如何对铝脱氧钢中Al₂O₃氧化物夹杂进行控制一直是冶金生产过程中的痛点问题。钙处理可将高熔点的Al₂O₃氧化物夹杂改性为低熔点的钙铝酸盐(12CaO·7Al₂O₃),有效抑制水口结瘤,提高钢材的抗氢致裂纹性能。然而,钙的加入时间、加入方式等参数直接影响钙的收得率和夹杂物改性程度,若控制不当,反而会加剧水口结瘤现象。因此,本文综述了铝脱氧钢中钙处理对非金属夹杂物的改性作用,从动力学和热力学角度阐释了其作用机制及关键影响因素,包括钢液温度、钙的添加方式和添加时间、精炼渣系的CaO/Al₂O₃以及钢液中O、S、Al含量对夹杂物组成演化与液相占比的影响。本文讨论了钙处理的工艺优化方向,旨在提升钙的利用效率与夹杂物控制水平,包括二次钙处理、含钙硅铁的应用、钙-镁合金协同等创新方法。

针对高炉冶炼过程中K、Na、KF、NaF气体对焦炭劣化的作用机制,本研究采用“气相吸附法”对焦炭进行气体吸附试验,结合X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜-能谱仪(SEM-EDS)等表征技术,系统探究了K、Na、KF、NaF气体对焦炭热态性能及组织结构的影响规律。结果表明,K气体会造成焦炭表面颗粒剥落,Na气体则引发焦炭表面呈粉末状脱落,而KF、NaF气体会显著增加焦炭气孔数量。焦炭吸附K、Na、KF、NaF气体后,其石墨微晶的(002)晶面间距增大,微晶堆积高度与微晶层面尺寸减小,严重破坏微晶结构的有序性与完整性。上述气体对微晶结构的破坏程度排序为:K＞Na＞KF＞NaF。微晶结构变化导致焦炭孔隙率上升,进而提升焦炭反应性(CRI)、降低焦炭反应后强度(CSR)。其中,K和Na气体对孔隙率的影响显著强于KF和NaF气体,且K气体影响大于Na气体,KF气体影响大于NaF。当焦炭吸附质量分数1%的NaF气体时,焦炭热态性能(CRI≤25%,CSR≥65%)仍满足高炉冶炼要求;当吸附质量分数1%的K、Na、KF气体后,CRI和CSR均超出标准限值。综合来看,各类气体对焦炭热态性能的影响程度排序为:K＞Na＞KF＞NaF。此外,随着气体吸附量的增加,CRI增幅与CSR降幅均呈现边际递减趋势。

本文以钢铁生产工序产生的8种含锌铁尘泥为主要原料,通过添加不同类型黏结剂制备团块,在模拟转底炉工艺条件下,系统研究了焙烧还原过程中团块抗压强度的演变规律及影响机制。结果表明,无机黏结剂可有效稳定团块初始结构,并促进低熔点化合物生成,进而提升团块致密性与高温抗压强度(1 250 ℃时高温强度可达3 309 N);但该类黏结剂制备的团块常温性能较差,强度仅331 N,且因黏结剂引入的脉石组分会降低团块的铁品位。有机黏结剂制备的团块常温性能优异,常温抗压强度达467 N;然而,高温焙烧过程中有机组分发生剧烈热解反应,导致焙烧后团块内部孔隙率显著增加,高温抗压强度大幅下降。复合黏结剂通过高效衔接团块“低温强度维持”与“高温强度再生”的关键环节,有效缓解了还原过程中的膨胀现象,显著提升了焙烧还原全周期内团块的致密性与整体强度,展现出优异的综合应用潜力。

铁矿球团矿生产属于高能耗、高排放工业过程,其节能减排是钢铁行业实现“双碳”目标的关键环节。本研究旨在通过高压辊磨预处理与优化配矿的协同作用,在降低球团矿焙烧温度的同时保障产品质量,为钢铁行业绿色转型提供技术支撑。研究采用实验室系统试验方法:首先利用压强为14 MPa的高压辊磨机对6种铁精矿进行预处理,分析该过程对原料粒度、比表面积及成球性能的影响;随后通过圆盘造球机制备生球,并在卧式管状电炉中模拟预热与焙烧过程,探究不同工艺参数对球团强度的作用规律;最后结合扫描电子显微镜分析球团矿的微观结构变化,揭示协同强化机制。研究结果表明,高压辊磨可显著改善铁精矿物理性能,经2次辊磨处理后,混合矿中5 mm粒级数量占比可提升至75.45%,有效增强颗粒表面活性,强化再结晶界面反应,进而提高球团矿强度;同时,2次高压辊磨可将球团焙烧温度由1 200 ℃大幅降至1 110 ℃。在此基础上,通过优化配矿进一步强化球团固结效果,在最优配矿比例(A矿质量分数为5%、C矿质量分数为11%、D矿质量分数为7%)下,球团矿最低焙烧温度可进一步降至1 080 ℃,且抗压强度达到3 189 N/P,远超 2 500 N/P的工业标准。微观分析显示,高压辊磨与优化配矿的协同作用,显著强化了赤铁矿的再结晶与连晶程度,减少了球团内部孔隙和裂纹,大幅提升了结构致密性。本研究明确了高压辊磨与配矿优化的协同机制,并通过实验室数据量化了其对焙烧温度降低与球团强度提升的双重优化效果。

转炉炼钢主要是通过向熔池喷吹气体,促进气-渣-金三相乳化,在吹炼过程实现造渣、脱磷、脱碳和升温。为了探究转炉吹炼不同阶段的气-渣-金多相流特性变化,建立了120 t顶底复吹转炉三维全尺寸模型,基于吹炼过程中的氧枪枪位、底吹强度及熔池成分、温度等参数,研究了不同阶段的搅拌能、射流特性、渣-金界面特性、熔池速度及壁面剪切力变化。研究结果表明:吹炼前期,枪位较高,氧气射流主要作用于渣相,渣面波动强度为1.27,金属液面速度大于1 m/s区域的面积为9.36 m²,熔池搅拌能量密度为2 333.21 W/t;吹炼中期和中后期,枪位降低,氧气射流冲击面积减小,底吹强度减小,射流作用对象由渣面转变为金属液,碳氧剧烈反应,渣面波动强度增大,金属液面速度大于1 m/s区域的面积减小,熔池搅拌能量密度减小;吹炼后期,压枪至1.35 m,底吹强度增大,射流对熔池的冲击深度进一步增加,渣面波动强度减小至1.32,金属液面速度大于1 m/s区域的面积减小至8.15 m²,熔池搅拌能量密度增大至2 996.36 W/t。气-渣-金三相作用区域壁面剪切力较为集中,随着吹炼的进行,最大剪切力作用区域逐渐下移,此作用区域内耐火材料侵蚀严重,从吹炼前期到后期,4个阶段对应的最大剪切力分别为2.80、3.31、3.56、3.81 Pa。

高纯难熔金属是支撑先进电子信息产业发展的关键原材料,然而电子束熔炼、等离子弧熔炼等主流提纯方法普遍存在气体杂质脱除效果有限、电极易受污染等技术局限。感应耦合等离子体熔炼(ICPM)技术可有效克服上述缺陷,是一种高效洁净的提纯技术。等离子体发生器作为ICPM装备的核心部件,其结构设计的合理性直接决定ICPM提纯过程的稳定性与连续性。因此,本文首先借助Fluent软件开展数值模拟,对发生器的关键结构参数进行优化。结果表明,当中心进气孔数量为8个、进气孔入射角为8°、冷却气进气槽直径为6 mm时,发生器内部可形成稳定对称的涡流区与均匀冷却的最优流场。进一步采用COMSOL软件构建磁-热-流多场耦合模型,探究线圈功率、中心气流量、冷却气流量等工艺参数对等离子体温度场与流场的影响规律。研究发现,提高线圈功率与中心气流量,可显著增强等离子体射流强度并提升其温度;而冷却气流量存在临界阈值,超过该阈值后继续增大流量,反而会导致等离子体射流强度与温度下降。试验验证结果显示,本文所设计的等离子体发生器可实现稳定运行,且等离子炬的实测形态与模拟结果吻合度较高。本研究可为ICPM装备等离子体发生器的工程化设计提供科学依据与技术支撑。

轧制技术的发展离不开强有力的技术支撑,而当前的控制水平已步入关键转折点。基于传统控制理论的控制效果已逼近极限,诸多关键技术难题尚未得到彻底解决。因此,迫切需要引入全新的控制理论与方法,以实现控制性能的跨越式提升。在热轧带钢生产流程中,精轧工序的板厚自动控制(AGC)占据着核心地位,其控制精度的高低直接决定了成品带钢的质量与合格率。针对温度波动对来料出口厚度稳定性的影响,以及传统厚度反馈控制(GM-AGC)存在的正反馈问题,本研究提出了硬度前馈控制策略。本文以鞍钢1700 ASP 生产线为应用对象,计算并分析了负荷分配对各项工艺指标的影响系数;同时基于厚度、轧制力与凸度增量方程,确定了F₃~F₆机架的辊缝调节量。在热轧现场实践中,成功实现了F₃、F₄机架的硬度前馈控制及F₅机架的硬度过补偿控制。此外,在监控AGC系统中引入非线性PID控制策略,该策略的参数整定范围较宽,具备较强的工程实用性。对不同轧制规格的生产数据进行统计分析后发现,实施复合控制策略后,板带厚度精度较原有水平提升约1%,该控制系统具有良好的推广应用前景。

本研究针对带钢入锅温度对界面反应及合金化镀层组织的影响展开试验,以工业无间隙原子(IF)钢和DP980钢为基材,在质量分数为0.13% Al的锌浴中模拟热镀锌工艺。试验结果表明:DP980钢漏镀情况较为严重,漏镀程度随温度升高呈现增大趋势,在470 ℃漏镀程度最低;IF钢镀层质量良好。低温入锅时界面形成密集细小的ζ相,随温度升高,ζ相粗化、δ相增多。界面铝富集峰值随温度升高而降低,IF钢富集程度更高,DP980钢因表面致密Mn/Si氧化物导致界面铝富集较弱;合金化退火后,低温样品界面铝强烈富集,合金化不完全。随入锅温度升高,镀层铁含量增加,470 ℃时铁含量最优,于530 ℃出现过厚Γ相过合金化。试验表明,带钢入锅温度通过调控界面铝富集与Fe-Zn相变,影响镀层质量及合金化程度。

殷钢的低热膨胀性能使其广泛应用于精密仪器、航空航天等领域,但强度有限,限制了进一步发展。在殷钢中加入合金元素并通过固溶、时效析出第二相碳化物可以显著提高其力学性能。固溶作为析出的关键前提,对此过程中碳化物回溶行为的研究尤为重要。本文在殷钢中加入合金元素Nb、Mo、V、Ti,通过扫描电子显微镜(SEM)和超高温激光共聚焦显微镜(HT-CLSM)原位观察碳化物的回溶行为并分析其机制。结果表明,Nb-Mo-V-Ti及Nb-Mo-V殷钢盘条中均存在2类碳化物,第一类碳化物颗粒平均尺寸大于5 μm,形成于凝固过程,称为一次碳化物;第二类碳化物平均尺寸在1 μm以下,为从基体中析出的碳化物相,称为二次碳化物。2类碳化物均为各自对应成分的(Nb, Mo, V)C或(Nb, Mo, V, Ti)C复合析出相。热力学及高温共聚焦观察结果表明,一次碳化物的溶解温度在殷钢凝固转变温度附近,故回溶困难;二次碳化物在升温及延长保温时间后能实现基本回溶,并从中发现了Ti对碳化物的回溶具有阻碍作用,使得碳化物具有更高的热稳定性。此外,Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov (JMAK)方程被用于表征二次碳化物溶解动力学,经过试验验证,该动力学模型能够较好地预测二次碳化物的溶解分数。

材料在加热保温冷却过程中微观组织的演化直接影响产品力学性能。为实现铸坯热轧过程中微观组织的有效调控,本文采用高温激光共聚焦显微技术(HT-CLSM)对DH36船板钢在加热保温过程中奥氏体晶粒的长大行为以及不同冷却速率下组织相变的演化规律进行原位观察。结果表明,奥氏体晶粒尺寸随加热温度及保温时间的增加而显著增大。当加热温度在1 150~1 200 ℃时,奥氏体晶粒平均尺寸为30.6~42.4 μm;当加热温度升高至1 250 ℃时,奥氏体晶粒显著增大至253.4 μm。保温过程中,晶粒长大呈现两阶段特征:初期(0~5 min)快速长大,随后(5~30 min)长大速率显著降低并趋于稳定,最终构建了船板钢的奥氏体晶粒长大动力学方程。此外,不同冷却速率(360和720 ℃/min)下,DH36钢室温组织呈现显著差异。360 ℃/min冷速下以粒状贝氏体组织为主,冷速增加到720 ℃/min时以板条贝氏体为主。贝氏体主要沿着奥氏体晶界形核生长,同时观察到从晶粒内的夹杂物形核及在贝氏体板条宽侧形核等其他形核生长方式。

对35Cr16Cu3Mo2VN马氏体不锈钢进行回火处理,系统分析了不同回火温度(500~650 ℃)对其显微组织及力学性能的影响机制。结果表明,随回火温度升高,试验钢的冲击韧性从2 J显著提高到17 J后趋于稳定,硬度呈单调下降趋势。在回火温度为530 ℃时发生关键转变,此时试验钢的韧性显著提升,同时硬度保持在55HRC,试验钢的综合性能最优。在回火温度区间内,35Cr16Cu3Mo2VN钢冲击韧性提高,一方面是因为M₂C型碳化物析出长大,M₂₃C₆型碳化物尺寸减小,产生协同作用;另一方面是因为基体组织的转变。随着回火温度升高,试验钢硬度降低是因为在高温环境下碳化物析出聚集,降低了碳的固溶强化作用,不利于提高材料的硬度。

采用二氧化碳气体保护焊对10 mm厚的Q690D高强钢进行焊接试验,利用光学显微镜、扫描电子显微镜以及SmartLab SE型X射线衍射仪等设备,研究了电流对焊接接头组织和性能的影响。结果表明,焊接接头不同区域的微观组织明显不同,其中焊核区以针状铁素体为主,粗晶区和细晶区均由板条马氏体和贝氏体组成,同时热影响区中不完全重结晶区因铁素体-贝氏体混合组织以及低位错密度引发显著软化。随着焊接电流增加,焊核区再结晶程度和位错密度呈先增加后减少趋势。在最佳焊接电流260 A时,焊接接头力学性能最优,其显微硬度分布存在区域差异性,但平均硬度仍处于较高水平;抗拉强度和伸长率分别为724.50 MPa和16.08%,断口呈现大量韧窝,但局部区域也观察到准解理特征,表明接头断裂形式为韧-脆混合断裂。

采用Gleeble-3800热模拟试验机在950~1 200 ℃温度范围和0.25 s^-1应变速率下对铸态Ni-Cr-Al 合金进行热拉伸试验,结合断口形貌与微观组织分析其热塑性演变规律。结果表明,随变形温度升高,合金抗拉强度显著降低,断面收缩率先增后减;1 000~1 150 ℃区间断面收缩率均超75%,表现出优异热塑性。微观组织显示,950 ℃时因温度低导致塑性较差,随着温度的提升,塑性有所改善,在1 050~1 150 ℃拉伸时形成再结晶组织,有利于塑性提升。然而,在1 200 ℃拉伸时,塑性急剧恶化,原因在于P和Zr元素偏聚导致晶界强度降低并引发沿晶裂纹。