梯队负责人: 朱荣 教授

梯队成员:  朱荣, 郭汉杰, 仇永全

梯队简介：

该研究梯队科研方向为冶金工艺、理论及节能产品开发。主要包括：炼钢节能、冶炼控制理论及应用研究领域，特别在电炉炼钢、转炉炼钢用氧技术方面，研究水平处于国内领先地位，其研究成果已在国内外大面积推广应用，多次获省部级科技奖励。在特殊用钢的研究领域进行了卓有成效的研究，为企业提供了特殊钢冶炼的研究方法。在国内冶金物理化学理论研究方面，特别在金属、熔渣及水溶液的共存理论及品种开发方面做了大量研究工作，取得了新的研究进展。在铁水脱硫理论与工艺、精炼工艺及设备、活性石灰生成机理及反应动力学研究方面获得研究结果并推广应用。此外在冶金环境治理及冶金资源利用方面已有初步研究结果。

代表性研究内容或成果简介：

1）电炉炼钢吹氧技术

电炉炼钢USTB炉壁集束供氧技术能有效地将化学能引入电炉熔池中，对熔池进行集束吹氧，完成助熔，二次燃烧，和强化脱碳升温等冶金任务。采用燃气保护或环氧保护的集束氧射流的有效喷射长度较常规的炉壁助熔烧嘴及氧枪延长40%以上，使其穿透力和利用效率大大提高。

该技术适应于提高电炉炼钢的冶炼节奏，降低电耗及冶炼成本；特别适应热装铁水后脱碳及升温任务重的电炉冶炼。铁水热装比可达到70-80％，实现电炉炼钢冶炼“零电耗”，同时可通过计算机模型实现电炉用氧的全自动操作。

项目获奖及申请专利情况：获教育部科技进步一等奖、二等奖多项，获冶金科技进步二等奖；电炉炉门吹氧装置获广州市科技进步二等奖。电炉电炉炼钢炉壁氧气及碳粉喷吹模块等多项技术通过省部级鉴定，达到世界先进水平。申请相关专利10项，获得专利技术7项。

项目的最新进展及达到的水平：本项目组拥有各类高技术研究开发及设计人才，同时拥有现代化的燃烧实验室，可以根据电炉炼钢厂的生产及工艺特点进行设计、制造，使项目达到预定的工艺技术指标。在电炉炼钢生产具备一定条件下，采用本项目组现代电炉强化供氧技术，能使电炉的主要技术指标达到国内领先或先进水平。

在外部条件不影响电炉冶炼的条件下（所有电炉的机械、电气控及车间生产能力达到产能要求后），如50吨超高功率电炉最终可达到的指标为：全废钢冶炼，周期为70min以内；热装铁水40－50％，冶炼周期60min以内，通电时间在50－55min，冶炼电耗在250Kwh/t左右，电极消耗为2kg/t以内，冶炼氧耗为50－60Nm3/t。

2）用于三峡电站的70万kW大型水轮机组转轮铸件制造技术及工艺开发

我国水电装机容量正在不断扩大，根据国家确定的水电开发目标，到2015年水电装机容量将达到1.5亿千瓦，到2020年水电装机容量将超过2.3亿千瓦。因此，国家将陆续建设133台大型水电机组。其中包括未来装机的三峡地下电站6台机组，金沙江规划的梯级电站机组等。每套水轮机转轮需要1个上冠、1个下环和13－15片叶片铸件，每套70万千瓦水轮机组铸件净重430吨左右，水轮机组大型不锈钢铸件只有少数几个工业发达国家能够生产。三峡左岸机组的大型铸锻件完全依赖进口，三峡右岸12台机组的大型铸锻件也基本依赖进口。韩国斗山重工集团已将罗马尼亚的水轮机铸件生产厂收购，形成了大型水轮机铸件国际市场的垄断格局。为了摆脱我国大型水轮机转轮铸件受制于人的局面，需要对大型水轮机转轮铸件制造技术进行攻关。

大型水轮机转轮铸件属于超低碳不锈钢铸件，三大铸件各有特点。上冠铸件属于厚大铸件，在铸造过程中补缩困难，容易产生缩孔、疏松缺陷；下环铸件属于大型筒类件，铸造过程中收缩受阻，容易产生裂纹缺陷；叶片属于变曲面铸件，铸造和热处理过程中容易产生变形，而且变形规律难于掌握，造成铸件加工余量过大。

本课题以三峡水轮机转轮上冠、下环和叶片为研究对象，根据各个铸件的不同特点，进行材料、冶炼工艺、铸造工艺、热处理工艺、打箱和补焊工艺研究，形成一套完整的大型水轮机转轮上冠、下环和叶片的制造技术，并进行产业化。

本项目针对三峡等70万千瓦(700MW)水轮机组转轮铸件国产化的迫切需求，对上冠、下环和叶片大型铸件的关键制造技术进行研究。攻克大型水轮机转轮铸件上冠、下环和叶片的合金成分设计、纯净化冶炼、铸造、高温打箱、热处理和补焊等关键技术。解决大型水轮机转轮铸件制造过程中钢水冶炼的硫、磷和氢、氧、氮气体含量的控制；上冠和下环的缩孔、疏松、裂纹等缺陷控制；下环和叶片的变形控制及铸件生产效率低等问题。实现为三峡等70万千瓦水轮机组及其它大型水轮机组的全面配套应用，基本满足国内市场需求。目前项目已基本完成，准备向科技部汇报验收。

3）铁水预处理脱硫技术

已开发成熟世界上最先进的两种铁水预处理脱硫工艺方法，即（1）机械搅拌法，即在日本广泛流传的KR法，已经过改进，进入一个新的阶段；（2）喷吹法，铁水罐顶喷纯化镁脱硫，形成了具有自主知识产权的技术工艺。喷吹法采用具有较高精度的脱硫剂喷吹量的控制模型（可选择的和可即时调控的），提高了镁的利用率，降低喷粉生产成本，同时达到目标硫数值。设备采用高技术喷射器系统；带气化室的喷枪；PLC全程程控和计算机操作等。根据搅拌法的弱点开展了攻关，解决了搅拌头的寿命和铁水温降大的问题。同时开发了以CaO为主要原料作为脱硫剂，达到了最佳的脱硫指标，同时研究了石灰的活性度和颗粒度的最佳要求。从目前已经使用的效果看，使用这种廉价且效果良好的脱硫剂，很容易地实现深脱硫的效果。

喷射冶金在冶炼生产过程的应用非常广泛，采用喷吹的办法将脱硫剂加入到铁水中进行脱硫，显然是可行的，而且也很容易为人们所接受。然而由于喷吹法不能获得很好的动力学条件，因此，要想获得好的脱硫效果，就必须选用好的脱硫剂。否则无法实现深脱硫，而且脱硫效率低，效果不稳定。北京科技大学经过多年的研究已经很好地解决了这个问题。为了解决好动力学条件的问题，侧重开发使用更具脱硫效率的脱硫剂，经过多次实验研究，我们选择在线单吹或混合镁粉复合喷吹法，况且重点研究了镁粒的粒度、铁水温度和铁水液面高度对脱硫动力学的影响，已在国内外核心刊物发表论文5篇，在企业取得了很好的效果。

搅拌法在脱硫过程中的动力学条件得到了根本性的改善，而且还可以用CaO完全替代CaC2取得非常好的脱硫效果，从而省去了使用碳化钙的危险性。传统的搅拌法的缺点是搅拌头的寿命低，铁水温降大，这两个问题，都已得到很好的解决，特别是铁水温降问题，通过对脱硫机理和脱硫剂的改进，我们可以把温降控制在15度范围内，这一指标很可能是世界先进水平。

4）  RH精炼过程浸渍管侵蚀机理

采用显微结构分析和冶金热力学计算相结合的方法，对210t RH-TOP精炼装置下线浸渍管内衬镁铬砖的蚀损机理进行了研究；同时，在实验室浇注料抗渣侵蚀实验的基础之上分析了浸渍管外部浇注料的局部侵蚀机理。研究发现：

在钢液与内衬镁铬砖的工作层反应界面上，镁铬砖内的组元除了与钢液中组元发生化学反应之外，也会向钢液中溶解其中镁铬尖晶石中的Cr2O3溶解程度最大。此外，上述过程也可以在镁铬砖内部发生。镁铬砖组元的溶解以及与钢液组元的发生的化学反应是镁铬砖损毁的原因之一；当镁铬砖工作环境的气氛发生氧化还原变化时，镁铬砖内的镁铁尖晶石与镁浮士体之间反复转变，其体积也随之发生显著变化，这种变化会导致砖体内部的开裂；渗透进入砖缝或砖裂纹的钢液在精炼间隙由于温降会凝固，温度循环时渗透进入砖体的钢液又会熔化。在钢液凝固与熔化的过程中常伴随着体积效应，同时钢液凝固的过程中也造成镁铬砖工作层中不连续的应力。致使砖体内部产生更多的裂纹，伴随着钢液的机械冲刷与热震作用常会产生结构剥落；渗透层方镁石晶间的镁铬尖晶石以及方镁石脱溶出的二次尖晶石的大量减少是由于Cr2O3向渣中溶解导致的。晶间二次尖晶石溶解的同时，熔渣填充了主晶相的晶间，晶间尖晶石被低熔点相CaSiO3和CaMgSi2O6代替。晶间尖晶石的溶解和低熔点相的填充降低了主晶相的结合程度，促进了砖内组元的溶出和组织的分离。

熔渣中的Al2O3和镁铬砖内的方镁石反应，在工作层与渗透层之间生成的镁铝尖晶石由于体积效应会在其周围产生裂纹；同时由于镁铝尖晶石为高熔点物质，因此镁铝尖晶石又会像“隔离层”一样阻止熔渣的进一步渗透；渗透层内生成的低熔点物质一方面使耐火材料的晶相骨架结构被破坏，砖的高温强度降低，加速了镁铬砖的溶损速度；另一方面，由于低熔点物质生成的液相迁移，使耐火材料收缩，砖体内部形成裂纹，加快了渣蚀和结构剥落的速度；内衬镁铬砖的蚀损过程是其与钢液的化学反应，钢液的机械冲刷，钢液的渗透，熔渣的渗透与化学反应，以及RH精炼过程中热震作用共同作用的结果。内衬镁铬砖产生结构剥落之后，会形成又一个新的工作层，进而会形成又一个化学侵蚀与物理冲刷的过程，镁铬砖的损毁是一个反复循环的过程；

浇注料在渣-钢界面处的侵蚀程度是最严重的，其次是渣-空气界面处的部分，侵蚀程度最小的是渣-钢界面与渣-气界面之间的部位，即在两个界面之间存在的熔渣对浇注料也有侵蚀，但侵蚀程度没有渣-钢界面和渣-空气界面严重；炉渣碱度一定时，随着渣中Al2O3含量的增加，浇注料在渣-空气界面和渣-钢界面的局部侵蚀程度均降低；当渣中Al2O3含量一定时，随着炉渣碱度的提高，浇注料在渣-空气界面，渣-钢界面的局部侵蚀程度均降低；由浓度梯度产生的表面张力梯度和界面张力梯度引起的浇注料-渣-空气界面处和渣-钢-浇注料处渣膜的马朗戈尼对流，均有效地促进了相界面处物质的传递，加快了浇注料的局部侵蚀。

在改善浇注料侵蚀方面，由浇注料的成分来看，添加CaO含量在4.9%-7.5%时，刚玉浇注料具有很好的抗热震性。电熔刚玉粒度、氧化镁、水泥及硅微粉加入量对刚玉-尖晶石质浇注料的线膨胀率影响显著，增加电熔刚玉粒度和硅微粉的加入量，试样的线膨胀率减小，有效地抑制了刚玉-尖晶石质浇注料在烧成过程中的线膨胀行为;增加氧化镁和水泥的加入量，试样的线膨胀率呈增加趋势。