本文详细综述了全奥氏体高锰钢在极低温环境下的强韧化机制、性能特征及其在液氢储运领域的应用潜力。研究表明,通过调控层错能可协同激发孪晶诱导塑性与相变诱导塑性效应,使高锰钢在低温条件下同时具备高强度、高塑性以及优异的冲击韧性。添加Mn、Al等合金元素可以进一步提高层错能,优化微观组织结构,从而显著提升材料在超低温环境中的力学性能。高锰钢在液氢储运过程中表现出优异的成本优势,相较于传统不锈钢可有效降低制造成本,同时我国丰富的锰资源也为其规模化应用提供了保障。此外,高锰钢扩散系数优异,被视为极具潜力的液氢环境候选结构材料;与其他同类材料相比,高锰钢在低温条件下可保持优异的力学性能。然而,高锰钢在工程化应用过程中仍面临诸多挑战,包括连铸漏钢、焊接裂纹、Mn蒸气挥发以及氢脆敏感性等问题。未来研究应致力于解决上述挑战,以推动高锰钢在液氢储运等极端环境中的可靠应用。

为降低高炉喷煤成本、提高燃料利用效率,本文对比分析了典型无烟煤、高挥发分烟煤、低挥发分烟煤、兰炭及其组成的不同混煤的燃烧性,并基于工业生产数据构建煤粉利用率与燃烧特征指数、制粉成本与可磨性指数的回归关系,提出了综合考虑有效发热量、煤粉利用率和制粉成本的性价比评价模型。结果表明,高挥发分烟煤燃烧性能最佳,无烟煤着火温度和燃尽温度偏高,兰炭和象山煤的燃烧温度区间介于高挥发分烟煤和无烟煤之间,其中兰炭的燃烧性略优于象山煤。增大混煤中的兰炭配比可有效降低混煤着火温度,改善燃烧性能,但由于兰炭有效发热量较低,导致混煤性价比指数有所下降。象山煤的可磨性指数是几种煤中最高的,有效发热量仅次于无烟煤,配煤方案中添加象山煤后,虽部分工况燃烧性有所降低,但综合性价比指数提高。

在现代钢铁生产过程中,氧气射流行为对转炉冶炼效果具有显著影响。本研究以某钢厂 120 t转炉为对象,运用数值模拟方法,探究交错氧枪的喷孔布置方式、倾斜角及流量比对射流特性的影响。结果显示:相较于大孔小角度的布置方式,大孔大角度布置可使射流的径向动压分布更为均匀,增强射流独立性,进而获取更大的有效冲击面积。增大倾斜角会加快射流速度衰减,提升射流融合距离,改善径向动压分布均匀性,且有效冲击面积在倾斜角为 16°时达到最大值。此外,随着流量比提高,大孔射流速度增大,融合距离减小,致使大孔与小孔的径向动压峰值差异扩大;有效冲击面积随流量比提高而增大,故最佳流量比选定为 65%/35%。

为揭示转炉底吹搅拌对钢水杂质元素的去除机制,本研究在数值模拟与冷态模拟试验的基础上,开展底吹气体搅拌影响转炉熔池钢水磷、硫、氧去除效果的工业试验。数值模拟结果显示,提高底吹强度可显著优化熔池动力学条件。当底吹强度为 0.107 m³/(t·min) 时,液相死区体积占比相较于 0.089和 0.053 m³/(t·min) 工况,分别降低7.2%和10.5%。冷态模拟试验证实,强化搅拌作用可有效缩短熔池均混时间,且在底吹强度为0.107 m³/(t·min)时,熔池容量传质系数达到峰值,据此建立转炉底吹流量与容量传质系数的关联模型。150 t 转炉工业试验进一步表明,在终点无氧气参与的底吹后搅阶段,钢水中磷、锰、硫的传质速率显著高于测温取样定碳至测温取样定氧阶段,这表明终点提枪后的底吹后搅对熔池内元素的传质过程具有关键调控作用。

本研究尝试以铝灰(AA)替代钢包精炼炉(LF)精炼渣中的Al₂O₃,通过调整渣系成分来优化精炼渣的熔化温度,实现铝灰的资源化利用,减少固体废弃物排放所引发的环境污染。基于CaO-SiO₂-Al₂O₃三元相图,设计出基础渣系配比。当CaO与Al₂O₃质量分数控制在30%~70%,且 SiO₂质量分数不高于15%时,渣中易形成低熔点物相12CaO·7Al₂O₃,此区域属于低熔点区,液相线温度介于 1 350~1 450 ℃之间,同时渣系碱度适中,满足精炼需求。在此区域范围内,共选取6组不同碱度的基础渣系,借助 FactSage 软件与半球法,探究不同铝灰添加量及碱度(C/S)对渣系熔化温度的影响,并运用X射线衍射(XRD)对物相进行表征。研究结果显示,随着铝灰添加质量分数从 0增加至 20%,渣系熔点整体呈上升态势。在低碱度(C/S <8)体系中,适量添加铝灰(AA≤10%,质量分数(余同))致使高熔点物相生成有限;然而,过量添加铝灰(AA>10%)则可能打破原有平衡,促使渣中大量生成高熔点物相(如 MgAl₂O₄),进而导致熔化温度升高。在高碱度(C/S≥8)体系中,引入少量铝灰(AA≤5%)可能通过生成低熔点化合物形成更多低共熔结构,从而降低熔点;但过量添加铝灰(AA>5%)会因引入过量的Al₂O₃,打破CaO-Al₂O₃之间的最佳低共熔比例,促使熔点急剧上升。当铝灰添加量固定时,随着碱度从4提升至11,渣系熔点呈 “V” 型变化,即先降低后升高,这种变化与渣中低熔点物相 12CaO·7Al₂O₃和高熔点物相 Ca₂SiO₄的生成相关。

钙处理可将Al₂O₃转化为液态钙铝酸盐,从而有效缓解水口结瘤风险,提高钢的质量。本文研究了钙含量对夹杂物的影响,结果表明,未经钙处理的钢夹杂物主要为固态Al₂O₃;当钙质量分数为0.000 8%时,钢中部分小尺寸Al₂O₃被改性为钙铝酸盐,而大尺寸Al₂O₃夹杂仅外层部分被改性为钙铝酸盐,形成Al₂O₃与钙铝酸盐的分层复合夹杂;当钙质量分数为0.001 5%时,复合夹杂物内层Al₂O₃减少,并转化为外层钙铝酸盐夹杂;当钙质量分数为0.002 4%时,夹杂物完全改性为钙铝酸盐;当钙质量分数为0.003 9%时,CaS开始附着于钙铝酸盐外层,形成CaO-Al₂O₃-CaS复合夹杂;当钙质量分数为0.005 1%时,CaO-Al₂O₃-CaS夹杂物中CaS显著增多。随着钙含量增加,夹杂物成分由富Al₂O₃向高Ca的钙铝酸盐转变,平均直径先减小、后增大、再略微减小,球化率先增大后减小。当钙质量分数为0.001 5%时,夹杂物的平均直径最小,球化率最高。钙质量分数为0.001 5%的试验钢中夹杂物在冷却凝固过程中仍会发生较大变化:当温度从1 600 ℃降至1 480 ℃时,夹杂物成分变化不明显,仍以钙铝酸盐为主,但尺寸明显增大;当温度降至1 350~1 200 ℃时,钙铝酸盐夹杂表面开始析出CaS,且温度越低CaS析出量越多,夹杂物呈核心为钙铝酸盐、外层为CaS的CaO-Al₂O₃-CaS复合结构。在1 600~1 200 ℃冷却过程中,夹杂物的平均直径先增加后减小,数密度先减小后增加。在1 350 ℃时,夹杂物平均直径达到最大值,数密度达到最小值。

本文研究了高碳珠光体钢丝在多道次拉拔过程中损伤的演化机制及其关键影响因素。通过将GTN(Gurson-Tvergaard-Needleman)损伤模型与有限元数值模拟相结合,系统分析了钢丝内部的损伤分布规律。采用单轴拉伸试验与有限元模拟相结合的逆向方法对GTN模型参数进行了标定,并定量分析了半锥角、定径带长度、摩擦系数和拉拔道次等关键工艺参数对内部损伤演化的影响。结果表明,损伤呈现明显的“芯部高、表层低”分布特征,最大空穴体积分数集中在钢丝轴线区域。参数分析表明,半锥角对损伤累积的影响最为显著(贡献率41.67%),其次是拉拔道次(12.18%)。

高铬铸铁凭借显微组织中高硬度的 (Cr,Fe)₇C₃型共晶碳化物,在矿山、冶金、建材等行业获得了广泛应用。为调控共晶碳化物形态以提升高铬铸铁的耐磨性,本文采用中间合金法,向亚共晶高铬铸铁中引入 Al₂O₃颗粒并外加稀土,系统对比了两者对高铬铸铁组织及耐磨性的影响规律。结果表明,引入 Al₂O₃颗粒后,少数颗粒分布于枝晶干,多数则依附于枝晶间的共晶 M₇C₃碳化物表面。借助 Al₂O₃颗粒的异质形核作用,含 Al₂O₃的高铬铸铁二次枝晶臂间距较无添加试样距离降低24%,共晶 M₇C₃面积分数提高 3%,碳化物形态呈现短细板状、条状及玫瑰花瓣状,同时二次碳化物也得到显著细化。含稀土的高铬铸铁中,二次枝晶臂间距和二次碳化物尺寸与含 Al₂O₃的试样差异不大,但细小的玫瑰花瓣状共晶面积分数高达 12%。耐磨性测试表明,外加 Al₂O₃的高铬铸铁在磨损过程中的摩擦系数为 0.27,磨痕深度为 (5.34±0.05)μm,摩擦系数与磨痕深度较常规高铬铸铁分别减小 61% 和 70%,其磨损机制由疲劳磨损转变为磨粒磨损与黏着磨损;添加稀土后,高铬铸铁的摩擦系数进一步降低至 0.26,磨痕深度减小至 (1.84±0.17)μm,这一优异性能与材料中玫瑰花瓣状共晶 M₇C₃的高占比密切相关。

针对我国960 MPa级防爆钢开发、抗爆轰性能评价及机制研究的需求,研究了一种新型高强韧960 MPa级防爆钢(BR900)的力学性能、微观组织与抗爆性能。结果表明,BR900钢的屈服强度为1 002 MPa,-40 ℃冲击功(KV₂)大于200 J,其优异的强韧性主要归因于细晶与复相组织。通过高应变速率拉伸试验及本构方程拟合,分析了其在高应变速率下的动态力学行为。采用小当量爆炸缩比试验,研究了4 mm厚试验钢板在60 g三硝基甲苯(TNT)空爆载荷下的抗爆轰变形行为。结果表明,在爆炸冲击作用下,BR900钢因其良好的强韧性匹配及应变硬化能力而具有优异的抗爆性能。

本研究探讨了锰(Mn)合金化对Al-0.1Cu-(0.5、0.9和1.4) Mn(质量分数,%)合金氢脆(HE)行为的影响。光学显微镜和X射线衍射表征结果表明,3种不同锰含量的合金样品均为面心立方结构,且晶粒尺寸相近。充氢处理及拉伸测试结果显示,锰质量分数为0.9%的样品抗氢脆性能最差。数字图像相关(DIC)技术观察到的塑性应变分布表明,充氢后的0.9Mn铝合金在拉伸过程中发生更严重的应变局部化。此外,0.9Mn铝合金中析出相数量更多,进一步加剧了氢脆。扫描电子显微镜(SEM)下的断口形貌显示,充氢后的0.9Mn铝合金中出现次级裂纹,同样证实了该合金较差的抗氢脆性能。上述结果表明,Mn合金化方法可有效调控Al-Cu-Fe-Mn合金的氢脆行为,但Mn质量分数应避免取0.9%,以防止发生严重氢脆。

传统表征方法难以精准捕捉X80管线钢环焊接头的微区异质性。本文采用微束X射线荧光光谱(μ-XRF)、高通量扫描电镜(SEM)、电子背散射衍射(EBSD)、显微维氏硬度及纳米压痕技术等多尺度高通量表征手段,系统研究了接头各特征区域的成分、微观组织、硬度分布及其相关性。结果表明,Mn、Cu、Nb、Mo、Cr在热影响区含量较高,Ni、V、Ti在焊缝区含量较高。Mn、Nb等元素促进贝氏体的形成,Ni、Ti分别促进细小弥散的M-A组元及针状铁素体的形成。临界区因富含大量粒状贝氏体(GB)、晶界处呈链状分布的细长M-A组元(面积分数15.2%)及高位错密度而硬度最高;细晶区则因含较多软相多边形铁素体(PF)且位错密度较低而硬度最低。

为提升圆柱滚子表面缺陷的自动化识别精度与检测效率,提出1种轻量化多视角特征驱动分类模型MFDANet。该模型通过多视角特征增强模块(MVFA)融合原始纹理、边缘结构与增强信息,实现细微缺陷的多层次特征提取;采用哈尔小波下采样(HWD)策略,在降低计算量的同时有效保留关键细节;设计高效多维注意力机制(ECSA),自适应聚焦缺陷区域特征;并结合空洞卷积多尺度特征提取模块(DMFE),实现局部与全局特征的协同建模。试验结果表明,MFDANet在圆柱滚子表面缺陷分类任务中达到87.70%的准确率和87.33%的宏平均F1值,参数量仅4.41 MB、计算量0.026 GFlops。在显著降低模型复杂度的同时,该模型较传统分类模型、轻量级模型及近期先进方法均取得更优性能,验证了其高效性与实用性。

要推动钢铁行业全链条深度脱碳,供应链上游的降碳工作具有决定性意义。本文运用生命周期评价方法(LCA)对钢铁镀锌产品的碳排放进行核算,重点分析了原燃料的碳排放占比。研究发现,钢铁行业上游碳排放占全产业链碳排放的55.53%,各类原燃料及能源的排放构成占比依次为:焦炭16.88%、煤炭14.79%、铁矿石14.85%、铁合金9.92%、熔剂6.01%、工业气体9.06%、碳素制品0.20%,电力则占 18.50%。进一步分析发现,原燃料的碳排放影响因素主要包括能源结构与碳强度、生产工艺与技术装备水平、资源禀赋与原料品质、管理水平与生产模式,并通过调研获取实测数据,经过LCA方法建模,计算出典型原燃料的产品碳足迹值,其中煤炭为89.42 kg/t、焦炭为1.36×10³ kg/t、铁矿石为119.02 kg/t、铁合金为4.78×10³ kg/t、石灰为1.21×10³ kg/t、石墨电极为8.84×10³ kg/t。在此基础上,深入剖析各原燃料碳排放特征及降碳措施。基于以上研究,建立“上游原燃料降碳对钢铁产品影响”的模拟场景,综合实施系列降碳措施,即在煤炭与石墨电极生产环节采用绿色电力、焦炭生产过程中掺烧20%生物质燃料、铁矿石与铁合金运输环节开展低碳化改造、石灰生产工艺中应用氢能煅烧技术,可使上游原燃料环节碳排放量降低 20%~40%,并带动钢铁镀锌产品碳足迹下降约8%。