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2023年 58卷 8期
刊出日期：2023-08-15
综合论述
原料与炼铁
炼钢
压力加工
钢铁材料
   
综合论述
1 龙红明, 丁龙, 赵贺喜, 康建刚, 春铁军, 钱立新
典型钢铁生产流程烟气中CO减排研究进展
CO对人体和环境具有毒性,是六大标准大气污染物之一。钢铁生产流程每年向大气中排放大量含有CO的工业尾气。在国家“碳达峰”、“碳中和”发展大背景下,钢铁生产流程正面临着巨大的CO减排压力。总结了典型钢铁生产流程烟气中CO排放现状,向大气中排放CO的烟气包括焦炉烟气、烧结烟气、还原回转窑烟气和转底炉烟气等,这些烟气中CO浓度低,排放总量大。针对烟气中CO减排,总结了国内外在源头控制、过程减排和末端治理等方面的研究进展。其中源头控制技术从能源结构调整角度利用绿色氢能和电能代替化石能源,过程减排主要是改善化石燃料燃烧条件以减少CO排放,末端治理则是通过物理/化学方式将CO从烟气中分离或将其氧化成CO2。末端治理技术中,催化氧化技术具有投资成本低、无额外运行能源消耗和二次污染、减排效果显著等优点,可以与当前钢铁烟气脱硫脱硝技术配合使用,具有工业实践的可行性,但是目前催化剂在抗中毒和制备成本控制方面有待提高。烧结烟气CO减排是目前迫切需要解决的问题,分析了烧结烟气CO减排可行的技术路线及其面临的挑战,提出通过耦合烟气循环、介质喷洒、燃料改进以及催化氧化技术,可以实现低投入、高效率的烧结烟气CO减排目标。
2023 Vol. 58 (8): 1-12 [摘要] ( 288 ) [HTML 1KB] [PDF 3104KB] ( 1428 )
13 董凯, 王春阳, 朱荣, 刘润藻, 任鑫, 刘文娟
转炉底吹O2-石灰粉技术的发展现状及展望
为了实现转炉绿色洁净化生产并满足高废钢比冶炼的需求,具有高效、洁净、低碳等冶金优势的底吹O2-石灰粉技术成为了研究热点。总结了转炉底吹O2-石灰粉技术的发展历程和应用现状,该技术在应用中呈现出控制系统高度集成、冶金指标优异,成本低等优势,但存在炉底寿命短、生产成本优势有限、应用规模不高的问题。3种代表性技术为顶底复合吹炼转炉炼钢法(K-BOP法)、顶底复吹转炉底喷石灰粉法(K-OBM法)和转炉底吹O2-CO2-石灰粉技术。K-BOP法和K-OBM法均采用活动式炉底,炉底安装多支环缝式底吹元件将O2和石灰粉喷入炉内,环缝采用气态碳氢化合物作为冷却气。K-OBM法还实现了从装料到溅渣过程的全自动冶炼,可100%不倒炉出钢,具有高质量、高效率、一致性和低成本的特点。北京科技大学自主研发的转炉底吹O2-CO2-石灰粉技术采用全自动冶炼,将CO2混入底吹O2中利用其与钢液元素反应的吸热效应、弱氧化性、气泡增殖和不增氮氢的特性,降低底吹火点区温度,延长底吹元件寿命,提高冶金效果,具有高效洁净、绿色低碳和低成本的冶金特点。最后,立足于低碳发展战略,对转炉底吹O2-石灰粉技术的发展趋势进行思考,提出转炉底喷粉技术需攻克侵蚀难题,匹配转炉安全长寿冶炼、扩展喷粉功能以适应低碳炼钢的需求、升级自动控制系统以适配“全智能转炉”的冶炼,解析底吹O2-CO2-石灰粉转炉反应机理以开发适配的工艺制度,中国底喷粉技术将进入蓬勃发展期。
2023 Vol. 58 (8): 13-24 [摘要] ( 171 ) [HTML 1KB] [PDF 6509KB] ( 487 )
原料与炼铁
25 张建良, 巨世峰, 刘征建, 范晋峰, 李克江, 白明光, 杨天钧, 季爱兵
氢基直接还原炼铁工艺的创新与实践
氢能是21世纪最具有发展前景的清洁能源,对富氢能源的应用也是目前中国能源结构重要的发展方向之一。在“碳中和”的大背景下,中国的钢铁行业构建了“富氢减碳”的钢铁用能新体系,该体系已然成为当今行业的重要趋势。中国山西直接还原炼铁工艺(China Shanxi Direct Reduction Iron, CSDRI)以伊朗气基还原炼铁技术PERED工艺为基础,历时十余年(2010年立项,2020年12月建成试运行),开发了具有完全知识产权的集成技术。该工艺以氧化球团为原料,以焦炉煤气为气源,生产过程完全不使用焦炭、煤炭和烧结矿,从源头减少碳素使用,有效降低污染物的产生。与传统高炉炼铁流程相比,生产成本具有一定优势,碳排放量得到显著降低,且工厂布局紧凑,用地得到大幅节约。该工艺对焦炉煤气有效利用,促进了焦化行业和炼铁行业的有机结合。详细介绍氢基直接还原炼铁工艺原理以及工厂运行情况,系统总结了CSDRI技术研发过程中的关键技术创新,论述了该工艺的系统组成和关键设备,梳理了其直接还原铁产品的生产指标。CSDRI工艺具有绿色低碳高效的特点,为中国氢基还原炼铁技术的发展提供了重要的指导方向,为中国钢铁行业转型升级、产品结构调整、提高钢铁品质探索出了一条新的路径。
2023 Vol. 58 (8): 25-31 [摘要] ( 235 ) [HTML 1KB] [PDF 4007KB] ( 913 )
32 张振, 唐珏, 储满生, 柳政根, 李福民, 吕庆
基于EEMD和机器学习的烧结矿FeO成分长短期综合预报
炼铁讲“七分原料,三分操作”,烧结矿是高炉炼铁的主要原料,FeO成分是影响烧结矿还原性、强度和粒度的重要指标,也是影响高炉铁水产量和燃料比的重要因素。因此,及时精确地掌握烧结矿FeO含量对于指导高炉炼铁的顺利生产具有显著作用。针对烧结矿FeO成分检测结果延时、精度差的问题,提出并建立一种集合经验模式分解EEMD和机器学习的FeO成分长短期综合预报模型。针对烧结数据进行探索性分析,挖掘了烧结数据存在的特性,有根据地采用箱线图和滑动窗口处理数据,保证了数据价值,为建模夯实了数据基础。综合模型包含2个模块。长期预报模型应用EEMD分解波动型FeO成分数据,降低输入数据的复杂性,以双向长短期记忆神经网络Bi-LSTM进行3 h内FeO成分的提前预报;短期预报模块融合EEMD、特征选择和提取方法构造衍生特征,增强模型对于输入和目标数据的学习能力,以极限树ET对下1 h的FeO成分进行预报。在未知烧结数据测试集的验证下发现,EEMD辅助机器学习建模能够大幅提升FeO成分预报精度和稳定性,EEMD-Bi-LSTM和EEMD-ET模型的平均绝对百分比误差MAPE为1%左右、均方误差MSE为0.027左右,误差接近零值。预测区间命中率最高能达到94%以上,FeO成分预测趋势与真实情况一致。此结果有助于现场实现FeO成分趋势和数值的精准提前把控。
2023 Vol. 58 (8): 32-40 [摘要] ( 133 ) [HTML 1KB] [PDF 5512KB] ( 630 )
41 包国营, 刘磊, 韩秀丽, 段博文, 钦礼文, 刘盈盈
响应面-满意度函数法优化烧结配矿
烧结配矿效果的好坏直接影响烧结矿的产质量和成本,甚至影响到高炉冶炼技术经济指标。为了探究原料成分配比与烧结矿质量多指标的综合关系,提出一种基于响应面-满意度函数法的烧结原料配矿优化方法。采用响应面法Box-Behnken设计(RSM-BBD),以氧化镁的质量分数w(MgO)、氧化铝的质量分数w(Al2O3)、碱度R(w(CaO)/w(SiO2))为自变量,以低温还原粉化指数、气孔率、铁酸钙含量等质量指标为因变量,建立响应面回归模型,分别研究3个因素及其交互作用对赤铁矿型烧结矿低温还原粉化指数、气孔率、铁酸钙含量等质量指标的影响;在此基础上,再结合满意度多目标优化法,以低温还原粉化指数、气孔率、铁酸钙含量的整体满意度为目标,构建响应面Box-Behnken整体满意度函数模型(RSM-BBD-DFA)优化烧结配矿。试验结果表明,各因素对低温还原粉化指数、铁酸钙含量的影响显著程度大小为w(MgO)>R>w(Al2O3),对气孔率的影响显著程度大小为w(Al2O3)>R>w(MgO);w(Al2O3)和碱度R交互作用对烧结矿低温还原粉化指数影响极其显著,w(Al2O3)和碱度R交互作用对气孔率、铁酸钙含量影响显著;w(MgO)、w(Al2O3)、碱度R对烧结矿质量整体满意度影响极显著,影响大小依次为碱度R>w(Al2O3)> w(MgO);确定的最佳原料配比w(MgO)为2.07%、w(Al2O3)为1.96%、碱度R为2.14,基于烧结矿质量整体满意度的预测公式和试验,得到最佳原料配比下烧结矿质量整体满意度实际值(0.88)与预测值(0.90)相差不大。
2023 Vol. 58 (8): 41-50 [摘要] ( 123 ) [HTML 1KB] [PDF 2692KB] ( 864 )
51 折媛, 尤宽, 巨建涛, 刘诗薇, 邹冲, 徐玉芬
干馏炉内水蒸气对兰炭热解过程中硫迁移的影响
用于冶金生产的兰炭会在干馏炉内受到回炉煤气燃烧和湿熄焦产生的水蒸气的影响。为明确水蒸气对兰炭孔隙结构及硫含量的影响,选取某低阶煤在不同热解条件下进行热解试验,考察不同热解终温(500～900 ℃)和水蒸气通入量(质量分数为0、20%、40%、60%)对低阶煤热解产物中硫含量的影响。采用比表面及孔径分析仪和定硫仪分析了兰炭孔隙结构及兰炭中全硫相对含量的变化,采用X射线光电子能谱对兰炭表面含硫官能团的赋存形态进行了分析。试验结果表明,在惰性气氛下,当温度成为限制性环节时,中低温(500～700 ℃)条件下硫的脱除效果较好,热解终温进一步升高则不利于硫的脱除。当在热解过程中通入水蒸气时,低温条件下(500～600 ℃),少量(20%)水蒸气脱硫显著,大量(40%～60%)水蒸气则不利于脱硫,此时不同形式的硫会出现相互转化的情况,水蒸气促使硫主要以气相形式析出。较高温度条件下(700～800 ℃)水蒸气虽促进孔隙结构发育,但硫无法以气相形式析出,水蒸气和缩聚反应共同作用下使硫主要在固相中进行转化,从而导致脱硫率降低。高温条件下(900 ℃)水蒸气对孔隙结构破坏严重,使硫主要以气相形式析出,显著提高脱硫率,但会生成部分无机硫和较难分解的有机硫。因此,在干馏炉生产兰炭的过程中,应严格控制中高温区域生产流程,避免水蒸气的进入,在低温区域的水蒸气添加量也应尽量控制在20%以内。
2023 Vol. 58 (8): 51-60 [摘要] ( 133 ) [HTML 1KB] [PDF 5274KB] ( 510 )
61 郄亚娜, 王新东, 李宇壮, 王艺帆, 张淑会, 陈树军
冶炼钒钛矿高炉富氢非等温还原行为及合适富氢率的探讨
高炉富氢是降低高炉能耗与碳排放重要途径,为确定高炉合适富氢率,研究了不同富氢率条件下钒钛矿的软熔滴落过程,并采用历程中断法分析了钒钛烧结矿、球团矿的非等温还原行为。研究结果表明,高炉富氢改善了钒钛矿还原条件,随煤气富氢率的增加,钒钛烧结矿、球团矿的还原度升高,尤其是高温条件下,煤气富氢率对还原的影响更为明显,初渣中FeO含量减少,初渣渣量降低,冶炼钒钛矿高炉富氢后软熔带位置下移,厚度减薄,尤其是透气性最差的熔融区间变窄,透气性增加;由于物理形貌和结构特征的不同,钒钛烧结矿与球团矿的还原速率随富氢率的增加表现出不同的变化趋势,富氢后钒钛烧结矿的还原速率在900～1 000 ℃达到最大值,而钒钛球团矿的还原速率随温度的增加呈增加趋势。高炉富氢恶化了钒钛矿非等温还原过程的粉化指标,适当减小炉身角可缓解富氢高炉块状带钒钛矿还原粉化现象。当煤气中富氢率以5%幅度增加时对钒钛矿非等温还原和软熔滴落性能的影响是不同的,富氢率由0增加到5%时的影响最大,其次是由5%增加到10%,富氢率超过10%时对钒钛烧矿的还原及软熔滴落行为影响较小,综合考虑还原气体富氢率对钒钛矿非温度还原、软熔滴落性能和软熔带分布的影响,冶炼钒钛矿高炉的富氢率应为10%左右。
2023 Vol. 58 (8): 61-68 [摘要] ( 140 ) [HTML 1KB] [PDF 3818KB] ( 867 )
69 魏汝飞, 郑雪婷, 李家新, 焦璐璐, 毛晓明, 许海法
碳循环氧气高炉内软熔带上部炉料反应行为
近年来,在中国“碳达峰”“碳中和”战略背景下,低碳高炉炼铁已成为中国低碳冶金技术发展的重要方向。在高炉炼铁工序,由于大量使用化石燃料及炉顶煤气利用率低,导致CO2排放量过多。为降低高炉炼铁的碳排放,提出富氢碳循环氧气高炉新工艺。以碳循环氧气高炉为研究对象,通过数值模拟与实验室试验相结合的方式,对高炉内软熔带上部含铁炉料的还原行为和焦炭气化行为进行了研究。通过SEM-EDS对烧结矿和球团矿的还原程度及渣铁分离现象加以分析,同时采用矿相显微镜对焦炭气化后的微观形貌进行表征。通过数值模拟和实验室试验得到的高炉内含铁炉料还原度变化规律基本一致,验证了数值模拟与实验室试验相结合方法的可行性。研究表明,在高炉的同一竖直方向上,随着位置的降低,含铁炉料的还原度和金属化率不断升高,焦炭的气化率不断上升。在高炉中心位置软熔带上方,含铁炉料的还原度为0.91,金属化率为67.58%,焦炭的气化率为20.91%。在高炉边缘位置软熔带上方,含铁炉料的还原度为1,金属化率为96.91%,焦炭的气化率为21.36%。并且,随着炉料下行,还原后含铁炉料的金属铁面积越大,渣铁分离越明显,观察到的焦炭孔隙越大。在碳循环氧气高炉内,由于炉顶煤气循环,高炉煤气中CO利用增多,CO2排放量减少,高炉煤气的二次利用率提高,这为低碳绿色冶金提供了应用理论基础。
2023 Vol. 58 (8): 69-81 [摘要] ( 178 ) [HTML 1KB] [PDF 11337KB] ( 447 )
82 尹铖, 张生富, 甘魏, 袁万能, 温良英, 白晨光
高炉和欧冶炉条件下钒钛炉料软熔行为对比
钒钛磁铁矿是一种具有重大经济价值和战略意义的矿产资源。目前,它的主流冶炼工艺——高炉-转炉法存在生产能耗高、操控难度大、资源利用率不高等问题,亟需开发新一代钒钛磁铁矿有价元素分离和提取工艺。欧冶炉是基于COREX工艺优化改造后的熔融还原炼铁技术,具有纯O2喷吹、料柱载荷小等钒钛磁铁矿冶炼的潜在优势。在实验室分别模拟了高炉和欧冶炉的冶炼条件,对比分析了钒钛炉料在2种条件下的软化、熔滴行为差异。结果表明,欧冶炉条件下钒钛炉料由于承受载荷小,高温软化收缩速率慢,在1 450 ℃时仍维持良好形态,熔滴区间比高炉条件下减小了79 ℃。高炉条件下钒钛炉料压差曲线由于渣铁熔化和炉渣泡沫化出现2次陡升,呈现“双升型”特征,而欧冶炉条件下炉料压差呈现“单升型”特征,熔化至滴落期间料层压差未见明显增加。高炉和欧冶炉条件下的钒钛炉料在高温区(滴落带)均出现了炉渣泡沫化现象,但欧冶炉的无N2还原气氛抑制了高熔点相Ti(C,N)的生成,欧冶炉条件下TiC理论生成温度为1 481 ℃;高炉条件下Ti(C,N)理论生成温度仅为1 219 ℃。证实了欧冶炉工艺条件提高了钒钛炉料的料层透气透液性,削弱了炉渣泡沫化程度,有利于钒钛磁铁矿冶炼过程的平稳顺行。
2023 Vol. 58 (8): 82-92 [摘要] ( 133 ) [HTML 1KB] [PDF 5478KB] ( 610 )
93 李宏伟
渣铁比对5 500 m3高炉冶炼影响分析
2019年5月以来,5 500 m3高炉入炉球团矿比例成功由25%提升至50%~70%,铁前系统不仅颗粒物、SO2、NOx等污染物排放降低24%,吨铁CO2排放降低10%,而且渣铁比由最低300 kg/t降至200 kg/t,极大地促进了高炉冶炼水平提升。通过研究渣铁比大幅下降后对高炉冶炼主要参数的影响,以对今后采用低渣铁比冶炼的高炉提供技术参考。经统计生产数据发现,渣铁比由300 kg/t下降至230 kg/t后,一方面主要指标取得显著提升,利用系数由2.25提升至2.50以上,透气性指数由4 100升至4 300以上,焦比由295 kg/t降至265 kg/t以下,煤比提高至200~220 kg/t;另一方面,渣比下降也带来炉渣脱硫和排碱能力的下降,在入炉硫负荷为3.80~3.90 kg/t和碱负荷为2.60 kg/t的条件下,为了满足铁水中硫质量分数小于0.050%和炉渣排碱率大于75%,提出最佳渣铁比控制为中线230 kg/t。今后,若进一步实现降低渣比生产,应从降低入炉有害元素和优化渣系成分入手,以最大限度降低有害元素在炉内循环富集,以确保炉况高水平稳定顺行。此外,渣铁比大幅下降后,铁水流速出现明显升高,出铁次数下降,出铁制度上应及时做出优化调整,以满足低渣铁比冶炼要求。
2023 Vol. 58 (8): 93-98 [摘要] ( 145 ) [HTML 1KB] [PDF 1888KB] ( 763 )
炼钢
99 吕明, 陈双平, 郝翊杰, 郭红民, 李东林, 张朝晖
基于氧枪喷头磨损的转炉供氧制度
转炉氧枪喷头磨损会导致气体射流和冲击特性发生变化,影响炼钢熔池搅拌效果和反应速率,研究供氧制度变化对喷头磨损后氧枪搅拌效果的影响对转炉冶炼工艺优化具有实际指导意义。建立了120 t转炉及不同磨损角度氧枪三维全尺寸几何模型,研究了供氧制度变化对喷头出口磨损后氧枪射流速度、冲击特性和熔池速度的影响。发现增大氧气流量后,射流速度衰减变慢,射流聚合程度减弱,射流核心区长度增大,而枪位对射流速度的衰减影响较小。供氧制度变化后,不同磨损程度氧枪钢液面速度分布规律大致相同,冲击凹坑和底吹流股区域钢液流速快,液面波动最剧烈,而炉壁处存在部分钢液流动死区。供氧制度调整后,磨损后氧枪在熔池深度500 mm处的高速区面积均大于未磨损氧枪。熔池深度较深处,顶吹射流的影响逐渐变弱,底吹流股开始起主导作用,熔池中心区域转变为低速区。并在120 t转炉上完成了工业试验,结果表明,动态调整氧枪枪位后,3种不同磨损程度氧枪吹炼时终点平均磷质量分数分别为0.029 6%、0.029 3%和0.029 4%,终点平均碳氧积分别为0.002 1、0.002 2和0.002 2,但钢铁料消耗会增加。供氧制度调整后,增大了磨损后氧枪射流对熔池的冲击力,保证了磨损后氧枪对熔池的搅拌效果与未磨损氧枪基本一致,减轻了氧枪磨损对转炉冶炼效果的影响。
2023 Vol. 58 (8): 99-109 [摘要] ( 129 ) [HTML 1KB] [PDF 9570KB] ( 449 )
110 吴萧萧, 习在辉, 何生平, 王强强, 张旭彬
高品质低碳钢板坯连铸保护渣降Li2O的探索
Li2O能有效改善连铸保护渣的熔化和流动性能,常用于高品质低碳钢板坯连铸保护渣的重要助熔剂。然而,近两年受下游需求强劲的影响,碳酸锂价格持续走高,增加了连铸坯生产成本。首先开展实验室研究,重点讨论了不同碱度下Li2O对保护渣黏度和熔化温度的影响;然后分阶段开展了4轮工业试验,试验评价效果包括,结晶器铜板热电偶温度和摩擦力曲线,吨钢渣耗量和铸坯表面质量。实验室研究结果表明,当碱度为0.65~1.25时,随着Li2O含量的增加,保护渣的熔点和黏度均呈现出降低的趋势,且黏度降低的幅度较明显。为了保证连铸顺行以及低碳钢铸坯表面质量,降低Li2O的同时需要调整渣中Al2O3、Na2O和F-的含量,以达到协调熔渣的熔化和流动性能以及吸收Al2O3夹杂后性能的稳定性。优化渣的碱度为0.98、黏度为0.26 Pa·s、熔点为1 130 ℃,均在低碳钢保护渣性能要求范围内。原保护渣与优化渣相比,Li2O质量分数大幅降低,由3.79%降低至0.79%,Na2O质量分数由1.57%提高到6.54%,Al2O3质量分数由12.05%降低至3.62%。优化渣在使用前后,黏温曲线中所呈现出的高温阶段(1 200～1 300 ℃)的黏度基本重合,转折温度有所提高。优化渣浇铸效果稳定,结晶器热电偶温度和摩擦力曲线波动平稳,铸坯和轧材无保护渣类缺陷。从保护渣方面降低连铸生产成本,研究成果具有一定的借鉴和推广价值。
2023 Vol. 58 (8): 110-119 [摘要] ( 96 ) [HTML 1KB] [PDF 6042KB] ( 409 )
压力加工
120 郭贺松, 孙建亮, 叶春林, 张学智, 刘炜亮, 彭艳
基于SAE-DBN混合深度网络的热轧带钢表面缺陷预报
热轧带钢表面质量缺陷严重制约了产品质量高端化,其带钢表面质量缺陷具有多元化、随机性等特征,不同缺陷的形成机理不同,造成带钢表面质量缺陷的工艺复杂,难以实现对表面质量缺陷的有效控制。为解决热轧带钢质量缺陷难以实现在线诊断的问题,针对热轧生产过程发生频率较高的氧化铁皮印压入、边部翘皮、边部裂纹缺陷展开诊断预报研究。基于表面缺陷机理分析,明确了轧制过程影响带钢表面质量缺陷产生的原因变量,将其作为热轧板带表面质量缺陷预判模型的输入数据源。然后,基于深度置信网络和深度稀疏自编码器,提出一种基于SAE-DBN(spare auto encoder-deep belief nets,稀疏自编码器-深度置信网络)混合深度网络的热轧带钢表面缺陷预报模型。在DBN诊断模型的基础上,训练单个SAE得到最优网络权重。将得到的网络权重赋值给DBN模型的首层RBM(restricted Boltzmann machine,受限玻耳兹曼机),以此种方式初始化网络权值和偏置,以此进一步提高模型的预报能力和学习效率,改善深度自编码器稳健性不足的情况。采用热轧带钢生产过程实际数据对模型进行验证,结果表明SAE-DBN混合深度网络缺陷预报模型的预报平均准确率达到了94.23%。最后以热轧带钢边部翘皮缺陷为BP(back propagation)神经网络诊断模型、DBN诊断模型、DSAE(deep spare auto encoder,深度稀疏自编码器)诊断模型为对比对象,对比3种模型的预报精度分别提高了18.56%、12.58%、8.23%。同时SAE-DBN模型的误报率能够控制在6%以内,这对热轧带材表面质量缺陷具有良好的预报效果。
2023 Vol. 58 (8): 120-128 [摘要] ( 115 ) [HTML 1KB] [PDF 3185KB] ( 704 )
129 和东平, 徐慧东, 刘元铭, 王涛
基于颗粒阻尼吸振的波纹辊轧机非线性垂振控制
轧机振动理论的研究一直是轧制成形领域的前沿科学问题,对板材的质量和设备的稳定运行至关重要。随着轧制复合成形技术的快速发展,波纹辊轧机作为一种具有特殊辊型的设备,在复合板制备上具有细化晶粒、改善板形、提高结合强度等突出优点,逐渐成为当前的研究热点,但是复杂辊型曲线所诱发的轧制力动态变化对轧机的稳定性控制提出了新的挑战。为了对波纹辊轧机的非线性垂振进行合理的控制,建立了考虑波平辊系之间的非线性刚度、波纹界面非线性阻尼和轧制力动态波动的非线性垂振方程,通过分岔图、最大Lyapunov指数、相轨迹和Poincare截面分析了轧制力的动态变化对系统稳定性的影响,发现轧制力的动态变化诱发系统产生了复杂的动力学行为。设计了一种颗粒阻尼吸振器对波纹辊轧机非线性垂振进行控制,运用多尺度法求解得到了安装颗粒阻尼吸振器系统的幅频特性曲线方程,分析了钢珠颗粒群质量、吸振器刚度系数、阻尼系数以及质量比对幅频特性曲线的影响,通过数值仿真研究了颗粒阻尼吸振器对非线性垂振的控制效果。最后,通过试验验证了颗粒阻尼吸振器设计的正确性和可行性,缩短动态过程调整时间的同时也减小了系统的振幅,为波纹辊轧机非线性动力学分析及稳定性控制提供理论指导和技术支持。
2023 Vol. 58 (8): 129-137 [摘要] ( 114 ) [HTML 1KB] [PDF 5097KB] ( 426 )
138 李亚新, 刘元铭, 王振华, 张明泽, 张博文, 王涛
不锈钢/碳钢复合板纵波轧制搓轧变形机理
不锈钢/碳钢复合板既发挥了不锈钢的强耐腐蚀性、高耐磨性、高耐热性和高磁性,又结合了碳钢的易焊接性、高导热性和易延展性等优势。然而,不锈钢/碳钢复合板较低的结合强度严重限制了其广泛的应用。提出采用纵波轧制(LCR)制备不锈钢/碳钢复合板的工艺,从试验和有限元模拟2个方面研究了变形过程中搓轧区对复合板结合强度的影响,并与平辊轧制(FR)工艺进行对比。结果表明,LCR复合板在波峰和波谷处的拉剪强度分别为315.94 MPa和329.48 MPa,FR复合板的拉剪强度为277.77 MPa。波峰和波谷处的拉剪强度较FR复合板分别提升了13.7%和18.6%。通过对拉剪断裂面进行元素扫描分析发现,LCR复合板波峰和波谷的断裂位置处于Q235B基体中,FR复合板的断裂位置在结合界面上。LCR复合板的拉伸强度和断后伸长率均优于FR复合板。利用有限元模拟获得LCR和FR变形区复合板的应力状态分布,LCR变形区中部分金属处于两向压应力和一向拉应力状态,应力状态更接近纯剪状态,LCR复合板在轧制过程中受到拉应力和强烈的剪应力共同作用。与FR变形区不同,LCR变形区由于波纹辊型的影响,在轧制方向和宽度方向上均存在搓轧区。搓轧区增强不同金属之间的剪切作用,有利于金属表面氧化层和硬化层的破碎,从而促进2种金属的相互结合,提高复合板的结合强度。
2023 Vol. 58 (8): 138-148 [摘要] ( 123 ) [HTML 1KB] [PDF 7054KB] ( 503 )
钢铁材料
149 王全礼, 路士平, 马龙腾, 王凯凯, 狄国标
高强钢增强韧性的在线淬火技术开发与应用
近年来,广泛应用于中厚板高强钢生产的在线淬火工艺是一种绿色、短流程制造工艺,然而与离线淬火工艺相比,普遍存在强度偏高而冲击韧性较低的问题,阻碍了这种工艺的推广应用。研究发现,产生此类问题的原因是因为轧制过程中奥氏体组织调控不当,使得轧制后钢板的奥氏体晶粒主要呈现出扁平状,这种形态的奥氏体在随后的直接淬火过程中容易形成贯穿原始奥氏体晶粒的马氏体板条,并且取向较为一致,不利于阻止裂纹的拓展。以奥氏体组织调控为基础,钢板轧制后形成细小等轴状态的奥氏体晶粒,并保留部分塑性变形过程的位错,在随后的淬火过程中,形成取向各异的马氏体板条束,这种组织有利于阻止裂纹拓展,从而可有效提升钢材的冲击韧性,不添加昂贵的微合金元素也可实现550 MPa级高强钢的生产,在强度相同的情况下,-20 ℃冲击韧性大幅度提升到200 J以上,达到离线淬火相当的水平,同时,提高了机组产量;相比于离线淬火,这种工艺下的微合金元素可较多固溶于奥氏体中,随后淬火过程中保留于马氏体中,在回火过程中增强微合金碳氮化物析出强化作用,进一步提高产品的强度,最终采用该工艺所制造的690 MPa级高强钢性能与离线淬火韧性相当且强度略高,为工艺进一步推广应用拓展了新思路。
2023 Vol. 58 (8): 149-156 [摘要] ( 136 ) [HTML 1KB] [PDF 4528KB] ( 749 )
157 宋光洁, 朱浩然, 季灯平, 刘斌, 付建勋
102Cr17Mo轴承钢铸坯夹杂物及碳化物解析
102Cr17Mo钢属于高碳高铬马氏体不锈钢,钢中夹杂物及碳化物的形貌及分布对其性能有重要影响。依托于某厂La-Ce复合稀土改质的102Cr17Mo模铸坯,用光学显微镜、扫描电镜、夹杂物三维腐刻、Thermo-calc软件对其进行解析。结果表明,在102Cr17Mo铸坯中,夹杂物的等效直径集中分布在1～3 μm,夹杂物数量密度集中分布在47～54 个/mm2,夹杂物面积占比分布在0.025 3%～0.028 4%;夹杂物的整体尺寸较小,分布弥散化,不同部位的夹杂物数量密度、面积比例差距较小;夹杂物主要成分为氧、铝、铈、镧和其他等少量元素,夹杂物类型包括稀土氧化物Ce-La-Al-O、稀土氧硫化物Ce-La-Al-O-S,未发现单独存在的Al2O3夹杂和MnS夹杂。铸坯中碳化物形貌主要分为3类,即大颗粒状碳化物、聚集状碳化物、网状碳化物。大颗粒状碳化物尺寸约为20 μm,所含主要元素为铁、铬、碳和钼,聚集状碳化物尺寸约达100 μm,所含主要元素为铁、铬、钼和碳,网状碳化物尺寸约为80 μm,所含主要元素为铁、铬、钼和碳。从边部到心部,碳化物的连续性逐渐增加;铸坯中的碳化物相主要为亮白色富含铌元素的MC相、深灰色富铬和铁的块状M7C3型碳化物、浅灰色富含铬和铁的M23C6型碳化物,在M7C3碳化物中,铬、铁、钼元素的质量分数分别为62％、28％、1％,铬、铁元素的质量比为2.2;在M23C6碳化物中,铬、铁、钼元素的质量分数分别为55％、37％、2％,铬、铁元素的质量比为1.5。
2023 Vol. 58 (8): 157-168 [摘要] ( 134 ) [HTML 1KB] [PDF 8242KB] ( 400 )
169 刘金岳, 成卓, 黄禹赫, 马国强, 汪水泽
铌微合金化1 800 MPa级热成形钢的高温热塑性
在碳中和背景下,以热成形钢为代表的超高强钢在汽车白车身中的应用逐渐增加。微合金化技术有助于提高热成形钢的力学性能,但微合金元素对热成形钢高温热塑性的影响仍待探索。采用Gleeble-3500热模拟试验机评估了铌质量分数为0.04%的1 800 MPa级铌微合金化热成形钢(0.04Nb钢)在不同高温条件下的热塑性,并分析了不同温度区间内0.04Nb钢的断裂失效机制。结果表明,0.04Nb钢具有2个脆性温度区间和1个塑性温度区间。试验数据分析表明,第I脆性温度区间为1 250~1 300 ℃,试样呈沿晶脆性断裂,原因是高温使晶界结合力减弱,同时可能存在低熔点的硫、磷等夹杂物,进一步弱化晶界结合力;塑性温度区间为850~1 250 ℃,在这个区间里钢的热塑性较高且断面收缩率均大于60%,虽然在此温度范围内开始有Nb(C,N)析出相的析出,但高温促进晶界和位错的运动以及动态再结晶的发生,保证了0.04Nb钢高的热塑性;第III脆性温度区间为650~800 ℃,在这个区间里钢的热塑性随温度降低呈下降的趋势,沿晶界呈网状分布的先共析铁素体和在晶界析出的细小Nb(C,N)析出相导致拉伸时产生的应力集中是本阶段诱发脆性断裂的主要原因。0.04Nb热成形钢在实际的连铸过程中,应避开650~800 ℃的脆性温度区间,而在900 ℃以上的塑性温度区间进行矫直操作。
2023 Vol. 58 (8): 169-177 [摘要] ( 128 ) [HTML 1KB] [PDF 5607KB] ( 479 )
178 李书成, 杨庚蔚, 韩汝洋, 徐耀文, 付至祥, 朱晓翔
终轧温度对中锰马氏体NM500钢再加热后组织性能的影响
中锰马氏体耐磨钢具有低成本、高强度、高硬度和高耐磨性等特点,在煤炭采运、水泥搅拌和轨道交通等领域具有广阔的应用前景。利用金相显微镜、扫描电子显微镜和透射电子显微镜等设备,以中锰马氏体NM500钢为研究对象,研究了终轧温度对其热处理后组织和力学性能的影响。研究结果表明,与热轧态试样相比,经850 ℃保温1 h热处理后,试验钢的原始奥氏体晶粒明显细化,相变后的马氏体组织更加细小,低温冲击韧性大幅提升,且较低的终轧温度使得基体中缺陷密度增加,V(C,N)的数量增大,粒径减小,更有利于再加热过程中奥氏体晶粒的细化。当终轧温度由900 ℃降低至700 ℃时,经再加热后,试验钢的原始奥氏体晶粒尺寸由10.50 μm细化至5.02 μm,马氏体的板条块尺寸由1.37 μm减小至1.06 μm,位错密度由1.05×1015 m-2增加至1.51×1015 m-2。马氏体多级组织的细化以及位错密度的增加,显著提升了细晶强化增量和位错强化增量,使得试验钢的抗拉强度、屈服强度和硬度分别增加至1 860 MPa、1 084 MPa和540HB。同时,组织的细化使得基体中大角度晶界密度增加,裂纹扩展的阻碍增多,冲击断口上的韧窝增多且尺寸增大,韧性提升,-40 ℃下的冲击吸收能量达到25.5 J。
2023 Vol. 58 (8): 178-185 [摘要] ( 141 ) [HTML 1KB] [PDF 9698KB] ( 447 )
186 何肖飞, 王毛球, 冯桂萍, 赵敏
Cr-Ni-Mo系汽车齿轮钢质量稳定性水平分析
为了促进中国向制造业强国转型发展,制造业中关键零部件用材料在不断提升性能的同时,还必须保证具备高质量稳定性,如在推进中国高等级汽车开发时,汽车齿轮零件用材料就必须在具备高质量的同时,还具备足够的质量稳定性。Cr-Ni-Mo系齿轮钢是汽车齿轮钢中的一类重要的产品,具有承载力大、抗冲击性好的特点,应用比较广泛,因此,选择以Cr-Ni-Mo系汽车齿轮钢为研究对象开展研究。利用合金成分分析、末端淬透性试验、硬度检测、带状组织检测等试验方法,对Cr-Ni-Mo系齿轮钢冶炼成分、铸坯偏析、成品材偏析、淬透性、带状组织控制等进行研究和分析,完成了国内Cr-Ni-Mo系汽车齿轮钢先进质量稳定性控制水平研究,并分析了其对齿轮制造的影响。结果显示,国内某特钢厂Cr-Ni-Mo系汽车齿轮钢可以实现大批量工业生产时冶炼成分的精准控制,精炼终点碳质量分数波动在±0.01%以内,锰、铬、镍质量分数波动在±0.02%以内,且成品材截面碳偏析很小,碳质量分数波动不超过0.02%的炉次比例达97%。另外,该系列齿轮钢还可以达到窄淬透性带宽和低带状组织级别稳定控制,其淬透性带宽基本稳定控制在4HRC以内,带状组织稳定控制在1.5级以内,因此,国内先进Cr-Ni-Mo系汽车齿轮钢可以实现高质量、高稳定性控制,并将对重载车辆安全起到重要作用。
2023 Vol. 58 (8): 186-194 [摘要] ( 120 ) [HTML 1KB] [PDF 2932KB] ( 1090 )
195 谢晓莹, 朱浩阳, 张银霞
刀具磨损对GH4169加工表面完整性的影响
表面完整性是评价机械零部件加工质量的重要参数,并且表面完整性对机械零部件的使役性能(包括耐腐蚀性能、耐磨损性能以及疲劳性能等)存在直接影响。针对高速切削高温合金(耐热合金钢)时表面完整性不佳难题,开展高温合金GH4169高速切削试验,研究刀具磨损对高速切削高温合金GH4169表面完整性(包括表面粗糙度、显微硬度、残余应力和微观结构等)的影响规律,改善高温合金加工表面完整性,进而为高温合金的高质加工提供理论支撑。试验结果表明,当后刀面磨损量为0.1 mm时,表面粗糙度Ra取得最小值(0.26 μm)。当后刀面磨损量的范围为0~0.3 mm时,高速切削高温合金GH4169获得的平均表面显微硬度为462HV~551HV,平均表面残余应力为-1 132~-651 MPa。塑性变形层厚度和刀具磨损量的大小呈正相关,在切削参数为切削速度75 m/min、进给量0.1 mm/r、切削深度0.5 mm的条件下,当后刀面磨损量范围为0~0.3 mm时,塑性变形层的厚度为18~56 μm。总地来看,表面显微硬度和残余压应力随着刀具磨损的增加而增加。表面粗糙度随着刀具磨损量的增加先减小后增加,过高的刀具磨损引起加工质量变差,合适的刀具磨损可获得更佳的表面粗糙度和表面质量,有必要通过控制刀具磨损来改善高温合金GH4169的表面完整性。
2023 Vol. 58 (8): 195-201 [摘要] ( 123 ) [HTML 1KB] [PDF 3979KB] ( 627 )
202 王刚, 韩晓宋, 张悦, 彭振龙, 牛鹏辉
表层改性及应力集中对18CrNiMo7-6合金钢疲劳分散性的影响
金属材料的疲劳试验数据常存在较大的分散性,这给材料疲劳寿命的预测带来一定的不确定性。引起疲劳数据分散性的因素是多样的,为了弄清表层改性及应力集中对疲劳数据分散性的影响,研究了光滑试样(Kt为1,Kt为应力集中系数)在3种状态下(淬火回火、渗碳表层改性、混合射流表层改性)及渗碳试样在2种应力集中系数下(Kt为2和4)的疲劳数据分散性,利用分散性指标(包括对数标准差和变异系数)对18CrNiMo7-6合金钢疲劳寿命分散性进行了定量描述;结合疲劳试验数据对淬火回火、渗碳和混合射流3种状态下不同应力水平的疲劳分散性展开分析;对不同应力水平下的试样进行断口失效分析,讨论了疲劳数据分散性与裂纹源的相关性。结果表明,淬火回火试样疲劳寿命分散性最大,渗碳试样次之,混合射流试样分散性最小,这说明表层改性工艺可有效降低疲劳寿命分散性和提升零部件服役可靠性。渗碳试样Kt为4时试样疲劳寿命分散性最大,Kt为2次之,Kt为1分散性最小,这说明随着应力集中的增加,疲劳分散性随之增加,也印证了应力集中是疲劳失效的主要原因这一普遍规律。疲劳寿命较短的试样裂纹主要从表面萌生,而寿命较长的试样裂纹从试样亚表层的夹杂物处萌生。
2023 Vol. 58 (8): 202-211 [摘要] ( 134 ) [HTML 1KB] [PDF 5196KB] ( 425 )
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