【科技成果推介】——高温熔体物理性能测试仪器及设备
项目背景
1. 特钢行业
钢可以分为普钢和特钢两大类型,特钢即特殊钢,是与普钢相对的概念,专指由于成分、结构、生产工艺特殊而具有特殊物理、化学性能或者特殊用途的钢铁产品。与普钢相比,特钢生产工艺更复杂、技术水平要求更高、生产规模更为集约,下游应用主要集中于国防、电力、石化、核电、环保、汽车、航空、船舶、铁路等行业的高端、特种装备制造领域。
特殊钢产品种类丰富,按用途分为工具钢、结构钢与特殊用途钢三大类,其中特殊用途钢包括弹簧钢、轴承钢、不锈钢、高强度钢、耐热钢、耐磨钢、模具钢等。特殊钢中种类最多的是合金钢,是在碳素钢中适量地加入一种或几种合金元素后使钢的组织结构发生变化,从而使钢具有各种不同的特殊性能,如强度、硬度大,可塑性、韧性好,耐磨,耐腐蚀,以及其他许多优良性能。
2. 市场规模
从全球特钢行业市场规模来看,据统计,2021年全球特钢行业市场规模达到4201.5亿美元,同比增长2.24%,年均复合增长速度为3.94%,增速趋缓。
图1 2017-2021年全球特钢行业市场规模及增速情况
特钢消费量与国家发达水平、工业化程度、技术进步水平和高端工业产品的出口量密切相关,主要集中在工业化程度高和经济比较发达的国家和地区。具体来看,全球特钢生产国主要包括瑞典、日本、美国、德国、法国、意大利、西班牙、韩国等,这些国家占据全球特钢约60%产量以及约80%的贸易量。其中,日本是特钢产业总体水平最高的国家,以高度专业化生产闻名于全球,20年日本特钢产量占全部粗钢产量20.77%。
图2 2017-2021年中国特钢行业市场规模及增速情况
从国内特钢行业市场规模来看,过去五年间,受宏观经济上涨、钢铁产能扩大影响,中国建筑及基建规模大幅扩大,中国特钢行业市场规模快速扩大。据统计,2021年中国特钢行业市场规模达到5558.63亿元,同比增长7.36%,增速快于全球。
3. 仪器行业
根据上海仪器仪表行业协会发布的数据,2019年我国共计制造实验分析仪器2,786,968台/套,同比增长超40%,2021年中国实验分析仪器市场规模为346.5亿元。
图3 2016-2021年我国实验分析仪器行业规模
*数据来源:上海仪器仪表行业协会、公开资料整理
中国贵金属冶炼加工业需求规模1345亿元,2019年中国贵金属冶炼加工业需求规模1514亿元,2020年中国贵金属冶炼加工业需求规模1733亿元,同比增速为14.48%。未来中国冶金专用设备产品的实际需求增长将保持年均7.57%的增速,预计中南地区将成为未来中国冶金产品需求最具潜力的区域。
图4 2020-2025年中国冶金专用设备市场规模及预测
*数据来源:前瞻产业研究院
4. 行业发展
近年来我国粗钢需求增量不大,从基建和房地产两个重要钢材下游来看,我国地产和基建行业高增时期已过,未来对粗钢的需求总量难有大增。
“碳中和”政策将长期压制粗钢产量。在粗钢产量无法增加的前提下,越来越多的钢铁生产企业必须踏上普转优、优专特的道路,通过加大研发制造能力,提高钢材产品利润。
近年我国政策对特钢等新材料行业的关注度明显加大。长期看,这对特钢行业的整体竞争格局有较强优化作用。
核心技术
项目团队研发的一系列仪器,主要能够测量出高温熔体的物理性质,如粘度、密度、表面张力和电导率,也可测量熔体的熔化特性、结晶性质(熔化温度、结晶温度),也可模拟铁矿石在高炉内的还原熔化滴落等特性,也可测试铁矿石的低温冶金性能(铁矿石低温还原粉化率、球团矿还原膨胀系数测定、铁矿石还原度测定、铁矿石热爆裂指数)。
图5 高温熔体物理性测试系统产品图
项目产品
1. 熔体物性测试系统
能够测量出高温熔体的物理性质,如粘度、密度、表面张力和电导率。该系统分为两个系列,系列一可进行超高温(1800℃)测试,系列二可进行高温(1600℃)测试。设备成本预估为60万。若只搭配密度测量系统,成本57.5万;只搭配表面张力测量系统,成本57.5万;只搭配电导率测试系统,成本58万;(以上搭配均包含粘度测定)。
图6 高温熔体物理学测试系统技术参数表
2. 熔体熔化特性测试系统
主要用于测量高温熔体的熔化特性(开始熔化温度、熔化温度区间)。
项目系统包括微型电炉、控制箱、光学放大、摄像机、图像采集和计算机系统组成。具有快速升降温的功能,大大缩减了实验时间。实验数据由计算机自动采集自动处理,实验数据和曲线由打印机自动输出。采用计算机测控技术与手动控制可同同时实施,可以指定温度的升降速度,任意恒定在某一温度。高清摄像头采集图像信息,提高测试准确率。
测试原理:使用PID调节器控制硅钼棒加热炉,计算机同时采集样品温度与图像,通过分析图像,获得样品的熔化与结晶特性,比如开始熔化温度、熔化温度区间等参数。
测试对象:熔点低于1650℃的炉渣。
图7 熔体熔化特性测试系统技术参数表
3. 熔体析晶测试系统
主要用于测量高温熔体的结晶性质,能够快速测量各种物质的熔化温度、结晶温度。
项目系统包括微型电炉、控制箱、显微镜、摄像机、图像采集和计算机系统组成。具有快速升降温的功能,每测量一个试样的熔化温度、结晶温度或结晶时间只需几分钟即可;能对物质在升温,降温或恒温过程中的熔化、结晶等行为进行观察;能对物质的工况条件进行模拟(如利用两个热电偶分别模拟两个不同表面的温度,实现该温度之间渣膜凝固结晶行为的模拟)。实验数据由计算机自动采集自动处理,实验数据和曲线由打印机自动输出。采用计算机测控技术与手动控制可同同时实施,可以指定温度的升降速度,任意恒定在某一温度。
测试原理:将B型热电偶丝弯成U型,构成微型电炉的加热元件,同时又兼测温部件。使用PID调节器和中频电路控制样品温度,计算机同时采集样品温度与图像,通过分析图像,获得样品的熔化与结晶特性,比如开始熔化温度、熔化温度区间、结晶温度等参数。
测试对象:连铸(或模铸)保护渣,非金属矿物,冶金炉渣等硅含量渣等。
图8 熔体析晶测试系统技术参数表
4. 铁矿石荷重软化测试系统
主要用于模拟铁矿石在高炉内的还原熔化滴落等特性。
项目系统包括加热电炉、控制箱、压差计、数字位移计、滴落监控,真空系统和计算机系统组成。装料完成后,可通过试验软件进行监控,整个试验过程自动进行;完成后显示整个试验曲线,以及相应试验参数;还原废气经过处理后直接排到室外,保证室内安全。炉体采用双层不锈钢结构,内通冷却水套,外形美观,结构设计合理、密封性好。
测试原理:根据GBT 34211-2017制作的测试系统,模拟铁矿石在高炉内部的还原条件下,矿石的变化情况,测试的主要内容由样品收缩情况,压力阻损情况,还原滴落情况。
测试对象:高炉用铁矿石。
图9 铁矿石荷重软化测试系统技术参数表
5. 铁矿石冶金性能检测系统
主要用于在铁矿石的低温冶金性能:铁矿石低温还原粉化率、球团矿还原膨胀系数测定、铁矿石还原度测定、铁矿石热爆裂指数。
项目系统包括加热炉、升降系统、温度控制系统、配气系统。加热炉用于提供测试环境,电动升降系统方便罐子的放入和取出。炉体全部采用不锈钢焊接而成。配气系统由3路质量流量计,阀门等配件组成,由上位机程序控制。加热炉采样三温区控制,恒温区间长达400mm;进口温控仪表,控温精度±1度;进口波纹管,减少管路连接对重量测试的影响。
图10 铁矿石冶金性能检测系统技术参数表
6. 真空热压烧结测试系统
主要用于在真空和高温的条件下对粉末进行压块成型。
项目系统包括加热炉、升降系统、温度控制系统、真空控制系统(扩散泵+机械泵)和数据采集与处理系统。加热炉用于提供测试环境,升降系统用于对样品的压缩率的控制,温度控制系统用于保证加热炉中的反应温度。炉体全部采用不锈钢焊接而成,双层水冷保护。升降采用液压配合伺服油阀,高度通过1微米光栅尺采集。
图11 真空热压烧结测试系统技术参数表
技术现状
项目技术具有较高的技术成熟度,已形成六大系列产品,相关产品可完成定制化设计。目前项目团队还在持续优化设计产品性能和结构,进一步规划具有可持续发展的产品研发路线。
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