2021年, 第56卷, 第6期　刊出日期：2021-06-15

  

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综合论述
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  智能化钢铁制造流程信息物理系统的设计研究

  张福明

  钢铁. 2021, 56(6): 1-9.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20200453

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  现代钢铁制造流程是集成烧结、球团、焦化、炼铁、炼钢和轧钢等多工序过程的耗散结构体系。钢铁制造流程是在物质流、能量流和信息流协同运行的条件下,完成一系列复杂的冶金过程和转变。探讨了对钢铁制造过程物理本质以及运行特征的认识和研究,提出了现代钢铁制造流程物理系统的设计理念和方法。阐述了流程工程动态精准设计体系在钢铁冶金工程设计中的应用,讨论了智能化钢铁制造流程的系统层次和构建理念。着重论述了钢铁制造流程信息物理系统的内涵和架构,提出了静态物理系统与信息系统集成、耦合、协同的设计理念和方法,论证了现代钢铁制造流程信息物理系统的智能化设计思路、程序和应用实践。
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  高炉炼铁技术创新实践及未来展望

  肖鹏

  钢铁. 2021, 56(6): 10-14.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20200541

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  炼铁工业已迈入绿色化、智能化发展之路。中冶赛迪根据多年冶金技术研发与工程实践,在高效、长寿高炉领域取得了一系列成果,开发了多项低耗低碳冶炼技术,助力炼铁工业的绿色化发展。同时,将智能化作为引领炼铁技术从传统工业向高质量发展的重要引擎,基于冶金工程流程学理论,创建了全球首个铁区一体化智能管控平台,未来将进一步运用大数据、人工智能、数字孪生和数学模型,打造新一代智慧高炉,并大力开发氢冶金等低碳炼铁新工艺技术,朝着绿色炼铁的新目标前进。
原料与炼铁
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  钒钛磁铁矿含碳球团的还原历程

  周诗发, 郑海燕, 董越, 姜鑫, 高强健, 沈峰满

  钢铁. 2021, 56(6): 15-20.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20200510

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  为实现钒钛磁铁矿资源的高效合理利用,对钒钛磁铁矿含碳球团的还原过程进行了解析,初步建立了动力学控制方程;利用差热分析方法对钒钛磁铁矿的还原熔分历程进行了分析与讨论,认为钒钛磁铁矿的还原可分为煤的氧化、钒钛磁铁矿的直接还原、借助碳的气化反应的直接还原和还原结束4个部分;以攀枝花钒钛磁铁矿为原料,煤为还原剂,考察了反应时间和温度对含碳球团还原度的影响,确定固体产物层内扩散是钒钛磁铁矿含碳球团直接还原反应的控制性环节,计算出其表观活化能为112.13 kJ/mol。
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  高硅铁废渣直接还原铁晶粒形成与长大

  张兴华, 王彬, 赵凯, 张巧荣, 宫晓然, 邢宏伟

  钢铁. 2021, 56(6): 21-27.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20200478

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  冶金工业每年会产生大量的高硅铁废渣,铜渣作为一种典型的高硅铁废渣,目前主要以露天堆积方式处理,为了提取铜渣中有价元素,并进行资源化利用,以某厂铜渣为例进行煤基直接还原试验,采用XRD衍射、扫描电镜等分析手段,探究铜渣在直接还原过程中不同阶段以及加入形核剂条件下铁晶粒的形成、长大及分布规律。结果表明,还原时间为30 min时,金属化率最高为78.40%,铁晶粒生长情况最为良好,铁元素分布最集中;还原过程中加入磁铁矿能明显提高金属化率,有利于铁晶粒的生长,当磁铁矿配比为20%时,金属化率最高,为87.59%;磁铁矿作为形核剂加入可降低形核位垒,促进铁晶粒的长大与铁元素的集中分布。
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  1/3焦煤和气煤在首钢的应用实践

  郭德英, 代鑫, 李东涛, 马超, 刘洋

  钢铁. 2021, 56(6): 28-34.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20200463

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  为降低首钢京唐公司炼焦生产成本,采用300 kg试验焦炉分别对1/3焦煤和3种气煤进行了系统的配煤炼焦试验,分析了使用1/3焦煤和3种气煤后焦炭光学显微结构的变化,以及最终引起的焦炭强度的变化情况,通过试验得出在使用1/3焦煤或气煤替代强黏结性肥煤或焦煤时,1/3焦煤比例不大于10%,QM1、QM3(气煤1、气煤3)比例不大于7%,试验结果用来指导京唐公司炼焦生产,2019年节约炼焦配煤成本2 511万元,效益显著。所以,在炼焦配煤中适当提高低变质程度气煤和 1/3 焦煤的比例,对优化配煤结构和降低炼焦成本具有重要意义。
炼钢
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  钢包浇注过程中旋涡临界高度控制

  胡群, 唐海燕, 李小松, 张家泉, 包伟峰, 蒋宪勋

  钢铁. 2021, 56(6): 35-41.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20200505

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  为了有效控制钢包浇注过程中汇流旋涡的临界高度,以150 t钢包为原型,基于相似原理,采用1∶3的物理模型,通过水模拟研究了钢包初始液位、静置时间、水口位置、水口结构和阻旋装置对汇流旋涡形成过程的影响。结果表明,初始液位对旋涡的形成影响较小,而静置时间和水口位置的影响显著。在逆时针注水情况下,随着静置时间的增加,旋涡起旋高度逐渐增加,临界贯通高度先增加后减小;随着水口偏心率的增加,旋涡的临界高度逐渐降低。比较现用水口、新设计的梯形水口和正方形水口发现,梯形和正方形水口可以略降低旋涡的临界高度。研究提出了一种实心圆柱体阻旋装置,当其高度为80 mm、安装在水口靠近包壁的一侧时可以显著抑制旋涡的产生,贯通高度比现用钢包降低78.2%。工业实践表明,使用该抑旋装置可将高拉速下(1.4～1.6 m/min)Q195L钢的变流率由原来的8.6%～12%降为1.96%。
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  钢液中废钢熔化行为的热模拟试验

  刘孟珂, 马国军, 张翔, 姚旺龙

  钢铁. 2021, 56(6): 42-47.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20200508

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  废钢熔化过程是控制转炉炼钢过程温度轨迹和废钢比以及电弧炉炼钢能耗和生产率的限制因素。为研究废钢在钢液中的熔化机理,考虑了废钢熔化过程中的传热传质过程,并基于废钢熔化理论分析模型,在实验室中进行了废钢熔化的热模拟试验。研究结果表明,当钢棒浸泡在熔池中较短时间时,钢棒外层形成凝固层。由于激冷效应,在凝固层与钢棒之间形成气隙;在钢棒浸泡过程中,钢棒的组织发生变化,由珠光体和铁素体转变为奥氏体。水淬后,渗碳层中生成针状马氏体,钢棒内层形成板条马氏体。当钢棒在熔池中浸泡时间过长时,钢棒外层形成高温铁素体和液相。
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  双通道感应加热中间包的三维磁流热耦合模型

  陈希青, 肖红, 王璞, 何浩, 兰鹏, 张家泉

  钢铁. 2021, 56(6): 48-58.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20200502

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  结合感应加热的中间包冶金是当前提升特殊钢连铸洁净度和质量稳定性的前沿技术。针对大方坯连铸用T型六流中间包,利用流动-传热耦合模型研究了控流装置对具有双感应加热通道中间包冶金行为的影响,首先获得了不开启感应加热工况下中间包的优化控流结构;进而通过对该结构进行电磁-流动-传热耦合模拟,研究了感应加热的控流和热补偿作用。结果表明,通过提高加热通道高度并配合双挡坝结构可进一步改善流体流动状况、提高各流一致性。其中,在不开启感应加热时,优化后中间包较原型死区比例由31.4%降低为17.6%,活塞区比例由19.1%提高为39.1%,平均停留时间标准差由99.6减小到40.3 s。开启感应加热后,中间包内流场有显著变化,通道出口钢液具有明显的上升流,这将有利于夹杂物的上浮去除。开启感应加热30 min后较未开启感应加热时中间包各出口平均温度由1 798.1升高为1 827.3 K,这表明感应加热可有效补偿钢水浇注过程中的热损失。这一功能有利于实现低过热度恒温浇铸,从而也有助于提高中间包控制铸坯洁净度和铸态组织一致性的综合冶金效果。
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  重载钢轨钢连铸大方坯半宏观偏析形成机制与控制

  李红光, 祭程, 姜东滨, 陈天明, 关锐, 陈亮

  钢铁. 2021, 56(6): 59-66.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20210175

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  重轨钢连铸坯是重载铁路钢轨轧材的重要母材,为改善重轨钢均质性,提升铸坯内部质量,研究了重轨钢大方坯半宏观偏析的凝固组织。通过连铸电磁搅拌试验研究揭示了等轴晶越发达则半宏观偏析面积比越大的影响规律。提出了半宏观偏析改善控制技术思路,实现了重轨钢均质性改善,钢轨细长条的偏析带减轻,金属原位扫描检测的锰元素偏析度极差,由0.068降低至0.050。
压力加工
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  基于数据降噪的冷轧板形调控功效系数获取

  孙杰, 单鹏飞, 彭文, 张殿华

  钢铁. 2021, 56(6): 67-74.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20200444

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  针对轧制过程实际数据噪声大、难以获取准确板形调控功效系数的问题,提出了一种融合集成经验模态分解(EEMD)和小波变换(WT)的数据降噪方法。将含有噪声的实际生产数据经过EEMD分解后,利用小波变换方法对噪声主导的本征模态分量(IMF)进行降噪处理,处理后的噪声分量与其余分量重构得到降噪后数据,并结合结构方程模型(SEM)计算得到板形功效系数。利用1 450 mm五机架冷连轧生产线实际数据进行试验,结果表明,EEMD-WT-SEM方法可以有效降低数据噪声,有效提升板形调控功效系数的准确性。
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  基于动态轧制力的波纹辊轧机非线性振动

  和东平, 徐慧东, 王涛, 刘江林, 刘元铭, 张金柱

  钢铁. 2021, 56(6): 75-81.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20200451

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  金属层状复合板波纹辊轧制成形技术是一项变革性技术。为研究动态轧制力对波纹辊轧机振动特性和分岔行为的影响,考虑了波纹辊轧机动态轧制力、波纹界面间的非线性刚度和非线性阻尼,建立了基于动态轧制力的波纹辊轧机非线性振动数学模型。运用多尺度法求解了波纹辊轧机辊系在动态轧制力激励下的非线性振动幅频特性方程。分析了动态轧制力幅值、非线性刚度系数和非线性阻尼系数等参数对非线性振动的影响。通过最大Lyapunov指数、分岔混沌图、Poincaré截面和相轨迹等方法分析了轧制力的动态变化对系统稳定性的影响,设计了分岔反馈控制器对轧制力动态变化诱发的分岔行为进行控制,并且通过数值仿真验证了控制器设计的正确性和可行性。
钢铁材料
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  逆相变退火处理Fe-Mn-C中锰钢的组织与性能

  孙荣民, 李国阳, 王辉, 王存宇, 王玉辉, 曹文全

  钢铁. 2021, 56(6): 82-88.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20200558

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  为了研究奥氏体逆相变(austenite reverse transformation,ART)退火处理对Fe-Mn-C中锰钢的组织与性能的影响,以ART退火处理1、10和360 min后Fe-5Mn-0.2C中锰钢为基础,利用XRD、SEM等手段对其显微组织进行表征,通过WE-300型拉伸试验机和ML-10型销盘式磨料磨损试验机对其拉伸性能和耐磨性进行测试。结果表明,ART退火过程中,残余奥氏体在原奥氏体板条之间形核并长大,原始马氏体组织逐渐转变为铁素体-奥氏体板条交替分布的复合组织。随着ART退火时间的延长,残余奥氏体体积分数增加(由18.4%提高到 33.6%),Fe-5Mn-0.2C钢的综合力学性能和耐磨性随着残余奥氏体体积分数的增加而显著提高,强塑积由25 613提高到44 496 MPa·%,其耐磨性与目前广泛应用的ZGMn13耐磨钢、Hardox450耐磨钢和中碳马氏体耐磨钢相当。
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  Fe-Mn-Al-C系奥氏体基低密度钢的研究进展

  王凤权, 孙挺, 王毛球, 周晓龙, 时捷

  钢铁. 2021, 56(6): 89-102.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20200566

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  轻量化且高强韧化已成为汽车用钢的主要发展方向。在不同类型的轻质钢中,Fe-Mn-Al-C系奥氏体基低密度钢因具有更高的比强度和良好的塑韧性备受研究者们青睐。从成分体系与力学性能、多种强韧化机制、不同变形机制及工艺调控等方面总结了Fe-Mn-Al-C系奥氏体基低密度钢的研究进展,重点阐述了奥氏体基低密度钢中特有的B2相以及κ-碳化物、MC碳化物等析出相的析出行为对强韧性机制的影响。最后,结合目前国内外学者对Fe-Mn-Al-C系奥氏体基低密度钢的最新研究成果,对奥氏体基低密度钢进行了展望。
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  含钛中锰钢淬火-配分组织及力学性能

  邓杰, 宋新莉, 孙新军, 贾涓, 梁小凯, 范丽霞

  钢铁. 2021, 56(6): 103-111.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20200583

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  为了研究淬火-配分含钛中锰钢的组织与力学性能,借助扫描电子显微镜,透射电子显微镜、电子背散射衍射技术与万能拉伸试验机、磨粒磨损试验机等,分析与测试了含钛中锰钢在165~240 ℃淬火380 ℃配分处理后组织、强度、塑性与磨粒磨损性能。结果表明,试验钢淬火-配分组织主要为板条状一次马氏体、块状二次马氏体及残余奥氏体,同时含有大量微米级TiN和纳米级(Ti,Mo)C及TiN-(Ti,Mo)C复合析出相。190 ℃淬火380 ℃配分后残余奥氏体体积分数最高为12.5%。试验钢不同温度淬火与配分后屈服强度均大于1 000 MPa,抗拉强度均大于1 500 MPa,硬度从482.5HV增大到542.2HV,伸长率范围为9.2%~14.5%,在165~190 ℃淬火-配分处理后其抗磨粒磨损性能优于220~240 ℃淬火-配分钢。磨损机制主要是塑性变形和疲劳破坏,磨损过程中残余奥氏体发生应变诱导马氏体相变(TRIP)效应,析出相颗粒阻断基体塑性变形过程犁沟的前进和刮削行为,含钛中锰钢通过淬火-配分引入一定体积分数的残余奥氏体,有利于提高钢的强塑性与抗磨损性能。结合力学性能指标,含钛中锰钢最佳淬火-配分工艺为900 ℃奥氏体化30 min,190 ℃淬火,380 ℃配分10 min。
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  Custom 450钢热加工图及显微组织分析

  吕建平, 王晓辉, 刘振宝, 金青林

  钢铁. 2021, 56(6): 112-119.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20200612

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  为了探究Custom 450高强度不锈钢最佳的热变形区间以指导实际生产过程的工艺参数设计,利用Gleeble-3800热模拟试验机在变形温度为900~1 200 ℃、应变速率为0.01～10 s^-1的条件下开展了热压缩试验,探讨了Prasad和Murty两种失稳判据在Custom 450钢中的适应性,确定了最佳的热变形区间和塑性失稳机制。研究结果表明,该钢在应变速率为0.2~10 s^-1、变形温度为900~1 080 ℃的条件下变形时产生了大量的局部变形带和“项链状”组织,是导致塑性失稳发生的主要原因,显微组织观察结果与Murty准则预测的塑性失稳区更为接近。基于Murty准则建立了Custom 450钢的热加工图,并确定了其最佳的热加工工艺区间分别为1 050~1 200 ℃、0.1~1 s^-1和1 100~1 200 ℃、1~10 s^-1。
技术交流
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  钢铁生产流程物质转化与能量转换评价指标

  郑忠, 连小圆, 沈薪月, 冯玲, 高小强

  钢铁. 2021, 56(6): 120-128.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20200591

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  为了量化描述钢铁生产制造流程的物质转化与能量转换效率,区分不同钢铁产品制造流程的物质转化与能量转换效果,基于对钢铁制造的炼铁-炼钢-连铸-热轧主流程及其主工序/装置的制造单元物质转化与能量转换特征的分析,提出了以流程物质转化率和流程能量耗散率、过程物质转化率和过程能量耗散率分别作为制造流程和制造单元评价指标的多尺度评价方法。采用某钢铁企业炼钢厂全流程的生产实绩数据,计算了制造流程的物质转化与能量转换效率,发现同类型钢种经过不同的流程其效率有所不同,同时不同制造单元之间衔接关系的紧密程度也会对流程物质转化与能量转换产生明显影响。该评价方法可为物质能量协同优化的生产管控提供指导。