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基于线性耗散热力学的废钢熔化行为研究

钢铁研究学报 2022年第6期34卷 571-577页

作者：刘孟珂马国军张翔姚旺龙郑顶立武汉科技大学钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室湖北武汉430081 武汉科技大学钢铁冶金新工艺湖北省重点实验室湖北武汉430081

为揭示废钢熔化过程中的传热传质机制,采用线性耗散热力学理论,研究了钢液与废钢之间的传热,碳的扩散传质以及两者之间的耦合作用关系。结合移动边界层理论模型,得到了钢液温度为1 773 K、钢液碳质量分数为1.0%、废钢半径为0.03 m、废... 详细信息

为揭示废钢熔化过程中的传热传质机制,采用线性耗散热力学理论,研究了钢液与废钢之间的传热,碳的扩散传质以及两者之间的耦合作用关系。结合移动边界层理论模型,得到了钢液温度为1 773 K、钢液碳质量分数为1.0%、废钢半径为0.03 m、废钢的初始温度为300 K时界面处碳的质量守恒方程,即基于线性耗散热力学理论的废钢熔化模型,并通过前人的实验结果验证了模型的准确性。研究建立的基于线性耗散热力学的废钢熔化模型可以预测废钢熔化过程中界面处碳含量、碳的活度和界面温度随时间的变化规律,为实际工业生产提供理论指导。

关键词：废钢熔化线性耗散热力学传热传质

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自动统计在夹杂物分析过程中的应用

钢铁研究学报 2022年第4期34卷 334-340页

作者：宋明明门超奇谢毓敏朱航宇马国军薛正良武汉科技大学钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室湖北武汉430081 武汉科技大学钢铁冶金新工艺湖北省重点实验室湖北武汉430081

为了探明夹杂物自动分析设备在夹杂物统计过程中的准确性,利用夹杂物自动分析和手工统计分析的方法对夹杂物的尺寸、数量和种类进行统计表征,对比分析了2种分析方法在稀土钛处理钢中结果的差异。研究结果表明:夹杂物自动分析不适用于含... 详细信息

为了探明夹杂物自动分析设备在夹杂物统计过程中的准确性,利用夹杂物自动分析和手工统计分析的方法对夹杂物的尺寸、数量和种类进行统计表征,对比分析了2种分析方法在稀土钛处理钢中结果的差异。研究结果表明:夹杂物自动分析不适用于含稀土钢中夹杂物数量和尺寸的统计分析,但对于夹杂物中不同成分组元的含量和面积分数的统计,夹杂物自动分析的结果是准确的。原因主要是自动分析会将一个夹杂物内部成分差异较大的不同区块认定为2个或多个小夹杂物,导致统计得到的夹杂物数量偏高,尺寸偏小,复合夹杂物数量偏少。

关键词：夹杂物自动分析稀土复合夹杂物夹杂物分层统计分析钢

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焦炭催化CO-NO反应的动力学实验研究

钢铁研究学报 2022年第2期34卷 126-132页

作者：付梦龙张伟李逵张菊花薛正良武汉科技大学钢铁冶金与资源利用省部共建教育部重点实验室湖北武汉430081 武汉科技大学钢铁冶金新工艺湖北省重点实验室湖北武汉430081

从高炉风口喷吹烧结烟气是一种有别于传统烟气脱硝工艺的新思路。为探究烧结烟气喷入风口后,焦炭催化CO-NO还原反应的动力学过程,实验以CO、NO气体为原料,以焦炭为催化剂,将不同流量配比的CO和NO混合气体在炉温为850~975℃时通入炉内,... 详细信息

从高炉风口喷吹烧结烟气是一种有别于传统烟气脱硝工艺的新思路。为探究烧结烟气喷入风口后,焦炭催化CO-NO还原反应的动力学过程,实验以CO、NO气体为原料,以焦炭为催化剂,将不同流量配比的CO和NO混合气体在炉温为850~975℃时通入炉内,在出口处测量CO和NO反应后体积分数。实验结果表明,焦炭对CO还原NO反应有明显的催化作用;反应温度不变,CO和NO的流量比增大时,NO的还原率会增大;CO和NO的流量比不变,温度增大时,NO的还原率也会增大;炉温850、900、925、950、975℃时,反应速率常数分别为0.56、0.88、0.78、1.28、1.38 m^(3)/(mol·s),通过拟合动力学参数得到反应的活化能E;为84.1 kJ/mol。

关键词：烧结烟气脱硝焦炭还原率

中间包上水口环形吹氩下气泡大小和迁移行为研究

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钢铁研究学报 2022年第8期34卷 768-781页

作者：秦绪锋程常桂李阳吴卫利刘亮金焱武汉科技大学钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室湖北武汉430081 钢铁冶金新工艺湖北省重点实验室湖北武汉430081

通过水模型实验研究了上水口环形吹氩工艺下中间包和结晶器内气泡形貌,并结合数值模拟分析了透气砖位置、拉坯速度和吹氩量对中间包和结晶器内气泡尺寸、气泡迁移和中间包近液面钢液流动的影响。结果表明:上水口环形吹氩形成以塞棒为中... 详细信息

通过水模型实验研究了上水口环形吹氩工艺下中间包和结晶器内气泡形貌,并结合数值模拟分析了透气砖位置、拉坯速度和吹氩量对中间包和结晶器内气泡尺寸、气泡迁移和中间包近液面钢液流动的影响。结果表明:上水口环形吹氩形成以塞棒为中心的圆台状气泡羽流,气泡浓度沿径向向外逐渐减少;附壁效应使得气泡羽流偏向塞棒壁面流动,增大气泡的碰撞聚并概率和近塞棒壁面的羽流上升速度,对中间包液面产生较大冲击作用;同时,部分细小气泡会随钢液进入水口及结晶器内部;增大吹氩量,中间包内环形气泡羽流中气泡数目明显增多,中间包近液面钢液上升速度增大;增大拉坯速度,环形气泡羽流的宽度和气泡数量逐渐减小,近液面速度减小;增大透气环距水口中心距离,中间包内气泡弥散度增大,环形气泡羽流宽度也随之增大,气泡羽流对中间包液面冲击作用减弱;增大吹氩量和拉坯速度、减小透气环距水口中心距离,进入结晶器的气量和气泡尺寸逐渐增大。实验条件下,透气环内外径为110 mm/140 mm、拉坯速度为1.2 m/min时,吹氩量为4 L/min较为合适。

关键词：中间包上水口环形吹氩气泡迁移气泡羽流

CO-N2还原球团矿的本征数学模拟与动力学预测

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钢铁 2023年第12期58卷 12-22页

作者：甘畅李逵张伟张菊花薛正良武汉科技大学钢铁冶金与资源利用省部共建教育部重点实验室湖北武汉430081 武汉科技大学钢铁冶金新工艺湖北省重点实验室湖北武汉430081

根据传统宏观动力学分析仅能“模拟”而无法“预测”未知试验,提出本征数学模拟及预测的方法以解决传统动力学分析方法中存在的参数调整随意性强、预测准确性差等系统性问题。采用热重法进行了5组不同温度下(1 235、1 275、1 326、1 377... 详细信息

根据传统宏观动力学分析仅能“模拟”而无法“预测”未知试验,提出本征数学模拟及预测的方法以解决传统动力学分析方法中存在的参数调整随意性强、预测准确性差等系统性问题。采用热重法进行了5组不同温度下(1 235、1 275、1 326、1 377和1 425 K)一氧化碳还原球团矿的等温动力学试验来获取本征动力学参数集合,再对试验数据进行模拟复原,并且对1 254和1 301 K下的反应进行了预测。由还原速率的转折点可将还原过程分为2段,反应前期主要为球团矿中的Fe2O3还原为浮氏体的过程,由一级化学反应控制,反应后期主要为浮氏体还原为铁的过程,由缩核模型控制。反应前后期的转折点的还原度Dtp与温度T之间的关系由方程Dtp=9.101 4×10^(-4)T-0.787 4确定。各反应时期的本征动力学参数分别为,一级化学反应活化能为40.63 kJ/mol,频率因子为52.43 g/(m^(2)·s);外扩散等效活化能为53.58 kJ/mol,频率因子为3.04 m/s;界面化学反应活化能为37.87 kJ/mol,频率因子为0.72 m/s;内扩散等效活化能为85.12 kJ/mol,频率因子为0.09 m^(2)/s。根据最适反应机理建立分段速率微分方程,利用4阶Runge-Kutta法模拟出球团矿还原的初始动力学过程并预测了球团矿在1 254和1 301 K下的动力学曲线,在不同温度下所选时间节点处球团矿动力学曲线的本征数学模拟结果和预测结果与试验结果的相对误差均为6%以内。

关键词：本征数学模拟热重法球团矿等温动力学速率微分方程

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钢种初始凝固模式对连铸坯表面质量的影响

钢铁研究学报 2023年第7期35卷 819-831页

作者：李伟李阳程常桂刘江傲李洋金焱武汉科技大学钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室湖北武汉430081 武汉科技大学钢铁冶金新工艺湖北省重点实验室湖北武汉430081

连铸过程中铸坯表面常产生各种质量问题,严重影响铸坯质量和生产顺行,然而,钢种初始凝固模式的差异对铸坯表面质量缺陷的影响规律尚不够明确。选用一系列代表性钢种,利用JmatPro软件进行了热力学平衡相图和高温力学性能的计算,结合Fe-C-... 详细信息

连铸过程中铸坯表面常产生各种质量问题,严重影响铸坯质量和生产顺行,然而,钢种初始凝固模式的差异对铸坯表面质量缺陷的影响规律尚不够明确。选用一系列代表性钢种,利用JmatPro软件进行了热力学平衡相图和高温力学性能的计算,结合Fe-C-X多元伪平衡相图特征点的理论计算公式,综合研究不同钢种的初始凝固模式及其对铸坯表面质量的影响规律。结果表明,对4种不同凝固模式的钢种而言,低碳、亚包晶凝固模式的钢种铸坯的主要表面质量缺陷分别是皮下夹杂、表面纵裂,其主要原因是高温阶段的相变引起的极限屈服强度和相变应变的变化;过包晶与高碳凝固模式的钢种铸坯很少出现表面质量问题。因此,表面缺陷的发生概率由钢发生高温相变(L+δ→γ/δ→γ)时δ相的比例、温度区间及坯壳的相变应变程度共同决定。基于钢种凝固模式及其对铸坯表面质量的影响,预测可能出现的铸坯表面质量缺陷,并采取相关措施降低表面缺陷发生率,对提高连铸坯质量具有重要意义。

关键词：初始凝固模式铸坯表面质量缺陷高温相变钢种成分

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残余元素Sb对X80管线钢力学性能的影响

金属热处理 2023年第3期48卷 248-253页

作者：陈子宏薛正良刘孟珂张翔郑顶立马国军武汉科技大学钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室湖北武汉430081 武汉科技大学钢铁冶金新工艺湖北省重点实验室湖北武汉430081

采用真空感应炉熔炼了不同Sb含量的X80管线钢,探究了Sb在钢中的存在形式及对其显微组织的影响,并通过维氏硬度测试、-20℃夏比冲击试验以及室温拉伸试验,研究了Sb含量对X80管线钢力学性能的影响。结果表明,X80管线钢中的残余元素Sb均匀... 详细信息

采用真空感应炉熔炼了不同Sb含量的X80管线钢,探究了Sb在钢中的存在形式及对其显微组织的影响,并通过维氏硬度测试、-20℃夏比冲击试验以及室温拉伸试验,研究了Sb含量对X80管线钢力学性能的影响。结果表明,X80管线钢中的残余元素Sb均匀分布在钢基体中;随着试样中Sb含量从0.0006%增加至0.0980%,钢中铁素体和珠光体的平均晶粒尺寸先增大后减小,钢的维氏硬度先增大后基本趋于不变,冲击吸收能量基本逐渐降低,而抗拉强度和屈服强度先降低再升高后略有降低,屈强比呈先减小后增大的趋势,伸长率略微下降。为保证X80管线钢的力学性能,应尽量减少钢中残余元素Sb含量。

关键词：残余元素锑 X80管线钢力学性能

CO-CO_(2)混合气体还原WO_(3)至WO_(2.72)的反应行为

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中国有色金属学报 2022年第3期32卷 866-882页

作者：李梦超王璐杨帆薛正良武汉科技大学钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室武汉430081 武汉科技大学钢铁冶金新工艺湖北省重点实验室武汉430081 佛山(华南)新材料研究院佛山528200

紫钨(WO_(2.72))是三氧化钨(WO_(3))还原制备碳化钨(WC)催化剂的重要中间产物,系统分析WO_(3)至WO_(2.72)的反应行为对后期高效制备优质WC具有重要意义。本文以CO-15%CO_(2)混合气体为还原剂,结合模型拟合法、TG-DTA、XRD、FE-SEM和热... 详细信息

紫钨(WO_(2.72))是三氧化钨(WO_(3))还原制备碳化钨(WC)催化剂的重要中间产物,系统分析WO_(3)至WO_(2.72)的反应行为对后期高效制备优质WC具有重要意义。本文以CO-15%CO_(2)混合气体为还原剂,结合模型拟合法、TG-DTA、XRD、FE-SEM和热力学计算等方法对其还原WO_(3)制备WO_(2.72)的反应机理和动力学进行分析。结果表明:1015~1131 K范围内,WO_(3)与CO-15%CO_(2)混合气体的还原反应主要由两步过程组成,首先WO_(3)被还原为WO_(2.9),而后WO_(2.9)继续被还原为WO_(2.72),即WO_(3)→WO_(2.9)→WO_(2.72),两者相互分开,依次进行。动力学分析结果表明:WO_(3)被还原至WO_(2.9)和WO_(2.9)被还原至WO_(2.72)均由界面化学反应控速,求取的表观活化能分别为142.182 kJ/mol和128.235 kJ/mol;该模型对变温还原动力学的分析同样适用,此时表观活化能为124.638 kJ/mol,与恒温实验所得结果相符。添加一定含量(质量分数)的Nb_(2)O_(5)(0~0.5%)有利于反应速率的提高,然而Nb_(2)O_(5)含量过高(>0.5%)时反应速率反而下降。结合产物形貌演变和物相转变规律,本文得出了CO-15%CO_(2)混合气体还原WO_(3)至WO_(2.72)的可能反应机理。

关键词： WO_(3) WO_(2.72) CO-15%CO_(2)混合气体动力学反应机理

KR脱硫渣的综合利用现状及其氧化去硫研究进展

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钢铁研究学报 2022年第3期34卷 189-199页

作者：朱仁林李建立余岳朱航宇武汉科技大学钢铁冶金新工艺湖北省重点实验室湖北武汉430081 武汉科技大学钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室湖北武汉430081

KR脱硫的渣资源化利用有利于促进钢铁企业的绿色化发展。KR脱硫渣中主要成分为CaO,且含有质量分数为1.0%~2.5%的硫,直接将KR脱硫渣回用于冶炼工艺会导致钢液增硫。若能将渣中的硫脱出,可有效促进KR脱硫渣在钢铁冶炼工艺的资源化利用。因... 详细信息

KR脱硫的渣资源化利用有利于促进钢铁企业的绿色化发展。KR脱硫渣中主要成分为CaO,且含有质量分数为1.0%~2.5%的硫,直接将KR脱硫渣回用于冶炼工艺会导致钢液增硫。若能将渣中的硫脱出,可有效促进KR脱硫渣在钢铁冶炼工艺的资源化利用。因此,针对当前KR脱硫渣综合利用存在的问题,总结分析有关CaS氧化过程的热力学和动力学研究现状,探究将KR脱硫渣中硫转化成为SO_(2)的有利条件,分析将KR脱硫渣用于转炉造渣脱磷的可行性,以实现KR脱硫渣的冶金内循环利用。KR脱硫渣中的硫主要以CaS形式赋存在渣中,高温(温度T>1 373 K)、低氧分压(P_(O2)<10.1 kPa)条件下有利于CaS氧化为SO_(2)。在气-固反应过程中,反应初期KR脱硫渣中硫的氧化过程受化学反应控制,反应后期受O_(2)的内扩散控制;在气-液反应过程中,反应受S^(2-)的扩散控制。

关键词： KR脱硫渣 CaS 氧化动力学循环利用