2020年, 第55卷, 第4期　刊出日期：2020-04-15

  

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综合论述
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  高炉焦炭在铁水中溶解行为研究现状及展望

  张建良, 孙敏敏, 李克江, 李洪涛

  钢铁. 2020, 55(4): 1-11.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20190283

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  在当前及未来大型高炉高冶炼强度的条件下,加快焦炭在铁水中的溶解速率、提高高炉炉缸铁水的碳饱和度是削弱碳不饱和铁水对炉缸炉衬侵蚀、保证炉缸正常工作及延长高炉寿命的重要措施,同时可以为下游的炼钢工序提供部分热量来源。首先对国内外焦炭在铁水中溶解的试验和模拟研究方法进行了概括,然后对焦炭自身结构性能、焦炭中矿物质、铁水的物理性质等影响焦炭溶解速率的因素进行了详细分析。结果表明,碳结构的有序度和铁水温度的升高有利于焦炭的溶解,而焦炭中矿物质及铁水中硫、磷等元素的存在会抑制铁水的进一步渗碳。研究结果为高炉操作者理解焦炭在铁水中的溶解行为提供借鉴,指导钢铁工业的节能减排。
原料与炼铁
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  不同热解半焦与高炉喷吹煤粉燃烧性能差异性

  吴浩, 邹冲, 何江永, 王伟安, 刘占伟, 师帅

  钢铁. 2020, 55(4): 12-19.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20190222

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  研究不同半焦与喷吹煤粉的燃烧性能有利于半焦进行高炉喷吹、降低炼铁成本。通过改变热解温度、热解升温速率、热解保温时间和热解气氛在管式炉中制备了不同的半焦样品,通过工业分析和热重试验、结合比表面积、发热量和活化能变化对不同热解半焦和两种喷吹煤粉燃烧性能差异进行了分析。结果表明,不同热解条件下制备的半焦,其燃烧性能大多介于两种喷吹煤之间,热解温度是影响半焦反应性能最重要的因素,热解温度对活化能的影响呈现先减小后增大的趋势。不同热解温度制备的半焦孔隙结构均比喷吹煤发达,且累积孔容积和比表面积均呈现先增加后减少的趋势,孔隙特点与燃烧性能基本对应。550 ℃是制备高反应性半焦较适宜的热解温度。可以通过控制热解条件制备高反应性半焦,这有利于半焦在高炉喷吹中的应用。
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  不同变质程度煤焦炭光学组织与冷热性能

  郭德英, 李东涛, 张小明, 马超, 代鑫, 刘洋

  钢铁. 2020, 55(4): 20-26.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20190317

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  为研究煤的变质程度对焦炭光学组织的影响以及焦炭光学组织和冷热性能的关系,对30余种炼焦煤的镜质体最大反射率以及成焦后焦炭的光学组织和冷热性能进行测试。结果表明,焦炭的光学组织随炼焦煤的变质程度呈现规律性变化,镶嵌结构体积分数随镜质体最大反射率变化可分为快速增加、平稳和缓慢下降3 个阶段;∑ISO 体积分数随镜质体最大反射率的变化趋势与之相反。焦炭的冷热性能和光学组织体积分数之间可以建立回归方程,焦炭的反应性随着∑ISO体积分数的增加而升高,而反应后强度随镶嵌结构体积分数的增加而升高。回归方程用于指导炼焦生产后,经济效益显著。
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  MgO及碱度对FeO_x-SiO₂-CaO-MgO-Al₂O₃体系液相生成的影响

  胡长庆, 王晓磊, 师学峰, 王志星, 韩伟刚

  钢铁. 2020, 55(4): 27-33.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20190256

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  为研究MgO含量及碱度对球团矿及烧结矿液相生成特性的影响,以FeO_x-SiO₂-CaO-MgO-Al₂O₃五元体系为研究基础,通过固定SiO₂和Al₂O₃质量分数,以碱度及MgO质量分数为变量,采用FactSage模拟与熔点熔速试验数据相结合的方法,探究了MgO质量分数及碱度变化对FeO_x-SiO₂-CaO-MgO-Al₂O₃体系液相生成特性的影响,并以此确定此五元体系最佳MgO质量分数及碱度范围,为企业生产实践提供理论支撑。结果表明,当体系w(MgO) 变化范围为1.5%～3.0%时,体系高熔点化合物的生成量随着MgO质量分数的提高而增加,抑制了液相生成,体系的液相区会随着MgO质量分数的增加而逐渐缩小;当碱度为2.0和1.8时,体系的熔融速率较为稳定,便于控制。
炼钢
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  基于挥发影响的CaF₂-Al₂O₃二元相图测定与解析

  赵忠宇, 赵俊学, 谭泽馨, 卢亮, 崔雅茹, 李小明

  钢铁. 2020, 55(4): 34-39.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20190282

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  为实现对CaF₂-Al₂O₃二元相图做出有效测定与评价,首先利用FactSage软件计算和熔点测试绘制了CaF₂-Al₂O₃二元相图,共晶点成分为10%Al₂O₃-90%CaF₂(质量分数),共晶温度为1 340 ℃。通过热重-差热试验发现,该二元体系升温过程存在明显失重和吸热,温度达到1 500 ℃时,90%CaF₂-10%Al₂O₃的试样失重率可达27%,失重主要是CaF₂挥发,并伴随明显吸热峰。基于失重及挥发反应,对熔点测定过程进行成分修正,得到新的CaF₂-Al₂O₃二元相图,共晶点成分为12%Al₂O₃-88%CaF₂(质量分数),共晶温度为1 340 ℃。最后,通过荧光分析对熔化后的渣样进行成分检测,结果与新的相图基本吻合。研究结果对含易挥发组元炉渣熔点测定及相图的绘制和解析具有参考价值。
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  非钙处理对高等级齿轮钢夹杂物的影响

  杨光维, 陈兆平, 柳向椿

  钢铁. 2020, 55(4): 40-44.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20190292

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  为解决水口堵塞、B类夹杂物超标及控制Ds类夹杂物,通过热力学计算和工业试验研究了SCr420H齿轮钢钙处理与非钙处理对中间包夹杂物的影响。研究发现,非钙处理炉次中间包夹杂物数量低于钙处理炉次。非钙处理炉次中间包夹杂物主要为棱角状镁铝尖晶石;钙处理炉次夹杂物主要为Al₂O₃-CaO-MgO与CaS复合球状夹杂物。优化工艺后非钙处理炉次中间包高熔点尖晶石类夹杂物数量大幅降低,水口堵塞及B类夹杂物问题得到解决。非钙处理圆钢夹杂物评级结果为,A类不大于0.5,B类不大于0.5级,C类为0,D(细)类不大于1.0级,D(粗)类不大于0.5级,Ds类不大于1.0级。
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  大型转炉高效率、长寿命顶底复合吹炼技术

  杨利彬, 曾加庆, 邓勇, 徐小伟, 乌力平

  钢铁. 2020, 55(4): 45-52.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20190308

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  在分析解决大型复吹转炉吹炼过程中普遍面临主要难点问题的基础上,通过冶炼过程成渣、元素氧化规律的试验和理论分析研究,最终形成了大型转炉高效率、长寿命冶炼工艺。基于大型转炉元素选择性氧化热力学与动力学分析和试验,得出顶吹供气强度提高到3.50~3.72 m³/(t·min),能兼顾冶炼前、中、后期成渣、脱磷需求和脱碳升温期的冶炼效率。底吹供气强度达到0.2 m³/(t·min) 能够有效降低熔池搅拌死区。底吹供气强度和流场是影响底吹效果的决定性因素。底吹强度、底吹元件类型、底吹数量、底吹模式及维护等技术单元的合理匹配可以确保底吹效果和炉底长寿命,通过10年不断优化和应用,形成了稳定、高效、可靠的大型转炉冶炼技术操作规则,转炉全炉役出钢碳氧积平均降低到0.001 5以内,一次性复吹炉龄达到7 333炉,冶炼效率大幅提升。
压力加工
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  中厚板组板及板坯设计的智能优化模型和系统

  郑忠, 王永周, 卢义, 高小强

  钢铁. 2020, 55(4): 53-59.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20190305

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  针对中厚板生产订单具有的多品种、多规格、小批量等特点,致使其组板及板坯设计存在难度大的问题,充分利用非定尺生产订单及板坯规格的不确定性建立适应性组合优化模型,实现一维和二维、定尺与非定尺的中厚板组板及板坯集成优化设计,并构建相应的模型软件系统。利用某钢厂生产订单数据的应用测试表明,模型设计结果相比与人工设计、标准遗传算法具有成材率提高、余材率明显降低、设计效率显著提升的效果;改变生产订单规模和特征的仿真试验进一步显示出模型及系统的设计质量提升效果。
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  铸轧薄带的边部斜裂纹形成机理

  孙明翰, 朱志旺, 郑立康, 郑传幸, 杜凤山

  钢铁. 2020, 55(4): 60-67.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20190412

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  为了控制铸轧薄带产品质量,降低铸轧工艺本征裂纹导致的断带风险,针对铸轧薄带的边部斜裂纹展开研究,提出边部斜裂纹形成的直接原因为侧封与熔池间的换热使熔池边部的Kiss点高度局部提升。该处薄带进入铸轧塑性变形阶段的初始厚度局部增大,由此引发的斜向剪应力导致了边部斜裂纹的产生。建立了熔池的热-流耦合数值仿真模型,分析了Kiss点高度沿铸轧辊宽度方向上的分布规律,结果显示熔池边部的Kiss点高度高于熔池中心。建立了热-力耦合数值仿真模型,分析了变厚度薄带热轧时其塑性变形区内的应力分布状况,结果显示斜向剪应力集中分布于后滑区边部,其方向与后滑区金属的流动方向一致。仿真结果验证了所提出的边部斜裂纹形成机理的合理性。
钢铁材料
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  镁改质对Y1Cr13易切削不锈钢中硫化物的影响

  吴翔宇, 何玉东, 吴良平, 沈平, 付建勋

  钢铁. 2020, 55(4): 68-74.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20190296

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  为了研究镁对Y1Cr13易切削不锈钢中硫化物的改质作用,采用金相显微镜、Image-Pro Plus图像分析软件、扫描电子显微镜、FactSage热力学软件分析了添加镁前后钢中硫化物的分布规律、整体形貌以及析出条件。结果表明,向Y1Cr13易切削不锈钢中加入一定量的镁可将Al₂O₃改质成细小弥散的Al₂O₃·MgO,钢中典型硫化物MnS在钢液凝固末期会以其为形核质点析出,析出温度为1 448 ℃,形成的MnS-Al₂O₃·MgO复合夹杂物具有外软内硬的结构,这种结构使得MnS在轧制过程中不易变形,在轧材中仍然保持球状或椭球状,并且随着镁质量分数的提高,Al₂O₃·MgO的析出温度区间越大,其析出量越多,对MnS形态的改善也越明显;硫化物评级由未改质前的细系5.5、粗系4.5下降到改质后的细系3.5、粗系1.0,并且随着其质量分数的提高,评级进一步下降至细系2.5、粗系0.5,轧材成材率由原来的70%提升至90%。因此,适当提高镁的添加量有利于提高其改质效果。
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  晶界空位与碳原子对铁晶界力学性能的影响

  肖少彬, 王薇, 刘天宇, 张琴, 吕知清

  钢铁. 2020, 55(4): 75-81.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20190318

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  为了从纳米尺度上探究与表征bcc-Fe的晶界变形行为,采用分子动力学方法分析了4种不同的bcc-FeΣ3晶界(Σ3(111)、Σ3(112)、Σ3(111)/(115)、Σ3(112)/(552))的拉伸与剪切变形过程,研究了晶界上空位和碳的原子分数对晶界拉伸和剪切性能的影响。结果表明,随着空位与碳原子所占晶界原子分数的增加,Σ3(112)晶界的拉伸应力-应变曲线屈服阶段逐渐消失。随着空位原子分数的升高,Σ3(111)晶界抗拉强度逐渐降低,而其余3种晶界抗拉强度也有不同程度的减小。含碳原子的Σ3(111)晶界抗拉强度有所增加,相反,其余3种晶界抗拉强度均低于原始无缺陷晶界。4种晶界的剪切强度均由于空位的存在或碳原子置换而明显减小。
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  超大型液化石油气船用低温钢组织性能

  肖大恒, 汤伟, 罗登, 王振, 谢振家, 尚成嘉

  钢铁. 2020, 55(4): 82-87.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20190330

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  为了满足超大型液化石油气船的建造需要,介绍了采用铌、钛复合微合金化及控制轧制与控制冷却技术研制超大型液化石油气船用LT-FH32低温钢,并对其显微组织演变及力学性能进行系统研究。CCT曲线研究表明,当冷却速度小于3 ℃/s时,LT-FH32低温钢主要获得多边形铁素体和少量珠光体组织;冷却速度为5~15 ℃/s时,主要为多边形铁素体、针状铁素体和贝氏体的多相组织;当冷却速度大于20 ℃/s时,主要为板条贝氏体组织。经控制轧制和控制冷却获得的10和34 mm板厚的低温钢,其显微组织均为多边形铁素体和板条贝氏体多相组织。两种板厚的多相组织低温钢横、纵向性能差异不大,屈服强度为390~413 MPa,抗拉强度为485~521 MPa,-80 ℃夏比冲击功高于200 J,韧脆性转变温度为-100 ℃以下。
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  420 MPa级耐候桥梁钢用焊材熔敷金属强韧化规律

  卓晓, 安同邦, 马成勇

  钢铁. 2020, 55(4): 88-94.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20190376

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  为了研发与420 MPa级耐候桥梁钢综合性能相匹配的焊材,研究了3种不同质量分数硅、锰的熔敷金属的组织和性能变化规律。通过扫描电子显微镜(SEM)、透射电镜(TEM)、电化学测量等手段全面分析了硅、锰质量分数对熔敷金属强韧化规律和耐蚀性的影响。结果表明,当熔敷金属中硅质量分数为0.32%时,锰质量分数从1.34%减至1.05%,抗拉强度降低5%,冲击韧性提升40%;锰质量分数为1.05%时,硅质量分数从0.34%减至0.20%,抗拉强度降低2%,冲击韧性提升24%。冲击韧性的提升归因于柱状晶区和再热粗晶区内的先共析铁素体(含侧板条铁素体)占比减少,针状铁素体增加,M-A组元尺寸减小,从而裂纹扩展路径更加曲折,裂纹扩展功增加。同时,各熔敷金属与试验用耐候桥梁钢自腐蚀电位差均小于20 mV。由此,实现了强韧性、耐蚀性与试验用钢相匹配。
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  退火张力对Fe-3.0%Si无取向硅钢磁各向异性的影响

  刘青松, 裴英豪, 施立发, 夏雪兰, 何志坚, 程国庆

  钢铁. 2020, 55(4): 95-99.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20190383

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  为了探索退火过程中张力对高牌号无取向硅钢磁各向异性的影响,利用MULTIPAS模拟Fe-3.0%Si无取向硅钢连续退火过程中单位张力变化对硅钢磁性能及磁各向异性影响规律。结果表明,单位张力从2提高到6 MPa,铁损P_1.5/50和磁感应强度B₅₀各向异性分别由10.50%、1.72%增大到11.11%、1.84%;单位张力为4 MPa时硅钢铁损最低为2.17 W/kg;单位张力为3.16 MPa时硅钢可以获得较好的磁性能及铁损各向异性;连续退火过程中最佳单位张力应控制在3~4 MPa。
环保与能源
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  非高炉闪速炼铁研究进展

  汪金良, 戴曦, 张伟, 龚树山, 周国治, 张文海

  钢铁. 2020, 55(4): 100-105.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20190504

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  非高炉炼铁是钢铁工业实现低碳冶金的重要方向之一,在国外已进行了近百年的研究,出现了“直接还原”和“熔融还原”等十余种新工艺,但迄今都尚未能成功取代高炉,表明其创新难度很大。介绍了基于钢铁冶金与有色冶金“学科交叉”思维所提出的将有色工业成熟的“闪速冶金”工艺拓展用于炼铁在基础理论与试验研究方面所做的工作与进展,提出了以“煤基常压气化-飘浮闪速炼铁”为技术特征的非高炉炼铁新工艺,并介绍了其产业化的初步设计方案。
装备技术
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  轧机液压压下系统非线性振动诱因分析

  张永顺, 姜万录, 李振宝, 李静静

  钢铁. 2020, 55(4): 106-112.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20190371

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  具有液压压下系统的轧机被广泛应用在板带生产过程中,为解决液压压下系统引起的轧机非线性振动问题,在闭环控制情况下分别研究了不同阻尼系数、泄漏系数以及控制器比例系数3种系统参数对压下系统垂振的影响。考虑压下缸非线性液压弹簧力建立了轧机液压压下系统垂振模型,通过振动位移时域图和位移-速度相图分析了不同系统参数与系统垂振的相关性。仿真结果表明,由于轧机液压压下系统采用传统PID控制器,液压系统本身阻尼系数、泄漏系数等具有慢时变特性,会使得原有PID控制可能出现功能失效情况,造成系统垂振的发生,该研究为后续设计控制器消除液压系统参数变动引起的垂振有一定的理论和工程实际意义。