2021年, 第56卷, 第10期　刊出日期：2021-10-15

  

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  “十三五”中国轧钢技术进步及展望

  康永林

  钢铁. 2021, 56(10): 1-15.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20210324

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  在国家“十三五”规划推动下,中国轧钢技术得到快速发展进步、成就显著,呈现一大批高水平科技成果,大数据、互联网、数字化与智能化等现代科技为高质量、高性能钢材研发生产和科技创新提供了先进高效的手段,钢材产量从2016年10.48亿t增加到2020年13.25亿t,高性能钢材自给率超过98.5%,为国家经济发展建设提供了关键基础材料支撑。仅就“十三五”期间中国轧钢技术的发展进步情况和代表性科技成果作简要介绍分析,重点介绍了中国轧钢产品生产总体情况和轧钢技术取得的代表性科技成果,并从轧制工艺基础与组织调控,绿色化轧制,数字化与智能化轧制,高强度、高性能热轧产品开发及先进热轧技术,高性能、高强度、高精度冷轧产品及先进冷轧技术等方面对代表性科技成果的关键技术点及应用情况做了简要介绍,最后,对未来轧钢技术的发展做了展望。
综合论述
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  加热过程钢中夹杂物演变的研究进展

  战东平, 杨永坤, 姜周华, 雷洪

  钢铁. 2021, 56(10): 16-27.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20200631

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  夹杂物的控制一直是洁净钢领域研究的重要课题,对保证钢材质量和产品性能至关重要。近年来,对夹杂物的研究已由传统的精炼、连铸等工序中的调控扩展到再加热、热轧等热加工过程。为了充分认识再加热过程钢中夹杂物的演变行为,得到加热过程夹杂物的控制策略,综述了国内外关于加热过程钢中MnS、TiN和氧化物等夹杂物演变的研究现状,分别从加热过程夹杂物形貌、尺寸、成分变化以及夹杂物演变机理等几个方面进行了总结介绍,展望了加热过程夹杂物演变在氧化物冶金技术中的利用,以期为夹杂物在铸坯热加工过程的控制研究和热加工工艺的合理调控提供参考。
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  钢铁企业烧结制粒工艺与设备优化进展及趋势

  刘征建, 牛乐乐, 张建良, 王耀祖, 李思达, 单长冬

  钢铁. 2021, 56(10): 28-35.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20200634

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  为明晰当前烧结制粒工艺的发展进展及未来发展的趋势,对钢铁企业烧结制粒工艺与设备进行了充分的总结与分析。烧结制粒性能直接影响着料层透气性以及准颗粒结构分布,是钢铁企业烧结工序中重要的环节,长期以来铁矿石烧结工序的热态性能受到较多关注,但制粒性能欠缺重视。近年来,随着理论和工艺的发展,烧结制粒受到钢铁企业越来越多的重视,随之针对制粒也采取了诸多工艺与设备的优化措施。首先阐述了烧结制粒优化的意义,进而总结了近些年来国内外钢铁企业在原料预处理、滚筒设备、生石灰消化以及混合料水分监测4个方面针对制粒做出的优化进展,并基于对烧结制粒的理解和新兴人工智能技术的认识展望了在可预见的未来钢铁企业烧结制粒优化的趋势。
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  炼钢流程钢中氮的溶解及控制技术

  李小明, 席浩栋, 缪德军, 刘俊宝, 吕明

  钢铁. 2021, 56(10): 36-44.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20210019

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  氮作为钢中典型的常存元素,其含量对钢产品性能有重要影响。炼钢生产过程中,由于钢液裸露容易导致增氮,或者钢液成分不同、操作不当等使含氮合金中氮的收得率不稳定等,这些因素都会使钢液中的氮含量产生明显波动,导致成品钢材性能不稳定。因此,氮的精准控制已成为控氮钢种或含氮钢种生产中的关键问题,分析了钢中氮的来源,阐释了钢液氮溶解热力学和动力学,综述了炼钢生产流程中钢液氮变化、控氮研究现状及技术措施等,提出炼钢流程中钢液氮精准控制发展方向。
原料与炼铁
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  高炉风口焦炭的形貌与冶金行为

  吕青青, 周俊兰, 王光辉, 杜屏, 田永胜

  钢铁. 2021, 56(10): 45-53.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20210082

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  为了研究焦炭在风口区域的劣化过程,获取高炉风口区及风口区边缘焦炭样品,利用显微分光光度计和扫描电镜对焦炭与氧化性气体、炉渣和铁水的反应界面形貌与生成物进行了检测,分析了焦炭在风口区的冶金行为。研究结果表明,氧化性气体会以消耗碳元素方式侵蚀焦炭基质,炉渣则会进入焦炭气孔和裂纹中,通过反应、冲蚀和挤压气孔壁的方式瓦解焦炭。铁水主要通过渗碳作用侵蚀焦炭,残留的灰分会覆盖气孔壁表面,阻碍化学反应进行。风口区的焦炭已经高度石墨化,呈现大量片状石墨结构,微观结构的改变导致焦炭强度降低,最终瓦解粉化。焦炭内部的灰分、炉渣颗粒会与炉渣融合,形成终渣。
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  烧结系统智能制造与大数据技术应用探讨

  刘颂, 赵亚迪, 甘丽, 冯伟, 李福民, 吕庆

  钢铁. 2021, 56(10): 54-64.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20210088

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  为了提升烧结工序的智能制造水平,系统总结了近几十年来烧结系统模型的研究进展。针对当前烧结终点预报、烧结矿成分和质量预报以及烧结配料优化模型存在的问题,开展了基于大数据、集成学习和深度学习等技术的烧结系统参数预报与优化研究,并着重介绍了模型在预报精度及泛化能力提升方面取得的成效。基于上述烧结系统参数预报模型,提出了现场应用烧结过程参数预报与优化系统系统的硬件结构设计和软件结构设计方法。最后从钢铁行业需求出发,剖析了先进信息化技术与工业自动化装备深度融合是提升烧结系统智能制造水平的重要途径,并探讨了大数据及人工智能技术在铁前烧结领域的研究方向和应用前景。
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  高磷鲕状赤铁矿磷的存在形态及脱磷机理

  杨双平, 刘海金, 王苗, 刘起航, 张攀辉

  钢铁. 2021, 56(10): 65-73.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20200620

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  针对高磷鲕状赤铁矿石矿物结构复杂导致的脱磷困难现状,为实现深度脱磷的目的,探索矿物还原过程中磷的形态及微观脱磷过程。以铁品位为44.78%、磷的质量分数为0.92%的高磷鲕状赤铁矿为研究对象,根据其面扫描电镜及矿相结构图可知,矿物之间嵌布紧密、逐层形成鲕状结构,石英、鲕绿泥石与赤铁矿等互相包裹,磷元素集中分布在鲕粒内部的氟磷灰石中。通过对焙烧产物做扫描电镜(SEM)及能谱分析(EDS),对高磷鲕状赤铁矿脱磷机理进行研究。研究结果表明,当YM-1脱磷剂质量分数为16%,还原过程中鲕状结构被破坏,金属铁逐渐从鲕粒中析出聚集,脉石与铁颗粒分离明显,磷化为不同形态被脱除。磁选后尾矿、铁分离完全,磷元素几乎全部进入尾矿,添加复合脱磷剂YM-1焙烧磁选后铁精矿的铁品位为90.16%,铁回收率为91.25%,磷质量分数为0.056%,脱磷率为93.91%。铁精粉各项指标满足工业冶炼要求。
炼钢
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  连铸坯全断面非金属夹杂物成分分布的预报

  张月鑫, 张立峰, 王举金, 牛凯军, 王亚栋

  钢铁. 2021, 56(10): 74-82.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20210053

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  为了研究连铸坯全断面非金属夹杂物成分的空间分布,以帘线钢为研究对象,分析了连铸坯宽度方向中心位置由内弧到外弧夹杂物平均成分的变化。随着距连铸坯表层距离的增加,夹杂物中SiO₂质量分数由53%显著增加至75％左右,随后逐渐减少到60％;MnO质量分数先减少至12.59%,然后增加至27.87%;CaO和Al₂O₃含量变化较小。此外,建立了可用于预报连铸坯全断面夹杂物成分分布的动力学模型,该模型耦合了钢的传热和凝固、夹杂物成分转变热力学,以及元素在钢中的扩散3方面内容。使用该模型计算得到的氧化夹杂物成分的变化趋势与试验结果基本一致,验证了模型的准确性。同时利用该模型研究了不同总铝、总钙和总氧含量条件的连铸坯内夹杂物成分的演变。其中总铝含量对夹杂物的成分分布影响最大,当总铝质量分数由0.000 1%增至0.001 0%时,夹杂物中SiO₂质量分数由57%～64%降至34%～39%;Al₂O₃质量分数由8%～10%增至37%～41%;MnO含量基本上没有发生变化;CaO质量分数由13%～17%降至8%～10%。
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  MgO与低密度钢液相互作用及其对夹杂物的影响

  王蓝卿, 朱航宇, 赵吉轩, 李建立, 宋明明, 薛正良

  钢铁. 2021, 56(10): 83-90.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20210122

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  为了研究高锰高铝低密度钢液与耐火材料间的相互作用规律,以Fe-20Mn-10Al-C(20%Mn、10%Al)低密度钢液与MgO耐火材料棒在1 600 ℃时界面反应为研究对象,分别反应30和60 min后对MgO耐火材料的微观结构以及钢中非金属夹杂物特征进行了观察。结果表明,反应后MgO耐火材料转变为3层结构,分别为致密的MgO·Al₂O₃尖晶石界面层,尖晶石颗粒、钙铝酸盐和MgO颗粒组成的过渡层以及MgO颗粒组成的原始层,且随着反应时间的增加,尖晶石界面层厚度增加;在高锰高铝低密度钢液与MgO耐火材料的相互作用下,钢中非金属夹杂物主要包括单一MgO·Al₂O₃夹杂、AlN夹杂、MgS夹杂和MgO·Al₂O₃-AlN、MgO·Al₂O₃-MgS等复合夹杂物。
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  B₂O₃-Na₂O系调渣剂对钒钛铁水脱硫渣性能的影响

  杨必文, 王海北, 郑朝振, 陈亮, 胡一航

  钢铁. 2021, 56(10): 91-98.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20210078

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  为解决含钒钛铁水脱硫扒渣过程中炉渣黏稠、铁损大及后续回硫多等问题,运用FactSage热力学软件,结合高温试验,探究了B₂O₃+Na₂O系调渣剂对钒钛铁水脱硫渣回硫、熔点及黏度的影响。结果表明,随着B₂O₃和Na₂O加入,铁水脱硫渣熔点及黏度显著降低;调渣剂中添加CaO有助于抑制回硫。并提出了改善铁水脱硫渣性能的调渣剂配方(质量分数),即CaO 45%～55%、SiO₂ 10%～15%、Al₂O₃ 5%～8%、B₂O₃ 15%～20%、Na₂O 5%～10%。调渣剂添加量为脱硫渣渣量的5%～10%时,能有效降低脱硫渣熔点和黏度,减少回硫。
压力加工
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  薄硅钢收卷内应力及无芯筒料卷心形坍塌机理

  唐伟, 陶桂林, 王兴东, 孔建益, 王紫阳, 李震

  钢铁. 2021, 56(10): 99-107.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20210018

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  某薄取向硅钢复卷线采用了恒张力收卷方案,卸卷后无芯筒料卷约有5%的概率发生心形坍塌,经济损失严重。为了研究心形卷产生机理及影响因素,降低坍塌几率,基于弹性力学叠加原理,建立了料卷收卷-卸卷的连续内应力分布模型;进一步基于压力埋管理论分析了无芯筒薄料卷心形坍塌过程,确定了坍塌区层数;测量了12组带厚为0.23、0.283 mm的心形卷的屈曲半圆心角与屈曲区层数,测量值与理论预测值基本吻合,验证了所提理论的准确性。分析了钢带厚度和粗糙度、橡胶层等效径向刚度对内应力的影响。研究表明,随钢带厚度和粗糙度、橡胶层等效径向刚度的减少,料卷心形坍塌概率及坍塌层数增大;该规律与现场观察一致。通过减小橡胶层厚度、增加橡胶层弹性模量可增大等效径向刚度,大幅减小料卷压应力,降低心形坍塌概率和坍塌区层数。
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  超高强钢冷轧过程轧制力计算的改进模型

  刘亚星, 顾清, 张文军, 白振华

  钢铁. 2021, 56(10): 108-116.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20210106

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  为了解决采用圆弧模型计算超高强钢冷轧过程轧制变形区轧辊压扁曲线误差较大的问题,充分考虑到超高强钢的轧制特点,通过分析不同压扁半径下轧辊压扁曲线的变化规律,构造出新型轧辊压扁曲线函数模型,给出了该函数中轧制变形区接触弧长特性参数与轧辊压扁曲线特性参数的求解方法。基于此,根据弹塑性理论中的变形与应力关系,推导了入口弹性变形区、塑性压下变形区以及出口弹性变形区单位轧制压力分布计算过程,建立了超高强钢冷轧过程总轧制力计算模型。并将其推广应用到某钢厂2030冷连轧机组,验证了该模型的计算准确度。结果表明,超高强钢冷轧过程轧辊压扁曲线用二次函数表示,更能准确反映轧辊压扁状态,其计算结果与实际值具有较高的吻合度。同时,为冷连轧机组生产超高强钢产品极限轧制能力的评估与轧制规程的制定提供了理论依据。
钢铁材料
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  硫化物变性处理45MnVS非调质钢的高周疲劳性能

  王占花, 惠卫军, 张永健, 赵晓丽, 郝彦英, 戴观文

  钢铁. 2021, 56(10): 117-126.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20210145

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  长条状的硫化物夹杂往往会导致热轧/锻造含硫钢的力学性能呈现出明显的各向异性。为了明确硫化物变性处理铁素体-珠光体型非调质钢的疲劳性能各向异性,采用轴向力控制高频疲劳试验机(应力比R=-1)研究了工业生产的45MnVS非调质钢锻态及调质态的高周疲劳断裂行为。结果表明,试验料纵向样中的MnS夹杂分布较为均匀,多呈短棒状或纺锤形,平均长宽比为3.4±1.7。与未变性处理的含硫非调质钢相比,试验料塑性和韧性的各向异性得到显著降低。锻态与调质态横向样的疲劳性能略低于纵向样,调质态样的疲劳极限比(0.52~0.54)明显高于锻态样(0.46)。在ΔK值大于约35 MPa·m^1/2时,横向样的疲劳裂纹扩展速率略大于纵向样。疲劳断口分析表明,2种状态横向样的疲劳裂纹均主要起源于钢中条棒状MnS夹杂,且调质态样受影响的程度更大。上述结果表明,试验钢硫化物变性处理后的疲劳性能各向异性很小,锻态组织的各向异性程度略低于调质态组织,但后者具有更为优异的疲劳性能。
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  高压热处理诱导工业纯铁马氏体相变

  陈鑫, 崔晴, 程子健, 徐畅, 温斌, 林小娉

  钢铁. 2021, 56(10): 127-135.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20210151

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  为了研究高压下马氏体组织形态特征及高压淬火马氏体相变机制,利用CS-1V型六面顶高压设备、在3、4和5 GPa高压下对工业纯铁进行热处理,利用SEM、EBSD等分析手段研究了高压淬火对工业纯铁马氏体组织形态及力学性能的影响。结果表明,GPa级高压下奥氏体化后,工业纯铁以6 ℃/s冷却速率就能淬火获得马氏体。3 GPa下,工业纯铁淬火马氏体呈现典型的低碳马氏体组织形貌;4 GPa下,其板条马氏体形成过程与典型的片状马氏体类似,先形成的板条束贯穿整个奥氏体晶粒并将其分割,后形成的板条束尺寸大小受限;5 GPa下,以协作方式通过母相转变为马氏体的“协作方阵”数量多、尺寸小、整齐性高,并多呈“梯形”生长。5 GPa下淬火工业纯铁的力学性能接近常压下淬火的0.2%C钢水平,硬度达415HV,屈服强度达700 MPa。
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  电弧增材制造HSLA钢的组织演变行为与力学性能

  禹润缜, 余圣甫, 齐膑, 代轶励

  钢铁. 2021, 56(10): 136-145.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20210183

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  电弧增材制造是成形高性能HSLA钢构件的重要新方法。为了明晰HSLA钢在电弧增材制造时的组织演变行为,研究了构件在堆积成形时的温度场、热循环、热影响区分区及其组织转变。结果表明,电弧增材制造过程中,HSLA钢堆积金属包含凝固区与热影响区,热影响区可分为粗晶区、正火区和回火区。凝固区在热循环作用下先后转变为粗晶区、正火区,最终成为回火区;同时,堆积金属中的残留铁素体晶核、夹杂物附近的高密度位错、铁素体感生形核、第二相质点钉扎晶界和连续动态再结晶共同促进组织细化,使粗大的柱状晶、块状铁素体、侧板条铁素体以及少量针状铁素体、珠光体演变为细小的等轴铁素体和珠光体,有利于提高构件强韧性并抑制力学性能各向异性。构件垂直与水平抗拉强度分别为519.6、520.8 MPa,-20 ℃冲击功分别为124.7、122.1 J。
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  铌、钒对高强钢筋再结晶影响及轧制工艺设计

  蒲春雷, 林银河, 尹国亮, 田野, 程相魁, 方实年

  钢铁. 2021, 56(10): 146-151.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20210143

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  为了研究和设计高强钢筋添加铌、钒后轧制过程中对奥氏体区再结晶行为的量化管控,采用Gleeble-3500热模拟机对铌、钒微合金化高强螺纹钢进行单轴热压缩试验,基于再结晶临界条件的热力学原理,通过对不同形变条件下应力-应变曲线分析,采用Avrami方程得到了不同变形条件下的再结晶动力学曲线,并根据再结晶动力学曲线,量化对比分析了铌、钒微合金化对高强螺纹钢再结晶开始、转变及终了过程的影响。结果表明,铌、钒微合金化螺纹钢的热压缩过程均呈现了明显的动态再结晶特征,由于微合金元素Nb/Nb+V的添加,阻碍了20MnSi钢的动态再结晶,变形温度的提高或应变速率的增加可促进再结晶。针对生产中利用动态再结晶而组织调控进行了工艺设计,精轧机组中成品机架前进行冷却和回复,确保830 ℃左右有利再结晶分数达到95%。
环保与能源
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  中国钢铁工业碳达峰及低碳转型路径

  张琦, 沈佳林, 许立松

  钢铁. 2021, 56(10): 152-163.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20210207

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  2020年中国宣布将提高国家自主贡献力度,二氧化碳排放力争在2030年前达峰。钢铁工业作为典型的资源、能源密集型行业,是率先落实碳达峰的重要行业。分析了钢产量、生产结构、节能减排技术和碳税等因素对中国钢铁工业碳排放的影响程度。研究表明,不同的钢产量达峰时间将对钢铁工业的碳达峰产生不同影响,技术和生产结构因素也将对中国钢铁工业产生重要影响。地方区域是落实国家碳达峰任务的责任主体,对京津冀及周边地区、长三角地区、汾渭平原和两广地区4个具有不同钢铁生产特点的重点区域碳排放进行研究,并分析了区域达峰方案。加快调整产业结构、推广低碳技术、改变能源结构、推进产业间耦合和加强碳资产管理等方面制定钢铁工业低碳转型路径,对实现中国钢铁工业碳排放早日达峰和碳中和有重要意义。