钢铁
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2022年 57卷 10期
刊出日期：2022-10-15
综合论述
原料与炼铁
炼钢
压力加工
钢铁材料
环保与能源
综合论述
1
朱荣, 魏光升, 张洪金
近零碳排电弧炉炼钢工艺技术研究及展望
中国钢铁工业碳排放占全国总排放比例达16%,减少钢铁工业碳排放是中国政府实现“碳达峰、碳中和”承诺的重要抓手。在碳中和背景下,全球钢铁行业正加速推动技术革新以降低碳排放。提出近零碳排电弧炉炼钢新工艺,从能量来源碳近零、冶炼过程碳近零、原料生产碳近零3个层面开展技术创新,以实现炼钢工序碳近零。在能量来源碳近零方面,提出利用太阳能、风能及谷电等能源昼夜交替补充,能量有效存储及释放、微型智能电网及电弧炉优化供电,实现绿色能源的直接高效利用;在冶炼过程碳近零方面,提出利用氢能烧嘴、无碳发泡剂、CO
2
-Ar动态底吹脱氮、熔池内O
2
-CaO喷吹脱磷及系统能效评价等关键技术实现非涉碳冶炼;在原料生产碳近零方面,提出利用绿氢直接还原炼铁及相关配套技术、绿电等离子热风窑炉配合碳捕集工艺等大幅降低原辅料生产过程碳排放。对电弧炉炼钢过程能量输入、冶炼涉碳及原料带碳的吨钢坯二氧化碳排放进行了衡算,并结合上述关键技术减碳能力分析,计算预测该近零碳排电弧炉炼钢新工艺最终极限碳排放可降低到64 kg/t(钢)。因此,开展近零碳排电弧炉炼钢工艺研究,加速其工业落地应用,将有助于促进中国钢铁工业创新发展和绿色低碳发展。
2022 Vol. 57 (10): 1-9 [
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627
)
10
韩秀丽, 刘盈盈, 刘磊, 闫晓鹏, 刘子瑶
含钛型连铸保护渣性能及应用研究进展
随着钢铁技术的进步和社会发展需求,钢铁企业正在研发和生产强度高、韧性好、抗腐蚀性强等各种类型的高质量特殊钢种。如何有效控制特殊钢种连铸生产工艺的稳定性是当前保护渣开发面临的共性难题。设计研发合理的保护渣化学成分、稳定其物化性能,以保证特殊钢种良好的铸坯质量是钢铁冶金领域科研人员关注的热点问题。为此,有关科研人员开展了大量的保护渣基础理论及应用研究,取得了一定的成效。大多数学者研究认为,在传统保护渣中添加一定量的TiO
2
可以改善保护渣物化性能、提高吸附夹杂物的能力、阻止钢-渣界面反应、减少铸坯质量问题的发生。保护渣中TiO
2
质量分数为4%~8%、碱度为1.1~1.3时,可以有效改善保护渣的熔化温度、黏度以及热流密度等物化性能,对渣膜结晶也可以起到促进作用,能基本满足高钛钢、高铝钢等特殊钢种的要求;含钛保护渣渣膜中的钙钛矿可以代替传统保护渣渣膜中的枪晶石,对保护渣的传热起着决定性的作用;含钛保护渣吸收钢水中夹杂物后,保护渣的物理性能保持稳定,并可以防止特殊钢水中的钛与保护渣发生界面反应而引起的铸坯表面“结鱼”等问题的发生;含钛型保护渣在某些特殊钢种中已进行初步探索应用并取得阶段性成果。关于渣膜中钙钛矿及其他矿物对含钛型保护渣传热的影响机理,如何更好地协调保护渣的基础性能与润滑传热机制之间的矛盾,实现含钛型保护渣在连铸工艺中的广泛应用,以满足连铸工艺优质高效稳定的生产需要,仍是冶金工作者进一步研究的主要课题。
2022 Vol. 57 (10): 10-18 [
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178
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19
仲红刚, 王人杰, 翟启杰
冶金凝固过程试验研究方法及应用
冶金生产条件下的金属凝固问题极为复杂,除了多组元合金凝固过程具有的非平衡自组织现象之外,还受到几何尺寸、异质相、物理场等多种因素影响,研究难度很大。由于凝固对最终制品质量有显著影响,因此研究生产条件下的金属凝固过程,认识其组织、缺陷演变规律,进而优化工艺参数具有重要价值,而试验研究是发现现象、总结规律、验证数值模型的基础和关键,作用无可替代。总结了生产条件下金属凝固过程常用试验研究方法,重点关注了物理模拟、热模拟及工业试验法。物理模拟包括透明物质模拟、水模拟及低熔点金属模拟等,在观察凝固现象、揭示机理方面具有优势,但不能直接反映实际金属在冶金凝固过程中的现象和规律。热模拟方法则直接采用目标金属为试验材料,基于温度场的相似性进行试验模拟研究,能够直接反应冶金凝固过程,是一种成本较低且更为接近实际情况的研究手段。工业试验是验证模型和新技术不可或缺的研究手段,但是也存在成本较高、实施困难、周期长的特点。总体来说,几种试验研究方法各具特点和适用领域,综合运用多种方法开展研究,并进一步融合和发展新的研究手段是未来冶金凝固过程研究方法的发展趋势。
2022 Vol. 57 (10): 19-29 [
摘要
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208
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564
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30
颜峰, 黄小明, 郭荣鑫, 冯明杰, 张帅, 李昊
预处理改善钢渣体积安定性的研究现状
钢渣的体积不安定性不良是约束其用于道路材料的的主要因素之一。钢渣的体积安定性预处理是钢渣有效资源化利用的关键,也是提高钢渣在道路材料方向利用率的必备条件。针对钢渣的体积不安定性问题,分别从钢渣集料的特性、引起钢渣体积不安定性的因素、引起钢渣体积不安定性因素的测定方法和改善钢渣体积安定性的预处理措施4个方面综述了国内外对钢渣体积安定性的研究进展和现状。结果表明,钢渣集料的性能较好,但矿物成分复杂,其中引起钢渣体积不安定性的主要因素是游离氧化钙和游离氧化镁,其在一定条件下能使钢渣膨胀开裂,约束了钢渣的应用;乙二醇-EDTA-TG差热分析法和EDTA滴定法是测定钢渣中游离氧化钙和游离氧化镁含量较准确、较普遍的测定方法;国内大部分的预处理改善措施是针对钢渣中的游离氧化钙,包括自然陈化、蒸汽养护、表面改性处理、化学处理和碳化处理等,表面改性和化学处理为近几年钢渣的预处理措施热点,碳化处理能将钢渣膨胀率降低70%～90%,与其他处理措施相比效果较好,但对设备要求较高,成本较高;而国外主要是采取自然陈化的方式改善钢渣的体积安定性。因此,钢渣的预处理需要具有社会、经济、环境等效益的同时才能大规模应用,这需要科研人员更加深入地研究和探讨,最后结合前人的研究对未来钢渣资源化利用于道路材料的发展提出建议和展望。
2022 Vol. 57 (10): 30-42 [
摘要
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172
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原料与炼铁
43
刘起航, 王帝, 赵晓微, 杨双平, 胡蕖
高炉焦炭微观结构演变的多尺度表征及应用
焦炭是高炉冶炼的重要原料,其微观结构演变的多尺度表征对焦炭质量的合理评价和高炉顺行起着至关重要的作用。溶损过程中,焦炭多孔结构内部会产生不同程度的劣化梯度,这对焦炭行为会产生十分重要的影响,但目前的焦炭评价体系并未能考虑到这一因素。以反应速率常数
k
rea
和扩散系数
D
eff
的比值(
k
rea
/D
eff
)表征溶损反应对焦炭空间结构劣化的影响,可为进一步准确表征和预测焦炭内部的劣化梯度从而优化焦炭质量提供基础。对不同粒级尺度的焦炭进行了高温溶损试验,并研究了溶损过程中焦炭的基质反应特性和孔结构演变特征。通过傅里叶变换红外光谱、光学显微镜、SEM-EDS和BET比表面积孔径分布仪对不同溶损焦炭的成分、孔结构参数等进行了分析。结果表明,随着焦炭溶损程度的加深,矿物质在焦炭表面逐渐析出,并对溶损过程起到一定的催化作用,导致反应活化能
E
a
降低、
k
rea
增大;此时焦炭内部的微孔扩大并合并成中孔和大孔,CO
2
分子的扩散路径减少,扩散活化能
E
D
降低
、D
eff
逐渐增大。进入溶损反应中后期,焦炭中的活性组分被大量消耗,且其内部的灰分大量析出,使得反应活化能
E
a
升高、
k
rea
减小;而焦炭内部的大孔数量也进一步增加,多孔结构的曲折度大幅降低,使得扩散活化能
E
D
继续降低
、D
eff
增大。通过研究焦炭
k
rea
/
D
eff
发现,随着溶损程度增加,
k
rea
/D
eff
呈快速减小的趋势。且
k
rea
/D
eff
越大,焦炭内部的劣化梯度越大,容易从焦炭表面产生焦粉,不利于高炉实际生产。因此,在降低焦炭溶损率或反应后强度
CSR
的基础上,控制
k
rea
/D
eff
在合理范围内是进一步提高焦炭质量的有效措施。
2022 Vol. 57 (10): 43-54 [
摘要
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155
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333
)
55
甄常亮, 程翠花, 张巧荣, 赵凯
风口前端氧煤燃烧NO
x
生成行为分析及控制
以高炉风口前端煤粉燃烧过程为研究对象,通过热力学计算系统分析了不同约束条件下煤气成分及NO
x
的生成规律,探讨了温度、煤种比例及煤粉成分、富氧、喷煤等不同工况参数对NO
x
生成行为的影响,并提出降低NO
x
生成的方向性建议。研究结果表明,高炉风口前端煤粉燃烧生成NO
x
兼具热力型、快速型、燃料型3种途径。温度是影响热力型NO
x
生成的重要因素,温度大于2 000 ℃时,温度每升高100 ℃,高炉风口前端NO
x
生成量增幅大于30%以上,计算温度范围内(2 000～2 400 ℃),NO
x
生成量由4 056 mg/m
3
增加到12 942 mg/m
3
,NO
x
生成量远超传统燃煤锅炉;其他工况条件不变,高炉烟煤配比由0提高至50%,NO
x
的生成量由4 152 mg/m
3
增加至7 486 mg/m
3
,增幅达到80%;高炉煤比为80 kg/t时,即使不富氧,NO
x
生成量依然达到了18 006 mg/m
3
;喷吹煤粉中1 mol碳素供氧量由2.0 mol降至1.2 mol,NO
x
生成量显著减少了68%。综上所述,高炉通过采取调整理论燃烧温度、减少烟煤配比、使用低挥发分煤种、合理匹配富氧喷煤水平等措施,可以实现NO
x
生成的源头控制。此外,就高炉NO
x
排放角度而言,炉顶煤气中NO
x
的含量水平亦显著受高炉内部还原作用的影响。正常冶炼条件下,生成的NO
x
在炉内能够被充分还原,高炉炉顶煤气NO
x
量通常为50 mg/m
3
以下,但应关注亏尺、悬料、休送风等特殊工况时高炉煤气及下游煤气用户NO
x
的排放水平。
2022 Vol. 57 (10): 55-63 [
摘要
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113
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521
)
炼钢
64
王康豪, 姜敏, 李凯轮, 王新华
GCr15轴承钢BOF-LF-RH-CC流程夹杂物的生成及演变
为研究GCr15轴承钢中夹杂物的演变规律,对某钢厂BOF-LF-RH-CC工艺流程生产的GCr15轴承钢进行了全流程取样,并利用ASPEX扫描电镜和热力学计算对各工序钢中夹杂物的演变进行了系统的分析。研究表明,在LF精炼初期,钢中夹杂物主要为高Al
2
O
3
(
w
(Al
2
O
3
)=84%)的MgO-Al
2
O
3
和CaO-MgO-Al
2
O
3
夹杂物;LF精炼结束时,MgO-Al
2
O
3
和CaO-MgO-Al
2
O
3
夹杂物的数量所占比例分别为74%和26%,此时钢液中夹杂物尺寸主要为1～6 μm,数量所占比例为87%。LF-RH精炼期间,夹杂物总数量由LF精炼结束时的198 个/(20 mm
2
)降低至RH破空后的103 个/(20 mm
2
),降幅为48%,其中MgO-Al
2
O
3
夹杂物主要在LF精炼期间生成,然后在RH精炼时基本被去除,具体表现为,其数量由LF进站时的88 个/(20 mm
2
)增加至LF出站时的139 个/(20 mm
2
),在RH软吹结束时降低为4 个/(20 mm
2
);CaO-MgO-Al
2
O
3
夹杂物主要在RH精炼期间生成,其数量由LF出站时的49个/(20 mm
2
)增加至RH软吹结束时的108 个/(20 mm
2
),这表明RH真空精炼对夹杂物去除效果较好。热力学计算结果表明,二次精炼过程中钢中Al
s
、Mg含量处于MgO-Al
2
O
3
夹杂物优势区内,这表明MgO-Al
2
O
3
夹杂物更易生成;当钢中
w
([Mg])为0.000 3%时,
w
([Ca])大于0.000 25%,满足MgO-Al
2
O
3
夹杂物转变为CaO-MgO-Al
2
O
3
夹杂物的热力学条件,而且当
w
([Al
s
])为0.022%时,
w
([Ca])控制为0.000 25%～0.007 00%时更有利于生成液态化的钙铝酸盐。试验过程钢中
w
([Ca])约为0.000 1%～0.000 4%,因此夹杂物更多地转变为CaO-MgO-Al
2
O
3
夹杂物。
2022 Vol. 57 (10): 64-72 [
摘要
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427
)
73
常立忠, 徐涛, 苏云龙, 张龙飞, 朱春丽, 施晓芳
不锈轴承钢真空制备过程洁净度及碳化物变化
为了提高G102Cr18Mo高碳不锈轴承钢的洁净度、细化碳化物组织,采用真空感应熔炼、两次真空自耗重熔、大锻压比锻造的工艺路线,研究了真空处理及大锻压比锻造对化学成分、气体含量、夹杂物分布、二次枝晶间距及碳化物颗粒度的影响。研究结果表明,真空感应熔炼过程(VIM)中,随着铝含量的增加,碳的脱氧能力大幅降低,即使铝质量分数为0.003%也对碳的脱氧能力有明显的阻碍作用;真空自耗重熔过程(VAR)由于高的真空度、高的重熔温度等热力学条件以及反应动力学条件的改善,氧含量显著降低,第一次自耗重熔后氧质量分数从0.001 49%降低至0.000 57%,降低了61.7%,第二次自耗重熔后氧质量分数降低至0.000 50%。真空感应熔炼、真空自耗重熔过程,夹杂物的成分变化不大,主要以Al-Si夹杂为主,其次为Al
2
O
3
夹杂,再次为MnS夹杂、Mg-Al-Ca、Mg/Ca-Al夹杂。双真空冶炼后,钢中夹杂物主要为0～5 μm的细小夹杂物,未发现大于20 μm的夹杂,含有少量10～20 μm的夹杂,钢的洁净度大幅度提高。在真空自耗锭横断面上,从边部向芯部二次枝晶的形貌变化不大,二次枝晶间距逐渐增大,但是变化趋势缓慢,二次枝晶间距为85～95 μm,这主要得益于低的自耗重熔速度。对真空自耗锭进行大变形处理,最终锻造成
40 mm的圆棒,碳化物颗粒的最大尺寸不大于20 μm,平均尺寸为15 μm,且没有碳化物聚集的现象。低的自耗重熔速度和大锻压比锻造是碳化物细化的关键。
2022 Vol. 57 (10): 73-83 [
摘要
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138
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385
)
84
田雨丰, 李光强, 肖永力, 刘昱
残留CO
2
对石灰在转炉初渣中溶解的影响
在转炉炼钢过程中,石灰快速溶解对转炉高效脱磷具有十分重要的意义,石灰溶解过程中熔渣/石灰界面处形成的2CaO·SiO
2
产物层被认为是阻碍石灰溶解的关键因素。制备了具有两种不同CO
2
含量的部分煅烧石灰石,采用浸泡法研究了部分煅烧石灰石在转炉初渣中的溶解行为,并与纯石灰、石灰石的溶解行为进行比较。结果表明,石灰石溶解时在液态熔渣中CaO的传质系数为石灰的2.1倍,残留CO
2
质量分数为10%的部分煅烧石灰石的传质系数高达石灰石的6.7倍。在CO
2
质量分数为0～43.5%时,石灰的溶解速率先增大后减小。石灰溶解过程中形成的2CaO·SiO
2
层严重阻碍了FeO
x
的扩散,从而减缓了石灰的溶解。与石灰不同,石灰石分解产生的CO
2
能够破坏2CaO·SiO
2
层并破坏自身结构,有利于熔渣的渗透,这也适用于残留CO
2
的部分煅烧石灰石。制备纯石灰的过程中为了确保石灰芯部完全煅烧,因此极易导致石灰外表面发生过烧,而制备部分煅烧石灰石能在一定程度上解决表面过烧的问题。此外,与石灰石相比,部分煅烧石灰石由于表面是石灰外壳,溶解初期其表面附近的炉渣温降相对更低,能够避免溶解初期出现停滞阶段。在转炉富余热量有限的情况下,部分煅烧石灰石的石灰替换比高于石灰石,这取决于部分煅烧石灰石中的CO
2
残留量。
2022 Vol. 57 (10): 84-90 [
摘要
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211
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367
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91
孙聪磊, 蔡来强, 王旭东, 姚曼
基于无网格伽辽金法的板坯传热及力学行为
与基于网格离散的数值计算方法相比,无网格方法利用离散节点代替网格单元,回避了拓扑结构复杂、单元编号和信息传递等问题,在模拟分析相变界面移动、大变形、裂纹动态扩展等方面展现出极大的适用性。依据移动最小二乘法构造了场量近似函数,针对连铸板坯在结晶器初始凝固过程中的传热特征,构造和推导了基于无网格伽辽金法的板坯传热和凝固行为控制方程,结合采用伽辽金积分弱形式和变分原理,建立了铸坯热弹塑性二维横截面数值计算模型,以连铸生产现场实测铜板温度反算的结晶器热流为边界条件,模拟和分析了结晶器内初生坯壳的非均匀传热、应力和应变。研究结果表明,板坯在结晶器内宽度方向的传热和力学行为呈现出显著的非均匀特征,在距离弯月面200 mm范围内是应力应变快速增长阶段,之后应力应变增长速度放缓,距弯月面550 mm处,铸坯等效应力和应变出现极大值,分别为15.97 MPa和0.76%;在宽度方向上,角部受二维散热的影响,温度下降较快,出现应力集中现象,相邻的偏角部存在应力应变低谷,与角部在温度、应力、应变方面存在较大差异。上述结果验证了无网格方法计算铸坯非均匀传热、力学行为的可行性和适用性,为无网格方法应用至铸坯裂纹萌生与扩展的研究提供基础和参考。
2022 Vol. 57 (10): 91-100 [
摘要
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159
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327
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101
马樊, 刘青, 张江山, 王超, 孙建坤, 李明
喷嘴射流特征对连铸二冷区蒸汽膜穿透行为的影响
连铸二冷区铸坯表面温度通常高于900 ℃,此时喷淋液滴接触高温铸坯时不会湿润铸坯表面,仅在其上形成一层蒸汽膜,阻碍了液滴与铸坯表面接触传热。针对以上问题,以国内某钢厂连铸二冷区的扁平型水喷嘴为原型,建立了喷嘴射流仿真计算模型,并对所建模型进行了理论和实验室验证;采用数值模拟的方法研究了喷嘴自由射流区的流场分布,运用连铸喷嘴冷却检测系统测量获得了射流液滴粒径演变规律;结合数值模拟和实验室测定结果,定量分析了喷嘴在不同水流量下射流液滴冲击铸坯表面蒸汽膜深度的变化规律。结果表明,该喷嘴的最大射流速度在喷嘴出口处,射流在喷嘴出口附近出能维持较大的射流速度,且随着水量的增加,射流保持高射流速度的距离也增长;整体射流的轴向速度占比均在80%以上。当喷淋水量越大时,射流液滴粒径变得越小;随着距喷嘴出口距离的增加,射流中心处的液滴粒径逐渐增大并达到最大值;当水流量为9和12 L/min时,液滴粒径基本相同,这表明当水流量增加到一定值时,冷却水量的增加不影响液滴粒径分布。在不同水流量下,随着喷淋距离的增加,液滴穿透铸坯表面蒸汽膜深度呈先增大后略微减小的变化规律,在喷射距离为100~200 mm范围内时,液滴穿透深度最大,这表明喷射高度在该范围时,喷淋冷却效果最好。
2022 Vol. 57 (10): 101-109 [
摘要
] (
159
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431
)
110
张伟阳, 程树森
浸入式水口吸入空气机理及吹氩量控制模型
连铸过程浸入式水口本身及其与上水口连接处容易吸入空气,导致钢水二次氧化,随之可能造成水口结瘤及断浇,导致严重的连铸事故。通过向水口内部吹入氩气可以防止空气吸入,吹氩量控制不当容易引起铸坯缺陷。基于伯努利原理和质量守恒定律建立了从中间包到结晶器的速度-质量模型,探讨了以上部件吸入空气的机理。首先研究了理想与考虑压损2种情况下水口直径、水口浸入深度、中间包液位、铸坯宽度和拉坯速度对水口入口的钢液横截面积与出口的钢液横截面积之比(
A
A
/
A
P
)的影响,然后对水口结构进行了优化,并建立了吹氩量控制模型。结果表明,为防止水口吸入空气,应尽量减小水口直径、降低中间包液位和水口浸入深度的高度差、增大拉坯速度和铸坯断面宽度。其中水口直径提高10%,
A
A
/
A
P
从2.15增大至2.62;铸坯宽度和拉坯速度对
A
A
/
A
P
影响略低于水口直径,同样提高10%,
A
A
/
A
P
均从2.15降低至1.96;中间包液位和浸入深度对
A
A
/
A
P
影响最小。基于此研究结果,水口结构优化为符合钢液流束的圆台形,并结合水口内真空区体积确定了吹氩量控制模型,使得水口内始终保持微正压。本研究结果为减小甚至消除水口的空气吸入、控制氩气吹入量提供了理论基础,对高品质钢的生产及节能降耗具有重要意义。
2022 Vol. 57 (10): 110-119 [
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390
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120
吴宇涵, 陈文, 杨鑫, 何志军
低碳连铸保护渣对水口耐材的侵蚀行为
为达成“双碳”目标,目前国内钢铁企业致力于研发高性能的低碳、超低碳结晶器保护渣。低碳或超低碳结晶器保护渣具备适宜的物化性能,是高效、稳定连铸生产的基础保障,然而有关低碳保护渣对浸入式水口材料的润湿和侵蚀行为的研究甚少。通过高温润湿试验研究了中碳结晶器保护渣、低碳结晶器保护渣与ZrO
2
-C水口耐火材料的润湿和侵蚀行为,结合微观结构分析阐明了低碳结晶器保护渣对浸入式水口渣线材料的侵蚀机理。研究结果表明,低碳结晶器保护渣与ZrO
2
-C水口耐火材料的润湿性更好,且与传统型中碳结晶器保护渣相比较,在相同温度区间段内低碳结晶器保护渣与水口渣线ZrO
2
-C材料的接触角小,熔渣在水口表面铺展更快;由微观结构分析可知,低碳结晶器保护渣对水口渣线ZrO
2
-C材料的侵蚀程度较严重,且侵蚀深度更大。由于碳元素含量的影响,使得低碳结晶器保护渣与水口渣线ZrO
2
-C材料润湿性更好,为低碳结晶器保护渣向水口内部溶解和渗透提供动力学条件。另外,相较于中碳结晶器保护渣,低碳结晶器保护渣与水口材料的碳浓度差更大,致使碳原子的扩散驱动力更强,进而影响两相界面的润湿、溶解以及化学反应。另外,通过工业试验结果表明,在连铸生产过程中,使用低碳结晶器保护渣时浸入式水口渣线部位颈缩更为严重,本研究结果可为连铸生产提供一定的指导和借鉴。
2022 Vol. 57 (10): 120-126 [
摘要
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175
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605
)
127
汲庆涛, 于杰, 宁静, 梁剑雄, 杨志勇, 刘振宝
USS122G钢锭真空电弧重熔工艺的数值模拟
超高强度不锈钢以其超高强度和良好的韧性以及优异的耐腐蚀性能而广泛地应用在航空、航天等领域。真空自耗重熔(VAR)作为生产超高强度不锈钢铸锭的主要生产技术,具有去除钢中有害杂质、改善钢中元素偏析的功能。为了研究新型Cr-Co-Ni-Mo合金体系超高强度不锈钢USS122G的真空电弧重熔过程,通过工艺仿真优化软件(Melf-Flow-VAR),对VAR过程的宏观传热、传质和流动现象进行模拟,建立USS122G合金VAR过程的二维轴对称数学模型,预测了不同冷却速度下的温度场和熔池形貌,并着重分析了特定熔速下的温度场、流场的演变,有无氦气冷却的元素宏观偏析情况,最后以模拟工艺制备了USS122G合金
660 mm铸锭进行验证。结果表明,熔速增加,熔池深度加深,熔池形貌由低熔速扁平状圆弧状高熔速深“U”变化,熔炼速率为4.5 kg/min的熔池形貌具有较窄的糊状区,在此熔速下,熔池形貌呈现圆弧状,且真空自耗炉的输入功率较低,流场模拟结果显示流体的流动方向沿边部向下,中部向上,在铸锭右侧呈现顺时针运动规律;模拟熔池在达到稳态后深度为132 mm,此时模拟熔池深度与实测结果基本一致;在熔炼过程中Cr和C元素均发生正向偏析,采用氦气冷却的铸锭中元素偏析程度较小,在距钢锭1/2
R
处到边部Cr和C元素分布规律与模拟结果吻合较好。本项研究成果为钢的工业化稳定生产提供了可靠的数据支撑。
2022 Vol. 57 (10): 127-138 [
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压力加工
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李维刚, 徐康, 李金灵, 赵云涛
热轧带钢表面缺陷识别算法研究与应用
在带钢热连轧生产过程中,带钢表面会出现不同类型的缺陷,给带钢性能造成不利影响,严重时引发质量异议。目前在线使用的带钢表面检测系统经常需要人工调整缺陷图片库,部分类别的典型缺陷图片调整后会影响另一些类型的检测精度。采用深度学习方法,设计了一种轻量化残差网络LDS-ResNet14,缩减了原始残差网络ResNet18的层数和宽度,并将普通的卷积替换成深度可分离卷积,网络的参数量和运算量大量减少;同时,使用知识蒸馏(Knowledge Distillation,KD)方法迁移大型残差网络ResNet50的知识,并提出一种混合KL散度和交叉熵的损失函数让知识更好的迁移到LDS-ResNet14上,在压缩模型的同时提升了模型的精度和泛化能力。离线试验表明,提出的网络LDS-KD-ResNet14针对武钢CSP机组的8类带钢表面缺陷的平均识别精度为99.16%,相较于ResNet18精度提高0.67%,计算量仅为原来的12.1%。实际现场在线应用表明,针对武钢CSP热连轧机组的折叠、油污、夹杂和麻点这4类缺陷,模型缺陷检出率达到96.43%、缺陷识别率达到94.10%,单张图片的检测速度为16.5 ms,满足实际生产要求。
2022 Vol. 57 (10): 139-147 [
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钢铁材料
148
赵威, 黄瑾, 胥国华, 王磊
热处理对GH3128合金接头组织及力学性能的影响
核能已经逐渐取代化石能源成为新一代能源,作为重要构件的高温气冷堆中间换热器得到了广泛关注。由于GH3128合金具有较好的焊接性、较高的高温抗氧化性能和组织稳定性,有望成为超高温气冷堆中间换热器的候选材料,但基于换热器结构复杂性以及密封性的要求,焊接是其生产和制造的关键成形手段。采用脉冲钨极氩弧焊(GTAW)对GH3128合金2 mm板材进行对接焊,研究了热处理对焊接焊接接头显微组织以及应力的影响。结果表明,在优化焊接工艺参数下,固溶态板材接头表现出最高的强塑性,室温及高温拉伸断裂位置均为母材。由于热轧态与固溶态板材接头热影响区在焊接过程中产生残余应力,导致该区硬化,在高温变形过程中残余应力诱发热影响区μ相析出,对接头持久、蠕变性能造成不利影响。焊后热处理消除了接头热影响区的残余应力,减少了持久、蠕变过程中μ相的析出,接头持久寿命得以改善。在1 200 ℃下,残余应力可为焊后热处理过程中静态再结晶提供激活能,接头热影响区发生再结晶,硬度下降,接头塑性变形能力不协调,导致室温拉伸与950 ℃拉伸断裂位置均为焊接接头。对固溶态板材试样进行不同的焊后热处理,EBSD扫描结果分析发现,接头经过1 100 ℃×10 min热处理后,残余应力明显消失,温度升高至1 140 ℃后,热影响区开始发生再结晶。
2022 Vol. 57 (10): 148-157 [
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158
陶学儒, 耿鑫, 姜周华, 李扬, 彭雷朕
硼元素对FB2钢组织和力学性能的影响
为了研究硼含量对FB2钢组织和力学性能的影响,先对5组不同硼含量的FB2钢用维乐试剂(1 g苦味酸+5 mL盐酸+100 mL无水乙醇)浸泡腐蚀90 s后进行形貌观察与分析。通过SEM-EDS观察分析基体中M
23
C
6
型碳化物,然后用Image-pro plus软件对析出相的尺寸进行分析。接着采用日本岛津制造所生产的AG-XPLUS 100 kN万能试验机,对5组不同硼含量的FB2钢进行室温拉伸试验和室温冲击试验。最后对5组不同硼含量的FB2钢进行组织和力学性能的分析。结果表明,FB2钢中的硼元素可以抑制M
23
C
6
型碳化物的长大粗化,但是硼元素易于与氮元素形成BN夹杂物。随着硼含量的增加,M
23
C
6
型碳化物的平均尺寸呈现降低的趋势,BN夹杂物的单位数量和平均尺寸呈现增大的趋势。FB2钢的室温拉伸性能随着硼含量的增加先升高后降低,并且在硼质量分数为0.010%时FB2钢的室温拉伸性能达到最强。当硼质量分数由0增加到0.010%时,FB2钢的室温拉伸性能升高,这是由于硼元素的加入抑制了M
23
C
6
型碳化物的粗化,从而提升了FB2的强度;当硼质量分数由0.010%增加到0.030%时,FB2钢的室温拉伸性能降低是由于硼元素与氮元素结合形成了BN夹杂物,引起应力集中,且大尺寸的BN夹杂物诱发了孔洞的形成,降低了FB2钢的性能。FB2钢的冲击功随着硼含量的增加呈现降低的趋势,且当硼质量分数为0.020%和0.030%时,冲击功出现了骤降,这是由BN夹杂物的单位数量、平均尺的上升和大尺寸BN及杂物的析出导致的。
2022 Vol. 57 (10): 158-169 [
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170
张宁飞, 崔志强, 王婕, 侯清宇, 黄贞益
含硅镍低密度钢的温拉伸力学行为及强韧机制
为了分析硅镍合金化奥氏体基低密度钢在中温环境下的拉伸变形行为,采用Instron电子拉力试验机对Fe-28.64Mn-8.99Al-1.68Si-1.39Ni-1.0C(Mn29Al9Si2Ni,质量分数/%)低密度钢在23~300 ℃下进行了温拉伸试验,研究了该钢的温拉伸力学行为,并采用SEM、TEM和热力学计算对该钢的强韧化机制进行了研究。结果表明,随着应变的增加,温拉伸应力-应变曲线主要包括弹性变形、均匀塑性变形和断裂等几个过程,没有明显的屈服现象。随着温度的提高,该钢的强度逐渐降低,塑性(断后伸长率)先增加后减小再升高,于200 ℃时出现塑性低谷,此时该钢的应力-应变曲线和应变硬化率曲线均具有明显的锯齿状特征,应变硬化率随应变的增加变化不大。而该钢在其他温度下的应力-应变曲线和应变硬化率曲线没有发现明显的“锯齿状”特征,应变硬化率随应变的增加而平缓下降。试验钢在23~300 ℃下的主要强韧化机制为κ-碳化物强化、应变强化、孪生诱发塑性和动态应变时效强化。较低温度下位错可动性较差对孪生诱发的促进作用、镍元素和硅元素对孪生的抑制作用、较高温度下孪生现象的减弱和温度对动态应变时效的促进或抑制作用等使得试验钢在23、100和300 ℃时存在明显的孪生诱发塑性,而在200 ℃时存在明显的动态应变时效强化的主要原因。动态应变时效强化是该钢在200 ℃时出现塑性低谷的主要原因。
2022 Vol. 57 (10): 170-177 [
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178
朱康峰, 麻衡, 宋新莉, 贾涓, 梁小凯, 孙新军
550 MPa级海洋工程用钢板低温韧性波动原因分析
550 MPa级海洋工程用钢在低温冲击功波动较大。为了进一步探究产生低温韧性波动的原因,在不同温度(-100 ℃~室温)对试验钢进行冲击试验。结合光学显微镜、扫描电子显微镜、透射电镜等设备,分析冲击断口、显微组织、第二相、夹杂物。结合热力学计算等对低温韧性波动原因进行分析讨论。结果表明,试验钢强度满足等级要求,随着温度降低冲击吸收功不断降低,韧脆转变温度为-50 ℃左右。在-60 ℃下冲击功出现较大波动,出现了18 J的极低值,断口为准解理断裂,剪切断面率为8%,裂纹源处存在Ti,Nb(C,N)和MnS的复合夹杂。而在相同温度下冲击功为122 J的试验钢,剪切断面率为34%,断口发现有明显的韧窝。试验钢组织主要为回火贝氏体加极少量铁素体,贝氏体板条中存在高密度位错,晶界上有(Fe,Cr)
3
C合金渗碳体与少量NbC和富Cu析出相。试验钢以小角度晶界为主,大角度晶界占比较低。基体中有少量(Ca,Al,Mg,Mn,S)等复合夹杂物,多呈近圆形和多边形,大小多为1~3 μm,占检测到的总数量的85.87%。占比例最高的是CaS-Oxide-MnS类夹杂,为31.2%。热力学计算结果表明试验钢凝固过程中TiN先于MnS析出。晶界与晶内粗大的析出相、夹杂物、较高比例的小角度晶界与塞积的不可动位错等多种因素对低温冲击韧性产生不利影响,存在大颗粒含钛析出相是造成冲击韧性波动大的关键原因。
2022 Vol. 57 (10): 178-187 [
摘要
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环保与能源
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韩晶, 杜滨
铁钢比变化对吨钢综合能耗影响分析方法
在碳达峰、碳中和背景下,增加废钢消耗比例、降低铁钢比可直接影响钢铁企业吨钢综合能耗下降,是中国长流程钢铁企业能效提升、节能降碳的有效路径,已成为钢铁行业研究热点。首先结合长流程钢铁生产实际从热量平衡角度简要分析了降低铁水热量损失、提高废钢入炉温度、降低转炉出钢温度等降低铁钢比的主要途径和相应技术措施。为了完整量化分析铁钢比变化对钢铁企业吨钢综合能耗的影响,以钢铁企业系统节能原理为基础,在传统的铁前工序钢比系数、转炉炼钢工序能耗变化影响分析的基础上,增加了由于铁钢比变化导致吨钢余能回收对吨钢综合能耗的影响,并提出了铁钢比变化对长流程钢铁企业能耗影响定量分析方法。最后以若干钢铁企业实际数据为例进行了定量分析,在该案例条件下,铁钢比从基准期0.950降低至统计期0.790,铁前工序钢比系数、转炉炼钢工序能耗、吨钢余能回收三者变化分别影响吨钢综合能耗下降71.282 kgce/t、下降1.000 kgce/t、增加9.687 kgce/t,合计影响吨钢综合能耗下降62.595 kgce/t。该案例定量分析显示铁钢比平均每降低0.01,吨钢综合能耗下降3.912 kgce/t,铁钢比下降能够有效提升长流程钢铁企业吨钢综合能耗水平。
2022 Vol. 57 (10): 188-194 [
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钢铁
编辑部公告
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中国科协全国学会学术出版道德公约
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公告：《钢铁》2018—2019年论文电子版已全文上网（附下载方式）
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《钢铁》杂志2019年“先进炼钢-连铸工艺与装备”专刊征稿通知
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热烈庆祝《钢铁》杂志被评为“2014中国国际影响力优秀学术期刊”
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《钢铁》创刊60周年纪念特刊征订
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