2022年, 第57卷, 第11期　刊出日期：2022-11-15

  

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专家论坛
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  “融合协同”的绿色工程管理方法及应用

  王新东

  钢铁. 2022, 57(11): 1-10.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20220440

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  绿色化、智能化已成为钢铁行业未来发展的共识,是中国钢铁行业引领世界钢铁行业的重要方向。针对“绿色化、智能化、品牌化”的新一代流程钢厂建设面临的全流程数字孪生、绿色技术集成、工程管理创新等诸多问题,河钢集团积极探索钢铁工程的绿色化、数字化转型路径,在工程实践中建立了全流程多要素“融合协同”的绿色工程管理方法。形成了钢铁工程数字虚拟工厂与现实工厂的协同、绿色技术与工程设计的协同、过程管控与全要素资源动态的协同、工程数字与模块建造的协同等“四个协同”的具体方法支撑。据此方法建成的唐钢新区,从设计、建设到交付的全过程遵循冶金流程工程学理论,按照“绿色化、智能化、品牌化”的建设目标,以物质流、能量流、信息流的最优网络结构为方向,运用最新的钢厂动态精准设计、集成理论和流程界面技术,通过工序功能集解析优化、工序间关系集协调优化和流程工序集重构优化,构建信息物理融合系统,实现了唐钢新区产线连续紧凑、动态有序和产品质量窄窗口稳定运行。唐钢新区是在同时期、同类型钢铁工程中吨钢投资最低、建设工期最短、环保水平最高的新一代流程钢厂。全流程多要素“融合协同”的绿色工程管理方法的建立为钢铁工程的绿色化、智能化转型提供了借鉴。
综合论述
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  铁矿球团用有机黏结剂研究进展

  李骞, 马永和, 唐银华, 唐方家, 杨永斌

  钢铁. 2022, 57(11): 11-21.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20220223

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  随着钢铁行业绿色低碳转型,使用有机黏结剂替代膨润土已经是铁矿球团工序提质降耗的必然趋势。然而,有机黏结剂彻底替代膨润土的技术壁垒仍未突破,严重限制了其在工业生产中的广泛应用。有机黏结剂的黏结效用也是控制球团强度的关键因素,研究其在球团生产中的作用机理对提高球团强度以及开发具有国内知识产权的新型有机黏结剂意义重大。通过总结有机黏结剂在铁矿球团中的研究进展,旨在为其在中国钢铁行业的广泛应用以及新型有机黏结剂的研发工作提供理论指导与试验依据。在介绍理想有机黏结剂分子结构模型的基础上,揭示了4种常见有机黏结剂的结构及特性。重点讨论了黏度和吸水性对有机黏结剂黏结效用的作用机理,有机黏结剂的高黏度特性能够调节球团颗粒间液桥黏滞力大小,从而显著提高生球强度;吸水性是有机黏结剂调控生球自由水含量的重要特性,只有在最佳吸水率下,才能获得强度较高、粒径均匀的生球。总结了有机黏结剂的常见优缺点,其主要优点是微量高效、烧失量大、基本不影响球团铁品位,缺点是生产球团矿缺乏渣相固结而强度不足。分析了优化原料粒度组成、添加含硼化合物及分散剂等强化有机黏结剂球团生产的调控手段,并展望了有机黏结剂未来的发展方向。
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  冷轧带钢板形测控技术的发展状况和关键问题

  刘宏民, 于华鑫, 王东城, 宋明明, 张帅, 徐扬欢

  钢铁. 2022, 57(11): 22-32.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20220236

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  冷轧带钢属于高端精品钢材,板形在线检测与控制是冷轧带钢的高端核心关键技术。自主创新研制板形测控系统是实现中国钢铁工业发展升级、建设钢铁强国的重大需求。目前,板形测控技术市场国外占据优势,国产系统正在代替进口,扩大应用规模,推进技术完善。研制先进的板形测控系统需要解决的关键技术有高精度高质量的板形仪、功能完备强大的控制手段和方法、高精度高速度的数学模型。板形仪主要有接触式和非接触式两大类,接触式板形仪通过测量带钢张力的横向分布反映板形,非接触式板形仪通过测量带钢浪形反映板形。接触式板形仪可靠耐用精度高,应用广泛,发展趋势为整辊式板形检测辊、无线式信号传输装置、板形数据的精确处理。板形控制数学模型的主要类型,按建模的原理和方法可分为机理模型和智能模型;按模型的性质和作用可分为分析模型和控制模型;按板形的表示方法可分为多点控制模型和分量控制模型。板形控制模型的发展趋势为机理与智能协同建模、动态模拟预报和动态解耦控制、多种手段和方法的协同优化。进一步提高板形测控技术水平需要突破3项关键问题,即整辊式板形仪通道耦合与解耦的机理模型、板形控制的动态模拟和动态解耦模型、板形控制的高精度智能建模方法。
原料与炼铁
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  含硼磁铁矿对超细粒级磁铁矿球团性能的影响

  温宝良, 张晓萍, 刘德楼, 李家新, 吴宏亮, 杨佳龙

  钢铁. 2022, 57(11): 33-41.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20220357

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  超细粒级精矿球团化对中国贫矿资源应用有着特殊意义,但存在成球困难、生球质量差、成品球团强度低等问题,硼铁矿中硼和铁嵌布密切,应用难度大,然而其配加对提高球团性能有益。采用气体吸附法(BET法)测量比表面积并用扫描电镜(JSM6490)评价铁精矿粉和焙烧球团矿的微观结构,研究了添加含硼磁铁矿对超细精矿的成球性能、生球质量、预热焙烧强度的影响。结果表明,超细精矿中配加30%硼铁矿后,混合精矿成球性得到改善,达到中等成球性指标,生球落下强度从2.4 次/(0.5 m)升高到4.0 次/(0.5 m)、抗压强度从15.38 N/个增加到19.08 N/个、爆裂温度从340 ℃升高到410 ℃,优化配矿下可提高爆裂温度至460 ℃,球团的预热与焙烧时间缩短、温度降低,在预热时间与温度不变、焙烧时间相同、焙烧温度为1 175 ℃条件下,球团强度(与100%超细精矿相比)提高900 N/个左右,达到了3 500 N/个以上,在相同强度下,可降低焙烧温度近100 ℃。加入含硼磁铁矿可改善球团性能的原因为,含硼磁铁矿颗粒形貌复杂、碱性物质含量多、粒度粗,从而能有效帮助颗粒间嵌合,增加粉料分子水含量,改善成球性,提高生球强度与爆裂温度。MgO和B₂O₃会在球团内部生成低熔点液相,填充孔隙,促进焙烧温度降低,增强颗粒间网格状的均匀连结,提高焙烧球团的强度。
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  含钛高炉渣黏度和熔化性能

  邱国兴, 缪德军, 蔡明冲, 李小明, 战东平, 柳勇发

  钢铁. 2022, 57(11): 42-52.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20220281

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  基于混料试验中单纯形质心法建立了CaO-SiO₂-Al₂O₃-MgO-2%TiO₂渣黏度和熔化性能预测模型,利用预测模型、FactSage和X射线衍射(XRD)研究了不同w(Al₂O₃)含钛炉渣的冶金性能,并探讨了高Al₂O₃炉渣中w(MgO)/w(Al₂O₃)对黏度和熔化性能的影响。结果表明,炉渣黏度和熔化性能预测模型具有较高的精度,误差分别小于5%和2%。随着Al₂O₃质量分数由10%增加至18%,黏度(η)、熔化性温度(t_M)和液相线温度(t_L)均升高;低熔点相黄长石(Melilite)开始析出温度和析出量逐渐增大,高熔点相钙钛矿(CaTiO₃)和低熔点相硅灰石(CaSiO₃)开始析出温度先增大后减小,还析出了少量高熔点相尖晶石。当Al₂O₃质量分数小于15%、温度为1 450～1 525 ℃时,炉渣黏度均小于0.55 Pa·s,且温度为1 500 ℃时黏度为0.32～0.39 Pa·s,t_M和t_L分别为1 370 ℃和1 330 ℃;Al₂O₃质量分数为15%～18%,炉渣析出的高熔点相CaTiO₃和尖晶石较多,黏度对温度较为敏感,1 525 ℃时黏度为0.3 Pa·s左右,1 450 ℃时黏度增加至0.8 Pa·s。随着w(MgO)/w(Al₂O₃)由0.24增加至0.72,炉渣黏度降低,t_M和t_L增大;Melilite开始析出温度约为1 425 ℃,CaTiO₃开始析出温度由1 310 ℃大幅增加至1 394 ℃,CaSiO₃析出量降低,尖晶石析出量明显增加。此外,不同w(Al₂O₃)和w(MgO)/w(Al₂O₃)炉渣基础相均为Melilite,其开始析出温度高于CaTiO₃;w(Al₂O₃)对t_M和Melilite开始析出温度影响显著,w(MgO)/w(Al₂O₃) 对t_L和CaTiO₃开始析出温度影响显著。当碱度为1.21时,高Al₂O₃炉渣适宜w(MgO)/w(Al₂O₃)为0.48～0.60,t_M和t_L分别为1 400 ℃和1 340 ℃左右,炉渣流动性和稳定性较好。
炼钢
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  转炉冶炼低磷洁净钢的工艺开发和实践

  王星, 胡显堂, 危尚好, 周冬升, 王东, 刘敏

  钢铁. 2022, 57(11): 53-63.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20220262

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  转炉具备冶炼低磷钢的生产能力,但生产超低磷9Ni钢,转炉脱磷工艺仍然是主要难点和研究重点。分析了钢水温度、炉渣碱度、FeO和渣量等对转炉脱磷的影响规律,并结合现场工装设备条件,对转炉双联法、三渣法、双渣法3种脱磷模式进行试验对比。双联脱磷工艺半钢温降大、单炉周期长、生产组织难度大,三渣法操作过程复杂、终点磷控制优势不明显。双渣法冶炼周期短,通过优化转炉脱磷工艺,实现了采用双渣法冶炼工艺生产超低磷钢,简化了超低磷钢转炉冶炼流程,提高了生产效率。研究了转炉脱磷主要工艺参数,分析得出采用脱碳氧枪喷头时,供氧流量按脱碳吹炼流量的83.5%控制,可达到良好的脱磷效果并减少铁水碳的烧损;脱磷期半钢碳含量不宜控制过低,半钢碳质量分数为3.0%～3.5%时能保证前期的脱磷效果和脱碳期的热量。脱磷期温度控制在1 300～1 350 ℃,脱磷率较高也有利于炉渣熔化。炉渣碱度为1.8～2.2时,可保证较高的脱磷率和化渣效果。一次倒渣量40%以上,脱碳期终点温度按1 590～1 610 ℃控制,终渣FeO质量分数不小于20%,终渣碱度大于6,转炉终点磷质量分数可降低到0.002%以下。采用下渣检测系统和滑板挡渣操作,严格控制下渣量,出钢采用磷含量低的合金,炉后钢水增磷可控制在小于0.000 5%。通过工业试验,实现了铸机成品磷质量分数小于0.002%。
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  转炉熔渣低温气化脱磷行为

  周朝刚, 陈庆功, 艾立群, 王书桓, 薛月凯, 陈虎

  钢铁. 2022, 57(11): 64-76.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20220268

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  在低温下脱磷转炉熔渣中的磷质量分数过高往往是限制转炉渣循环利用的重要因素,因此如何有效降低转炉熔渣中磷质量分数成为众多钢铁企业迫切需要解决的重点问题之一。基于此,从理论分析和工业试验角度,并结合XRD、SEM-EDS和拉曼光谱等试验手段进一步分析研究了理论热力学条件、转炉渣熔点、矿相结构和炉渣结构对低温气化脱磷的影响。通过理论分析表明,较高温度、较低的FeO含量和碱度有利于低温气化脱磷反应。工业试验结果表明,当终点温度为1 350～1 360 ℃、转炉渣FeO质量分数为25%～35%、碱度控制为1.2～2.5时,气化脱磷率可以达到30%以上。当炉渣碱度小于1.25、FeO质量分数小于35%时,适当地提高炉渣碱度和FeO含量能促进炉渣熔点降低,进而有利于低温气化脱磷反应的发生。XRD和SEM-EDS分析结果表明,转炉渣主要由富磷相、基体相和RO相组成,其中Si、P、Ca质量分数高的Ca₂SiO₄-Ca₃(PO₄)₂富磷相的存在不利于低温气化脱磷反应发生,Fe、Mn等金属氧化物质量分数高的RO相和基体相的存在有利于低温气化脱磷。通过转炉渣拉曼光谱分析表明,当转炉渣硅氧四面体结构Qⁿ(n=1,2,3)相对含量较低时,渣中聚合度降低,且Ca₃Si₂O₇相含量较少,炉渣流动性较好,此种渣结构有利于低温气化脱磷。通过本研究可以为钢铁企业实现脱磷转炉渣的二次利用提供借鉴。
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  基于绿色钢铁的转炉炼钢工艺设计及生产

  吴耀光, 杨风国, 王阳明, 王东, 王雁, 朱立光

  钢铁. 2022, 57(11): 77-86.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20220227

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  “碳达峰”和“碳中和”目标的提出,使得绿色钢铁的概念受到广泛关注。绿色钢铁不仅是指钢铁企业的排放指标优良、环境优美,更是要打造工艺优化、设备优化、流程优化的铁素流、能量流和信息流“三流归集”的低碳、低成本的生产线,实现企业从设计、建造、生产到淘汰的全寿命成本最低的目标。当前以降低生产排放,合理循环利用为主要目的的长流程生产工艺,以副枪+动态控制的自动炼钢,集成废钢预热、一罐到底、钢包加盖、合金烘烤、下渣检测、滑板挡渣、余热回收利用、干式一次除尘+二、三次除尘+散点除尘、钢渣综合利用等设备和技术,在已投产的项目取得了良好的效果,且仍在持续改进和提高。此外,在进行平面设计和工艺设计时,应充分利用场地天然地势高差,重视降低生产运行成本。同时,生产企业还应培养建立绿色钢铁生产的专业化人才队伍,注重从生产管理入手,规范信息管理,优化生产调度和工序衔接,提高全流程的物质转化与能量转换效率。建立着眼于从原料到成品的全流程的物质流、能量流和信息流的管理,实现以产品质量定原料的“定制化”生产模式。以打造全寿命成本最低的钢铁企业为目标,开发涵盖工厂设计、建造和生产运行的全寿命智能管理软件,管控全寿命周期内的各阶段成本,从而实现真正意义上的绿色钢铁生产。
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  连铸坯热酸蚀检验反应机理及过程优化

  郭坤辉, 侯自兵, 曾子航, 郭东伟, 彭治强

  钢铁. 2022, 57(11): 87-98.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20220283

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  热酸蚀法是连铸坯质量检验的一种常用方法,但目前使用效果不稳定,检验过程中容易出现过腐蚀或腐蚀不够的现象,其反应机理也存在争议。以高碳钢为例,探索一种热酸蚀检验反应机理的研究方法,旨在确定热酸蚀检验的具体反应机理,并对热酸蚀检验的过程优化提供理论指导。首先原位分析组织形貌在酸蚀过程中的变化规律,然后对酸蚀前后物相变化和酸蚀过程中不同物相对应的腐蚀行为观察分析,结合对酸蚀过程进行的数值模拟、极化曲线测量及电化学理论,共同分析热酸蚀过程的反应机理,并由此展开过程优化。结果表明,热酸蚀检验机理可以用不同物相间的微电池反应解释,即铸坯中的Fe₃C相可以与周围基体发生微电池反应,碳浓度高的偏析区域Fe₃C较多,微电池分布密度大,在热酸蚀过程中腐蚀速率较快,铸坯中腐蚀速率的差异导致不同区域腐蚀形貌的不同,最终显示出铸坯的低倍组织及缺陷情况。并根据反应机理得出酸蚀效果随酸蚀时间的增长存在拐点,且所研究钢种最佳反应时间为300 s,同时发现适当提高温度可以增大铸坯中不同区域在酸蚀过程中腐蚀速率的差异,有利于改善酸蚀效果。这对连铸坯质量优化及高品质钢质量稳定性的提升具有重要意义,同时所提出的研究方法对类似检验的过程优化也具有参考价值。
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  RH精炼真空度对超低碳钢夹杂物去除的影响

  朱国森, 邓小旋, 季晨曦

  钢铁. 2022, 57(11): 99-105.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20220331

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  大尺寸非金属夹杂物是引起超低碳钢冷轧钢板表面线状缺陷的重要原因。以IF钢为例,铸坯中大尺寸夹杂物主要有3类,即结晶器保护渣卷入后被凝固坯壳捕获;连铸过程中钢水二次氧化产生且未上浮去除的;钢液中未充分去除的夹杂物在浸入式水口处粘连、堵塞,后续堵塞物脱落被凝固坯壳捕获。钢液一次脱氧生成的夹杂物中,不低于100 μm的夹杂物在RH处理过程中较容易去除,100 μm以下的夹杂物受钢液的流动影响较大,特别是不超过20 μm的夹杂物由于其上浮时间长、钢液流动的跟随性好,去除难度较大。RH是超低碳钢最重要的精炼设备,也是夹杂物去除的关键环节,研究RH去除20 μm夹杂物的新技术具有重要的意义。研究了RH脱碳结束加铝后真空度对夹杂物去除的影响,创新性提出了低真空度去除不超过20 μm夹杂物的新技术。研究结果表明,与高真空度处理工艺(常规工艺)相比,低真空度(压力5 kPa)处理的钢液中夹杂物数量降低更显著,中间包钢液总氧质量分数平均降低0.000 2%,钢液增氮水平相当。冷轧钢板因炼钢原因导致的线状缺陷降级率比常规工艺降低了29%。夹杂物在钢液中的跟随性理论分析表明,低真空度处理工艺下RH内钢液循环流量和钢液流速减小,降低了RH处理过程中夹杂物随钢液的跟随性,提高了不超过20 μm夹杂物的去除效率,有效改善了水口堵塞程度、提高了轧板表面质量。
压力加工
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  辊式矫直机矫直板带浪形的有限元仿真分析

  李小占, 武则栋, 王晓晨, 徐冬, 孙友昭, 何安瑞

  钢铁. 2022, 57(11): 106-112.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20220435

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  辊式矫直机的矫直功能是中厚板生产线上保证板带板形的重要手段,其矫直过程可以消除或均匀板带内部残余应力,对提高板带综合质量具有重要意义。为了分析矫直机对带有边浪的板带的矫直过程以及矫直效果,首先建立了板带弯曲挠度的计算模型,为确定矫直辊的压弯量奠定了基础。在矫直模型作为压弯量设定的基础上,参考现场实际设备尺寸,通过借助大型商用有限元软件ANSYS建立了11辊的辊式矫直机有限元仿真模型,并针对研究目标设计了相应的仿真工况,将模型的矫直过程调整为采用上辊系整体压下倾斜的设置,对不同浪高的板带进行仿真分析。将有限元模型计算出的矫直力与生产实际设备的矫直力进行对比,有限元模型的矫直力计算偏差约为8.3%,满足计算精度要求。设置边浪浪高分别为5、10、20 mm的板带作为仿真工况,对其矫直过程进行仿真计算,提取仿真结果中的相关数据进行分析,发现在不采用弯辊的条件下,矫直过程同样具有消除板带不平度的作用。结果表明,在浪高较大时,矫直过程消除不平度的作用明显,但是矫直后板带并不能达到最终的平整度要求;在浪高较小时,矫直过程对不平度的消除能力较弱,但矫直后板带不平度可以达到最终的平整度要求。在分析的基础上,在工业现场的实际设备中进行相关试验,试验数据表明,仿真结果与试验结果趋势相同。
钢铁材料
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  马氏体-奥氏体复合钢复合层数对组织性能的影响

  王耀民, 姜锋, 王庆超, 闫学峰, 杨志南, 张福成

  钢铁. 2022, 57(11): 113-122.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20220290

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  开发更高性能的钢铁材料是促进“双碳”目标达成的有效途径之一。引入碳扩散是制备超高强度-高塑性复合钢的有效方法。在课题组前期研究基础上,利用真空热轧的方式制备不同层数的复合钢。通过增加层数,减小了复合钢内各层的厚度,复合钢在1 150 ℃热轧复合后继续保温过程,实现碳元素从高碳层向低碳层的扩散。利用扫描电子显微镜、FEI-透射电子显微镜及X射线衍射仪对组织及相组成进行了分析,利用电子探针显微分析仪测量了元素分配情况,并进行了硬度和拉伸性能测试。结果表明,随着层数的增加,复合钢内碳元素分布发生了明显的变化,马氏体层内部的碳含量逐渐升高,奥氏体层内部的碳含量逐渐降低,碳元素浓度差逐渐降低。同时,复合钢的屈服强度、抗拉强度和总伸长率呈现出先增加后降低的趋势。当复合钢内层数为9、11层时,其强度和塑性均超过单层马氏体钢;均匀伸长率随复合钢层数的增加而逐渐提高,15层复合钢取得了最大值(约10.1%)。9层复合钢获得了最佳的强度和塑性组合,与单层马氏体钢相比,抗拉强度(1 733 MPa)和伸长率(23.6%)分别提高了60 MPa和7.1%;同时其塑性也超过了单层奥氏体钢。此外,随着层数的增加,也导致奥氏体层比例逐渐提高,导致15层复合钢的强度低于单层马氏体钢的强度。
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  316H不锈钢铁素体的形成与控制

  李建民, 庄迎, 尹嵬

  钢铁. 2022, 57(11): 123-130.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20220293

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  为了提高316H不锈钢中厚板在钠冷快堆高温、强中子辐射环境下的质量稳定性,要求其残余铁素体面积分数不大于1%,而316H不锈钢中厚板的残余铁素体面积分数在常规工艺下为2%~8%。为了满足该要求,首先根据相图分析优化了316H不锈钢中C、Cr、Ni、Mo、N等元素含量,将其铬镍当量比控制到1.3以下,使其平衡态组织下铁素体面积分数小于7%。此外,根据相变过程,在凝固初期应快速冷却使钢水快速通过δ相区,尽可能少析出δ铁素体;在钢水快速通过δ相区后,应减缓冷却速度,使析出的铁素体尽可能多地通过包晶反应和高温扩散转变为奥氏体。因此,为了在316H连铸过程中实现这一目标,将钢水过热度从(45±5) ℃降低到(35±5)℃,铁素体面积分数最高由15%以上降低至10%附近;结晶器冷却水强度由2 700 L/min提高至3 000 L/min可以继续使铁素体面积分数从10%降至7%;最后再将二冷水比水量由0.75 L/kg降低至0.55 L/kg,整个连铸坯断面铁素体面积分数可全部降低至7%以下。通过连铸生产过热度、结晶器冷却强度、二冷水配水量3个工艺参数分步骤调整后得到的较低铁素体含量,连铸坯轧制成的钢板依然不能满足技术要求,需要将铸坯进行均质化处理,通过不同保温温度与保温时间的交叉试验,获得了最佳的均质化工艺,即1 250 ℃保温24 h,基本消除铸坯内残余铁素体组织,实现了残余铁素体面积分数不大于0.1%的316H中厚板的高效生产。
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  2 GPa中碳中锰纳米贝氏体钢的相变和塑性机理

  凌雨, 胡锋, 严恒, 周雯, 张志成, 吴开明

  钢铁. 2022, 57(11): 131-143.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20220353

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  高碳(质量分数为0.78%~0.98%)高硅(质量分数约为1.5%)钢采用低温贝氏体转变(通常为150~250 ℃),可获得不小于2.0 GPa超高强度,但塑性较低(通常不大于8.0%);同时需要非常长的贝氏体相变时间(通常不小于4 d)。采用降低碳含量(Fe-0.30C-1.5Si-1.5Ni)的成分设计,可以显著加速贝氏体相变(300 ℃等温0.5 d),获得优良强度(抗拉强度(1 138±6) MPa)和塑性(伸长率为18.5%±1.5%)匹配的性能;但很难达到超高强度(1 500 MPa)级别。参考高/中碳贝氏体钢的合金设计、显微组织和力学性能特点,采用“中碳、以铝代硅、以锰代镍”的合金成分(Fe-0.30C-1.2Al-5.0Mn)体系,在M_s(马氏体开始转变温度)温度(300 ℃)附近进行贝氏体相变,可以获得强度为2.0 GPa级((2 029±9) MPa),伸长率超过10.0%(11.5%±1.0%)的高塑性纳米贝氏体钢,同时贝氏体相变时间适中(等温2 d),合金制造成本低廉(镍质量分数约为0.5%)。Fe-0.30C-1.2Al-5.0Mn钢具有超高强度主要是由于硬相组织贝氏体铁素体和马氏体总体积分数为85.1%,其中贝氏体铁素体板条宽度为(85±30) nm。具有较高塑性主要是由于软相组织残留奥氏体的体积分数为14.9%,碳质量分数为1.12%,位于贝氏体铁素体板条之间的薄膜状残留奥氏体尺寸为(30±15) nm;同时碳、锰元素能够增加残留奥氏体稳定性,特别是相对于低锰含量,5%中锰元素对残留奥氏体有更显著的稳定性作用,使其在低应力作用下不容易发生相变,但在高应力过程中持续发生TRIP效应以提高塑性。
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  铌对65SiCrV6弹簧钢氧化增重的影响

  侯清宇, 丁敬, 廖振成, 汪开忠, 席波, 黄贞益

  钢铁. 2022, 57(11): 144-156.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20220284

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  铌对Si-Cr-V系弹簧钢强度和脱碳层特征的影响已受到较多关注,但铌对该系弹簧钢氧化增重影响的研究还较少。以65SiCrV6弹簧钢为研究对象,在其中添加质量分数约0.017%的铌(65SiCrV6Nb)。采用SEM+EDS、XRD、TEM、FactSage化学热力学软件、反应扩散理论和数理统计相结合的方法,从研究铌加入是否会对该弹簧钢在炉氧化增重和氧化铁皮物相组成等产生明显影响的角度,对铌加入是否会对该弹簧钢高压水除鳞难易度产生影响进行评价。结果表明,铌的加入提高了锻态65SiCrV6钢中的珠光体和未溶M(C,N)的相对含量,降低了铁素体的相对含量,并细化了组织。在氧气浓度为2%~7%(体积分数)、加热速度为8~20 ℃/min、保温温度为1 050~1 150 ℃和保温时间为60~90 min等工艺条件下,铌的加入使65SiCrV6钢的氧化增重明显提高,提高幅度为2.54%~27.82%且具有统计学意义。影响试验钢在炉氧化增重的主次效应依次为保温温度>保温时间>加热速度>氧气浓度,保温温度和保温时间对试验钢在炉氧化增重的影响为正相关,氧气浓度和加热速度对试验钢在炉氧化增重的影响为负相关。65SiCrV6钢在炉氧化增重达最小值的工艺为氧气浓度为7%、加热速度为14 ℃/min、保温温度为1 050 ℃和保温时间为60 min;65SiCrV6 Nb钢在炉氧化增重达最小值的工艺为氧气浓度为7%、加热速度为8 ℃/min、保温温度为1 050 ℃和保温时间为60 min。影响铌对65SiCrV6钢在炉氧化增重提高幅度的主次效应为保温时间>保温温度>加热速度>氧气浓度。铌的加入使65SiCrV6钢在炉氧化增重提高幅度最小的工艺为氧气浓度为2%、加热速度为8 ℃/min、保温温度为1 050 ℃和保温时间为75 min。由反应扩散控制的氧化固态相变是造成保温温度、保温时间、加热速度和氧气浓度对试验钢在炉氧化增重产生不同影响的主要原因。铌的加入未改变65SiCrV6钢表面氧化铁皮的3层结构特征,氧化铁皮由外向钢基体主要由Fe₂O₃、Fe₃O₄和FeO(或FeO+Fe₂SiO₄)等构成。铌的加入降低了65SiCrV6钢氧化铁皮中Fe₂SiO₄的相对含量,对高压水除鳞有利。
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  RAFM钢应变补偿本构关系及热加工图

  邱国兴, 白冲, 蔡明冲, 王建立, 李小明, 曹磊

  钢铁. 2022, 57(11): 157-166.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20220320

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  低活化铁素体/马氏体(RAFM)钢具有较低的辐照肿胀率和优异的力学性能,被认为是聚变堆首选的结构材料。然而,低活化钢强度高、冷塑性变形抗力大的特点,使其难以通过冷加工或低温加工实现大规模生产。使用MMS-200型热模拟试验机,在变形温度为950~1 200 ℃、应变速率为0.1~5 s^-1和最大变形量为50%条件下,进行了低活化铁素体/马氏体钢(0.11C-9.4Cr-1.35W-0.22V-0.05Si-0.11Ta-0.50Mn)单道次热压缩试验,研究其热变形行为。基于动态材料模型构建了不同应变量下的低活化钢变形本构方程和热加工图,确定了最优热加工参数,结合金相结果分析了材料变形过程中微观组织演化规律,为低活化钢的热加工成形工艺及组织优化提供理论参考。结果表明,在相同应变速率下,随着变形温度升高,流变应力逐渐降低,在一定变形温度下,流变应力随应变速率增大而增大;温度和应变速率对组织的影响主要取决于变形过程中材料内部发生的动态回复和再结晶等机制的交互作用。使用六阶多项式拟合进行应变补偿建立的低活化钢变形本构方程具有较高的预测精度,平方相关系数为0.972。显微组织和热加工图分析结果表明,温度升高为再结晶提供了充足能量,材料软化机制由动态回复转变为动态再结晶;减小应变速率,能量有足够时间扩散,有利于动态再结晶的进行;在变形温度为1 060~1 130 ℃、应变速率为0.13~0.36 s^-1条件下和合金耗散系数η达到36%的最佳热加工参数范围,可获取到均匀动态再结晶组织。
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  热镀锌TRIP钢还原铁/基板界面表征

  彭俊, 金鑫焱

  钢铁. 2022, 57(11): 167-174.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20220347

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  预氧化还原工艺是改善热镀锌先进高强钢(AHSS)可镀性的有效手段之一。当它用于生产热镀锌先进高强钢时,有时也会出现镀层附着性不良的问题。为了明确还原铁/基板界面对热镀锌高强钢镀层附着性的影响,以预氧化还原工艺生产的、镀层附着性不同的热镀锌TRIP钢为研究对象,采用GDOES、SEM、FIB、TEM等手段研究了还原铁/基板界面位置的微观特征。结果表明,镀层附着性不良表现为150~300 nm厚的还原铁层与镀层一起从基板表面脱落,失效发生在还原铁/基板界面,而非镀层/还原铁界面,与常见的镀层/基板界面Fe₂Al₅抑制层缺失引起的镀层附着性不良明显不同。镀层附着性不同的试样在还原铁/基板界面位置均存在硅、锰元素富集,但硅、锰富集程度有差异,镀层附着性不良试样的界面硅、锰富集更高。还原铁/基板界面氧化物形态显著影响了还原铁/基板界面的结合力,当还原铁与基板之间形成连续的氧化膜时,界面结合力较差,易发生界面分离;当还原铁/基板界面形成细小的、不连续的氧化物颗粒时,界面结合力较好。在对热镀锌先进高强钢实施预氧化还原工艺时,为了获得良好的还原铁/基板界面结合力,可以通过提高退火气氛露点促进合金元素内氧化,从而减少和细化还原铁/基板界面氧化物的数量和尺寸,避免形成连续的界面氧化膜。
环保与能源
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  烧结烟气中NO_x减排进展

  赵欣锋, 齐西伟, 张遵乾, 杨爱民, 杨强, 李杰

  钢铁. 2022, 57(11): 175-189.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20220291

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  铁矿石烧结是钢铁工业生产的重要一环,同时也是大气中NO_x污染物的主要排放源。随着人们对大气环境的要求越来越高,烟气排放标准日益严格,如何高效、低成本脱除烧结烟气中的NO_x已经成为了钢铁企业面临的一个巨大挑战。首先介绍了烧结工序烟气NO_x的排放规律及现状,然后从烟气中NO_x生成机理出发,深入解析了煤燃料在热解和燃烧中氮的氧化还原机制,详细阐述了温度、氧及某些金属对煤中氮转化的不同影响,再结合NO_x的理化属性进一步指出了氧化/还原脱硝路径,并介绍了现阶段根据这2条路径开发的各种源头、末端和过程烟气治理手段;同时,结合不同的脱硝路径,深入分析了SCR催化还原机制、催化氧化机制和铁酸钙催化还原脱硝机制,全面总结对比了近期常见的各种NO_x减排举措的研究进展,其中铁酸钙催化过程脱硝以其低成本、显著的脱硝效果和不增加任何气、固污染物的特点而展示出巨大的潜力。最后,结合国家超低排放新的要求和钢铁企业烧结生产的现状,指出了当前钢铁工业烧结烟气高效、经济脱硝所面临的研究挑战,并展望了铁酸钙催化过程脱硝的应用前景和发展方向。