武漢科技大學材料與冶金學院部分科研成果概況（尋求技術轉讓、合作開發）

Al4487

◆高強度中碳超細貝氏體鋼

MgAl24

◆高強輕質絕熱板

◆輕量鋁鎂質耐火材料

科研成果簡介表

項目簡介

項目針對國內外首條雙蓄熱式重軌生產線存在的產品大批量脫碳層超標問題，分析了防脫碳塗料條件下氣氛劇烈波動對脫碳規律的影響，開發了敏感鋼種雙蓄熱加熱防氧化脫碳控制工藝和一系列關鍵技術，有效地提升了產品加熱質量，解決了蓄熱式節能技術應用難點問題。項目技術經湖北省鑒定為國際領先水平。

項目主要技術特點：

１）開發了重軌鋼防脫碳雙蓄熱加熱工藝與控制技術，高速重軌產品表面脫碳層深度控制在0.25mm以下，優於世界鐵路用軌最高標準，在國內外首次成功實現了採用雙蓄熱式加熱爐生產超低脫碳品質的百米高速重軌；

２）通過數值模擬及1：1熱態試驗，研發了適用於大型加熱爐用低熱值煤氣的雙蓄熱式燃燒器，爐內溫差下降50％。

３）研製出了低應力高強蜂窩陶瓷蓄熱體、使用溫度≥1550℃的高輻射率隔熱噴塗料以及高抗熱震性微膨脹爐襯耐火澆注料，開發了燒嘴與爐牆整體澆注結構及其施工工藝；實際應用表明，加熱爐爐牆免維護條件下使用壽命≥1年。

項目技術在武鋼重軌產線、中厚板產線和鍊鋼廠鋼包烘烤中推廣應用，高速重軌表面脫碳層深度大幅下降，成材率提高14.8%，煤氣消耗降低0.1GJ/t鋼，近三年累計創效8872.42萬元；同時，改善了重軌產線鋼板樁、H型鋼產品質量。武鋼重軌質量得到鐵道部及用戶的高度認可，先後應用於京津城際高鐵、武廣高鐵、京滬高鐵等30余條新建高速鐵路及出口到了巴其斯坦和沙烏地等國。

項目簡介

本項目針對國內外首條雙蓄熱式重軌生產線存在的產品大批量脫碳層超標問題，分析了防脫碳塗料條件下氣氛劇烈波動對脫碳規律的影響，開發了敏感鋼種雙蓄熱加熱防氧化脫碳控制工藝和一系列關鍵技術，有效地提升了產品加熱質量，解決了蓄熱式節能技術應用難點問題。項目技術經湖北省鑒定為國際領先水平。

本項目主要技術創新：

（１）開發了重軌鋼防脫碳雙蓄熱加熱工藝與控制技術，高速重軌產品表面脫碳層深度控制在0.25mm以下，優於世界鐵路用軌最高標準，在國內外首次成功實現了採用雙蓄熱式加熱爐生產超低脫碳品質的百米高速重軌；

（２）通過數值模擬及1：1熱態試驗，研發了適用於大型加熱爐用低熱值煤氣的雙蓄熱式燃燒器，爐內溫差下降50％。

（３）研製出了低應力高強蜂窩陶瓷蓄熱體、使用溫度≥1550℃的高輻射率隔熱噴塗料以及高抗熱震性微膨脹爐襯耐火澆注料，開發了燒嘴與爐牆整體澆注結構及其施工工藝；實際應用表明，加熱爐爐牆免維護條件下使用壽命≥1年。

項目技術在武鋼重軌產線、中厚板產線和鍊鋼廠鋼包烘烤中推廣應用，高速重軌表面脫碳層深度大幅下降，成材率提高14.8%，煤氣消耗降低0.1GJ/t鋼，累計創效12951.47萬元；同時，改善了重軌產線鋼板樁、H型鋼產品質量。武鋼重軌質量得到了鐵道部及用戶的高度認可，並先後應用於京津城際高鐵、武廣高鐵、京滬高鐵等30余條新建高速鐵路及出口到了巴其斯坦和沙烏地等國。

項目簡介

低硫潔凈鋼脫硫技術是開發高端艦船鋼、大電機用硅鋼和海洋工程用鋼的關鍵，對保障國家重大工程建設具有重要意義。

本項目在國家自然科學基金等計劃的資助下，由武漢科技大學和武鋼歷經十年攻關，針對制約低硫潔凈鋼生產的關鍵技術和重大共性問題，發明低硫潔凈鋼一步深脫硫工藝，提出脫硫裝備技術和脫硫過程式控制制技術。主要創新點：

1、發現「離子擴散」和「障礙層穿透」對脫硫效率和鐵損的影響機制，發明了攪噴複合深精脫硫工藝。通過研發的梯形槳葉及攪噴複合技術，實現硫、氧離子的擴散控制和反應加速；通過攪拌中噴入氮氣強制紊流，控制鈣硅化合物障礙聚集，改善障礙層離子穿透性，提高脫硫效率45%。首次在大電機用高端硅鋼和大線能量焊接用鋼開發中獲得成功，一次脫硫終點硫降到7.1ppm，鐵損由3%減少到1.45%，實現了低硫潔凈鋼一步深精脫硫。

2、梯形槳葉攪拌器研製及攪噴複合工藝裝備開發。建立攪拌器複合結構耦合模型，開發出長壽命梯形槳葉攪拌器及新型攪噴複合工藝裝備。攪拌器壽命延長52.3%，混合性能優於寶鋼四葉攪拌器和新日鐵門型攪拌器。

3、研發了攪拌器自適應控制系統及成套控制裝備。針對攪拌器間歇多點定位精度差，攪噴運動耦合干擾的難題，設計了自抗擾控制器，實現了攪拌器運動位姿自適應控制。攪拌器定位誤差小於1%，速度誤差小於3%，響應時間由20秒減小到8秒。

項目簡介

不含鎢、鈷等貴金屬的陶瓷鋼新材料具有超耐磨、耐蝕、耐高溫以及與鋼的熱膨脹係數相近等一系列優良的性能。與目前普遍使用的WC-Co硬質合金相比，成本低，工藝簡單，並可與鋼鐵材料實現冶金結合，成功地解決了金屬與陶瓷兩種材料的冶金複合難題。廣泛應用於高溫、腐蝕、磨損等苛刻的服役條件之下，在機械、冶金、汽車、石化、模具、礦山等行業具有廣闊的應用前景。

項目簡介

PVD法製備高比容電容器用納米塗層鋁箔，其基本原理是在鋁箔表面氣相沉積納米陶瓷塗層，獲得高比電容納米塗層鋁箔。該技術的主要特點是：

（1）比電容高，比傳統腐蝕法提高一倍以上；

（2）環境友好，徹底解決了環境污染問題

（3）對光箔質量無特殊要求，可大幅度降低原材料成本

項目簡介

離子鍍技術是目前國內外製備高質量塗層的最主要方法之一，與電鍍及化學鍍相比，離子鍍技術的主要優勢在於：

（1）離子鍍較電鍍鍍層範圍更廣，鍍層種類更多，鍍層表面質量及結合強度更高；

（2）離子鍍對環境無污染，符合國家產業政策；

離子鍍是當今國內外公認的最先進的塗層技術之一，如美國、日本都用離子鍍鋁的工藝代替電鍍鎘、鉻、銅等做防護塗層，並用碳鋼鍍鋁代替不鏽鋼，效果良好。

項目簡介

煤炭資源豐富，煤炭作為化工原料的比重不斷增加，新型煤氣化技術得到快速發展。水煤漿氣化爐是以水煤漿為原料製取CO和H2為主混合氣體的裝置；其內襯耐火材料除承受高溫(1250~1450℃)、高壓(4~8.5MPa)和強還原氣氛作用外，還遭受酸性煤熔渣的侵蝕，使用條件苛刻。目前，水煤漿氣化爐普遍採用高鉻磚（亦稱鉻鋁鋯磚）作為內襯耐火材料。然而，該材料中氧化鉻含量均較高，它在生產、使用或回收利用過程中均有可能產生高危害的六價鉻離子，大量使用勢必會污染環境，威脅人類的健康。本項目提供的水煤漿氣化爐用尖晶石質澆注料不含氧化鉻；絕大部分是鎂鋁尖晶石相構成，並添加一定量稀土氧化物Y2O3和CeO2。該尖晶石質澆注料具有環境友好、節能、強度高、抗煤熔渣滲透和侵蝕性能優良、熱震穩定性好的特點，能夠滿足水煤漿氣化爐生產的需要。

項目簡介

鋁工業是世界有色冶金的支柱產業，鋁電解槽是鋁冶金工業的主體設備，槽內使用環境苛刻，從上到下分別為氧化性氣體、強腐蝕性電解質和強還原性鋁液。目前，鋁電解槽側壁普遍採用氮化硅結合碳化硅材料作為內襯耐火材料。由於該材料導熱係數高，電解過程側壁表面能形成保護性的爐幫，使得側壁材料的使用壽命較長。然而，爐幫的形成與維持需通過側壁耗散的熱量巨大，約為電解過程總能耗的35%。本項目提供的鋁電解槽側壁用的鎂質複合材料絕大部分由方鎂石相構成，並添加一定量的SnO2、Fe2O3、NiO高抗蝕相，燒結過程中材料內發生反應燒結生成高抗侵蝕相併促進材料的緻密化。該鎂質複合材料具有導熱係數較低、節能、強度高、抗電解質滲透和侵蝕性能優良、熱震穩定性好的特點，能夠滿足保溫型鋁電解槽電解煉鋁生產的需要。

項目簡介

鋰離子電池作為一種綠色清潔能源，具有工作電壓高、能量密度大、自放電率小等優點，廣泛應用於各類攜帶型電子設備，目前全球年產值約為2000億元，並以15%的速度遞增。目前商業鋰離子電池的負極材料主要為石墨類碳（C）材料，但碳材料的理論儲鋰容量僅為372 mAh/g，無法滿足人們對高能量密度材料的需求。硅（Si）的理論儲鋰容量高達4200 mAh/g，超過石墨理論容量的10倍，而且Si的電壓平台略高於石墨，在充電時不易引起表面析鋰現象，安全性能優於石墨類C負極材料，此外Si還是地球上含量第二豐富的元素，因而近年來Si成為鋰離子電池負極材料研究的熱點，成為引發鋰離子電池重大變革的一類新材料。但硅作為負極材料存在兩個致命的缺點：一是在鋰的嵌入/脫嵌過程中，有著嚴重的體積變化（400%）導致容量衰減很快，循環性能較差；二是硅作為一種半導體，其自身的導電性能很差。

含硅生物質中納米級二氧化硅均勻分佈在有機物中，形成了天然的嵌套結構在熔鹽中利用鎂熱還原原位把二氧化硅還原成硅這樣就得到一種多孔硅納米顆粒均勻分佈在碳中的硅-碳複合材料，稻殼中的碳不僅可以緩解硅材料鋰化時的體積膨脹，還提供了三維導電網路，完美解決了硅負極材料的缺點。本項目原材料來源豐富且簡單易行，產物中硅納米顆粒分佈均勻，具有良好的商業化應用前景。

應用前景

本項目所是以稻殼等生物廢棄物為原料製得的硅-碳負極材料相比於傳統碳負極材料而言具有容量大、循環性能好等特點。將農業廢棄物轉化為具有高附加值的鋰離子電池負極材料，不僅解決了農業廢棄物的處理難題，還提高了農村產業附加值。該技術方案是一條低成本、可持續發展路的綠色清潔路線，具有巨大的市場價值和經濟效益。

項目簡介

項目「稻殼製備納米硅及鋰離子電池應用」，屬於新型能源材料領域。鋰離子電池作為一種綠色清潔能源，具有工作電壓高、能量密度大、自放電率小等優點，廣泛應用於各類攜帶型電子設備，目前全球年產值約為2000億元，並以15%的速度遞增。目前商業鋰離子電池的負極材料主要為石墨類碳（C）材料，該類材料理論儲鋰容量為372 mAh/g，無法滿足人們對高能量密度材料的需求。硅（Si）的理論儲鋰容量高達4200 mAh/g，超過石墨理論容量的10倍，而且Si的電壓平台略高於石墨，在充電時不易引起表面析鋰現象，安全性能優於石墨類C負極材料，因而近年來Si成為鋰離子電池負極材料研究的熱點，成為引發鋰離子電池重大變革的一類新材料。全球水稻年產量高達4.22億噸，但其中有20%是稻殼這一廢料所佔的分量。是世界水稻生產第一大國，近年來水稻的年產量約2.0億噸，每年產生的稻殼高達4000萬噸左右。稻殼的主要成分是纖維素、木質素和氧化硅（SiO2），通常被用來製造一些廉價物品，如化肥添加劑、畜牧業用地毯和育苗床土等。我們研究團隊，經過幾年的研究，開發出了利用稻殼中生物礦化形成的多孔SiO2納米粒子，大規模、低成本地製備多孔Si納米粒子的技術路線，並將其開發成高性能鋰離子電池負極。這不僅可將農業廢棄物高附加值利用，解決資源浪費和環境污染等問題，同時也為Si納米材料的低成本、大規模製備以及材料的應用提供新的途徑。

項目成熟度

項目團隊已研發出以稻殼為原料生產納米氧化硅、納米硅的成熟技術。納米SiO2 粒徑為50-80 nm；多孔納米Si粒徑為20-40 nm，其純度為99.96%，表面積和孔容分別為245 m2/g和0.74 cm3/g。目前達到實驗室小規模生產程度，以此納米硅封裝成的半電池容量高達1500mAh/g。

應用前景

目前開發的技術路線，以稻殼的質量來計算，多孔納米Si的產率可高達5%。每年廢棄稻殼4000萬噸以上，如按照5%的轉化率來計算，每年從稻殼中可製備出200萬噸左右的多孔Si納米粒子。目前全世界鋰離子電池負極材料的年需求量在10萬-100萬噸，從稻殼中提取硅有助於滿足攜帶型電子設備和混合動力電動汽車電池不斷增加的硅需求，而作為世界上最廣泛種植作物之一的水稻，也能因此為先進技術的發展作出貢獻。目前全球市面上還沒有用稻殼等生物質生產納米硅的廠家，也沒有類似的產品出現，在國內外暫時沒有競爭者，該項目的實現能夠填充這一市場空白，具有巨大的經濟效益和社會效益。

項目簡介

Al4SiC4-Al8SiC7耐火材料具有優良的耐高溫性能和熱穩定性能，可取代氧化鋁－碳質和高鋁礬土－碳質複合耐火材料，有利於提高鋼的質量，具有良好的使用效果。該成果具有原料豐富、生產成本低和易於工業化生產的特點。採用該技術能夠製備性能優良的Al4SiC4-Al8SiC7耐火材料。

項目簡介

近年來，一種強韌性能優良的高強度貝氏體鋼逐漸受到鋼鐵界的重視。這種新型貝氏體鋼具有貝氏體鋼中很高的強塑積和超細貝氏體結構，其室溫韌性可媲美高強鋼中韌性最優的回火馬氏體鋼。然而這種鋼在生產過程中通常需要添加較多的貴合金元素，且熱處理工藝複雜，不利於工業化生產。

本項目設計鋼種以價格廉價的Si、Mn元素為主，採用低溫小變形與熱處理，提供一種成本低廉、生產周期短和工藝簡單的高強度中碳超細貝氏體鋼的製備方法。所製備的中碳超細貝氏體鋼的顯微組織為納米級貝氏體板條+馬氏體板條+殘餘奧氏體的超細組織，性能優良，具有良好的強韌性配合，可應用於工程機械、造船、建築和軍工等領域，具有較高的實際應用價值。

項目簡介

MgAl2O4/MgO-SiC-C質耐火材料具有較好的抗熔渣侵蝕和滲透能力、抗熱震性以及耐磨損性，可以作為鋼包渣線和高溫容器內襯的新一代耐火材料。本技術提供一種原料豐富、低成本和易於工業化生產的MgAl2O4/MgO-SiC-C質耐火材料的製備方法。

項目簡介

≤1.45 g·cm-3

知識產權及獲獎情況

23

3) 一種低熱導率改性蛭石複合隔熱材料及其製備方法，ZL201110342128.2；4）一種無機插層蛭石隔熱耐火材料及其製備方法，ZL201010029020.3。

2013年10月，通過浙江省科技廳鑒定，達到國際先進水平。

項目簡介

對於高溫行業工作層用耐熱震、抗侵蝕的輕量耐火材料研究開發提出骨料輕量化，基質緊密化的思想，以自制的顯氣孔率低、閉口氣孔率高、平均孔徑小的微孔剛玉為骨料對細粉部分進行緊密化堆積設計開發高性能輕量鋁鎂質耐火材料。

≤3.4g/cm3

23+MgO ≥ 96%

≤ 2.75g/cm3

≤ 0.5W·m-2·K-1

知識產權及獲獎情況

獲得國家發明專利3項：1）一種鋼包工作襯磚及其製備方法，ZL201110376715.3；2) 一種鋁鎂輕質澆注料及其製備方法，ZL 201010595986；3）一種鋼包內襯用鋁鎂澆注料及其製備方法，ZL201410147524.3。其微孔骨料經浙江省科技廳鑒定為國家領先水平。