2023年, 第35卷, 第5期　刊出日期：2023-05-20

  

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综合论述
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  激光粉床增材制造不锈钢中氧化物夹杂调控的研究进展

  刘伟, 刘成松, 丁小明, 张华, 倪红卫

  钢铁研究学报. 2023, 35(5): 489-503. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20220165

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  激光粉床增材制造技术是一个涉及熔池移动、快速非平衡凝固、固态相变的复杂冶金过程,该过程的非均匀快速热-力耦合易导致金属制件出现翘曲变形、裂纹及孔洞、夹杂物、晶粒异常形核与长大等缺陷,这些缺陷会对金属制件的尺寸精度、致密度及力学性能等产生不利影响。激光粉床增材制造金属制件中非金属氧化物夹杂大多为内生夹杂物,产生于金属液脱氧以及极速熔化和凝固过程中的二次氧化,其种类、尺寸、形貌以及分布等物化特性直接影响或决定了金属产品的质量与性能,也是导致金属中产生各类缺陷的重要原因之一。分析了不锈钢材料激光粉床增材制造及后续热处理过程金属中氧化物夹杂的形成和演化及其对金属零件性能的影响性,并对不锈钢金属制件中氧化物夹杂特性的调控研究进展进行了总结,为激光粉床增材制造企业生产工艺优化提供了科学指导和理论依据。
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  金属粉体材料表面改性技术及应用研究进展

  陈睿铎, 崔国栋, 陈大志, 张程菘

  钢铁研究学报. 2023, 35(5): 504-520. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20220147

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  采用表面改性技术对金属粉体材料进行表面处理,可赋予金属粉体材料更多的组分和性能,满足现代制造业对多组分、多功能金属粉体材料的需求。目前针对金属粉体表面改性技术已开展大量的研究工作,然而目前还缺少相关对该领域成果进行较为系统介绍的研究报道。通过收集近年来大量相关文献,依次介绍了镀层技术、机械合金化技术、渗层技术、表面涂覆技术4种典型表面改性技术在金属粉体表面改性处理上的实验研究,重点描述了各类技术对于提升金属粉体材料性能方面的具体应用,分析了4种不同表面改性技术的优缺点。鉴于该技术具有巨大的未来发展潜力,基于不同表面改性技术的特点及当前的研究现状,对加快未来金属粉体表面改性技术发展给出了几点关键思路。
冶炼与加工
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  烧结脱硫脱硝活性炭中毒的原因及控制

  魏瑞瑞, 顾凤年, 卜树烽, 楚天福, 邱淑兴, 丁成义

  钢铁研究学报. 2023, 35(5): 521-531. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20220183

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  活性炭法脱硫脱硝因其净化效率高,不产生二次污染,能够实现多污染物协同处理等优点被广泛应用于烧结烟气处理中,但该工艺运行过程中活性炭容易“中毒”,极易发生安全事故,而目前国内外对活性炭中毒的成因仍鲜有报道。因此,研究烧结脱硫脱硝活性炭的中毒原因及机制有着重要的现实意义。通过对正常状态下和中毒后活性炭微孔中物质的分析,明确了活性炭中毒是由于烧结烟气中携带了大量的KCl和NaCl,粘附于电除尘电场极板和极线表面,三、四电场中极板表面粘附物中的NaCl质量分数分别达到了22%和8%,KCl质量分数分别达到了72%和83%,大幅削弱了电除尘对粉尘的捕集能力,并且超过了电除尘各电场对KCl和NaCl的负载能力,使得大量的KCl和NaCl随烧结烟气进入活性炭微孔中。根据对K、Na、Cl三种元素的来源分析,发现K₂O和Na₂O主要来自于铁矿粉,加入的混合水也贡献了大量的Na元素和少量的K元素;Cl元素则主要来自于加入的混合水,其贡献了71.4%的Cl元素,是原燃料系统提供的Cl元素的2.49倍,尤其是混合水中的焦化循环水。通过将焦化循环水与清水比例从9∶1稀释至1∶1,可以减少进入烧结系统中的Cl总量,有效破坏KCl和NaCl的瞬时大量生成,减轻KCl和NaCl对电场除尘能力的影响,脱硫脱硝入口粉尘浓度从平均225 mg/m³大幅降至平均74 mg/m³,有效地避免了活性炭中毒。
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  水分对富矿粉烧结制粒的影响机制

  郄亚娜, 王相龙, 蒋孟欣, 王建芳, 王延江, 刘然

  钢铁研究学报. 2023, 35(5): 532-540. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20220176

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  富矿粉铁有品位高、杂质少的优点,但粒度较大,制粒效果较差。水分是影响烧结制粒的关键因素,研究了水分对富矿粉烧结制粒过程及料层透气性的影响,并提出了制粒小球破损机制的表征方法。通过对比分析制粒小球的湿强度、干强度和抗脱粉性能,获得了不同混合料水分条件下制粒小球长大模式及破损机制。研究结果表明:随混合料水分含量的增加,混合料制粒效果明显得到改善,颗粒长大指数GI增加,制粒小球粒度增大,粒度大于3 mm占比均明显增多,粒度小于1 mm占比降低,料层透气性也得到改善。不同粒级制粒小球内水的存在状态不同,粒度在3~8 mm制粒小球中液桥主要呈毛细管状分布,颗粒之间粘结力较大,制粒小球呈滚雪球模式长大,粘附层联结紧密,而粒度大于8 mm制粒小球主要以随机或非随机粘合模式长大,水在颗粒间的液桥多以液滴状存在,颗粒间粘结力较弱,易发生破损,因此在水分含量较高时制粒小球干强度KI降低。并通过对比分析运输和干燥过程制粒小球抗脱粉性能B₁和B₂,获得当混合料水分质量分数超过7.5%时,制粒小球破损主要受烧结料层的热气流冲击作用。综合考虑制粒效果和料层的透气性,富矿粉烧结混合料水分质量分数应在7.50%~8.05%之间。
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  炼焦煤热解结焦过程的热扩散率特征

  孙维周, 崔平, 郑明东, 严大炜

  钢铁研究学报. 2023, 35(5): 541-550. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20220157

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  煤的热解结焦过程包含了复杂的物理与化学变化过程,对该过程的研究是探索不同炼焦煤结焦机制以及煤质评价与表征方法的必要途径。通过测量炼焦煤结焦过程中固定区间的温度变化,计算了16种炼焦煤在结焦过程中的有效热扩散率曲线,并对不同结焦阶段的曲线特征进行分析。结果表明,不同种类炼焦煤有效热扩散率曲线的区别主要表现在热塑阶段的“V”特征,以及半焦阶段的热扩散率范围。有效热扩散率曲线热塑阶段的“V”特征与传统的煤热塑性指标具有良好的相关性;半焦阶段有效热扩散率均值(TDMS)主要受该阶段焦炭的多孔体结构致密性(SDI)以及光学组织指数(OTI)的综合影响,SDI越高,OTI越高,则TDMS越低。
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  基于XRD-Rietveld法的烧结矿物相精修方法

  冯奔, 刘征建, 张建良, 王耀祖, 牛乐乐

  钢铁研究学报. 2023, 35(5): 551-559. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20220143

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  基于XRD-Rietveld全谱拟合法,将样品XRD数据进行精修,得到与物相相关的参数,如物相比例、晶体结构等,是目前较为常用的矿相研究手段,对于研究物相之间的作用关系以及形成过程有重要作用。烧结矿中的粘结相如复合铁酸钙,对烧结矿的强度、还原性等冶金性能影响极大,确定这类物相在烧结矿中的占比,能够一定程度上了解烧结矿性能的优劣。但作为烧结矿性能的表征手段之一,烧结矿的精修研究,大多停留在对于前人研究的物相分析的水平,利用已知物相进行精修,使精修结果有失特征性和专一性。通过对比国内外烧结矿精修过程,以及探究精修物相对精修结果的影响,提出优化精修过程,并将精修过程具体化,以物相的选择和精修顺序为重点,针对烧结矿进行专一性精修,使结果更具真实性。同时在一次精修的基础上继续二次精修,通过一次精修确定基本物相比例,根据比例不同改变精修顺序,使晶相含量与实际相吻合。
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  连铸大方坯结晶器喂带过程钢带摆动与变形行为的数值模拟

  张礼浩, 祭程, 朱苗勇

  钢铁研究学报. 2023, 35(5): 560-567. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20220179

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  连铸结晶器喂钢带是一种可以有效改善铸坯中心偏析和疏松缺陷的技术。研究者们大多致力于研究不同喂带工艺参数的影响,然而喂带过程中钢带在结晶器内的摆动及变形行为也是制约喂带工艺工业化应用的关键所在。以钢带的喂入深度为基础,建立了双向流-固耦合模型,研究了喂带过程中钢带受到钢液冲击而存在的摆动行为,发现喂带速度为0.20 m/s时钢带摆动的最大位移为8.71 mm,并在此基础上建立了单向流-热-固耦合模型,研究了喂带过程中钢带受热存在的变形行为,发现喂带速度是影响钢带变形行为的关键,当喂带速度从0.10 m/s增加到0.20 m/s时,钢带变形的最大位移从12.02 mm增加到了42.03 mm。
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  BOF-LF-VD-CC过程35MnB钢中夹杂物的演变分析

  李国胜, 战东平, 方宇荣, 汪灿荣, 蔡常青, 许英华

  钢铁研究学报. 2023, 35(5): 568-577. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20220161

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  夹杂物对高品质特殊钢的服役性能有显著影响,但国内外对冶炼过程35MnB钢中夹杂物的演变行为尚不明晰。通过采用扫描电镜和FactSage热力学计算等方法和手段,对Al粒+SiC扩散脱氧(1号工艺)和SiC扩散脱氧(2号工艺)生产的35MnB钢冶炼过程钢成分、渣成分及钢中夹杂物的演变行为进行研究。结果表明,1号工艺精炼过程会出现钢水增硅,不同扩散脱氧工艺铸坯中的全氧和氮质量分数差别不大,全氧质量分数分别为11.9×10^-6和11.6×10^-6。35MnB钢中主要存在尺寸小于5 μm的氧化物、硫化物或TiN夹杂物。夹杂物种类主要受沉淀脱氧工艺影响,受扩散脱氧工艺影响较小。冶炼过程夹杂物的演变规律为:Al₂O₃(氩站)→CaO-MgO-Al₂O₃(LF精炼)→CaO-MgO-Al₂O₃-CaS(软吹)→CaO-MgO-Al₂O₃-CaS或CaO-Al₂O₃-CaS(铸坯),夹杂物演变规律与热力学计算结果相符。
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  Ca-Mg处理对X80管线钢夹杂物及性能的影响

  宋丽娜

  钢铁研究学报. 2023, 35(5): 578-585. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20230012

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  在工业生产中进行了X80管线钢Ca-Mg复合处理与Ca处理工业试验。分析了Ca-Mg复合处理和Ca处理钢中夹杂物的变化特征,研究了Ca-Mg复合处理对X80管线钢中夹杂物及性能的影响。结果表明:Ca-Mg处理钢中夹杂物主要是Mg-Ca-Al-O系夹杂,Ca处理钢中夹杂物主要是Ca-Al-O系夹杂;Ca-Mg处理钢中粒径小于1 μm的夹杂物数量密度相对较高,大于1 μm的夹杂物较少;Ca-Mg处理钢中存在大量尺寸细小的TiN夹杂物,可以起到细化晶粒、提升焊接热影响区韧性的作用。在100 kJ/cm的焊接线能量下,其焊接热影响区韧性大幅度提高。
材料研究
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  碳含量对中铬合金钢组织与力学性能的影响

  何强, 揭晓华, 郑志斌, 龙骏, 郑开宏

  钢铁研究学报. 2023, 35(5): 586-594. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20220158

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  采用金相观察、扫描电镜及透射电子显微镜分析、硬度测试、室温冲击测试和拉伸测试等研究了碳元素的添加对中铬合金钢组织及力学性能的影响。结果表明,碳含量会明显影响中铬合金钢的基体组织及第二相碳化物等的析出。随着碳含量的增加,经热处理后的合金钢组织中的马氏体逐渐由板条状转变为片状,碳化物不断增加,在中铬合金钢基体中均匀分布,对晶粒变细起到一定的促进作用,残余奥氏体受到铬系碳化物变化的影响,其占比先增加后减少。中铬合金钢试样的硬度随着碳含量的增加整体呈现出先急剧增大后基本稳定,最后又明显增加的变化规律。高碳含量下合金钢的室温冲击吸收功明显降低。研究结果表明通过改变碳元素含量可以实现中铬合金钢力学性能的宽幅调控。
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  不同应变速率下DP980双相钢微观组织特征及变形机制

  徐勇, 段星宇, 曾祥成, 陈帅峰, 张士宏, 陈连生

  钢铁研究学报. 2023, 35(5): 595-604. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20220173

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  为了研究DP980双相钢在不同应变速率下的微观组织特征及变形机制。通过室温准静态拉伸(0.001、0.01和0.1 s^-1)和分离式霍普金森拉杆高应变速率拉伸实验(1 156、2 861和3721 s^-1)进行了力学性能评测。借助OM和SEM对变形断口附近的材料的显微组织微观形貌进行了系统表征和分析。结果表明:DP980双相钢的屈服强度、抗拉强度和断后伸长率随着应变速率的提高而不断提升,表现出明显的塑性和强度的双增现象。不同应变速率下DP980双相钢的断裂方式均为韧性断裂,但在高应变速率下韧窝分布更为均匀,且大尺寸韧窝数量以及韧窝深度均大幅增加。在高应变速率下除了在铁素体和马氏体相界面发生脱粘现象外,马氏体基体内部出现了开裂现象,表明马氏体也参与了较大程度的变形。
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  耐候冷镦钢在模拟海洋大气环境中的腐蚀行为

  陈继林, 冯光宏, 马健, 王宝山, 林鹏, 马洪磊

  钢铁研究学报. 2023, 35(5): 605-613. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20220136

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  采用腐蚀失重法、宏观形貌观察、SEM、XRD、电化学测试对耐候冷镦钢在模拟海洋大气环境中的腐蚀行为进行了研究。结果表明,在模拟海洋大气腐蚀环境下,耐候钢表面锈层随腐蚀时间由浅黄色依次向棕黄色、红棕色转变;锈层截面形貌由薄而疏松且不连续演变为厚而致密且均匀分布;锈层微观形貌显示,表面锈层存在相对平滑、不规则圆形花状结构、闭环的环形巢结构、毛绒状结构等4个演变状态,但致密的毛绒状结构锈层对基体的保护能力明显提高;腐蚀产物主要由Fe₃O₄、γ-FeOOH、α-FeOOH组成,腐蚀初期主要是致密的Fe₃O₄,腐蚀中期开始形成γ-FeOOH,腐蚀后期γ-FeOOH逐渐溶解并还原形成稳定的α-FeOOH,可对基体提供良好的保护作用;电化学分析显示:腐蚀24~72 h,耐候钢的阴极电流密度呈线性增大,且趋于稳定。耐候钢的腐蚀深度损失与腐蚀时间呈幂函数关系;受腐蚀过程不同腐蚀产物的影响,腐蚀速率呈现先增长后下降的变化规律。
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  3种海工钢在人工海水中的腐蚀行为对比研究

  刘宇茜, 麻衡, 刘越, 王力伟, 王玉雪, 崔中雨

  钢铁研究学报. 2023, 35(5): 614-625. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20220411

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  通过电化学测试、失重测试、扫描电镜(SEM)、激光共聚焦显微镜(CLSM)以及X射线分析衍射仪(XRD)研究了S420、S460和FH550三种海工钢在室温人工海水中的腐蚀行为。结果表明,3种钢在人工海水中阳极均表现出伪钝化特性,阴极受氧还原和氢析出反应共同控制。3种钢在300 mV(Ag/AgCl)电位下的阳极电流密度均低于6 mA/cm²,耐腐蚀性较好。失重实验表明,S460钢浸泡过程中的腐蚀速度最低,耐蚀性最好。人工海水浸泡后,3种钢腐蚀产物主要由γ-Fe₂O₃和Fe₃O₄以及α/γ-FeOOH组成,其中S460钢中α-FeOOH含量相对较高,而FH550海工钢的腐蚀产物中γ-FeOOH相对含量高。3种钢浸泡过程中以均匀腐蚀为主,并伴随局部点蚀发生。
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  950 ℃长期热暴露对DD476镍基单晶高温合金组织的影响

  曾强, 陈旭辉, 吴保平, 燕平, 于晓华

  钢铁研究学报. 2023, 35(5): 626-633. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20220110

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  通过螺旋选晶法制备了DD476第4代镍基单晶高温合金试棒。经过完全热处理的样品,在950 ℃下分别保温10、50、100、200、500、1 000、2 000 h后,通过光学显微镜和扫描电镜对合金的枝晶形貌、微孔及γ′相随时间的演化行为进行观察。结果表明,随着热暴露时间的增加,试样中显微孔洞的数量和大小也随之增加,2 000 h后孔洞面积分数(0.62%)约为标准热处理后(0.32%)的2倍;γ′相在热暴露过程中前100 h的变化并不明显,平均尺寸在0.4 μm左右,100 h后尺寸呈指数增长最大至1.67 μm,但是由于Re元素的加入仅出现轻微的筏排化,整体保持立方状。合金经过950 ℃,2 000 h处理后合金组织稳定,未观察到TCP相析出。