数字化高炉炼铁技术研发与应用研究进展

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作者 储满生 王国栋 +1 位作者 唐珏 石泉 《东北大学学报(自然科学版)》 北大核心 2025年第7期113-130,共18页

在数字信息时代的推动下,高炉数字化转型拉开序幕.钢铁企业(简称钢企)应用智能闭环控制、数字孪生和AI预测模型,构建智慧操炉、炉况评价与质量优化等智能系统.数字化高炉研究成果主要集中在变量预测、状态诊断、炉况优化,这些领域由传... 在数字信息时代的推动下,高炉数字化转型拉开序幕.钢铁企业(简称钢企)应用智能闭环控制、数字孪生和AI预测模型,构建智慧操炉、炉况评价与质量优化等智能系统.数字化高炉研究成果主要集中在变量预测、状态诊断、炉况优化,这些领域由传统方式分别向复杂优化建模、多维综合评价和多目标协同优化方向发展.但目前预测模型需强化在线自更新与数据机理融合,评价体系需注重多维度精细化诊断,炉况优化需以低风险、低成本、多目标耦合为核心突破单指标局限.以高炉现场需求为出发点,开发高炉信息物理系统,将数据、机理和经验合理匹配调用,形成数据治理-规则挖掘-智能预测-综合评价-多目标优化-决策反馈一体化技术是数字化高炉炼铁的未来发展重点之一. 展开更多

关键词 高炉 数字化技术 智能预测 状态诊断 炉况优化

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电炉熔炼氢基直接还原铁的实验

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作者 李梦港 储满生 +1 位作者 唐珏 刘倬良 《材料与冶金学报》 北大核心 2025年第2期122-130,共9页

通过模拟电炉冶炼氢基直接还原铁和废钢,考察了熔炼温度、熔炼时间、直接还原铁(direct reduced iron,DRI)配比和炉渣碱度对熔炼效果的影响.结果表明:当熔炼温度从1550℃升至1700℃时,铁收得率η(Fe)呈上升趋势,钢中w(TFe)先升高后降低,... 通过模拟电炉冶炼氢基直接还原铁和废钢,考察了熔炼温度、熔炼时间、直接还原铁(direct reduced iron,DRI)配比和炉渣碱度对熔炼效果的影响.结果表明:当熔炼温度从1550℃升至1700℃时,铁收得率η(Fe)呈上升趋势,钢中w(TFe)先升高后降低,w[P]逐渐升高,而w[S]逐渐降低;当熔炼时间由3 min增至30 min时,η(Fe)略微下降,w(TFe)无明显变化,w[P]先升高后趋缓,w[S]逐渐降低;当DRI配比从10%增至40%时,η(Fe)和w(TFe)均呈缓慢上升趋势,w[P]逐渐降低,w[S]逐渐升高;当炉渣碱度从1.75增至2.75时,η(Fe)缓慢降低,w(TFe)先略微升高后降低,w[P]和w[S]均呈降低趋势;综合考虑可得最适宜条件为熔炼温度1600~1650℃、熔炼时间5~15 min、DRI配比30%、炉渣碱度2.5,此时可获得优质的钢水,其铁收得率η(Fe)超过94%,w(TFe)不低于99.8%,w[P]和w[S]均不超过0.018%.本研究结果可为电炉冶炼氢基直接还原铁提供参考与借鉴. 展开更多

关键词 氢基直接还原铁 电炉 短流程 熔炼 铁收得率

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基于DFT的氢基竖炉内H_(2)和CO在Fe_(2)O_(3)(0001)表面反应的机理

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作者 唐珏 储满生 +1 位作者 刘西财 刘杰 《东北大学学报(自然科学版)》 北大核心 2025年第7期139-147,共9页

氢基竖炉工艺可显著减少CO_(2)排放,是钢铁工业绿色低碳发展的有效途径.本研究基于密度泛函理论(DFT),深入研究了氢基竖炉冶炼过程中H_(2)和CO与Fe_(2)O_(3)的反应机理.结果表明:H_(2)分子最稳定吸附构型的吸附能为-1.65 eV,CO分子为-2.... 氢基竖炉工艺可显著减少CO_(2)排放,是钢铁工业绿色低碳发展的有效途径.本研究基于密度泛函理论(DFT),深入研究了氢基竖炉冶炼过程中H_(2)和CO与Fe_(2)O_(3)的反应机理.结果表明:H_(2)分子最稳定吸附构型的吸附能为-1.65 eV,CO分子为-2.10 eV,CO分子吸附占优.H_(2)分子反应时的能垒为0.64 eV,CO分子为1.40 eV,H_(2)分子与Fe_(2)O_(3)反应在动力学上占优.升高温度虽然不利于气体分子的吸附,但有利于还原反应的进行,因此升高温度可以弥补H_(2)分子吸附及反应在热力学上的劣势.对于富氢或纯氢竖炉,可以提高操作压力,同时适当提高还原温度以加快反应速率,但应确保吸附效率. 展开更多

关键词 氢基竖炉 密度泛函理论(DFT) Fe_(2)O_(3) 反应机理 吸附能 能垒

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含氢冷却气对热态氧化球团冷却过程的影响

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作者 储满生 董俊龙 +2 位作者 李峰 唐珏 田宏宇 《材料与冶金学报》 北大核心 2025年第5期476-486,共11页

在“双碳”背景下,高温氧化球团的余热回收成为钢铁生产的一个节能潜力点.采用氢气将热态氧化球团冷却,可提高球团的金属化率,降低后续冶炼工序的能量需求.本文中采用数值模拟方法,分析了冷却气流量及其氢气占比对球团冷却行为、金属化... 在“双碳”背景下,高温氧化球团的余热回收成为钢铁生产的一个节能潜力点.采用氢气将热态氧化球团冷却,可提高球团的金属化率,降低后续冶炼工序的能量需求.本文中采用数值模拟方法,分析了冷却气流量及其氢气占比对球团冷却行为、金属化率、能量利用率及气体利用率的影响,同时还利用热态实验探索了冷却气对预还原球团冶金性能的影响.结果表明:适宜的冷却气流量可提升预还原球团的金属化率、能量利用效率和冷却气的利用率,过量的冷却气会导致降温过快,从而减少化学反应吸热,使金属化率下降;随着冷却气中氢气占比的增大,金属化率升高,但能量利用效率和冷却气利用率均降低;当采用纯氢冷却、气流量(标准状况下冷却1 t氧化球团)为800 m^(3)/t时,炉内气流分布均匀,冷却效果最优,预还原球团的金属化率、[火用]效率、冷却气利用率分别为31.5%,23.48%和26.4%;纯氢条件下冷却得到的预还原球团金属化率、抗压强度、转鼓指数分别为34.77%,1902 N/个和98.21%,其抗压强度和转鼓指数均满足后续生产需求. 展开更多

关键词 氧化球团 氢气冷却 数值模拟 金属化率

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无氧化喷雾冷却数值模拟

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作者 许正焕 刘军祥 +1 位作者 于庆波 王鑫 《冶金能源》 北大核心 2025年第1期45-50,共6页

针对热镀锌铝镁带钢的喷雾冷却过程,采用组分输运模型进行三维瞬态模拟,主要探究喷嘴的入口压力、喷雾角、质量流量等条件对带钢冷却的影响。结果表明,随着N 2和C_(5)H_(12)压力的增加,液滴平均直径减小,带钢中心冷却速率增加,且增加N ... 针对热镀锌铝镁带钢的喷雾冷却过程,采用组分输运模型进行三维瞬态模拟,主要探究喷嘴的入口压力、喷雾角、质量流量等条件对带钢冷却的影响。结果表明,随着N 2和C_(5)H_(12)压力的增加,液滴平均直径减小,带钢中心冷却速率增加,且增加N 2压力对冷却速率的增益效果明显不如增加C_(5)H_(12)压力的;喷雾角在一定范围内增大时,带钢宽度方向温度不均匀性减小;随着质量流量的增加,壁面换热能力增加,带钢的冷却性能提升;使用ANOVA单因素分析法对各个因素的显著程度进行排序:C_(5)H_(12)压力>N 2压力>质量流量>喷雾角。 展开更多

关键词 喷雾冷却 数值模拟 冷却特性 单因素分析 SMD

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三水乙酸钠复合相变材料的制备与热性能研究 被引量：4

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作者 尹国超 刘军祥 +1 位作者 于庆波 王浩磊 《储能科学与技术》 CAS CSCD 北大核心 2023年第12期3643-3654,共12页

本工作以羧甲基纤维素钠作为增稠剂,并分别以十二水磷酸氢二钠、无水磷酸氢二钠、纳米Al_(2)O_(3)及经十二烷基硫酸钠改性的纳米Al_(2)O_(3)作为成核剂,以石墨作为导热增强剂,采用熔融共混法制备出一系列复合相变材料(composite phase c... 本工作以羧甲基纤维素钠作为增稠剂,并分别以十二水磷酸氢二钠、无水磷酸氢二钠、纳米Al_(2)O_(3)及经十二烷基硫酸钠改性的纳米Al_(2)O_(3)作为成核剂,以石墨作为导热增强剂,采用熔融共混法制备出一系列复合相变材料(composite phase change materials,CPCMs)。通过红外光谱仪、扫描电镜、差示扫描量热仪和温度采集系统对CPCMs的成分、形貌和热性能等进行综合分析,结果显示,在三水乙酸钠基体中添加2%羧甲基纤维素钠/3%十二水磷酸氢二钠或2%羧甲基纤维素钠/1%改性纳米Al_(2)O_(3)能有效解决SAT相分离和过冷度大的问题,DSC分析结果显示CPCMs的相变焓维持在247.98 J/g和244.64 J/g的水平。在三水乙酸钠基体中加入2%羧甲基纤维素钠/3%十二水磷酸氢二钠/1%石墨或2%羧甲基纤维素钠/3%十二水磷酸氢二钠/1%改性纳米Al_(2)O_(3)/1%石墨能在不提高过冷度的同时增强CPCMs的导热能力,对CPCMs进行了快速循环蓄放热实验,通过T-history法计算相对潜热的变化,结果发现,随着循环次数的增加,前者热衰减率不断增加,在循环次数达到40次后趋于稳定,热衰减约23%,而后者在经过50次循环后过冷度有增加的趋势。本研究有助于推动相变材料在储热领域的应用,并为高焓值和高稳定性三水乙酸钠复合相变材料的研发提供实验依据。 展开更多

关键词 三水乙酸钠 增稠剂 成核剂 石墨 循环蓄放热实验

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二元碱度和镁铝比对低硼高铝渣冶金性能的影响 被引量：1

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作者 梁子明 柳政根 +1 位作者 储满生 李淑宝 《材料与冶金学报》 CAS 北大核心 2024年第5期456-464,共9页

以国内某钢铁企业现场高炉渣为研究对象,系统研究了w(CaO)/w(SiO_(2))(即二元碱度R_(2))和w(MgO)/w(Al_(2)O_(3))(即镁铝比M/A)对低硼高铝渣黏度η、熔化性温度T_(Br)、黏流活化能E_(η)的影响.结果表明:当R_(2)从1.10增至1.30时,η先... 以国内某钢铁企业现场高炉渣为研究对象,系统研究了w(CaO)/w(SiO_(2))(即二元碱度R_(2))和w(MgO)/w(Al_(2)O_(3))(即镁铝比M/A)对低硼高铝渣黏度η、熔化性温度T_(Br)、黏流活化能E_(η)的影响.结果表明:当R_(2)从1.10增至1.30时,η先显著降低,之后趋于平缓,当R_(2)为1.25时,炉渣的高温(1773K)黏度η_(1)最低,为0.227 Pa·s,在此期间,炉渣中的硅铝酸盐网络结构发生解聚,T_(Br)和液相线温度均呈现升高趋势,高熔点基础物相黄长石的衍射峰强度增大,E_(η)先显著升高,再缓慢降低;当M/A从0.40增至0.65时,η先显著降低,之后趋于平缓,当M/A为0.55时,渣系的冶金性能趋于稳定,η_(1)为0.226 Pa·s,在此期间,炉渣中的硅铝酸盐网络结构发生解聚,T_(Br)和液相线温度总体均呈现降低趋势,高熔点基础物相黄长石相的衍射峰强度减小,E_(η)先缓慢降低,再显著升高.综合考虑,当R_(2)为1.25,M/A为0.55时,低硼高铝渣的η_(1),T_(Br)和E_(η)均较低,此时炉渣具有良好的冶金性能. 展开更多

关键词 低硼高铝渣 二元碱度 镁铝比 黏度

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工业熔渣离心粒化数值模拟 被引量：1

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作者 于佳曲 刘军祥 +2 位作者 于庆波 段文军 秦勤 《材料与冶金学报》 CAS 北大核心 2024年第1期9-15,35,共8页

针对熔渣离心粒化过程,采用VOF法对粒化器中的气液两相流动进行三维瞬态模拟,主要对铜渣和高炉熔渣两种冶金渣在不同转速下生成的液丝与液滴特性进行了对比分析.结果表明:同转速下,与铜渣相比,高炉熔渣的破碎波长、尖端直径、破碎波长... 针对熔渣离心粒化过程,采用VOF法对粒化器中的气液两相流动进行三维瞬态模拟,主要对铜渣和高炉熔渣两种冶金渣在不同转速下生成的液丝与液滴特性进行了对比分析.结果表明:同转速下,与铜渣相比,高炉熔渣的破碎波长、尖端直径、破碎波长与尖端直径的比值、破碎长度均更大;不同转速下,同种熔渣破碎波长与尖端直径的比值趋于一致,破碎长度与尖端直径的比值与韦伯研究的结果相似;铜渣和高炉熔渣粒化产生的颗粒粒径均随转速的增大而减小,与高炉熔渣相比,铜渣在粒化过程中可以获得大量更小尺寸的颗粒;随着转速的增加,铜渣的平均粒径变化较小,更有利于从高温颗粒中回收余热. 展开更多

关键词 离心粒化 熔渣 VOF

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熔融氯化镁转杯粒化实验

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作者 张强 刘军祥 +2 位作者 于庆波 段文军 秦勤 《材料与冶金学报》 CAS 北大核心 2024年第6期533-538,共6页

熔融氯化镁作为镁热还原法(Kroll法)生产海绵钛过程中的副产品,蕴含着高品质的余热资源,为了有效地回收其热量,采用转杯离心粒化法将熔融氯化镁破碎成球形颗粒,研究了转杯转速和熔液质量流量对氯化镁颗粒的平均粒径、粒径分布的影响.结... 熔融氯化镁作为镁热还原法(Kroll法)生产海绵钛过程中的副产品,蕴含着高品质的余热资源,为了有效地回收其热量,采用转杯离心粒化法将熔融氯化镁破碎成球形颗粒,研究了转杯转速和熔液质量流量对氯化镁颗粒的平均粒径、粒径分布的影响.结果表明:随着转杯转速的增加和熔液质量流量的减小,颗粒的平均粒径呈逐渐减小的趋势,较大直径的转杯能够获得更小尺寸的颗粒;颗粒粒径主要分布在0~2 mm,随着转杯转速的增加和熔液质量流量的减小,颗粒向小粒径方向集中. 展开更多

关键词 熔融氯化镁 离心粒化 平均粒径 粒径分布

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50%CO_(2)+50%CO气氛条件下金属化炉料与焦粉耦合过程的非等温反应动力学 被引量：1

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作者 闫瑞军 柳政根 +1 位作者 储满生 刘培军 《材料与冶金学报》 CAS 北大核心 2023年第6期511-517,531,共8页

研究金属化炉料与焦炭的非等温耦合过程,可为阐明新型炉料结构的反应行为提供理论基础.本文中在50%CO_(2)+50%CO气氛下对金属化率为51%的炉料、焦粉及两者混合物料的非等温反应动力学进行研究,采用Coats-Redfern法计算并分析了耦合反应... 研究金属化炉料与焦炭的非等温耦合过程,可为阐明新型炉料结构的反应行为提供理论基础.本文中在50%CO_(2)+50%CO气氛下对金属化率为51%的炉料、焦粉及两者混合物料的非等温反应动力学进行研究,采用Coats-Redfern法计算并分析了耦合反应的表观活化能和反应机理.结果表明:混合物料在1 014 K时开始发生氧化增重反应,并在1 248 K时增重速率达到最大,与单金属化炉料的特征温度相近;混合物料的快速失重温度低于单焦粉的快速气化温度,这是由于焦炭气化与炉料还原起到了耦合增效作用;混合物料增重阶段的机理模型由单金属化炉料的R_(2)模型变为F_(2)模型,表观活化能由134.66 kJ/mol增至371.02 kJ/mol;焦粉气化的机理模型为F_(2)模型,表观活化能为389.45 kJ/mol;混合物料失重阶段的机理模型为D_(6)模型,表观活化能为778.04 kJ/mol. 展开更多

关键词 金属化炉料 焦炭 耦合过程 反应机理 活化能

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镍基双效催化剂催化焦油重整制氢实验

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作者 张津宁 谢华清 +2 位作者 吴贞国 郭锐 陆寒 《材料与冶金学报》 CAS 北大核心 2023年第4期403-408,共6页

采用共沉淀法制备Ni-CaO-(CaO)_(12)(Al_(2)O_(3))7双效催化剂并用于焦油的吸附强化重整制氢研究,选用均匀试验法设计实验,考察温度、水碳比及催化剂质量对焦油的吸附强化重整反应过程中氢产率的影响,获得最佳重整反应条件.对双效催化... 采用共沉淀法制备Ni-CaO-(CaO)_(12)(Al_(2)O_(3))7双效催化剂并用于焦油的吸附强化重整制氢研究,选用均匀试验法设计实验,考察温度、水碳比及催化剂质量对焦油的吸附强化重整反应过程中氢产率的影响,获得最佳重整反应条件.对双效催化剂进行Ce掺杂改性,考察不同的Ce质量分数对催化剂性能的影响.研究结果表明:在镍基双效催化剂的作用下,当温度为740℃、水碳比为15、催化剂质量为30 g时氢产率最高,为83.29%,而实际反应中氢产率为81.98%,二者相对误差较小且在允许范围内;Ce的掺杂改变了活性组分的分布情况,促进了焦油重整反应、水煤气变换反应的进行,其中掺杂6%Ce(6%为Ce的质量分数)的改性催化剂表现出了最好的催化活性,氢产率可达86.84%. 展开更多

关键词 焦油 氢气 双效催化剂 CO_(2)吸附 改性

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