基于三维分析的钢铁行业脱碳途径

脱碳是实现钢铁冶炼等碳基能源密集型行业碳达峰的关键手段。本研究提出了一种三维低碳分析方法,从资源利用（Y）、能源利用（Q）和能源清洁度（PGEF）三个维度,探讨钢铁企业的脱碳途径。本文对钢铁冶金长流程及其各工序、短流程电弧炉 (EAF)工艺、典型直接还原(DR)工艺及熔融还原(SR)工艺进行了三维低碳比较分析。研究表明,在研究钢铁行业脱碳路线时,考虑三维因素,特别是能源结构的影响对定量评价钢铁冶金新技术或新工艺的低碳效果具有重要意义。促进废钢回收（资源利用的优化）和碳基能源的替代（PGEF的优化）对实现钢铁行业低碳目标尤其重要。在工艺尺度方面,大力发展以废钢或者直接还原铁为原料的电弧炉短流程工艺是实现低碳目标的关键。该三维碳分析方法也可推广应用于其他诸如水泥生产和火力发电等能源密集型行业的低碳分析和评价。     

编者按:先进储能技术及关键材料专刊——献礼北科大70周年校庆

储能技术面向国家能源安全新战略,服务于风、光、水等可再生能源储存、转换及应用领域的国家重大战略需求,是实现“碳中和”“碳达峰”目标的技术核心。近年来,以电储能、热储能、氢储能等为代表的先进储能技术推动着高效储能系统逐步成熟。同时,包括二次电池,超级电容器,熔融盐材料,储氢材料等在内的电化学储能器件和储能材料都得到了迅速发展。 为庆祝北京科技大学成立70周年和其新成立的储能科学与工程系,经协商,由《矿物冶金与材料学报（英文版）》期刊出版“先进储能技术及关键材料”专刊。来自中科院物理所、北京理工大学、北京大学、清华大学、南开大学、上海大学、中科院过程所及北京科技大学等研究机构的顶尖科学家受邀分享他们在电化学储能材料、电化学储能器件及系统等方面的研究和展望;来自加拿大、丹麦和韩国的世界级科学家受邀分享他们在可再生能源制氢、车用燃料电池关键材料及器件等方面的研究和综述。 专刊包括了16篇文章,其中,1篇来自物理所陈立泉院士课题组,1篇来自北京理工大学吴峰院士课题组。所有论文围绕电化学储能和氢能储能的先进材料和器件,包括更高能量密度和更长寿命的材料设计和开发、对相关系统的描述和基本理解、以及电池材料的回收再利用。这些原创作品为了解先进储能材料和技术的最新进展和前沿提供了见解。 北京科技大学新成立的储能科学与工程系以“厚基础、重实践、深融合、强创新”为培养理念、以“电化学储能、先进储能材料、工业储能和智慧储能”为储能科学与工程本科专业特色、以“电储能、热储能、氢储能及碳中和”为储能化学与物理交叉学科博士和硕士学位研究生培养方向,构筑“四纵四横”的储能新格局。储能专业与学科方向致力于规模化基站储能破解可再生能源的“时空转移”、新能源车移动储能推动终端用能去碳化、工业储能破除行业能源壁垒、智慧储能重构我国能源体系。 客座编辑们希望通过本期专刊,为先进储能技术及储能材料提供一个广阔的视角,以期促进化学家、物理学家、材料科学家与交通运输、电力工业和冶金工业等用能企业之间的跨学科合作。我们衷心感谢所有作者和审稿人以及期刊编辑团队对本期特刊的奉献和大力支持。     

低碳减排的绿色钢铁冶金技术

 低碳减排是钢铁行业面临的最紧迫问题。回顾了国际钢铁工业环境治理、低碳减排技术研发现状,分析了低碳减排的重要发展趋势。高炉-转炉流程应重点发展以氢代焦为代表的低碳高炉炼铁技术,而特钢系统则应以发展富氢气基竖炉直接还原技术为主。特别指出,基于碳捕集和利用（CCU）思想,利用冶金废气制造化工产品是高炉-转炉流程最彻底、最合理、最可持续的减排方式,应当汇聚冶金、化工、能源、信息等行业的技术力量,实施碳排放趋零的钢铁-化工-能源一体化网络集成项目,即神威CCU项目（SCENWI CCU）,加紧冶金废气的捕集、输送、处理和化工工艺与产品开发。同时,发挥中国优势,基于工业互联网平台,建设冶金-化工-能源三大系统密切结合、协同管控、稳定运行的智能制造网络系统,解决系统的复杂性、动态性、波动性等关键瓶颈问题,支持钢铁行业碳排放问题的彻底解决,促进钢铁行业可持续、高质量发展。     

冶金行业战略环境评价应用研究初探

将战略环境评价引入冶金行业对于推动行业环境治理及发展低碳模式具有较强的现实性。首先提出开展冶金行业战略环境评价的理论及实践意义,然后,对战略环境评价现状及动态、开展冶金行业战略环境评价的可能性、冶金环境作用机理及仿真等方面进行国内外系统性分析探讨,最后立足冶金生态科学大尺度发展趋势,从冶金环境工程、冶金过程工程及冶金环境评价关系的视角阐明了开展冶金行业战略环境评价对于推动冶金工业生态化及发展低碳模式的理论及实践研究预期。     

太阳能光伏非碳冶金实验研究

通过现有铁源利用及碳冶金流程分析,提出了太阳能光伏非碳冶金概念.太阳能光伏非碳冶金研究包括高温冶炼、非碳还原介质的选择及还原-熔融三个方面.自主设计制造了1kg容量的太阳能非碳冶金系统,进行了三类非碳冶金实验.实验结果表明太阳能光伏非碳冶金在技术上可行,自主设计制造的太阳能光伏非碳冶金系统均能满足冶炼要求.高温冶炼实验光伏电池转换率9.8%,钢水热焓占总能量消耗5%;非碳还原制铁实验电解法电流效率平均为85.1%,最高可达97.6%;氢还原Fe2O3还原度影响因素由强到弱依次为:气氛、温度、时间、粒度.根据实验结果,研究还需深化,以寻求太阳能光伏非碳冶金系统更好的经济性、稳定性及可操作性.     

新一代钢铁生产技术相关基础研究与探索

传统钢铁工业具有规模巨大、能源与资源密集、工艺路线曲折的特点.中国能源和资源的状况要求未来钢铁工业引入循环经济的理念,用创新的思维开发新流程,逐步向冶金材料制备、能源转换和社会废弃物处理三大功能方向转变.结合这一战略思路,近年来,上海大学现代冶金与材料制备重点实验室开始在铁矿微粉低温氢还原、碳 氢铁浴混合终还原、废钢中痕量元素脱除、时空多尺度冶金理论与建模等方面进行一些相关的基础研究和探索.     

转底炉工艺的发展与实践

论文介绍了转底炉炼铁工艺在国内外的发展概况,重点阐述北京科技大学研究和开发转底炉炼铁技术所取得的经验与成果.结合国情和政策,认为我国当前应把"转底炉预还原 熔融造气炉终还原"双联工艺作为发展转底炉技术的方向,主要应用于为电炉提供热装铁水、钢铁厂粉尘回收利用和特殊矿综合利用等方面.     

高炉炼铁新技术的数学模拟研究

利用多流体数学模型对革新高炉炼铁技术进行了数学模拟,分析评价了革新操作对炉内现象及高炉生产指标的影响.这些革新炼铁技术包括高炉喷吹含氢物质实现富氢还原,高炉使用热压含碳球团实现低温炼铁,以及高炉炉顶煤气喷吹加强C和H的利用.多流体模型的模拟解析表明,高炉超高效率操作(高产、低能耗和低CO2排放)可通过这些革新技术的实际应用来实现.     

MOE法炼铁工艺的可行性

采用MOE法处理高炉冶炼用的铁精矿粉原料,对电解过程中的理论分解电压、吨铁所消耗的铁精矿粉量、CaO量及产生的渣量进行了分析。同时,对MOE法炼铁工艺及高炉炼铁工艺的能耗进行了分析。实验结果表明,MOE法在电解过程中阳极只有Fe3+铁离子的还原,因此可得到不含碳的纯铁。MOE法需要排渣及添加CaO过程,以维持其体系碱度在1.1左右。根据热力学方法计算出单纯的电解炼铁热耗标准煤为310.67 kg/t,远低于传统高炉炼铁部分能耗。     

MOE法炼铁工艺的可行性

采用MOE法处理高炉冶炼用的铁精矿粉原料,对电解过程中的理论分解电压、吨铁所消耗的铁精矿粉量、CaO量及产生的渣量进行了分析。同时,对MOE法炼铁工艺及高炉炼铁工艺的能耗进行了分析。实验结果表明,MOE法在电解过程中阳极只有Fe3+铁离子的还原,因此可得到不含碳的纯铁。MOE法需要排渣及添加CaO过程,以维持其体系碱度在1.1左右。根据热力学方法计算出单纯的电解炼铁热耗标准煤为310.67 kg/t,远低于传统高炉炼铁部分能耗。     

喷吹煤气后高炉热平衡

针对高炉富氧喷吹煤气的新工艺,进行了热平衡和物料平衡计算.通过分析研究得到:当富氧率为10%,喷吹600m3tFe时,与唐钢1#高炉相比,新工艺的焦比可降低约40%左右.同时炉内还原气氛强、冶炼强度高、能耗少、炉顶煤气热值高,风口理论燃烧温度可进行灵活的调节,高炉上下部热量可达到均衡的分配等特点,彻底消除了喷吹煤粉给高炉冶炼带来的负面影响.高炉富氧喷吹煤气具有十分诱人的开发应用前景.     

喷吹煤气后高炉热平衡

针对高炉富氧喷吹煤气的新工艺，进行了热平衡和物料平衡计算。通过分析研究得到：当富氧率为10％，喷吹600m^3tFe时，与唐钢1#高炉相比，新工艺的焦比可降低约40％左右。同时炉内还原气氛强、冶炼强度高、能耗少、炉顶煤气热值高，风口理论燃烧温度可进行灵活的调节，高炉上下部热量可达到均衡的分配等特点，彻底消除了喷吹煤粉给高炉冶炼带来的负面影响。高炉富氧喷吹煤气具有十分诱人的开发应用前景。     

如何确保冶金企业受限空间作业安全

我国冶金行业由矿山、烧结、焦化、炼铁、炼钢、轧钢以及相应配套专业和辅助工艺等构成一个完整的工业体系,决定了其产业流程长,工艺多,危险因素复杂,从业人员多,其中既有工艺所决定的高动能、高势能、高热能危险,又有化工生产的有毒有害、易燃易爆气体威胁,还有冶炼生产过程中采用的各类高温炉窑、产生的高温高能铁水、钢水及煤气等。因此,冶金企业安全管理难度大,较大以上事故发生频率高。     

编者按:《电磁波吸收材料专刊》

随着信息技术和电子工业的快速发展，隐身战机、雷达隐身、电子对抗、微波通信等设备在军事防御中发挥着越来越重要的作用。因此，设计和开发可广泛应用于微波领域的具有高性能和环境适应性的新型电磁波（EMW）吸收材料已成为重大先进军事装备现代化和升级中急需解决的关键问题和重大战略挑战。此外，如何有效地解决日益增长的电磁污染一直是困扰电磁波吸收领域研究人员多年的一个重要问题。为此，我们推出了电磁波吸收材料专刊，重点关注用于EMW吸收的材料的设计、合成、结构工程和环境适用性方面的最新进展和成就。同时，基于实验研究和理论模拟，揭示了改善EMW吸收行为的策略和基本机制。本期专刊共收录了15篇论文，包括12篇原始研究论文和3篇综述论文。     

富氧喷吹煤气新工艺条件下的高炉操作线

为了描绘出高炉喷吹煤气后原料和操作因素变化对炼铁过程能耗的影响,根据R ist操作线的基本思路,建立了喷吹煤气新工艺条件下高炉的操作线图。结果表明:由于还原煤气的氧化度出现变化,在操作线预还原和终还原的连接处出现了煤气氧化度的平移,但煤气的改变不会影响铁氧比的变化;与纯焦冶炼相比,W点右移了0.04     

孙淑云教授的冶金史治学之路——孙淑云教授访谈录

孙淑云教授,1969年毕业于北京师范大学生物化学专业,1972年到北京钢铁学院工作;1974年开始从事科学技术史研究与教学,主要研究冶金与材料史;1987-1988年,在澳大利亚卧龙岗大学冶金与材料系进行冶金考古合作研究;1992-2004年,历任北京科技大学冶金与材料史研究所副所长、党支部书记、所长,享受国务院特殊津贴;是“中国古代钢铁技术的发展历程”研究项目的主要完成人之一,该项目1987年荣获国家自然科学三等奖、国家教委科学技术进步二等奖;作为主要参加者和项目负责人先后承担“中国早期铜矿开采与冶炼技术的发展”、“铜镜’黑漆古’形成机理研究”、“冶金技术的社会功能研究”、“北京琉璃河西周燕都遗址出土金属器的科学研究”、“早期冶金技术对中华文明起源的作用”、“中华文明探源预研究”等国家级、省部级多项科研项目;并作为子项目负责人完成了“中日古代青铜器制作技术的比较研究”和“中日古代文物产地来源研究”两项中日合作项目及“中国冶金起源与早期交流”的中美合作项目;发表“中国早期铜器的初步研究”、“甘肃早期铜器的发现与冶炼制作技术的研究”、“铜镜表面＆#39;黑漆古＆#39;中痕像的研究”、“广西、云南、贵州古代铜鼓锈蚀产物的研究”、“中国传统响铜器制作工艺考察”、“商代早、中、晚期青铜器的比较研究”、“黄铜表面着色研究”等学术论文一百二十余篇,主编出版学术专著3部,在阐明中国冶金技术起源与早期发展的规律,以及中国古代独特的工艺技术方面取得了突出的学术成果.     

冶金考古行万里另辟蹊径探文明——李延祥教授访谈录

李延祥教授1985年9月起师从柯俊院士,先后攻读硕士、博士学位,于1995年6月获北京科技大学博士学位.现任北京科技大学科技史与文化遗产研究院教授、博士生导师,金属与矿冶文化遗产国家文物局重点科研基地主任,是中国冶金考古和冶金史的主要研究者之一.他建立了通过炉渣揭示古代炼铜技术流程的方法,并利用这一方法对湖北大冶铜绿山、辽宁凌源牛河梁、南京九华山等多处古矿冶遗址进行了研究.为配合中华文明探源工程等重大项目,率领研究团队对晋南、河西、辽西、长江中游地区百余处早期青铜冶金遗址进行了系统的田野调查和研究,为学术界提供了一批新的研究成果.近期还开展了早期绿松石开发与产品流布、汉魏时期南方块炼铁冶炼技术、宋元时期煤炼铁等方面的研究,推动并参与的甘肃张掖西城驿炼铜遗址、北京市延庆水泉沟辽代炼铁遗址、湖北大冶铜绿山四方塘冶炼遗址与墓葬发掘项目,先后获评全国六大考古发现、全国十大考古发现.李延祥教授先后主持4项国家自然科学基金项目,参加4项国家自然科学基金项目、3项国家重大科技项目及多项教育部、科技部课题,发表论文百余篇.主讲研究生课程有冶金考古学、科技考古专题、世界史;主讲本科生课程有世界史、冶金史,2013年荣获北京市优秀教师.曾任民盟北京科技大学支部副主委兼宣传委员.李延祥教授多次来南宁与广西民族大学进行合作研究并指导科技史学科建设.2006年4月起被聘为广西民族大学兼职教授和科学技术与社会发展研究中心副主任,负责指导岭南地区冶金考古工作.     

我院承担的“切分—最少蝶式孔轧制角钢新工艺研究”科研项目,一九九○年三月二十日在丰润县冶金工业公司通过技术鉴定

“切分——最少蝶式孔轧制角钢新工艺研究”项目是由我院冶金系马义德副教授和丰润县冶金工业公司共同完成的。它采用了单楔预切,无压下切分轧制和最少(2个)蝶式孔型轧制技术组成的孔型系统。此新工艺实现了120×120毫米连铸坯一次加热经12道次轧制4号角钢。它具有切分对称性好、切分阻力和弯头小、切开率及切分质量高等     

钒钛磁铁矿直接还原新流程试验(一)

直接还原技术属非高炉制铁领域。是一种以铁精矿复合粘结剂球团为原料,经一步高温过程生产直接还原铁的工艺。由于没有传统钢铁生产流程矿石熔化为铁水、渗碳、然后再脱碳炼钢这个过程,碳耗低、CO2排放少,是一种短流程、低污染、节能降耗的冶金新工艺。我国自上世纪就着手进行非高炉冶炼技术研究,取得了较好的成果。攀枝花钒钛磁铁共生矿富含铁、钒、钛、铬等有价金属,能否用直接还原技术将铁、钒、钛等资源同时回收是钒钛磁铁矿资源高值利用的重大技术问题。上世纪七十年代末,方毅副总理组织科技人员进行了艰苦攻关并取得了大量成果。2000年以来,攀枝花市在非高炉冶炼钒钛磁铁矿研究过程中取得了重大突破,铁、钒、钛等有价元素回收产业化前景良好,资源综合利用取得了长足的发展。今天,将攀枝花市非高炉直接还原技术阶段性工作概括地总结出来,希望各界给予更多的关注和重视。     

本刊2001年优秀论文述评

根据“学术上有所创新 ,理论上有所突破 ,注重实验 ,理论与实际紧密结合 ,具有显著社会效益和经济效益”的原则 ,本刊评出 2 0 0 1年优秀论文 10篇 (详见本期封 2 ) ,其中冶金工业类 2篇 ,金属学与金属工艺类 2篇 ,化学工业类 4篇 ,数理科学和化学类1篇 ,矿业工程类 1篇。1　冶金工业类入选的 2篇优秀论文是 :王书桓等人的《12ＣａＯ·7Ａｌ2 Ｏ3 型精炼合成渣物性与脱硫试验》 ,吕庆等人的《含碳球团还原的显微观察》。12ＣａＯ·7Ａｌ2 Ｏ3 渣系是近年国外发展起来的新型合成精炼渣 ,主要用于ＬＦ炉钢水脱硫、去除夹杂物净化钢液。由于它…