2024年, 第36卷, 第9期　刊出日期：2024-09-20

  

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综合论述
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  侵彻战斗部壳体用超高强度钢的研发评述

  汪杨鑫, 胡春东, 董瀚

  钢铁研究学报. 2024, 36(9): 1099-1109. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20240070

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  侵彻战斗部壳体用材料要求高的强度和韧性,有着低成本、优异强韧性的超高强度钢成为侵彻战斗部壳体的首选材料。首先综述了该类材料的典型钢种、成分、性能和发展历程,重点阐述了典型超高强度钢的强韧化机制,探究了其对材料的性能需求。接着介绍了低合金超高强度钢与二次硬化超高强度钢的强韧化机制,“多相、亚稳、多尺度”组织调控,纳米复合沉淀等强韧化方法和机制,分析了该类材料的研发难点。最后探讨了高纯净度、高组织均匀度、多相组织调控和低成本的发展方向。
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  多元成分的融合:软磁高熵合金的结构调控与磁特性研究

  张东, 向若飞, 孙宜华

  钢铁研究学报. 2024, 36(9): 1110-1127. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20240071

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  软磁材料是实现电子元器件上游配套关键产业技术突破的重要能源材料之一。高性能软磁材料的开发和研究对于节能、降耗和“中国制造2025”实施等具有重要意义。高熵合金由于Fe、Co和Ni等磁性元素掺杂具有大的磁特性调节范围,因此高熵合金有望成为性能优异的软磁材料。着重综述了影响高熵合金磁性能的关键因素,强调了高熵软磁合金磁特性对化学成分、制备工艺参数和相结构非常敏感,同时明确了热处理是改善高熵合金微观组织,优化其磁性能的主要手段。此外,基于理论模拟方法从原子尺度阐释了影响高熵软磁合金磁特性的内在机制,进一步厘清了高熵软磁合金磁性与磁畴间的依赖关系。最后凝练了目前部分高熵软磁合金发展存在的科学问题,并简要概括了未来高熵软磁合金发展需要关注的方向。
冶炼与加工
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  水口碗部吹氩下结晶器内气泡分布及钢-渣两相流行为

  曾刘杨, 秦绪锋, 程常桂, 李阳, 金焱

  钢铁研究学报. 2024, 36(9): 1128-1141. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20240030

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  水口吹氩可减缓连铸过程中水口堵塞,但会带来铸坯皮下气泡和钢-渣界面波动加剧风险。基于水口碗部吹氩工艺,通过耦合DPM离散相模型和VOF多相流模型,建立三维中间包-水口-结晶器数学模型,并通过1∶2比例水模型对数值模拟计算得到的气泡羽流形貌和气泡尺寸分布进行验证。研究了吹氩量、拉坯速度和水口浸入深度等工艺参数对结晶器内钢液流动、不同区域气泡尺寸分布和钢-渣界面波动的影响。结果表明:低吹氩量下,出侧孔钢液形成冲击窄面的下部流股和冲击钢-渣界面的上部流股,大尺寸气泡分布于1/2和1/4宽面的水口临近区域;增大吹氩量,流股在窄面冲击点位置上移,水口临近区域出现渣眼并逐渐增大,1/2宽面大尺寸气泡数目先增大后减小,近壁面处小尺寸气泡数目大幅增加;低拉速下,结晶器内钢液流动呈单环流模式,气泡集中分布于水口临近区域并形成较大面积渣眼;增大拉速有利于气泡在结晶器内均匀分布,水口附近渣眼面积减小,但近窄面区域小气泡数目增多;低水口浸入深度,气泡易从水口临近区域上浮,增大水口浸入深度有利于降低近壁面处小气泡数目。
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  钒钛铁精矿润湿程度对高压辊磨机械活化的影响

  范晓慧, 李诗娴, 甘敏, 吕浩, 文小平, 谢路奔

  钢铁研究学报. 2024, 36(9): 1142-1151. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20240026

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  高压辊磨预处理可改善球团矿质量,然而其机械活化效果受许多参数影响。研究了不同给料水分下高压辊磨对钒钛铁精矿性质、成球与焙烧性能的影响,确定了钒钛铁精矿高压辊磨机械活化的适宜润湿程度。结果表明:当给料水分质量分数由5.5%提高至8.5%,高压辊磨后钒钛铁精矿粒径先减小后趋于稳定,比表面积增大,亲水性和成球性增强。但给料水分含量的增加不利于含铁矿物与脉石之间的解离,钛磁铁矿解离度降低。当给料水分质量分数为6.5%~7.5%时,高压辊磨机械活化作用最强,此时钛磁铁矿晶粒尺寸最小,晶格畸变率最大,并且制备的钒钛铁精矿球团质量指标最优。适宜的钒钛铁精矿高压辊磨给料水分质量分数为6.5%~7.5%。相对应地,在高压辊磨前需将钒钛铁精矿润湿至毛细水质量分数为4.4%~5.4%。
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  某进口赤-褐铁矿磨矿特性及其氧化球团制备行为

  杨聪聪, 曲士娟, 梁海源, 朱德庆, 潘建, 郭正启

  钢铁研究学报. 2024, 36(9): 1152-1162. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20240009

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  利用价格相对低廉、资源丰富的赤-褐铁矿对于扩大球团原料来源、促进钢铁工业绿色转型具有重要的现实意义。针对某进口赤-褐铁矿(AM),研究了其湿式磨矿-沉降-过滤特性,同时对模拟链篦机-回转窑工艺条件下的球团焙烧行为、冶金性能和球团矿相特征进行了实验室实验和现场工业试验,揭示了配加AM对原料预处理和球团生产的影响规律。结果表明:AM属易磨矿石,由于含有褐铁矿,导致湿式磨矿后较难沉降、难过滤,实际生产中可通过与硬质铁矿搭配使用以改善沉降和过滤性能;当AM的磨矿细度(粒度小于0.074 mm质量分数)控制在70%~80%、混合精矿比表面积为1 500 cm²/g时,AM配比(质量分数)在0~40%范围内均可制备出抗压强度高于2 500 N/个、RI＞60%,RDI_+3.15＞97%,RSI＜20%的成品球团;但随着AM配比由0增加到40%,球团预热和焙烧温度需分别提高50 ℃。现场工业试验进一步验证了实验室结果,在链篦机-回转窑球团工艺热工制度基本稳定的条件下,AM配比宜控制在17%以内可获得良好的技术经济指标,继续提高AM配比则工序能耗将趋于增加。
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  原料配比对铁焦冶金性能和微观结构的影响机制

  郝秋月, 王炜, 王杰, 鲍俊芳, 段临风, 李佳

  钢铁研究学报. 2024, 36(9): 1163-1173. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20240008

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  铁焦是高炉实现低碳炼铁的主要潜在技术之一。分析了不同原料配比下铁焦的抗拉强度、机械强度和热性能的演化特性。同时,结合光学显微镜、SEM-EDS、BET和XRD等表征手段分析了原料配比对铁焦显微组织、孔结构和碳结构的影响机制。研究结果表明,铁焦中较低的孔隙率和更均匀的孔隙结构有助于提高其抗拉强度。当铁矿粉质量分数超过10%后,铁焦机械强度显著降低。综合考虑铁焦的机械强度和热性能,铁矿粉的添加量(质量分数)不宜超过15%。通过调整1/3焦煤添加量来优化铁焦的冶金性能,当添加量(质量分数)在20%~22%时,铁焦机械强度达到了二级焦的等级。铁焦反应性随着1/3焦煤含量的增加呈现先降后升的趋势,其深层原因是碳结构与微孔结构的变化。
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  烧结过程温度场数值模拟及烧结终点参数影响

  杨双平, 张益玮, 刘起航, 王苗, 池延斌, 董洁

  钢铁研究学报. 2024, 36(9): 1174-1182. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20230293

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  烧结是整个钢铁工业生产中一个不可缺少的环节,烧结过程中参数的变化会直接影响烧结矿的质量和产量。以某钢厂150 m²烧结机为研究对象,用Fluent仿真模拟软件对烧结工艺参数进行模拟,通过建立合适的物理数学模型,依据现场实际数据来模拟料层内温度场变化的规律,并采用单因素分析法,研究配碳量、孔隙率、料层厚度及抽风负压等参数对达到烧结终点所需时间的影响,确定了最佳工艺参数。研究结果表明:增加配碳量,达到烧结终点所需时间变短,在配碳量(质量分数)为4.23%时烧结终点位置最佳;增加料层孔隙率,达到烧结终点所需时间变短,当孔隙率为0.49左右时,烧结终点位置最佳;增加料层厚度,达到烧结终点所需时间延长,当料层厚度达到734.13 mm时,垂直烧结速度达到最大为0.321 mm/s;提高抽风负压,达到烧结终点所需时间会缩短,当抽风负压达到15 kPa时,垂直烧结速度最佳。在优化后的工艺参数下烧结矿的质量和产量得到了提高。
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  碱度对球团矿抗压强度及矿物组成的影响

  范建军, 郭宇峰, 王帅, 陈凤, 李昊堃, 王磊

  钢铁研究学报. 2024, 36(9): 1183-1193. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20240042

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  对自然碱度及碱度0.3~1.2球团矿进行了管式炉焙烧试验,对比了温度及碱度对球团矿抗压强度的影响,并应用SEM-EDS,对自然碱度、碱度0.4、0.6、0.8、1.0的球团矿进行了矿相分析。采用FactSage软件对Fe₂O₃-SiO₂-CaO体系可能的生成物进行了计算,并结合相图,对上述试验结果进行了分析验证。结果表明,对于碱度0.3~1.2的球团,随着碱度的升高,其抗压强度呈明显的升高趋势,低碱度球团矿焙烧时首先生成的是少量含钙硅酸盐矿物,然后随着碱度的升高,焙烧时进一步生成硅酸钙类矿物及铁酸钙系矿物。
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  打印机废碳粉与煤粉混合燃烧性能及动力学分析

  付洋洋, 高艳宏, 高子威, 左俊芳, 邓超

  钢铁研究学报. 2024, 36(9): 1194-1202. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20240017

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  随着国家“双碳”目标的持续推进,发展钢铁工业新兴技术的同时,燃料多元化、资源高效化也是实现节能减排的必由之路。为挖掘打印机废碳粉在钢铁行业中的潜在应用,探究其运用于高炉喷吹工艺的可行性,通过热重分析废碳粉和高炉喷吹煤粉及其不同比例的混合燃料研究了其燃烧行为、燃烧性能、协同效应参数及动力学参数,探明燃料燃烧机制,为高炉喷吹新型燃料提供理论基础。结果表明:废碳粉有较好的燃烧性能,其综合燃烧特性指数、燃烧稳定性、可燃性指数均优于煤粉,可以作为高炉喷吹辅助燃料替代部分煤粉。当废碳粉掺混比例为10%时,混合燃料燃烧性能最佳,综合燃烧性能指数、燃烧稳定性、可燃性指数分别为21.97×10^-10 (min^-2·K^-3)、23.33×10^-6 (min^-1·K^-2)、25.16×10^-6 (min^-1·K^-2);通过废碳粉灰分成分分析,发现废碳粉灰分中Fe₃O₄质量分数高达84.99%;通过废碳粉与煤粉的协同效应分析,发现废碳粉与煤粉共混可以促进燃烧,且协同效应参数F都在0.80≤F≤1.15的范围内;通过动力学分析发现混合燃料燃烧所需活化能比单一燃料低,并随废碳粉比例增加总体呈下降趋势。
材料研究
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  高强高塑马氏体汽车钢的快速回火调控

  罗葆钦, 赵立佳, 张峰, 马文斌, 乔文玮, 王强

  钢铁研究学报. 2024, 36(9): 1203-1211. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20240062

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  在追求汽车工业中使用的马氏体钢的高强度与高塑性的平衡时,研究提出了一种新的快速回火工艺。通过对新设计的中碳马氏体汽车钢进行快速回火处理,并与传统回火工艺进行对比,探讨了该工艺对钢材组织和性能的影响。研究采用了电子万能试验机、数字图像相关法、X射线衍射、电子背散射衍射和场发射扫描电子显微镜等先进技术,揭示了快速回火工艺通过维持高位错密度和细化析出碳化物来保持马氏体的高强度。实验结果显示,该工艺在不牺牲塑性的前提下,成功提高了材料的抗拉强度和屈服强度,在400 ℃快速回火时分别达到1 616和1 466 MPa,比传统工艺分别提高了10.2%和12.5%,同时保持了超过10%的伸长率。当回火温度为300 ℃时,马氏体汽车钢在保持高伸长率的同时,抗拉强度接近2 000 MPa。这一发现不仅为高强度马氏体汽车钢的制备提供了新思路,也为未来汽车工业的材料选择提供了重要参考。
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  新型超级奥氏体不锈钢析出行为与力学性能

  胡华烁, 张树才, 禹江涛, 左鹏, 覃章冶, 李花兵

  钢铁研究学报. 2024, 36(9): 1212-1220. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20240047

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  随着Ni、Mo等价格飙升,开发节约Ni、Mo型高性能不锈钢势在必行。研究基于S32654的成分,利用加压冶金和合金设计手段开发了24.5%Cr-17%Ni-5%Mn-6.3%Mo-0.7%N新型超级奥氏体不锈钢,研究了该钢的析出行为和力学性能。结果表明,在800~1 050 ℃随时效温度升高,由Cr₂N和σ组成的胞状相先增多后减少,900 ℃为鼻尖温度。固溶试样(1 200 ℃-30 min)极限拉伸强度(UTS)、屈服强度(YS)和伸长率分别为958 MPa、517 MPa和77.4%。在900 ℃随时效时间延长,胞状相充分形核生长,促进晶间开裂,导致钢UTS和伸长率降低(时效120 min两者分别为797 MPa和13%),YS先降后升。时效5 min,晶界析出消耗Cr、Mo、N等强化元素,导致YS降至492 MPa。在30 min及更长时间时效后,胞状相增多、长大,析出强化作用增强,导致YS提高(时效120 min为535 MPa)。
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  Mn含量对低镍双相不锈钢显微组织及力学性能的影响

  杨宇恒, 何建国, 宋志刚, 丰涵, 吕杰晟, 侯宏英

  钢铁研究学报. 2024, 36(9): 1221-1231. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20240063

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  采用微观组织表征、力学性能测试等试验研究了Mn含量及固溶温度对17Cr-2Ni-0.2N-xMn型双相不锈钢组织演变及力学性能的影响。结果表明,Mn、Ni、N三种奥氏体形成元素中,Mn对奥氏体-铁素体两相平衡温度影响最小,但对奥氏体稳定性的影响显著,Mn含量的增加减少了淬火马氏体的含量,同时抑制变形过程中形变诱导马氏体相变的发生,提高了材料的塑韧性,当Mn质量分数为3%时可以达到35.5%伸长率、944 MPa抗拉强度、139 J室温KV₂冲击功的力学性能组合;通过合理的合金元素配比,17Cr型双相不锈钢经高温固溶后获得了近等轴的两相混合组织;研究的17Cr型双相不锈钢综合力学性能优异,固溶态最高抗拉强度超过1 200 MPa,最大断后伸长率大于50%,室温冲击韧性204 J,-10 ℃低温冲击韧性99 J。
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  M50轴承钢温度时间相关高周疲劳损伤寿命模型的研究

  李志斌, 杨卯生, 曹建春, 梁剑雄

  钢铁研究学报. 2024, 36(9): 1232-1244. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20240044

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  通过QBWP-10000悬臂旋转弯曲疲劳试验机测得25、200、315 ℃的疲劳极限及S-N曲线,通过万能试验机测试了不同温度下慢速、稳定和快速裂纹扩展速率曲线。基于M50轴承钢疲劳裂纹主要源于钢中碳化物,结合弹性模量、泊松比等参数随温度变化规律与碳化物界面循环应力作用所引起硬化效应建立了与温度时间相关的局部损伤寿命模型。研究表明:M50轴承钢碳化物等疲劳缺陷应力强度因子是疲劳损伤量;温度升高缩短了裂纹萌生时间并加速裂纹扩展速率进而降低了M50轴承钢疲劳极限强度;主要影响萌生寿命的是循环次数、温度、疲劳缺陷及所施加循环应力引起的碳化物界面的局部硬化。