2024年, 第36卷, 第1期　刊出日期：2024-01-20

  

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综合论述
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  中国氢冶金的发展及关键技术研究进展

  佟帅1，艾立群1，洪陆阔1，李亚强2，孙彩娇1，王旭锋1

  钢铁研究学报. 2024, 36(1): 1-12. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20230092

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  摘要： 钢铁工业是高CO2排放产业，在“双碳”目标战略背景下，中国钢铁工业必须走低碳化发展道路。中国钢铁工业的低碳发展方向是：流程结构上提高电炉短流程比例，能源结构上推动“碳冶金”向“氢冶金”转变。当前新型的“以氢代碳”氢冶金技术受到国内外广泛关注。主要综述了国内外氢冶金的发展现状以及主要技术，有富氢还原技术、电氢协同还原技术和纯氢还原技术，并从“碳-电-氢”的三元关系角度审视炼铁能源结构，提出一种“微波氢气”协同还原新方法；探讨了发展氢冶金亟需解决的关键技术问题，主要有低成本制绿氢技术、煤气重整技术和煤气加热技术，其中低成本制绿氢技术和煤气加热技术是发展纯氢还原技术的关键，煤气重整技术则是发展富氢还原技术的关键。最后对未来中国钢铁行业氢冶金的发展做出展望，从远景规划来看，煤制气竖炉还原是中国氢冶金发展的重要方向。
冶炼与加工
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  TiO2对含氯高炉渣黏度和热力学性质的影响

  邢相栋，王宇星，郑建潞，惠佳豪，吕明

  钢铁研究学报. 2024, 36(1): 13-21. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20230063

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  摘要：为了探明TiO2含量变化对含氯高炉渣黏度特性的影响，以CaO-SiO2-Al2O3-MgO-CaCl2-TiO2渣系为研究对象。采用旋转柱体法研究了含氯高炉渣黏度的变化规律，并基于炉渣极值放热量(EHRS)，定量分析了含氯高炉渣的热稳定性。同时，结合傅里叶红外光谱(FTIR)和拉曼光谱(RS)分析结果，揭示了TiO2对含氯高炉渣微观结构演变的影响机制。结果表明：TiO2含量升高，炉渣黏度降低；炉渣热容、焓变呈下降趋势，但EHRS的变化规律与之相反。TiO2质量分数增加至5%，EHRS由13.413kJ升高至15.172kJ，炉渣热稳定性提高。同时，炉渣中简单结构单元Q0和Q1含量升高，复杂结构单元Q2和Q3含量逐渐减少。TiO2破坏了炉渣内部复杂硅酸盐四面体结构，降低了硅酸盐网络的聚合度。
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  基于煤质特性分析的高炉喷吹煤粉性能评价

  王广伟1，吴君毅1，杨玉卓2，吴胜利1，李铄2，李海波1

  钢铁研究学报. 2024, 36(1): 22-32. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20230102

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  摘要：煤质特性是影响高炉喷吹煤粉利用率的重要因素。为优化高炉喷吹燃料结构和降低炼铁成本，对首钢京唐高炉喷吹使用的煤粉的煤质特性进行了深入研究，并提出采用等效灰分替代灰分作为评价不同煤粉高炉喷吹性价比的方法。研究表明：无烟煤具有高固定碳和高发热值，烟煤燃烧性能优异但具有强爆炸性，提质煤与兰炭的各项指标接近无烟煤且价格较低，通过混煤搭配可以实现不同煤粉高炉喷吹的最优效果。焦粉的可磨性和燃烧性较差，焦化除尘灰的燃烧性与焦粉相近，二者作为高炉喷吹燃料使用时会对制粉系统和煤粉利用率产生负面影响。通过CoatsRedfern积分法对不同煤粉的燃烧特性和动力学进行分析，结果表明烟煤的活化能最低，提质煤和兰炭次之，焦粉和焦化除尘灰最高，活化能越低的样品燃烧性越好。等效灰分计算结果表明，烟煤和兰炭灰分中CaO和MgO含量较高，使得等效灰分较低，进行高炉喷吹时可减少渣量，有利于降低燃料比。
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  脉石中SiO2和Al2O3对酸性球团粉末和碱性球团粉末在回转窑中结圈行为的影响

  杨永斌，唐培垚，王林，杨永昇，李骞，姜涛

  钢铁研究学报. 2024, 36(1): 33-43. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20230064

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  摘要：研究了脉石中SiO2和Al2O3含量对回转窑中酸性球团粉末和碱性球团粉末结圈行为的影响。利用压团、焙烧实验模拟回转窑中酸、碱性球团粉末的结圈，通过添加不同比例的SiO2和Al2O3分析纯试剂来模拟原料中脉石成分的变化，对粉末固结物的抗压强度、显微结构进行分析，揭示碱度、SiO2和Al2O3含量对球团粉末结圈行为的影响机制。研究表明：在相同条件下，碱性球团粉末的液相生成量和固结强度远大于酸性球团粉末。酸性球团粉末固结强度随SiO2含量的增加呈现降低的趋势，而碱性球团粉末呈现先降低后升高的趋势；2种球团粉末的固结强度随Al2O3含量的增加均呈现先升高后降低的趋势。因此，在球团生产中，可以通过调整原料结构的方式，适当调整原料中的SiO2和Al2O3的含量，从而有效降低回转窑中的结圈现象。
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  废塑料与高炉喷吹煤混合燃烧行为及其对理论燃烧温度的影响

  徐润生，尉继勇，叶涟，张建良，张楠，滕海鹏

  钢铁研究学报. 2024, 36(1): 44-54. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20230055

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  摘要：高炉喷吹是资源化、高效化处理数量庞大的废弃塑料制品的有效途径，因此系统研究了废塑料和高炉喷吹煤混合喷吹时燃烧行为及其对风口回旋区热状态作用机制。研究结果表明，废塑料高挥发分、无灰分、燃烧性能好的特点是其进行高炉喷吹的优势。高炉喷吹废塑料能提高炉腹煤气量，对理论燃烧温度有一定的降低效果。基于实验研究和理论计算结果，从提高喷吹燃料燃烧强度、效率及稳定高炉理论燃烧温度的角度出发，废塑料替代20%的无烟煤是较为合适的混合喷吹比例。同时高炉喷吹废塑料可以在合理范围内提高煤气量和还原气（H2+CO）比例，促进高炉间接还原发展进而降低焦比，是实现高炉喷吹燃料结构优化和低碳绿色发展的有效路径。
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  高碳耐磨钢大方坯多机架轻重混合连续压下技术

  王海达1，兰鹏2，陈列1，王海杰2，范世强1，艾宏洲2

  钢铁研究学报. 2024, 36(1): 55-65. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20230089

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  摘要：为解决高碳耐磨钢连铸坯中心缩孔和中心偏析缺陷问题，基于国内某厂250mm×280mm大方坯1.2m均等间距7机架拉矫装备的空间和结构特性，提出了通过多辊轻重混合连续压下改善高碳耐磨钢连铸坯中心质量的技术思路；采用有限差分法建立了大方坯凝固传热模型、冷却收缩模型和压下补偿模型，并基于现场数据进行了校正；制定了连铸坯凝固末端轻重混合压下的技术参数，拉速为0.63m/min时1~7号机架的设定压下量分别为2、3、5、5、5、3、0mm，实际总压下量为21.3mm。现场结果表明，本技术实现了250mm×280mm大方坯高碳耐磨钢总压下量20mm以上的安全稳定生产，连铸坯中心缩孔评级不超过0.5、中心偏析指数不超过1.04。
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  浸入式水口对薄板坯结晶器内钢液流动的影响

  李瑜1，孙彦辉1，宋思程1，王超2

  钢铁研究学报. 2024, 36(1): 66-75. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20230103

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  摘要：为适应某钢厂新的生产线，提高其连铸连轧效率，重点探究、揭示了浸入式水口开口个数对薄板坯结晶器内冶金行为的影响规律。研究采用有限元软件ANSYS Fluent，针对高拉速（5m/min）薄板坯漏斗型结晶器在不同水口结构下的流动和传热行为进行三维数值模拟仿真，并分析比较模拟结果，结合液面波动指数F数，择出最优的水口。结果表明：在流场分析中，两孔水口弯月面处的最大流速为0.709m/s，三孔水口和四孔水口最大流速相近，分别为0.575、0.578m/s，两孔水口对自由液面造成的扰动更大；在温度场分析中，两孔水口顶面温度范围整体较高，温度最大值出现在窄壁处；三孔和四孔水口顶面最大温度均1810K以下，且三孔水口高温区域较大，有利于保护渣的熔化。计算F数可得F2为4.09、F3为2.65、F4为2.88。三孔水口F3数值最小（F3<3，说明此水口条件下的波动规律优于常规板坯常规水口的最优数据，最终择出三孔水口为最优水口。
材料研究
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  ESP工艺条件下低碳钢奥氏体动态再结晶数学模型

  周晓光1，王铎1，马鑫1，曹光明1，刘自成2，刘振宇1

  钢铁研究学报. 2024, 36(1): 76-84. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20230099

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  摘要：采用MMS-200热模拟试验机对低碳钢ESP工艺条件下的动态再结晶行为进行了模拟，建立了基于热变形前晶粒尺寸影响的实验钢动态再结晶数学模型。结果表明：1350℃奥氏体化保温300s可以模拟ESP工艺条件下铸坯的初始组织状态，初始奥氏体晶粒尺寸越大，动态再结晶越难发生；动态再结晶激活能随着初始奥氏体晶粒尺寸的增加而增加，初始奥氏体晶粒尺寸对峰值应变和临界应变的关系系数s没有影响；考虑初始奥氏体晶粒尺寸的影响，建立了实验钢动态再结晶激活能模型，峰值应变模型和动态再结晶动力学数学模型。研究结果为ESP工艺条件下开发高品质薄规格低碳钢和完善组织性能预测模型奠定了理论基础。
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  基于WOA-ELM-LSTM的非稳态热轧过程轧制力预测

  丁敬国1，刘方路1，于琨2，李旭1，张殿华1

  钢铁研究学报. 2024, 36(1): 85-94. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20230100

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  摘要：热连轧生产过程中，因换辊、换钢种、换规格等非稳态轧制条件下，轧制力的预测精度降低，导致产品厚度命中率降低、秒流量控制失衡、宽度拉窄等质量问题，究其原因发现，机制模型在非稳态条件下的模型误差存在较大差异，仅通过层别表模型参数切换无法实现精准设定。为解决该问题，首先，构建具有计算速度快和预测精度良好的极限学习机作为浅层神经网络，同时构建具有挖掘工业数据特征能力强的短时记忆网络作为深度神经网络。其次，采用鲸鱼算法对极限学习机参数寻优，构建了基于鲸鱼算法优化极限学习机协同长短时记忆网络（whale algorithm to optimize extreme learning machine cooperative longterm and shortterm memory network, WOA-ELM-LSTM）的热轧轧制力预测模型，然后增加误差值评判机制，利用长短时记忆网络对轧制力偏差值进行训练并结合极限学习机模型轧制力预测值进行二次修正，将该混合模型与支持向量机、经鲸鱼算法优化后的支持向量机（WOA-SVR）、极限学习机、经鲸鱼算法优化后的极限学习机(WOA-ELM)进行模型预测精度对比。对比结果表明，基于WOA-ELM-LSTM的热轧轧制力模型预测精度明显高于其他方法，该模型的R2值为99.34，轧制力预测偏差在±5%以内，在板带材热连轧生产中有着良好的应用前景。
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  回火工艺对BJ890钢组织和力学性能的影响

  杨睿1,2，杨忠民2，刘静1，于勇3，李昭东2，陈颖2

  钢铁研究学报. 2024, 36(1): 95-107. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20230053

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  摘要：以BJ890臂架用无缝钢管为实验对象，利用光学显微镜、扫描电子显微镜，电子背散射衍射、透射电子显微镜、万能试验机以及冲击试验机等测试手段，研究了不同调质工艺对钢的微观组织与力学性能的影响规律。结果表明：随回火温度升高，钢中马氏体组织分解，碳化物析出，强度降低，韧性升高。BJ890钢的最佳调质工艺为920℃淬火+620℃回火。在620℃回火温度下，60min内晶粒尺寸基本不变；120min回火时，晶粒显著增大。随回火时间延长，碳化物析出长大，从“短棒状”逐渐转变为“球形”。同时钢强度降低，冲击韧性升高，但回火60min以上冲击韧性变化不明显。最佳热处理工艺为920℃+14min淬火，620℃+60min回火。钢材抗拉强度为1025MPa，屈服强度为983MPa，伸长率为19.56%，-20℃冲击功为110J，-40℃冲击功为69J，ETT韧脆转变温度为-30.1℃，AFTT韧脆转变温度为-43.4℃。
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  高硅奥氏体不锈钢的热塑性

  胡勇1,2，王力华1,2，欧阳明辉3，胡永淇1，褚成1

  钢铁研究学报. 2024, 36(1): 108-120. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20230042

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  摘要：采用Gleeble-3500热模拟机对不同凝固模式和组织特点的高硅奥氏体不锈钢进行高温拉伸和压缩实验，通过JMatPro软件计算、OM（光学显微镜）、SEM/EDS（扫描电镜/能谱分析）、EPMA（电子探针）等方法研究了高硅奥氏体不锈钢的热塑性变化规律。结果表明：以FA模式（以铁素体为最先析出相）凝固的6.0%（质量分数，余同）Si铸态试样由于析出相及类魏氏体组织的存在热塑性最差；经过1150℃×12h均匀化处理后，6.0%Si试样形成单一奥氏体组织，具有76%的断面收缩率和13%的伸长率，拉伸断口呈现韧性断裂特征，热塑性得到显著改善；当6.0%Si试样经过1200℃×12h均匀化处理后，大量高温δ铁素体会重新析出，热塑性显著下降，断口呈现沿晶断裂特征；结合热压缩实验表明，6.0%Si试样中适量椭圆形高温δ铁素体的存在有利于DRX（动态再结晶）的发生。
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  形变热处理变形量对Fe-25Mn-8Al-5Ni-1.2C钢组织和性能的影响

  张汉驰，王迎春，邱旭扬帆，熊志平，程兴旺

  钢铁研究学报. 2024, 36(1): 121-128. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20230050

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  摘要：采用OM、SEM、TEM等试验方法研究了1050℃固溶与热轧复合的形变热处理不同变形量对450℃时效后Fe-25Mn-8Al-5Ni-1.2C低密度钢微观组织及力学性能的影响。结果表明，试验钢经不同变形量的形变热处理及时效后均为奥氏体单相组织。随着变形量由20%增加到60%，晶粒显著细化，平均晶粒尺寸从75μm降低至14μm；B2相的析出数量增多，尺寸增大；较大尺寸κ碳化物逐渐减少，较小尺寸κ碳化物增多，分布逐渐均匀。与未变形的时效态钢相比，形变热处理后的时效态钢屈服强度提升了45%~72%，这源于细晶强化、位错强化以及析出强化的综合作用。同时，随着变形量的增加，钢的应变硬化能力也得到了提高。
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  NM300热轧耐磨钢的低周疲劳性能

  安会龙1，颜沛霖2，刘需1，宋仁伯2，黄岩2，陈昊天2

  钢铁研究学报. 2024, 36(1): 129-140. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20230128

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  摘要：为了探索商用车先进耐磨部件的服役情况，了解其关键耐磨部件在行驶过程中因颠簸、天气、路况等原因抵抗疲劳失效的能力，以厚度为35mm的热轧TRIP耐磨钢板NM300为研究对象，进行了低周疲劳实验。研究其在不同的应变幅值下的疲劳性能，得到了循环应力响应特征曲线、应力应变迟滞回线。研究了NM300的Masing效应，循环应力与非弹性应变的关系，循环应变与疲劳寿命的关系等，并对不同应变幅值控制下的NM300低周疲劳断裂机制进行了分析。实验结果表明：NM300在较低的应变幅值控制下表现为循环硬化，在较高的应变幅值控制下表现为循环软化，且随着应变幅值增加，NM300的循环响应应力逐渐增加。当应变幅值小于0.37%时，循环寿命可达104次以上；当应变幅值小于0.19%时，循环寿命可达105次以上。NM300的疲劳断口具有典型的疲劳断裂特征，分为3个区域：疲劳源区、裂纹扩展区和瞬断区，且随应变幅增加，裂纹扩展区面积不断减小，表面逐渐粗糙。疲劳断口的断裂形式以沿晶脆性断裂和沿晶韧性断裂为主，根据热轧耐磨钢的服役条件要求可认为其疲劳性能优良。