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2023年 58卷 1期
刊出日期：2023-01-15
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(Ⅱ)——炼钢的未来展望
首先讨论了科技进步为推动力的铁水预处理技术、转炉冶炼技术、炉外精炼技术和连铸技术的进步。传统的KR铁水预处理技术采用了载气枪喷入脱硫剂粒子之后,增大了脱硫剂粒子进入铁液的深度并降低了粒子之间聚合的发生,既节省了脱硫剂的使用又提高了脱硫的效率;使用铬矿粉为原料通过转炉冶炼不锈钢过程中,采用副枪燃气燃烧送料技术,既实现了温度达标,也降低了铬的氧化烧损;钢液炉外精炼技术是在吹氩技术、真空技术和电磁技术等多项技术支撑下逐渐发展的;连铸技术也是在电磁技术、机械压下、数字技术的支撑下实现了无缺陷连铸坯的制造和近终形薄带连铸的产业化。然后,从钢洁净度的极限、未来的炼钢工艺展望和连续炼钢工艺3个方面讨论了炼钢技术的未来。目前钢中氧、碳、氮、磷、硫、氢6大元素总和已经能达到0.006 0%以下,特别是钢中总氧质量分数可以达到0.000 5%以下,但是关于钢中金属杂质元素包括锌、锡、铅、锑、铋、砷等去除的研究还需要加强;在信息化和自动化技术充分发展的条件下,无喷溅、无人工操作、无人工维护的“全智能转炉”是有可能实现的;连铸的大数据技术、软件技术和信息物理系统已经在一些先进钢厂得到应用;欧盟已经开始尝试铁矿石的纯氢气直接还原路线;随着科技进步和各种技术支持的提升,连续炼钢工艺在未来50年将成为可能。最后,对炼钢过程的基础研究进行了思考,针对炼钢过程的跨尺度、多相、多元物理现象,第一性原理计算、基于材料基因计算的钢种设计和物理化学反应的热力学动力学以及与钢液流动、传热和凝固行为的耦合研究将得到越来越多的关注。
2023 Vol. 58 (1): 1-12 [
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原料与炼铁
13
柴轶凡, 樊莹杰, 高兴, 罗果萍, 王艺慈, 安胜利
碱度对白云鄂博矿球团矿还原膨胀性能的影响
高比例球团矿冶炼是高炉炼铁发展的趋势。由于化学成分、矿物组成和结构的差异,不同企业生产或所用的球团矿还原膨胀的原因各不相同且相对复杂。面向保障矿产资源安全供给的国家重大战略需求,选择白云鄂博铁精矿球团矿作为研究对象,根据球团矿铁氧化物还原理论,从热力学方面深入研究碱度对球团矿还原膨胀性能的影响机理,并结合XRD结果来探究钙结合相在球团矿生产中的变化规律以及对球团矿还原膨胀的影响,找到满足高炉冶炼对球团矿还原膨胀率要求的合理碱度,从而提高白云鄂博铁精矿球团矿在包钢冶炼生产中的比例。完善特殊矿球团矿还原膨胀理论,为复杂共生矿高效冶炼提供理论支撑。研究结果表明,随着碱度的提高,球团矿的膨胀率呈现出先升高后降低的规律,碱度为0.8时,其膨胀率最大,达到75.743%,其外形如同花瓣开花,无法维持原来的球型。综合不同碱度球团矿含铁品位的高低和还原膨胀的大小,得到制备球团矿的最优碱度为1.4。随着碱度的提高,成品球的液相生成量先降低后升高,碱度为0.8时液相生成量最少。球团矿膨胀率先增加是因为球团矿的结晶度提高,晶粒粗大,晶体结构逐渐趋向有序,为铁晶须的生长奠定了基础;膨胀率后减小是因为生成了铁酸钙,铁酸钙的黏结相性能优良且还原性好,使得球团矿的强度提高,抗膨胀应力的能力增强,并促进了球团矿的均匀膨胀,降低了Fe
2
O
3
→Fe
3
O
4
阶段晶型转变引起的体积膨胀。
2023 Vol. 58 (1): 13-21 [
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22
单长冬, 张建良, 王耀祖, 唐永红, 牛乐乐, 刘征建
富氧条件下高精粉配比对烧结指标及冶金性能的影响
为了深入研究富氧条件下磁铁矿配比对烧结矿烧结指标和冶金性能的影响,采用烧结杯试验、还原和软熔设备研究了不同磁铁矿配比下的烧结指标、还原性、低温还原粉化与软熔特性。试验结果表明,随着磁铁矿粉配比由0提升到56.4%,小于10 mm粒级烧结矿所占比例下降,大于40 mm粒级烧结矿所占比例有较大的波动,烧结料面富氧后成品烧结矿所占比例增加;垂烧速度由22.35 mm/min下降到15.87 mm/min,成品率先由73.88%升高到79.08%,后又下降到77.49%,利用系数在矿粉A配比为32.4%时达到最高,转鼓指数由59.26%上升到76.09%,收缩率和烧损随着矿粉A配比提高显著降低;富氧和增加磁铁矿配比共同导致烧结时间延长和转鼓指数的提升,随着矿粉A配比由0增加到56.4%,烧结矿的还原性由88.51%下降到82.13%,烧结矿的低温还原粉化指数由74.70%升高到了80.75%,软熔温度上升,软熔区间有下移趋势,且软熔区间变窄,滴落速度整体上呈现出下降趋势,熔滴滴落量降低,熔滴特性的变化主要是由于烧结矿中
w
(MgO)/
w
(Al
2
O
3
)提高而导致的。配矿结构为影响冶金性能变化的主要因素,大于富氧对烧结矿冶金性能的影响。烧结过程料面富氧且富氧率为25%时,磁铁矿配比不宜超过32.4%。
2023 Vol. 58 (1): 22-30 [
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31
包国营, 刘磊, 韩秀丽, 段博文, 钦礼文
基于
RDI
＞3.15 mm
响应面法的烧结原料配矿方案优化
烧结矿在高炉低温还原气氛下容易发生碎裂粉化,会严重影响高炉透气性进而破坏高炉顺行。
RDI
＞3.15 mm
(低温还原粉化指数)是反映烧结矿低温还原粉化现象发生程度的重要指标,但其大小受到烧结原料中MgO、Al
2
O
3
、碱度
R
等主要因素的影响。为了探究烧结原料成分因素对烧结矿低温还原粉化性能的影响程度及交互作用,提出一种基于
RDI
＞3.15 mm
响应面的烧结原料配矿优化方法。首先,以
w
(MgO)、
w
(Al
2
O
3
)、碱度
R
为自变量,以烧结矿
RDI
＞3.15 mm
指数为响应值,建立烧结矿
RDI
＞3.15 mm
指数的响应面模型;其次,对试验得到的烧结矿
RDI
＞3.15 mm
指数进行拟合,得到烧结矿
RDI
＞3.15 mm
指数的预测公式;最后,通过最佳原料配比自制烧结矿并测得其
RDI
＞3.15 mm
指数,验证了所提出方法的准确性。结果表明,新建模型对烧结矿
RDI
＞3.15 mm
指数的拟合度
R
2
为0.990 4,校正系数
R
2
adj
为0.978 0,说明预测值与实际值拟合程度较好,证明了烧结矿
RDI
＞3.15 mm
响应面模型具有统计学意义;各因素对烧结矿
RDI
＞3.15 mm
指数的影响显著程度大小为
w
(MgO)＞
R
＞
w
(Al
2
O
3
),并且
w
(MgO)和
w
(Al
2
O
3
)、
w
(MgO)和
R
、
w
(Al
2
O
3
)和
R
两两因素之间的交互作用显著;确定的最佳原料配比为
w
(MgO)为2.66%、
w
(Al
2
O
3
)为2.02%、
R
为2.2,基于
RDI
＞3.15 mm
指数的预测公式和试验,得出最佳原料配比条件下烧结矿
RDI
＞3.15 mm
的实测值(74.51%)与预测值(74.21%)基本相符。引入的烧结配矿优化新方法为改善烧结矿低温还原粉化性能提供了理论依据。
2023 Vol. 58 (1): 31-38 [
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炼钢
39
周赟, 魏光升, 朱荣, 董凯
不锈钢冶炼底吹CO
2
对熔池动力学条件影响
近年来,CO
2
在钢铁行业的资源化利用技术被广为开发,研究表明CO
2
在不锈钢冶炼中的应用颇具潜力。通过建立底吹CO
2
气泡反应动力学模型并结合水力学模拟试验研究,量化研究不锈钢冶炼条件下底吹CO
2
对熔池动力学条件的影响。由于CO
2
脱碳导致气体体积增加会造成气泡膨胀或分裂的情况不明确,假设两种极端条件,即条件a,CO
2
反应气泡体积增大后只膨胀不分裂;条件b,CO
2
反应气泡体积增大后只分裂不膨胀,并取某厂70 t不锈钢炉冶炼中期工艺参数对两种条件下CO
2
气泡反应动力学进行计算。结果表明在本研究条件下,不锈钢冶炼底吹CO
2
反应后气体增加无论是导致气泡膨胀或者分裂,反应平衡时气泡最终体积约为初始体积的1.3倍,并且气泡体积随反应时间的变化呈线性关系。水力学模拟研究发现,相对于对照组试验,条件a和条件b下熔池的混匀时间分别缩短16.5 s和8.4 s,因此得出实际底吹CO
2
在反应后会使熔池混匀时间缩短8.4~16.5 s,使熔池的动力学条件得到显著改善。此外,通过墨水示踪剂观察底吹CO
2
对熔池流场变化的影响,发现底吹CO
2
反应后导致气泡膨胀会促进熔池的溶质向横向扩散,相对抑制溶质在纵向的扩散速度;相反地,CO
2
反应后导致气泡分裂会促进熔池的溶质向纵向扩散,相对抑制溶质在横向的扩散速度。
2023 Vol. 58 (1): 39-46 [
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47
赵一将, 李光强, 孟泽, 王肸杰, 赵睿, 刘昱
不同铝含量的脱氧剂对钢液洁净度的影响
铝具备较强的脱氧能力,被广泛应用于炼钢过程中钢液的脱氧。然而铝脱氧产生的高熔点、大尺寸Al
2
O
3
夹杂物不仅会严重降低钢液的洁净度、恶化钢材韧性和疲劳寿命,还容易造成水口结瘤,影响连铸工艺的顺行。考虑到局部过饱和度对夹杂物的形核和长大等有着重要的影响,采用纯铝和Fe-30%Al合金(质量分数)对钢液进行脱氧,且实际加入的铝量保持一致,通过对不同脱氧时间(30、60 s)的钢液成分和夹杂物特征进行分析,研究了不同铝含量的合金对钢液洁净度的影响。结果表明,相较于纯铝脱氧,Fe-30%Al合金在相同时间节点下脱氧效果更好,合金中铝元素溶解速度更慢。此外,在目前试验条件下使用纯铝脱氧的钢样中夹杂物尺寸可达到9 μm,而使用Fe-30%Al合金脱氧的夹杂物尺寸最大只有4 μm。采用纯铝脱氧60 s后钢中夹杂物平均尺寸为Fe-30%Al合金脱氧的1.35倍,且单位面积夹杂物数量多了23%。两种合金在脱氧过程中残留在钢液中的夹杂物均以多面体夹杂为主,并有少量碰撞聚集形成的松散型团簇状夹杂。使用Fe-30%Al合金脱氧比纯铝脱氧更有利于钢液洁净度的提高,这取决于两者在脱氧初期过程中不同的局部过饱和度。
2023 Vol. 58 (1): 47-54 [
摘要
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55
邓雅岑, 赵立, 王强强, 张旭彬, 何生平
不同钛含量的钢与Al
2
O
3
和MgAl
2
O
4
界面润湿行为
高温下钢液中会生成大量的非金属夹杂物,对钢的浇铸工艺和钢产品性能产生不利影响。通过研究高钛钢与夹杂物的界面润湿行为,以期为高钛钢成分设计以及夹杂物的控制研究提供理论依据。以不同钛含量的钢样品以及Al
2
O
3
和MgAl
2
O
4
为研究对象,采用改进后的座滴法进行高温润湿试验得到表观接触角;通过电子探针对样品界面的微观形貌和元素进行表征,并结合热力学计算对钢与夹杂物的界面润湿行为进行解释。当钢中钛质量分数分别为0.01%、0.31%和0.68 %时,Al
2
O
3
/钢润湿系统的表观接触角分别为96°、90°和112°,润湿后的样品界面均匀,无新反应相的存在和明显的元素富集。MgAl
2
O
4
/钢润湿系统的表观接触角分别为113°、106°和130°;低钛含量(
w
(Ti)=0.01%)时,界面无反应相生成,高钛含量时,界面存在不连续的反应层,为MgS、MgO、Ti
4
S
2
C
2
和MgAl
2
O
4
的混合物。研究表明,钛含量增多会导致钢液表面张力降低,界面接触角减小,但当钢中钛质量分数达到0.68 %时,钢中夹带的大量TiN颗粒会使熔融钢液黏度增大,钢液滴在基片上的铺展受阻,其影响远大于表面张力的降低。因此,随着钢中钛含量的提高,两种系统的表观接触均呈现先减小后增大的趋势。高温下的熔融钢液是一个非常复杂的混合物体系,目前,针对钢样和夹杂物的润湿体系,主要通过接触角、界面微观形貌以及是否有新的产物生成来评价。因此,在后续的研究中,针对高钛钢与夹杂物基片界面润湿体系的评价方法还有待进一步探究与完善。
2023 Vol. 58 (1): 55-66 [
摘要
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67
程彪, 蔡兆镇, 安家志, 朱苗勇
双相变回温温度对钢组织及其热塑性的影响
含铌钢连铸过程极易产生铸坯角部横裂纹。对连铸坯角部实施γ→α→γ双相变控冷工艺,可提高其组织的高温热塑性而减少裂纹产生。其中,α→γ相变阶段的回温温度是影响双相变控冷工艺实施效果的重要参数。通过Gleeble热模拟与金相观察、析出物透射以及断口扫描相结合的检测手段,研究分析了双相变过程回温温度对Q345D-Nb钢组织演变及其热塑性的影响规律。结果表明,回温温度为850 ℃时的奥氏体晶粒相比传统冷却工艺下的晶粒尺寸未产生细化,平均晶粒尺寸为502.2 μm;回温温度升至900 ℃时,回温奥氏体出现了明显的混晶现象;当回温温度达到950 ℃时,晶粒细化至61.2 μm;当回温温度达到1 000 ℃时,回温奥氏体晶粒出现了一定程度粗化,相比950 ℃回温温度下的奥氏体平均晶粒尺寸增加了38.07%。传统冷却工艺和不同回温温度时的双相变控冷工艺(回温温度为850、900、950、1 000 ℃),钢组织在700～900 ℃温度区内的断面收缩率最低值分别为29.6%、45.0%、56.3%、68.2%、63.2%。在传统冷却工艺下,钢组织在750 ℃时晶界铁素体膜的厚度为20～25 μm,且碳氮化物呈大尺寸链状分布,其断裂形式为沿晶脆性断裂。而相同拉断温度下,双相变控冷工艺的钢组织奥氏体晶界的铁素体膜厚度减小至5～10 μm,碳氮化物呈弥散细小析出,断裂形式逐渐转为塑性断裂,塑性显著提高。采用双相变控冷工艺生产Q345D-Nb钢,铸坯角部皮下5 mm与10 mm深处的奥氏体平均晶粒尺寸细化至186 μm与362 μm,增大铸坯抵抗裂纹的能力。
2023 Vol. 58 (1): 67-77 [
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78
郭东伟, 侯自兵, 郭坤辉, 张福利, 曾子航, 文光华
连铸方坯中心线凝固行为波动现象及变化规律
连铸坯中心线区域钢液的凝固行为与中心偏析缺陷的形成及控制密切相关。基于中碳钢连铸方坯纵断面的实际凝固组织,以中心偏析点内部二次枝晶间距计算局部冷却速率,揭示了铸坯中心线局部冷却速率的波动特征。结合连铸三维凝固模型,研究了铸坯中心线固相率波动引起局部冷却速率波动并最终影响铸坯中心组织和性能的均匀性的机理;对不同工况铸坯中心线固相率和局部冷却速率波动的周期性进行了分析对比,提出了连铸坯凝固终点位置的周期性波动机理并得到了不同拉速下凝固终点波动距离的判断方程,对于所选连铸方坯,凝固终点波动距离为25.0~27.5 mm;在此基础之上,研究了拉速对中心线固相率波动程度的影响规律,并分析了凝固终点波动距离变化对末端电磁搅拌(final electromagnetic stirring,F-EMS)和轻压下(mechanical soft reduction,MSR)作用均匀性的影响。结果表明,拉速由1.8 m/min提高至2.4 m/min后,虽然液相穴长度增加可能增加整体偏析程度,但铸坯中心线固相率波动程度降低了20%,这有利于减轻中心线偏析沿拉坯方向的波动性,提高铸坯中心质量的均匀性。并且,虽然凝固终点波动距离随着拉速提高而逐渐增大,但其对F-EMS和MSR作用均匀性的影响却由于液相穴长度的增加而逐渐减小。可以为F-EMS和MSR的应用以及连铸方坯中心质量的精细化控制提供理论和方法参考。
2023 Vol. 58 (1): 78-90 [
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190
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645
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91
孙陶安, 操瑞宏, 夏云进, 王海川, 范鼎东, 邓爱军
近似核壳型微球对钢渣的熔融还原行为分析
以钢渣的纤维化应用为最终目标,将高分子材料科学中的核壳结构应用技术引入到钢铁冶金领域,用于高效还原重构熔融钢渣,并采用超高温激光共聚焦显微镜,对核壳微球在液渣中的熔融还原行为进行微观研究,分析温度和钢渣酸度系数对微球还原基层熔速的影响。研究结果表明,将核壳微球设计成悬浮于熔渣中间部位,其熔融还原反应要早于常规粉剂还原6 min到达平衡状态,渣中金属氧化物的还原回收时效性得到明显提高。不同还原基层核壳微球对比显示,铝基微球表现出极好的还原时效性,反应3 min内还原率达到了95.17%。高温、高酸度系数熔渣能够促进核壳微球还原基层的快速熔融,有效改善还原反应的热力学条件,提升还原渣中金属氧化物的时效性,达到渣金迅速分离的效果。通过微球还原基层-渣界面的熔融动力学模型,计算出微球还原基层介质在不同条件下的有效二元扩散系数范围为3.86×10
-11
~ 4.92×10
-11
m
2
/s。对于工业应用还原基材重构改性钢渣而言,可以碳为主要还原基材配加适量的铝或硅来制备成核壳微球用于钢渣的还原重构,可显著提升钢渣还原重构的时效性,并取得较高的经济收益。这为钢渣的高效还原提供了新思路。
2023 Vol. 58 (1): 91-99 [
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151
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487
)
100
成日金, 齐詹, 张华, 刘成松, 倪红卫
20SiMn合金结构钢精炼渣系优化
为控制20SiMn锻件用结构钢中氧含量和钢中夹杂物,首先采用热力学软件FactSage 8.1计算了1 600 ℃下CaO-SiO
2
-Al
2
O
3
-5%MgO系精炼渣与20SiMn钢液平衡时的等氧线,并优化了精炼渣成分。同时,计算了不同氧含量下钢中Fe-Mg-Al-O体系优势区图。其次,实验室中设计了4组精炼渣成分,并在1 600 ℃下采用高温电阻炉进行渣-钢平衡试验,试验后采用X射线荧光光谱分析测定渣成分,采用等离子体光谱仪对钢样成分进行分析,采取红外碳硫分析仪、氧氮联合分析仪分别测定钢中碳硫和全氧含量,采用场发射扫描电子显微镜对试样中的夹杂物进行成分和形貌分析,并对钢中夹杂物数量与成分进行统计,试验研究了不同精炼渣对钢中氧含量、夹杂物组成、数量和尺寸的影响。最后,建立了动力学模型来描述“钢渣”界面上的夹杂物去除行为。试验和热力学模型结果揭示了钢中典型Al
2
O
3
、MgO·Al
2
O
3
夹杂物与钢中氧、镁和铝含量的关系,动力学模型描述了夹杂物分离率、全氧含量与整体润湿性之间的对应关系。优化渣系中SiO
2
、CaO、Al
2
O
3
和MgO质量分数分别为0~24.7%、44.3%~55.1%、20.5%~48.2%和5%~8%时,可控制钢中溶解氧质量分数为0.000 5%内;典型成分50.4%CaO-40.3%Al
2
O
3
-4.3%SiO
2
-5%MgO渣系可将钢中总氧质量分数和夹杂物数量分别控制为0.001 42%和9.9个/mm
2
,试验与模型预测结果基本一致。
2023 Vol. 58 (1): 100-107 [
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108
王昆鹏, 王郢, 谢伟, 徐建飞, 陈廷军, 姜敏
RH真空处理对高碳铬轴承钢尖晶石夹杂物的影响
钢中尖晶石夹杂物不仅会恶化钢的可浇性,还可能导致成品出现宏观夹杂物,RH真空处理是去除钢中夹杂物的重要环节。对RH真空处理过程高碳铬轴承钢夹杂物数量、成分和类型变化开展研究,通过热力学计算讨论了真空压力对高碳铬轴承钢尖晶石夹杂物稳定性的影响。试验结果表明,当真空压力为30 Pa时,真空处理10 min,钢液循环总量达200～400 t,尖晶石夹杂物全部消失。真空处理15 min,夹杂物总数大幅降低,由480个/(200 mm
2
)降至97个/(200 mm
2
),夹杂物总数减少80%。真空处理后,钢中液态夹杂物数量增加且夹杂物呈高度液态化,与真空处理前相比,液态夹杂物的数量由44个/(200 mm
2
)增至71个/(200 mm
2
),增加61%,液态夹杂物占比由9%增至73%。尖晶石夹杂物全程为单一颗粒状,未发现其碰撞、聚集现象。热力学计算表明,真空条件下,高碳铬轴承钢中尖晶石夹杂物可被钢中碳还原分解,温度为1 600 ℃时,临界分解压力为16 000～22 000 Pa,真空度越高,越有利于尖晶石夹杂物的还原分解。真空压力为4 900 Pa时,真空处理7～14 min,钢液循环总量达511～1 022 t,尖晶石夹杂物即完全消失;真空度为20 400 Pa时,即便延长处理时间至40 min,将钢液循环总量增至2 360 t,尖晶石夹杂物仍存在。与夹杂物被“物理去除”的观点相比,真空条件下,尖晶石夹杂物被钢中碳还原分解能更好地解释真空过程尖晶石夹杂物的变化特征。
2023 Vol. 58 (1): 108-115 [
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压力加工
116
彭文, 文红博, 李旭东, 樊兴国, 孙杰, 张殿华
基于热-力耦合的粗轧过程头部弯曲规律
头部弯曲是热轧粗轧过程中常见的缺陷,生产过程中严重影响板带产品质量和轧制稳定性。实际生产中由于轧件上下表面温降和轧制工艺参数的不对称,轧件在经过粗轧后容易出现头部弯曲现象。为实现头部弯曲规律的模型化描述,基于传热学理论及刚塑性变分原理,利用ABAQUS软件建立了粗轧轧制过程热力耦合有限元模型。系统分析了在轧制线不对中的情况下轧件温度分布对头部弯曲的影响,及在轧制线不对中且轧件上下表面存在温差的情况下辊速比、压下率和入口厚度对头部弯曲的影响,最后通过拟合得到了各工艺因素对轧件头部弯曲的影响规律,实现了轧件头部弯曲的预测。仿真研究结果表明,随着上下表面温差的增加,轧件下扣逐渐加重;辊速比、压下率和入口厚度均对头部弯曲有影响,且相互耦合;随着辊速比的增加,弯曲角度逐渐变大,轧件头部由扣转翘;随着厚度的增加,轧件头部逐渐趋于平直;随着压下率的增加,弯曲角度在一定范围内波动;现场实测数据表明,基于所建立的预测模型,预测角度偏差在±5°之内的比例达到90.10%,验证了所建立模型的有效性,实现了头部弯曲的准确预测,能够为粗轧过程工艺优化提供参考。
2023 Vol. 58 (1): 116-124 [
摘要
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181
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364
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125
张杰, 孔宁, 王一博, 宋玉玮
汽车大梁钢粉状氧化铁皮剥落定量评价分析
大梁钢板热轧生产后直接用于汽车零件的冲压成型,其表面氧化铁皮的控制直接关系到冲压过程的稳定性及车间环境,因此开展汽车大梁钢粉状氧化铁皮剥落定量评价分析具有重要的理论与实践意义。针对大梁钢氧化铁粉剥落严重的问题,通过工业试验,开展了不同热轧终轧温度及卷取温度下氧化铁粉剥落量检测与成分分析,采用扫描电镜分析了氧化铁皮的层状结构与致密度,并定量研究了610L大梁钢热轧卷氧化铁皮中Fe
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、FeO含量与氧化铁皮剥落的关系,得到氧化铁皮中Fe
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质量分数为80%且FeO质量分数为3%左右时,610L钢的氧化铁皮最不容易脱落,形成不掉粉、高塑性的“黑皮钢”特性。针对后续冷加工过程中氧化铁皮剥落问题,通过三点弯曲试验进行了FeO含量与氧化铁粉剥落特性关系研究,发现FeO含量高的氧化铁粉在塑性弯曲的小变形阶段,其剥落多于FeO含量少的样品,但在大变形情况下,氧化铁粉剥落少于FeO含量较少的样品,其剥落质量差呈现出“先负后正”的特点。随着弯曲位移的增大,氧化铁皮剥落逐渐增多,且受压面氧化铁皮剥落多于受拉面。受拉面的氧化铁皮在拉应力的作用下产生了垂直于试样长度方向的条带状裂纹,而受压面氧化铁皮以大块碎裂状剥落。通过分析FeO低强度和良好塑性特点,揭示了不同FeO含量的带钢氧化铁粉剥落规律。
2023 Vol. 58 (1): 125-132 [
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钢铁材料
133
王俊彩, 曹建春, 曾敏, 罗瀚宇, 汪创伟, 叶晓瑜
锆含量对高强韧Ti-Zr微合金化钢奥氏体组织的影响
为了满足各行业对钢铁材料提出的更高强度、更好韧性的要求,在钢中加入适量的微合金化元素并结合合理的控扎控冷工艺,有利于在高温轧制阶段获得细小均匀的奥氏体再结晶晶粒,这是提高钢材强度及韧性的有效途径之一。通过Gleeble-3800型热模拟试验机,对两种不同锆含量的低碳微合金Ti-Zr钢进行多道次压缩变形试验,模拟实际轧制情况,研究试验钢在不同锆含量和不同变形方式(等温变形和变温变形)下的热变形行为,并结合组织观察分析讨论了锆含量和变形条件对试验钢奥氏体组织细化行为和析出行为的影响。结果表明,变形温度的升高可以降低高锆钢各道次的流变应力。变温变形条件下,锆含量的升高会提高试验钢各道次的流变应力;奥氏体再结晶晶粒会随着锆含量的升高和变形温度的降低而发生细化,采用变温变形方式比等温变形方式更有利于得到细小的奥氏体晶粒,高锆钢在1 050 ℃→1 25 ℃→1 000 ℃变温变形后得到了最小的奥氏体平均晶粒尺寸(为8.2 μm);锆含量升高会提高试验钢中析出相的数量,变形方式对析出相数量的影响不大,变形温度的升高会使析出相发生粗化。锆含量增加所导致的形变诱导析出相的增多,以及变温变形过程中温度的降低,起到了抑制奥氏体晶粒长大的作用,细化了奥氏体再结晶晶粒,对提高钢材的强度及韧性起到了有利作用。
2023 Vol. 58 (1): 133-140 [
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141
陈腾升, 张莉芹, 胡锋, 童明伟, 吉梅锋, 胡磊
镁处理对CGHAZ冲击韧性及裂纹扩展的影响
通过镁处理Q345GJ钢引入含镁的复合夹杂物,研究其对大线能量焊接(线能量为100 kJ/cm)粗晶热影响区(CGHAZ)组织和断裂韧性的影响。结果显示,试验钢经镁处理后CGHAZ韧性值明显提高(冲击功由56 J提高到108 J)。主要原因为,镁处理钢在CGHAZ焊接热循环冷却过程中优先形成含镁的复合夹杂物,作为高表面能的惰性基体,其周围形成的贫锰区和高能应变场共同促进针状铁素体(AF)形核,AF体积分数为(82.9±2.0)%,宽度为(0.96±0.1) μm(无镁处理钢对应为(32.4±1.5)%、(3.13±0.2) μm);研究了大线能量焊接后CGHAZ冲击试样中微孔的形成及裂纹扩展,两种试验钢夹杂物附近均存在大量位错,变形过程中位错通过夹杂物时形成位错环堆积引起局部应力集中;当应力积累到无法使相邻晶粒的位错源开启时,不利于滑移取向上的应力达到临界值导致微孔的产生,相邻微孔在外力作用下连接形成裂纹。无镁处理钢CGHAZ区域微孔更为密集,受力后更易形成微裂纹。镁处理钢CGHAZ区域大角度晶界比例为80.2%、几何必要位错密度(
GND
)为0.806、局部取向差分布值(
KAM
)为0.912(无镁处理钢对应为71.9%、0.896、0.956),CGHAZ中细小且交叉自锁的AF组织阻碍了微孔扩张,抑制裂纹的扩展,提高了试验钢的冲击韧性。裂纹扩展遇到大角度晶界AF时会发生转折导致裂纹扩展路径延长,扩展过程能量消耗增大,韧性值增加。
2023 Vol. 58 (1): 141-152 [
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崔桂彬, 鞠新华, 严春莲, 马泽军
热浸镀低合金高强钢Zn-Al-Mg镀层的组织结构表征
热浸镀锌铝镁镀层因其具有更优异的切口保护性能和耐腐蚀性能等而被广泛应用于汽车和家电领域,而锌铝镁镀层钢板的耐蚀性与其物相组成密切相关。因此,为了更好地研究热浸镀低合金高强钢Zn-Al-Mg镀层表面与截面的微观组织与物相结构组成,利用聚焦离子束(FIB)对镀层截面进行了微区加工和精抛,制备出了平整光亮无应力的待观察面。首先利用扫描电镜(SEM)和能谱(EDS)初步分析了锌铝镁镀层表面与截面的微观组织形貌与成分,再利用电子背散射衍射技术(EBSD)菊池花样标定准确判定了锌铝镁镀层的物相结构与组成。研究表明,锌铝镁镀层表面与截面物相构成相同,均是由粗大枝晶状的初生富Zn相、相对细小鱼骨状或枝晶状的Zn-Mg二元共晶相和更为细小颗粒状或条状Zn-Mg-Al三元共晶相构成。另外还发现,在块状的初生富Zn相中均匀弥散分布着大量的纳米析出颗粒富Al相。经EBSD菊池花样标定准确判定了热浸镀锌铝镁镀层的物相结构,其中粗大枝晶状的初生富Zn相为具有密排六方结构的Zn相,相对细小鱼骨状或枝晶状的Zn-Mg二元共晶相为具有相同密排六方结构的Zn-MgZn
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,更为细小颗粒状或条状Zn-Mg-Al三元共晶相为Zn-MgZn
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-Al。另外,初生Zn相中析出的纳米级富Al相颗粒有效地提升了镀层的表面硬度。同时,在初生Zn相和共晶相的边缘均覆盖着一层MgZn
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相,该相可以有效地延缓腐蚀进程。
2023 Vol. 58 (1): 153-160 [
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曾斌, 汪净, 梁亮, 李昭东, 雍岐龙
连续热处理线开发框架锯条用钢工艺研究
框架锯已广泛应用于石材加工行业,框架锯条用钢是制备框架锯的必备材料,也是钢铁材料中的高附加值产品。采用国内自主设计的连续式淬火-回火热处理设备,拟开发目前国内外市场上未有使用的2.0 mm厚度薄型框架锯条用75Cr1高强度高韧性热处理钢带,以提高石材利用率。通过在连续热处理线上依次设定不同的加热炉奥氏体化温度、铅铋合金熔液温度、回火温度,采用材料试验机、洛氏硬度计、金相显微镜和扫描电镜研究三者对热处理钢带显微组织和力学性能的影响,探索出生产高性能框架锯条用材的最佳热处理工艺。结果表明,奥氏体化温度为930 ℃,铅铋合金熔液温度为250～315 ℃,回火温度为500～520 ℃,采用马氏体分级淬火,可制备出高性能的2.0 mm薄型75Cr1热处理钢带。此时,屈服强度为1 157～1 241 MPa,抗拉强度为1 275～1 368 MPa,伸长率为8.8%～13.8%,表面硬度为39.5HRC～42.5HRC,显微组织为回火屈氏体+少量贝氏体,晶粒尺寸极其细小均匀。通过与现有3.0 mm的厚规格高质量国外进口材进行显微组织与力学性能对比,所开发的2.0 mm新型薄规格材料可达到3.0 mm进口材料的质量水平,2.0 mm厚度的薄规格框架锯条用钢得到成功开发,其综合力学性能优越。该工艺的原理及参数范围不同于传统的油淬和盐浴淬火,这是对75Crl热处理工艺的全新报道和系统研究,可为研制该种材料提供工艺指导。
2023 Vol. 58 (1): 161-169 [
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杨双平, 张甜甜, 高文彬, 刘守满, 孙海兴
一步法制备碳氮化钒的工艺优化试验
围绕开发连续、高效、低成本的一步法合成碳氮化钒的技术,在总结氮化钒生产工艺过程研究的基础上,以V
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为原料,焦炭为还原剂,经过破碎、混料和压制成块、烘干后进行还原氮化过程,在高纯氮气气氛下探索了高温碳热还原一步法制备碳氮化钒的最佳生产工艺条件。通过对V
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的还原过程进行热力学分析计算并利用FactSage热力学软件对其进行理论研究,采用XRD、SEM等测试方法对反应温度、反应时间、氮气流量、制样压力等影响因素进行单因素试验分析,结果表明,碳化钒的氮化反应是逐级进行的,碳氮化钒的反应过程为V
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→V
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→V
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→VC→VCN。试验中产生的CO会改变炉内气体分压,会对碳化温度和氮化温度产生影响,因此反应过程中应严格控制体系的CO和N
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分压;反应时间和氮气流量对反应产物的钒、氮、碳含量产生不同的影响,钒含量和氮含量随着反应时间的增加和氮气流量的增大而增加,碳含量随着反应时间的增加而降低;压力大小决定了反应物的孔隙率,在保证压块产品质量的基础上,增大制样压力使颗粒间的接触面积增加、反应比表面积增大,还原效果佳。综合考虑,设置配碳系数为35%、制样压力为20 MPa,在900 ℃时碳热还原、1 480 ℃时氮化反应保温180 min,试验最终可获得(质量分数)75.55%V,13.91%N,4.96%C的碳氮化钒产品,符合国家制定标准。
2023 Vol. 58 (1): 170-178 [
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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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