2023年, 第35卷, 第2期　刊出日期：2023-02-20

  

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综合论述
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  孪生诱发塑性钢力学性能的研究进展

  郑志斌1，龙骏1，王玉辉2，杨浩坤3

  钢铁研究学报. 2023, 35(2): 115-130. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20220049

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  摘要：随着“碳达峰”、“碳中和”的目标提出，汽车、航空、航天、高铁等诸多工业领域对钢铁结构件的安全和可靠性要求越发严苛。因此，钢铁结构材料需要满足高强度、高塑性以及更优异的综合力学性能，例如耐疲劳、耐冲击以及加工硬化能力等方面来进行更深入的研究。进入21世纪，孪生诱发塑性钢，即TWIP钢的研究逐渐展开。该材料具有单相奥氏体结构，其在变形过程中会形成大量的形变孪晶，对晶粒进行分割，表现出动态的HallPetch效应，可极大提高金属材料的加工硬化能力，并具有较高的均匀伸长率和抗拉强度，因而具有潜在的工业应用价值。根据TWIP钢的力学性能特点，系统地介绍了TWIP钢的加工硬化率、应变速率敏感性、变形温度敏感性、疲劳裂纹扩展以及抗冲击性能的研究进展，以期为高强钢开发提供新的思路和理论支持。
冶炼与加工
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  一种煤基直接还原-磁选分离处理含硼铁精矿的工艺

  王续阳，韩通，程功金，薛向欣，杨合

  钢铁研究学报. 2023, 35(2): 131-137. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20220061

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  摘要：中国大部分硼铁矿品位较低，一般是把难选硼铁矿按照普通铁矿的模式进行开发利用，因此造成了硼资源的极大浪费。为实现辽宁某含硼铁精矿中硼、铁的有效分离，采用煤基直接还原—磁选工艺进行硼铁分离试验。通过研究不同添加剂、还原温度、还原时间和n(C)/n(O)对硼铁分离效果的影响。结果表明：在还原反应中引入Na2CO3或CaCO3能够促进还原反应，有利于硼铁分离，但Na2CO3对硼铁分离效果优于CaCO3，其加入Na2CO3条件下的较佳工艺参数如下：还原温度1150℃，还原时间45min，n(C)/n(O)为1.2，其铁回收率为99.82%，渣中硼回收率为79.43%，实现了硼铁的有效分离。该工艺可得到高金属化率的金属铁粉和较高品位的富硼渣，金属铁粉经进一步处理可用于炼钢或者硼钢生产，富硼渣可作为硼的工业优质原料。
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  焦炭高温熔损率与微观结构的演化行为研究

  韩嘉庆1，闫焕敏2，闫立强2，杨庆彬2，李先春1

  钢铁研究学报. 2023, 35(2): 138-147. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20220009

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  摘要：为了研究焦炭的微观组织在高炉软熔带的变化规律，利用高温热重分析仪对焦炭进行了不同温度下固定熔损率的气化实验，采用X射线衍射仪技术、低温氮气吸附法研究分析了微观结构的变化。结果表明，相同反应温度下，层片间距d002均随熔损率的增加逐渐减小，堆积高度Lc、微晶尺寸La、片层数N、芳香碳层的芳环个数n及石墨化度r0均随着熔损率的增加而增加；在较低温度下气化反应与有序化进程对焦炭孔径的作用主要是新增微孔数量以及扩大微孔孔径，而在较高温度下则主要是气孔的相互贯通形成大孔以及孔坍塌；微孔在熔损后扩大为上一级孔，总孔容下降，比表面积下降。
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  CaF2-CaO-Al2O3-MgO电渣渣壳结构及其形成机制

  孟一帆1,2，王震1,2，张蕊1,2，闵义1,2,3，刘承军1,2

  钢铁研究学报. 2023, 35(2): 148-154. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20220043

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  摘要：为进一步明晰电渣渣壳凝固过程，结合H13钢固定式结晶器电渣重熔工艺，通过扫描电镜和能谱分析解析了工业CaF2-CaO-Al2O3-MgO电渣渣壳结构及其形成机制。结果表明，受电渣凝固过程相析出行为和渣壳径向传热行为的共同控制，从外（结晶器侧）到内（电渣锭侧），电渣依次生成激冷层、柱状晶区、细小等轴晶区、粗大等轴晶区和二次凝固区5层结构，其中激冷层由玻璃相和CaF2相组成，柱状晶区、等轴晶区和二次凝固区均由CaF2、CaO·2Al2O3和MgO·Al2O3三相组成；从激冷层到粗大等轴晶区，CaF2相比例降低，MgO·Al2O3相比例升高，从粗大等轴晶区到二次凝固区，二者的变化趋势相反。研究结果对于优化电渣成分和电渣重熔工艺具有指导意义。
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  吹氩板坯倒角结晶器气液两相流动Euler-Lagrange双向耦合模拟

  刘斌1,2，王明林1，张慧1，刘帅1，杨宝1，褚绍阳1

  钢铁研究学报. 2023, 35(2): 155-165. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20220026

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  摘要：为研究断面尺寸为1490mm×230mm的吹氩板坯倒角结晶器内不同拉速对连铸生产过程中气液流动状态的影响，采用Euler-Lagrange方法建立了氩气钢液两相流动双向耦合数学模型，并根据相似原理建立了吹氩板坯倒角结晶器1∶1水模型，通过对比物理模拟与数值模拟气泡分布结果验证了模型的准确性。随着拉速由0.6m/min增大至1.8m/min，上涡心高度下移89mm，下涡心高度下移528mm，氩气泡上浮对流股的抬升作用明显减弱，流场形态逐渐趋近于未吹氩时的板坯典型双环流形态；拉速增大使气泡分布范围扩大，气泡运动轨迹与水平方向的夹角增大；拉速增大能够有效减弱氩气泡在水口附近集中上浮引起的水口周围液位高度升高，同时上环流动能增强使得窄面与倒角面附近液位升高，液位最大高度差相较低拉速时明显下降；拉速增大使倒角面附近的液面流速显著提高，倒角面附近最高流速由拉速0.6m/min时的0.007m/s提高至拉速1.8m/min时的0.057m/s。
材料研究
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  钒对中锰热成形钢性能的影响及其强化机制

  葛锐1，杨睿1,2，刘子奇1，王贞1

  钢铁研究学报. 2023, 35(2): 166-172. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20220003

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  摘要：采用SEM、EBSD、TEM和室温拉伸等分析技术，研究了钒微合金化对中锰热成形钢的性能影响及其强化机制。结果表明，钒微合金化可有效提高中锰热成形钢基于两相临界区加热保温与淬火后材料的强度和延伸性能。900℃热冲压淬火后，含钒钢的抗拉强度达1390MPa、伸长率17.7%，高于无钒钢的抗拉强度1283MPa、伸长率15.2%；950℃热冲压淬火后，含钒钢抗拉强度达1576MPa、伸长率10.8%，亦高于无钒钢抗拉强度的1318MPa、伸长率9.9%。钒合金化通过材料晶粒尺寸细化、碳氮化钒第二析相析出、细化铁素体及改善其在马氏体之间的形态分布的共同作用，有效提高了中锰热成形钢的强度和塑性。
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  E36-T钢高温力学性能与角部横裂纹控制研究

  任承然，周青海，尹延斌，张炯明

  钢铁研究学报. 2023, 35(2): 173-179. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20220006

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  摘要：针对E36-T钢连铸坯角部横裂纹的问题，利用Gleeble-1500热模拟机对E36-T钢进行高温拉伸实验，分析不同温度下的试样在拉伸过程中的真应力真应变，并利用扫描电镜和金相显微镜对不同温度下拉伸试样的断口形貌及组织进行观察。研究发现：E36-T钢在625~850℃温度范围内发生动态回复，875℃时开始发生动态再结晶；第三脆性区为625~850℃，在第三脆性区的断裂方式以沿晶脆性断裂为主。基于此，通过调整二冷水量，采用弱冷降低冷却强度，使得铸坯在矫直段入口处的温度高于850℃，避开脆性区，降低了裂纹发生率。
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  时效对GH4090合金弹簧丝微观结构及力学性能的影响

  高丙爽，张喆，陈旭

  钢铁研究学报. 2023, 35(2): 180-189. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20220024

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  摘要：为制备高强度耐高温的高温合金弹簧，以固溶冷拉的GH4090高温合金弹簧丝为母材，在550～750℃范围内进行了时效处理。研究了时效工艺对GH4090高温合金弹簧丝的微观组织结构的影响，分析了γ′强化相对其纯扭力学性能的影响。结果表明，当时效温度在650℃以下时，随着时效温度的升高，γ′相的含量增加，但尺寸变化不大，室温抗扭强度提升。当时效温度大于650℃时，γ′相明显粗化，体积分数降低，室温抗扭强度逐渐下降。另外，二阶时效处理可以获得更细化和更高体积分数的γ′相、从而表现出更高的抗扭强度与硬度。650℃×8h（50℃/h速率冷却）+550℃×8h (空冷)的二阶时效工艺可以合理有效地调控微观组织结构，使GH4090合金弹簧丝表现出优良的综合力学性能。室温抗扭强度达到1373.4MPa，并且在500℃的测试温度下保持较高抗扭强度。
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  不同杀菌剂对混合菌生物膜杀菌缓蚀剥离效果的影响

  胥聪敏1，陈月清1，朱文胜2，高豪然1，王文渊1，杨兴1

  钢铁研究学报. 2023, 35(2): 190-200. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20220039

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  摘要：采用MPN计数法、腐蚀失重试验、电化学测试、表面分析等方法，研究了不同杀菌剂对碳钢在含SRB+IOB混合菌生物膜中的杀菌缓蚀剥离效果及腐蚀行为规律。结果表明：TTPC（三丁基正十四烷基氯化膦）+D-tyrosine对混合菌生物膜的杀菌缓蚀剥离效果最佳，对混合菌中SRB、IOB的杀菌率分别可达98.5%、85.6%，缓蚀率可达64.24%，其杀菌缓蚀效果优于加入单一杀菌剂1227、THPS（四羟甲基硫酸磷）、TTPC和复配杀菌剂。表面分析结果表明：加入TTPC+D-tyrosine后，碳钢表面的硫化物含量与腐蚀坑数量均显著降低，腐蚀速率明显减缓，生物膜快速分解，说明TTPC+D-tyrosine对混合菌的杀菌缓蚀剥离效果最佳；加入单一1227，生物膜会产生室阻效应，从而降低杀菌效果；加入单一TTPC、THPS后，带正电荷TTPC被带负电荷的细菌吸附到细菌内部，导致细菌变性失活，且TTPC可溶解SRB代谢产生的FeS，而THPS的亲油基团能溶解并损伤细胞表面的脂肪壁，同时抑制微生物生成的硫化物与磷化物，致使腐蚀速率下降，但灭菌效果远不及TTPC+D-tyrosine的。
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  基于机器学习算法的核电用奥氏体不锈钢力学性能预测

  王卓1,2，朱虹2，许斌3,4，宋丹戎3,4，王留兵3,4，张宏亮3,4

  钢铁研究学报. 2023, 35(2): 201-209. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20220052

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  摘要：由于受到严苛的服役环境和中子辐照的影响，核动力装置用奥氏体不锈钢作为结构材料应用时对力学性能要求较高，因此对于奥氏体不锈钢力学性能的预测很值得关注和研究。将机器学习算法应用于材料信息学并对机器学习的方法和原理作了简要说明，重点介绍了基于奥氏体不锈钢力学性能数据库，以奥氏体不锈钢力学性能预测为应用实例建立了机器学习模型和系统平台，最后通过预测值与真实值的对比验证对模型进行了评估。研究结果表明，构建的相关模型可以对奥氏体不锈钢的抗拉强度和屈服强度进行有效预测，R2均在090以上。对现阶段机器学习在性能预测和材料研发领域急需解决的问题进行了探讨，并对其未来的发展方向进行了展望。
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  协同利用提锌二次窑渣和疏浚泥制备陶瓷的工艺优化

  王治飞，李宇

  钢铁研究学报. 2023, 35(2): 210-218. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20220062

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  摘要：针对沿海钢铁产业聚集区冶金粉尘提锌后排放的大量二次窑渣以及港口河道等疏浚过程排出大量疏浚泥难以利用的现状，根据窑渣高铁高钙和疏浚泥高硅高铝的组分特点，协同利用二次窑渣和疏浚泥制备建筑陶瓷，并采用X射线衍射分析、傅里叶变换红外光谱、扫描电子显微镜和电感耦合等离子体质谱仪测定不同组成（窑渣和疏浚泥比例从60∶40 增加到 80∶20）和不同工艺条件制备陶瓷样品的矿物组成、微观结构和重金属浸出浓度等性能。研究结果表明：在最佳烧成条件下（窑渣∶疏浚泥质量比为70∶30，焙烧温度为1180℃，焙烧时间为40min，预热温度为500℃，预热时间为10min）烧制陶瓷的性能优良，其中，抗折强度为85MPa，1h吸水率为0.15%，表观密度为2180kg/m3，陶瓷中Cr、Mn、Ni、Cu、Zn和As等重金属元素的浸出结果满足国家标准要求。该窑渣疏浚泥陶瓷的主要矿物为普通辉石相，其次是赤铁矿，其中辉石相粒径为2~5μm且大量均匀析出，有利于提高其力学性能。陶瓷在致密化过程产生了液相烧结，这使得整体结构致密，吸水率低，有利于对重金属元素的固结。
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  基于回转窑煤基直接还原法的含锌渣尘协同处置

  詹若宁1，郭正启1，朱德庆1，潘建1，杨聪聪1，黄学忠2

  钢铁研究学报. 2023, 35(2): 219-231. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001.0963-20220038

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  摘要：基于中国非焦煤资源丰富及天然气缺乏的国情和迫切发展绿色冶炼的现状，开发了煤基回转窑直接还原法的含锌渣尘协同处置新工艺研究。结果表明：在水分为14%，压力为20MPa，内配无烟煤用量为9%，膨润土用量为1%时，生球块的成球率为83.4%，落下强度为6.00次/（0.5m），抗压强度为32.6N/个，爆裂指数为0.3%；干球块的干燥脱粉率为0.5%，落下强度为19次/（0.5m），抗压强度为131.8N/个。在马弗炉小试中，当还原温度1200℃、还原时间100min、内配煤用量9%、煤矿比2∶1、还原煤选用神府煤时，还原后球块的锌质量分数、铅质量分数和脱锌率、脱铅率分别为0.033%、0.016%和99.5%、90.2%。在回转窑扩大试验中，当还原温度1150℃、还原时间100min、内配煤用量9%、煤矿比1∶1、还原煤选用神府煤，还原后球块的锌质量分数、铅质量分数和脱锌率、脱铅率分别为0.049%、0.004%和99.8%、99.2%。