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高炉渣余热回收数值模拟研究进展

钢铁 2024年第5期59卷 12-21页

作者：李晨晓姚鑫林岩黄兴王书桓华北理工大学冶金与能源学院河北唐山063210

高炉渣是高炉炼铁过程中典型的副产物,排放温度高达1 450~1 550℃,具有大量的高品位热能,占钢铁工业总能耗的近30%。高效回收高炉渣余热为钢铁工业绿色高质发展提供保障。目前干法粒化技术作为高效处理高炉熔渣的方式,学者对熔态渣向颗... 详细信息

高炉渣是高炉炼铁过程中典型的副产物,排放温度高达1 450~1 550℃,具有大量的高品位热能,占钢铁工业总能耗的近30%。高效回收高炉渣余热为钢铁工业绿色高质发展提供保障。目前干法粒化技术作为高效处理高炉熔渣的方式,学者对熔态渣向颗粒渣转化过程、颗粒渣流动过程余热回收技术展开相关研究,取得一定成果。通过数值模拟可以降低成本,系统总结出余热回收过程中的关键环节,为实际操作提供理论指导。在此基础上,系统阐述了高炉渣余热回收物理法处理现状及高炉渣模拟常用数值方法,详尽介绍了高炉渣在离心造粒过程和换热器内的多相流动特性和传热特性的研究现状。在离心造粒过程,学者们利用不同的模型对熔渣凝固过程进行数值模拟研究,探索了颗粒物性及工况对余热回收的影响,优化了操作参数。在换热器冷却过程中,学者们利用DEM-CFD仿真模拟深入研究了高炉渣在流化床、固定床和移动床中多相流动和传热特性。通过数值模拟为优化余热回收工艺提供了方向,但大部分研究是针对高炉渣的多相流动特性,对传热方面以及带化学反应的研究较少,同时对渣粒的建模有一定条件性,并未考虑渣粒变形及团聚情况。因此,寻找合适的数学模型以及加强对传热特性和带化学反应的研究来优化炉渣余热回收工艺,提高回收效率成为未来的发展方向。

关键词：高炉渣数值模拟 DEM-CFD 离心造粒余热回收

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气泡在钢包冶金中行为与作用的研究进展

炼钢 2024年第5期40卷 1-17,43页

作者：王书桓王向翠赵定国赵帅吕博陈晨华北理工大学冶金与能源学院河北唐山063210 燕山大学材料科学与工程学院河北秦皇岛066000

综述了气泡在钢包冶金中的行为与作用的研究进展,结合气泡行为研究使用的试验装置和研究方法,分析了液体中气泡的运动行为与原理,包括气泡形成、上浮、长大、破碎、聚并和逸出破裂过程,阐述了气泡形成、气泡尺寸、上升速率、运动轨迹和... 详细信息

综述了气泡在钢包冶金中的行为与作用的研究进展,结合气泡行为研究使用的试验装置和研究方法,分析了液体中气泡的运动行为与原理,包括气泡形成、上浮、长大、破碎、聚并和逸出破裂过程,阐述了气泡形成、气泡尺寸、上升速率、运动轨迹和破裂液滴等特征及其变化规律。讨论了气泡在钢包冶金中的作用,主要涉及均匀钢液成分和温度、去除夹杂物以及渣-金界面气泡夹带等方面。充分发挥气泡的冶金作用,可有效改善冶金工艺流程,提升钢铁性能和品质。

关键词：气泡行为钢包冶金夹杂物去除钢液成分

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CoCrFeMnNi高熵合金粘度模型

粉末冶金技术 2024年第4期42卷 411-417页

作者：李月赵定国苏新磊刘岩王书桓华北理工大学冶金与能源学院唐山063210

高熵合金液雾化过程的粘度对于雾化效果具有重要影响。利用现有的三元合金粘度模型,通过模型扩展建立了等摩尔比CoCrFeMnNi高熵合金熔体的粘度新模型,研究了温度对五元高熵合金粘度的影响,绘制了粘度变化曲线并进行了修正,计算出温度与... 详细信息

高熵合金液雾化过程的粘度对于雾化效果具有重要影响。利用现有的三元合金粘度模型,通过模型扩展建立了等摩尔比CoCrFeMnNi高熵合金熔体的粘度新模型,研究了温度对五元高熵合金粘度的影响,绘制了粘度变化曲线并进行了修正,计算出温度与高熵合金粘度的关系。研究表明,当温度从1360 K上升到2000 K,其粘度从0.0211 Pa·s减小到0.0114 Pa·s。随着五种金属含量的增加,高熵合金的粘度增大,其中Cr金属对于合金粘度的影响最显著,Fe和Co对粘度的影响相同。五元高熵合金液态粘度预测模型结果与热态实验结果相吻合。

关键词：高熵合金粘度 Miedema模型 TOOP模型

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海工用高氮钢螺栓的制备及其组织性能分析

中国冶金 2024年第3期34卷 93-101,130页

作者：刘吉猛王书桓赵定国李皓曹凯琪华北理工大学冶金与能源学院河北唐山063210 唐山市特种冶金及材料制备重点实验室河北唐山063210

海工用螺栓长时间浸泡在海水中,要求其强度高、屈强比低、耐蚀性好。设计制备了一种低成本节镍型的高氮钢螺栓,通过组织观察、XRD检测、力学性能试验、化学浸泡腐蚀试验和动电位极化曲线测试,并与海工常用的316不锈钢螺栓进行对比分析... 详细信息

海工用螺栓长时间浸泡在海水中,要求其强度高、屈强比低、耐蚀性好。设计制备了一种低成本节镍型的高氮钢螺栓,通过组织观察、XRD检测、力学性能试验、化学浸泡腐蚀试验和动电位极化曲线测试,并与海工常用的316不锈钢螺栓进行对比分析。研究结果表明,本试验螺栓微观组织为奥氏体组织,且组织中含有大量孪晶并伴有少量第二相氮化物析出;试验螺栓抗拉强度为877 MPa、屈服强度为690 MPa、断后伸长量为7.3 mm、屈强比为0.79,该螺栓在抗拉强度不低于316螺栓的条件下,屈强比为其的84%,断后伸长量是其的2.16倍,力学性能明显优于316不锈钢螺栓,满足奥氏体不锈钢螺栓80等级要求。在质量分数为6%的FeCl_(3)溶液中浸泡15 d的腐蚀试验表明,试验螺栓腐蚀失重率为0.051%,是316不锈钢螺栓腐蚀失重率0.132%的38.6%;动电位极化曲线结果显示,试验螺栓相较于316不锈钢螺栓自腐蚀电位更正,腐蚀电流密度更小,耐局部腐蚀性能更优异。综上,试验高氮钢螺栓成本低,力学性能和耐点蚀、耐局部腐蚀性能均优于316不锈钢螺栓,研究结果为海洋工程用高强螺栓新材料提供了理论依据和数据支撑。

关键词：高氮钢螺栓力学性能耐腐蚀失重率极化曲线

能量密度对高氮不锈钢选区激光熔化成形质量的影响

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热加工工艺 2024年第1期53卷 23-28页

作者：崔小杰王亚超任建彪孙鑫赵定国王书桓华北理工大学冶金与能源学院河北唐山063210

固定扫描层厚0.02 mm,扫描间隔0.11 mm,采用不同激光功率(100~300 W)、扫描速度(200~1000 mm/s)进行了高氮不锈钢的选区激光熔化成形试验,研究了能量密度对选区激光熔化成形质量的影响。结果表明,在低扫描速度(200 mm/s)下,试样的相对... 详细信息

固定扫描层厚0.02 mm,扫描间隔0.11 mm,采用不同激光功率(100~300 W)、扫描速度(200~1000 mm/s)进行了高氮不锈钢的选区激光熔化成形试验,研究了能量密度对选区激光熔化成形质量的影响。结果表明,在低扫描速度(200 mm/s)下,试样的相对致密度与激光功率成反比;在高激光功率(300 W)下,相对致密度与扫描速度成正比;在45.45~681.82 J/mm^(3)区间,随激光能量密度的增加相对致密度呈先上升后下降的趋势,在136.36~443.18 J/mm^(3)区间,随激光能量密度的增加显微硬度减小,当能量密度为136.36 J/mm^(3)时,试样相对致密度最佳,为98.85%,显微硬度最高,为409 HV0.3。各工艺参数下的试样内部未出现大尺寸裂纹缺陷,内部缺陷主要是未熔粉体、微气孔及球化颗粒;在200 W激光功率下,试样内部缺陷数量及种类随着扫描速度的降低而增大;在1000 mm/s扫描速度下,试样内部缺陷数量及种类随激光功率增大而减小。

关键词：选区激光熔化高氮不锈钢相对致密度显微硬度

冷轧压下率对Fe-10Mn-6Al-0.4C钢微观组织及力学性能的影响

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钢铁 2024年第4期59卷 159-167页

作者：李博宇柳昆冯运莉李涛王书桓苏宏东华北理工大学冶金与能源学院河北唐山063210

Fe-Mn-Al-C系中锰钢凭借低密度、高强度及高塑性的优点,具有广阔的应用前景。试验以Fe-10Mn-6Al-0.4C为研究对象,热轧后经700℃退火60 min空冷至室温。随后分别以40%、60%和70%的压下率进行冷轧,经冷轧后在750℃退火30 min空冷至室温。... 详细信息

Fe-Mn-Al-C系中锰钢凭借低密度、高强度及高塑性的优点,具有广阔的应用前景。试验以Fe-10Mn-6Al-0.4C为研究对象,热轧后经700℃退火60 min空冷至室温。随后分别以40%、60%和70%的压下率进行冷轧,经冷轧后在750℃退火30 min空冷至室温。采用SEM和EBSD检测冷轧退火后的微观组织演变,使用万能拉伸试验机测量其力学性能。结果表明,冷轧板显微组织由条带状δ铁素体、马氏体(M)、奥氏体(A)和α铁素体组成。退火板显微组织由α铁素体、奥氏体和条带状δ铁素体组成。随着冷轧压下率的增加,退火板组织呈层状结构,且平均晶粒尺寸、细晶占比和奥氏体相成分占比均呈先降低后增加,而再结晶程度则由69%增加至83.5%,退火板GND密度降低。压下率为60%时,奥氏体中GND密度急剧下降,退火板由细小的等轴状奥氏体、α铁素体和条带状δ铁素体组成,铁素体晶粒尺寸呈双峰分布,屈服强度为818.7 MPa,抗拉强度为962.3 MPa,伸长率为34.3%,强塑积达33.01 GPa·%,获得强度和塑性优异组合。拉伸断口显示,压下率为60%的拉伸断口有着密集细小的韧窝,促进了退火板的伸长率,而压下率为40%和70%都有着不同程度的解理台阶,恶化了伸长率。控制压下率结合短时退火可降低工艺成本前提下形成层状结构,从而提高材料力学性能。

关键词：中锰钢压下率显微组织力学性能轻量化

激光选区熔化制备TiC强化M2高速钢组织与性能

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钢铁 2024年第6期59卷 104-111,134页

作者：刘岩赵定国李月王书桓崔小杰吴朋越苏新磊华北理工大学冶金与能源学院河北唐山063210 北京易加三维科技有限公司北京102206

M2高速钢(high-speed steel,HSS)作为一种中合金高碳工具钢,广泛应用于机加工行业中。使用激光选区熔化技术可以直接制备出具有精细复杂结构的工件,研究了TiC强化的M2高速钢的SLM成型工艺参数,分析了TiC的添加对M2高速钢微观组织、物相... 详细信息

M2高速钢(high-speed steel,HSS)作为一种中合金高碳工具钢,广泛应用于机加工行业中。使用激光选区熔化技术可以直接制备出具有精细复杂结构的工件,研究了TiC强化的M2高速钢的SLM成型工艺参数,分析了TiC的添加对M2高速钢微观组织、物相、性能的影响。试验结果表明,当激光功率为270 W、扫描速度为700 mm/s、扫描间隔为100μm时可以制备出相对致密度为97%以上的TiC强化M2高速钢样品。金相分析结果表明,打印态M2高速钢XZ面微熔池内部以柱状晶组织为主,而添加质量分数为1%的TiC后,XZ面柱状晶组织则全部变成等轴晶组织;SEM结果显示XY面组织以等轴晶为主,并且分布较为均匀,晶粒边界处存在点状析出物,TEM结果显示析出物主要为添加的纳米TiC粒子及析出的碳化物。添加TiC后样品的平均晶粒尺寸由1.440μm变为0.585μm,晶粒细化效果明显。XRD结果显示纯M2高速钢的物相主要为BCC马氏体,含有少量的FCC残余奥氏体。随着TiC的加入,XRD衍射峰中MxCy型碳化物的峰强度增加,TiC的加入诱导了碳化物的生成,添加质量分数为1%TiC的M2高速钢的耐磨性较纯M2高速钢提升约39%,TiC的加入起到了晶粒细化和析出强化作用,细小的晶粒及析出的碳化物显著地提升了高速钢耐磨性。

关键词： M2高速钢激光选区熔化摩擦磨损 TiC 碳化物

铁水预脱磷温度对脱磷渣结构及行为的分析与探讨

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钢铁 2024年第8期59卷 27-39页

作者：周朝刚陈庆功闫占辉赵长亮刘道正王连全单庆林王书桓华北理工大学冶金与能源学院河北唐山063210 首钢京唐钢铁联合有限责任公司轧钢作业部河北唐山063200 首钢京唐钢铁联合有限责任公司炼钢部河北唐山063200 首钢股份公司迁安钢铁公司河北迁安064404 天津铁厂有限公司炼钢厂河北邯郸056400 唐山钢铁集团有限责任公司技术中心河北唐山063000

为探究不同铁水温度下脱磷熔渣结构演变对脱磷效果及磷迁移富集行为的影响,在铁水温度为1340~1420℃条件下进行了实验室试验,利用XRD、SEM-EDS、FTIR和Raman光谱对试验后脱磷终渣的结构进行了表征。热力学理论分析表明,随着温度的升高,... 详细信息

为探究不同铁水温度下脱磷熔渣结构演变对脱磷效果及磷迁移富集行为的影响,在铁水温度为1340~1420℃条件下进行了实验室试验,利用XRD、SEM-EDS、FTIR和Raman光谱对试验后脱磷终渣的结构进行了表征。热力学理论分析表明,随着温度的升高,磷的分配比逐渐降低。铁水脱磷试验表明,当铁水温度为1380℃时,铁水脱磷效率最高,温度过高或过低均不利于脱磷,且铁水硅质量分数随着温度的升高逐渐降低。XRD和SEM-EDS分析结果表明,磷主要富集在2CaO·SiO_(2)结晶区,富磷相由2CaO·SiO_(2)-3CaO·P_(2)O_(5)固溶体组成,温度的升高会降低富磷相的比例。拉曼和红外分析结果表明,Si—O—Si键受温度升高的影响较小。当温度较低时,炉渣中Q^(1)(Si)、Q^(2)(Si)和Q^(3)(Si)的含量增加。当温度升至1380℃时,Si—O—Si键断裂,Q^(0)(Si)增大。低聚合度的硅酸盐结构促进磷的迁移和聚集,以Q^(1)(P)形式存在的磷逐渐增加。当温度为1380~1420℃时,较高的铁水温度抑制了磷的迁移,进入渣中的硅往往以高聚合度的形式存在,随着脱硅反应的进行,渣的聚合度逐渐增加。此外,由于FeO_(6)八面体的显著增加和硅酸盐聚合度的提高,磷向硅氧网络结构中的迁移受到抑制,以Q^(0)(P)形式存在的磷逐渐增加,磷在炉渣中的扩散程度增加。可以为钢铁企业解决铁水磷质量分数超标问题和控制合理的预脱磷温度提供理论指导和参考。

关键词：预脱磷铁水温度氧化铁皮红外光谱拉曼光谱熔渣结构

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薄板坯连铸电磁控流技术数值模拟现状及展望

连铸 2024年第3期 25-31,48页

作者：秦浩博张利民王书桓李晨晓赵定国薛月凯华北理工大学冶金与能源学院河北唐山063210 唐山工业职业技术学院机械工程学院河北唐山063299

结晶器内钢液凝固是薄板坯连铸过程的关键环节,是钢液净化的最后一步,优化结晶器内钢液流动行为是提高连铸坯质量的关键。电磁制动装置能够有效控制钢液流动行为,提高连铸坯质量。介绍了几种改进型电磁制动装置及电磁控流技术数值模拟... 详细信息

结晶器内钢液凝固是薄板坯连铸过程的关键环节,是钢液净化的最后一步,优化结晶器内钢液流动行为是提高连铸坯质量的关键。电磁制动装置能够有效控制钢液流动行为,提高连铸坯质量。介绍了几种改进型电磁制动装置及电磁控流技术数值模拟研究现状,将传统电磁制动装置和改进型电磁制动装置数值模拟研究结果进行对比研究,分析了传统电磁制动装置的冶金效果及不足,对电磁制动装置的发展方向提出合理建议,并提出电磁控流技术未来发展趋势。

关键词：薄板坯连铸电磁制动电磁控流数值模拟结晶器