侵彻战斗部壳体用材料要求高的强度和韧性,有着低成本、优异强韧性的超高强度钢成为侵彻战斗部壳体的首选材料。首先综述了该类材料的典型钢种、成分、性能和发展历程,重点阐述了典型超高强度钢的强韧化机制,探究了其对材料的性能需求。接着介绍了低合金超高强度钢与二次硬化超高强度钢的强韧化机制,“多相、亚稳、多尺度”组织调控,纳米复合沉淀等强韧化方法和机制,分析了该类材料的研发难点。最后探讨了高纯净度、高组织均匀度、多相组织调控和低成本的发展方向。

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。

水口吹氩可减缓连铸过程中水口堵塞,但会带来铸坯皮下气泡和钢-渣界面波动加剧风险。基于水口碗部吹氩工艺,通过耦合DPM离散相模型和VOF多相流模型,建立三维中间包-水口-结晶器数学模型,并通过1∶2比例水模型对数值模拟计算得到的气泡羽流形貌和气泡尺寸分布进行验证。研究了吹氩量、拉坯速度和水口浸入深度等工艺参数对结晶器内钢液流动、不同区域气泡尺寸分布和钢-渣界面波动的影响。结果表明:低吹氩量下,出侧孔钢液形成冲击窄面的下部流股和冲击钢-渣界面的上部流股,大尺寸气泡分布于1/2和1/4宽面的水口临近区域;增大吹氩量,流股在窄面冲击点位置上移,水口临近区域出现渣眼并逐渐增大,1/2宽面大尺寸气泡数目先增大后减小,近壁面处小尺寸气泡数目大幅增加;低拉速下,结晶器内钢液流动呈单环流模式,气泡集中分布于水口临近区域并形成较大面积渣眼;增大拉速有利于气泡在结晶器内均匀分布,水口附近渣眼面积减小,但近窄面区域小气泡数目增多;低水口浸入深度,气泡易从水口临近区域上浮,增大水口浸入深度有利于降低近壁面处小气泡数目。

软磁材料是实现电子元器件上游配套关键产业技术突破的重要能源材料之一。高性能软磁材料的开发和研究对于节能、降耗和“中国制造2025”实施等具有重要意义。高熵合金由于Fe、Co和Ni等磁性元素掺杂具有大的磁特性调节范围,因此高熵合金有望成为性能优异的软磁材料。着重综述了影响高熵合金磁性能的关键因素,强调了高熵软磁合金磁特性对化学成分、制备工艺参数和相结构非常敏感,同时明确了热处理是改善高熵合金微观组织,优化其磁性能的主要手段。此外,基于理论模拟方法从原子尺度阐释了影响高熵软磁合金磁特性的内在机制,进一步厘清了高熵软磁合金磁性与磁畴间的依赖关系。最后凝练了目前部分高熵软磁合金发展存在的科学问题,并简要概括了未来高熵软磁合金发展需要关注的方向。

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)。

随着Ni、Mo等价格飙升,开发节约Ni、Mo型高性能不锈钢势在必行。研究基于S32654的成分,利用加压冶金和合金设计手段开发了24.5%Cr-17%Ni-5%Mn-6.3%Mo-0.7%N新型超级奥氏体不锈钢,研究了该钢的析出行为和力学性能。结果表明,在800~1 050 ℃随时效温度升高,由Cr₂N和σ组成的胞状相先增多后减少,900 ℃为鼻尖温度。固溶试样(1 200 ℃-30 min)极限拉伸强度(UTS)、屈服强度(YS)和伸长率分别为958 MPa、517 MPa和77.4%。在900 ℃随时效时间延长,胞状相充分形核生长,促进晶间开裂,导致钢UTS和伸长率降低(时效120 min两者分别为797 MPa和13%),YS先降后升。时效5 min,晶界析出消耗Cr、Mo、N等强化元素,导致YS降至492 MPa。在30 min及更长时间时效后,胞状相增多、长大,析出强化作用增强,导致YS提高(时效120 min为535 MPa)。

采用微观组织表征、力学性能测试等试验研究了Mn含量及固溶温度对17Cr-2Ni-0.2N-xMn型双相不锈钢组织演变及力学性能的影响。结果表明,Mn、Ni、N三种奥氏体形成元素中,Mn对奥氏体-铁素体两相平衡温度影响最小,但对奥氏体稳定性的影响显著,Mn含量的增加减少了淬火马氏体的含量,同时抑制变形过程中形变诱导马氏体相变的发生,提高了材料的塑韧性,当Mn质量分数为3%时可以达到35.5%伸长率、944 MPa抗拉强度、139 J室温KV₂冲击功的力学性能组合;通过合理的合金元素配比,17Cr型双相不锈钢经高温固溶后获得了近等轴的两相混合组织;研究的17Cr型双相不锈钢综合力学性能优异,固溶态最高抗拉强度超过1 200 MPa,最大断后伸长率大于50%,室温冲击韧性204 J,-10 ℃低温冲击韧性99 J。

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。

在追求汽车工业中使用的马氏体钢的高强度与高塑性的平衡时,研究提出了一种新的快速回火工艺。通过对新设计的中碳马氏体汽车钢进行快速回火处理,并与传统回火工艺进行对比,探讨了该工艺对钢材组织和性能的影响。研究采用了电子万能试验机、数字图像相关法、X射线衍射、电子背散射衍射和场发射扫描电子显微镜等先进技术,揭示了快速回火工艺通过维持高位错密度和细化析出碳化物来保持马氏体的高强度。实验结果显示,该工艺在不牺牲塑性的前提下,成功提高了材料的抗拉强度和屈服强度,在400 ℃快速回火时分别达到1 616和1 466 MPa,比传统工艺分别提高了10.2%和12.5%,同时保持了超过10%的伸长率。当回火温度为300 ℃时,马氏体汽车钢在保持高伸长率的同时,抗拉强度接近2 000 MPa。这一发现不仅为高强度马氏体汽车钢的制备提供了新思路,也为未来汽车工业的材料选择提供了重要参考。

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。

烧结是整个钢铁工业生产中一个不可缺少的环节,烧结过程中参数的变化会直接影响烧结矿的质量和产量。以某钢厂150 m²烧结机为研究对象,用Fluent仿真模拟软件对烧结工艺参数进行模拟,通过建立合适的物理数学模型,依据现场实际数据来模拟料层内温度场变化的规律,并采用单因素分析法,研究配碳量、孔隙率、料层厚度及抽风负压等参数对达到烧结终点所需时间的影响,确定了最佳工艺参数。研究结果表明:增加配碳量,达到烧结终点所需时间变短,在配碳量(质量分数)为4.23%时烧结终点位置最佳;增加料层孔隙率,达到烧结终点所需时间变短,当孔隙率为0.49左右时,烧结终点位置最佳;增加料层厚度,达到烧结终点所需时间延长,当料层厚度达到734.13 mm时,垂直烧结速度达到最大为0.321 mm/s;提高抽风负压,达到烧结终点所需时间会缩短,当抽风负压达到15 kPa时,垂直烧结速度最佳。在优化后的工艺参数下烧结矿的质量和产量得到了提高。

为了研究06Cr18Ni11Ti奥氏体不锈钢电渣重熔过程中关键元素Al和Ti的热力学平衡,建立了基于分子离子共存理论(IMCT)的热力学模型,推导出针对该钢种的无TiO₂四元渣系(Al₂O₃-CaO-MgO-CaF₂)的IMCT计算公式,并计算了渣系各组元以及钢中初始Al含量对Al、Ti平衡的影响。结果表明:过量的Al₂O₃会造成Ti元素的烧损;而过量的CaO则会造成Al元素的烧损;CaF₂和MgO对Al、Ti平衡影响较小,可以利用其来调节渣系的黏度、熔点及比电阻等物性参数;冶炼温度升高会导致平衡Al含量增加,而平衡Ti含量降低;初始Al含量越高,平衡状态下的Al、Ti含量就越高。

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。

对自然碱度及碱度0.3~1.2球团矿进行了管式炉焙烧试验,对比了温度及碱度对球团矿抗压强度的影响,并应用SEM-EDS,对自然碱度、碱度0.4、0.6、0.8、1.0的球团矿进行了矿相分析。采用FactSage软件对Fe₂O₃-SiO₂-CaO体系可能的生成物进行了计算,并结合相图,对上述试验结果进行了分析验证。结果表明,对于碱度0.3~1.2的球团,随着碱度的升高,其抗压强度呈明显的升高趋势,低碱度球团矿焙烧时首先生成的是少量含钙硅酸盐矿物,然后随着碱度的升高,焙烧时进一步生成硅酸钙类矿物及铁酸钙系矿物。

利用价格相对低廉、资源丰富的赤-褐铁矿对于扩大球团原料来源、促进钢铁工业绿色转型具有重要的现实意义。针对某进口赤-褐铁矿(AM),研究了其湿式磨矿-沉降-过滤特性,同时对模拟链篦机-回转窑工艺条件下的球团焙烧行为、冶金性能和球团矿相特征进行了实验室实验和现场工业试验,揭示了配加AM对原料预处理和球团生产的影响规律。结果表明:AM属易磨矿石,由于含有褐铁矿,导致湿式磨矿后较难沉降、难过滤,实际生产中可通过与硬质铁矿搭配使用以改善沉降和过滤性能;当AM的磨矿细度(粒度小于0.074 mm质量分数)控制在70%~80%、混合精矿比表面积为1 500 cm²/g时,AM配比(质量分数)在0~40%范围内均可制备出抗压强度高于2 500 N/个、RI＞60%,RDI_+3.15＞97%,RSI＜20%的成品球团;但随着AM配比由0增加到40%,球团预热和焙烧温度需分别提高50 ℃。现场工业试验进一步验证了实验室结果,在链篦机-回转窑球团工艺热工制度基本稳定的条件下,AM配比宜控制在17%以内可获得良好的技术经济指标,继续提高AM配比则工序能耗将趋于增加。

高压辊磨预处理可改善球团矿质量,然而其机械活化效果受许多参数影响。研究了不同给料水分下高压辊磨对钒钛铁精矿性质、成球与焙烧性能的影响,确定了钒钛铁精矿高压辊磨机械活化的适宜润湿程度。结果表明:当给料水分质量分数由5.5%提高至8.5%,高压辊磨后钒钛铁精矿粒径先减小后趋于稳定,比表面积增大,亲水性和成球性增强。但给料水分含量的增加不利于含铁矿物与脉石之间的解离,钛磁铁矿解离度降低。当给料水分质量分数为6.5%~7.5%时,高压辊磨机械活化作用最强,此时钛磁铁矿晶粒尺寸最小,晶格畸变率最大,并且制备的钒钛铁精矿球团质量指标最优。适宜的钒钛铁精矿高压辊磨给料水分质量分数为6.5%~7.5%。相对应地,在高压辊磨前需将钒钛铁精矿润湿至毛细水质量分数为4.4%~5.4%。

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。

随着国家“双碳”目标的持续推进,发展钢铁工业新兴技术的同时,燃料多元化、资源高效化也是实现节能减排的必由之路。为挖掘打印机废碳粉在钢铁行业中的潜在应用,探究其运用于高炉喷吹工艺的可行性,通过热重分析废碳粉和高炉喷吹煤粉及其不同比例的混合燃料研究了其燃烧行为、燃烧性能、协同效应参数及动力学参数,探明燃料燃烧机制,为高炉喷吹新型燃料提供理论基础。结果表明:废碳粉有较好的燃烧性能,其综合燃烧特性指数、燃烧稳定性、可燃性指数均优于煤粉,可以作为高炉喷吹辅助燃料替代部分煤粉。当废碳粉掺混比例为10%时,混合燃料燃烧性能最佳,综合燃烧性能指数、燃烧稳定性、可燃性指数分别为21.97×10^-10 (min^-2·K^-3)、23.33×10^-6 (min^-1·K^-2)、25.16×10^-6 (min^-1·K^-2);通过废碳粉灰分成分分析,发现废碳粉灰分中Fe₃O₄质量分数高达84.99%;通过废碳粉与煤粉的协同效应分析,发现废碳粉与煤粉共混可以促进燃烧,且协同效应参数F都在0.80≤F≤1.15的范围内;通过动力学分析发现混合燃料燃烧所需活化能比单一燃料低,并随废碳粉比例增加总体呈下降趋势。

铁焦是高炉实现低碳炼铁的主要潜在技术之一。分析了不同原料配比下铁焦的抗拉强度、机械强度和热性能的演化特性。同时,结合光学显微镜、SEM-EDS、BET和XRD等表征手段分析了原料配比对铁焦显微组织、孔结构和碳结构的影响机制。研究结果表明,铁焦中较低的孔隙率和更均匀的孔隙结构有助于提高其抗拉强度。当铁矿粉质量分数超过10%后,铁焦机械强度显著降低。综合考虑铁焦的机械强度和热性能,铁矿粉的添加量(质量分数)不宜超过15%。通过调整1/3焦煤添加量来优化铁焦的冶金性能,当添加量(质量分数)在20%~22%时,铁焦机械强度达到了二级焦的等级。铁焦反应性随着1/3焦煤含量的增加呈现先降后升的趋势,其深层原因是碳结构与微孔结构的变化。

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。

通过QBWP-10000悬臂旋转弯曲疲劳试验机测得25、200、315 ℃的疲劳极限及S-N曲线,通过万能试验机测试了不同温度下慢速、稳定和快速裂纹扩展速率曲线。基于M50轴承钢疲劳裂纹主要源于钢中碳化物,结合弹性模量、泊松比等参数随温度变化规律与碳化物界面循环应力作用所引起硬化效应建立了与温度时间相关的局部损伤寿命模型。研究表明:M50轴承钢碳化物等疲劳缺陷应力强度因子是疲劳损伤量;温度升高缩短了裂纹萌生时间并加速裂纹扩展速率进而降低了M50轴承钢疲劳极限强度;主要影响萌生寿命的是循环次数、温度、疲劳缺陷及所施加循环应力引起的碳化物界面的局部硬化。

为探究不锈钢AOD高硅冶炼工艺对镁钙砖的侵蚀,通过对不锈钢AOD高硅渣、镁钙砖原砖和残砖的外观观察、化学分析和XRD分析,结合显微结构分析和热力学计算后得到:AOD高硅冶炼工艺产生的不锈钢AOD高硅渣为玻璃相,碱度1.02。不锈钢AOD高硅渣可以产生硅酸二钙,不锈钢AOD还原渣可以产生硅酸三钙。由于硅酸三钙对镁钙砖的影响小于硅酸二钙,所以不锈钢AOD高硅渣对镁钙砖的侵蚀质量分数大于不锈钢AOD还原渣。当耐火材料为100%时,不锈钢AOD高硅渣的侵蚀质量分数为53.8%,产生的渣质量分数为36.7%,单不锈钢AOD还原渣的侵蚀质量分数为35.1%,产生的渣质量分数为25.0%。当耐火材料与不锈钢AOD高硅渣反应后再与不锈钢AOD还原渣反应,不锈钢AOD还原渣侵蚀质量分数为46.2%,产生的渣质量分数为87.8%。因此,高硅冶炼工艺导致的双渣冶炼对镁钙砖的影响最大。

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。

将燃烧合成的C/MgO复合粉(CN0)以及CNTs/MgO复合粉(CN1)分别加入低碳MgO-C耐火材料中,对比含不同形貌碳的复合粉对低碳MgO-C耐火材料的强化效果,研究了C/MgO复合粉对低碳MgO-C耐火材料体积密度、显气孔率、耐压强度、抗折强度、抗氧化性、抗热震性和抗渣性的影响。结果表明:复合粉的添加可以降低耐火材料的显气孔率,其中添加CNTs/MgO复合粉的试样CM6的显气孔率(12.5%)比空白试样CM0的显气孔率(13.6%)降低8.1%,比添加C/MgO复合粉的试样M6降低8.8%。此外,添加CNTs/MgO复合粉对耐火材料的抗热震性及残余强度改善程度较大,M6具有最高的残余强度保持率但残余强度最低,CM6具有最高的残余强度(2.5 MPa),比CM0(2.2 MPa)高13.6%。添加CNTs/MgO复合粉的低碳MgO-C试样的抗渣侵蚀性能提高,侵蚀指数最佳为1.09,较CM0减小21.6%,较M6减小6.0%。添加CNTs/MgO复合粉可以提高耐火材料的抗氧化性,CM6的氧化系数为56.44%,与CM0相比降低了11.81%。

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。

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。

采用电化学阻抗谱和动电位极化等方法研究了微量稀土元素对奥氏体不锈钢在质量分数为3.5%的NaCl溶液中耐点蚀性能的影响。利用扫描电子显微镜(SEM)、能量色散X射线能谱(EDS)等技术对夹杂物形貌和成分组成进行了表征。未添加稀土的不锈钢的夹杂物主要为(Al,Mg,Si)-O_x的复合夹杂物;添加质量分数为0.003 5%的微量稀土后夹杂物改性为含稀土类复合夹杂物。电化学测试结果表明,稀土微处理钢的点蚀电位增大,有助于提高材料的耐点蚀性;Mott-Schottky测量结果也表明,奥氏体不锈钢钝化膜致密性增强,载流子浓度下降,钝化膜呈n型半导体,耐蚀性增加。稀土微处理奥氏体不锈钢耐海水点蚀性能的提高主要是因为形成的稀土复合硫氧化物降低了夹杂物的腐蚀活性。

高镁含硼磁铁精矿球团矿的应用有助于实现高镁含硼磁铁精矿中硼和铁的高效分离。然而,目前高镁含硼磁铁精矿配比对球团矿固结行为的影响研究较少,对球团矿还原性所产生的影响不明确。研究了高镁含硼磁铁精矿配比对球团矿强度和还原性的影响规律和作用机制,并根据球团矿固结机制研究了通过降低焙烧温度来提高球团矿还原度的方法。研究结果表明:普通磁铁精矿中高镁含硼磁铁精矿配比的增加有助于提高球团矿内部尖晶石型镁铁氧体相含量,有益于改善赤铁矿晶粒形态,促进“赤铁矿-尖晶石型镁铁氧体”结构生成,从而可以提高球团矿强度。然而,在配加高镁含硼磁铁精矿制备球团矿时,球团矿焙烧过程中生成的尖晶石型镁铁氧体会对球团矿的还原性产生较大的负面影响。因此,在保证球团矿强度和一定还原性的情况下,配加高镁含硼磁铁精矿的球团矿焙烧温度不宜超过1 150 ℃。

利用周期浸润腐蚀试验机、电化学工作站测试了Ti-Mo高强钢的耐蚀性能,结合光学显微镜、X射线衍射仪、扫描电子显微镜、原子力显微镜的检测结果探讨了组织类型对耐蚀性能的影响规律。结果表明:随着实验钢中珠光体与贝氏体比例的降低,锈层生长速度减慢,内锈层厚度占比提高,锈层的致密程度以及与材料的结合能力得到改善,腐蚀失重率下降;裸钢的自腐蚀电流密度下降,电荷转移电阻增强,耐蚀性能提升。测量了实验钢的微观组织电位,铁素体电位高于贝氏体/珠光体电位。由于不同组织之间会形成微观腐蚀电池,电偶腐蚀强度是影响实验钢腐蚀速率的主要因素;减少Ti-Mo高强钢中贝氏体/珠光体的体积分数,可以改善组织均匀性,抑制电偶腐蚀,提高耐蚀性能。

基于正交试验法,用Gleeble试验机对35CrMo钢棒进行了单向热压连接模拟实验。通过室温拉伸获得的伸长率比值为愈合率判据并辅以显微组织分析,发现在1 000～1 200 ℃的典型热锻温度范围内,增加热压变形量比升温更能促进动态再结晶和连接界面上孔隙的弥合,对提高愈合率更为关键。压后保温仅引起晶粒长大,几乎不改变残余孔隙率及愈合率。但压后保温时施加微小压力触发蠕变,则能有效弥合残存孔隙,进一步提高愈合率。分析表明,越有利于增强原子扩散的热压工艺参数,越容易弥合孔隙,让界面由物理连接向冶金连接转变,从而获得更高的愈合率。研究所得实验数据显示,当热压变形量达到60%,保温并继续施加9 MPa的蠕变压力是保证愈合率接近100%的优化工艺参数组合。

为探究凝固过程对涂层组织和摩擦学性能的影响,设计了三角形粉末预置体,利用激光熔覆技术在45钢基体上制备了FeCrCoMn高熵合金涂层。结果表明,相同凝固条件下,预置体宽度的增加降低了凝固冷却速率,有利于双相FCC+HCP固溶体中脱溶转变,析出σ相,组织也由等轴晶向柱状晶、树枝晶逐步发生演变,且晶粒尺寸逐渐增大;这也使得涂层的硬度随预置体宽度的增加而降低,并导致摩擦磨损逐渐加重;但当预置体宽度为20 mm时,由于高硬度σ相的析出,硬度升高,且σ相在摩擦磨损过程中起到了抗磨作用,摩擦因数和磨损量降低,磨损机制转变为以磨粒磨损为主。以上研究表明,激光熔覆工艺中,预置体尺寸对凝固过程的影响不可忽视,其改变了FeCrCoMn高熵合金涂层的组织结构和性能。

HIsmelt铁浴熔融还原工艺的技术关键在于实现了“铁矿深喷”,但是铁矿在熔池内还原的动力学研究尚不明晰。利用在线气体检测分析仪实时分析了还原反应的尾气,计算了还原转化率和转化速率,进而探究了不同因素对还原反应动力学的影响规律及反应活化能。结果表明,铁矿粉粒度从3~5 mm粒级降低至1~2 mm粒级后,熔融还原时间缩短17.8%,更大的表面积和更快的传热速率促使了其还原速率加快。温度提升后,最大熔融还原转化速率提高,达到峰值的时间逐渐前移。熔体中[C]质量分数从1%提高至4%时,矿粉熔融还原R_0.5值从1.388 9×10^-2 s^-1增加至2.083 3×10^-2 s^-1,熔体[C]含量增加显著提高铁矿粉熔融还原速度。基于等转化率方法拟合求解得出所用富铁矿粉在Fe-C熔体内熔融还原表观活化能为55.52 kJ/mol。

为了研究室温轧制后铝合金微观结构的演变以及不同压下量下的压痕行为,实验通过室温轧制方法制备了AA6063铝合金板,利用金相光学显微镜、扫描电子显微镜、微米压痕等分析了轧制AA6063铝合金板材的微观组织及局部力学性能。结果表明:室温轧制后铝合金晶粒沿轧向拉长,晶粒细化,加工硬化明显。随着塑性变形量的增加,同一压痕载荷下,AA6063压痕对角线长度、压痕最大深度以及残余深度均减小。AA6063铝合金维氏硬度随塑性变形量的增加而增加,与塑性应变之间为指数关系。随着压下量的增加,铝合金试样在压痕变形中位错密度增大。对于同一压下量铝合金而言,随着压痕最大载荷的逐渐增大,位错密度逐渐降低,最终趋于一稳定值。塑性变形后AA6063维氏硬度随压下量的增加而增加,位错密度增加。塑性变形后,AA6063基体对压头的抗变形力增加,压痕过程中塑性能量损耗减小。AA6063铝合金中塑性变形主要以位错的滑移为主。

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。

HIsmelt炼铁工艺具有流程短、原料适用性广、产品纯净度高等特点,是一种高效低碳绿色的炼铁工艺,其炉衬主要使用铝铬质耐火材料。以板状刚玉和铝铬渣为原料,磷酸二氢铝为结合剂,选择硅微粉为添加剂,经150 MPa压力成型和1 600 ℃×3 h烧成后制得HIsmelt熔融还原炼铁用再生铝铬质耐火材料试样,就硅微粉对试样烧结性能及铬元素价态转变的影响开展了研究。结果表明:加入硅微粉可以促进试样的烧结,使铬元素向刚玉中固溶,从而抑制Cr⁶⁺化合物的产生。铝铬固溶体晶胞参数随硅微粉加入量的增加而变大。同时,硅微粉可以将Cr⁶⁺降价还原为Cr³⁺,降低试样中Cr⁶⁺的浓度。加入硅微粉后试样中可原位生成柱状莫来石,从而影响试样的热震稳定性和热膨胀系数,硅微粉的加入量(质量分数)以2%~3%为宜。

铝酸钙水泥含量及热处理温度是影响轻烧透气砖中低温强度性能和抗热震性的2个主要因素。研究了热处理温度(110~1 600 ℃)和水泥含量(1%~9%,质量分数)对刚玉-尖晶石质浇注料的显微结构、物相组成、抗折强度、耐压强度、高温抗折强度和抗热震性的影响。结果表明:随着水泥含量的增加,110~1 000 ℃烧成试样的抗折强度和耐压强度增加;1 400 和1 600 ℃烧成试样的抗折强度和耐压强度先增加后减小。当水泥质量分数为5%时,试样的抗折强度和耐压强度最高。经1 600 ℃热处理后,随水泥加入量的增加,试样的高温抗折强度先增加后减小(质量分数为5%时最优),试样的抗热震性得到改善。当水泥质量分数为7%时,试样的抗热震性最优。因此,刚玉-尖晶石轻烧透气砖的适宜水泥加入质量分数为5%~7%。

菱镁矿作为一种重要的工业生产用矿产资源,由于生产工艺的制约,致使大量低品位菱镁矿无法得到有效利用。为了提高这类菱镁矿提纯工艺的作业率,通过归纳难免离子、捕收剂、抑制剂对菱镁矿浮选过程中白云石分离的作用机制和煅烧温度、原料粒径对菱镁矿热选过程中白云石提纯的影响,分析了浮选/热选工艺的优缺点;另一方面介绍了采用提纯后的菱镁矿制备的镁钙基耐火材料在炼钢领域的应用进展。

为研究轻量化过程中气孔对材料性能的影响,制备了具有不同孔结构参数的多孔氧化铝,并利用压汞仪和CT扫描技术对材料孔结构进行表征,采用灰色理论研究了孔结构变化对材料性能的影响。结果表明,随着材料气孔率的提高,其体积密度逐渐下降,且多孔氧化铝的耐压强度和导热系数显著降低。不同孔径区间对材料性能影响存在较大差异,孔径分布小于1.5 μm的孔对材料耐压强度和导热系数影响最大,而孔径分布大于150 μm的孔对材料的性能影响最小。因此,在材料轻量化的过程中,提高孔径分布在小于1.5 μm孔的占比更有利于提升材料的综合性能。

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。