2025年, 第37卷, 第11期　刊出日期：2025-11-25

  

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综合论述
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  硫和磷对先进钢铁材料焊缝成形与性能影响的研究进展

  钟银坤, 王晓南, 陈文刚, 刘珍光, 李贵芬, 陈可越, 石柏兴

  钢铁研究学报. 2025, 37(11): 1405-1414. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20250131

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  硫(S)和磷(P)作为钢铁材料中的典型有害杂质,其含量对先进钢铁材料焊缝的成形质量与服役性能具有显著影响。在成形方面,S通过改变熔池流动特性和表面张力影响其形状与轮廓;P则主要改变液态金属表面张力,进而影响熔池在母材上的铺展行为与润湿性。在性能方面,S易形成低熔点硫化物夹杂并富集晶界,不仅增加热裂纹敏感性,更严重劣化焊缝金属的韧性与塑性;P则在凝固过程中发生显著的晶界偏析,弱化晶界结合力,成为裂纹萌生与扩展的源头,并显著降低焊接接头的韧性和强度。本文结合当前最新研究,综述了S、P元素对焊缝成形与性能的影响,并总结了当前二者的调控策略。
冶炼与加工
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  钠钙复合对钒钛磁铁矿直接焙烧-浸出提钒的影响

  白路伟, 徐铫峰, 向俊一, 黄青云, 吕学伟

  钢铁研究学报. 2025, 37(11): 1415-1425. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20250090

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  钒钛磁铁矿直接进行钠化提钒可提高全流程过程中钒的回收率,但此操作会导致钠盐添加量过大、高钠尾渣难利用。针对这一问题,本文提出了钠钙复合焙烧提钒新工艺,该工艺通过碳酸钠与碳酸钙的协同作用,可在降低钠盐用量的同时提升钒的回收率。试验结果表明,与传统钠化提钒工艺相比,钠钙复合焙烧体系经水浸后钒的回收率可提升3.29%,达到75.19%;钠盐使用量可由6%(质量分数,余同)降低至4%。与酸浸工艺相比,钒的回收率显著提高25.18%,达到97.08%;碳酸钠(Na₂CO₃)使用量可由6%降低至5%。该技术以廉价易得的碳酸钙(CaCO₃)替代16.6%~33.3%的Na₂CO₃,使尾矿中钠质量分数由2.360%降低至0.032%~1.790%,残钒质量分数由0.240%降低至0.029%~0.211%,表明钠钙复合焙烧工艺在降低生产成本、提升资源利用率及保护环境等方面具有显著优势。
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  基于机器视觉的焦粉粒度识别与应用

  宁候银, 陆伟文, 余正伟, 陈良军, 王光应, 龙红明

  钢铁研究学报. 2025, 37(11): 1426-1436. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20250098

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  焦粉作为烧结生产的主要燃料,其粒度分布对烧结产质量指标和能耗水平影响显著。现行焦粉粒度检测通常采用人工取样-烘干-振动筛分的方式,操作复杂、滞后时间长,不利于对破碎系统和配料系统进行及时调控。虽然图像识别在线检测运动物料粒度的技术发展迅速,但焦粉破碎、配料流程中焦粉粒度细小、环境恶劣,给图像采集与粒度识别带来了严峻考验。设计了一套面向复杂工业环境的图像采集系统,由图像采集箱和多级除尘管道组成,以减少光照、温度和灰尘对图像采集的影响。并针对焦粉颗粒细小的特性,利用改进的神经网络多次优化训练粒度识别模型,识别运料皮带上的表层焦粉粒度分布,再结合机器学习算法构建预测模型,将图像识别得到的表层粒度分布与人工筛分数据相结合,训练生成预测整体焦粉粒度分布的模型,从而提高识别精度。该图像采集和粒度识别系统在国内某钢铁企业焦粉破碎车间投入应用,应用结果表明,该系统对(0,0.5)、[0.5,3)、[3,5)和[5,∞) mm四个区间焦粉粒度分布比例的识别误差均小于3%。
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  基于卷积神经网络和时间序列的烧结终点长期预测

  范晓慧, 庄戴鸿, 周茂军, 向家发, 黄晓贤, 陈许玲, 冯振湘

  钢铁研究学报. 2025, 37(11): 1437-1445. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20250057

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  烧结终点(Burn-through Point, BTP)状态直接影响烧结过程的产量、质量和能耗指标。针对目前BTP的预测在时间跨度和工况适应性方面均存在不足的情况,提出一种结合卷积神经网络(Convolutional Neural Network,CNN)和长短期记忆神经网络(Long Short-term Memory,LSTM)的烧结终点长期预测方法。利用可以通过CNN模块从输入数据中提取跨特征的局部时序模式,结合LSTM的时序动态建模能力,对数据集内部特征的长时间尺度关系建模,形成高效的混合模型,进而在混合料布料点火阶段提前对烧结终点进行预测。试验和应用结果表明,在45 min的预测窗口下该模型的平均绝对误差低于0.4节风箱,在±0.8节风箱内预测准确率达89.2%,为长时间跨度下烧结终点预测提供了实用的解决方案。
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  废弃聚氯乙烯水热碳化工艺参数优化及脱氯路径分析

  张允飞, 马滕龙, 张盟, 湛文龙, 高立华, 张军红, 何志军

  钢铁研究学报. 2025, 37(11): 1446-1455. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20250102

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  高炉喷吹是一种处理废弃塑料的有效方法,但废弃聚氯乙烯(PVC)氯含量高,在高炉喷吹中易结渣,从而造成设备腐蚀,导致该方法不可规模化应用。本文以废弃PVC为主要原料,将水热碳化(HTC)作为脱氯提质手段,研究废弃PVC在不同参数下制备的水热炭的性能。结果表明,当水热温度为250 ℃、pH值为5时,所制备的水热炭性能最优,脱氯效率为88.92%,固定碳质量分数提高至46.32%,高位热值提高至30.92 MJ/kg。为进一步改进工艺,引入废纸与PVC进行共水热碳化试验,发现共水热操作显著提高了脱氯效率,同时改善了水热炭的理化性能。在最佳条件下(水热温度为250 ℃,pH值为5),脱氯效率可达94.12%,与单独进行水热碳化操作相比,脱氯效率提高了5.2%,水热炭的固定碳质量分数增加了13.9%,碳质量分数提升了9.0%,高位热值提高了4.3 MJ·kg^-1,表明共水热碳化操作具有较为明显的协同效应。对扫描电镜结果分析发现,PVC经共水热碳化操作后,改善了孔隙结构,表面生成碳微球。碳微球的出现增加了比表面积和孔隙率,在高炉喷吹中应用可有效提升水热炭与煤粉的反应速率与燃烧效率。通过分析可知,共水热碳化操作可提升脱氯效率是由于废纸水热分解产生的OH^-取代PVC中的Cl^-,同时PVC消除反应生成的H⁺促进了废纸的水解,为废弃PVC的高效脱氯和资源化利用提供了新途径。
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  四流非对称中间包的钢水流动行为控制

  王飞, 王振东, 唐海燕, 贾星宇, 王凯民

  钢铁研究学报. 2025, 37(11): 1456-1466. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20250116

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  多流非对称中间包因其几何结构特殊,易导致各流钢液流动特性差异显著,进而影响铸坯质量的一致性。以国内某钢厂现用四流非对称中间包为研究对象,研究了不同导流隔墙与导流孔设计对中间包流场及温度场的影响。首先通过物理模拟对比了不同方案中间包的流场特征参数,指出现用中间包结构(原方案P)的不足,并据此提出优化方案;进一步通过数值模拟分析了优化方案的温度场分布及夹杂物去除效果。物理模拟结果表明,使用优化后的A4方案后,中间包总体平均停留时间较原方案延长53 s,死区比例从原方案的37%降低到28%。其中,1号水口的滞止时间从9 s延长至33 s,短路流现象得以消除,且各流一致性显著提升。数值模拟结果表明,A4方案的流场与温度场分布更加均匀,各流出水口处温差由原方案的6 ℃降低至1 ℃,且对不同尺寸夹杂物去除率均优于原方案。综上所述,通过中间包结构优化可有效提升其冶金功能,为改善铸坯质量均匀性提供了技术依据。
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  基于连续介质模型的GCr15SiMn钢铸件宏观偏析研究

  赵诗瑶, 朱帆, 傅琪, 张红伟

  钢铁研究学报. 2025, 37(11): 1467-1481. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20250101

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  针对GCr15SiMn钢铸件,采用连续介质宏观传输模型,探究了多组分溶质对流及铸模结构对铸件溶质分布的影响,并分析了圆铸件三维(3D)效应的根源。结果表明:耦合多溶质对热-溶质浮升力及凝固进程的作用,可更准确预测GCr15SiMn钢铸件的偏析,尤其需重点考虑对溶质浮力起主导作用的元素;当铸模锥度从0°增至5°时,铸件的最大溶质偏析比降低了0.576%,推荐铸模锥度取为5°;圆铸件中心纵截面两侧半环形模壁内的热熔体对流与溶质迁移不具有对称性,将3D传输过程进行二维(2D)简化模拟时需充分考虑3D效应。
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  九喷嘴移动射流系统冷却特性研究

  朱守琴, 谢谦, 黄贞益

  钢铁研究学报. 2025, 37(11): 1482-1494. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20250078

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  利用实验室的冷却平台,进行了九喷嘴移动射流冷却试验,研究了九喷嘴移动射流系统的冷却传热特性。通过改变喷嘴移动速度、射流速度、喷嘴间距和偏移距离等参数,分析了冷却过程中的传热和流体流动特性。结果表明,九喷嘴冲击在钢板表面形成了明显的冲击区、干涉区和平流层区;润湿前沿的延伸显著影响了平流层区的传热;降低喷嘴移动速度或增加射流速度可以提高冲击区的冷却效率;同时增加射流速度和移动速度会加速钢板表面的润湿。当喷嘴间距为20 mm时,射流干扰与单束射流独立性之间的平衡使冷却效率最大化。此外,合适的偏移距离(5 mm)提高了传热均匀性,偏移距离过大会降低整体性能。通过试验研究对工业中多喷嘴动态射流冷却系统进行了优化,未来可进一步探索非对称喷嘴布局和瞬态传热模型。
材料研究
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  基于LMFF-YOLOv8的带钢表面缺陷检测方法研究

  邓能辉, 石杰, 李小占, 杨朝霖, 吴昆鹏

  钢铁研究学报. 2025, 37(11): 1495-1507. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20250118

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  在复杂工业环境下,带钢缺陷检测对准确率和效率有着双重高要求,然而现有方法难以同时满足这2方面的需求,为此提出轻量化多级特征融合的缺陷检测网络模型LMFF-YOLOv8以应对该挑战。本文从多个方面对YOLOv8网络进行改进,首先设计C2Faster模块替代原始YOLOv8中的C2f模块,通过优化网络的主干和颈部结构,降低计算复杂度;其次在网络的颈部引入AFPN模块,增强不同尺度特征图的融合效果,同时设计快速选择内核注意力网络模块,进一步提升特征融合速度;最后采用EIoU损失函数替代CIoU损失函数,提高预测框的收敛速度和回归精度,使检测结果更加准确。为验证改进方法的有效性,在NEU-DET和R-DATA数据集上开展对比试验和消融试验。试验结果显示,相较于YOLOv8s,LMFF-YOLOv8在2数据集上平均精度均值分别提升4.4%和3.3%,同时运算速度也得到提高,为复杂工业环境下的带钢缺陷检测提供了一种有效的解决方案。
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  Q-P-T工艺淬火温度对Q&P980钢显微组织及其成形性能的影响

  谢佳璇, 王子纯, 张宇生, 路思浓, 张朋, 张家豪, 田亚强, 李红斌

  钢铁研究学报. 2025, 37(11): 1508-1517. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20250106

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  采用淬火-配分-回火(Q-P-T)工艺,研究冷轧Q&P980钢在不同淬火温度(285、310和335 ℃)下的组织演变规律及力学与成形性能调控机制。结果表明,随着淬火温度升高,马氏体形貌由块状转变为均匀细小的板条状,残余奥氏体体积分数及其碳含量呈先升高后降低趋势,当淬火温度为310 ℃时力学性能最优。淬火温度升高导致扩孔率、塑性应变化(r值)及极限成形曲线呈下降趋势,平面各自异性指数(Δr)值则呈上升趋势。当淬火温度285 ℃时,较多的再结晶{111}织构及大角度晶界减弱了由晶粒取向差异导致的平面各向异性,成形性能最优。淬火温度为335 ℃时,存在较强的α纤维织构,同时γ纤维织构强度降低,共同导致材料成形性能劣化,这表明了成形性能与力学性能虽存在一定的相关性,但是更应关注织构类型及其组织分布对成形性能的影响。
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  中间层对铜/钢扩散焊焊接接头组织和性能的影响

  由明君, 王碧侠, 李雨浓, 韩家浩, 熊江涛

  钢铁研究学报. 2025, 37(11): 1518-1528. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20250187

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  为了研究添加不同中间层对马氏体不锈钢00Cr12Ni10MoTi和新型Cu合金Cu3Cr1.5Nb的扩散连接机制,使用Ni箔、AgCu37.5中间层作为填充材料,在980 ℃、保温90 min和5 MPa压力的条件下,采用真空扩散连接技术将马氏体不锈钢和新型Cu合金进行连接。采用光学显微镜、扫描电子显微镜、X射线衍射仪和万能拉伸试验机,对不同中间层焊接接头的微观组织和力学性能进行了系统的表征。研究结果表明,3组试样都形成了一定程度的界面冶金结合,其中,直接扩散焊的试样焊接界面不连续,接头的抗拉强度为476.36 MPa,断口存在韧窝形貌,呈现韧性断裂特征。添加AgCu37.5中间层的试样接头中,Ag具有向Cu扩散生长的特性,并在钢基体晶界处偏聚,同时在钢基体上出现裂纹缺陷,这是由于钎料能够润湿铺展母材,界面两侧产生Kirkendall空洞,拉伸后在焊缝处断裂,接头的抗拉强度为479.61 MPa,抗拉强度提升了0.7％,断裂行为表现为韧-脆混合模式。添加Ni箔的试样接头与Cu侧、钢侧均产生优异的界面冶金结合,在界面处形成韧性固溶体、Cr₃Ni₂金属间化合物以及Kirkendall空洞,接头的抗拉强度可达491.38 MPa,抗拉强度提升了3.1％,拉伸后在Cu基体处断裂,断口存在明显的韧窝形貌,呈现韧性断裂特征。因此,采用Ni箔中间层扩散连接不锈钢与Cu合金可以实现具有充分的界面冶金结合和优异性能的连接。
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  基于改进YOLOv10的电缆钢索表面缺陷检测方法

  刘青, 焦宇阳, 郑天宇, 田阳, 周景

  钢铁研究学报. 2025, 37(11): 1529-1539. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20250134

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  针对电缆钢索表面缺陷检测中存在的缺陷尺寸微小、缺陷与背景相似度高导致的漏检误检问题,提出一种基于双路径注意力增强与多特征动态融合的电缆钢索检测网络。首先,设计一种双路径并行注意力模块,通过通道注意力与空间注意力并行机制增强对小缺陷的特征表达能力。其次,构建多特征融合模块,引入自学习因子动态加权多尺度特征,抑制背景噪声干扰。最后,提出一种并行空间金字塔池化模块,结合最大池化与全局平均池化路径,以保留关键纹理与上下文信息。在电缆钢索缺陷数据集上的实验结果表明,所提方法在置信度阈值0.5的平均精度均值mAP@0.5、置信度阈值0.5:0.95的平均精度均值mAP@0.5:0.95和F₁分数分别达到94.3%、65.8%和93.7%,优于其他6种主流检测模型。此外,鲁棒性测试显示在亮度变化为±50 cd/m²时,模型性能波动小于2.8%,表明其具有较强的工业适应性。
能源与环保
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  碳氢耦合还原冶金粉尘的锌铁分离行为研究

  刘振浩, 田铁磊, 陈焕龙, 寇鑫林, 张玉柱

  钢铁研究学报. 2025, 37(11): 1540-1549. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20250079

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  为降低碳排放,高效回收冶金粉尘中锌、铁元素,对碳氢气氛下冶金粉尘的反应体系进行热力学分析非常重要。通过高温焙烧试验系统研究了不同工艺参数(如温度与时间)对冶金粉尘金属化率与脱锌率的影响,并借助X射线衍射(XRD)分析方法与电子扫描显微镜-能谱分析仪(SEM-EDS)技术,揭示了温度对物相演变与微观结构的调控机制,进而阐明了碳氢协同作用下的锌铁分离机制。结果表明:含锌物相在碳氢耦合作用下的迁移过程主要分为2个过程,当温度低于锌的沸点(907 ℃),ZnFe₂O₄基本还原为ZnO;当温度高于锌的沸点,ZnO在碳氢的共同作用下,发生ZnO到Zn(g)的物相转变。当还原温度为1 050 ℃、时长为20 min、高炉布袋灰与转炉污泥的碳氧比(C/O)为0.8,且处于H₂∶CO∶CO₂∶N₂=6∶2∶1∶1的还原气氛下,冶金粉尘的金属化率与脱锌率均达到最佳值。此外,由于氢还原含铁氧化物过程中矿相间的膨胀系数不同,导致界面处易产生热应力,从而形成裂缝。随着H₂的不断消耗,渗碳反应加剧,产生更多CO使球核内部蒸气压增大,导致球核破裂,产生大量裂纹。反应的不断进行使裂缝逐渐加深,缝隙的出现促使锌铁氧化物还原反应正向进行。
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  改性高炉瓦斯泥制备Fe基SCR脱硝催化剂及特性研究

  高志芳, 周海成, 苏畅, 高翔鹏, 李明阳, 龙红明, 章进安

  钢铁研究学报. 2025, 37(11): 1550-1559. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20250084

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  冶金固废-高炉瓦斯泥(MBFDS)高附加值利用和降低NO_x排放一直是冶金行业研究的热点和难题。为更好的对MBFDS材料进行利用,对其进行改性,提出制备Fe基选择性催化还原法(SCR)脱硝催化剂的思路。采用酸解-化学共沉淀法改性制备Fe基催化剂,通过X射线衍射(XRD)、比表面积测试(BET)、扫描电子显微镜(SEM)等表征手段确定MBFDS的原料组成及特性,并借助XRD、SEM、BET、X射线光电子能谱(XPS)、NH₃程序升温脱附(NH₃-TPD)、H₂程序升温还原(H₂-TPR)等表征催化剂的低温催化特性。结果表明,改性后的催化剂NO_x脱除率最高点对应的温度由380 ℃降低至280 ℃,脱硝率也由63%提高至96.7%。这是由于改性后的催化剂形成了更多氧空穴,导致其氧化还原能力相应增加,酸解改性也使催化剂抗碱金属中毒能力提高,且其表面化学吸附氧能力增强。此研究结果可为钢铁行业以废治污提供一定理论参考。