2024年, 第36卷, 第5期　刊出日期：2024-05-20

  

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综合论述
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  高炉炼铁智能化发展的研究现状与展望

  刘小杰1，张玉洁1，刘然1，张智峰1，李欣1，陈树军2

  钢铁研究学报. 2024, 36(5): 545-559. https://doi.org/DOI:10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20230226

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  摘要：长期以来，传统的高炉炼铁工艺存在着能源消耗高、污染严重等问题。随着“双碳”目标政策的提出，如何利用智能制造技术实现高炉冶炼高效、环保的可持续发展已经成为高炉工作者的研究重点。从高炉炼铁智能化发展现状作为切入点，详细地从智能预测、模拟仿真、专家系统以及互联网平台几个方面进行了阐述。即以高炉炼铁现场数据为基础，分别探讨高炉运行状态预测和模拟仿真在高炉中的应用，为高炉炼铁智能化控制提供决策支持；建立高炉炼铁工业可视化平台，实现高炉炼铁生产过程的全面监控和管理；最后，综合当前研究现状，结合大数据技术和炼铁工艺，从高炉炼铁数据治理、专家知识库的建立、智能化平台的建立等几个角度进一步展望了高炉炼铁智能化的发展。
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  中国转底炉处理含锌尘泥生产中含碳球团粉化原因解析

  郑锡瀚1,2 ，陈铁军1,2，万军营1,2，李圣辉3，罗之礼4，金路恒1,2

  钢铁研究学报. 2024, 36(5): 560-567. https://doi.org/DOI:10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20230211

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  摘要：转底炉（RHF）工艺是中国处置钢铁行业含锌粉尘的有效方式之一。目前，转底炉处理含锌尘泥生产中存在含碳球团粉化严重的问题，会对生产顺行与产品质量造成不利影响。因此，对原料预处理系统、压球成型系统、干燥系统、转底炉直接还原系统、金属化球团冷却系统等各个工序中含碳球团的粉化现象进行全面考察与解析。解析发现含碳球团粉化包括自然粉化与还原粉化，自然粉化的主要原因是炼钢尘泥中活性氧化钙（f-CaO）的消解不完全与含碳球团在干燥过程中水分表面气化和内部扩散速度的差异；还原粉化的主要原因在于低温（400~600℃）还原过程中含铁物相晶型转变与晶体体积变化。
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  等离子体还原技术在冶金工艺中的应用

  丁成义1,2，薛生1，常仁德1，江枫1，龙红明1,2，余正伟1

  钢铁研究学报. 2024, 36(5): 568-579. https://doi.org/DOI:10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20230203

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  摘要：双碳战略是钢铁行业实现绿色低碳转型的重要路线，针对该路线产生了诸如氢冶金等一系列理论和工艺技术。目前应用于工业还原炼铁新工艺主要有Corex、HIsmelt等，而等离子体冶金作为炼铁新工艺仍处在实验室阶段。主要对低温和高温等离子体还原炼铁国内外研究做相关阐述。低温等离子体还原更具热力学优势，能降低反应所需活化能，而高温等离子体虽能用于还原，但由于温度和速度的限制其还原效率较低。然而低温等离子体还原炼铁机制尚不清晰，针对多元组分反应路径不明等问题是未来的研究方向。针对等离子体在冶金其他方面的应用，介绍了其在炉外精炼和中间包加热中的作用及特点。等离子体技术在冶金行业的应用具有广阔的前景和巨大的潜力，但仍存在部分领域和方向机制不明、应用脱节等问题，未来针对其在低温领域的扩展应用是低碳冶金的重要课题，推动等离子体冶金的理论构建和工业应用是今后冶金工作者的重要挑战和机遇。
冶炼与加工
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  面向智能烧结的机尾断面烧结矿FeO预测研究

  张学锋1，闻亦昕1，熊大林2，龙红明3

  钢铁研究学报. 2024, 36(5): 580-588. https://doi.org/DOI:10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20230196

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  摘要：针对烧结工艺FeO预测准度问题，提出一种基于机器学习的预测模型。通过对机尾断面温度数据的采集和处理，建立包含多个特征的数据集。采用基于MIV(平均影响值)的特征选择方法，筛选出对预测模型权重占比较高的特征。使用Bi-LSTM(双向长短时记忆神经网络)算法对生产工艺数据进行训练和测试，得到高精度的预测模型。通过实验验证了该模型的预测效果，并与其他神经网络模型方法进行了比较，比较结果表明该模型具有较高的预测精度和实用性。在企业误差允许的范围内，准确率达90.2%，因此可以为智能烧结技术的应用和烧结质量的控制和优化提供重要的参考。
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  高磷鲕状赤铁矿气基还原脱磷及磷赋存形态

  杨双平，于成刚，王苗，杨尚琦，何少红，张甜甜

  钢铁研究学报. 2024, 36(5): 589-597. https://doi.org/DOI:10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20230206

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  摘要：中国高磷鲕状赤铁矿的储量十分丰富，但由于其矿物组成复杂、磷含量高等特点而不能直接作为炼铁原料，这使得其利用价值受到了严重限制。因此，以高磷鲕状赤铁矿为研究对象，采用气基还原磁选工艺研究了还原温度、保温时间、碱度以及H2流量4个工艺参数对脱磷效果的影响。通过XRD、SEM等检测手段对还原产物的微观结构及组成进行分析。研究结果表明：随着还原温度、保温时间、碱度以及H2流量的升高，铁品位以及铁回收率逐渐升高，而磷含量则与之相反。通过对比不同条件下各还原产物的显微结构可以发现，还原温度、保温时间以及碱度均能促进铁颗粒聚集长大并与脉石矿物分离，而H2流量对这一现象的改变并不明显。在还原温度1050℃、保温时间90min、碱度1.2、H2流量200mL/min的条件下，各项指标最佳，此时精矿铁品位为77.53%、铁回收率为77.94%，磷的质量分数为0.26%，脱磷率达到71.74%。
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  长水口和稳流器对中间包冲击区流动影响的对比研究

  杨成虎1，张江山1，李权辉1,2，杨树峰1，刘青1

  钢铁研究学报. 2024, 36(5): 598-606. https://doi.org/DOI:10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20230208

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  摘要：冲击区通常是连铸中间包内部湍流强度最大的区域，最易发生卷渣和二次氧化，是设计和优化中间包流场的重点。采用物理和数值模拟相结合的方法对比研究了不同长水口、稳流器及其组合对冲击区流动特征的影响规律。结果表明，所构建的中间包流动模型对比验证结果较好；与直筒型长水口相比，喇叭型长水口较大的内径具有较好的降低流股速度的效应，出口速度降低近一半，冲击区最大湍动能从0.0198m2/s2降低到0.0054m2/s2。稳流器则会增强冲击区主流股区域的湍动能，改变流体运动方向，并通过能量耗散降低流体到达液面的流速。稳流器与喇叭型水口的组合方案可以有效结合长水口的降速效应和稳流器的耗散效应，冲击区液面最大流速降至0.036m/s，死区比例也降低明显。
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  不同布料制度下炉料分布的离散单元模拟研究

  郑华伟1，闫斌2，狄瞻霞2，林巍1

  钢铁研究学报. 2024, 36(5): 607-614. https://doi.org/DOI:10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20230204

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  摘要：布料过程是高炉操作过程中的一个关键环节，影响着炉内煤气分布及其利用。以高炉焦炭和含铁炉料等颗粒物质为研究对象，采用离散单元法，分析了“中心加焦”和“平台+漏斗”2种布料模式下的炉料分布和矿焦质量比。结果表明，2种布料模式下，均形成了中心焦炭料柱，“平台+漏斗”模式下形成的焦柱直径（16m）约为“中心加焦”模式（3m）的一半；“平台+漏斗”布料模式下高炉边缘的矿焦质量比“中心加焦”模式小075~255，既保证了中心气流的发展，也促进了边缘气流的发展，使得煤气利用率较高。软熔带位置的高度变化也会影响矿焦分布，位置升高，高炉边缘矿焦质量比增大，可能使得高炉边缘气流较差，进而影响高炉整体煤气利用率。
材料研究
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  高锰高铝钢高温氧化动力学行为的探索研究

  孟庆勇1，门超奇2，宋明明3，朱航宇3，薛正良3

  钢铁研究学报. 2024, 36(5): 615-626. https://doi.org/DOI:10.13228/j.boyuan.issn1001.0963-20230300

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  摘要：为了初步探明表面粗糙状态及氧化气氛对高锰高铝钢高温氧化动力学的影响规律，利用氧化增重法研究了1000℃和1250℃表面粗糙状态及氧化气氛对高锰高铝钢氧化行为的影响规律。结论如下：1000和1250℃不同表面粗糙状态样品在空气中的氧化过程均遵循抛物线规律。表面粗糙状态在1000℃时对氧化过程影响不大，不同表面状态的样品氧化增重差异不大。而表面粗糙状态在1250℃氧化时间在60min以内表面状态对氧化增重影响仍然不大，各样品的氧化增重差异不大；而氧化时间超过60min后，不同型号砂纸预磨样品氧化增重差异变大，氧化增重比例从大到小的顺序为400目（38μm）>2000目（6.5μm）>抛光>80目（178μm）。气氛中通入氧气时，1000℃氧化过程遵循抛物线规律，1250℃氧化80min内仍遵循抛物线规律，氧化超过80min后氧化增重遵循直线规律。在相同温度下空气和通氧气氛产生的氧化皮物相种类差别不大。不同的氧化温度形成的氧化皮物相组成略有差别，1000℃时氧化皮的主要物相为FeO、(FeO)0.798(MnO)0.202、Mn3O4、MnFe2O4、Fe3O4和Al2O3；1250℃时氧化皮的主要物相为FeO、(FeO)0.798(MnO)0.202、MnFe2O4、FeMn2O4、Fe3Mn3O8和Al2O3。1250℃通氧氧化时Al2O3的含量明显高于空气中的氧化结果。
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  时效处理对超高强度20Mn2Cr汽车钢组织性能的影响

  黄文静1，陈健1,2，裘欣3，丁汉林4，朱国辉1，王子健4

  钢铁研究学报. 2024, 36(5): 627-639. https://doi.org/DOI:10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20230304

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  摘要：研究了时效温度、双级时效处理温度以及碳化物析出对超高强度汽车钢20Mn2Cr冷轧板组织和性能的影响。结果表明，20Mn2Cr钢经过双级时效处理后的硬度远高于单级时效，且在550℃+300℃条件下双级时效时综合力学性能最佳，其抗拉强度、伸长率、强塑积分别为1418.1MPa、10.8 %、15.3GPa·%。SEM观察表明，通过双级时效处理可实现20Mn2Cr钢的多相组织设计与调控，550℃+300℃双级时效处理后，20Mn2Cr钢的基体组织为粒状贝氏体及少量马氏体，且存在大量细小的Cr碳化物析出。这种多相组织是导致20Mn2Cr钢强度显著提升并获得强塑性良好匹配的主要原因。
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  激光熔凝改性Q235钢表面的微观组织和力学性能演变分析

  丁浩川，蓝永庭，解远航，华振虎，张政

  钢铁研究学报. 2024, 36(5): 640-649. https://doi.org/DOI:10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20230337

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  摘要：为研究激光熔凝中激光功率和扫描速度对Q235材料表面的微观结构和宏观力学性能的影响规律，利用仿真软件模拟Q235受到激光照射时的熔池变化过程，并监测其中关键点的温度随时间变化趋势，利用金属材料相图分析计算软件分析Q235在升温和快速降温后所析出的金相组织。采用单因素激光熔凝实验法，对激光扫描后的材料利用金相显微镜观测其金相组织。结果发现，Q235母材的铁素体和珠光体，熔化后完全形成奥氏体，随后经过快速冷却形成贝氏体和马氏体，通过金相分析的结果验证了数值模拟结果的有效性。对微观组织与力学性能演变分析，表明在扫描速度一定的情况下，扫描功率的增加会使材料的强度得到提高，同时在功率为1250W的激光照射下也使伸长率相对于1000W的激光功率下整体有所提高；经过激光处理表面后，整体拉伸强度提高的同时，伸长率下降。研究结果可为改善Q235钢的力学性能提供新工艺。
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  EA4T钢的高温动态软化模型及晶粒演化研究

  张艳1,2，黄光杰1，何杰1，王艳阳2，汪开忠2，王民章2

  钢铁研究学报. 2024, 36(5): 650-659. https://doi.org/DOI:10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20230287

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  摘要：为优化后续热加工工艺，研究EA4T钢的热变形行为及微观组织演变规律。利用热模拟机对EA4T钢进行了单道次等温恒应变速率热压缩实验，变形温度为850～1200℃，应变速率为0.01～10s-1，真应变为0.9。结果表明：EA4T钢在低应变速率下(850～1200℃，0.01、0.1s-1)和高应变速率(950～1200℃，1s-1）、(1050～1200℃，10s-1)条件下变形后发生了动态再结晶。动态再结晶可以通过改变微观组织从而决定钢的力学性能。将参数Z与微观组织演变结合，构建了EA4T钢的高温动态软化模型，可调控EA4T钢在热变形过程中发生动态回复、不完全动态再结晶、动态再结晶和晶粒长大的行为。采用电子背散射技术(EBSD)、透射电子显微测试等材料表征技术，分析了EA4T钢在不同变形条件下的动态再结晶晶粒、马氏体束的宽度和板条宽度的多尺度组织特征，建立了马氏体束宽与动态再结晶晶粒和变形参数Z的关系模型。研究结果可为EA4T钢热加工工艺提供理论指导。
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  回火温度对2300MPa级低合金超高强度钢组织及力学性能的影响

  谢地荣1,2，薛彦均2，尉文超2，时捷2，王毛球2，肖寒1

  钢铁研究学报. 2024, 36(5): 660-668. https://doi.org/DOI:10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20230333

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  摘要：超高强度钢强度的提高有利于实现构件的轻量化。目前广泛应用超高强度钢板的强度普遍不高于2000MPa，针对一种强度为2300MPa级的超高强度钢，通过SEM、TEM和物理化学相分析等方法研究了回火温度对其显微组织及力学性能的影响。结果表明，经140~230℃不同温度回火处理后，实验钢显微组织均为板条马氏体和ε-碳化物，ε-碳化物质量分数随回火温度的升高从0.196%增加至0.718%。随回火温度的升高，实验钢的抗拉强度从2441MPa降低至2169MPa、屈服强度从1720MPa升高至1825MPa、冲击吸收功在19J/cm2上下波动。ε-碳化物的析出提高了析出强化效果，使得实验钢的屈服强度升高，马氏体中固溶碳含量的下降，使得实验钢的抗拉强度下降。
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  结合注意力机制的带钢表面缺陷检测模型

  杨若兰1，刘超1，周佳润2，周同鑫2，邵宸1，郑利佳1

  钢铁研究学报. 2024, 36(5): 669-679. https://doi.org/DOI:10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20230263

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  摘要：带钢的表面缺陷对带钢的质量影响极大。针对由于带钢缺陷存在类间相似且容易受背景干扰，导致检测模型的精度较差的问题，提出了一种基于YOLOv8n的轻量级实时检测模型EDDYOLO (Enhance Defects Detection YOLO)。首先，构造了一个特殊卷积EC Conv(Enhance Coord Conv)，其使用额外的坐标通道更加清晰地感受待检测目标的空间位置信息；其次，将轻量级注意力机制EMA(Efficient MultiScale Attention)嵌入特征融合网络中，使得计算资源高效且合理分配，增强特征融合能力；然后，采用CARAFE（ContentAware ReAssembly of Features Extraction）替代原融合网络的上采样模块；最后，在预测部分使用WIOU改进原损失函数，加速模型收敛。实验数据表明，该模型相较于YOLOv8n，检测精度提高36%，检测速度保持在166fps,并且模型大小、空间复杂度与原模型基本持平，更好地满足了复杂工业场景下带钢缺陷的实时检测要求。