2022年, 第57卷, 第1期　刊出日期：2022-01-15

  

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综合论述
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  钢包引流砂烧结与钢包自动开浇率提升研究进展

  邓志银, 彭朋, 朱苗勇

  钢铁. 2022, 57(1): 1-12.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20210246

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  为了提升钢包自动开浇率,总结了钢包引流砂烧结的研究与工业实践成果,阐述了引流砂的烧结性能、钢包自动开浇的影响因素及提升措施,重点关注了不同材质引流砂的烧结机理和钢液对引流砂烧结的作用机制。不同材质引流砂的烧结结构类似,一般分为烧结层(包括部分烧结层)和未烧结层。引流砂的实际烧结层很薄,而且绝大多数引流砂会呈现未烧结的状态。引流砂的烧结过程主要是液相的演变过程,烧结过程生成的液相越多,引流砂烧结越严重。合理控制烧结过程的液相生成和烧结厚度是提升合金钢钢包自动开浇率的关键。引流砂的成分和粒度、钢液的作用以及温度和停留时间等因素是影响钢包自动开浇的主要因素。钢液会参与引流砂的烧结过程,使砂中形成更多的液相,从而加速引流砂的烧结,因而引流砂的开发不能忽略钢液的作用。一般情况下,在常规钢种生产中,铬质引流砂可获得很高的钢包自动开浇率。对于合金元素(特别是锰和铝)含量很高的钢种,现有铬质引流砂和锆质引流砂的使用效果还不够理想,还需要研发新型引流砂来抑制钢液与引流砂的过度作用,以提高钢包自动开浇率。
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  热轧卷板表面夹渣缺陷来源分析及控制现状

  任英, 李鑫哲, 袁天祥, 陈威, 周海忱, 张立峰

  钢铁. 2022, 57(1): 13-27.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20210312

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  热轧卷板的表面夹渣缺陷对热轧板的质量及产品性能会产生极其恶劣的影响,会导致产品品级的下降乃至报废等问题,并对产品的服役期限及性能造成一定影响。随着冶炼过程中钢液洁净度的不断提高,夹渣缺陷所造成的质量问题显得尤为严重。而不同生产工艺下表面夹渣缺陷的来源方式略有差异,缺陷的来源主要有精炼过程中钢包渣的卷渣、非稳态浇注时期的钢包下渣、稳态浇注过程中的中间包覆盖剂卷入、结晶器卷渣等。热轧卷板表面夹渣缺陷的控制优化对提高热轧卷板表面质量有重要意义。总结分析了热轧卷板表面夹渣缺陷的来源,包括钢包精炼渣、中间包覆盖剂、结晶器保护渣、耐火材料内衬等。着重总结分析了结晶器内钢液流动、保护渣性质、结晶器弯月面行为等对卷渣机理的影响。同时对国内外关于热轧卷板表面夹渣缺陷控制的方法及措施进行了综述和分析,并提出了指导性意见,在浸入式水口处添加电磁线圈,通过直流磁场直接作用以减弱旋涡;在长水口处加入挡板等提高钢包出口偏心率;改变水口参数以减弱钢液回流所形成的剪切力;改变保护渣性质或施加电磁力来平衡渣-钢界面所需表面张力;优化吹氩流量等连铸工艺参数。
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  高氮奥氏体不锈钢强韧化及抗弹性能研究进展

  王宇, 彭翔飞, 李俊, 杨阳, 李国平, 刘燕林

  钢铁. 2022, 57(1): 28-38.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20210373

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  高氮奥氏体不锈钢(high nitrogen austenitic stainless steel,HNASS)是一种目前正在蓬勃发展的新型不锈钢,被广泛运用到交通运输、海洋工程、建筑材料、医疗器材和军事工业等领域。节镍高氮的奥氏体不锈钢相比于传统奥氏体不锈钢,其具有优良的综合力学性能,如高强度、高韧性、大的蠕变抗力、良好的耐腐蚀性能。氮在HNASS中具有很好的固溶、细晶、形变和沉淀强化效应,体现了氮在钢中多方位作用,对于奥氏体不锈钢强度的提升具有显著的效果。在多种强化效应中,氮的固溶强化产生了和细晶强化类似的效果,即在使用氮元素提高材料强度时,不降低其材料塑性。同时,在动态力学性能方面,HNASS的压缩应变速率在不断增加的情况下,抗压强度则先增大后减小,而应变硬化指数则会相应增加,使HNASS也具有优异的吸能效果和冲击硬化性能,尤其是动态冲击硬化性能,其通过塑性区域增加来消耗更多的塑性变形能,使HNASS在抗弹装甲防护领域具有广阔应用前景。为了系统全面地分析HNASS的氮元素强化机理、动态防护性能研究现状,从HNASS中氮元素的作用及其动态力学性能和侵彻板靶作用影响规律几个方面,结合国内外研究现状系统综述了氮强韧化机理和抗弹性能性能影响,并提出了HNASS在高效固氮工艺、氮含量梯度影响、多组元复合材料体系等3个方面的研究展望。
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  国内超高碱度烧结矿生产实践及发展趋势

  刘征建, 李思达, 张建良, 王耀祖, 王桂林, 牛乐乐

  钢铁. 2022, 57(1): 39-47.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20210032

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  为了响应国家碳达峰碳中和号召,钢铁企业对于生产节能减排的要求也越来越高,烧结工艺由于在生产过程中固废排放量巨大,因此常常面临限产而导致的烧结产能不足等问题。国内外生产实践表明,高炉高比例球团冶炼具有燃料比低、渣量少等优点,且球团矿性能优良、生产过程更为环保,具有很好的应用前景。为了配合高球比炉料结构的应用,同时避免由于环保限产引起的烧结矿产能不足等问题,国内诸多钢铁企业针对超高碱度烧结矿开展研究。首先从烧结过程和矿物组成变化两个方面对超高碱度烧结矿成矿机理与质量之间的关系进行研究,发现烧结矿碱度在2.10～2.80范围内,随着碱度的升高,矿物主要黏结相逐渐向铁酸钙系黏结相转变,矿物组成逐渐平稳,而碱度大于2.80后黏结相中玻璃质和裂纹逐渐增加,严重影响烧结矿质量。随后对国内典型钢铁企业超高碱度烧结矿生产概况进行了调研分析,并结合矿物学基本原理明确了超高碱度烧结矿与其经济技术指标间的耦合关系。最终提炼出钢铁企业在生产超高碱度烧结矿中出现的问题,基于烧结工艺、矿物学原理及实践经验,探讨了问题的产生原因并提出了相应的解决建议。
原料与炼铁
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  K₂O和Na₂O对高Al₂O₃炉渣组元活度和MgO含量的影响

  王亮, 程树森, 刘朋波, 陈艳波

  钢铁. 2022, 57(1): 48-56.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20210414

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  随着高品位铁矿石消耗的加快,资源逐渐趋于贫化,钢铁企业可利用的铁矿石原料逐渐向中低品位原料转变,尤其是高铝铁矿,这类原料的使用无疑会增加高炉渣中Al₂O₃质量分数,影响高炉现有的操作制度。Al₂O₃质量分数为15%～17%的高炉渣,由于Al₂O₃含量高而使高炉渣的冶金性能变差,为了保证高炉渣的冶金性能,必须在其中添加8%左右的MgO。然而,Al₂O₃含量相似的浦项钢铁的高炉渣,其MgO质量分数仅为4%左右,高炉实现了高效、稳定、顺行。因此,从高炉CaO-SiO₂-Al₂O₃-MgO四元渣系的物理化学机理出发,研究了K₂O、Na₂O对高炉渣四元渣系CaO-SiO₂-Al₂O₃-MgO中各组元活度的影响;研究了“渣-气”平衡条件下渣中碱金属氧化物和气体中碱金属的关系;计算了K₂O、Na₂O和MgO对黏度的影响。结果显示,在考虑高炉渣CaO-SiO₂-Al₂O₃-MgO中各组元活度、碱金属在渣-气间的分布和炉渣黏度的情况下,当碱金属氧化物K₂O和Na₂O存在时,可以适当减小MgO含量,并可以保证高炉渣各组元活度及炉渣黏度基本不变。这不仅有助于减少高炉原料中添加含镁熔剂、提高原料品位、高效排碱、降低碱危害、减少碳排放、延长高炉寿命及降低成本,还能促进钢铁企业实现节能减排的目标。
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  钒钛磁铁矿冶炼铁水的黏流性能及其影响因素

  侯飘, 余文轴, 白晨光, 潘成, 袁万能, 李涛

  钢铁. 2022, 57(1): 57-65.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20210260

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  钒钛磁铁矿是中国重要的铁矿资源之一,具有极高的综合利用价值,钒钛磁铁矿的高效冶炼将带来巨大的经济收益,铁水的黏流性能是影响高炉顺行的关键因素。钒钛磁铁矿经高炉冶炼得到的钒钛铁水,其流动性能较普通矿冶炼的铁水差,导致出铁困难、黏罐和黏沟等现象,严重影响冶炼的顺行。以现场含钒、钛铁水为研究对象,通过自主研发的高精度低黏性熔体黏度测试仪,获得钒、钛含量对铁水黏度的影响规律,并结合微观原位分析表征手段,探明铁水中高熔点物相的长大机制,深层次揭示成分对黏度的影响机理。研究结果表明,当钛质量分数为0.10%～0.50%时,随着钛含量的增加,铁水黏度逐渐增大。当钒质量分数低于0.30%时,钒含量的增加对铁水黏度的影响不显著,而当钒质量分数高于0.30%时,随着钒含量的增加,铁水的黏度急剧增大。此外,微观原位分析结果表明,铁水黏度随钒、钛含量增大的主要原因是由于铁水中高熔点碳氮化物(TiC,TiN,VC,VN)的析出。这些碳氮化物形核析出后,弥散分布于铁水中,使铁水的黏度增大,流动性变差。铁水中的高熔点物相存在两种长大机制,分别为高熔点物相的形核长大和高熔点物相形核后通过碰撞聚合长大。
炼钢
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  锰原料对低合金TRIP钢中非金属夹杂物的影响

  朱航宇, 王伟胜, 赵吉轩, 李建立, 宋明明, 薛正良

  钢铁. 2022, 57(1): 66-73.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20210276

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  为了研究不同锰合金原料对TRIP钢洁净度的影响及锰合金中非金属夹杂物的遗传特性,采用SEM-EDS分别检测了电解锰、金属锰和中碳锰铁中非金属夹杂物的类型、形貌和尺寸,并通过高温试验和热力学计算系统探讨了采用3种锰原料进行合金化后TRIP钢中非金属夹杂物特征。结果表明,电解锰中夹杂物主要为MnC、MnC-MnO和MnO-MnS以及微量MnO,金属锰中夹杂物为球形的纯MnO、纯MnS和MnO-MnS复合夹杂,中碳锰铁中夹杂物主要为MnO-SiO₂和MnO-SiO₂-MnS复合夹杂,也发现微量MnC颗粒和残余元素富集相;冶炼过程先加入铝、硅后,钢中夹杂物为Al₂O₃,未发现AlN和含硅夹杂物,而加入锰原料后,钢中夹杂物演变为单一Al₂O₃、MnS、AlN夹杂以及Al₂O₃-MnS和Al₂O₃-AlN复合夹杂;对TRIP钢而言,采用电解锰、金属锰和中碳锰铁进行合金化后,钢中非金属夹杂物类型差别不大;由于TRIP钢的高铝特性,锰合金中MnC和MnS夹杂物在钢液中分解,MnO和SiO₂夹杂物在冶炼过程中被铝还原为Al₂O₃夹杂,锰硅氧化物夹杂的演变路线为MnO/MnO-SiO₂→Al₂O₃→MnS/Al₂O₃-MnS。由于铝、氮、锰和硫在凝固前沿的偏析和富集,TRIP钢凝固过程中分别析出纯AlN夹杂和纯MnS夹杂,或以异质形核的形式生成Al₂O₃-MnS和Al₂O₃-AlN复合夹杂。此外,由于锰合金中含有一定氮元素且锰可增加钢液中氮的固溶度,添加锰原料会促进AlN夹杂的形成。
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  镧对高碳硬线钢中Al₂O₃夹杂物改性的晶体学分析

  陈璐, 李长荣, 熊星强

  钢铁. 2022, 57(1): 74-82.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20210356

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  为了控制与改善高碳硬线钢中氧化铝夹杂物的数量、形状和分布,提高钢的洁净度,细化钢的组织结构,均匀钢的化学成分,在高碳硬线钢中添加稀土镧元素研究其对氧化铝夹杂物的改性问题。通过对高碳硬线钢中添加稀土镧形成的稀土氧(硫)化物,采用扫描电镜和能谱分析进行表征,研究其对氧化铝的改性问题,发现镧的加入可以改变夹杂物的形状,夹杂物从不规则形状转变为较规则的椭圆形,随着夹杂物面间距增大,其逐渐弥散化。利用热力学以及边-边匹配模型计算其与γ-Fe和Al₂O₃之间沿密排晶向的原子间错配度和密排晶面的面间错配度,探究含镧夹杂物作为钢液凝固时初生相异质形核核心的可能性及有效性。结果表明,加入镧后,在1 000～2 000 K温度范围内根据生成夹杂物的吉布斯自由能的大小,得出钢中可能生成夹杂物的顺序为La₂O₃＞La₂O₂S＞LaAlO₃＞LaS＞La₃S₄。利用边-边匹配模型计算稀土氧(硫)化物与γ-Fe和Al₂O₃之间的原子匹配情况,发现了La₂O₃、LaS、La₂O₂S和La₃S₄均可能作为Al₂O₃和γ-Fe异质形核的核心,且La₂O₂S可能优先成为γ-Fe异质形核核心, LaS可能优先成为Al₂O₃异质形核核心,揭示了钢中氧化铝夹杂物的改性机理,为高碳硬线钢中非金属夹杂物的处理提供了理论依据。
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  浸入式水口倾角对宽幅连铸结晶器内流动行为的影响

  刘文祥, 任磊

  钢铁. 2022, 57(1): 83-92.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20210434

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  浸入式水口出口角度影响射流的动能损失,进而影响结晶器内的流动行为。建立了比例为1∶4的水模型,在模型拉速为0.425 m/min、水口浸入深度为40 mm的条件下,借助粒子图像测速技术研究了浸入式水口出口倾角为0°和+5°对宽幅连铸结晶器内流动行为的影响。结果表明,0°和+5°水口条件下,射流在模型内的流动方式有很大不同。0°水口时模型内射流在结晶器厚度方向上扩散得更慢,射流接近窄面时,才会沿厚度方向运动到宽面;而+5°时,射流会向上运动到一定高度后返回,其扩散面积更广,这会造成射流在运动到结晶器窄面之前,就对宽面产生了冲击(从水口射出后0.3 s内射流就能运动到宽面),意味着生产时钢液对宽面凝固前沿的枝晶冲刷更强,影响连铸的顺行。钢液流经+5°水口时,先向重力方向冲击水口底部,再折返+5°从水口射出,此过程钢液动能损失大于0°水口,再加上钢液在宽幅结晶器里流经的距离比普通结晶器更长,动能损失更多,这对保护渣熔化不利,容易产生结渣圈现象,影响连铸顺行。对比0°和+5°水口条件下中心截面、1/4截面、靠近宽面的截面流场,可以发现越靠近壁面整个流场流速越小。0°水口时速度由中心面的0.103降至宽面壁面的0.042 m/s,+5°水口由0.097降至0.066 m/s。对0°和+5°水口条件下结晶器内对称与非对称流态进行分析统计,水口出口角度为0°和+5°时,结晶器内对称流态分别占86%和69%,非对称流态分别占14%和31%。
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  Na₂O对超高碱度连铸保护渣性能的影响

  潘伟杰, 李民, 朱礼龙, 何生平

  钢铁. 2022, 57(1): 93-101.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20210391

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  在包晶钢连铸过程中,裂纹类缺陷频繁出现。生产实践表明,采用结晶性能较强的保护渣可以有效减少纵裂纹的发生,但会恶化保护渣的润滑功能。近年来,超高碱度保护渣由于兼具开始结晶温度低、结晶速率快的特点,可以成功协调包晶钢连铸过程中润滑与传热的矛盾。但在超高碱度条件下,有关组分对保护渣结晶性能的影响研究不多,且相应的熔渣结构特征也鲜有报道。Na₂O作为保护渣中一种常见的组元,对调节保护渣性能具有重要作用。论文采用半球点熔化温度测试仪、旋转黏度计以及高温原位结晶性能测试仪分析了超高碱度下(综合碱度R=1.75)Na₂O对连铸保护渣熔化流动特性以及凝固结晶性能的影响规律和作用机制。研究结果发现,随着Na₂O含量增加,保护渣的黏度(1 300 ℃)、熔化温度、转折温度和结晶温度都呈下降趋势,结晶速率呈现先减小后增大的趋势,当Na₂O质量分数为6%时结晶速率最低。此外,研究还发现超高碱度保护渣中主要析出相为枪晶石(Ca₄Si₂F₂O₇),随着Na₂O含量进一步增加,渣中出现新的结晶相CaF₂和Na₂CaSiO₄F。
压力加工
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  小型H型钢超快冷“内并外扩”的有限元模拟

  龚殿尧, 高志宇, 徐建忠, 赵宪明

  钢铁. 2022, 57(1): 102-109.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20210381

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  超快速冷却对于H型钢的组织优化和性能提升具有重要的意义,冷却后的“内并外扩”是影响产品质量和生产稳定性的重要因素,也限制了超快速冷却工艺的推广和应用,在H型钢冷却过程中,换热系数是关键参数。为了研究换热系数对小型H型钢超快冷条件下“内并外扩”的影响,采用有限元模拟计算软件Abaqus建立了轧后冷却二维热力耦合模拟计算模型。考虑翼缘、腹板、R角处不同部位的冷却特点,将H型钢断面划分16个特定冷却特征区域并分别为其指定不同的换热系数,制定3个不同的冷却方案,分别进行模拟计算,得出温度场、应力场和上下翼缘宽度差,分析了温度场和应力场不均匀分布的特点。通过冷却试验模拟了小型H型钢轧后冷却过程,采用热成像仪获得冷却后的H型钢温度场。温度场与宽度差的计算结果与试验结果吻合良好。在此基础上分析了采用3种不同换热系数组合的冷却方案时上下翼缘横向、R角处纵向代表性特征截面上Mises应力与等效应变分布的规律,研究了R角处换热系数对翼缘扩并及上下翼缘宽度差的影响,发现R角处换热系数与上下翼缘宽度差具有线性关系,建立了描述其线性关系的数学模型。研究结果对于优化冷却方案以及提高小型H型钢超快速冷却的均匀性具有理论意义和参考价值。
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  3+1型乳化液系统工艺润滑制度优化设定技术

  李学通, 孙业选, 刘亚星, 任明华, 谭超超, 贾文强

  钢铁. 2022, 57(1): 110-118.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20210372

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  为了研究配置3+1型乳化液系统的冷连轧机组生产不锈钢产品因轧制变形区欠润滑、过润滑以及冷却不足等导致冷轧带钢上表面和下表面质量差异的问题,以某钢厂新建六机架冷连轧机组为研究对象,从乳化液工艺润滑的角度出发,介绍了该机组3+1型乳化液工艺润滑系统布置,分析了工艺润滑制度参数对轧制稳定性的影响因素。通过揭示乳化液浓度、温度和流量与润滑油膜动力黏度的内在联系,建立了乳化液工艺润滑制度与润滑油膜厚度关系模型;进一步,从摩擦热和变形热出发并结合传热学对流换热机理,建立了乳化液工艺润滑制度与冷却效果关系模型;并以此为基础建立了工艺润滑制度与打滑、热滑伤的关系模型。以最大程度实现带钢上表面轧制稳定性、下表面轧制稳定性、带钢上下表面润滑差异性、乳化液冷却效果的综合控制为目标,研发了3+1型乳化液系统的工艺润滑制度综合优化设定技术,实现了对3+1型乳化液系统的乳化液浓度、温度和流量的定量优化。该技术被推广应用到某钢厂六机架冷连轧机组。应用结果表明,该优化方法充分挖掘了3+1型乳化液系统的整体润滑与冷却能力,保证了六机架冷连轧机组各个机架的轧制稳定性,大大减小了不锈钢产品上下表面质量的差异性,为现场创造了较大的经济效益,具有进一步推广应用的价值。
钢铁材料
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  铌对低温取向硅钢初次再结晶行为的影响

  王黎光, 王书桓, 段阳会, 李杰, 冯运莉

  钢铁. 2022, 57(1): 119-125.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20210382

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  以含铌取向硅钢铸坯低温加热制备高磁感取向硅钢为研究目标,通过研究铌对低温取向硅钢初次再结晶行为的影响,达到获得有利于二次再结晶发展的初次再结晶组织目的,采用OM和EBSD技术主要对比了0.055%铌和不含铌对低温取向硅钢中间退火板的初次再结晶组织、织构和晶界特征的影响。结果表明,铌的加入,使硅钢基体中形成了细小弥散的Nb(C,N),使抑制剂对初次再结晶晶粒长大的抑制作用增强,致使含铌试样初次再结晶组织更加细小均匀,板面方向平均晶粒尺寸为11.53 μm,而不含铌试样为12.95 μm;含铌试样板厚方向平均晶粒尺寸为12.46 μm,而不含铌试样为13.78 μm。含铌和不含铌试样经中间退火后沿板面方向不同厚度上,两种试样表层的织构均相对较弱,但含铌试样比不含铌试样γ线织构更锋锐;次表层两种试样γ线织构和Goss织构均得到加强,且含铌试样γ线织构相对更强,含铌试样中{111}<112>、{411}<148>等有益织构含量相对较多。中间退火后初次再结晶试样中主要晶界类型均为高能晶界和大角度晶界,含铌试样中高能晶界多于不含铌试样。含铌和不含铌试样晶界主要分布在Σ3～Σ11晶界之间,铌的加入可以增加Σ9晶界含量。由于高能晶界和Σ9晶界含量均多于不含铌试样,经高温退火后含铌试样发展二次再结晶组织比不含铌试样更完善,且含铌试样最终成品磁性能更好,磁感应强度B800达到1.89 T,铁损P1.7/50为1.37 W/kg。
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  Fe-6.5%Si钢极薄带的试制

  曾春, 程朝阳, 王项龙, 吴章汉

  钢铁. 2022, 57(1): 126-132.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20210417

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  为了研究Fe-6.5%Si钢极薄带的制备工艺,并获得良好的产品磁性能,以薄带铸轧试验机制备的6.5%Si钢铸带为原料,分别采用一次温轧法、二次温轧法和基于应变诱导无序(DID)原理的高硅钢室温冷轧3种工艺制备出厚度为0.1 mm的Fe-6.5%Si钢。分析结果显示,一次温轧法退火后以高强度γ织构为主,由于压下率达到90%,形变储能高,晶粒尺寸最大,铁损最低,同时磁感也最低;二次温轧的退火板除了γ织构外,还有较强的η织构,故其磁感值高于一次温轧法,该方法得到的6.5%Si钢薄带综合磁性能最优,但生产成本高,效率低;基于DID原理,对6.5%Si钢热轧板在温度为300～450 ℃、压下率为45%～65%的条件下进行温轧,实现了6.5%Si钢软化,随后可将6.5%Si钢室温冷轧至0.1 mm,此时温轧板和冷轧板内部有序相消失,基体变成无序态;室温冷轧板退火后晶粒更细,铁损略有升高。此外,室温冷轧可促进{111}<112>形变晶粒在冷轧剪切带中形核形成有利织构,因此磁感值得到更大提升;采用DID原理进行室温冷轧,效率较高,后续可通过优化退火工艺使其进一步降低铁损,该方法为薄带铸轧工艺批量生产磁性能优异的6.5%Si钢极薄带提供技术参考。
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  轧钢铁皮制备多孔不锈钢化学成分及孔隙控制

  赵立杰, 张芳, 彭军, 常宏涛, 明守禄, 朱瑞宗

  钢铁. 2022, 57(1): 133-142.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20210429

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  为了充分发挥氧化铁皮含铁品位高、杂质元素含量低、产生量大的优势和特点,并开发高附加值的金属制品,采用真空还原烧结的方法制备了316多孔不锈钢,并确定了适宜的制备工艺以及孔隙率的影响因素。研究过程中采用高温真空管式炉对试样进行还原烧结制备;采用直读光谱、氧氢氮联合检测仪、X射线衍射分析仪、扫描电镜等设备对试样的化学成分、物相组成和微观形貌进行了分析。研究结果表明,以轧钢铁皮为主要原料,配入还原剂及其他合金粉末,通过高温真空还原可以得到成分合格的316多孔不锈钢,确定最佳制备工艺为10^-3Pa真空度、1 200 ℃下保温3 h;还原烧结过程中,锰合金的收得率仅为61%。制备出的试样为单一的奥氏体组织,同时有Cr₇C₃在晶内析出,晶界附近存在σ相析出。保温0~3 h内,试样的孔隙率由37.26%增加至40.27%,延长保温时间至4 h,金属颗粒之间的烧结更加完全,孔隙率降低至35.16%;将制坯压力由76.43增加至152.87 MPa,多孔不锈钢的孔隙率由42.07%降低至34.44%,呈现逐渐降低趋势。当制样压力大于152.87 MPa时,发生了造孔剂偏聚的现象,导致孔隙率略微增加至35.76%。造孔剂碳酸氢铵每多增加10%,多孔不锈钢的孔隙率增加9.3%。通过对正交试验分析发现造孔剂加入量对多孔不锈钢孔隙率的影响最为显著,制样压力次之,保温时间对孔隙率的影响最小。
装备技术
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  连退炉用U型辐射管内无焰燃烧的数值模拟

  徐家强, 宋中华, 潘妮, 谭方关, 许学成, 贺铸

  钢铁. 2022, 57(1): 143-150.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20210409

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  钢铁冶金用连续退火炉中通常使用辐射管对工件进行间接加热,这不仅保证被加热工件受热均匀,还能不影响其表面质量。但同时,由于辐射管内燃烧空间有限,极易产生局部高温区,这会影响被加热产品质量,而且高温会导致NO_x大量生成,此外,较大的壁温差异所产生的热应力会使管壁遭到蠕变破坏,缩短其使用寿命。因此,为了优化辐射管的性能,基于烟气再循环技术提出了一种新型辐射管燃烧器,它能在提高烟气循环量的同时保证燃烧持续进行,具体为,先在辐射管内进行传统燃烧,待温度高于燃料自燃点后,再引入大量烟气,从而使U型辐射管内达到无焰燃烧状态,此时,其表面温度更为均匀,NO_x排放也更低。通过建立带该燃烧器的U型辐射管数学模型,并辅以试验验证,探究了U型辐射管内无焰燃烧特性,包括辐射管内燃烧状态、表面温度均匀性以及NO_x排放情况,且将其与现有的U型辐射管进行了对比分析,并探讨了不同烟气卷吸量对辐射管内无焰燃烧特性的影响。研究结果表明,无焰燃烧状态完全不同于传统燃烧,传统燃烧情况下,辐射管前部存在明显的局部高温区;随着卷吸烟气量的引入及进一步增大,峰值温度不断下降,且高温区有向辐射管后部转移的现象,达到无焰燃烧状态时,局部高温区消失;无焰燃烧极大提升了辐射管表面温度均匀性,辐射管壁温温差极值由110减至35 K,温度均匀系数由9%减小到2.9%,这有利于提升辐射管实际使用寿命;污染物NO_x的排放由初始的0.022%降至0.000 1%以下。
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  基于脉冲燃烧控制的退火炉热负荷分配模型

  任伟超, 朱国明, 李洋龙, 李冠雄, 周欢, 王道金

  钢铁. 2022, 57(1): 151-158.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20210270

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  脉冲燃烧控制技术以其良好的动态响应性、较高的炉温控制精度、较低的燃气消耗及污染物排放水平等优点,广泛应用于各类加热炉。对于立式退火炉而言,常见的加热模型有3种,即比例模型、窄带钢模型、正常模型。生产中操作人员可以根据带钢在加热段跑偏、瓢曲风险选择相应的模型,但上述这3种模型均无法避免因烧嘴频繁开启和关闭导致的辐射管骤冷骤热,进一步引起辐射管变形、开裂,点火电极、控制阀消耗异常以及煤气压力波动大等问题。为了降低烧嘴开启、关闭频次,达到降低烧嘴故障率、减缓辐射管开裂趋势等目的,提出了一种针对脉冲控制的退火炉专用“爬楼梯”式热负荷输出分配模型。通过拟合加热段板温控制器输出值与加热段各列热负荷输出值之间的关系,采用插值法得到加热段热负荷输出分配模型的修正函数,满足了模型计算值与板温控制器输出值相等的要求。通过调整加热段每一列热负荷输出上、下限,使加热段每列热负荷输出呈现“爬楼梯”式分布,实现了立式退火炉低功率加热段入口区域烧嘴不燃烧和出口区域烧嘴一直燃烧的功能。经过测试,在一个完整的燃烧周期内,爬楼梯式分配模型可大幅度降低烧嘴开启和关闭频次。当加热段板温控制器输出为89.6%时,传统模型控制下烧嘴开关频次达到324次,而“爬楼梯”式分配模型仅为32次。
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  热镀锌机组圆盘剪工艺参数优化技术的开发

  白振华, 林威, 王伟, 张文军, 李学通

  钢铁. 2022, 57(1): 159-166.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20210364

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  热镀锌机组圆盘剪工作时,由于剪切工艺参数设定不当等原因造成圆盘剪设备的故障以及带钢边部出现有扣边、毛刺和切断比失衡等主要切边质量问题,以某钢厂热镀锌机组圆盘剪设备为研究对象,对其设备本身和工艺参数展开研究。通过对影响带钢边部质量缺陷因素的分析,以及BP神经网络输入变量相关性要求选择前张力、间隙量、重叠量、切边量4个因素作为变量;并在分析热轧带钢圆盘剪刀片剪切机理的基础上,结合圆盘剪设备的工艺特点以及剪切过程中的有关参数,以预防设备故障和改善边部质量为目标,对带钢边部的不同指标进行相应的量化,提出带钢质量评价函数,将其计算结果作为BP神经网络的输出层,在此基础上建立了基于PSO-BP神经网络模型,开发出了一套热镀锌机组切边工艺优化技术,并给出了数据来源、处理方式和PSO-BP神经网络各参数的设定方法。该技术根据现场采集到的上万组圆盘剪关键生产工艺参数来训练BP神经网络,在此基础上拟合非线性函数,最后用粒子群算法PSO解析出更优的圆盘剪间隙量、重叠量以及前后张力等工艺参数,使得圆盘剪剪切后的带钢边部出现切边质量问题占总切边公里数比值的大小较之前明显降低,有效提高了带钢的切边质量,为机组生产效率的提升奠定了基础,同时为企业创造了较好的经济效益。