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“多相反应理论及冶金、材料制备新技术”研究梯队简介
发布时间:2011-5-20    立即打印    

梯队负责人郭兴敏 教授

梯队成员  郭兴敏张家芸李联生

梯队简介:

   以研究高温多相反应为特点,辐射铁矿粉烧结与球团、金属氧化物电化学还原、电化学气体传感器及相关材料和多元炉渣的粘度、硫容和活度等预报四个研究方向,以冶金应用为背景,达到优化资源利用、减小环境污染。近十年来,承担国家自然科学基金重点项目1项,863高新科技项目1项,国家自然科学基金面上项目5项,先后与莱钢、宝钢、石钢、鞍钢、首钢等进行过合作研究,作为研究成果在国内外学术杂志上发表论文60余篇,其中1篇被评为“第五届中国科协期刊特别优秀论文奖”,出版专著1部、主编教材1部,申报发明专利4项,获省部级科技成果奖2项。

代表性研究内容和成果:

1) 铁矿粉烧结与球团

铁矿粉烧结与球团,是炼铁生产中原料“改质”的一个重要过程,达到造块、去杂、改善高温冶金性能的目的。本研究方向,主要致力于高温成矿机理、适宜矿相结构、矿物组成定量方法、造块新技术以及铁矿石冶金性能方面的研究。主要工作有:采用原位技术研究铁矿粉烧结机理和铁矿石还原动力学,如图1和图2所示,利用TG-DTA方法在线检测铁矿粉烧结过程和利用氢离子注入技术研究还原中铁氧化物晶格转变过程等;利用光学显微镜与电子显微镜相结合,研究烧结矿的显微结构和元素分布,如图3所示,通过烧结矿的宏观性能与微观结构结合,确立适宜矿相结构,为发展造块新技术奠定基础;利用热重/热机械法与气氛自动控制相结合,在线研究铁矿石还原性能和膨胀性能,如图4所示,从满足高炉需求,优化烧结过程等;利用XRD原理,开发出烧结矿矿物组成定量软件,如图5所示,以满足对铁矿粉烧结生产和基础研究的需要。

1 TG-DSC法研究铁矿粉烧结过程

[详见:郭兴敏,张允茂等钢铁,392004, 8, 34-37]

磁铁矿                            浮士体

利用离子注入法研究铁矿物还原过程

[详见:Xingmin Guo, Yasushi Sasaki et al.. Metallurgical and Materials Transactions B, 35B(2004), 3, 517-522; Yunduo Dai,  Xingmin Guo et al. Steel Grips, 4(2006), 2, 120-124]58. Xingmin Guo, Changyu Sun, Yunming Gao, and Kuo-chih Chou. A carbothermic reduction method with uncontact between molten slag and reductant, 
The 10
th Anniversay for the Collaboration between USTB and HU, 2006.11, 22-23]

利用显微镜研究烧结矿内矿相结构及成矿条件

[详见:郭兴敏,朱利等.钢铁, 42(2007), 1, 12-19

郭兴敏,张俊等钢铁,42009),16-19]

铁矿石的还原动力学参数确定

[Yunduo Dai, Xingmin Guo, et al. Steel research, 77(2006),8,537-541; Xingmin Guo, Shengbi Zhang,et al. Journal of University of Science and Technology Beijing,8(2001), 3,185-188]

5 XRD-QAMS 烧结矿矿物组成定量软件

[详见:郭兴敏彭新等发明专利申请号: 200610114146.4]

2) 金属氧化物电化学还原

随着社会的发展,改善环境的呼声越来越高,传统的冶金工艺面临着重大挑战。它具有资源利用率低、高能耗和流程长的弊病,同时导致二氧化碳排放量大,逐渐被世界发达国家所抛弃,取而代之寻求新的冶金方法,近年来我们也加入这一行列。从铁矿石直接还原开始,逐渐转入高温电化学还原,提出一种非接触式熔融还原方法,如图6所示,使用碳还原剂成功地一步获得纯铁和纯镍,如图7和图8所示,有望有效利用资源、节能和缩短冶金工艺流程。

非接触式熔融还原方法原理示意图

[详见:郭兴敏,高运明等,中国发明专利,ZL03121189.5Yunming Gao, Xingmin Guo et al. Journal of University of Science and Technology Beijing, 11(2004), 4, 306-309]

    铁氧化物还原的规律与产物(纯铁)

[详见:高运明,郭兴敏金属学报,2006187-92; 高运明,郭兴敏中国有色金属学报,20063530-535]

    镍氧化物还原规律与产物(纯镍)

[详见:郭兴敏,孙长余等中国发明专利,申请号:2008101159537]

3) 电化学气体传感器及相关材料

随着科学技术进步,精确测量逐渐取代经验判断,形成过程自动化,节省了资源、能源、人力和物力,同时获得优质产品。精确测量中,传感器起着重要的作用,它是自动化控制的“耳目”。近年来,我通过合成NASICON和β’’-Al2O3钠离子传导材料,对二氧化碳传感器进行了研究,改进了NASICON制备方法,如图9所示,测定了辅助电极对气体敏感性的影响,如图10所示,为新型传感器开发奠定了基础。

改进NASICON前驱体制备方法示意图

[详见:李馨,北京科技大学硕士论文,2004]

10 CO2传感器辅助电极的研究

[详见:夏彬彬,北京科技大学硕士论文,2005;黄永平,夏彬彬等中国稀土学报专辑,2006283-286]

4) 多元炉渣的粘度、硫容和活度等预报

数学模型,是认识现象到揭示本质的一个“桥梁”,应用它可以节省大量的人力、物力,同时启发思路,扩展视域。本研究方向,主要在探索熔渣结构和统计数据的基础上建立数学模型,来预报含CaOMgOMnOFeOAl2O3SiO2等多元冶金渣的粘度、硫化物容量和活度,目前已建立了ThermoSlag软件,其结构如图11所示,而且在工业生产上应用,获得成功,如图12所示。

(粘度)                  (硫容)                活度)

12 ThermoSlag软件应用实例

[详见:Persson Mikael  Zhang Jiayun et al. Steel Research International, 78(2007),  4, 290-298; Shu Qifeng , Zhang Jiayun . ISIJ International, 46(2006), 11, 1548-1553]

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