含铁除尘灰是钢铁生产过程中的典型固废.本文中将除尘灰和煤粉混合喷吹进入高炉,通过建立数学模型对高炉风口回旋区的温度分布、煤粉燃尽率及煤气成分的变化进行研究.结果表明:在鼓风富氧率为3％、风温为1 473 K、煤比为140kg/t的条件下,当除尘灰喷吹量(质量分数,下同)由0增至10.0％时,最大燃烧温度由2 519 K降至2 389 K,煤粉燃尽率由70.5％降至63.1％,回旋区附近的CO和C02质量分数均呈下降趋势;添加除尘灰后,高炉风口回旋区附近的煤气成分发生变化.因此,建议高炉煤粉与除尘灰混合喷吹时,应在满足高炉冶炼煤粉燃尽率的情况下确定除尘灰喷吹量.
以经过83 500h长期在线服役的P91钢蒸汽管道接头作为研究对象,分析了其显微组织演化对疲劳裂纹扩展行为的影响.结果表明:长期服役后接头组织的主要变化为碳化物长大、小角度晶界比例降低和位错密度降低,并以接头热影响区(heat affected zone,HAZ)的碳化物长大和位错密度降低最为明显;长期服役后接头在熔合区(fusion zone,FZ)显著硬化、HAZ未见硬度异常的情况下,近门槛区疲劳裂纹扩展抗力已明显降低,以HAZ的疲劳裂纹扩展抗力退化最为显著;在P91钢接头高温服役过程中,HAZ缺陷和亚结构的演化促进了 C,Cr,Mo等合金元素的扩散,引起HAZ碳化物的明显长大及位错密度降低,这是导致HAZ疲劳裂纹扩展速率显著升高(尤其是疲劳裂纹扩展门槛值ΔKth显著降低)的重要原因.
尿素氧化反应(urea oxidation reaction,UOR)是直接尿素燃料电池的核心反应进程,其关键步骤是高效尿素氧化电催化剂的制备.本文中将电沉积法与去合金化法相结合,成功制备出多孔网状结构Ni-Co-Se-1催化剂,并研究了其电催化氧化尿素的性能.结果表明:该催化剂表现出优异的尿素氧化活性和稳定性,催化起始电位为1.29 V(vs.RHE);当电流密度为100mA/cm2时,尿素氧化电位为1.38 V(vs.RHE),塔菲尔斜率为70.50 mV/dec,Cdl值为102.29 mF/cm2;当电流密度为10 mA/cm2时,催化剂的工作电位在12 h内基本保持不变;催化剂良好的尿素氧化催化性能主要与其较大的电化学比表面积(ECSA)和较小的电荷转移电阻有关.
以MnSO4为基础锰源,分别采用3种路径(MnSO4+KMnO4+LiOH 一步水热法;自制MnOOH/Mn3O4+LiOH分步水热法)制备出o-LiMnO2,然后在400 ℃下焙烧6 h获得富锂锰氧化物Li1.6Mn1.6O4.讨论了锂锰比(Li和Mn的摩尔比,下同)工艺参数对合成o-LiMnO2过程的影响,并使用X射线衍射仪和扫描电镜对3种路径制备的产物进行比较分析.结果表明:自制Mn3O4的分步法在锂锰比为6-12时可制得纯相o-LiMnO2,一步法与自制MnOOH锰源的分步法在锂锰比4～20时,制备的LiMnO2均混有杂质相;3种路径制得的o-LiMnO2经焙烧后,均可得到结晶度较好的纳米级Li1.6Mn1.6O4锂离子筛前驱体,由Mn3O4制备的o-LiMnO2呈现特殊棒状形貌,而由MnOOH制备的o-LiMnO2则呈立方状形貌.
为了明确分散剂六偏磷酸钠(SHMP)作用下氧化铈(CeO2)悬浮性能的变化规律和机理,对CeO2颗粒沉降速率和粒度分布进行测试,研究了分散剂SHMP添加量(质量分数,下同)和悬浮液pH值对CeO2抛光液悬浮性能的影响.结果表明:随着SHMP添加量和悬浮液pH值的升高,CeO2颗粒的沉降速率呈先降低后升高的趋势;当SHMP添加量为5％、悬浮液pH值为11时,CeO2的沉降率达到最小(20％),粒度分布小于0.2 pm的颗粒积累量达到最高的(94.66％),悬浮液分散稳定性最好.采用Zeta电位、电导率、黏度、粗端粒度大小、颗粒间作用能分析、XPS和FT-IR测试手段,分析了 SHMP对CeO2悬浮液的作用机理.结果表明:SHMP中的PO3-会与CeO2中的Ce3+配合,且高pH值悬浮液还能够促进这种配合反应,使Zeta电位绝对值升至10.94 mV,悬浮液的黏度和电导率分别降至132 mPa·s和36.5 mS/cm,CeO2颗粒在溶液中的分散稳定性得到提高.
为发挥结晶器电磁搅拌作用、提高铸坯质量,以断面250 mm×300 mm的大方坯结晶器为研究对象,采用数值模拟方法分析了结晶器电磁搅拌(M-EMS)模式对结晶器内流动特性的影响.研究结果表明:M-EMS可使结晶器内钢液由无电磁搅拌时的上下流动为主转变成水平流动为主,并伴随钢水的流速明显增加;采用正反转交替式电磁搅拌,不仅使结晶器内的流动呈现周期性变化,还能大幅度降低结晶器的液面活跃程度;同时,增加电磁搅拌的电流加载时间可使结晶器内钢液流速峰值增加.综合考虑电磁搅拌效果和电磁利用率,搅拌电流强度为500 A、电流加载时间为10-15 s、间歇时间不小于5 s是最适宜的电磁搅拌模式.在优化电磁搅拌模式后,结晶器液渣层厚度的均匀性与铸坯质量均得到改善.
针对某钢厂步进式板坯加热炉,建立了炉内燃烧、流动及传热的全耦合三维模型,并使用滑移网格模拟钢坯运动.为了实现MILD富氧燃烧,采用在加热炉侧烧嘴旁通入高速氧气射流的方式卷吸烟气及燃料,重点分析了该工况下加热炉内流场、温度场、钢坯温度、加热炉产量及NOx排放的变化情况.结果表明:经MILD富氧燃烧改进后,加热炉侧烧嘴的加热能力得到提高,钢坯在炉宽方向上的受热均匀性也得到保证;将钢坯加热至符合出炉温度需要114 min,使用的燃料量为96 307.7 m3,加热炉产量提高了 6.35％,烟气出口的NOx浓度为58.35 mg/m3,NOx排放量减少了 46.5％.
高镍三元正极材料LiNixCoyMn1-x-yO2,x≥0.6)具有能量密度高、成本合理等优势,是目前最具发展潜力的锂离子电池正极材料之一.然而,NCM在高截止电压下(≥4.3V)会出现加剧的不可逆相变、阳离子混排及过渡金属溶出等问题,这极大地阻碍了其商业化进程.本文中选用Ca2+对LiNi0.7Co0.15Mn0.15O2(NCM70)材料进行掺杂改性,采用共沉淀法制备出前驱体LiNi0.7Co0.15Mn0.15(OH)2,随后通过高温固相法合成不同Ca2+掺杂量的NCM70正极材料,并探究了 Ca2+掺杂量对材料晶体结构、表面形貌、电化学性能的影响及其失效机制.结果表明:与本体NCM70材料相比,Ca2+掺杂改性的样品电化学性能得到显著提升;当掺杂量为0.5％时,NCM70-0.5％Ca材料具有最优的改性效果,它在倍率1 C、电压2.95～4.5 V下,首圈放电比容量为181.2 mAh/g,150圈循环后仍维持其初始容量的71.3％.
滚筒是冶金工业中常见的颗粒物料处理设备,不同颗粒在滚筒内的混合程度直接影响产品质量.本文中建立了滚筒内3种不同直径颗粒混合的离散元模型(discrete element model,DEM),通过与实验中的颗粒床动态休止角和颗粒速度对比验证了模型的准确性,并利用该模型探究了 3种不同直径颗粒在同体积和同数量两种工况下的颗粒离散分布、颗粒床动态休止角及颗粒速度分布,定义了离散中心和离散半径描述颗粒的空间位置关系.结果表明:在两种工况下,颗粒的离散分布结果均出现不同程度的"大包小"现象,而颗粒床动态休止角和颗粒平均速度几乎相等;在同体积和同数量工况下,颗粒的最大速度分别为0.143 m/s和0.109 m/s,颗粒直径与该直径颗粒整体的平均速度呈正相关.
采用固相燃烧法制备出包含{111},{110}和{100}晶面且呈单晶截角八面体形貌的LiMg0.02Mn1.98O4(LMMO)正极材料.结果表明,联合Mg掺杂和截角八面体单晶形貌调控所制备的尖晶石型LiMn2O4材料,既能有效抑制Jahn-Teller效应,又能减缓Mn溶解及增加部分Li+迁移通道,这对其晶体结构起稳定作用.与纯LiMn2O4(LMO)样品相比,Mg掺杂促进了尖晶石型LiMn2O4材料的结晶性和单晶截角八面体颗粒的形成.在1 C倍率下,LiMg0.02Mn1.98O4材料的初始放电比容量为116.8 mAh/g,200次循环后保持率为78.3％;在5 C和10 C高倍率下,LiMg0.02Mn1.98O4样品经1 000次循环后,其容量保持率分别为64.2％和56.3％,而未掺杂Mg的LiMn2O4样品的容量保持率分别为52.7％和38.7％.单晶截角八面体形貌的LiMg0.02Mn1.98O4材料有较大的Li+扩散系数和较低的表观活化能,这证明其有较好的倍率性能和长循环寿命.
铁矾渣作为湿法炼锌工艺生产过程中产生的副产品之一,重金属含量高且稳定性差,已被认定为危险废弃物.本文中使用热重差热分析仪对国内某湿法炼锌厂产出的铁矾渣的热分解过程进行研究,确定了其主要分解步骤及动力学参数,并考察了铁矾渣作为水泥配料时对水泥熟料生成的影响.结果表明:在260-430 ℃范围内,TG-DSC线有1个吸热峰,铁矾渣伴有15％的质量损失,该反应为铁矾的脱羟基过程(活化能E=185.06 kJ/mol、指前因子A=42 639 424 088);在500～700 ℃范围内,TG-DSC线有1个吸热峰,铁矾渣伴有22％的质量损失,这主要由硫酸盐分解所致(E=184.21 kJ/mol,A=7 959 984.333);通过计算得出铁矾渣热分解的动力学模型函数为G(a)=[(1/1-a)1/3-1]m.此外,当用铁矾渣替代氧化铁作为水泥熟料的配料时,随着铁矾渣添加量的增加,生成的硅酸盐含量下降,杂质含量增多.
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％CO2+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R2模型变为F2模型,表观活化能由134.66kJ/mol增至371.02 kJ/mol;焦粉气化的机理模型为F2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D6模型,表观活化能为778.04 kJ/mol.
金属钐是生产钐钴永磁材料的重要原料,主要采用真空镧热还原法制备.金属钐的生产周期长、生产效率低,而团块填充床层的传热是影响钐还原周期的主要因素之一.本文中借助数值模拟,研究了真空镧热还原氧化钐过程中坩埚内的温度及还原反应速率的分布,并提出了工业还原炉内团块填充方法的优化方案.结果表明:团块直径的变化对床层平均还原率的影响不大;坩埚中心区域的团块反应速度慢、反应滞后,反应20 h后床层的平均还原率达到80％,但从坩埚中心至0.4R的圆柱形区域内,物料几乎未发生反应;采用床层中心区域留空的方式能够有效缩短还原周期,提高原料的利用率;以单位时间床层单位体积内的钐产量为依据,中心区域留空的尺寸为0.4R和0.7R时,能获得较大的生产效率.
采用FactSage软件分别对B-O体系和B-C-O体系进行热力学研究,并绘制出B-O体系和B-C-O体系状态图.通过分析碳热还原过程中可能发生的化学反应以及反应随温度和分压的变化趋势,获得了B-C-O体系的优势区域图,探究了温度和分压对体系物相共存区域的作用规律.在热力学研究的基础上,提出了碳热还原制备碳化硼(B4C)的反应机理,并在不同温度下(1550～1800℃)通过还原实验进行验证.结果表明:B2O2是B-C-O体系中重要的气相组成之一,可直接参与B4C的形成;还原反应所制备的B4C存在不规则多面体和二维薄片状两种晶体形貌,且分别对应两种不同的B4C生成机理.
开发具有优良电催化活性和稳定性的非贵金属催化剂是尿素燃料电池发展的迫切要求.以泡沫镍为基体,采用一步电沉积法制备出具有纳米网状结构的镍钴基硒化物(Ni-Co-Se)电催化剂,并研究了其电催化氧化尿素的性能.结果表明:制备所得的电催化剂具有优异的电化学性能,在电流密度10mA/cm2的条件下,其尿素氧化电位为1.351V(vs.RHE),当电流密度增大至100mA/cm2时,尿素氧化电位为1.398V(vs.RHE),塔菲尔斜率为48.65mV/dec;在电流密度10mA/cm2的条件下,该电催化剂10h后仍能保持初始催化活性的80％;Ni-Co-Se电催化剂的电化学活性比表面积(93.31mF/cm2)较大,电子导电性(Rct=294Ω)良好.
以废弃硅钼棒为原料,采用放电等离子烧结(spark plasma sintering,SPS)技术在钽基体上制备出MoSi2涂层,研究了烧结压力对涂层微观形貌及其1600℃下抗氧化性能的影响.结果表明:在10～40MPa的范围内,提高烧结压力可增强涂层的致密性和阻氧能力,并且涂层表面大尺寸的裂纹消失,仅存在少量的微裂纹;经1600℃氧化50 h后,烧结压力分别为20,30,40MPa下所制备的涂层表面均完整无剥落,并形成连续的SiO2保护膜,可有效阻碍氧气扩散;当烧结压力为40MPa时,涂层的质量增益最低(7.4mg/cm2),其扩散层和玻璃膜较薄,此时涂层表现出最佳的防护效果.
炉喉在径向上炉料分布的变化规律是高炉生产操作人员调控布料制度的重要法宝.通过建立一套可反映高炉装料过程的数学模型,获得了不同阶段的速度分布、料流轨迹及炉料径向位置分布信息;根据某公司4000级高炉的开炉实验实测数据回归得到了适用于其自身装料过程的预测模型,利用此模型定量分析了不同参数(物性参数、料线高度、溜槽角度)对炉料落点位置的影响程度;同时还获得了适用于现场人员快速获取矿石溜槽角度yore与落点位置x和料线高度Hstockline的对应关系式yore=(7.7205-0.6266Hstockline)x+(7.95-0.0474Hstockline),以及焦炭溜槽角度ycoke与落点位置x和料线高度Hstockline的对应关系式ycoke=(7.7787-0.621Hstockline)x+(7.0974+0.0874Hstockline).利用上述公式可快速获取落点位置x对应的溜槽角度y,既能避免现场人员凭借经验带来的误差,又能实现智能控制.该模型计算结果具有较好的理论与实践意义.
合适的RH精炼终点钢水温度是保证连铸坯质量的重要前提.为了准确地预测RH精炼终点钢水温度,首先利用随机森林在处理高维数据集上的优势,采用袋外数据评分法进行特征选择,以确定模型的输入变量;然后利用Optuna框架优化XGBoost超参数,减少计算耗时,提高模型命中率;最后,结合实际的RH精炼生产数据进行模型验证.结果表明:与网格搜索和随机搜索相比,Optuna框架在优化XGBoost超参数的计算耗时和命中率上具有一定优势;与优化后的GBDT和LightGBM两种模型相比,优化后的XGBoost模型具有更好的预测性能,在偏差为±5℃时RH精炼终点钢水温度的命中率达到92％.
采用两种不同热态性能的焦炭与烧结矿进行矿焦耦合反应,探究了不同装填方式(分层填装和混合填装)下焦炭溶损与烧结矿还原的关系.结果表明:与分层装填方式相比,炉料的混合装填更能促进矿焦耦合反应,矿焦耦合反应过程中焦炭的溶损率与矿石还原度成线性关系,提炼线性方程参数斜率k和截距b分别来表征焦炭还原矿石的夺氧能力和初始状态;当由分层装填改变至混合装填时,矿焦耦合参数k值增加而b值降低,低反应性焦炭的k值增加了45.0％,高反应性焦炭的k值增加了7.8％,混合装填对低反应性焦炭夺取含铁炉料中氧原子能力的促进作用更强;改变炉料装填方式对低反应性焦炭的溶损行为影响较大,但对高反应性焦炭的溶损行为影响有限.
TC4钛合金薄壁构件通常采用热成形方式加工,其热成形前后的加热及冷却过程的温度变化速率会引起显著的微观组织演化,进而影响成形构件的力学性能.本文中设计并搭建了一套电阻加热及气体冷却装置,研究了热成形前后的温度、加热速率和冷却速率对TC4钛合金板材力学性能的影响.结果表明:加热速率对TC4钛合金的屈服强度影响显著,加热速率越快,板材冷却后的屈服强度越低;当板材分别以30,100℃/s加热至900℃后,再以200℃/s冷却至室温,其屈服强度相差24％;冷却速率对TC4钛合金的屈服强度同样影响显著,当板材以60℃/s加热至850℃后,再以200℃/s冷却至室温,其屈服强度比冷却速率为5℃/s时提高了16％.该研究结果可为TC4钛合金薄壁构件热成形温度参数的合理设计提供依据.
