2024年, 第36卷, 第3期　刊出日期：2024-03-20

  

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综合论述
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  可再生能源实现低碳炼铁的途径探讨

  徐润生1,2，何晓霞1，张建良2，梁旺2，党晗1，叶涟2

  钢铁研究学报. 2024, 36(3): 275-282. https://doi.org/DOI:10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20230109

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  摘要：随着“碳达峰”、“碳中和”这一庄严承诺的提出，作为能源密集型产业的钢铁行业需要针对高碳排、高能耗的炼铁工序进行技术革新，改善用能结构，助力国家低碳发展战略的顺利实施。首先介绍了可再生能源的应用现状，作为资源型大国，中国的可再生能源如生物质能、太阳能、风能等储量丰富，具有应用于炼铁工序的巨大潜力。接着对于可再生能源应用于低碳炼铁的途径进行了分析和探讨，并分析了可再生能源在炼铁工序的应用难点:能源收集、存储及转化效率低下。最后展望了其在炼铁工序的应用前景，并提出了具有发展前景的技术路线，以期为中国低碳炼铁技术的发展提供更多的可能和源动力。
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  氢基直接还原铁工艺技术及应用

  于樾1，王锋1，齐渊洪1，郑艾军2，李洋2，王中华2

  钢铁研究学报. 2024, 36(3): 283-298. https://doi.org/DOI:10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20230142

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  摘要：氢基直接还原铁工艺是一种环保、高效的钢铁生产技术，具有广阔的应用前景。在全面介绍氢基直接还原铁工艺的基础上，重点分析了氢基还原气体的成分重整工艺在冶金工业中的应用情况、优缺点和适用性，主要包括水蒸气重整、部分氧化重整、自热重整和二氧化碳重整4种重整方法。系统地探讨了中国氢基直接还原铁工艺的探索实践以及面临的机遇挑战，指出焦炉煤气自热重整制取还原气技术将在今后中国氢基直接还原铁中扮演重要角色。
冶炼与加工
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  鼓风与氧煤枪中氧含量变化对煤粉燃尽率的影响

  郭宏烈1，滕召杰1，吴胜利2，张建良2，喻杨2，张翠柳2

  钢铁研究学报. 2024, 36(3): 299-308. https://doi.org/DOI:10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20230174

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  摘要：为进一步提高喷煤量、降低焦比，实现企业降本增效，首钢京唐结合自身生产情况，开展高炉高富氧鼓风冶炼技术研究。采用实验测试、数值模拟等方法开展了鼓风与氧煤枪中氧含量的变化对回旋区状态及煤粉燃尽率的影响的研究。结果表明，鼓风富氧率从7%提高到11%后，相同煤比情况下2种喷吹煤煤粉燃尽率分别从77.10%提高到82.71%、78.43%提高到82.62%，但是煤粉燃尽率随着煤比的提高而降低；氧煤枪内氧气流量从3000m3/h增加至6000m3/h后，沿煤粉流股方向上的最高温度从2762K增加至2802K，煤粉的燃尽率从72.31%增加至75.12%。同时，采用上述2种富氧手段，能够实现大喷煤高富氧喷吹，达到预期降焦目的，获得良好的经济效益。
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  基于GABP神经网络的铁水硅含量预测方法

  何奕波1，郭辉1，张冰谦1，朱强2，汤海明3，李怡宏1

  钢铁研究学报. 2024, 36(3): 309-318. https://doi.org/DOI: 10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20230158

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  摘 要：长期以来在高炉炼铁过程中铁水硅含量一直作为代表高炉热状态的重要指数。然而由于高炉具有动态特性，内部化学反应十分复杂，是一个典型的黑箱模型，因此对高炉铁水硅含量进行实时预测十分困难。针对这一问题，利用遗传算法（Genetic Algorithm, GA）对传统BP（Back Propagation）算法进行改进，构建GABP神经网络预测铁水硅含量。首先将高炉炼铁过程中的13个参数（如风量、风压等）进行特征提取，并利用遗传算法全局搜索BP神经网络最优的初始权值和阈值，接着利用前向传播算法（Forward Propagation, FP）在三层神经网络中传递筛选出来的特征并计算出预测值，其中三层神经网络每层神经元个数分别为7、50、1。最终将铁水硅含量预测值与真实值进行误差分析，利用梯度下降（Gradient Descent, GD）的原理不断更新神经元的权重，直到预测值与真实值之间的误差达到所给定的阈值。相比于传统BP神经网络，GA-BP神经网络改善了BP神经网络权值、阈值难定，学习速度慢且易陷入局部最优等缺点。将某钢厂生产过程中实时采集到的数据经过预处理之后，输入到神经网络中进行训练并且利用测试集来验证该模型的精度。最终该模型在测试集上取得了92%的正确率且均方误差（Mean Square Error，MSE）稳定在0.001，证明了该模型的有效性。选取了50组数据集之外的新数据来进行预测，结果验证了该模型具备指导生产实践的能力。
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  基于特征选择与梯度提升决策树的球团矿抗压强度预测

  陈许玲，蒋文浩，黄晓贤，范晓慧，甘敏，曹风

  钢铁研究学报. 2024, 36(3): 319-327. https://doi.org/DOI:10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20230144

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  摘要：抗压强度是评价球团矿质量的重要指标，也是球团生产的核心控制目标，但其检测周期长、控制严重滞后。因此，实时准确预测球团矿抗压强度对提升和稳定球团质量具有重要意义。提出一种基于Filter和Wrapper混合特征参数遴选结合贝叶斯优化算法的球团矿抗压强度预测方法，采用现场生产数据对模型进行训练与测试，预测结果表明：特征选择和贝叶斯优化算法的引入可以明显提升模型的预测精度，基于特征选择和贝叶斯优化的梯度提升决策树(GBDT)模型的拟合效果最好，预测准确率达9531%，为球团矿质量的优化控制奠定了良好的基础。
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  生物质炭化提质制备高炉喷吹燃料的研究

  袁骧1，邹凡球1，但家云1，李仁国2，宁晓钧2，王广伟2

  钢铁研究学报. 2024, 36(3): 328-339. https://doi.org/DOI:10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20230165

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  摘要：生物质原料具有碳中性的属性，将其用于高炉冶炼可以降低钢铁生产CO2排放。以典型农林废弃物为原料制备生物质炭，研究了热解炭化和水热炭化工艺参数对制备生物质炭高炉喷吹性能的影响。结果表明，2种炭化方式均可有效脱除生物质原料中的挥发分，提升生物质炭的品质，但热解炭化会造成灰分富集，水热炭化能够同时脱除灰分，生物质热解炭的收得率低于水热炭。生物质热解炭和水热炭的着火点较低，其中水热炭具有强爆炸性，热解炭无爆炸性，生物质热解炭和水热炭的燃烧性能和可磨性优于高炉喷吹烟煤。有害元素分析表明，水热炭的碱金属含量远低于热解炭，对于林木类生物质，2种炭化方式制得的生物质炭均可应用于高炉喷吹生产，但需控制热解炭的喷吹量；对于秸秆类生物质，应优选水热炭化的方式进行炭化提质，以降低碱金属对高炉冶炼的负面影响。
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  板坯连铸结晶器凝固前沿钢液速度、温度和硫含量变化规律

  胡增，罗志国，邹宗树

  钢铁研究学报. 2024, 36(3): 340-347. https://doi.org/DOI:10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20230172

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  摘要：板坯连铸结晶器凝固前沿钢液存在较大的速度梯度、温度梯度及硫浓度梯度，对凝固坯壳捕获气泡及夹杂物有很大影响。采用ANSYS Fluent对板坯连铸结晶器内不同高度处窄面凝固前沿的钢液速度、温度及硫含量分布进行研究。距结晶器自由液面0.1、0.3、0.6m的截面上平行于X方向位于结晶器中心处的3条截线分别代表结晶器窄面凝固前沿的上部区域、冲击区域和下部区域，对每条线上距凝固前沿3mm处钢液X方向的速度梯度、温度梯度及硫含量梯度进行计算分析。结果表明：下部区域钢液的速度梯度最大(14.5s-1)，略大于上部区域(14.1s-1)，冲击区域则最小(0.4s-1)；下部区域钢液的温度梯度最大(902.3K/m)，约为上部区域的2.0倍，冲击区域的2.4倍；上部区域硫含量梯度最大(0.42%/m)，下部区域次之(0.04%/m)，冲击区域最小(0.02%/m)。在3个区域中，随着与凝固前沿距离的增大，钢液中的硫含量分布存在2种变化形式：先增大后减小至初始含量值；先减小再增大最后减小至初始含量值。
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  Al含量对耐热钢热轧态组织及性能的作用机制

  余海存1,2,3，张有祥1,2，金静1,2，姜昊成1,2，喇培清1,2

  钢铁研究学报. 2024, 36(3): 348-358. https://doi.org/DOI:10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20230220

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  摘要：在310S耐热钢基础上加入不同质量分数的Al元素（2.46%、3.05.%、4.24%）并重新调整成分后得到耐热钢铸态板材，将其在1200℃下进行变形量为60%的热轧处理，并在1150℃固溶处理30min得到耐热钢热轧板材。通过对不同Al含量的热轧板材的显微组织和微观结构进行分析，并测试了其室温拉伸性能和800℃拉伸性能。结果表明：随着Al含量增加，晶粒尺寸逐渐减小，更多Al元素在基体中固溶，细晶强化、固溶强化、M7C3碳化物以及细小弥散NiAl相的析出强化的共同作用致使耐热钢的室温硬度、强度增加，而伸长率减小；800℃时随Al含量增加，强度先增加后减小，而伸长率均在16%左右。
材料研究
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  IN792LC单晶高温合金长期热暴露下的蠕变性能退化

  李石磊1，帅三三1，汪超2，何磊2，王江1，任忠鸣1

  钢铁研究学报. 2024, 36(3): 359-367. https://doi.org/DOI:10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20230148

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  摘要：研究了800℃条件下最长时间达到3000h的长期热暴露对IN792LC单晶高温合金显微组织演变及蠕变行为的影响。结果表明：长时间热暴露后，γ′相球化生长均匀分散在γ基体内，γ′相的粗化行为符合LifshitzSlyozovWagner(LSW)模型。热暴露后一些不连续碳化物在γ/γ′共晶组织周围析出，但无拓扑密排相(TCP)生成。对长期热暴露后的合金进行了760℃/662MPa下蠕变断裂寿命测试，随着热暴露时间延长，由于组织退化，合金蠕变寿命降低，而断裂伸长率不断提高。当热暴露达到3000h时，合金蠕变断裂寿命降低81.1%。合金蠕变寿命的减少主要由γ′相粗化、碳化物的退化以及柯肯达尔孔洞增大导致。分析发现在热暴露后共晶相周围MC碳化物分解形成的M23C6碳化物，空位在碳化物处塌陷聚集成微孔，加速了裂纹的萌生与拓展。此外，由于热暴露后合金蠕变过程中的位错网络被破坏，位错切入γ′相运动，从而进一步降低蠕变断裂寿命。研究结果为IN792LC单晶高温合金近服役温度条件下使用寿命预测提供了参考。
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  基于PSO-BP神经网络模型的654SMO热变形行为预测

  张博文1，闫德安1，和鹏越1，管煜1，陈锐1，刘元铭1,2,3

  钢铁研究学报. 2024, 36(3): 368-377. https://doi.org/DOI:10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20230225

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  摘要：针对654SMO超级奥氏体不锈钢的热变形行为进行研究，采用Arrhenius模型与粒子群算法优化的BP神经网络模型（PSOBP神经网络）对654SMO超级奥氏体不锈钢热变形行为进行预测，将其结果进行对比获得最优模型。通过实验获得变形温度在1000～1200℃、应变速率为0.1～10s-1条件下的真应力，并采用考虑应变修正的Arrhenius模型和PSOBP神经网络模型对实验数据进行训练，通过计算均方相关系数（R2）、均方根误差（RMSE）和平均相对误差（AARE），对预测结果量化并且进行比较。最后基于实验实测数据和PSO-BP模型的预测数据得到应变为0.3和0.6的热加工图。结果表明：相比于传统的Arrhenius模型，PSO-BP神经网络模型具有更高的准确性和适用性，为654SMO的热加工工艺提供理论指导。
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  氢对30CrMo钢拉伸和超低周疲劳性能的影响

  吴鑫1，付磊1，张应迁2，罗云蓉1，张云波1，官彦兵1

  钢铁研究学报. 2024, 36(3): 378-388. https://doi.org/DOI:10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20230268

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  摘要：主要研究了氢对30CrMo钢的超低周疲劳性能和力学行为的影响。用0.5mol/L的H2SO4溶液对试验钢进行电化学充氢1和4h，然后采用轴向位移控制模拟地震载荷进行超低周疲劳试验和拉伸试验，获得了循环应力应变响应、滞回行为及应变寿命等关系。结合扫描电子显微镜（SEM）进行断口形貌观察，分析其超低周疲劳断裂机制。结果表明：充氢1和4 h后试验钢的抗拉强度强度由原来的681MPa提升到689和698MPa；其断裂伸长率由原来的33%下降到29%与19%，氢的浓度越高塑性下降越明显；电化学充氢明显削弱了试验钢的抗疲劳性能，预充氢1和4h后试验钢的寿命分别下降了33.8%～40.7%和65.3%～69.8%；充氢对试验钢的循环响应特征及Masing特性无明显影响；长时间充氢会使30CrMo钢的裂纹扩展区面积减小并加快其裂纹扩展速率。
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  形变热处理对低碳Co-Cr-Mo-Ni合金钢组织性能的影响

  杨彬1，王迎春1,2，迟宏宵3，周健3，熊志平1,2，程兴旺1,2,4

  钢铁研究学报. 2024, 36(3): 389-395. https://doi.org/DOI:10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20230202

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  摘要：为了提高低碳高合金钢的强度，开展形变热处理变形量对其组织演变和力学性能影响研究。结果表明，试验钢经过变形量为20%~60%的形变淬火、深冷以及高温回火后的组织由回火马氏体、残余奥氏体和碳化物组成；与常规淬火回火试样相比，经变形量为20%的形变热处理后，由于回火马氏体板条较粗，残余奥氏体体积分数较高，导致强度降低，塑性增加；随着形变热处理的变形量逐渐增加，位错密度增加，回火马氏体板条细化，残余奥氏体体积分数减少，强度逐渐增加，塑性下降。当变形量为60%时，试验钢的屈服强度达到1547MPa，较未形变试样提升了约13%，同时抗拉强度达到1810MPa，伸长率为17%，获得了高强度和良好的强塑性匹配。
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  Cu和Ni对微合金高强钢组织性能及第二相析出行为的协同作用

  韦柯卿1,2，侯宇3，姚爱国3，阴树标1，刘能生1，贾书君2

  钢铁研究学报. 2024, 36(3): 396-406. https://doi.org/DOI:10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20230258

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  摘要：研究了在相同Cu/Ni比的情况下，Cu、Ni含量的变化对含铜时效强化钢组织性能及第二相析出行为的影响。利用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、电子背散射衍射(EBSD)、X射线衍射(XRD)等分析表征手段研究不同Cu、Ni含量低碳微合金高强钢在调质处理下的显微组织和力学性能。研究结果表明，随着Cu、Ni含量增加，试验钢的强韧性得到提升(抗拉强度提升3.3%，冲击韧性提升10%)。显微组织中部分粒状贝氏体转变为回火索氏体，回火索氏体占比提升了10%。组织中的大角度晶界含量增加，亚结构和位错密度显著升高。通过ThermoCalc热力学计算发现，Ni含量的增加，降低了奥氏体相变温度。Ni元素的加入细化了回火索氏体板条(由332nm细化至264nm)，增加了组织中的板条束数量。板条界出现大量的位错缠结，为第二相析出提供更多的形核位点，降低Cu析出的形核能，促进并细化了Cu析出，进而提高微合金高强钢的强韧性。