钢铁
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2022年 57卷 12期
刊出日期：2022-12-15
综合论述
原料与炼铁
炼钢
压力加工
钢铁材料
   
综合论述
1 张立峰
炼钢技术的发展历程和未来展望(Ⅰ)——炼钢技术的发展历程
全面回顾了炼钢技术的发展历程。炼钢技术从19世纪50年代开始,发展至今已有170多年,经历了贝塞麦炼钢炉、平炉、氧气炼钢炉和电弧炉几个主要阶段。1850年代英国人贝塞麦发明了底吹空气的酸性转炉炼钢工艺,空气进入炉底气室然后通过透气砖进入钢液熔池,该技术因为酸性内衬而无法冶炼高磷铁水。19世纪70年代,英国人托马斯发明了碱性耐火材料和碱性炉渣的底吹空气转炉炼钢技术,实现了钢液的脱磷且脱磷在脱碳后进行。19世纪60年代,英国人西门子和法国人马丁分别发明了在高温蓄热室结构的炉子内使用铁矿石为氧化剂实现铁液脱碳的炼钢过程,即“西门子-马丁炉炼钢工艺”,又称为平炉炼钢技术,冶炼过程渣钢分离,脱磷在脱碳之前进行,钢中氮含量低,冶炼炉容积可以达到几百吨,可以使用废钢,该技术于20世纪初全替代了贝塞麦的底吹空气转炉炼钢技术。1949年,杜勒教授成功完成了顶吹氧气转炉炼钢的试验,并促进奥地利的Linz和Donawitz炼钢厂在1952年开始进行顶吹氧气转炉炼钢的工业实践,称为LD工艺,随后该工艺在欧美等发达国家广泛推广,在美国被称为氧气碱性转炉炼钢技术,简称BOF工艺。20世纪90年代以后,欧美发达国家的平炉炼钢技术完全被顶吹氧气转炉技术替代。底吹氧气炼钢技术和顶底复吹技术从20世纪60年代开始出现并被逐渐推广。19世纪70年代,西门子建造了第一座试验用的炼钢电弧炉,20世纪初,美国建造了世界上第一座三相埃鲁电弧炉并开启了电弧炉炼钢实践。熔化废钢和合金的感应炉技术从19世纪80年代开始出现,20世纪20年代真空感应炉开始工业应用。中国的炼钢技术起步很晚,1949年产钢不足16万t,1964年在首钢诞生第一座氧气顶吹转炉,最近30年来,中国的炼钢能力和炼钢技术都得到了飞跃式发展,粗钢年产量已经达到10亿t以上,占世界总产量的50%以上,正在从钢铁大国向钢铁强国迈进。
2022 Vol. 57 (12): 1-12 [摘要] ( 333 ) [HTML 1KB] [PDF 6439KB] ( 519 )
13 张淑会, 邵建男, 兰臣臣, 毕忠新, 吕庆
生物质能在炼铁领域应用的研究现状及展望
在国家碳达峰和碳中和目标下,炼铁行业在改进生产技术的同时,开发可替代的新型能源以减少一次化石燃料的消耗,是实现其低碳发展的必由之路。生物质能作为一种清洁可再生能源,具有来源广泛、环境友好和碳中性等特点。天然生物质能挥发分含量高、易燃烧,而热解后的生物炭的理化性能与煤粉接近,将生物质能作为燃料和还原剂应用于炼铁生产,可以有效发挥其节能减排作用。在分析生物质能理化性能的基础上,系统阐述了生物质能在制备焦炭、高炉喷吹、烧结、球团工序中应用的研究现状。首先指出,生物质和煤粉的共热解技术是利用生物质混煤炼焦的关键。为了推进生物质焦炭在高炉冶炼中的应用,需要加强生物质焦炭对高炉软熔带透气透液性的影响研究。其次,生物质的热值、燃烧特征温度和燃烧率是影响生物质混煤喷吹效果的主要因素。提出开发生物质协同煤粉造气新技术可以拓宽高炉喷吹用生物质能的选择范围,并可生产优质富氢还原煤气用于高炉喷吹。第三,指出用适量的生物质能替代焦粉或煤粉进行铁矿粉烧结,可以保证烧结矿的质量,并产生显著的减排效果。在制备生物质含碳球团时,需要严格控制生物质的添加量,以获得高金属化率和适宜黏结性指数的球团。在今后的研究中应重点进行生物质的种类和添加量对烧结矿和球团矿质量的影响研究。最后,指出目前生物质能炼焦、高炉喷煤、烧结和球团中的应用还多处于基础研究阶段,建议今后应加快生物质能在炼铁各工序生产中的应用实践,以进一步评估生物质能在炼铁领域的使用效果和应用潜力。
2022 Vol. 57 (12): 13-22 [摘要] ( 418 ) [HTML 1KB] [PDF 2230KB] ( 640 )
原料与炼铁
23 王新东
适应高比例球团冶炼的高炉系统设计与生产实践
当前中国钢铁工业面临着节能减排、绿色发展等多重压力,呈现出减量化和创新性发展的新形态。在非高炉炼铁关键技术取得重大突破及大规模应用前,以高炉为主的炼铁工艺在一段时间内仍将保持主体地位。而高比例球团冶炼是当前中国高炉炼铁的发展方向,是未来钢铁工业实现减污降碳的必然趋势。为了进一步推动高比例球团技术的研发与应用,从球团矿的物理化学性质出发,阐述了球团矿在高炉内的行为,分析了限制球团矿比例提高的因素,从冶金反应机理到工程实践总结了未来高比例球团冶炼的高炉系统设计发展方向,提出以低碳绿色为前提、以资源和能源利用为基础、以智能化装备为支撑的高炉设计理念。通过对比分析国内外多种高炉炉型、冷却系统、炉缸炉底设计方案,重点分析了多段式炉身、全铸铁冷却壁、串罐无钟炉顶在高比例球团冶炼中的优势,归纳了矿焦槽、热风炉及自动化检测与模型控制等技术特点,给出了适应高比例球团冶炼的高炉系统设计建议。根据球团矿在高炉内的反应机理以及操作炉型对强化冶炼的影响,提出合理的炉料结构的确定方法,最佳的炉料碱度控制标准,以及装料、送风、出铁、热、渣等操作制度。最后,通过高炉冶炼实践,验证了高比例球团冶炼技术经济指标的进步,为今后高比例球团冶炼高炉系统设计及优化方向奠定了基础。
2022 Vol. 57 (12): 23-31 [摘要] ( 169 ) [HTML 1KB] [PDF 1562KB] ( 645 )
32 罗林根, 庞建明, 宋耀欣, 师学峰, 陈泽宇, 胡启晨
中关铁矿制备熔剂性球团生球性能试验
通过增加熔剂性球团矿的入炉比例,能够改善炉料结构,降低炼铁系统能耗,并且通过“源头减量”的途径可以降低炼铁过程中污染物的排放。实现高球比冶炼的核心环节是制备熔剂性球团,而熔剂性球团质量取决于生球的性能,因此,保证生球质量是探究熔剂性球团制备工艺较为重要的环节。由于中关铁矿硅含量较低、镁含量适宜,适合作为低硅熔剂性球团的原料。以中关铁矿为原料探究熔剂性球团的制备工艺,并在此基础上分析了影响熔剂性球团生球质量的因素(粒度、时间、水分、膨润土、SiO2含量、碱度和MgO含量)。试验结果表明,生球的抗压强度、落下强度及爆裂温度受碱度、SiO2和MgO含量变化的影响不大;生球的抗压强度、落下强度及爆裂温度主要受造球时间、水分、黏结剂用量、铁矿粉及熔剂的理化性能影响,并在造球时间维持为12 min、水分维持为8%～9%、膨润土用量为2%时,生球抗压强度、落下强度及爆裂温度较优且满足运输与入炉要求。
2022 Vol. 57 (12): 32-40 [摘要] ( 155 ) [HTML 1KB] [PDF 2296KB] ( 636 )
41 林安川, 邱贵宝, 张晓雷, 蒋玉波, 刘晓兰, 刘缘缘
高炉生产综合诊控模型研发及应用
钢铁工业是国民支柱产业,炼铁高炉能耗和成本的高低,在很大程度上决定了一个钢铁联合企业在区域市场的竞争力。从现实条件出发,依靠装备技术进步和信息化手段,通过加强对高炉生产数据的在线跟踪、综合分析及研究,不断优化高炉冶炼标准化、精准化操作模式,合理地处理好具体技术装备、原燃料和高炉4大操作制度的关系,处理好不断上升的煤气流和不断下降的炉料的相关传质、传热关系,为生产管理、技术人员、操作人员寻求合理的高炉操作制度提供依据,成为实现高炉冶炼过程定量化、高效化的一条根本途径。基于炼铁基础理论,通过计算机信息化手段,研发了具有对高炉冶炼过程中煤气流在线诊断、量化评价、优化等功能的生产综合诊控模型并得到应用。通过对高炉冶炼过程中煤气流分布指数、布料矩阵、综合冶炼参数进行适时计算、跟踪及潜力分析,对渣铁成分和指标进行预测预控,得到在具体原燃料条件下高炉进一步挖掘潜力时对布料、送风及渣铁制度等与指标控制相关联复杂相互影响关系数据的量化处理。进而得出满足具体冶炼条件下改善技术指标的冶炼控制措施,并利用物料平衡、热平衡模型对冶炼因素调整进行效果检测。应用结果表明,系列模型的应用有利于形成在具体条件下新的更为匹配的煤气流分布,综合冶炼参数更为和谐,在客观条件改善较小的情况下,喷吹煤粉相对置换比大于1.0,实现了低w(Si)、稳w(Si)冶炼,获得了较高的高炉热量利用率。同比上一年入炉品位条件,实现利用系数、燃料比等指标显著改善。
2022 Vol. 57 (12): 41-56 [摘要] ( 136 ) [HTML 1KB] [PDF 10759KB] ( 290 )
炼钢
57 杨晓江, 周泉林, 张全, 孙建月, 钟良才, 李强
复吹转炉渣金间传质物理模拟及应用
将200 t复吹转炉按照1：12的比例缩小,用液体石蜡模拟炉渣、水模拟钢水、压缩空气模拟顶吹和底吹气体,在实验室建立模拟复吹转炉吹炼过程熔池渣金间传质的试验模型,在顶吹气体流量为88 m3/h条件下,通过相对集中非对称布置的4、6、8、10、12支底枪吹入不同底吹气体,用苯甲酸作为传输物质,试验测定了复吹转炉熔池渣金间的容量传质系数,考察不同底枪支数和布置以及底吹气体流量对渣金间传质速率的影响,优化复吹转炉底枪布置和底吹气体流量,以增强复吹转炉熔池的搅拌,改善熔池渣金反应动力学条件。研究结果表明,当底吹气体流量为1.14 m3/h时,在4～12支的底枪布置方案中,4、6支底枪布置方案的容量传质系数(分别为1.77×10-4、1.80×10-4 L/s)低于8、10、12支底枪布置方案的容量传质系数(分别为2.41×10-4、2.24×10-4、2.42×10-4 L/s);当底吹气体流量为0.57 m3/h时,在8～12支底枪布置方案中,10、12支底枪布置方案的容量传质系数(分别为1.68×10-4、1.69 ×10-4 L/s)明显大于8支底枪布置方案的容量传质系数(0.95 ×10-4 L/s);在底吹气体流量不小于1.14 m3/h后,8、10、12支底枪布置的容量传质系数相差不大,在2.24×10-4～2.87×10-4 L/s的范围;在气体流量小于1.14 m3/h时,随着底吹气体流量的增加,渣金间的容量传质系数增加显著,底吹气体流量大于1.14 m3/h后,容量传质系数增加变缓。将12支底枪布置方案应用到实际复吹转炉,整个炉役的平均碳氧积为0.001 96×10-4,在不同炉龄阶段,终点钢水平均碳氧积为0.001 88×10-4～0.002 04×10-4,终点钢水碳氧积小于0.002 5×10-4的炉次比例达到90.53%。
2022 Vol. 57 (12): 57-65 [摘要] ( 117 ) [HTML 1KB] [PDF 4814KB] ( 431 )
66 杨光, 杨文, 张立峰
铝镇静钢中夹杂物钙处理改性及其影响因素
钙处理广泛应用于铝镇静钢中非金属夹杂物的改性,但在工业实践中的改性效果差别很大。为了探究钙处理效果差异的原因,通过工业试验和热力学计算研究了铝镇静钢钙处理前后非金属夹杂物的演变,并讨论了钙处理改性夹杂物的影响因素。结果表明,浇铸末期钢液中的T[O]和T[N]质量分数分别为0.002 9%和0.003 9%。精炼前期钢中夹杂物Al2O3质量分数达90%以上,钙处理后,钢液中钙质量分数快速增加至0.002 5%,同时夹杂物中CaO质量分数由钙处理前的4%迅速增加到23%,Al2O3质量分数由钙处理前的82%降低至70%,夹杂物由团簇状Al2O3转变为球形的Al2O3-CaO复合夹杂物,夹杂物平均成分靠近液相区。由于二次氧化,浇铸时钢中的T[O]和T[N]含量升高,夹杂物的尺寸和数密度增加,因此,需要加强钢液的保护浇铸。在连铸与轧制过程中,夹杂物中CaO质量分数由中间包中的20%增加至轧材中的37%,Al2O3质量分数由中间包内的77%降低至56%,夹杂物的平均成分向液相区移动,但夹杂物类型不发生改变,仍为球形的钙铝酸盐。通过热力学计算得到本研究中试验钢种夹杂物“液态窗口”对应的钙质量分数为0.001 1%～0.002 8%,此外钢液成分对钙处理的“液态窗口”影响很大。随着钢液中T[O]含量升高,“液态窗口”变宽,但所需喂钙量增加;随着钢液中T[S]含量增加,“液态窗口”变窄;钢液中的T[Al]含量对“液态窗口”无明显影响。
2022 Vol. 57 (12): 66-78 [摘要] ( 138 ) [HTML 1KB] [PDF 14357KB] ( 440 )
79 刘坤龙, 吕明, 宋保民, 张朝晖, 王建江, 方明
Q355B铝镇静钢夹杂物演变及钙处理工艺优化
基于某钢厂Q355B铝镇静钢冶炼过程生成高熔点夹杂物,出现探伤不合格的问题,通过全流程取样分析钢中夹杂物的演变规律,发现原工艺LF精炼过程钙处理前夹杂物主要为低CaO含量的CaO-MgO-Al2O3系夹杂物,Al2O3质量分数约为77%。钙处理后,钢液中CaO-MgO-Al2O3系夹杂物向液相区左侧CaO含量高的区域靠近,Al2O3质量分数减少至32%;同时,CaS在钙铝酸盐表面异质形核,出现CaS-CaO-Al2O3系夹杂物,夹杂物中CaS质量分数增加至23%。应用热力学平衡模型计算钙处理钢液中S-Ca、Al-Ca及Al-S反应平衡曲线。结果表明,在1 873 K下生成C3A、C12A7、CAL等低熔点钙铝酸盐类夹杂物,钢液内w([Al])和w([Ca])的关系应分别满足 w([Al])2/w([Ca])3≤7.83×103、2.36×105、1.18×107,w([Al])和w([S])的关系应分别满足 w([S])3×w([Al])2≤7.79×10-12、8.36×10-11、8.14×10-10;当钢液中w([Al])为0.007 5%时,w([Ca])和w([S])分别控制在0.000 62%～0.001 9%、0.001 6%～0.005 1%范围内有利于生成理想液态产物C12A7。结合夹杂物分析及热力学计算,优化调整了脱氧、喂线等生产工艺,将铝块加入量由0.8 kg/t降低至0.7 kg/t,喂硅钙线量由300 m/炉降低至200 m/炉,并进行全流程取样分析夹杂物变化。发现钙处理后,CaS-CaO-Al2O3系夹杂物中,CaS质量分数降低至约5%,夹杂物分布在低熔点液相区域附近,铸坯中钢液w([Ca])由0.003 1%降低至0.001 5%～0.002 2%;最终夹杂物体系为(CaS)-CaO-(MgO)-Al2O3低熔点复合相夹杂物,防止了高熔点钙铝酸盐类夹杂物及CaS类夹杂物的产生,提高了铸坯质量。
2022 Vol. 57 (12): 79-87 [摘要] ( 128 ) [HTML 1KB] [PDF 3135KB] ( 536 )
88 卢春光, 张国磊, 成国光, 苗红生, 张旭
GCr15SiMn轴承钢中大尺寸TiN生成与控制
以西宁特钢EAF→LF→VD→IC工艺路线生产GCr15SiMn轴承钢为研究背景,采用矿物解离分析仪、夹杂物自动分析系统、化学分析及X射线荧光光谱仪等检测手段与热力学计算相结合的方法,研究了铸锭中大尺寸TiN夹杂物的析出机理,分析了冶炼阶段钢液中钛含量增加的原因,并提出了相应的改进工艺。通过对轴承钢中残余钛、氮含量的热力学计算,发现大尺寸TiN主要是在凝固过程中析出和长大,降低冶炼过程中钛含量是控制TiN生成的主要途径。对原工艺冶炼过程钛含量变化进行分析,钢液中钛增量主要发生在EAF出钢→LF结束阶段,其中52%钛增量来自于炉渣。为了避免炉渣中钛进入钢液,借助于七元炉渣CaO-SiO2-MgO-FeO-Al2O3-MnO-TiO2与钢液之间平衡的钛分配比(LTi)模型,计算了铝含量和炉渣中CaO含量对LTi 的影响,预测了最佳的平衡炉渣成分。结果表明,适当降低铝含量和炉渣中CaO含量可以提高渣-钢之间的钛分配比,降低钢液的钛含量;当铝质量分数为0.015%～0.025%、CaO质量分数为50%～55%时,其他炉渣组元的最佳成分(质量分数)为18%～24% Al2O3和12%～17% SiO2。此外,定量描述了不同LTi条件下EAF下渣量与LF终点钛含量的关系。最后,采用“低炉渣碱度、低铝含量以及严格控制电炉下渣量”的改进措施进行了优化试验,优化后冶炼终点钛质量分数可控制在小于0.002 0%,铸锭TiN平均数密度可由原工艺的2.09个/mm2降低至0.73个/mm2,且TiN尺寸几乎都小于10 μm。
2022 Vol. 57 (12): 88-96 [摘要] ( 141 ) [HTML 1KB] [PDF 3169KB] ( 513 )
97 袁志鹏, 朱立光, 王杏娟, 王博, 张燕超
高拉速薄板坯连铸保护渣剪切变稀性质
针对高拉速薄板坯连铸保护渣现场使用过程中卷渣风险加剧、黏结报警频发等问题,通过使保护渣产生非牛顿流体行为,从而有效解决上述问题。该种新型保护渣具有剪切变稀的特性,即在较低剪切速率下具有较高黏度、在较高剪切速率下具有较低黏度。基于现场数据,计算出高拉速薄板坯结晶器钢液面表面区域的剪切速率为10~90 s-1,结晶器弯月面及以下区域的剪切速率可达120~1 600 s-1。采用旋转圆筒法研究了Al2O3对保护渣剪切变稀性质的影响。采用Oswald-De Waele幂律模型对剪切变稀行为进行了定量分析。结果表明,随着Al2O3含量的增加,保护渣剪切变稀性质先增强后减弱,Al2O3质量分数为8.61%的试样剪切变稀性质最强,其流动性指数最低达到0.764 4。研究发现,非牛顿流体保护渣具有的剪切变稀性质能够满足在结晶器钢液面表面区域和弯月面及以下区域内对保护渣黏度的要求。基于高拉速薄板坯连铸的具体工艺参数,建立结晶器内多相耦合模型,通过模型计算发现,保护渣的剪切变稀性质增强不仅会明显降低剪切卷渣的风险,提高结晶器弯月面区域液渣流入的均匀性,而且在结晶器弯月面及以下区域具有更厚的液态渣膜,更容易实现全程液态润滑,同时提高了渣耗量,进一步剖析了保护渣剪切变稀性质的作用效果。本研究为开发非牛顿流体高拉速薄板坯连铸保护渣提供了理论依据。
2022 Vol. 57 (12): 97-108 [摘要] ( 125 ) [HTML 1KB] [PDF 6357KB] ( 294 )
压力加工
109 吴艳飞, 孙登月, 庆小康, 朱东林, 李绍波, 闫宏斌
高强度厚板多点柔性压力矫直工艺
在实际生产过程中,由于缺乏先进的矫直设备以及矫直技术,高强度厚板的矫直效率和矫直精度都比较低。传统压力矫直基于三点反弯矫直理论,即钢板由两个支点支撑,中间采用一个大型液压缸来进行矫直,在整个工艺流程中主要依靠人工进行手动操作,不仅误差比较大,而且操作比较繁琐。很多工厂在确定反弯量时都是依靠平时积累的经验,所以也需要进一步完善反弯量的解析表达式。因此,有必要对高强度厚板矫直工艺进行研究,为提升高强度厚板的矫直效率和矫直精度提供理论支持。针对高强度厚板的多点柔性压力矫直的工艺流程进行研究,首先基于矫直理论确定了矫直过程的主要工艺参数,与传统压力矫直所不同的是该矫直方案将原来的大型液压缸离散化,采用多压头多支点形式以减小板材的空矫区。然后通过矫直过程中弯矩、转角、挠度三者之间的关系来推导出压下量解析式,采用该公式所计算的反弯量在Abaqus中进行仿真模拟,并通过控制变量法来进行多组仿真模拟,对多点柔性压力矫直中板材的厚度、支点距离、材料属性等参数进行研究,确定了该公式结果的可靠性。最后采用所提出的工艺流程在自主设计的多点柔性压力矫直装置上进行试验,通过对比试验结果,验证了静压延时策略在矫直过程中可以减小板材残余挠度,同时确定了该工艺流程的可行性。
2022 Vol. 57 (12): 109-117 [摘要] ( 143 ) [HTML 1KB] [PDF 3543KB] ( 428 )
钢铁材料
118 邹英, 刘华赛, 韩赟, 滕华湘, 蒋光锐
汽车用热基镀锌高强钢的研发进展
日益复杂的服役环境,对汽车底盘及结构内件耐蚀性提出了更高要求,常规酸洗板已无法满足。以低合金高强钢(HSLA)、铁素体贝氏体钢(FB)和复相钢(CP)为代表的热基镀锌高强钢兼具热轧钢板的高成形性及镀层钢板的高耐蚀性,取代酸洗板用于汽车底盘和结构内件制造,不仅可以提高整车防腐性能,还可以降低零件修复、更换和再生产带来的能源消耗与碳排放,为汽车企业选材用材升级、降本增效提供了重要解决方案。汽车用热基镀锌高强钢对组织性能及表面质量的要求极其严格,国内外具备产品开发及稳定供货能力的企业很少。从化学成分、热轧、冷却、卷取和退火等工艺参数对微观组织及析出相的影响方面阐述了热基镀锌高强钢组织性能调控机理,以色差、漏镀和锌流纹等缺陷为例概述了热基镀锌高强钢表面问题产生的原因及相应的攻关方向。重点介绍了锌铝镁镀层在耐腐蚀方面的优势以及热基锌铝镁产品的主要应用途径。综述了国内外汽车用热基镀锌高强钢的生产及应用现状,指出进一步提升综合性能、改善表面质量和拓展极限规格是其发展方向。同时指出,需要持续关注热基镀锌高强钢生产和应用方面的问题,如色差、漏镀和锌流纹等表面问题,焊接飞溅、气孔和LME裂纹问题以及针对底盘特定腐蚀环境的耐蚀性数据积累及评价。
2022 Vol. 57 (12): 118-130 [摘要] ( 123 ) [HTML 1KB] [PDF 4363KB] ( 463 )
131 满廷慧, 刘坤, 江畅, 彭伟, 刘腾轼, 董瀚
中国百年钢轨钢的微观组织
回顾中国百年钢轨钢微观组织的演变,能够了解过去100多年来中国钢轨钢在材料设计、生产技术、应用性能需求等方面的发展历程。通过光学显微镜、扫描电子显微镜和电子背散射衍射仪(EBSD)表征中国百年来具有典型时期代表性的8种钢轨钢1904、1911、1953、1955、1994、2013、2018、2021的微观组织,讨论分析它们的微观组织演变规律。结果表明,这8种钢轨钢的基体组织由大量铁素体+珠光体,变化为网状铁素体+珠光体,再变化为全珠光体,这与钢轨钢中碳含量的增加密切相关(质量分数从0.15%增加到0.81%)。从1911年至2021年中国生产的钢轨钢的珠光体团平均晶粒尺寸逐渐减小,这使得钢轨钢的硬度、强度均有所提高。另外,对由EBSD分析获得的反极图+晶界分布图进行研究,可以发现这8种钢轨钢微观组织中的小角度晶界比例逐渐增大,晶界取向差分布更集中于小角度区间,降低了对位错滑移的阻碍作用和裂纹形核的概率。在局部取向差(KAM)+晶界分布图中,钢轨钢的珠光体组织比铁素体组织具有更高的KAM值,这表明珠光体组织比铁素体组织存在更高的缺陷密度,在变形过程中产生的应变越大。从施密特因子(SF)+晶界分布图中可以知道,在塑性变形过程中SF值越高,滑移系{110}<111>启动的概率越大,容易形成{110}<111>织构。
2022 Vol. 57 (12): 131-140 [摘要] ( 164 ) [HTML 1KB] [PDF 10862KB] ( 285 )
141 魏民, 邓伟, 唐海燕, 李海洋, 王得炯, 张家泉
高温渗碳齿轮钢铝氮含量对奥氏体尺寸的影响
轨道交通用高端齿轮钢往往要求长时间高温渗碳处理以提高其表面硬度与耐磨性,利用合适的铝、氮含量实现AlN粒子对奥氏体晶界的有效钉扎对保证齿轮的晶粒度、力学性能与尺寸精度至关重要。在通常的渗碳温度下,AlN已经发生了部分固溶,为了保证高温渗碳后奥氏体晶粒细小,齿轮钢中的酸溶铝质量分数一般需要保持在0.02%~0.055%以保证析出足量细小的AlN第二相粒子来钉扎晶界,且氮质量分数要求为0.01%~0.016%。这一元素含量范围较广,因此有必要研究钢在高温渗碳时所需要的恰当铝氮积与铝氮比,也就是钢中w(Al)与w(N)的乘积和比值的取值范围,还需要研究AlN粒子对于奥氏体的钉扎作用。针对不同含铝含氮轨道交通用齿轮钢进行了伪渗碳试验与AlN第二相粒子Ostwald熟化和Gladman钉扎模型计算研究,揭示了奥氏体晶粒不均匀性因子Z与加热温度T的定量关系式。研究了含铝含氮齿轮钢高温保温过程奥氏体晶粒半径RA的变化规律,以及不同铝氮积和铝氮比对奥氏体晶粒生长的影响。结果表明,加热温度T在1 173~1 273 K范围内,此类微合金高强钢的奥氏体晶粒长大不均匀性因子服从线性规律Z=3.742 97-0.001 76T;保温时间t一定时,lnRA与1/T大致呈二次多项式关系;加热温度T一定时,lnRA与lnt呈线性关系,奥氏体生长时间指数为0.33;当钢中铝氮积大于4.77×10-4、对应奥氏体晶粒粗化温度TC>1 263 K时,在T=TC-10 K温度下保温6 h后,铝氮比为1.5~3.8的钢均可保证其奥氏体晶粒度达到7级以上;当铝氮积或TC为定值时,同样在T=TC-10 K加热温度下保温6 h后,钢的奥氏体晶粒大小与其铝氮比呈线性正相关;铝氮比在1.5~3.8范围内,其奥氏体晶粒度相差约在1级以内。
2022 Vol. 57 (12): 141-151 [摘要] ( 139 ) [HTML 1KB] [PDF 3045KB] ( 596 )
152 彭宁琦, 付贵勤, 杨建华, 周文浩, 朱苗勇
Q690q耐候桥梁钢免预热焊接热影响区的组织性能
针对Q690q耐候桥梁钢,利用MMS-300热模拟试验机进行焊接热循环过程模拟试验,研究了10.5~114.9 kJ/cm热输入下粗晶热影响区(CGHAZ)、细晶热影响区(FGHAZ)和不完全相变热影响区(ICHAZ)的微观组织以及冲击韧性、硬度的变化情况,并观察了冲击断口形貌,然后采用优选的焊接热输入,进行了免预热的药芯焊丝熔化极气体保护焊(FCAW)和埋弧焊(SAW)的焊接工艺评定试验。结果表明,热输入较低时,CGHAZ和FGHAZ主要生成板条马氏体组织、ICHAZ出现岛状的M/A组元,其冲击韧性低、硬度高;热输入较高时,CGHAZ主要生成大尺寸的粒状贝氏体、准上贝氏体或上贝氏体组织,同时大尺寸的块状M/A组元数量不断增加、尺寸变大,其冲击韧性显著降低。FGHAZ生成较多多边形或准多边形铁素体、珠光体等高温转变组织,其硬度降低明显。ICHAZ除生成准多边形铁素体、无碳化物贝氏体和退化珠光体外,回火索氏体基体组织中的碳化物颗粒尺寸不断变大,其强韧性不断降低;热输入为18.2~25.7 kJ/cm时,CGHAZ以板条束细小且异向的板条贝氏体为主、FGHAZ形成细小均匀的板条贝氏体和粒状贝氏体组织、ICHAZ主要为细小的回火索氏体和板条贝氏体组织等,试验钢热影响区各亚区均具有高冲击韧性和与母材相当的硬度。因此,优选焊接热输入应控制在18.2~25.7 kJ/cm范围内。采用(22±1) kJ/cm的焊接热输入,开发的40 mm厚Q690q耐候桥梁钢板在免预热焊接条件下的FCAW和SAW焊接接头均具有良好的可焊性和焊接性能,热影响区的强韧性与母材相差不大。从而成功实现了Q690q耐候桥梁钢免预热焊接的实验室尝试。
2022 Vol. 57 (12): 152-160 [摘要] ( 160 ) [HTML 1KB] [PDF 3936KB] ( 520 )
161 孙全社, 徐春, 魏娇, 王双成
搪玻璃用热轧中厚钢板氢穿透时间及贮氢性能
搪玻璃用中厚钢板是制作搪玻璃设备的关键材料,要求钢板在搪玻璃过程中具有良好的贮氢性能和抗鳞爆性能,但长期以来主要使用普通压力容器用中厚钢板Q245R,极易产生鳞爆。因此,对比常用的含0.16% C+0.013% Ti(质量分数)的热轧正火态中厚钢板Q245R,设计并工业化生产了w(C)=0.10%、w(Ti)=0.10%的搪玻璃用热轧中厚钢板B245GT,通过光学显微镜、渗氢试验和透射电镜等研究和对比分析了厚度为20 mm的2种钢板在表层、厚度1/4处和1/2处的显微组织、氢穿透时间和贮氢性能,观察并分析了B245GT中的析出相。结果表明,Q245R钢板的显微组织由带状珠光体和铁素体组成,而B245GT钢板由铁素体和极少量珠光体组成,珠光体组分远低于Q245R。对测定氢穿透时间的试样厚度归一化后,Q245R沿不同厚度处的氢穿透时间TH2介于2.7~4.4 min/mm2,均远低于阈值6.7 min/mm2,B245GT钢板沿不同厚度处的TH2为11.6~13.6 min/mm2,显著高于Q245R和阈值。比较不同厚度处的TH2可以看出,Q245R钢板表层的TH2最高、1/2厚度处即中心层的最低,而B245GT 1/2厚度处的TH2最高、表层的最低,且从表层到1/4厚度处和1/2厚度处更加均匀。因此,w(C)≤0.10%、w(Ti)≥0.10%的B245GT中,足量的合金元素钛形成含钛的夹杂物和析出相是有益的贮氢陷阱,大量的第二相粒子显著地提高了钢板在搪玻璃过程中的贮氢性能和抗鳞爆性能,完全满足搪玻璃设备的制作要求。
2022 Vol. 57 (12): 161-168 [摘要] ( 151 ) [HTML 1KB] [PDF 5375KB] ( 319 )
169 王成, 郑忠, 王永周, 张开天
铸坯去向决策问题的建模与优化方法
连铸-热轧界面的衔接、协调对于钢铁生产流程的高效、稳定运行有重要意义。针对连铸-热轧界面研究对于生产组织过程的简化处理而导致成果应用的局限性,提出一种以连铸出坯计划和热轧单元计划为对象,对实物铸坯的去向(加热炉、保温坑、板坯库)进行决策,并通过虚拟铸坯与实物铸坯的逐级匹配确定衔接方式(直接热装、热装、冷装)的优化方法。以热轧单元计划中直装和热装铸坯数最大化、直装和热装铸坯的传搁时间最小化为目标,考虑强制下线冷装要求、设备缓冲容量限制、实物铸坯-虚拟铸坯匹配规则、直装和热装铸坯传搁时间要求、铸坯上料必要运输时间等约束条件,建立了铸坯去向决策的整数非线性规划模型。设计了结合禁忌搜索的改进和声搜索算法求解模型,采用整数编码记录去向计划,通过模拟实物铸坯上料和虚拟铸坯匹配并装炉的过程进行解码,统计去向计划的目标函数值并计算评价值,利用禁忌搜索的局部寻优能力避免和声搜索早熟收敛,得到改进的和声搜索算法。以某钢铁企业热轧板带产线的生产数据进行测试,结果表明,铸坯去向决策模型可以提高直装率10.57%,提高热装率3.58%,直装和热装坯的传搁时间降低18.84%,并且改进和声搜索算法的最优评价值相比单一的禁忌搜索、和声搜索分别可以提升6.26%、4.51%,表明了模型和算法的有效性。
2022 Vol. 57 (12): 169-178 [摘要] ( 152 ) [HTML 1KB] [PDF 1624KB] ( 504 )
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