 详细信息

如何打破金属材料强度与塑性的权衡关系一直是材料科学中长期存在的难题。大自然中许多生物体内部都形成了从表面到内部逐渐变化的梯度结构,这使它们更加的坚韧。据此提出了一种利用固态脱碳制备成分梯度钢铁材料的工艺策略,为了证实这一工艺构想的可行性,以厚度为1 mm、成分为2.7%C-12%Mn-Fe(质量分数)合金为研究对象开展固态脱碳研究,试验所制备成分梯度中锰钢获得了良好的强度和延展性。试验结果表明,在H_(2)O-H_(2)气氛下50 min可将中锰钢碳质量分数由2.7%脱至0.23%;利用辉光放电光谱仪和光学显微镜检测,脱碳和热轧后的中锰钢板在厚度方向上均形成了明显的成分梯度,并在中锰钢板截面上获得了一种整体性的梯度结构;利用维氏显微硬度仪检测得到中锰钢板厚度方向上呈现了硬度的梯度分布,在固态脱碳作用下中锰钢表面和中心形成了成分和组织的过渡层,使表面到中心硬度由668HV逐渐过渡至747HV,这种中心与表面的硬度梯度也为产生连续的应变硬化奠定了基础;均质钢提高强度而进行变形时,其延展性通常会急剧下降,制备的成分梯度中锰钢板抗拉强度分别达到了1513.5 MPa和1399.1 MPa,断后伸长率分别达到了29.8%和26.3%。利用固态脱碳方法制备的中锰钢获得了良好的综合力学性能,期望研究成果能够为制造高强、高塑性材料提供一条新的途径。所提出的利用固态脱碳制备成分梯度钢铁材料的工艺策略是一个笼统的概念,其他金属材料如双相钢(DP)、淬火配分钢(QP)、高强度低合金钢(HSLA)和热成形钢(PHS)也可以适用,这也是下一步的重点研究方向。

关键词：固态脱碳成分梯度中锰钢微观组织力学性能

Ar-CO-CO2气氛下铁碳合金薄带气-固反应脱碳动力学分析

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Ar-CO-CO2气氛下铁碳合金薄带气-固反应脱碳动力学分析

作者：周美洁华北理工大学

学位级别：硕士

在Ar-CO-CO弱氧化性气氛下,以初始碳含量为4.2 wt%左右的铁碳合金为研究对象,以快速脱碳、铁不氧化为目标,采用单因素变量法研究了脱碳温度、脱碳时间、薄带厚度对脱碳过程的影响。对不同厚度铁碳合金薄带脱碳动力学进行系统研究,计算... 详细信息

在Ar-CO-CO弱氧化性气氛下,以初始碳含量为4.2 wt%左右的铁碳合金为研究对象,以快速脱碳、铁不氧化为目标,采用单因素变量法研究了脱碳温度、脱碳时间、薄带厚度对脱碳过程的影响。对不同厚度铁碳合金薄带脱碳动力学进行系统研究,计算脱碳反应的活化能。实验分别在1293 K、1353 K、1413 K温度下对厚度为2 mm铁碳合金薄带进行脱碳处理,脱碳时间为60 min,脱碳后平均脱碳量分别为0.844 wt%、2.130wt%、2.874 wt%。研究发现在其他条件一定时脱碳温度越高脱碳量越大。在1413 K温度下,对厚度为1 mm铁碳合金薄带进行脱碳处理,脱碳时间分别为10 min～60 min,脱碳量分别为:0.82 wt%、1.53 wt%、2.5 wt%、3.05 wt%、3.51 wt%、3.74 wt%。研究发现在其他条件一定时随着脱碳时间的延长,脱碳量逐渐升高,脱碳量增幅逐渐降低,脱碳速率逐渐减小。在1413 K温度下,厚度为1 mm、1.5 mm、2 mm的薄带分别脱碳70 min,脱碳量分别为:3.88 wt%、3.28 wt%、3.15 wt%,由此可以看出随着薄带厚度的增加,脱碳量降低。根据平均碳含量的对数(lnw)与时间呈线性关系,铁碳合金薄带气-固脱碳反应可以近似看成一级反应。2 mm Fe-C薄带脱碳反应活化能为125.0×10J/mol,石墨溶解激活能为149.6×10J/mol。图41幅;表11个;参51篇。

关键词：铁碳合金气固反应脱碳动力学

H2/H2O气氛下Fe-C合金气固反应脱碳机理

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材料导报 2020年第20期34卷 20112-20117页

作者：孙彩娇艾立群洪陆阔程荣周美洁侯耀斌华北理工大学冶金与能源学院唐山063210

近年来,一种高炉铁水双辊连铸薄带+高温气固反应脱碳生产钢带的全新工艺流程被提出,该工艺可以最大限度减少夹杂物的产生。本研究以Fe-C合金气固反应脱碳机理为目的,在H 2/H 2O气氛下,研究了不同脱碳条件下薄带横截面的微观组织、薄带... 详细信息

近年来,一种高炉铁水双辊连铸薄带+高温气固反应脱碳生产钢带的全新工艺流程被提出,该工艺可以最大限度减少夹杂物的产生。本研究以Fe-C合金气固反应脱碳机理为目的,在H 2/H 2O气氛下,研究了不同脱碳条件下薄带横截面的微观组织、薄带厚度方向上的碳浓度梯度。研究结果表明:随着脱碳反应的进行,薄带自表面至中心微观组织可分为三层,L 1层主要由铁素体组成;L 2层主要由奥氏体、渗碳体、石墨相和少量铁素体等混合构成;L 3层主要由渗碳体和石墨相组成。通过分析脱碳层(L 1+L 2)深度与脱碳时间的平方根关系,得到良好的线性关系,可用y=kt 0.5函数描述。薄带厚度方向上碳浓度梯度曲线可分为三个阶段,这与薄带的微观组织结构相对应。由碳浓度梯度曲线积分获得的数据与碳硫仪实测数据相吻合,证明了碳浓度梯度曲线的有效性。通过对脱碳层深度的研究计算得到脱碳反应的活化能为137.4 kJ·mol^-1。

关键词：脱碳气固反应碳浓度梯度微观组织扩散

数字经济发展对生产性服务业全球价值链韧性的影响

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科技进步与对策 2024年第7期41卷 60-71页

作者：李静周美辰吉林大学马克思主义学院吉林长春130000

数字经济迅猛发展,在推动全球服务贸易格局转变的同时,促进我国生产性服务业全球价值链韧性增强。选取2012—2021年ADB MRIO数据库中62个国家样本数据,从互联网发展、数字普惠金融发展与数字技术应用三重视角出发,验证数字经济发展对生... 详细信息

数字经济迅猛发展,在推动全球服务贸易格局转变的同时,促进我国生产性服务业全球价值链韧性增强。选取2012—2021年ADB MRIO数据库中62个国家样本数据,从互联网发展、数字普惠金融发展与数字技术应用三重视角出发,验证数字经济发展对生产性服务业全球价值链韧性的影响。结果发现:①数字经济发展水平提升能显著增强各国生产性服务业全球价值链韧性,其中数字技术应用的作用效果更显著,在经过一系列稳健性与内生性检验后结论依然成立;②服务贸易自由化与要素一体化是数字经济发展增强生产性服务业全球价值链韧性的重要途径;③数字经济发展对生产性服务业全球价值链韧性的影响因行业生命周期和目的国(地区)不同而存在较大差异。最后,提出完善数字经济法律制度、积极推动服务贸易自由化、加快要素市场一体化改革等政策建议,可为数字经济发展赋能生产性服务业全球价值链韧性提升提供理论支撑。

关键词：数字经济生产性服务业全球价值链韧性数字普惠金融数字技术应用

Ar-CO-CO_(2)气氛下铁碳合金薄带气固反应脱碳动力学研究

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材料导报 2021年第24期35卷 24142-24146页

作者：孙彩娇艾立群洪陆阔周美洁侯耀斌周玉青孟凡峻华北理工大学冶金与能源学院唐山063210

近年来,一种固态炼钢的全新工艺受到了广泛关注,该工艺采用铁水直接固化再经氧化性气氛脱除固态金属中的碳,以达到炼钢的目的,可大幅缩短薄板钢带生产流程,降低钢中夹杂物。本工作以不同厚度铁碳合金薄带为研究对象,探讨不同温度下Ar-CO... 详细信息

近年来,一种固态炼钢的全新工艺受到了广泛关注,该工艺采用铁水直接固化再经氧化性气氛脱除固态金属中的碳,以达到炼钢的目的,可大幅缩短薄板钢带生产流程,降低钢中夹杂物。本工作以不同厚度铁碳合金薄带为研究对象,探讨不同温度下Ar-CO-CO_(2)中气固脱碳动力学随高温气固反应脱碳的机理。研究结果表明:碳向反应界面的扩散是脱碳反应中的限制环节,脱碳温度的升高和脱碳时间的延长均有利于脱碳;在相同条件下,铁碳合金薄带厚度越薄,脱碳速率越快;2 mm厚的铁碳合金薄带的脱碳速率常数与脱碳温度的关系可近似表示为:k=-0.144+1.183×10^(-4)T;在CO-CO_(2)气氛下,铁碳合金薄带脱碳反应近似为一级反应,脱碳反应的表观活化能E_(a)=124.7 kJ/mol。

关键词：铁碳合金气固反应脱碳动力学

小浪底水库运用后黄河下游游荡段游荡程度变化特点及机理

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地理学报 2024年第5期79卷 1161-1176页

作者：刘雨晨夏军强周美蓉程亦菲武汉大学水资源工程与调度全国重点实验室武汉430072

为实现黄河下游游荡段游荡程度变化的定量评价,提出了游荡指数的计算方法;本文结合Landsat影像,分析了小浪底水库运用后游荡段游荡程度的变化特点及机理。研究表明,2000—2022年黄河下游游荡段整体游荡程度降低,游荡指数由0.918减至0.6... 详细信息

为实现黄河下游游荡段游荡程度变化的定量评价,提出了游荡指数的计算方法;本文结合Landsat影像,分析了小浪底水库运用后游荡段游荡程度的变化特点及机理。研究表明,2000—2022年黄河下游游荡段整体游荡程度降低,游荡指数由0.918减至0.674,且游荡程度降低速率先快后慢。其中铁谢—伊洛河口河段和花园口—夹河滩河段游荡程度显著降低,伊洛河口—花园口河段游荡程度基本不变,夹河滩—高村河段游荡程度有所增加。此外,游荡段游荡特性演变与水沙、河床边界条件变化以及局部河势调整密切相关。从水沙条件来看,小浪底水库运用后黄河下游输沙锐减、洪峰调平,使得河道全线冲刷、流路集中,以致游荡段游荡特性减弱,且丰水年较枯水年更有利于河势归顺;从河床边界条件来看,沿程河岸约束性强的河段游荡特性趋于减弱,且河床纵向稳定性增加是游荡段游荡程度降低及降低速率减慢的因素之一;从局部河势调整的影响来看,朱寨—东坝头河段河势变化是夹河滩—高村河段后期切滩频发的重要原因。

关键词：游荡程度时空变化演变机理游荡指数 Landsat影像黄河下游