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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

在中国双碳战略和欧盟碳关税双重背景下,炼钢原料结构正发生巨大转变:转炉高废钢比及全废钢电炉是未来重要发展趋势。但大量引入废钢会对钢水纯净度及后续钢产品质量带来挑战,尤其是钢中氮含量及氮化钛夹杂影响钢性能的问题。在前期对“氮含量-氮化钛夹杂-材料性能”进行理论和工业试验研究的基础上,综述了钢中氮化钛形成与控制研究进展。从热力学角度分析了钢中氮化钛析出机制,总结了微观偏析及耦合析出模型,定量分析了影响氮化钛析出的关键因素。在剖析炼钢过程氮含量演变的基础上,从冶金原辅料控制、真空脱氮、熔渣脱氮等角度系统研究钢液中氮含量控制方法。综述研究结果可为未来炼钢原料结构变化下高品质含钛钢冶炼提供理论指导。

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。

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。

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。

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。

钢结构因强度高、施工便捷等优点广泛用于桥梁主梁、缆索等关键部位,但其腐蚀问题会严重威胁桥梁安全与服役寿命。全面综述了桥梁钢结构的腐蚀现状,详细分析了桥梁钢结构在各种自然环境下的腐蚀情况,包括海洋环境、内陆环境以及干湿交替等复杂环境下不同部位的腐蚀特征和程度,涉及桥墩、桥身、缆索和支座系统等关键部位的腐蚀情况。在剖析腐蚀机理时,深入探讨了化学腐蚀和电化学腐蚀的特点与区别,进一步细分并解释了电化学腐蚀中的均匀腐蚀和局部腐蚀特征,尤其是局部腐蚀中的点蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀等具体形式,探讨了它们的形成条件和对桥梁钢结构的危害程度。在腐蚀现状的基础上,全面总结并深度整理桥梁钢结构的腐蚀防护措施,包括合理选材、涂料保护、阴极保护等技术手段。通过这些措施的应用和优化,旨在为桥梁钢结构腐蚀防护工作提供坚实的科学依据与强有力的技术支撑,从而有效减少钢结构腐蚀带来的安全隐患,推动桥梁工程领域的技术进步,保障桥梁的长期稳定与安全运行。

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。

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。

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%)。

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。

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。

注采管道的力学性能和疲劳性能对于地下储气库的长期安全运行和服役寿命至关重要。对L360管线钢母材与焊缝进行了力学性能测试与显微组织表征,针对注采管道高周疲劳难以实际测试的问题,基于材料实测力学性能,建立了母材与焊缝高周疲劳仿真模型,并通过高载荷疲劳试验验证了模型的准确性,探究了不同加载条件下疲劳寿命演变规律,并对比母材与焊缝试样疲劳性能的差异。结果表明:L360焊缝塑性相较于母材下降明显,母材与焊缝断后伸长率分别为26.1%和21.6%,断裂类型分别为塑性断裂与准解理断裂。母材与焊缝试样疲劳寿命均随着平均拉伸载荷与载荷谱幅值的增大而减小,在相同的加载条件下,母材的疲劳性能优于焊缝。当拉伸载荷为6.5 kN,幅值大于0.075时,焊缝试样疲劳循环次数为母材试样的44.7%。研究结果可为储气库管材选择与管道失效防护提供数据与理论支持。

铁矿粉制粒是烧结工序中不可或缺的工艺流程,是烧结质量的重要保证。在铁矿资源逐渐劣质化、铁矿石价格持续波动的背景下,制粒工艺的改进与发展对改善料层透气性、提高烧结生产效率、降低能耗和生产成本具有重要意义。总结了铁矿烧结制粒强化技术及工艺的研究进展,包括常规制粒强化技术与强化制粒新工艺2部分,分析了各类技术与工艺的优缺点及适用范围,旨在为钢铁企业根据自身原料条件与工业需求,科学选择制粒工艺提供可靠的理论依据和实践指导,助力提升烧结生产的资源利用率和经济效益。

碳含量影响了高温合金凝固过程中的碳化物分布和元素偏析,进而决定了高温合金的组织和力学性能。研究了不同碳含量对GH3536合金铸锭中的碳化物分布和数量的影响,并进一步分析了铸锭的元素偏析行为。结果表明,GH3536合金中碳化物以M₆C型和M₂₃C₆型碳化物为主。热力学平衡态计算发现,碳化物的析出/回熔温度随着碳含量的升高而升高,M₂₃C₆和M₆C型碳化物会互相转变。DSC差热分析表明2种碳化物的回熔温度不受碳含量的变化影响。碳含量的增加促进了2种碳化物的形成,碳化物数量随碳含量增加而急剧增多,形貌由块状向网状分布转变,影响铸锭的塑性。碳含量的增加减小了二次枝晶间距,降低了Cr、Mo、Ni元素的偏析程度,原因是碳化物的析出占据了大量碳化物形成元素而降低了元素偏析。

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。

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。

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。

通过对C-Si-Mn-Nb-Ti体系的双相钢进行控轧控冷实验,分别获得了具有多边形铁素体组织和具有针状铁素体组织的铁素体贝氏体(FB)双相钢。在扩孔实验和SEM原位拉伸实验中,具有针状铁素体组织的FB双相钢表现出了更高的扩孔率、屈服强度、抗拉强度和伸长率。在塑性变形过程中,针状铁素体组织中形成的显微孔洞更加细小和分散。由于针状铁素体细小且交错分布,有效地降低应力集中,因此在应力传导过程中导致新的、微小的孔洞生成,可以有效地阻止宏观裂纹的扩展。因此具有针状铁素体组织的FB双相钢具有更低的缺陷敏感性和更好的成形性能。

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。

为提高中厚板产线钢板冷矫直效果及效率,使用曲率积分法建立9辊冷矫直工艺解析模型,探讨不同钢板因素及工艺策略对曲率比、矫直力等主要参数的影响规律,经验证,模型总矫直力偏差在10%以内。借助该模型分析了不同钢板因素对矫直力和残余曲率的影响,其中钢种、板厚的影响较大,初始曲率比的影响较小;借助该模型分析了1、2、8、9号矫直辊压下量对矫直的影响,其中,矫后残余曲率比和总矫直力均随压下量的增大而增大,8号辊对矫后残余曲率比调控能力最强,2号辊对总矫直力的影响最大,相比而言,1、9号辊的影响均较小。参考研究成果调整现场矫直策略,需矫直3道次及以上的钢板数量占比由30%～35%降低至10%～15%,效果较明显。

采用自制电渣重熔设备成功制备板状DC53/42CrMo复合铸坯,经过750 ℃退火处理后,采用OM、SEM、EBSD对其显微组织、成分、界面元素过渡进行研究,并对双金属复合界面处的力学性能进行表征。结果表明:所制备的DC53/42CrMo双金属复合铸坯无夹渣、无孔洞界面结合良好;复合界面处发生元素扩散,其中C元素由含量低的42CrMo侧向含量高的DC53侧发生上坡扩散,双金属液固复合的过程中42CrMo中C的活度远大于DC53;42CrMo侧为铁素体基体+片层状珠光体组织,42CrMo侧靠近结合界面处存在宽度约为100 μm的热影响区组织为铁素体,DC53侧存在宽度约为30 μm的元素扩散影响区,DC53侧为珠光体基体和未溶碳化物组成,复合材料的显微硬度从42CrMo向DC53呈先下降再上升趋势,42CrMo侧热影响区硬度最低,平均硬度为192.9HV;复合试样界面的平均抗拉强度为632.73 MPa,剪切强度为586.12 MPa,复合试样拉伸断裂位置位于42CrMo侧而非结合界面处,表明复合界面不是薄弱区,界面结合性能良好。探究了界面结构及性能之间的内在联系,为双金属复合刀圈的制备提供参考。

近年来随着高炉炼铁技术的发展、原燃料价格上涨以及“双碳”目标的提出,金属化炉料的开发和应用成为低碳炼铁领域研究的热点。系统阐述了金属化炉料的种类及来源,明确了典型金属化炉料的理化特性和成分差异,分析了金属化炉料在高炉中的应用现状。金属化炉料主要包括废钢、直接还原铁、铁焦和金属化烧结料等。废钢和直接还原铁含铁品位高于传统铁矿石,同时具备良好的冶金性能,但废钢由于形状差异大且成分复杂,其利用存在一定局限性,需要制定统一的行业标准以指导废钢在高炉中的合理应用。直接还原铁用于高炉冶炼有显著的增产降碳效果,但价格昂贵;铁焦和金属化烧结料等新型金属化炉料目前主要处于基础研究阶段,还未进行大规模的工业应用实践。不同金属化炉料的理化特性存在较大的差异,将其添加至高炉时通常要求适宜的粒度、规则的形状、良好的冶金性能,且有害元素含量需控制在一定范围内。国内外大量生产实践表明金属化炉料的使用能够降低高炉生产的还原剂比,从而提高生产效率并降低CO₂排放量,金属化炉料添加量每提高10%,铁水产量增加约8%,炼铁系统CO₂排放减少6%。综上所述,金属化炉料在高炉中有着广泛的应用前景,是钢铁行业实现“双碳”目标的有效措施之一。

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。

通过对无磁结构钢热轧板进行不同温度退火处理来研究不同温度下微观组织、力学性能和磁性能的变化。研究结果表明,随着退火温度增加,无磁结构钢热轧板的抗拉强度呈现下降趋势,伸长率缓慢上升。不同状态的无磁结构钢经过拉伸后奥氏体晶粒内部会产生大量的形变孪晶,这些形变孪晶能够阻碍位错运动和晶面滑移,增加了无磁结构钢的硬度。XRD分析结果显示无磁结构钢热轧板经过不同温度退火后并没有发生相转变。同时磁导率测试结果显示,相对磁导率在1.002 18和1.002 06之间浮动,符合无磁结构钢对磁性能要求。

“碳中和2060”背景下研究钢渣碳捕集应用的意义不言而喻。为提高钢渣资源的综合利用,减少钢铁冶炼过程排放的CO₂,采用湿法浸出技术提取了钢渣中的Ca、Mg组元,针对获得的Ca-Mg-Si-Al体系,开展了利用化学共沉淀法、溶胶-凝胶法和水热合成法3种方式制备CO₂吸附剂的实验研究,通过XRF、XRD、SEM、BET等检测手段对吸附剂的物化特性及循环吸附性能进行了表征分析。结果表明,与其他2种方法相比,化学共沉淀法在50 ℃、pH=10和陈化时间2 h条件下制备的吸附剂具有较高的初次吸附容量,为0.258 g/g。制备方式不同,CO₂吸附剂循环吸附性能表现出不同规律。化学共沉淀法制备的CO₂吸附剂吸附容量随循环次数增加呈下降趋势,水热合成法制备的CO₂吸附剂,呈先增高后降低的趋势。

随电炉炼钢的发展,对于直接还原铁的需求也将增加,使用煤低温还原优选磁铁矿是直接还原铁的重要来源。为了研究煤中高挥发分对直接还原Fe₃O₄的促进机制,使用气相色谱仪和热重-质谱联用装置分析了广汇煤热解气体成分与热解特性,采用非等温热分析方法对活性炭与广汇煤还原Fe₃O₄进行了研究,利用FWO、KAS、Starink 3种方法计算了反应活化能,使用Satava-Sestak法拟合反应模型,着重比较了活性炭与广汇煤还原Fe₃O₄的动力学机制差异。结果表明:广汇煤的干馏煤气组成主要为H₂、CH₄、CO和CO₂,在还原温度区间H₂体积分数可达55%、CO体积分数可达25%,为Fe₃O₄的还原提供了良好的气氛条件;活性炭还原温度区间在980~1 140 ℃,初始阶段活化能为319.66 kJ/mol,而广汇煤还原温度区间为680~1 030 ℃,初始阶段活化能为288.62 kJ/mol,表明广汇煤中挥发分在还原过程中起到了促进作用,显著降低了还原温度及活化能。

连铸坯缩孔缺陷若在轧制时未完全焊合,将显著降低钢材的机械性能。采用工业计算机断层扫描(CT)、扫描电镜(SEM)和光镜设备,对E355管线钢连铸坯、中间坯和轧材进行分析,研究缩孔缺陷分布特征及其轧制过程中的演变规律。结果表明:连铸坯表层凝固组织致密,缩孔数量少,尺寸小,表现单个孔洞。随距表层距离的增加,缩孔数量增多,尺寸增大,呈现贯通型孔洞。在连铸坯中心,缩孔数密度达到5.510 mm^-3,体积率增至2.191‰,平均和最大尺寸为0.140和1.493 mm。粗轧后缩孔沿轧制方向延展,尺寸减小,数密度增加。中间坯中心位置处,缩孔数密度为61.744 mm^-3,体积率为0.395‰,最大和平均尺寸为0.038和0.023 mm。轧材检测时未发现大尺寸孔洞,因此认为缩孔在精轧时焊合,但在MnS夹杂物附近存在小尺寸孔洞。

钢铁冶金行业是基础工业的重要组成部分,其中烧结矿质量稳定性对整个生产流程至关重要。为了精确预测烧结矿中的FeO含量,提出了一种新型的在线预测框架——过程特征序列化和提取预测模型(PFSE)。该框架首先对原始数据进行序列化和差分处理,以增加数据的表达能力。然后,通过灰色关联分析(GRA)和相关系数(CC)等特征提取技术,筛选出关键过程特征。最后,利用循环神经网络(RNN)及其变体长短期记忆网络(LSTM)和门控循环单元(GRU)构建烧结矿FeO含量的预测模型。通过在某钢铁厂2022至2023年的烧结过程数据上进行实验验证,PFSE框架显示出良好的稳定性和准确性,在0.1的误差容忍度内,实现了85.3%的高准确率,验证了该方法的有效性和可靠性。

齿轮和轴承是机械设备中的2种关键零件,常因疲劳而断裂失效,其疲劳强度是关键性能指标。通过对4种渗碳层深度BG801齿轮轴承钢的扭转疲劳行为进行研究,明确渗碳齿轮轴承钢的疲劳开裂机制,并在其基础上构建疲劳强度快速评价方法。结果表明:BG801齿轮轴承钢渗碳层组织主要为马氏体和大量呈长条状或椭球状的碳化物;其疲劳开裂由大尺寸碳化物团簇的解理开裂引起,裂纹萌生平面与加载轴向成45°,由正应力主导。据此提出一种快速评价渗碳齿轮轴承钢疲劳强度的方法,可以通过高应力短寿命样品来预测长寿命条件下的疲劳强度。对于本文的研究材料,预测误差在10%左右,且偏于保守。

为研发和推广应用新型耐候桥梁钢,采用周浸加速腐蚀实验和电化学测试方法,结合扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、电子探针(EPMA)和X射线光电子能谱(XPS),研究了Ni对Q690qENH耐候桥梁钢在工业大气环境中腐蚀行为的影响。结果表明,Ni的添加可以提高Q690qENH钢在工业大气环境下的耐蚀性。添加Ni可以提高Q690qENH钢的自腐蚀电位,增大锈层电阻。Ni在锈层中均匀分布,主要以NiFe₂O₄的形式存在。NiFe₂O₄一方面提高了锈层的离子选择性,阻挡了SO₂向基体渗透;另一方面促进了锈层中γ-FeOOH向α-FeOOH的转化。随着Ni质量分数从0.31%增加到0.52%,锈层中S的富集量明显减少,Q690qENH钢的锈层保护指数α/γ^*值增大,腐蚀速率降低,耐蚀性提高。

淬透性是钢铁材料的关键性能参数,反映钢材在淬火过程中获得均匀硬化能力的特性,直接影响钢材的力学性能和使用寿命。传统物理模型由于在处理复杂成分和工艺参数时精度有限,难以准确预测淬透性。综述了支持向量机(SVM)、决策树(DT)、神经网络(NN)和深度学习等机器学习模型在钢材淬透性预测中的应用,并从预测精度、数据需求和计算效率等方面进行对比分析。对未来的研究方向进行展望,包括提高数据质量、融合模型和增强物理可解释性等关键问题。随着机器学习技术的持续发展,淬透性预测的精确性和泛化性将得到显著提升,为钢铁行业的智能化生产提供有力的技术支撑。

转炉冶炼过程中,对熔池中钢水的碳含量进行精确预测是终点预报技术的核心环节。然而,如何通过解析炉口火焰特性与终点碳含量之间的深层联系,以实现更精准的预测,仍是当前面临的挑战。针对火焰纹理在不同碳含量下呈现不规则性且具有高度相似性的问题,提出了一种多方向加权复杂网络的彩色纹理特征提取模型。该模型利用滑动窗口选出了中心点的邻域顶点以构建邻域关系,利用顶点对之间的色彩距离构建了加权边,从而构建出细致彩色纹理和区域彩色纹理复杂网络,最后用网络顶点度分布特征量化网络特性得到彩色纹理特征描述符,与提取的色彩特征结合得到火焰特征描述符,通过回归模型预测终点碳含量。通过对转炉炼钢实际生产数据的实验研究验证了所提方法的有效性。