2021年, 第56卷, 第4期　刊出日期：2021-04-15

  

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综合论述
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  人工智能在钢铁工业智能制造中的应用

  王龙, 冀秀梅, 刘玠

  钢铁. 2021, 56(4): 1-8.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20200503

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  钢铁工业是国民经济的基础工业,是决定国家发展水平的最基本要素之一。中国已经成为世界第一钢铁制造大国,但在整体创新能力、素质和产品竞争力方面存在“大而不强”的问题。加快钢铁工业的转型升级,向钢铁强国转变,已成为新时期中国经济社会发展的重大战略任务。智能制造将先进的制造技术与新一代信息技术深度融合,贯穿于制造过程的各个环节,是中国钢铁工业创新发展的一个新机遇。钢铁工业未来重点发展方向将是基于新一代人工智能技术的智能制造。深入分析了智能制造的特征以及人工智能技术在智能制造中的应用及其发展的趋势,对如何在智能制造中推动人工智能相关技术创新应用给出建议,提出了国内钢铁企业在利用人工智能发展智能制造的路径规划,为钢铁行业智能制造在中国的发展提供借鉴。
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  铁矿球团还原膨胀机理及影响因素的研究进展

  郭宇峰, 刘阔, 刘雅婧, 陈凤, 王帅, 郑富强

  钢铁. 2021, 56(4): 9-15.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20200436

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  铁矿球团在还原过程中通常会伴随体积的膨胀,如果发生异常膨胀或恶性膨胀则会严重妨碍炼铁生产的顺行。开展铁矿球团还原膨胀机理和影响因素研究,有利于制备出低还原膨胀率球团,改善高炉运行状况。从物相转变、铁晶须生长、还原反应速率以及碳沉积等方面归纳了引发铁矿球团还原膨胀的机理。指出了生产工艺制度、熔剂、杂质元素以及还原气氛等因素对球团还原膨胀产生造成的影响,并针对不同影响因素的还原膨胀抑制方法进行了简要评述。
原料与炼铁
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  CaO-SiO₂-MgO-Al₂O₃渣系渣铁间硫分配比热力学模型

  郑海燕, 王硕, 郭永春, 姜鑫, 高强健, 沈峰满

  钢铁. 2021, 56(4): 16-23.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20200396

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  为了探明高炉渣系组成对高炉渣脱硫能力的影响,根据分子-离子共存理论,建立了CaO-SiO₂-MgO-Al₂O₃高炉渣系与铁液间硫分配比的热力学模型,利用试验测定值对其进行验证与修正,探究碱度R、w((MgO))/w((Al₂O₃))和w((Al₂O₃))对炉渣脱硫能力的影响。研究结果表明,修正后的CaO-SiO₂-MgO-Al₂O₃高炉渣系硫分配比(L_S)热力学模型能较好地预测熔渣的脱硫能力,修正后的相对误差为8%,较修正前的相对误差降低了11%;当w((MgO))/w((Al₂O₃))=0.25~0.45,w((Al₂O₃))=15%时,随着碱度R的增加,炉渣的脱硫能力(L_S)增大;当w((Al₂O₃))=15%,R=1.15~1.25时,随着w((MgO))/w((Al₂O₃))的增加,炉渣的脱硫能力(L_S)增大;当w((MgO))/w((Al₂O₃))=0.25~0.45,R=1.20时,随着w((Al₂O₃))的增加,炉渣的脱硫能力(L_S)减小,故高Al₂O₃条件下应适当增加炉渣中的w((MgO))/w((Al₂O₃))。
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  高炉炉缸死铁层深度优化设计

  魏红超, 雷鸣, 杜屏, 郭子昱, 高天路, 张建良

  钢铁. 2021, 56(4): 24-30.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20200385

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  高炉炉缸死铁层深度是高炉重要设计参数之一,死铁层深度对高炉寿命影响重大。针对大型高炉死铁层深度优化问题,基于2 000、2 500、3 000、4 000、5 000 m³级的国内外部分高炉死铁层深度统计情况,得出中国死铁层深度占炉缸直径的19.7%～23.3%的现状。通过建立高炉死料柱的受力模型,在保证死料柱浮起的条件下,计算出2 000、3 000、4 000及5 000 m³级高炉死铁层适宜深度占比分别为23.8%、24.3%、24.8%、25.5%。通过分析高炉设计参数及操作参数与死铁层深度的关系,提出高炉在实际生产中,为促进死料柱浮起及增大死铁层实际深度,可采取适当增大焦比、减小块状带孔隙率、增大风速、减小鼓风压力与炉顶压力的差值、控制死料柱孔隙率为0.40～0.48等措施,为死铁层优化设计和高炉操作提供指导。
炼钢
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  120 t转炉旋流氧枪的射流搅拌特性

  吕明, 李航, 谢堃

  钢铁. 2021, 56(4): 31-38.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20200379

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  熔池流动状态及反应速度是实现转炉高效冶炼的关键,主要取决于氧气射流与熔池的相互作用及底吹搅拌强度。建立了120 t转炉旋流氧枪的三维全尺寸几何模型,利用数值模拟研究了不同旋流角旋流氧枪的射流特性,并对比分析了其对转炉熔池的冲击搅拌效果。结果表明,随着旋流角的增大,氧气流股的射流核心区长度不断减小,射流中心距氧枪轴线距离增大,氧枪射流交汇点距喷孔出口距离不断增大,射流聚合现象被抑制;当旋流角由0°增加至15°时,氧气射流的冲击深度减小了40%,冲击半径增加了13%;熔池纵截面上的高速区域分布在冲击凹坑附近,横截面上的高速区域分布在冲击凹坑及相邻凹坑连接处延长线外部区域。
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  VD炉氧脱碳工艺生产实践

  杨荣光, 闫占辉, 高宠光, 石树东, 王国连, 刘金刚

  钢铁. 2021, 56(4): 39-43.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20200394

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  为了研发MCCR低碳钢种,采用KR→转炉→VD炉→LF炉工艺流程,开发利用VD炉氧脱碳工艺,生产超低碳钢(w([C])小于0.02%)。复吹转炉出钢w([C])小于0.06%,沸腾出钢,出钢过程平均脱碳率为33%;VD炉真空处理保持深真空(小于67 Pa),脱碳率达到65%,实现脱碳后平均w([C])为0.006 7%,最低w([C])为0.002 3%。LF炉采用控制增碳深脱硫,完全能够满足MCCR超低碳超低硫钢生产需求。
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  CSP产线下汽车结构用热轧酸洗板中的夹杂物

  隋亚飞, 邓之勋, 赵如, 齐江华

  钢铁. 2021, 56(4): 44-51.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20200393

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  为了提高CSP产线热轧酸洗板的洁净度与综合性能,研究了CSP工艺下QSTE500TM(汽车结构用热轧酸洗板)冶炼过程和热轧卷中的夹杂物。冶炼过程中夹杂物的变化路线是Al₂O₃-SiO₂-MnO→Al₂O₃→MgO-Al₂O₃-CaO-CaS→Al₂O₃-CaO-CaS。LF钙处理前到中间包阶段,钢液中夹杂物总量基本不变,约为200 μm²/mm²。热轧卷中夹杂物总量约是钢液中的2倍,组成主要是较大尺寸的MgO-Al₂O₃-CaO-CaS、小尺寸的TiN析出物以及中等尺寸的Al₂O₃-CaO-TiN复合夹杂。随着氮含量的增加,热轧卷中夹杂物总量增加、小尺寸夹杂物分布均匀,10 μm以上的夹杂物在卷宽1/4处分布最多。由于选分结晶的作用,复合夹杂中TiN的质量分数在10%～100%之间变化,随着TiN含量的升高,夹杂物尺寸逐渐变小。CSP工艺下热轧卷中第二相析出物更均匀,有利于产品最终的力学性能。综合考虑过程控制能力和产品性能需求,建议CSP热轧酸洗板严格控制连铸保护浇铸,氮质量分数小于0.006 0%。
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  基于电脉冲技术抑制连铸水口结瘤堵塞的研究

  杨鑫, 张媛媛, 何志军, 张军红, 湛文龙, 于景坤

  钢铁. 2021, 56(4): 52-56.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20200286

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  浇注过程中连铸水口表面存在自生电场,由此所引起的电润湿、电化学反应等界面作用严重影响水口结瘤堵塞。在连铸平台进行了工业试验,研究结果表明无电场处理的水口内腔结瘤物厚度可达10 mm,吐钢孔堵塞严重;电脉冲处理后的水口内腔平滑,吐钢孔无明显结瘤物。电脉冲处理可减弱或消除水口表面自生电场引起的界面作用,从而有效抑制水口结瘤,延长水口使用寿命。
压力加工
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  连退机组焊机焊缝厚度预报模型及其影响因素

  李学通, 翟乾俊, 姚利辉, 孙业选, 刘超智, 白振华

  钢铁. 2021, 56(4): 57-63.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20200321

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  针对以往现场对焊接工艺的研究偏重于焊接电流、焊接热量的计算以及焊接原理的分析,而对焊缝厚度方面的研究则偏少,造成了焊缝质量控制不利的问题。在充分考虑了连退焊接机组的设备与工艺特点后,对焊缝厚度与搭接量、碾压轮压力、焊接电流、焊轮压力以及焊接速度等焊接工艺参数之间关系进行了分析,并建立了一套适合于连退焊接机组的焊缝厚度预报模型,给出了相应的模型特征参数计算方法。同时以某1 550连退焊机的典型规格产品为例,利用所建模型定量分析了焊缝厚度的影响因素,并将其应用到生产实践,取得了良好的使用效果,具有进一步推广应用的价值。
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  直接轧制工艺对中厚板组织与性能的影响

  李海军, 李天祥, 李睿昊, 王昭东, 王国栋

  钢铁. 2021, 56(4): 64-69.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20200287

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  连铸坯直接轧制技术作为一种变革性的绿色钢铁生产流程,目前主要用于超薄带和线棒材生产,近年来国内外逐步开始了中厚板直接轧制工艺的探索性工作。直接轧制工艺与常规热轧工艺相比,具有不同的温度履历和物理冶金学过程。选取Nb-Ti微合金钢为研究对象,从产品组织与性能的角度,探讨中厚板直接轧制工艺的可行性。采用炼钢-连铸-轧制中试试验,对比研究了直接轧制工艺及常规热轧工艺下中厚板产品的组织和性能,并基于动态再结晶模型,探讨了直接轧制工艺下试验钢的组织细化机制。研究结果表明,直接轧制工艺下,虽然连铸坯轧前未经过γ-α-γ相变过程,仍保留铸态粗大的奥氏体晶粒,但轧制过程中较大的芯表温差有利于变形向芯部渗透,芯部再结晶进行得更加充分,可以用形变再结晶机制代替常规热轧工艺的相变机制细化成品芯部组织,获得与常规热轧工艺相近甚至更优的显微组织与力学性能。
钢铁材料
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  铝对铁素体耐热不锈钢高温氧化行为的影响

  张英波, 邹德宁, 魏统宇, 王泉生, 张晓明, 李雨浓

  钢铁. 2021, 56(4): 70-75.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20200345

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  为了探究不同铝含量对X10CrAlSi18铁素体耐热不锈钢高温氧化行为的影响,采用恒温氧化方法对0.63%Al 和1.06%Al(质量分数)两组钢在700 ℃空气下进行高温氧化研究,测定和计算了氧化增重和平均氧化速率,观察分析了氧化形貌与氧化物相组成。结果表明,两组钢均达到了完全抗氧化级别,但1.06%Al钢的氧化增重和氧化速率均小于0.63%Al钢,表现出较好的抗高温氧化性;两组钢氧化膜均由3层组成,内层为Al₂O₃和SiO₂,中间层为Cr₂O₃和Fe₂O₃,外层则为MnCr₂O₄和FeMn₂O₄;随着铝含量的增加,氧化膜较为连续、致密,且与基体之间附着性较好,同时内氧化明显减少。
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  Cu元素对AMS6308钢抗回火性能的影响

  赵吉庆, 杨钢, 彭涛

  钢铁. 2021, 56(4): 76-82.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20200511

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  为研究Cu元素对AMS6308钢耐温性的影响,采用SEM、TEM、EBSD、相分析和力学性能测试等手段,研究了不同回火温度下,AMS6308钢(含2%Cu)与不含Cu对比试验钢的组织与力学性能,探讨AMS6308钢中Cu元素对提高抗回火性能的作用。结果表明,随着回火温度提高,AMS6308钢强度先升后降,450 ℃出现峰值,并且整个回火温度区间强度均高于无Cu钢。400 ℃以下温度回火,Cu元素提高整体强度与抗回火性能,主要依靠固溶强化、增加M₆C相的析出强化、细晶强化3种方式的共同作用,主要强化机制是M₆C相析出强化。400 ℃以上温度回火,Cu元素主要依靠ε-Cu相的析出强化,提高强度与抗回火性能。ε-Cu相通过与位错的交互作用,产生强烈的沉淀强化,并在更高回火温度下,使钢保持较为完整的板条结构。
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  Fe-Mn-Al-C系轻质高强钢研究现状及展望

  陈永安, 李大赵, 闫志杰, 康燕, 王睿

  钢铁. 2021, 56(4): 83-92.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20200546

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  Fe-Mn-Al-C轻质钢以低密度、高强塑性等优势,高度契合汽车等行业减重、加工和安全性等需求期望,具有巨大应用潜力。然而,当前关于轻质钢制备、加工、服役等相关研究结论不尽一致,制约着轻质钢的开发、应用。因此,以Fe-Mn-Al-C系轻质高强钢中的奥氏体作用机制为着眼点,首先对比了不同学者对轻质钢成分和热机械作用对奥氏体热稳定性的影响研究;其次,结合作者对奥氏体TWIP钢的相关研究,分析了奥氏体协调位错运动特征以及协调变形机制及与强韧化关联机理;然后,依据奥氏体的作用机制,对轻质钢在不同载荷下的力学性能响应也进行了分析。最后,对现有的研究进行了总结,提出了Fe-Mn-Al-C系轻质高强钢的研究展望,旨在为更多的研究提供参考。
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  新型节镍奥氏体不锈钢的成分设计及生产试制

  邢长军, 廖辉, 宁小智, 黄日清, 张芮, 吴林

  钢铁. 2021, 56(4): 93-97.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20200496

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  综合传统AISI300系奥氏体不锈钢和高氮奥氏体不锈钢的优缺点,开发一种新型节镍奥氏体不锈钢。为了研究其最优成分和工业试制工艺,通过Thermo-Calc热力学计算软件设计成分、热轧试生产试验钢和微观测试方法分析试验钢。结果表明,新型节镍奥氏体不锈钢最优的成分范围(质量分数)为N0.2%~0.3%、C小于0.1%、Cr 18%~20%、Mn 8%~10%、Ni 1%~2%,Fe余量。在1 240 ℃等温会析出大量的铁素体,以至于在1 150 ℃开轧时不能消除,出现裂纹,在改进热轧温度后,控制铁素体含量,得到无裂纹热轧卷。
环保与能源
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  料钟分布器对干熄焦炉内焦炭粒度偏析的作用

  范正赟, 杨庆斌, 朱长军, 赵士奇, 薛利民, 郭海涛

  钢铁. 2021, 56(4): 98-102.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20200293

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  为了解决干熄炉内焦炭粒度偏析的问题,采用三维离散元法对料钟分料器减少焦炭粒度偏析的作用进行分析。得到以下结论,无料钟分料器时,在直径方向和圆周方向上存在明显的焦炭粒度偏析,且y轴焦炭粒度偏析程度明显大于x轴焦炭粒度偏析程度;不同角度的分料器可以改善干熄炉内焦炭的偏析程度;在干熄炉直径方向和圆周方向上,60°的分料器可以将焦炭的偏析程度降至最低,有利于进一步控制循环气分布。
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  高磷转炉渣中磷元素在不同酸中的浸出规律

  王仲亮, 包燕平, 王达志, 王敏

  钢铁. 2021, 56(4): 103-110.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20200302

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  中国钢渣产量大、存量高,虽然在部分企业内部实现了热态循环利用,但渣中磷含量不断富集升高,不能从根本上实现绿色化的二次利用。为实现对高磷转炉渣中磷的高效浸出,同时降低浸出过程氧化钙损耗,设计了不同酸浸方案,重点研究硝酸和柠檬酸的浓度、温度、时间、搅拌条件等对浸出效果的影响。同时采用最优尺度回归对试验结果进行分析。结果表明,硝酸浓度对浸出影响大,相同浓度选用柠檬酸,氧化钙损失较低。室温无搅拌条件下,通过延长酸浸时间可实现最佳酸浸效果。使用柠檬酸和硝酸浸出后,渣中CaSiO₃相和Ca₃(PO₄)₂-Ca₂SiO₄相先后消失。最优尺度回归模型对试验结果有较好的吻合度。利用选择性浸出工艺,既可以创造直接经济价值,也可带来改善生态环境的间接效益。
技术交流
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  基于粒子群算法的拉矫机工艺参数优化设计

  陈兵, 唐晓垒, 韩烬阳, 管奔

  钢铁. 2021, 56(4): 111-121.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20200337

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  为了研究带材在拉弯矫直过程中拉矫机工艺参数对伸长率的影响,基于弹塑性力学理论,分析了带材拉弯矫直工艺变形过程,建立了带材伸长率的数学模型,采用多目标粒子群优化算法对伸长率数学模型进行优化计算,根据拉矫机装备特征,确定参数优化约束范围,基于Python语言开发了拉矫机工艺参数优化计算程序,实现了拉矫机工艺参数设定值优化。为验证参数优化结果的正确性,以带材伸长率为验证目标,展开拉矫机工业试验研究,将优化程序算得预测值与现场测试值进行统计比较,并通过均方误差(MSE)与均值绝对百分比误差(MAPE)指标来评判预测模型的精度。试验结果表明,经拉矫机工艺参数优化模型优化后的工艺参数能显著提升拉矫机生产功效,对生产现场具有指导作用,且该技术具有可观的市场推广前景。
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  铁钢界面铁水罐多功能化技术中的尾罐效应

  韩伟刚, 胡长庆, 沙远洋

  钢铁. 2021, 56(4): 122-129.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20200289

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  针对钢铁制造流程铁钢界面铁水罐多功能化技术中存在的尾罐问题,首先系统阐述了尾罐现象产生的原因及其度量,随后提出尾罐效应的概念并从统计学角度分析了尾罐效应的数学特征,最后根据首钢京唐钢铁公司铁钢界面生产实绩数据,对铁水罐多功能化技术中的尾罐效应进行实证研究。结果表明,首钢京唐某月尾罐率为29.45%,尾罐效应主要体现在尾罐运行时间的延长、到站铁水温度的降低,以及由此带来的转炉氧气消耗量的增加等方面,铁水罐非尾罐和尾罐的受铁时间和周转时间均值分别相差81和42 min,KR脱硫站进站、脱磷转炉兑铁和脱碳转炉兑铁的铁水温度均值分别相差27、22和24 ℃,脱磷转炉和脱碳转炉的氧气消耗分别相差109和199 m³。