2025年, 第37卷, 第10期　刊出日期：2025-10-25

  

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综合论述
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  复合铁焦热解行为及炭化固结机制的研究进展

  鲍继伟, 储满生, 邓勇, 王钰琪, 田晨, 李浩玉, 王嘉城

  钢铁研究学报. 2025, 37(10): 1257-1272. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20250053

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  复合铁焦作为一种新型低碳炼铁原料,具备良好的反应性能。高炉(BF)使用适量复合铁焦可以提高煤气利用率,强化节能减排。复合铁焦需要具备高强度和高反应性,才能满足铁焦生产转运、低碳高炉冶炼的要求。炭化处理是复合铁焦转变为焦炭的关键过程,对铁焦的强度、反应性等冶金特性影响巨大。复合铁焦的热解行为及炭化固结机制的研究对铁焦冶金性能的优化至关重要。综述了复合铁焦热解炭化行为及炭化固结机制的相关研究进展,具体分析总结了目前的研究成果、需要深化研究的内容及铁焦炭化固结理论研究的展望,一定程度上总结了铁焦热解行为和炭化固结机制的关键理论基础,这将从理论上明晰铁焦的炭化成焦过程,有助于促进复合铁焦炭化工艺技术路径优化,推动复合铁焦制备及其高炉冶炼技术的进步。
冶炼与加工
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  基于特征选择与JITL-Optuna-KPLS的烧结矿成品率预测

  陈许玲, 张羽军, 黄晓贤, 冯振湘, 彭梓塘, 范晓慧

  钢铁研究学报. 2025, 37(10): 1273-1280. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20240337

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  烧结矿成品率是烧结生产的重要技术经济指标,对其进行预测可以为生产操作提供重要参考。针对烧结过程高维度、时变性和非线性等特点,提出了一种基于特征选择与JITL-Optuna-KPLS的烧结矿成品率预测模型。首先利用工艺知识和递归特征消除法进行特征选择,得到最佳烧结矿成品率预测特征子集;然后提出一种采用复合相似性度量的即时学习方法,从历史数据样本中抽取小规模预测样本,使用Optuna算法优化超参数后的核偏最小二乘方法建立局部模型,实现对烧结矿成品率的预测。试验结果表明:所提出模型烧结矿成品率预测的均方误差为0.18,决定系数为0.98,平均相对误差为0.13%,能够满足实际生产的预测精度要求。
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  氧气高炉循环煤气脱碳率对冶炼过程的影响

  黄旭, 张建良, 徐润生, 张开钧, 王艳民, 朱进锋, 叶涟, 喻杨

  钢铁研究学报. 2025, 37(10): 1281-1289. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20250063

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  为研究循环煤气脱碳率对冶炼过程影响规律,基于煤气循环氧气高炉工艺建立了数学模型,分析了循环煤气100%、98%、96%、94%、92%、90%等不同脱碳率对理论燃烧温度、焦比、直接还原度、煤气分布及碳排放的变化规律。结果表明,脱碳率每降低1%,理论燃烧温度升高约14~15 ℃,焦比升高约1.46 kg/t,直接还原度也随之升高;炉缸煤气量升高约2.47 m³/t,炉腹与刚进入炉身煤气量升高约2.60 m³/t,炉顶煤气量升高约0.18 m³/t。随着脱碳率降低,碳排放量逐渐升高。脱碳率每降低1%,碳排放总量升高约1.01 m³/t。高炉内部区域耗碳量包括吨铁入炉总碳量、直接还原耗碳、脱硫耗碳、熔损反应耗碳量都呈增加趋势,风口前燃烧碳量呈减少趋势,铁水渗碳量维持不变。
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  高炉炉缸铁水渗碳的数值模拟

  张成博, 张丹丹, 宋延成, 纪玉忠, 邵磊, 邹宗树

  钢铁研究学报. 2025, 37(10): 1290-1298. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20250073

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  高炉炉缸内的铁水与浸泡在其中的死料柱焦炭发生渗碳反应,对铁水碳含量具有重要影响。明确死料柱空隙度不均匀分布对炉缸铁水流动和渗碳特性的影响,对研究炉缸内衬不均匀侵蚀和铁水碳含量波动具有重要意义。采用计算流体动力学(CFD)数值仿真技术,建立了炉缸铁水渗碳模型,研究了不同死料柱中心区域和外围区域空隙度比(0.4、0.5、0.6、0.7)条件下的炉缸铁水流动和渗碳行为。结果表明,不同死料柱空隙度比条件下炉缸外围区域的铁水流速和碳含量差异较大,铁水碳含量随着死料柱空隙度比的减小而减小,加剧铁水对侧壁区域内衬炭砖溶解侵蚀。当死料柱空隙度比为0.4、0.5、0.6和0.7时,出铁口处的铁水碳质量分数分别为4.15%、4.23%、4.32%和4.43%。
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  KR铁水脱硫能效特性与搅拌参数优化研究

  马苏炜, 李强

  钢铁研究学报. 2025, 37(10): 1299-1309. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20250089

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  面向钢铁企业实现铁水脱硫的降本增效的需求,优化KR(Kanbara Reactor)铁水预处理的能效特性具有重要价值。基于水模和数模,调查了KR脱硫过程多相流动行为,探究了KR搅拌过程熔渣分散动力学行为及能耗能效特性,提出了搅拌功率密度和脱硫能效指数以评价KR铁水脱硫能耗特性及能效指标。重点考察了搅拌桨型、转速、浸入深度以及脱硫剂密度对功率密度和脱硫效率指数的影响,辨明了机械搅拌能量消耗和脱硫能效特性。研究结果表明,增加搅拌桨纵横比、转速均会导致搅拌能耗的增加,而浸入深度和脱硫剂密度的影响较小。能效指数与转速关系密切,表现出先增加后降低,在60 r/min时取得较优能效。增加搅拌桨纵横比会导致KR脱硫能效指数持续降低,说明通过增加搅拌桨纵横比提高KR脱硫性能是以消耗更多搅拌能量为代价而实现的。随着浸入深度的增加,脱硫剂的能效指数先增加后减小,在浸入深度为1 815 mm时达到了最佳脱硫效率。增加脱硫剂密度能够促进脱硫剂分散,提高脱硫效率。
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  精炼渣碱度和Al₂O₃含量对中高锰钢精炼的影响

  朱庆童, 定巍, 李岩

  钢铁研究学报. 2025, 37(10): 1310-1321. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20250068

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  中高锰钢因高强度-塑性协同效应及轻量化特性成为汽车钢的优选材料,但其在工业化冶炼方面面临严峻挑战,即精炼过程中熔渣SiO₂与钢液中Mn的氧化还原反应显著,导致[Si]、(MnO)等成分控制失效。为解决该难题,基于FactSage热力学软件,构建CaO-SiO₂-Al₂O₃-MgO四元渣系和Fe-xMn(x分别为5%、10%、20%、30%)体系的热力学平衡模型。在温度为1 600 ℃、钢渣比为10∶1条件下,系统探究碱度(R=CaO/SiO₂=1~6)和Al₂O₃含量(w(Al₂O₃),质量分数为20%~50%)对渣-金反应的交互作用机制。重点分析渣中SiO₂活度(a_SiO2)、MnO含量和脱硫效率等关键参数,阐明精炼渣组分对渣-金反应的调控规律,提出渣系优化设计方案。结果表明,提高碱度可显著降低SiO₂活度,抑制反应(2[Mn]+(SiO₂)=[Si]+2(MnO))的进行,使渣中MnO质量分数从R=1时的19.7%下降到R=6时的2.3%,为保持精炼渣组分稳定性,应该尽量控制碱度大于4。Al₂O₃呈现显著的两相性行为,当Al₂O₃呈酸性时,其酸性特征会削弱有效碱度,导致SiO₂活度升高,MnO含量激增。协同调控碱度和Al₂O₃含量才可将MnO控制在最低值。精炼渣(R=6,w(Al₂O₃)=30%)与30Mn钢反应后,MnO质量分数(w(MnO))为2.1%。对于0.03S钢,当精炼渣R=5~6、Al₂O₃质量分数为27%~30%时,脱硫效率最优,但需要控制w(MnO)≤2%,以避免该含量升高恶化脱硫效果。在满足MnO含量控制和最佳脱硫效率的情况下,优化后的最佳渣系适用于冶炼w(Mn)≤28%的中高锰钢。
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  连铸板坯凝固过程粒子捕获规则探讨:以夹杂物为例

  张迪, 魏子健, 王治灏, 王旭东, 姚曼

  钢铁研究学报. 2025, 37(10): 1322-1333. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20250070

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  非金属夹杂物的尺寸、分布等均会影响铸坯质量,因此准确地预测其在凝固前沿的捕获十分重要。研究建立了板坯连铸全流程夹杂物预测模型,模拟计算了夹杂物的运动、移除与被坯壳捕获过程。在总结前人提出的捕获规则基础上,考虑部分夹杂物进入凝固前沿后会脱离枝晶阻碍而后回流到钢液中这一动态行为,提出一种融合了凝固前沿的钢液速度分布、夹杂物在凝固前沿的停留时间、速度方向和坯壳生长速度4项判据的夹杂物捕获改进规则。对比改进规则和当前接受度较高的规则的计算结果可知,两者捕获分布均呈“W”形中空带状结构;在改进规则下,结晶器内夹杂物捕获数量在铸坯内总捕获数量的占比由87.53%降低至79.48%,这是由于考虑了夹杂物在凝固前沿的停留时间与弯月面下方0~0.4 m内钢液的高速流动;在距离铸坯窄面表面和宽面表面3~5 mm处均有明显的夹杂物聚集带,与工厂实际观测相符。改进的夹杂物捕获规则和数值计算模型准确地再现了实际连铸坯的夹杂物聚集现象,在准确预测连铸坯夹杂物分布方面有正向推进作用。
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  双辊薄带连铸熔池内钢液流动及温度分布优化研究

  冯孔方, 李化龙, 王波

  钢铁研究学报. 2025, 37(10): 1334-1344. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20250088

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  双辊薄带连铸技术是近终形连铸技术的重要发展方向之一。在双辊薄带连铸过程中,布流系统结构和工艺参数影响着熔池中钢液的流动和传热行为。采用ProCAST有限元软件研究了布流系统结构和工艺参数对双辊薄带连铸熔池中低碳钢流动和传热的影响。研究结果表明,熔池中侧封权附近钢液温度过低会严重影响薄带产品质量。在布流系统中增加侧孔结构可以提高熔池中侧封板附近钢液的温度,增大该区域钢液的流速。对于改进后的布流系统结构,侧孔倾斜角度为40°时,采用案例1(侧孔入口速度:4.82 m/s,其余水口入口速度:1.03 m/s)可以提高侧封板附近钢液温度,减小熔池出口温度的极差。
材料研究
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  基于改进YOLOv11的带钢表面缺陷检测算法

  马俊杰, 张继红, 王强, 刘文广, 吴振奎

  钢铁研究学报. 2025, 37(10): 1345-1358. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20250120

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  钢铁行业是我国的支柱产业,钢材的质量是影响钢材性能与价格的关键。针对带钢表面缺陷检测存在精度差、效率低以及模型结构复杂等问题,提出一种基于YOLOv11的轻量化带钢表面缺陷检测算法(PSN-YOLO)。首先设计P-GELAN_CAA特征提取-融合模块,基于广义高效层聚合网络(GELAN)引入多尺度卷积(PSConv)处理多尺度信息、优化参数利用率,并融合上下文锚点注意力 (CAA)增强特征表示;其次,选取轻量高效的SCDown下采样以扩大感受野,减少信息损失,降低模型复杂度;最后,采用归一化瓦瑟斯坦距离(NWD)改进边界框损失函数,专注于不规则和复杂微小纹理特征,更好地衡量边界框间的分布相似性,提升检测精度。在NEU-DET数据集上的试验结果表明,该模型相比基准模型mAP提高了3.1%,参数量和计算量分别减少20.3%、19.0%,更好地平衡了检测精度和轻量化需求。此外,该模型在Severstal数据集上表现出良好的泛化能力,满足实际工程需求,具有重要推广应用价值。
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  新型Fe-30Mn-8Al-0.9C低密度钢TIG焊接工艺研究

  刘智, 王辉, 王存宇, 李昌昊, 章小峰, 曹文全

  钢铁研究学报. 2025, 37(10): 1359-1369. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20250069

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  FeMnAlC低密度钢具有适合军事、汽车工业用途的结构材料特性。焊接接头的组织稳定性与低密度钢的大规模应用紧密相关。采用钨极惰性气体保护(TIG)焊接对厚度为12 mm的低密度钢进行焊接,使用自主设计低密度钢焊丝作为填充材料,使用5种焊接电流(140、170、210、240、270 A)研究焊接热输入对焊接接头微观组织及其性能的影响。应用OM、SEM、显微硬度测试仪、拉伸试验机和冲击试验机对焊接接头进行组织表征和性能测试;当使用大于210 A的焊接电流时,获得了无缺陷的焊接接头,焊缝表面成形光滑,室温下抗拉强度R_m不低于616 MPa,接头断裂类型为韧性断裂,低温冲击KV₂(-84 ℃)不低于62 J。建立了热输入-组织-性能的定量关联,为低密度钢焊接工艺优化提供理论依据。研究结果为新型低密度钢研发及推广应用奠定了焊接材料与技术基础。
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  沿海工业大气环境热浸镀锌钢加速腐蚀行为模拟

  舒雨心, 陈娜娜, 李波, 肖葵

  钢铁研究学报. 2025, 37(10): 1370-1381. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20250107

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  为研究热浸镀锌钢在Cl^-与SO₂共同作用下的腐蚀行为,构建模拟沿海工业大气环境的加速腐蚀试验,结合失重法、电化学测试、扫描电子显微镜(SEM)、EDS能谱仪和X射线衍射(XRD)等手段,系统分析腐蚀过程与产物演化。结果表明,腐蚀产物呈分层结构,内层为致密的Zn₅(OH)₈Cl₂·H₂O,外层则为疏松的NaZn₄(SO₄)Cl(OH)₆·6H₂O。Cl^-诱导点蚀萌生,SO₂增强酸性,推动产物由碳酸盐向复盐转变。干湿循环加速腐蚀产物层的开裂与脱落。电化学结果显示,腐蚀电流密度降低,极化电阻上升,反映出产物膜的阶段性保护作用。
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  Q-P钢、Q-T钢和Mn13Cr2钢的腐蚀磨料磨损行为研究

  王洋波, 李卫, 李杰

  钢铁研究学报. 2025, 37(10): 1382-1394. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20250113

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  为了阐明耐磨钢的腐蚀磨料磨损机制,研究了淬火-配分钢(Q-P钢)、淬火-回火钢(Q-T钢)和高锰钢(Mn13Cr2钢)的腐蚀行为、磨料磨损(AW)行为和腐蚀磨料磨损(CAW)行为。结果表明,试验钢的磨损失重均主要源自磨料的显微切削,但由于磨痕亚表层的基体组织发生转变形成形变层,材料抗显微切削的能力与形变层的硬度呈正比。在AW和CAW工况下,Q-P钢、Q-T钢和Mn13Cr2钢形变层的纳米硬度分别为8.17/7.76、8.23/7.88和8.11/6.61 GPa。所以,3种试验钢在AW和CAW 2种工况下的耐磨性能排序一致,均为Q-T钢>Q-P钢>Mn13Cr2钢。由于腐蚀溶液会通过加速形变层的腐蚀抑制其形成,从而降低其硬度。Q-T钢、Q-P钢和Mn13Cr2钢CAW失重与AW失重相比,分别增加了143.6、173.8和304.1 mg。Mn13Cr2钢的腐蚀磨损失重显著增加的原因是:(1)γ-Fe与α-Fe相比,更易形成点阵缺陷,形变层内的点阵缺陷可以提升其硬度,但也会加速其腐蚀;(2)Mn13Cr2钢中奥氏体质量分数为100%,远高于Q-T钢的2.7%和Q-P钢的9.2%。
能源与环保
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  废弃塑料共水热炭化过程物化属性演变规律探讨

  林祥海, 王广伟, 张楠, 李仁国, 宁晓钧

  钢铁研究学报. 2025, 37(10): 1395-1404. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20250052

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  废弃塑料作为一种广泛存在的废弃物,如何对其进行高效循环利用是目前需要重点关注的问题之一。通过水热炭化方法对2种常见的废弃塑料进行共水热处理,并对产品性能进行了详细研究。结果表明,聚氯乙烯(PVC)和聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)的共水热炭化会提高高位热值和能量收得率。提高炭化温度和增加PVC的比例可以有效增加水热炭的有效元素含量,降低水热炭的挥发分含量和氧元素含量,提升水热炭的品质。升高炭化温度或增加PET比例可以减少水热炭中氯元素含量并提高脱氯率,更多的氯元素迁移至液相和气相中。PET的加入对PVC的脱氯反应促进作用不太显著。随着炭化温度和PVC配比的升高,水热炭中的含氧官能团减少,含碳官能团增加,水热炭的碳质结构有序度增加。研究结果表明,共水热炭化有良好的脱除有害元素的效果,有利于实现节能降碳,优化冶炼和资源循环。