2022年, 第34卷, 第11期　刊出日期：2022-11-20

  

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综合论述
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  球团回转窑建模与仿真的研究进展

  袁芷晨，杨永斌，李骞，钟强，姜涛

  钢铁研究学报. 2022, 34(11): 1187-1196. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20210434

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  摘要：回转窑是一种高温处理物料的热工设备，充分了解回转窑内发生的物理与化学变化对生产具有指导意义，而人眼观察或利用仪器等方式难以探查窑内情况。为掌握回转窑内处理物料的情况并提高生产效率，国内外利用建模与仿真的方法模拟回转窑结构、窑内热场、物料运动。现有模拟已经涉及到了回转窑整体、窑壁、耐火材料、烟气、燃料、火焰、物料等，并利用建模与仿真结果研究了回转窑结构参数及生产参数对部分现象的影响。根据窑内不同区域，综述了回转窑建模与仿真的进展，汇总了建模与仿真的方法与过程及部分参数对回转窑生产的影响。回顾与分析现有的回转窑建模与仿真成果，有助于优化回转窑设备结构的设计及回转窑生产。
冶炼与加工
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  烧结烟气脱硫脱硝活性炭粉用于高炉喷吹可行性

  任坤1，宁晓钧1，赵永彬2，苏步新3，张建良1，王广伟1

  钢铁研究学报. 2022, 34(11): 1197-1202. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20210426

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  摘要：为了寻找新的高炉可喷吹物代替价格昂贵的无烟煤，将不同配比的烟煤与烧结烟气脱硫脱硝过程产生的活性炭粉进行混合。通过测量不同配比混煤的爆炸性和着火点，以评价其安全性，利用热重分析仪分析其燃烧性。结果表明，活性炭粉可以代替部分无烟煤进行高炉喷吹，此外，烟煤具有强爆炸性，而活性炭粉没有爆炸性，二者混合物中，当活性炭粉质量分数大于40%时没有爆炸性。烟煤的燃烧性优于活性炭粉，二者混合后会发生反协同效应，混煤燃烧性能相较于单煤变差，且混煤燃烧性能随着活性炭粉比例的增加而变差。
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  高炉风口回旋区焦炭燃烧特性的颗粒尺度模拟

  周鹏1，华晴赉1，曾嘉1，崔佳鑫1，蒋友源2，鄂殿玉1,2

  钢铁研究学报. 2022, 34(11): 1203-1209. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20210391

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  摘要：为从微观颗粒尺度解析高炉风口回旋区动态演变及内部热化学行为，采用计算流体动力学离散单元法(CFD-DEM)耦合方法对回旋区焦炭燃烧过程进行了数值模拟研究。首先验证了CFD-DEM模型的可用性与准确性；然后探究了回旋区形成及演变过程、焦炭颗粒燃烧行为及粒径分布和气相的温度及组分分布；最后考察了不同鼓风速率对回旋区大小、风口轴向气体温度与组分分布的影响。模拟结果表明，回旋区的宽度和高度随着鼓风速率的增大而增加；鼓风速率的上升使气体高温区和化学反应区分布发生改变，即最高温度点和焦炭反应区均向焦炭床中心移动。
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  Li2O对CaO-Al2O3基保护渣结晶性能的影响

  张江浩1,2，亓捷1,2，刘承军1,2，姜茂发1,2

  钢铁研究学报. 2022, 34(11): 1211-1218. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20210404

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  摘要：高铝钢用新型CaO-Al2O3基连铸结晶器保护渣结晶性能较强，在连续浇铸过程中易出现润滑与传热功能协调不均的问题。基于此，针对新型CaO-Al2O3基保护渣，考察了典型助熔剂Li2O对保护渣析晶温度、析晶物相等性能的影响，并进行了相关结晶动力学分析。结果表明，提高Li2O含量可使保护渣的临界冷却速率和初始结晶温度呈现先降低后升高的趋势，当Li2O质量分数为4%时，保护渣结晶倾向最弱。随Li2O质量分数从0增至6%，保护渣的结晶孕育时间先延长后缩短。析晶物相由CaAl4O7+CaF2转变为CaAl4O7+CaF2+LiAlO2，Li2O的加入及其含量的提高促进了LiAlO2的析出。此外，随Li2O质量分数从0增至6%，保护渣结晶活化能先增大后减小，析晶过程受到的阻力先增强后减弱，与结晶性能的变化规律相吻合。
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  真空感应熔炼AerMet100超高强度钢脱氮实验研究

  龚伟1，王鹏飞1，姜周华1，王瑞2

  钢铁研究学报. 2022, 34(11): 1219-1227. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20210396

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  摘要：通过取样检测并结合热力学和动力学计算研究了氧化镁质（MgO）、镁铝尖晶石质（MgO·Al2O3）和氧化钙质（CaO）3种坩埚和2种真空压力（50~100Pa和5~10Pa）对AerMet100超高强度钢脱氮的影响。实验结果表明：随着精炼时间增加，3种坩埚在2种真空压力下的钢液中N质量分数都逐渐减少。相比之下，CaO坩埚脱氮效果最佳，2种真空压力下30min时N质量分数均减少到0.0005%。动力学计算结果表明：MgO和MgO·Al2O3坩埚在2种真空压力下的钢液中O和S活度较高，脱氮反应均服从2级，即钢液脱氮受界面化学反应控制；而CaO坩埚在2种真空压力下的钢液中O和S活度较低，脱氮反应均服从1~5级，即钢液脱氮由液相边界层传质和界面化学反应共同控制。此外，减小真空压力，脱氮速率加快，有利于钢液脱氮。
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  螯合处理对钢渣体积安定性的改善

  颜峰1，黄小明1，郭荣鑫1，冯明杰1，罗程1，李黎山2

  钢铁研究学报. 2022, 34(11): 1228-1239. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20210459

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  摘要：钢渣中存在的游离氧化钙(f-CaO)会与水反应生成氢氧化钙（Ca2(OH)2），造成体积膨胀，使得钢渣的利用变得困难。通过配制草酸与柠檬酸钠螯合剂消除游离氧化钙。探讨钢渣水化规律和吸水率，确定最佳螯合时间和螯合浓度。利用XRD、TG、SEM分析钢渣矿物成分、游离氧化钙含量及微观形貌变化；对比处理前后钢渣膨胀率、黏附性和压碎值等物理指标。结果表明：草酸和柠檬酸钠螯合剂最佳螯合时间分别为84、108h，最佳螯合浓度分别为0.4、0.2mol/L，均对钢渣膨胀性有所抑制，尤其是草酸螯合剂，游离氧化钙消除率达到52%，钢渣膨胀率下降51%。螯合处理后钢渣断面部分物质发生水化反应，表面分别形成大量草酸钙(CaC2O4)和柠檬酸钙(C12H10Ca3O14)络合物，发生沉淀转化，改善了钢渣集料的物理特性。
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  脱氧方式对高铝钢中非金属夹杂物的影响

  李斌1，朱航宇1,2，郑志豪1，陈跻1，宋明明2

  钢铁研究学报. 2022, 34(11): 1240-1249. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20210416

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  摘要：为了研究不同脱氧方式对高铝钢中非金属夹杂物的影响，采用高温试验和热力学计算相结合的方法，对比分析了先SiMn后Al和先Al后SiMn两种脱氧方式下高铝钢中夹杂物形貌、类型、数量和尺寸特征。结果显示：先加入SiMn后，生成大量液态球形的Mn-Si-Al-O系复合夹杂物，再加入Al后夹杂物演变为Al2O3，且夹杂物数量明显减少；采用先Al后SiMn脱氧方式时，高铝钢中夹杂物始终以Al2O3为主，夹杂物最终数量相对较低。2种脱氧方式钢中夹杂物平均等效圆直径和尺寸分布相差不大。此外，采用先SiMn后Al进行脱氧时，发现尺寸较小的AlN颗粒附着在Al2O3夹杂物表面形成Al2O3-AlN复合夹杂物。而采用先Al后SiMn脱氧方式时，高铝钢中发现单一AlN夹杂物和Al2O3-AlN复合夹杂物，AlN夹杂物的形成与钢水中的氧势和合金原料有关。
材料研究
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  金相分析法标定铸态镍基单晶高温合金晶体取向

  李倩1，陈昊2，刘志欣1，霍利瑞1，杨振宇1

  钢铁研究学报. 2022, 34(11): 1250-1255. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20220311

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  摘要：精确标定晶体取向对镍基单晶高温合金的制备与应用具有重要意义，研究了金相观察结合定向切割的金相分析法标定铸态镍基单晶高温合金晶体学方向的原理及标定误差。结果表明，采用3次金相观察结合定向切割可以精确标定任意形状的铸态镍基单晶高温合金试样的晶体学方向。EBSD测定和显微组织分析验证了金相分析法标定单晶取向偏差在2°以内，并分析了引起标定误差的主要原因。
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  淬火温度对不同铬含量的低碳马氏体不锈钢组织和性能的影响

  刘城城1，任英1，张立峰2

  钢铁研究学报. 2022, 34(11): 1256-1266. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20210437

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  摘要：为研究淬火温度对不同铬含量的马氏体不锈钢组织和性能的影响，采用高温共聚焦显微镜(CLSM)、光镜(OM)、扫描电镜(SEM)、万能拉伸机、显微硬度计等方法对材料组织和性能进行了测试及表征。随着淬火温度的升高，不锈钢淬火后的晶粒尺寸都变大，计算确定了13%Cr和14%Cr不锈钢的晶界迁移能分别为113.62和125.92J/mol。13%Cr不锈钢经过淬火后显微组织为板条马氏体，回火后的组织为回火马氏体。但是，14%Cr不锈钢在1200℃淬火后生成了板条马氏体和少量的高温铁素体，并且在回火后高温铁素体并未消失，会对后续性能产生影响。淬火温度对不锈钢的强度影响不大。不锈钢中的铬质量分数从13%增加至14%，马氏体不锈钢强度增加，但伸长率有所降低。马氏体不锈钢的硬度随淬火温度的升高而下降，这主要与晶粒尺寸有关。
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  拉伸应变下中碳贝氏体钢中残留奥氏体转变及其稳定性

  王璐1，胡锋1,2，陈康彦1，周雯1,2，张志成3，吴开明1,2,4

  钢铁研究学报. 2022, 34(11): 1267-1277. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20210435

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  摘要：采用分阶段拉伸应变试验，研究中碳贝氏体钢在拉伸过程中TRIP效应的影响，探究残留奥氏体转变量与应变量之间的关系。试验结果表明，拉伸变形初期残留奥氏体转变较快（0%到3.0%应变量(体积分数)对应残留奥氏体转变量为13.72%），主要为分布在贝氏体束与束之间的块状残留奥氏体（尺寸为微米级）发生相变；拉伸变形后期残留奥氏体转变较慢（10.0%到18.5%应变量对应残留奥氏体转变量为7.78%），主要为分布在贝氏体铁素体板条与板条之间的薄膜状残留奥氏体（尺寸为纳米级或者亚微米级）发生相变。归因为块状残留奥氏体稳定性低，在外部应力作用下容易转变为硬而脆的马氏体组织，而薄膜状/条状残留奥氏体稳定性高，在外部应力的作用下不易发生相变，TRIP效应的发生使得钢种强度和塑性同时得到提高。通过3种模型（Hollomon模型，C-J模型，修正C-J模型）描述试验钢的加工硬化行为，将整个拉伸过程可分为3个阶段，并结合微观组织变化，详细解析了每个阶段所对应的主要加工硬化机制。
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  镁对H13钢液析碳化物及组织的影响

  朱浩然1，周茂华2，胡涛1，钟亮美1，徐翔宇1，付建勋1

  钢铁研究学报. 2022, 34(11): 1278-1285. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20210441

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  摘要：为了研究镁对H13热作模具钢夹杂物、碳化物及组织性能的影响，采用蔡司金相显微镜、扫描电子显微镜、能谱仪、非水溶液电解、显微硬度仪等试验仪器，分析了经高温电阻炉冶炼的不同镁质量分数的H13钢。结果表明：由于镁较高的蒸气压，镁的平均收得率仅为2.12%；随镁质量分数的增加，钢中的氧化物夹杂由Ca-Al-O、Al2O3向MgAl2O4、MgO转变，硫化物夹杂由MnS向Mg-Mn-S转变；MgAl2O4、MgO与γ-Fe、M(CN)、M6(CN)的错配度和聚集长大能力相较于Al2O3更小，能够为钢中的液析碳化物提供更多的形核位置，减小析出碳化物的尺寸；微量镁可显著细化铸态树枝晶，减小二次枝晶间距，镁的加入，提高H13钢基体硬度、降低偏聚区硬度，H13钢整体硬度的均匀性得到改善。
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  自蔓延高温合成TiC-SiC包覆鳞片石墨对含碳浇注料性能的影响

  高凯强，肖国庆，陈兴，丁冬海，任耘

  钢铁研究学报. 2022, 34(11): 1286-1297. https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20210443

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  摘要：采用钛粉、硅粉及天然鳞片石墨（GF）为原料，通过自蔓延高温合成法在GF表面制备TiC-SiC复合包覆层（包覆石墨）。通过Zeta电位与润湿角测试，研究了石墨表面涂覆对其分散性与水润湿性的影响。发现当石墨质量分数为38.6%时包覆石墨Zeta电位最低，达到-35.2；与GF和机械混合试样相比，包覆石墨的水润湿角最低，为27°，水分散性与润湿性最优。以石墨质量分数为38.6%的包覆石墨替代Al2O3-SiC-C浇注料中的球型沥青，研究了包覆石墨对Al2O3-SiC-C浇注料性能的影响。研究发现：随包覆石墨代替球型沥青加入量的提高，其热震后抗折强度呈现先增大后减小的趋势，当加入量(质量分数)为1%时，其热震前后的常温抗折强度最高，分别为17.5、8.5MPa，其残余强度保持率为48.6%。浇注料的高温抗折强度随包覆石墨加入量增加而提高，当包覆石墨的添加量大于1.5%时，其高温抗折强度高于添加质量分数为2%球型沥青的试样，包覆石墨加入量为2%时，高温抗折强度达到2.45MPa。