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钢铁金属业相关最新技术现状及发展动向
信息来源:世界金属导报2017-05-30B01      时间:2017-06-05 08:51:27


钢铁、金属业相关的引人注目的最新技术涉及从生产工艺巨大变革到有效提高作业效率的新思维等。新的概念以及革新性生产技术从研究开始,经过实际证明,直至逐步实现量产,需要大量的时间和精力。本文将介绍尽管未成熟但隐藏着各种可能性的新技术现状以及未来可能的发展方向。

高强度化技术——超微细粒钢

将钢的晶粒细化到1μm以下,无需添加合金和热处理等提高钢的强度的“超微细粒钢”技术作为具有划时代意义的钢铁技术崭露头角,并逐渐向实用阶段渗透。近年来,该钢种在医疗领域的利用逐步扩展。

医疗器材生产企业一直存在不锈钢高强度化的需求。但由于医疗器材所用的原材料成分对人体产生不良影响是必须面对的问题,如果添加合金改变金属成分,就必须取得新的认证。由于超细微粒不锈钢只是将晶粒细微化而不改变成分实现高强度化。从这点而言,超细微粒不锈钢作为医疗器材的原材料具有巨大的优势。同时,由于晶粒细微化,进行微观加工时的部件品质稳定,能提高产品性能。这也是由大量微型部件构成的医疗器材所需要的原材料特性。

钳子等使用高强度超细微粒不锈钢的需求是极为细分的市场缝隙。但相关人士认为,现在的市场正如小鸡刚刚从蛋壳里伸出嘴尖的阶段,今后有着大幅发展的可能性。同时,考虑到细微晶粒钢的微观加工特性,不仅在医疗器材领域,还可应用到其他各种领域。下一个最有希望的领域是IoT相关的传感器等。通过提高精密部件的精度,可提高传感水平。

在日本,钢铁企业范围内的细微晶粒钢主要是中山制钢所自主研发的产品,结晶粒径为2-5μm的细微粒热轧钢板(NFG),大致为普通产品粒径的1/3左右,从2001年12月开始生产。但其他企业将细微晶粒钢投入生产的动作并不明显。

专家表示,在这种情况下,将“通过添加锰制造细微晶粒钢的冷轧钢板技术”作为目标,期待将细微晶粒钢用于钢铁企业视作命脉的高强钢材料而进行研究。

此外,还有通过钢的结晶晶粒细微化使其不易发生氢脆的研究。在向利用氢能源的氢气社会转换的大环境下,作为氢气运输用基础设施的原材料,超细微粒钢有可能拥有巨大的市场前景。

金属3D打印技术——复杂形状一体成型

近年来,3D打印技术进步显著,越来越获得瞩目。该技术从25年前起步,日本也已引进了国内外各种打印机,逐渐从梦一般的技术发展到实用阶段。能一体化实现复杂形状的塑型技术只有3D打印(图1),然而,其先进性仍未能被设计者们充分认识到。

目前,金属3D打印中普遍使用的材料为:1)高强度热处理钢;2)镍铬铁耐热耐蚀合金钢718、镍铬铁耐热耐蚀合金713;3)钛64、纯钛、铝钛;4)不锈钢630、不锈钢316;5) 铝(Al Si10Mg)等5种。

采用将金属粉末铺开,用激光使其熔化、凝固的“金属粉末层压法”的3D打印中,从特性角度而言,为了获得更为平滑的局部,需要更为细密、真球度更高的金属粉末。高强度热处理钢的粉末直径约10-60μm,相对于当前3D打印的层压分层为0.01-0.05mm的情况,粉末的粗细能充分发挥性能。

但在真空中通过惰性气体喷雾将熔化的金属断开、凝固的“气体雾化法”生产的金属粉末中,能用于3D打印的颗粒直径仅为产量的一半以下。从成材率角度来看,作为3D打印用粉末的价格过高,降低材料成本任务艰巨。关于真球度的问题,日本山阳特殊钢公司引进的利用高速旋转盘的离心力作用生产粉末的“盘雾化法”,取得了长足的进步。

除上述5种粉末以外,采用SUS303、SUS304、SKD11、SKD61等日本国内的一些普通钢种用于3D打印的需求呈增加趋势。

在材料开发中,根据3D打印机的激光输出、功率、层厚等共240项以上的条件调整出的“秘方”进行参数设定,是最为费时费力的工作。关于金属粉末需要解决的课题还有保管的问题。由于湿度高会造成变硬凝固,因此,要应用3D打印,就必须有保证能进行充分湿度管理的库房,这部分成本非常可观。

目前,用金属3D打印机塑型的需求大部分为试制品的制作,要想实现量产,就必须增加台数。1台金属3D打印机约1亿日元。1台3D打印机包括电费在内的运行成本为500万日元/年,要实现量产需要大量资金。不仅如此,如果考虑到运行和维护所需的人力物力,理想的状态是根据金属材料使用3D打印机。如果钢种增加,那么就需要添加与钢种对应的专用打印机。

尽管3D打印技术在很多国家尚处于黎明期,但放眼全世界,竞争已经开始。

高度IT技术在生产现场的应用——提高设备维护效率

把所有的东西都与网络相连的物联网(IoT)、大数据分析、人工智能(AI)等高度IT(信息技术)给各行各业都带来了变革,由此获得重视。高度IT的应用,在钢铁行业也是重要的课题。为实现竞争力强化而正在生产现场推广高度IT技术。

“最好能准确把握还有几个小时会发生故障”,钢铁企业的高层谈到对于高度IT时代的设备保养时如此表示。电脑以极高精度计算出部件的更换时间,并自动提示出来这种情节,已经慢慢成为现实。

IoT是将传感器安装在各种物体上,将得到的数据依次上传至网络。在钢铁业的设备维护中,将设备的声响、振动、压力等通过传感器采集形成庞大的数据作为分析对象。在钢铁厂安装有各种各样的传

感器,已经积累了大量这样的数据。如果对过去发生故障时的各项数据进行大数据分析,并通过AI技术之一——Deep Learning(深层学习)进行分析等,即可实现对故障发生的高精度预测。

目前,为了保证设备的稳定运行,往往需要提前更换消耗件。如果能正确把握故障预兆,就有可能延长部件的更换周期,从而缩短设备停止时间,相应延长设备运行率,还可以发挥降低维修成本的作用。

IoT不止活跃在“物体”的层面。在钢铁业,已经开始通过利用IoT保障人身安全的尝试。

新日铁住金开发了“生产现场监督系统”。该公司希望利用IoT,实时采集现场作业人员的立体位置信息以及心率等数据,实现如果现场作业人员出现异常,不在现场的管理人员等也能自动获得通知的目的。通过从外部保障安全,使单独作业的现场作业人员的安全得到进一步保障。

现场作业人员配备智能手机等服务终端设备。可通过终端设备的GPS功能和气压计等锁定人员的立体位置信息,心率等数据也上传至网络。得到的数据通过电脑瞬时分析,如果结果异常,则自动向管理者的终端设备报警。

目前,以钢铁厂大量的室外作业人员为对象,以接近实际应用的形式进行实证试验。由于有时难以对仅下蹲或摔倒等危险程度做出判断,考虑通过深层学习对数据动态进行复合分析。

还原渣制人造石材——“保温瓶”结构铸模,超慢冷工艺

最近,日本开发出将电炉企业精炼工序生成的还原渣制成无害且用途广泛的“人造石材”的技术,并切实向着实用化方向推进。

迄今为止还原渣的用途仅限于作为下层路基材料使用。但由于熟化不足而导致自由的CaO、MgO造成施工后膨胀、塌陷等问题时常出现,用户评价不高。针对这种情况,要求确立还原渣的有效处理方法的呼声越来越高。

如果还原渣能作为人造石材有偿出售,则可大幅降低电炉企业的成本负担。同时,还有可能从根本上解决渣造成的环境问题。

将还原渣制成人造石材技术的具体方法是,将还原渣浇注到一种类似保温瓶(厚板之间夹入耐火材料)的特殊结构的铸模中,将其温度保持在1380℃以上4h后,以10℃/h的极缓慢速度冷却至750℃以下(超慢冷),使其形成镁硅钙石(Ca3MgSi2O8)以及陨磷钙钠石这种坚固的矿物相。

由还原渣生产出的人造石材满足目前最为严格的日本环境省第46号通告中关于破碎、溶出试验等各项基准值要求。机械试验结果表明,该人造石材具有与磷灰石同等的硬度。显示出作为石材进行利用的可能性相当充分。

今后,技术开发者将继续致力于对铸模进行改进,使其能生产3-10吨人造石材。目前,用还原渣生产人造石材的技术本身已经获得实际验证,对于此项技术而言,开拓人造石材用户是目前面临的问题。当前主要开拓园林业、土木业的销路,为此,也通过官方机构进行推广。

公园的块石等普遍使用自然石材,也有使用进口石材的情况。如果改用以电炉企业生产工序中产生的还原渣为原料的人造石材,在价格层面上将极具竞争力。

目前,护岸材料“石笼”用石材的销售价格为每吨4000日元左右,按照这个价格水平来看,人造石材极具竞争力。

事实上,炼钢渣商品化的研究从半个世纪前的1959-1962年的八幡厂(户畑制造所)就已经开始。然而由于高炉企业受到领导层优先进行高炉渣研究的指示影响,中断了炼钢渣的研究。此后,除部分研究以外,半个世纪以来,忽略了用还原渣生产人造石的研究。

在电炉系炉渣中,氧化渣已经于2013年6月作为混凝土用集料被收录在JIS中。而对还原渣用途研究没有进展的原因就是电炉企业没有投入力量进行渣的研究。

推广以还原渣为原料的人造石材,不仅存在开拓用户的问题,还有如何与实际生产线进行结合等不得不解决的问题。但如果将氧化渣作为混凝土集料、将还原渣制成人造石材进行有效利用,则可解决日本电炉业共同的难题。

(孟群)

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