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2022年 第22卷 第10期    刊出日期：2022-10-28

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过程工程学报. 2022, 22(10):  0. 

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序

“人民科学家”叶渚沛 ——纪念叶渚沛先生诞辰120 周年

刘伟 许志宏 王大光 谢裕生

过程工程学报. 2022, 22(10):  1305-1307. 

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综述

多尺度离散模拟在钢铁行业技术研发中的应用

徐骥 葛蔚 王利民 李静海

过程工程学报. 2022, 22(10):  1308-1316.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222276

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为实现“双碳”目标，钢铁行业正面临紧迫的转型升级，高精度、高效率的数值模拟在推动其工艺智能化和绿色化方面可以发挥重要作用。本工作讨论了基于问题、模型、软件和硬件逻辑与结构一致的EMMS范式实现高性能多尺度离散模拟的可能。概述了相关软件在钢铁行业设备结构和操作条件优化方面的初步应用，包括铁矿石原料分选、烧结矿竖冷炉结构优化、钢渣滚筒处理优化和炼铁高炉操作优化等，展示了该模拟方法在钢铁行业的应用潜力，并展望了进一步结合在线测量、人工智能、人机虚拟交互和在线控制实现钢铁行业虚拟过程工程的前景。

碳中和背景下的钢化联产发展趋势

石春艳 张国帅 李益 张锁江

过程工程学报. 2022, 22(10):  1317-1324.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222361

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本工作针对钢铁行业副产的煤气、余热、钢渣及钢化联产现状进行了分析，论述了碳中和背景下钢化联产绿色低碳技术的发展趋势，展望了未来无碳炼钢的新型钢厂从“以化固碳”转变为“以氢代碳”的新模式，并提出了加快钢化联产新技术应用建议和举措，以期建立以钢铁行业为龙头，耦合化工行业的新型工业可持续发展生态链，支撑我国“双碳”目标的实现。

过程工程所流化床直接还原技术研究进展

范川林 杜占 潘锋 邹正 李军 李洪钟 朱庆山

过程工程学报. 2022, 22(10):  1325-1332.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222325

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“双碳”背景下，钢铁工业亟待低碳重塑，氢气直接还原(常称为“氢冶金”)是国内外竞相研发的重要方向。流态化直接还原是过程工程所六十多年来一直坚持的研究方向。值此叶渚沛先生诞辰120周年之际，本综述回顾并概述了过程工程所在流态化直接还原基础理论和工业应用两方面所取得的一系列重要成果。基础理论方面包括颗粒间黏着力与分离力相互竞争黏结机制、聚团流化和慢速失流的发现、不同铁形貌析出机理和黏结特性，以及降低颗粒间黏结力(颗粒包覆改性、调控铁析出形貌)和增大颗粒间分离力(增强颗粒运动、增大颗粒尺寸、施加外场力)等一系列抑制黏结失流方法；工业应用方面包括100公斤/天流化床氢气直接还原、1吨/天钒钛磁铁矿流化床直接还原和千吨级钒钛磁铁矿直接还原-电炉熔分等中间试验，目前正在与鞍钢集团等单位合作开展全球首套1万吨直接还原铁/年流化床绿氢直接还原工程示范。谨以此文缅怀叶渚沛先生、郭慕孙先生等老一辈科学家，以期推动流化床直接还原基础理论和技术研发的进步，为钢铁工业低碳重塑贡献智慧和力量。

有色金属工业低碳技术分析与思考

郑诗礼 叶树峰 王倩 马淑花 王志 孙峙 乔 珊 仉小猛 张懿

过程工程学报. 2022, 22(10):  1333-1348.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222282

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有色金属工业减碳是工业过程减碳的重要抓手。本工作综述了有色金属工业碳排放现状和特点，在此基础上提出了有色金属工业尤其是重点冶炼行业的低碳技术路径。分析表明，铝冶炼行业是有色金属工业二氧化碳减排的核心，预计2025年有色金属工业将实现碳达峰，碳达峰时二氧化碳排放量为7.5亿吨；有色金属工业减碳技术路径主要包括清洁能源替代、发展先进的低碳技术与装备、金属再生利用及碳捕集利用(CCU)等，其中金属再生利用是有色金属工业支撑实现国家“双碳”目标的重要路径。

化工技术在生物冶金过程强化中的研究进展

沈蔡龙 贾炎 陈彦臻 张广积 杨超

过程工程学报. 2022, 22(10):  1349-1359.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222246

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随着高品位矿物的消耗枯竭，生产成本高、环境污染严重的传统火法冶炼技术已不能适应我国经济社会可持续发展的需要。以生物堆浸和生物槽浸为代表的生物冶金技术具有操作简单、成本低廉、环境友好等特点，可用于低品位、复杂矿物的处理，目前已广泛应用于铜、金等有价金属的回收利用。但是，生物冶金过程中相对较慢的反应速度是限制其应用范围进一步扩大的主要原因。生物冶金技术的基本过程与化工过程紧密相关，化工技术的发展在历史上曾极大地促进生物冶金技术的推广应用，通过化工技术强化生物冶金过程仍是未来生物冶金研究的主要方向之一。因此，本工作综述了近年来与生物冶金有关的化工过程研究进展，主要从工业应用角度分析了生物堆浸和生物槽浸过程的影响因素，以期帮助研究者更好地了解相关领域的发展现状，正确把握研究方向。

中国钢铁行业“超低排放”向“减污降碳”过渡的技术思考

朱廷钰 刘霄龙

过程工程学报. 2022, 22(10):  1360-1367.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222353

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钢铁行业是我国国民经济的重要基础产业，但同时也是我国污-碳排放量最大的工业行业。2019年4月，五部委联合印发了《关于推进实施钢铁行业超低排放的意见》，率先引领了工业烟气超低排放，我国钢铁行业大气污染排放量实现了大幅削减。“十四五”以来，在“双碳”背景下，随着减污降碳的提出，现有超低排放技术所带来的碳增量效应问题逐渐凸显，又对钢铁行业带来了新的技术需求。本工作阐述了我国钢铁行业超低排放的技术进展，归纳了钢铁行业减污降碳发展方向，并提出了未来钢铁行业绿色低碳发展建议，为推动中国钢铁行业的高质量绿色发展提供参考。

电弧炉炼钢应用生物质的研究进展

韩成金 朱荣 魏光升

过程工程学报. 2022, 22(10):  1368-1378.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222321

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在当前碳达峰与碳中和的背景下，钢铁行业作为CO2排放大户，长期面临着碳减排的巨大压力。因此大力发展具有更低碳排放的电弧炉短流程炼钢将是钢铁行业实现减排的有效措施。但尽管短流程炼钢的碳排放量较长流程炼钢相比大大减少，但其冶炼过程也仍需使用大量的煤炭资源以达到冶炼要求。因此寻找一个合适的碳源替代煤炭用作电弧炉炼钢过程中的渗碳剂和发泡剂对进一步降低电弧炉炼钢碳排放具有重大意义，而生物质资源作为唯一的可再生碳源将会是替代碳源的首选。本综述介绍了国内外各学者多年来对生物质在电弧炉炼钢中的应用的一系列研究，并在此基础上对未来国内电弧炉炼钢应用生物质的研究方向进行了展望。

“双碳”背景下高炉使用高比例球团的展望

王新东 金永龙

过程工程学报. 2022, 22(10):  1379-1389.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222239

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碳达峰和碳中和是我国承担解决气候问题的大国责任，推动生态文明建设和高质量发展的重要举措。高的碳排放是限制钢铁行业实现“双碳”目标的关键因素。为了达到低碳发展目标，一方面进行突破性的低碳冶金工艺的开发和应用，或拥有足够的优质废钢资源供给；另一方面，充分发挥现有高炉流程成熟、高效、优质、低成本等特点，结合铁矿资源条件，充分利用球团矿优良的冶金性能、生产过程低能耗和低排放等优势，开发高炉使用高比例球团的炉料结构和相关操作制度，实现全系统最佳的能源消耗和碳排放水平，提高现有流程的综合竞争力。高炉使用高比例球团的相关技术研究、开发和应用在国内外都已取得显著进展，我国在部分企业具备一定的资源优势条件，开展了大量前期研究和生产实践，未来的发展将为我国钢铁行业实现低碳目标产生积极效应。

攀西钒钛磁铁矿资源高效冶金及清洁提取研究进展

白晨光 吕学伟 邱贵宝 张生富

过程工程学报. 2022, 22(10):  1390-1399.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222302

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攀西地区钒钛磁铁矿是我国重要的特色资源，但由于其TiO2含量高，矿物相复杂，属于难冶炼矿石。早在1958年6月叶渚沛先生发表了《攀枝花含钛铁矿的紧急问题》的书面意见，其中“紧急问题”是突破某些国外学者的“用高炉冶炼这种矿石成功的希望甚微”的框框，依靠国内的科研力量攻克攀西地区钒钛磁铁矿高炉冶炼的难题。在全国各相关行业的大力协作攻关下，我国已成功突破了攀西地区钒钛磁铁矿高炉冶炼的难题，并进一步提升了强化冶炼的水平，整体达到世界领先水平。近年来除冶炼水平不断提升外，在资源综合利用水平提升方面也进行了大量具有原创意义的研究工作。重庆大学是国内最早开展钒钛磁铁矿冶炼和综合利用研究的单位之一，多年来始终把钒钛磁铁矿冶金及资源高效利用作为冶金学科首要的研究方向，对高炉冶炼钒钛磁铁矿的独特工艺进行了较系统的理论与工艺研究，形成了鲜明的研究特色。近年来围绕高炉高配比钒钛磁铁矿冶炼技术、含钛高炉渣提钛和大型电炉钛渣冶炼技术以及钒资源高效清洁提取技术等方面与企业紧密合作，在理论和实验研究方法上进行突破，取得了良好的进展。本综述就近年来重庆大学在攀西钒钛磁铁矿高效冶金及清洁提取方面所做的工作，进行简要介绍，以纪念叶渚沛、林衍先等老一辈科学工作者为攀西钒钛磁铁矿开发利用做出的科研贡献，并秉承他们脚踏实地、勇于创新的科学精神，推动“双碳”目标下的攀西地区钒钛磁铁矿绿色智能冶金和资源高效利用的发展。

连铸凝固过程热模拟实验方法及应用案例

袁华志 仲红刚 翟启杰

过程工程学报. 2022, 22(10):  1400-1413.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222310

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凝固是制约冶金产品质量的重要环节，但因高温、不透明、大规模和连续化的生产特点，连铸生产条件下的凝固问题研究极为困难。目前的研究方法主要包括数值模拟、物理模拟和热模拟，其中热模拟方法因可以直接获取接近生产条件的实验数据而备受关注。本工作系统介绍了连铸凝固热模拟研究方法，简述了热模拟技术原理，并对结晶器热模拟方法及特征单元热模拟方法的原理和应用进行总结。其中，基于特征单元热相似性提出的连铸坯枝晶生长热模拟及凝固裂纹热模拟等方法成功地将十几吨铸坯的凝固过程“浓缩”到实验室用百克钢研究，不仅可以揭示钢液成分、浇注和冷却条件等因素对凝固过程、组织和元素分布的影响规律，而且还可以获得铸坯固液界面形貌、界面前沿溶质扩散和夹杂物演变、凝固裂纹形成的可能性及条件等其他手段无法得到而冶金界非常关注的问题。

观 点

“双碳”战略下的冶金行业资源循环利用技术前沿

李会泉 吴玉锋 陈运法

过程工程学报. 2022, 22(10):  1414-1417.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222360

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资源循环利用是冶金行业保障关键金属资源安全供给、实现碳达峰、碳中和的重要途径。本工作立足“双碳”战略视角，概述了冶金行业资源循环利用总体现状与绿色低碳转型发展趋势，从物质循环科学基础、“无废冶金”变革性技术、资源循环与碳循环耦合、二次金属资源高质循环以及基于数字技术的知识产权重构等多角度，展望了冶金行业资源循环利用技术发展前沿，提出了系列观点，以期为冶金行业绿色低碳转型发展提供参考。

国内外钢铁工业固相二次资源利用现状、存在问题与对策

苍大强 张玲玲 刘洋 陈兆厚 何冰阳

过程工程学报. 2022, 22(10):  1418-1424.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222345

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为了剖析当今钢铁工业固相二次资源的利用水平、存在问题，提出解决途径，进一步提高工业绿色和低碳水平，本工作介绍了钢铁工业的气相、固相和液相二次资源内容，概述了国内外钢铁工业固相二次资源(以下称：固废)的研究和利用现状。由于钢铁工业固废利用的难点和堵点是钢渣的利用，本工作重点以钢铁工业钢渣为例，介绍了其在国内外的利用概况、存在的共性问题，并提出了解决的途径。由于钢渣是在现有炼钢的特有高温物化环境中产生的，导致钢渣成为一种过烧的硅酸盐产物，其活性差、易磨性差、含铁量高，还含有一定量的游离氧化钙(f-CaO)，给钢渣资源和热量的回收及利用都带来了非常大的难度，以至于全世界对钢渣资源和余热的利用还没有找到理想的方法。因此，钢渣成为世界钢铁工业固相二次资源绿色处理和低碳利用的难点和堵点。本工作在剖析了钢铁工业固废利用技术目前存在的各类问题基础上，根据当前国家政策法规的要求，针对上述存在问题提出了应对的对策途径，为钢铁工业固废下一步高效、绿色和高值利用，提供了建议和研究方向。

“双碳”战略下钢铁行业节水减污技术发展的探讨

谢勇冰 张笛 赵赫 赵月红 刘丰强 曹宏斌

过程工程学报. 2022, 22(10):  1425-1428.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222357

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钢铁行业在我国经济生产中占有重要地位，是国家的支柱性产业，但同时也是高耗能、高耗水、高污染、高碳排行业。在我国制定“双碳”发展目标的新形势下，钢铁行业水污染末端治理与生产过程结合度不够，用水用能效率仍有待提升，难以满足行业低碳发展的控制需求，亟需推进污染控制与碳减排统筹。本工作提出了“双碳”战略下钢铁行业节水减污技术发展的研究思路，通过供水-用水-废水处理-水循环利用综合统筹、污染跨介质-低碳协同控制、水污染全过程控制及智能优化、钢铁企业与城市的产-城共荣协同发展等方面，有望进一步提升对未来钢铁行业节水减污的科技支撑能力，助力钢铁行业绿色低碳发展。

研究论文

白云鄂博稀土共生矿超重力梯级分离稀土元素的工艺研究

兰茜 高金涛 郭占成

过程工程学报. 2022, 22(10):  1429-1437.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222303

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我国白云鄂博矿稀土储量居世界首位，其稀土矿物以轻稀土为主，Ce, La, Pr, Nd占稀土氧化物总量的97%以上，具有重要的工业价值。由于四种稀土元素具有极其相似的物化性质，因此在目前的处理工艺中很难实现不同稀土元素的彼此分离。本工作基于稀土精矿的矿相演变及元素迁移规律，在降温熔析过程中不同温度区间内会析出不同稀土相：在1400~1500℃的温度区间只有氧化稀土相析出，随着温度降至1200~1400℃，铁酸稀土相开始析出，当温度降至1100~1200℃时铈磷灰石相析出。利用超重力技术进行氧化稀土相、铁酸稀土相、铈磷灰石相的梯级分离实验，结果表明，98.38%的Ce元素优先以氧化稀土相形式析出并实现分离，97.70%的La元素进入铁酸稀土相作为第二相被分离，而Pr和Nd元素最终以铈磷灰石相的形式分离，以此实现了稀土精矿中Ce, La, Pr, Nd的梯级分离。

250 t转炉二次燃烧氧枪射流特性

郑淑国 朱苗勇

过程工程学报. 2022, 22(10):  1438-1446.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222281

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氧枪喷嘴的超音速射流特性对熔炼有重要影响。本工作结合某钢厂250 t转炉实际，运用Fluent软件建立三维模型，对比分析了周边5孔加中心单孔的普通氧枪与单流道二次燃烧氧枪的射流特性，通过VOF多相流模型对气-液-渣三相之间相互作用进行模拟研究，并开展了工业试验研究。结果表明，相比于普通氧枪，因一侧副孔流股快速汇入中心孔射流而使二次燃烧氧枪有更大的径向横截面积，且其中心孔射流速度大，故二次燃烧氧枪具有更大的冲击面积和冲击深度。通过气-液-渣三相模拟研究可知，由于表面波的传播，钢-渣-气的空腔剖面和界面保持不稳定，且随着时间的推移，炉壁处的渣层较为平静，表明无论是普通氧枪还是二次燃烧氧枪，都不存在冲刷炉壁现象。其中二次燃烧氧枪最大冲击直径和冲击深度为2461和358 mm，分别是普通氧枪的1.16倍和1.19倍。工业试验表明，与普通氧枪相比，二次燃烧氧枪可以提高熔池温度27.2℃，使供氧时间缩短78 s。