C-Mn钢相变动力学方程的构建,对其微观组织调控和力学性能提升具有重要的指导意义。使用Gleeble-3500热模拟实验机、光学显微镜(OM)、场发射扫描电镜(SEM)等对C-Mn钢进行连续冷却转变行为研究,并基于相变产物对传统JMAK方程进行优化。结果表明:C-Mn钢经1 000 ℃完全奥氏体化后以0.5~50 ℃/s的速率冷却,随着冷却速率v的不断增大,过冷奥氏体先后经历铁素体、珠光体、贝氏体和马氏体相变,当冷却速率大于20 ℃/s时,组织为全马氏体,且对应转变温度区间分别为728~516 ℃、517~400 ℃和330~190 ℃。当冷却速率增大时,相变产物转变临界时间跨度t₀以指数形式减小,经指数拟合得t₀=120.6 v^-0.83。基于不同相变产物对晶粒生长指数n值的影响规律,建立不同冷却速率下n值关于冷却速率的函数关系式并构建了JMAK相变动力学方程。模型预测精度得到提升,对于JMAK方程在描述非等温快速冷却条件下多相转变过程具有一定推动作用。

转炉生产过程中产生的大量烟气具有很高温度且带有大量粉尘颗粒,转炉烟气降温除尘并回收高温烟气中的余热是转炉工序环保、低碳和降本增效的关键。综述了转炉烟气的处理手段,指出了传统余热回收及除尘方法存在的缺陷,分析了新的余热回收方法,设想出3条转炉烟气及产物处理应用的技术路线。目前对中低温度段的转炉烟气余热收集能力较差,传统的OG(Oxygen Converter Gas Recovery)法和LT(Lurgi-Thyssen)法存在煤气回收品质低、热量损失大、除尘效果差等缺点,已无法满足对中低温度段转炉烟气余热回收的技术需求,带有汽化冷却管道喷煤的全干法余热回收法和化学熔盐储能法等为转炉烟气的余热回收提供了新的技术途径。基于现有烟气处理流程,提出以烟气低温余热回收、转炉煤气与蒸汽多元化利用及智能化冶炼为核心的技术路线,旨在高效利用转炉二次能源并减少能源消耗。

随着中国“碳达峰、碳中和”战略的提出与实施,冶金行业面临着巨大的碳减排压力。相比于传统高炉-转炉炼钢,电炉炼钢碳排放更低,是近零碳排放炼钢的重要途径之一。电炉炼钢的主要原料是废钢,其含有的残余有害元素,如铜、锡、砷、锑等对生产流程的顺利进行以及钢铁产品的最终性能有着重要影响。综述了典型残余元素的来源及控制标准、危害机制、脱除及减害控制方法等方面的研究进展。残余元素在钢液凝固过程中产生溶质凝固偏析容易产生内部裂纹,在晶界的偏聚行为使晶界强度下降会导致钢的热塑性变差,或造成第二类回火脆性,此外在钢基体和氧化层之间的富集也会造成表面热脆。配料稀释法作为工业生产中控制残余元素危害的主要手段,成本高且不能从根本上解决残余元素问题。而添加抑制元素如硼、稀土等可以生成残余元素化合物上浮去除,或形成竞争偏聚,降低残余元素危害。

耐火材料作为冶金和建材等高温工业中不可替代的关键基础材料,在服役过程中不可避免地遭受到热-化-力耦合条件下的化学侵蚀和力学损伤(简称蚀损),造成高温炉衬损毁并影响产品生产质量。传统手段多采用事后冷态分析评价方法,难以直接对高温复杂环境下耐火材料的损毁过程进行原位观测,同时易缺少诸如热-化-力耦合条件下的过程信息从而导致分析结果产生偏差。综述了机器视/听觉技术在耐火材料蚀损行为表征评价中的应用研究进展,表明利用数字图像相关(Digital Image Correlation, DIC)和声发射(Acoustic Emission, AE)等非接触式技术,通过实时监测耐火材料蚀损的全场应变及声发射信号,能有效表征耐火材料在多因素耦合条件下的材料蚀损演变过程,对准确揭示耐火材料的损毁机制和服役性能评价提供了新途径,旨在为高品质产品熔炼或生产用优质耐火材料开发提供理论支撑。

718Plus合金是一种新型镍基高温合金,其具有良好的综合力学性能、热加工性和焊接性,广泛应用于航空发动机上的机匣、叶片、紧固件、涡轮盘等热端部件,热处理制度对718Plus合金组织及性能具有较大的影响,同时也会影响后续加工和应用过程。综述了国内外关于热处理制度对718Plus合金组织及性能影响的研究现状,讨论了718Plus合金强化相γ'相的生长规律及强化机制、晶界析出相δ/η相的成分和结构及其数量、形态、析出位置对合金力学性能的影响,并展望材料特性与加工过程的工艺匹配研究必要性,以满足718Plus材料不同零部件制造需求。

高温合金涡轮叶片是航空发动机和地面燃气轮机最关键的热端部件之一,其长期工作在复杂的温度场、应力场及燃气腐蚀环境下,易出现多种类型的损伤。如果将仅存在微小损伤的叶片直接报废处理,将会显著增加航空发动机和地面燃气轮机的维护/维修成本,造成资源的极大浪费,因此开展高温合金涡轮叶片损伤修复技术研究对于降低高温合金涡轮叶片修复制造成本具有重大意义。首先阐述了涡轮叶片损伤修复技术研究的必要性,其次对高温合金涡轮叶片的主要损伤形式进行了分类总结,包括表观损伤和内部冶金组织损伤。对目前各种修复技术进行了总结,包括焊接修复技术、激光熔覆修复技术、激光成形修复技术和恢复热处理技术等,分析了各种修复技术的发展情况、优劣及其适用性;最后对未来高温合金涡轮叶片损伤修复技术的发展方向进行了展望。

高熵合金由于其复杂的化学成分、无序的原子结构、严重的晶格畸变效应等因素影响,使其具有与其他金属材料不同的氢溶解度、氢扩散特性和氢捕获能力,从而表现出优异的抗氢脆性能。为推动高熵合金在抗氢脆领域的发展,通过对现有研究进行梳理,归纳总结了微观组织结构、合金元素、氢的来源和制备工艺对高熵合金氢脆敏感性的影响及其作用机制,发现上述影响因素对高熵合金抗氢脆性能的影响效果存在一个特定的阈值,而具体的阈值需要进一步的实验研究和理论分析。最后介绍了一些抗氢脆高熵合金的设计方法,如晶界工程、引入梯度纳米孪晶结构、引入纳米碳化物/氮化物、通过计算机辅助进行开发设计,并对未来抗氢脆高熵合金研究的工作重点进行了展望。

发展高压储氢材料已成为推进我国氢能建设的关键目标。奥氏体不锈钢(Austenitic Stainless Steel,ASS)由于具有良好的氢脆抗性、成形性和低温韧性被认为是高压储氢容器的优良候选材料。然而,传统ASS中贵金属含量过高,因而不具备大规模应用的经济性条件且ASS的低强度也会造成安全隐患。为此,采用热力学相图计算方法设计了一种ASS(命名为NEASS),并采用慢速率拉伸和多种微观表征方式评价了其抗氢脆性能。结果表明,NEASS的强度和抗氢脆性能比现有的316L不锈钢高出约15%和70%,其在充氢后的变形过程中展现出特殊的多向滑移机制,缓解了局部应力集中现象,从而有效阻碍了氢致裂纹萌生和氢致断裂失效的发生。

随着航空航天技术发展,镍基高温合金返回料积累量日益攀升。为了有效应对我国贵重金属资源的浪费问题并推动循环经济的发展,通过使用先进的净化利用技术,确保返回料的成分和性能达到与新料合金相当的水平,显得尤为关键。但是镍基高温合金种类繁多、成分复杂,返回料杂质和缺陷含量高,加大了净化利用技术难度。概述了镍基高温合金返回料添加比例和返回次数对高温合金成分、组织结构和力学性能的影响,重点讨论了国内外返回料预处理技术和纯净熔炼技术发展现状,总结了返回料纯净度检测方法,并对我国镍基高温合金返回料的循环利用提出了一些建议。

目前钢包用镁碳耐火材料中较高的碳含量会导致耐火材料向钢水中增碳,并且会使材料有较高的导热系数,导致热量的大量损失。降低碳含量则会导致材料的抗热震性能显著下降,而改变碳源的引入方式可以提高材料的使用性能,为降碳工作提供可能。针对上述问题提出了一种以成球造粒法制备球形镁碳复合骨料,并替代鳞片石墨以提高材料抗热震性能的新方法。结果表明:将球形镁碳复合骨料引入到镁碳耐火材料后,材料的力学性能和抗热震性能均有所提高,其中1 100与1 550 ℃热处理后最佳替代量耐火材料的抗折强度与断裂能分别提高了27.93%、15.17%和4.12%、8.84%,热震保持率与残余强度分别提高了9.15%和0.8 MPa,并且热震后的裂纹扩展表现出更多的穿骨料断裂,这主要是球形镁碳复合骨料的加入引入了微裂纹且骨料与基质的同相烧结使基质间结合更紧密所导致的。

以360 m²烧结机配套的环冷机四段出口烟气余热为研究对象,通过烟气换热器将循环水加热后作为有机朗肯循环(ORC)系统热源,建立系统热力学模型和经济模型,研究不同循环工质下ORC热力学参数对系统热力性能和经济性能的影响,并采用基于遗传算法的多目标优化方法确定ORC系统最佳工质和热经济性能。研究结果表明,过热度和蒸发器节点温差越小,蒸发温度越高,系统㶲效率越大。系统发电成本随蒸发温度的增加逐渐变小,而随过热度和蒸发器节点温差的增加先减小后增加。当系统热力参数最佳时,R245fa的系统㶲效率和发电成本均优于R600a和R236ea,应优先被选择为低温烧结烟气余热ORC系统循环工质。此时,ORC系统的最大㶲效率为46.34%,最小发电成本为0.121 23 $/(kW·h)。

针对C-HRA-3耐热合金在700和750 ℃时效后的试样研究了γ′相形貌、尺寸随时效温度和时间变化规律,推导γ′相长大动力学,并尝试预测10⁵ h时γ′相尺寸。结果表明:C-HRA-3合金在700 ℃长时时效11 023 h后,γ′相呈球形均匀分布,750 ℃长时时效11 023 h后,γ′相尺寸增大,形状由球形到部分呈近似球形。随时效时间和温度增加,γ′相尺寸逐渐增大,时效温度影响更显著。获得了C-HRA-3合金中γ′相在700和750 ℃时效后的长大动力学方程,计算γ′相长大有效激活能D_Eff为260 kJ/mol,预测γ′相700 ℃时效至10⁵ h时平均直径约140 nm,750 ℃时效至10⁵ h时平均直径约230 nm。

中国每年产生大量含有较高铝硅含量的工业固废,有望成为冶金行业制备铝硅系轻质耐火材料的原料。总结了尾矿、冶金废渣、尘泥、粉煤灰、煤矸石等工业固废在制备轻质骨料方面的研究现状,通过对比总结了人工骨料替代天然骨料制备轻质耐火材料的性能优势,对制备轻质耐火材料中的轻质骨料微孔化与基质均匀化的相关研究进行了总结,阐明了使用工业固废骨料制备轻质耐火材料的合理性与发展前景,提出了开发固废骨料制备轻质耐火材料新工艺、新技术的需求,以及不断改善铝硅系轻质耐火材料的绝热性能与抗渣侵蚀性能的方式,以实现工业固废资源的高效利用以及冶金高性能耐火材料的轻量化和功能化发展。

水溶液电解制铁作为一种湿法冶金技术,旨在将铁的化合物通过电解还原制备纯铁,具有显著的环境和能源优势。近年来,随着材料科学、电化学技术和能源技术的不断进步,水溶液电解制铁工艺技术取得了显著研究进展,但仍存在一些技术瓶颈,如电解产品中的气体元素含量高,需要进行后续处理才能获得更高纯度的铁;电解液的稳定性较差,亚铁离子容易氧化变质等。从电解铁特性出发,阐述了电解制铁的原理,综述了电解制铁工艺参数及设备的研究进展,并针对技术瓶颈,提出相应解决方案,如提高电解温度降低产品中的气体元素含量,从而缩短工艺流程;添加稳定剂(抗坏血酸、柠檬酸钠)等,抑制亚铁离子氧化等。最后对电解制铁的未来发展提出建议与展望,如改进电解设备、缩短工艺流程等方面来节约能耗,开发智能系统进行实时监测等。

转炉冶炼机制模型飞速发展但仍存在不少问题,如模型参数与实际吹炼和加料工况脱节、预测结果与实际情况不符等。以转炉熔池多反应区域、最小吉布斯自由能理论、热力学和动力学耦合反应等分析方法为基础建立冶金模型已逐渐成为业界共识。分析了转炉熔池反应过程钢液和炉渣成分变化,论证了冶炼过程冶金规律共性问题。通过解析熔池反应重要特征,提出了冶炼过程FeO积累和消耗同步变化机制、反应界面层平衡状态和冶炼过程渣料成渣路线。基于转炉多反应区域理论划分熔池为“气体-钢液”射流冲击区、“炉渣-金属液滴-炉气”乳化区和“炉渣-钢液(金属液滴)”炉渣区。建立了3个反应区域动态调控的氧分配模型,其取值范围为10%~20%:45%~65%:40%~25%。基于熔池混匀搅拌转炉反应三区模型的应用研究表明,当量综合搅拌能在0.60~0.75范围时,反应界面当量传质系数变化区间为1.019~1.024。

钢铁工业是中国国民经济的重要基础产业,作为碳排放的大户,年碳排放量达13亿t,占全国碳排放总量的15%,而钢渣的产生量也达到1.5亿t。利用钢铁企业自身产生的大宗钢渣来消纳大量的CO₂,实现以废治废,为捕获的CO₂找到应用出口,实现钢铁行业的深度脱碳可行化。综述了直接固碳和间接固碳两大类三小项钢渣固碳技术的主要优点及存在的问题,指出热态钢渣直接固碳技术和冷态钢渣间接固碳技术均是双碳背景下符合中国国情的钢渣固碳技术,热态钢渣直接固碳技术能更好地和钢铁企业现有的钢渣处理技术所嵌合;冷态钢渣直接固碳技术由于反应温度较低,固碳量效率和固碳量相对较低,但能更好地实现钢渣的高附加值利用。

通过光学显微镜、场发射扫描显微镜和力学性能测试,研究了固溶温度对一种高γ′相含量镍基高温合金显微组织及拉伸、持久和高周疲劳性能的影响。结果表明:热轧变形组织在固溶过程中发生完全静态再结晶,再结晶晶粒在1 120和1 130 ℃时保持均匀细晶,在1 150和1 190 ℃时发生明显粗化且均匀性较差。随固溶温度升高,晶界一次γ′相含量逐渐降低,二次γ′相数量增加和尺寸降低,直至超过γ′相全溶温度(约1 137.3 ℃)。晶粒尺寸和晶内γ′相含量和分布共同决定合金的力学性能。室温和850 ℃拉伸强度随固溶温度升高先增大后减小,细晶组织的室温拉伸塑性较高,粗晶组织的850 ℃拉伸塑性稍微好。850 ℃/350 MPa持久寿命受固溶温度的影响,再结晶晶粒越粗大,持久寿命越长,持久塑性越高。850 ℃高周疲劳寿命随固溶温度升高先缓慢增加后下降,经1 130 ℃固溶的热处理组织具有较高的高周疲劳寿命。

取向电工钢(Grain Oriented Electrical Steel, GOES)是现代电力能源系统建设的重要基础材料之一,在高效能输变电中发挥着至关重要的作用。由于其制备过程复杂、装备功能精度要求高且工艺控制难度大,实现高性能取向电工钢的生产需要在制造装备及工艺技术方面同步取得重大突破。阐述了取向电工钢在成分设计、显微组织控制及加工工艺等全流程中的技术进展和发展水平。具体分析了取向电工钢中各类合金元素的作用及实现目标成分的关键制备技术;总结了其在轧制和热处理过程中的显微组织演变规律;探讨了轧制和热处理过程中关键工艺参数对显微组织的影响;并概述了关键后加工涂层和磁畴磁化技术的特点。最后结合取向电工钢发展面临的严峻挑战,阐明了该领域未来的研究方向和发展趋势。

耐火材料作为钢铁冶炼用高温窑炉的内衬,对其提高热效率、降低能耗起着至关重要的作用。近年来,先进钢铁冶炼用耐火材料轻量化的研究受到广泛关注。基于此,根据轻量化耐火材料的种类,综述了先进钢铁冶炼用轻量化耐火材料的研究进展,以期指导长寿轻量化耐火材料的设计和开发,促进先进钢铁冶炼用高温窑炉的节能减排。耐火材料的轻量化可通过引入轻量骨料和密度梯度的结构设计实现。轻量化耐火材料具有较低的热导率和体积密度,较好的隔热性能,可直接作为工作层使用。轻量化耐火材料的制备技术、种类及损毁机制尚需深入研究。

超高料层烧结是钢铁行业减碳的重要措施,但随着料层高度增加,产品质量严重不均,对高炉冶炼产生不利影响。通过对10余台料高不小于900mm的烧结机台车取样分析发现,烧结矿质量不均主要体现在台车纵向、横向及台车间,其根本原因在于台车上混合料粒度、成分和热量的不合理,无法实现均质成矿。针对以上问题,研究构建了均质烧结理想料层结构,开发出基于液相成分调控的优化配矿技术、强化混匀制粒技术、混合料仓-台车协同布料技术、风量重构烧结技术等,通过优化烧结液相成分范围,调控料层液相生成与热量相匹配,提高热量与风量的利用效率,实现均质成矿。系列技术实施后,烧结固体燃耗降低1.2~7.9kg/t;烧结矿转鼓强度提高3%~6%、极差减少至5.08%;烧结矿冶金性能改善,RDI_+3.15mm提高10%、RDI_-0.5mm极差减小至1.99%;高炉利用系数提高,每吨铁燃料比最高降低6.58kg/t。

石灰在炉渣中快速溶解以迅速提升炉渣碱度对炼钢高效脱磷和节能降耗十分重要。通过高温溶解实验和渣-金反应脱磷实验开展了石灰和石灰石在炉渣中溶解脱磷行为的对比研究。结果表明:石灰加入熔渣初期溶解迅速,随后溶解速率逐渐下降。石灰石在溶解的初期由于大量CaCO₃分解产生的CO₂阻碍了渣和分解后形成的表面石灰层的接触,导致前期溶解缓慢,后期CO₂起到了很好的加快石灰溶解的作用。脱磷反应与渣中CaO含量快速提升有着重要的关联性,石灰由于后期溶解缓慢,导致脱磷速率不高,金属液中的磷含量较高。在石灰石造渣脱磷前期脱磷效率不高,后期由于石灰石加快溶解,脱磷反应传质系数较前期提高约11.6倍,较石灰造渣脱磷提高约6.6倍。

轧机刚度对板厚、板形的控制以及轧制的稳定运行有着重要影响。为研究1850炉卷轧机在实际轧制过程中的轧机系统刚度以及轧制力变化,基于有限元分析,在极限轧制情况下考虑轧制温度影响,建立炉卷轧机轧制过程热力耦合模型,计算多因素影响下轧机运行过程中刚度、关键部位的应力应变情况等。根据轧制规程中最大轧制力进行3组有限元模拟,轧机各部件的变形量随着轧制力的变化而上下波动,基于轧制过程中各时刻轧制力、垂直方向总变形量计算了轧机系统的实时刚度,并利用轧制力平均值与总形变量平均值,得到的轧机刚度分别为6 078、6 089、6 077 kN/mm。结果表明,即使3组轧制规程中的平均轧制力与总形变量各不相同,但刚度值基本一致。

为建立不同温度和应力服役条件下18%~25%(质量分数,余同)Cr奥氏体耐热钢的成分-热处理工艺-持久性能的关系,以9种奥氏体耐热钢的成分、热处理工艺、持久试验断裂时间和持久试验温度作为输入参数,持久强度作为输出参数,并利用SHAP值和最大边缘相关性筛选特征,建立基于BP神经网络的18%~25%Cr奥氏体耐热钢持久性能预测模型。结果表明,相比于传统方法,该模型可构建18%~25%Cr奥氏体耐热钢体系在复杂服役条件下的成分-热处理工艺-持久性能的映射关系,实现不同18%~25%Cr成分的钢种的持久性能精准预测。针对具体钢种,结合BP神经网络模型和热力学计算方法可从组织-性能角度进一步筛选和优化其成分组合。

利用扫描电子显微镜(SEM)系统地研究了不同球化退火保温时间,Fe-Mo-Cr-C合金钢中碳化物在数量、尺寸、成分上的区别。结果表明退火时间较长的试样硬度偏高的原因是在奥氏体化过程中溶解更多的共晶碳化物,而在冷却过程中析出数量更多、尺寸更小的M₆C(Fe₃Mo₃C)型二次碳化物。第一性原理计算表明,在退火状态Fe-Mo-Cr-C合金钢的碳化物中,Fe₃Mo₃C的综合性能最好,有利于提升钢的综合力学性能。高、低能级差异和Fe-d、Mo-d、C-d、C-p轨道杂化的差异是造成Fe₃Mo₃C在结构稳定性和力学性质上均优于同为M₆C型碳化物的Fe₂Mo₄C的原因。研究了球化退火过程中碳化物对钢力学性能的影响,可为其他模具钢材料在热处理工艺方面提供一定的理论基础。

转底炉法是处理钢铁厂含锌粉尘的主要工艺之一。针对含锌粉尘转底炉工艺目前存在的金属化球团产品堆放易发热、易自燃,导致产品储运和使用难等问题,开展了含锌粉尘金属化球团钝化技术研究。结果表明:金属球团在冷却和储存时高活性的海绵铁与水发生原电池反应生成氢气,同时铁的氧化放热造成料堆内部温度升高,是造成金属化球团自燃和发热的主要原因。与自然钝化、喷洒CaCl₂、石灰水等方案相比,使用MgCl₂溶液(质量分数为5%)喷淋含锌粉尘金属化球团具备更好冷却和钝化效果,其处理后的金属球团储存360 h后的氧化增重率仅为1.42%,球团金属化率下降不到12%。扩大试验证明了该钝化技术在实际生产中具备可行性,为含锌粉尘转底炉工艺生产的金属化球团产品安全储存提供了有效的解决方案。

为了进一步探究钙处理的影响,在国内某钢厂Q355含钛铝镇静钢精炼过程开展工业试验,通过调整喂钙线量研究不同Ca添加量对钢中非金属夹杂物以及洁净度的影响。结果表明,精炼过程夹杂物会向液相CaO-Al₂O₃夹杂物演变,不同钙线喂入量不会影响夹杂物的演变趋势。钙处理后钢中全氧含量升高,夹杂物平均尺寸减小,但会导致钢中大尺寸CaO-Al₂O₃夹杂物出现的频率增加,同时也加剧了耐火材料的侵蚀与剥落。在保证钢液可浇性的前提下,尽可能减少喂钙线量对钢液洁净度是有利的。如果没有钢液可浇性问题,甚至可以考虑取消钙处理。

为了探究奥氏体化工艺对Nb-Ti微合金钢奥氏体晶粒长大行为的影响,通过热模拟实验研究了实验钢在奥氏体化温度(1 140～1 220 ℃)和保温时间(180～540 s)范围内奥氏体晶粒长大行为,并建立了奥氏体晶粒长大及分布的数学模型。结果表明,当保温时间一定时,随着奥氏体化温度的升高,奥氏体晶粒尺寸逐渐增大其分布趋近于均匀化;当奥氏体化温度一定时,随着保温时间的延长,奥氏体晶粒增长速率减慢,晶粒尺寸分布同样趋于均匀化;建立的奥氏体平均晶粒尺寸及其分布的数学模型均与实测值拟合良好;耦合出不同奥氏体化工艺条件下实验钢的奥氏体平均晶粒尺寸和晶粒尺寸分布参数的等高线图,为确定合理的实验钢奥氏体化工艺奠定了理论基础。

为满足实时获取钢包底吹精炼三维流场数据的需求,建立了一种基于计算流体力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)和本征正交分解(Proper Orthogonal Decomposition, POD)的钢包底吹三维流场快速预测模型。通过建立钢包底吹数值模型和水模型对其进行了模拟计算和实验,并建立了钢包单底吹的三维流场数据集,采用POD方法对数据集进行了模态与模态系数提取,通过反向传播神经网络(Back Propagation Neural Network, BPNN)构建了工况参数与模态系数间的映射关系,实现了对未来时刻钢包底吹内速度场和三相体积分数的快速预测。结果表明:所建立模型可以通过少量模态重构出钢包内流场的主要特征。POD-BPNN预测模型的计算结果准确率较高,计算结果平均相对误差均在4%以内。模型计算速度快,获取钢包内流场的平均计算时间由CFD全阶模拟所需的约246 h减小至快速预测模型所需的约54.6 h。

非平衡偏聚的微观机制尚未完全阐明,其关键物理参量是溶质-空位结合能。该结合能与界面偏聚、扩散等物理现象密切相关,但实验数据难以获得。根据第一性原理密度泛函理论建立了基于双层反铁磁结构的fcc Fe中溶质-空位结合能的数据库。对该结合能的相关性分析表明,对于过渡金属元素,第一最近邻的溶质-空位结合能与杂质体积之间存在最强相关性,而对于主族元素,第一最近邻的溶质-空位结合能与电负性之间存在最强相关性。计算结果成功解释了B、P、S元素容易出现非平衡晶界偏聚现象的微观本质,预测出Si和As也很有可能形成溶质-空位复合体,有待实验检验。结果不仅揭示了非平衡晶界偏聚的微观机制,而且为合金化元素在晶界工程中的应用提供了科学依据。

转炉炉口火焰的颜色和纹理与转炉碳含量及温度存在密切的联系,通过火焰特征提取和神经网络模型预测转炉碳温为转炉终点控制提供了新的思路。基于转炉炉口火焰光谱数据集以及PSO-ELM神经网络建立了转炉碳含量及温度预测模型。针对原始光谱中含有较多的噪声、杂散光等问题,采用小波算法对光谱数据集进行降噪处理。由于炉口火焰光谱数据量大,冗余信息较多,采用Skowron差别矩阵的属性约简算法从给定的2 048维波长数据中找到对决策结果具有显著影响的8个特征指标。通过计算8个特征指标的MIC系数,证明所选指标具有独立性与非共线性,避免了因为指标之间高度相关导致建模不稳定以及过拟合的风险。基于PSO-ELM算法建立了预测模型,针对ELM在初始化时随机产生输入权值和隐含层阈值的缺陷,采用粒子群算法进行了优化。通过将PSO-ELM模型应用到转炉碳温的预测中,实例验证表明该模型在碳温预测上的精度较高,预测效果良好,适用于转炉碳温预测,有较好的工程应用前景。

无取向硅钢中微米级和纳米级硫化物对钢的磁性都有较大的影响。为了掌握钢液深度脱硫对成品无取向硅钢夹杂物特性和磁性能的影响机制,借助SEM/TEM-EDS和图像分析软件,研究了硫含量不同的成品钢中夹杂物和析出相的组成、数量和尺寸变化,并检测了成品的磁性能。结果表明,实验钢中主要的夹杂物是单独的AlN、(Al,Si)_xN_y、MnS及AlN/(Al,Si)_xN_y-MnS复合夹杂物,存在少量MgO·Al₂O₃为主的复合氧化物或氧化物-MnS的复合夹杂物和以Cu_xS和MnS-Cu_xS复合物为主的析出相。钢中硫含量降低,硫元素在凝固前沿的偏析减少,钢中氮-硫复合夹杂物数量减少。硫含量越低的试样,钢中铝和氮含量相对更高,氮化物数量增加。脱氧充分的实验钢中硫含量变化对钢中氧化物、硫化物、氧-硫复合夹杂物数量影响较小。在钢液凝固过程中,MnS的析出量随着钢中硫含量降低依次减少,改变了含MnS类夹杂物的析出数量和尺寸,导致夹杂物总量减少,夹杂物尺寸分布不均匀。MnS夹杂物含量的差异主要来源于钢液凝固分率高于0.7以后钢液中[S]在凝固前沿的偏析。当钢中的硫质量分数降低到15×10^-4%及以下后,硫元素在钢液凝固前沿的偏析差异很小。硫质量分数为10×10^-4%的钢中夹杂物和析出相的数量较少,主要为2.0 μm左右的小夹杂物和平均尺寸为52 nm的细小析出物,对应的成品钢的磁性能最好,B₅₀=1.751 T,P_1.5/50=4.16 W/kg。钢中硫质量分数降低到5×10^-4%后,钢的铁损反而升高了0.27 W/kg,磁感减小了0.040 T,一定程度上与钢液深度脱硫导致钢中铝和氮含量及3 μm以上夹杂物增加有关。冶炼工序过度降低无取向硅钢的硫含量反而劣化了钢的磁性能。

为了探究2507双相不锈钢中铝含量对氧含量及夹杂物影响,使用实验室真空感应炉熔炼不同Al含量的钢锭,检测钢中的O含量,使用扫描电镜和能谱仪观察夹杂物的形貌、成分及尺寸,对实验结果进行了分析统计,并利用FactSage软件计算Al含量对夹杂物种类与含量的影响。在Al含量对O含量影响的研究中发现,钢中O含量先随Al含量的增加迅速降低,并逐渐转变为随Al含量的增加而升高,在Al质量分数为0.1%~0.3%时,O质量分数保持在0.001%左右。在Al含量对夹杂物影响的研究中发现,Al_t质量分数小于14×10^-6时,钢中Al的含量不足以生成Al₂O₃类夹杂物,钢中Si、Mn和Cr元素会与O反应生成SiO₂-MnO-Cr₂O₃类夹杂物。当Al_t质量分数达到44×10^-6时,钢中除了SiO₂-MnO-Cr₂O₃类夹杂物外,还开始出现聚集的Al₂O₃类夹杂物,同时,观察到由于Al不足而未被Al完全还原的SiO₂-MnO-Cr₂O₃类夹杂物。当Al_t质量分数高于98×10^-6时,此时钢液中的Al足以将SiO₂-MnO-Cr₂O₃类夹杂物全部还原,观察到钢中夹杂物全部为Al₂O₃类夹杂物。另外,统计了不同Al含量下钢中夹杂物尺寸,发现当钢中Al含量较低时,SiO₂-MnO-Cr₂O₃类夹杂物的平均尺寸大于Al₂O₃夹杂物的平均尺寸;而随着钢中Al含量的不断升高,Al₂O₃夹杂物的最大尺寸和平均尺寸都逐渐增大。根据热力学计算的结果,为了获得较低O含量及及较小夹杂物尺寸的2507双相不锈钢,需要将钢中铝质量分数控制在72×10^-6以上。

针对国内某企业多元加废钢冶炼模式下,钢液的“脱硫与回硫”现象,对精炼渣系成分进行合理优化。首先,利用热力学软件FactSage 8.1,在1 600 ℃温度条件下,对CaO-SiO₂-Al₂O₃-5%MgO渣系与Q235钢液平衡时的等氧线进行模拟计算;同时利用精炼渣的光学碱度计算出该渣系的硫容量和硫分配比,用来评估精炼渣的脱硫性能。其次,在实验室中设计出5组精炼渣,进行高温钢渣平衡试验,对试验后精炼渣进行XRF成分检测,对钢样采取电感耦合等离子体原子发射光谱(ICP-AES)、氧氮分析仪及碳硫分析仪进行元素检测,利用场发射扫描电子显微镜分析了钢样中夹杂物的形貌和成分,并对其数量及尺寸进行统计分析。最后进行工业试验加以验证。结果表明,通过优化渣系组成,其中CaO、SiO₂、Al₂O₃和MgO质量分数分别控制在47.7%~55.2%,0~20.5%,26.85%~55%和4%~7%范围内,能将钢液中溶解氧控制在0.001%(质量分数)以内。选取成分为54.27%CaO-7.43%SiO₂-33.3%Al₂O₃-5%MgO的渣系,脱硫率可达54.73%,钢中TO亦可降至0.002 1%(质量分数),试验结果验证了热力学计算的准确性。

低压渗碳技术用于第三代超高强齿轮钢表面处理时会存在碳化物聚集、奥氏体软层、渗层质量与渗层厚度矛盾等工艺问题。研究了引入“二次渗碳”工艺对1 900 MPa级航空用低压渗碳齿轮钢的渗层质量、硬度与显微组织的影响。利用SEM、XRD、EPMA、EBSD和TEM等方式对渗层至芯部组织进行了精细表征。结果表明,引入“二次渗碳”工艺后,渗层无网状碳化物,整体碳含量增加,渗层硬度提升约20 HV,相同深度位置的微米级块状或条状富Cr碳化物增多,且位于表层的碳化物类型由M₂₃C₆为主转变成M₇C₃为主,亚微米尺寸M₆C球形碳化物略微减少,亚微米M₂₃C₆、纳米MC及M₆C碳化物大量生成。同时渗碳外壳层变厚,过渡层变窄。此外,“二次渗碳”试样芯部的硬度略微降低,原因是位错密度降低所致。

高炉喷煤技术是降低炼铁生产成本和提升高炉冶炼效率的主要措施。生物质作为一种可再生的低碳能源,将其用于高炉 (Blast Furnace, BF)喷吹工序是实现低碳炼铁的关键技术之一。以3种工业化生产的生物质水热炭为研究对象,探究了低品质生物质燃料水热提质产物应用于高炉喷吹的可行性。结果表明:生物质水热炭具有较高的挥发分含量和较低的发热值,橘子皮和橄榄渣水热炭具有较低的灰分和碱金属含量,可以作为烟煤的替代物进行高炉喷吹。生物质水热炭混煤实验表明,生物质水热炭具有强爆炸性,无烟煤与生物质水热炭混合能够有效抑制爆炸性。当生物质水热炭的配加比例小于20%时,混合样品无爆炸性。生物质水热炭具有较低的着火点和优良的燃烧性能,随生物质水热炭掺混比例的增加,混合样品着火点降低,燃烧曲线向低温区移动,燃烧性逐渐得到改善。研究表明,以橘子皮和橄榄渣为原料生产的生物质水热炭可以作为高炉喷吹燃料使用,混煤中生物质水热炭添加比例控制在20%以下为宜。

为了满足高功率密度柴油机机体和汽缸盖材料的高温性能要求,研究了柴油机缸盖用高强度蠕墨铸铁在经过不同热暴露温度350、500 ℃和不同保温时间0~1 000 h处理后的力学性能和显微组织的变化。结果表明:热暴露后蠕墨铸铁试验件的抗拉强度R_m随着保温时间的增加而减小,伸长率A随着保温时间的增加而增大;350 ℃热暴露、保温1 000 h时,试件的室温抗拉强度R_{m(25 ℃)}和伸长率A_{25 ℃}比未保温时分别减小了20.0%和增大了41.7%,高温抗拉强度R_{m(200 ℃)}和伸长率A_{200 ℃}比未保温时分别减小了20.2%和增大了125%;500 ℃热暴露、保温1 000 h时,试件的室温抗拉强度R_{m(25 ℃)}和伸长率A_{25 ℃}比未保温时分别减小了46.7%和增大了36.1%,高温抗拉强度R_{m(200 ℃)}和伸长率A_{200 ℃}比未保温时分别减小了14.6%和增大了50%;随着热暴露时间的增加,蠕墨铸铁基体组织中的珠光体量逐渐减少,铁素体量逐渐增多,是造成组织和力学性能变化的主要原因。

采用ThermoCalc计算软件、透射电镜、拉伸试验机等设备对Q890高强度结构用钢进行了热动力学计算、显微组织观察和力学性能测试,从而探究不同两相区淬火温度和回火温度对试验钢微观组织和析出相的影响规律。结果表明:随着两相区淬火温度(840、800、760 ℃)降低,试验钢铁素体相占比升高;析出相体积分数和平均直径降低,而粒子种类增加。840和800 ℃淬火后的试验钢力学性能相近,而当两相区淬火温度降低至760 ℃后,试验钢屈服强度降低约200 MPa,伸长率提高至18.5%。随着回火温度(200、400、600 ℃)的提高,试验钢位错密度降低,基体软化;析出相粒子种类增加,平均直径和体积分数增大;试验钢屈服强度(1210、1120、817 MPa)逐渐降低,断后伸长率逐渐提高(14.0%、14.2%、21.8%)。

底吹钢包控制渣眼大小可改善钢液质量。基于钢包底吹氩气工艺,通过耦合离散相(DPM)模型和多相流(VOF)模型,建立三维非稳态多相流水模型,并通过1∶5水模型对数值模拟计算得到的渣眼大小和渣眼界面速度进行验证分析。研究了不同参数(底吹流量、油层厚度和底吹位置)对渣眼大小和渣眼界面速度分布的影响。最后以数据拟合手段获得无量纲渣眼面积和无量纲流量之间的关系。结果表明:渣眼面积随着喷吹流量增加和油层厚度减小而逐渐增大,底吹流量越大越明显;喷嘴的偏心距越远,渣眼面积随喷吹流量的变化越显著;对于偏心底吹此时存在一个流量极值,当喷吹流量达到这个值后渣眼面积反而减小——油层厚度25mm,喷吹流量2.26 L/min的渣眼面积相比于1.87 L/min的渣眼面积减小了180 cm²。

温度和应力之间的耦合作用会导致耐火材料产生过大变形,从而危及炉衬结构的稳定性。因此,精确测量变形对于窑炉寿命的设计和预测至关重要。荷重软化温度和蠕变率是评估耐火材料在低应力水平下高温压缩变形的主要方法。然而,将这些方法直接应用于高应力水平工况可能导致顶杆弯曲、断裂和垫片变形等问题。为解决这一难题,提出了基于压力机软件的位移记录功能的基线校准法,用于测试耐火材料在高温下的压缩变形,并详细阐述了该方法的原理和合理性。根据粘土砖和荷重软化温度,测量其不同温度下高温耐压强度,对比其测量偏差,最小为3.2%。利用CT技术检测试验后样品内部孔隙分布,其闭气孔率从3.43%增加至8.10%,并结合物相和典型形貌分析,进一步表明基线校准法具有较高的准确性和实用性。根据试验结果提出了高温耐压强度的判断依据和定义,为耐火材料的研究以及高温窑炉炉衬的设计提供了理论支持。