2022年, 第34卷, 第12期　刊出日期：2022-12-20

  

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综合论述
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  难选铁矿石矿相转化清洁高效利用技术新进展

  韩跃新, 张强, 孙永升, 高鹏, 李艳军

  钢铁研究学报. 2022, 34(12): 1303-1313. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20220274

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  复杂难选铁矿石的清洁高效利用日益得到重视,东北大学创新地研发了“加热分解-蓄热还原-再氧化”矿相转化技术,可有效处理复杂难选铁矿石。矿相转化过程中,赤铁矿、褐铁矿和菱铁矿等弱磁性铁矿物转变为强磁性的磁铁矿和磁赤铁矿,然后通过磁选对焙烧矿石进行分选。通过采用富氢气体作为还原剂以降低碳排放,形成了氢基矿相转化全组分清洁利用技术,符合钢铁工业绿色可持续发展的新趋势。从热力学基础、反应动力学、试验研究和工业应用等角度对矿相转化技术进行了详细的介绍,并对其应用进行了展望。
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  基于工业大数据的智能化高炉炼铁技术研究进展

  石泉, 唐珏, 储满生

  钢铁研究学报. 2022, 34(12): 1314-1324. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20220289

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  高炉冶炼过程是最典型的“黑箱”过程,其复杂性和不确定性为高炉稳定顺行带来了巨大挑战。但高炉炼铁拥有丰富的数据资源,数据科学、智能技术的快速发展,为解决高炉炼铁过程中不确定性问题提供了有效手段。围绕大数据技术在高炉炼铁中的应用,从高炉数据预处理、高炉关键指标预测、高炉炉况评价和高炉指标优化4个方面对现阶段智能化高炉炼铁技术进行总结与分析。在高炉数据预处理方面,应综合考虑数据问题和算法特性,科学选择数据处理方法,才能使高炉数据质量得到有效改善。在高炉关键指标预测方面,需要先消除高炉参数间时滞性的影响,并筛选出有效的输入特征,才能保证预测模型的准确率。在高炉炉况评价方面,需要构建数据信息与工艺机制融合的高炉智慧模型,才能够实现高炉炉况的科学评价。在高炉参数优化控制方面,应该以低风险、低经济、高回报作为优化目标,在追求优化效果的同时还应综合考虑现场操作的可行度和操作成本。要实现高炉智能化生产,还需要研究者们继续探索和完善。
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  热轧带钢免酸洗直接还原退火热镀锌关键工艺技术的研究进展

  曹光明, 李志峰, 王皓, 刘振宇

  钢铁研究学报. 2022, 34(12): 1325-1333. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20220269

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  热轧带钢免酸洗直接还原退火热镀锌技术是一项颠覆传统生产流程的新技术,与传统热镀锌相比,一是退火与还原同步进行,以退火过程中高效氢还原技术替代酸洗工序,缓解废酸排放对环境的破坏;二是利用还原产物特殊的结构特征,改善基板的润湿性和基板/锌层之间的粘附性,实现厚镀层和高耐蚀镀层产品研发。然而,由于还原效率和还原产物结构对温度、气氛、露点等参数极为敏感,而且在氢还原后,由基板表面状态的改变,造成了在热镀锌过程中,出现了与常规的酸洗工艺完全不同的“液-固”界面反应,造成锌液的反应产物难以控制。为此,国内外专家展开了大量应用基础研究,不断推动此项技术的进步。在综合前人研究现状的基础上,围绕关键环节的理论和技术,阐述了笔者所在团队近年来研究结果和工业化方面的进展情况。
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  含氮热作模具钢的研究现状与发展

  贺彤, 王海建, 李花兵, 冯浩, 焦卫超, 姜周华

  钢铁研究学报. 2022, 34(12): 1334-1344. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20220215

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  氮微合金化因能提高热作模具钢的强韧性和热稳定性,近年来被广泛应用于改进传统热作模具钢。首先综述了AISI H13热作模具钢及其改进钢种的化学成分和性能,其次介绍了含氮热作模具钢的分类,并以含氮热作模具钢的显微组织和性能为基础,详细阐述了含氮热作模具钢的研究现状。最后总结了氮在热作模具钢中的作用和目前含氮热作模具钢研究中面临的难题,并展望了含氮热作模具钢的发展方向,以期为含氮热作模具钢的成分设计和应用提供指导。
冶炼与加工
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  原料配比和工艺参数对钢渣复合铁焦冶金性能的影响

  柳政根, 张立峰, 储满生, 曹来更, 闫瑞军

  钢铁研究学报. 2022, 34(12): 1345-1351. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20220338

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  复合铁焦是一种新型的低碳高炉炼铁炉料。为拓展复合铁焦制备的原料来源以及丰富钢渣固废资源化利用的新途径,提出了一种以钢渣和煤粉为原料制备钢渣复合铁焦的新工艺。系统研究了钢渣配比、煤粉配比、炭化温度、炭化时间等工艺参数对钢渣复合铁焦抗压强度的影响,获得了钢渣复合铁焦制备的工艺参数。在此基础上,研究了钢渣配比对钢渣复合铁焦反应性和反应后强度的影响,进一步优化钢渣复合铁焦的制备工艺参数。优化后的钢渣复合铁焦制备工艺参数为:钢渣配比15%、无烟煤配比10%、瘦煤配比30%、1/3焦煤配比45%,炭化温度900 ℃,炭化时间3 h;其抗压强度、反应性、反应后强度分别为4606 N、60.64%、57.24%。
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  海南石碌铁矿氢基矿相转化过程中的氢还原动力学和微观结构演变

  韩文杰, 朱一民, 李文博, 刘杰, 韩跃新

  钢铁研究学报. 2022, 34(12): 1352-1360. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20220336

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  钢铁工业碳排放量巨大,氢还原在钢铁行业减少二氧化碳排放和实现碳中和方面备受关注。因此,针对海南石碌铁矿研究了其在氢基矿相转化中的氢还原(H₂流量:100 mL/min;H₂∶N₂ =20%∶80%(体积比))过程,为海南石碌铁矿的低碳开发利用提供了理论依据。采用化学分析、X射线衍射、高温热台显微镜和扫描电镜对其还原动力学、相变和微观结构变化进行了研究。结果表明,H₂流量达到120 mL/min时发生了过还原,赤铁矿转化为亚铁相(FeO)。在氢基矿相转化过程中,原料中的赤铁矿被还原为磁铁矿,且反应速率随温度升高而增加。赤铁矿的还原反应受相界反应控制,其反应活化能为75.99 kJ/mol,指前因子为81.59 s^-1,反应机制函数为G(α)=[1-(1-α)^1/3]^1/2,反应模型为三维扩散模型(Jander, n=1/2)。微观结构分析表明,矿样与氢气接触后,还原反应开始。随着还原反应的进行,固体颗粒表面裂纹逐渐发展,生成的磁铁矿含大量裂纹,H₂和反应生成的水蒸气可以沿着裂纹扩散,促进了反应的完成。
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  RH侧底喷粉精炼过程流动特性

  刘壮, 娄文涛, 朱苗勇

  钢铁研究学报. 2022, 34(12): 1361-1369. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20220240

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  建立了一个数值模型来研究120 t RH喷粉过程中的气-液-固多相流动。考察了真空室、上升管、下降管和钢包底部4个位置喷粉对粉剂分布和钢液循环流量的影响。建立物理模型得到粉剂分布和局部速度,并对数值模拟进行了验证。结果表明,数值模型预测结果和实验结果较为吻合。采用真空室和上升管位置喷粉时,RH内粉剂分布行为相似,且RH内粉剂高浓度区域大于下降管喷粉和钢包底喷粉。下降管喷粉在熔池中存在大量粉剂浓度“死区”。钢包底喷粉可以增加22.6%的循环流量;下降管喷粉会降低36.6%的循环流量。喷粉过程对循环流量的影响主要源自于喷粉载气。除RH钢包底喷粉外,其他位置喷粉,粉剂存在会减小循环流量。
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  连铸凝固末端压下过程裂纹萌生扩展风险预测

  祭程, 朱苗勇

  钢铁研究学报. 2022, 34(12): 1370-1378. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20220184

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  随着连铸断面的增宽加厚,浇铸钢种中碳及合金占比的显著增加,以及铸坯质量要求愈发严苛,大幅增加压下量、延长压下区间已成为凝固末端压下工艺发展的普遍共识,生产者们也愈加担心诱发压下裂纹的风险。针对微合金钢宽厚板坯在凝固末端压下过程的变形特点,设计了中间裂纹萌生与角部裂纹扩展的临界应变测定方法。采用三维热/力耦合有限元仿真模型,分析了宽厚板坯凝固末端压下过程铸坯凝固与变形规律,结合临界应变,建立了裂纹萌生扩展风险的预测模型,并分析了不同压下方案下的裂纹风险,为压下工艺设计提供了定量数据支撑。
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  高品质钢中稀土夹杂物聚合特征的在线观测分析

  王野光, 刘承军

  钢铁研究学报. 2022, 34(12): 1379-1386. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20220229

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  高品质钢中大尺寸稀土夹杂物及其团簇的形成对浇注过程的工艺顺行与钢材产品质量均具有严重危害。为了研究高品质钢中稀土夹杂物的聚合特征,通过模拟实验研究了稀土处理不锈钢体系中夹杂物的成分演变,在此基础上,利用高温激光共聚焦显微镜对不同类型夹杂物的聚合行为进行了在线观测。研究结果表明,在铈处理铝脱氧钢中,随着夹杂物中Al₂O₃含量逐渐降低,Ce₂O₃含量逐渐升高,夹杂物由Al₂O₃转变为CeAlO₃。在铈处理硅铝复合脱氧钢中,随着夹杂物中Ce₂O₃含量逐渐降低,SiO₂含量逐渐升高,SiO₂-Al₂O₃夹杂物逐渐转变为液相Ce₂O₃-SiO₂-Al₂O₃夹杂物。固相Al₂O₃、SiO₂-Al₂O₃和CeAlO₃粒子在钢液中易聚合形成大尺寸团簇,导致夹杂物尺寸不断增大,液相Ce₂O₃-SiO₂-Al₂O₃夹杂物不易聚合长大,其尺寸随观测时间的延长变化不大。实验条件下,钢中不同类型夹杂物的聚合趋势为:Al₂O₃>CeAlO₃>SiO₂-Al₂O₃>液相Ce₂O₃-SiO₂-Al₂O₃。控制得到Ce₂O₃-SiO₂-Al₂O₃夹杂物能够抑制大尺寸稀土夹杂物的形成,有望改善稀土钢的水口结瘤问题。
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  冷连轧关键质量指标与轧制稳定性智能优化控制技术

  孙杰, 陈树宗, 王云龙, 鲁兴, 王青龙, 张殿华

  钢铁研究学报. 2022, 34(12): 1387-1397. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20220235

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  冷连轧机组在生产高强度薄规格板带材时,易出现高速轧制振动、非稳态过程产品质量波动剧烈等问题,如何提高高品质板带材的生产稳定性和产品质量,是冷连轧控制水平进一步提升的关键和亟待解决的问题。首先针对冷连轧机组多机架交叉耦合、轧制工艺约束复杂多变等特征,给出了一种厚度-张力的多机架分布式协调优化策略;其次,为提高非稳态过程带钢板形的控制精度,开发了基于数据驱动的板形控制优化方法;再次,为保证轧制过程的高速与稳定运行,开发了融合数据与机制的轧机振动特性分析及振动抑制控制策略;最后,结合智能制造背景下中国钢铁工业的发展需求,探讨了轧制过程智能化发展的未来发展方向。研究成果可为薄带高强钢冷连轧非稳态过程的生产稳定性提高和质量精度改善提供新的解决方案。
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  数据驱动的热轧钢板头部变形预测与智能优化

  李旭, 董梓硕, 丁敬国, 张殿华

  钢铁研究学报. 2022, 34(12): 1398-1407. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20220230

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  宽厚板头部形状控制是提高产品成材率的有效手段。提出一种基于数据驱动的钢板头部形状预测及控制模型。首先根据所开发的平面形状测量仪表,以多道次轧制完成后钢板的头部变形面积为测量目标,结合轧制过程数据建立了头部变形数据集。其次提出一种基于多层感知机(multi-layer perceptron, MLP)的钢板头部变形预测模型。最后基于所建立的数据驱动预测模型,采用自适应惯性权重的粒子群算法(adaptive-weighted particle swarm optimization, APSO)对设定的头部变形控制参数进行优化,以减少头部变形面积。结果表明,提出的预测模型对于头部变形面积预测的平均误差为58983 mm²,优化后的头部变形参数有效减少了钢板的头部变形,相比于原有设定模型平均减少了16.85%。
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  基于ABAQUS二次开发的热轧L型钢冷却过程弯曲变形有限元分析

  李杰, 李华, 张宏亮, 赵宪明, 李德志

  钢铁研究学报. 2022, 34(12): 1408-1416. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20220160

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  L型钢在轧后空冷过程中会产生复杂的3次弯曲变形,严重影响了其成材率,冷却过程中3次变形产生的机制尚不明确。为了研究相变对L型钢冷却弯曲变形的影响,基于ABAQUS二次开发环境,编写了USDFLD、UEXPAN和HETVAL子程序,对L型钢轧后冷却过程中的组织转变、相变潜热、相变应变和变形量进行了计算。研究了5组不同的模拟状态,从相变应变和冷却收缩应变的角度分析了L型钢轧后冷却过程中弯曲变形的原因。研究结果表明:L型钢的3次弯曲变形是相变应变和冷却收缩应变交互作用的结果,相变引起的应变和冷却收缩应变影响着L型钢的弯曲变形趋势,而相变潜热和相变应变则影响着型钢的弯曲变形量。
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  极薄高强钢板高效气淬技术

  曳彦奇, 付天亮, 王昭东, 王国栋

  钢铁研究学报. 2022, 34(12): 1417-1423. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20220174

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  极薄高强钢板在高温下空冷迅速降温且不可控、淬火应力大易瓢曲,是制约高品质生产与性能提升的关键因素。将高压气淬技术引入极薄高强钢板淬火领域,通过气冷温降分析、力学性能及显微组织检测,探究了气冷工艺对极薄高强钢板淬火组织性能的影响。结果表明,气冷淬火工艺可减小钢板厚度和长度方向上的热梯度,降低淬火过程的热应力与组织应力,在板形调控方面具有优势。当钢板转移时间过长时,开冷温度将低至A_r3点以下,发生上贝氏体和下贝氏体相变,导致钢板强度和硬度显著下降。在加热温度970 ℃、保温时间5 min、淬火开冷温度840 ℃的条件下,获得了抗拉强度1226 MPa、布氏硬度385 HB、钢板整板淬火不平度不大于3 mm/m的2 mm淬火态NM400极薄高强钢板,为新型极薄规格板材高平直度淬火工艺的开发奠定基础。
材料研究
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  薄规格耐磨钢的组织一体化调控及腐蚀磨损性能研究

  梁亮, 李成儒, 刘宁, 邓想涛, 汪净, 王昭东

  钢铁研究学报. 2022, 34(12): 1424-1432. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20220266

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  为了保证薄规格耐磨钢的产品质量以及提高其在腐蚀磨损环境下的服役性能,对薄规格耐磨钢进行了组织一体化调控,并对其在不同腐蚀介质中的磨损性能进行了研究。设计了Cr质量分数为0.3%和1%的2种低合金耐磨钢,并借助摩擦磨损试验机、扫描电镜等手段对2种材料在去离子水和NaCl溶液介质中的磨损性能和磨损机制进行了研究。研究结果表明,经过冶炼、连铸到热轧、热处理的一体化调控,薄规格耐磨钢板形良好、组织均匀、性能达标。添加质量分数为1%Cr耐磨钢的耐腐蚀磨损性能比添加0.3%Cr的耐磨钢更好。通过提高Cr含量,耐磨钢在3.5%NaCl溶液中的耐磨性能提高了32%。在去离子水和3.5%NaCl溶液环境中,2种钢的磨损机制均为腐蚀磨损和磨粒磨损。在3.5%NaCl溶液中磨损后,2种材料的腐蚀程度不同,低Cr含量的耐磨钢中产生大量的腐蚀坑和腐蚀产物,恶化了其耐腐蚀磨损性能。
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  稀土La和Ce偏析对α-Fe锌致液态金属脆影响的第一性原理研究

  陈雨莹, 王晨充, 徐伟

  钢铁研究学报. 2022, 34(12): 1433-1438. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20220279

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  基于第一性原理计算研究了稀土元素La和Ce偏析对Zn引入α-FeΣ5(310)[100]晶界稳定的影响及其作用机制。研究发现2种稀土元素均能稳定地偏析到晶界处,且La偏聚晶界比Ce偏聚晶界更稳定,态密度的分析发现偏聚在晶界处的稀土原子与周围的Fe原子成键进而维持稳定性;固溶形成能的计算结果发现稀土偏聚及晶界上的空位形成均提高了Zn在晶界处的固溶形成能,增加了Zn的固溶难度。结合Zn的固溶形成能及固溶后晶界能的计算结果可以发现晶界处偏聚的稀土元素通过抑制Zn向晶界内部渗入来提高晶界稳定性,且Ce-Zn间强烈的成键作用使得Zn渗入后Ce固溶晶界比La固溶晶界更稳定。
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  GCr15轴承钢的动态再结晶行为及变形抗力模型

  黄志远, 杜林秀, 董营, 伏思宇, 陆佳宁

  钢铁研究学报. 2022, 34(12): 1439-1446. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20220162

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  为优化后续热轧工艺,研究GCr15轴承钢在热变形过程中的动态再结晶行为和变形抗力模型。利用热模拟试验机对实验钢进行了单道次等温恒应变速率压缩实验,实验温度范围为750~1050 ℃,应变速率范围为0.01~10 s^-1,真应变为0.7。得到实验钢的真应力-应变曲线,并对其动态再结晶行为进行详细的分析,发现低应变温度的应力-应变曲线的下降现象是在动态再结晶行为与形变诱导型相变行为的共同作用下实现的。结合数据,建立了GCr15轴承钢的本构方程以及变形抗力模型。GCr15轴承钢应变激活能Q为322.1 kJ/mol,应力指数n为5.3922。本构方程与变形抗力模型的拟合度分别达到0.98与0.95。
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  钛微合金化700 MPa级高强耐候钢组织和性能研究

  宋丽英, 王明明, 邢俊芳, 高秀华, 张志新, 吴红艳

  钢铁研究学报. 2022, 34(12): 1447-1456. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20220219

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  采用钛微合金化成分设计和控轧控冷技术研发了700 MPa级高强耐候钢,并对其显微组织、力学性能和腐蚀行为进行了研究。结果表明,“近理想”与“超理想”Ti/C化学配比的2种钛微合金化高强耐候钢屈服强度均大于700 MPa,显微组织为铁素体+少量粒状贝氏体;高强耐候钢中Ti含量能够保证钢中足够有效Ti与C元素生成纳米级析出相,沉淀强化作用显著;在工业大气腐蚀环境下,Ti元素能够与Cr、Ni、Cu元素发生协同作用,在靠近基体侧内锈层富集,其利于锈层表面形成相对致密的团絮状腐蚀产物阻塞裂纹和缺陷,阻止腐蚀液进一步腐蚀铁基体;与碳钢相比,2种高强耐候钢相对腐蚀失重率均小于55%,Ti质量分数为0.22%的耐候钢锈层厚度小于Ti质量分数为0.148%的耐候钢。
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  冷却工艺对DP700热轧双相钢组织及性能的影响

  张志强, 刘洪旭, 李鑫, 贾改风, 柳风林, 周晓光

  钢铁研究学报. 2022, 34(12): 1457-1464. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20220226

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  采用实验室热轧实验研究了二段冷却(空冷+水冷)工艺和三段冷却(水冷+空冷+水冷)工艺对DP700热轧双相钢组织及性能的影响。结果表明,二段冷却时,随着中间温度的降低,铁素体含量增加,屈服强度和抗拉强度都逐渐降低。增大第二阶段冷却速度有利于抗拉强度的提升。当卷取温度为545 ℃时,实验钢的组织为F+B,拉伸曲线中出现屈服平台,当卷取温度低于410 ℃时,实验钢的组织为F+M。与二段冷却相比,三段冷却获得的铁素体含量更多且晶粒更细小,马氏体分布更加均匀,屈强比有较为显著的降低。
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  回火温度对500 MPa级海工钢组织性能的影响

  麻亚鑫, 贾潇, 杨宇龙, 王丙兴

  钢铁研究学报. 2022, 34(12): 1465-1475. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20220253

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  为了研究500 MPa级海洋工程用钢板组织性能的调控工艺,采用离线淬火+回火(RQ-T)工艺研究了回火温度对实验钢的组织及力学性能的影响。结果表明:实验钢经920 ℃淬火+450 ℃回火处理,显微组织主要为回火马氏体,随着回火温度升高至650 ℃,碳化物逐渐聚集并球化。强度指标随着回火温度升高逐渐下降,而伸长率、低温冲击功逐渐升高。在920 ℃淬火+650 ℃回火时,平均屈服强度为550 MPa,-20 ℃低温冲击功平均值为261 J。随着回火温度的升高,位错密度逐渐下降,大角度晶界所占比例升高,有效阻碍裂纹扩展。M-A岛含量有所减少并伴有大量粒状碳化物析出并球化,呈弥散分布基体上。
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  高强高韧特厚齿条钢板工业化生产及应用

  叶其斌, 王庆海, 王红涛, 阚立烨, 田勇, 王昭东

  钢铁研究学报. 2022, 34(12): 1476-1484. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20220232

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  通过电渣重熔-辊式淬火工艺工业化生产了全厚度显微组织和力学性能均匀性优异的210 mm厚齿条钢,钢板全厚度马氏体分布均匀,心部马氏体体积分数为39%,比模铸-浸入式淬火工艺生产的178 mm齿条钢板提高了34%,心部650 ℃回火后的-60 ℃冲击功和600 ℃回火后的屈服强度比178 mm齿条钢板分别提高了150 J(278%)和137 MPa(18%)。电渣重熔-辊式淬火工艺显著提高钢板全厚度奥氏体晶粒均匀性,细化有效晶粒尺寸,降低心部元素偏析,提高齿条钢心部强韧性匹配。该210 mm厚高强高韧齿条钢板通过船级社认证并实现示范性应用。