2022年, 第57卷, 第3期　刊出日期：2022-03-15

  

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综合论述
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  钢铁制造流程炼铁区段耗散结构的解析

  张福明, 颉建新, 殷瑞钰

  钢铁. 2022, 57(3): 1-9.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20210476

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  为了研究钢铁制造流程耗散结构的本质及其特征,以高炉炼铁区段为对象,研究解析了多工序协同动态运行条件下的耗散结构优化问题。由料场、焦化、烧结、球团、高炉等工序所组成的炼铁区段,不仅是钢铁制造流程中重要的物质/能源转换中心,也是全流程动态有序、协同连续运行的关键和基础环节。炼铁区段的物理本质是铁素物质流在碳素能量流的驱动和作用下,经过一系列热量、质量和动量传输以及复杂的冶金物理化学反应工程,将铁矿石转换/转化成为高温液态生铁,并生成高炉煤气和液态炉渣,同时产生大量余能、余热的工艺过程。这一复杂的工艺过程需要多工序协同耦合、耗散结构优化、动态有序运行。分析了耗散结构理论的内涵及耗散结构形成与维持的基本条件,指出钢铁制造流程炼铁区段是一个典型的耗散结构。阐述了炼铁区段主要工序功能解析优化和工程演化的历程,指出焦化、烧结、球团等单元工序的形成和发展,是现代高炉功能解析优化、集成优化和重构优化的演化结果和工程效应。其优化的目标包括了提高产品质量和生产高效、降低运行成本和能源消耗、减少CO₂和污染物排放、实现生态环境友好等。基于耗散结构理论,提出了炼铁区段主要单元功能解析、耗散结构特征、耗散结构体系建构及优化的理论与方法,论述了单元工序功能的对比分析和选择确定、设备/装置的能力和数量等参数的选择等。以耗散结构理论和冶金流程工程学为指导,构建了首钢京唐钢铁厂炼铁区段概念设计、顶层设计、动态精准设计体系,形成了动态有序、协同连续、耗散优化的工艺流程。生产实践证实,其耗散结构合理、物质和能量耗散低、生产运行指标先进、经济效益和社会效益显著,具有重大的理论研究和推广应用价值。
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  关于直接还原铁工艺及还原气制备的若干思考

  沈峰满, 郑艾军, 郑海燕, 王小艾, 李洋, 章苇玲

  钢铁. 2022, 57(3): 10-15.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20210525

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  优化改良氢基直接还原铁制备工艺是中国发展实施碳减排的有效途径之一,随着碳减排和碳中和的积极推进,氢基直接还原铁工艺必将有较大的发展。从含铁原料、还原气制备参数选择和能源保障等三方面讨论分析了有关氢基气体直接还原铁工艺中存在的难点问题,尤其针对还原气制备参数的选择问题,创新性地提出了确定制备氢基还原气体工艺参数的图解法。本方法构建了“H-C-O体系质量及化学平衡衡算图”,采用n_H/n_C 和n_O/nC统一了还原气体的表述方式,引入过CO₂点的射线nH₂O/nCH₄ 标尺和平行于线L₁(nH₂O+nCH₄>0、nCO₂=0)的nCO₂/nCH₄ 标尺以及引入不同温度条件下nH₂/nCO 等值线的直线族。使用“H-C-O体系质量及化学平衡衡算图”可明确表达任意组成气体的存在域,即明确表达任意组成气体的n_H/n_C 和n_O/nC;可确定针对1 mol CH₄且能满足给定nH₂/nCO的nH₂O或nCO₂ 添加量;针对天然气或焦炉煤气重整制备氢基还原气工艺,可根据气源条件由图解的方式便捷地确定在指定温度条件下制备给定nH₂/nCO 值的还原气工艺操作参数(如添加量及配比),为制备氢基还原气体工艺参数的选择提供理论指导依据。
原料与炼铁
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  气体非等摩尔扩散对焦炭溶损反应的影响

  黄浚宸, 汪琦, 张松

  钢铁. 2022, 57(3): 16-26.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20210511

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  焦炭作为重要的炼铁原料,其热态性能的优劣备受关注。而同一种焦炭使用不同热性质评价体系(CRI、CSR、CRR₂₅、CSR₂₅)得到的结果可能完全不同,根源在于对焦炭溶损反应机理的认知不够深入全面。焦炭发生溶损反应过程中,气体非等摩尔扩散这一因素常常被忽略,导致对焦炭溶损反应机理的认知出现偏差。为了能够更加清晰全面地了解焦炭溶损反应机理,建立了考虑气体非等摩尔扩散的溶损反应动力学模型, 进行了工业焦炭与CO₂在1 100～1 300 ℃溶损达到25%的气化反应试验,通过对比考虑和不考虑气体非等摩尔扩散的CO₂内扩散有效系数、CO₂在焦炭内部浓度有效区域和反应限制环节,说明了气体非等摩尔扩散对焦炭溶损反应的影响。结果表明,考虑气体非等摩尔扩散的情况下,CO₂内扩散有效系数减小,且随着温度、反应进程和焦炭内部半径而改变;CO₂在焦炭内部浓度有效区域随温度上升开口减小、面积减小、位置降低且更靠近焦炭表面,溶损反应区域减小;反应限制环节随反应进行无明显变化趋势,始终保持稳定。
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  不同反应性炭的气化差异及对铁矿还原的影响

  魏汝飞, 柯技, 李家新, 郑宝松, 龙红明

  钢铁. 2022, 57(3): 27-35.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20210504

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  纯氧高炉和煤气化耦合联产是降低炼铁和煤气化工艺能耗和碳排放的重要手段,而研究不同反应性炭的气化差异及其对铁矿石还原影响是实现煤气调质与降低焦比的关键。在模拟纯氧高炉与煤气化耦合联产工艺条件下进行了木炭、兰炭、焦炭的气化和烧结矿、球团矿的还原试验研究。研究结果表明,3种炭与CO₂和水蒸气的反应性由强到弱的顺序为木炭>兰炭>焦炭,与CO₂开始反应温度依次为650.0、730.0、877.5 ℃,与水蒸气开始反应温度依次为613.5、672.0、841.5 ℃,3种炭与水蒸气反应特征温度均低于与CO₂的反应温度。木炭、兰炭、焦炭与CO₂反应活化能依次为109.51、119.31、176.84 kJ/mol,与水蒸气反应活化能依次为167.59、211.67、238.65 kJ/mol,3种炭中木炭反应性最强,其活化能最低。高反应性炭的加入可以促进铁矿的还原,木炭和兰炭促进作用都优于焦炭。与不加炭时相比,加入反应性最强的木炭后烧结矿还原度提高了13.72%,球团矿还原度提高了18.37%。与加焦炭的相比,加入反应性最强的木炭后烧结矿还原度提高了2.07%,球团矿的还原度提高了14.98%。在高炉冶炼中,可以使用适量的高反应炭代替焦炭,一方面降低焦比,另一方面可以促进CO₂、水蒸气向CO、H₂转化,提高煤气品质。
炼钢
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  碲处理对15-5PH钢中硫化物夹杂改性的作用

  车智超, 刘威, 杨树峰, 李京社, 刘超, 袁昊

  钢铁. 2022, 57(3): 36-43.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20210513

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  15-5PH沉淀硬化不锈钢具有优良的机械加工性能,而钢中夹杂物可以对其性能造成显著影响。在加工时,长条状的硫化物夹杂往往会导致含硫钢的横向性能下降,呈现出明显的各向异性,进而导致材料因断裂而失效。为了研究碲处理对钢中硫化物形貌的影响,利用高温试验、扫描电镜-能谱仪(SEM-EDS)及统计方法,研究了碲处理对15-5PH钢中的硫化物形貌、尺寸、长宽比的影响,同时探讨了碲对硫化锰夹杂物形貌控制的机理。试验结果表明,碲处理使钢中的长条、链状的Ⅱ类硫化物改性为球状的MnS-MnTe和(Al-Si-O)-MnS-MnTe复合夹杂物。钢中加碲后硫化物夹杂的形貌和分布大幅度改变,钢中夹杂物的长宽比由1.83降至1.49,夹杂物的球化率显著提高,改性效果较为明显。当碲硫比为1.42时,夹杂物的长宽比较低,且夹杂物的尺寸较小,改性效果最佳。当碲硫比为2.32时,发现钢中出现了单独存在的高碲相和硫化物镶嵌在碲化物中的大型夹杂,夹杂物的平均尺寸有所上升,改性效果有所下降。试验研究表明,碲处理钢中的夹杂物,存在一个最佳的加入量,继续增加碲硫比并不能使硫化物的球化效果进一步提高。加入适量的碲,可以显著球化钢中的硫化物夹杂,降低夹杂物的长宽比,提高钢的横向性能,改善钢的切削性能。试验研究能够为钢中硫化物改性提供更多的应用场景与可能,为现场工艺制定提供一定的参考。
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  22MnB5钢溶质分配系数及TiN析出对微观偏析的影响

  郭伟, 龙木军, 吴家璐, 张浩浩, 艾松元, 陈登福

  钢铁. 2022, 57(3): 44-54.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20210502

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  为了提高凝固过程中溶质微观偏析模型计算的准确性,基于溶质分配系数及夹杂物析出对溶质偏析的重要影响,定量分析了溶质分配系数以及TiN析出对凝固过程溶质元素含量的影响,为微合金高强钢凝固过程研究提供理论参考。针对22MnB5钢建立了耦合TiN析出热力学模型的溶质微观偏析模型,并探究了温度及钢液凝固路径对溶质分配系数的影响规律,结果表明,相转变对k_Ti(钛的分配系数)和k_N(氮的分配系数)的影响均大于温度对其的影响。当固相率为0.74时,发生L+δ向L+γ相转变,k_Ti由0.26降低至0.20,钛元素的偏析程度提高;k_N由0.30增加至0.46,氮元素的偏析程度降低。偏析促使TiN在固相率f_s为0.43时开始析出,在未考虑TiN析出对微观偏析的影响时,凝固末期液相中Ti、N元素的质量分数分别为0.286%、0.005 6%;而在考虑TiN析出的影响时,凝固末期液相中Ti、N元素的质量分数分别为0.237%、0.001 9%,分别降低了17.1%和66.0%。同时由于凝固过程中钛的偏析程度较高,钛在凝固前沿的富集足以抵消TiN沉淀的消耗,而钢中初始氮的质量分数较低,并且氮元素的偏析趋势随着凝固进程减弱,在L+δ向L+γ相转变影响下也降低了溶质氮的偏析程度,所以溶质氮在凝固前沿的偏析现象不足以抵消TiN沉淀的消耗。因此凝固前沿液相中氮的质量分数受TiN析出影响由上升转为明显下降,而钛的偏析程度仅在凝固末期出现减弱。
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  超低碳钢RH混合喷吹Ar-CO₂冶金反应特性

  陈固军, 杨江, 李龙, 张敏, 何生平

  钢铁. 2022, 57(3): 55-60.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20210526

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  钢铁生产过程CO₂的资源化利用对中国“碳达峰,碳中和”目标的实现起着重要作用。氩气驱动的RH(ruhrstahl-heraeus)真空装置是超低碳钢精炼的关键设备,利用高真空下钢水循环流动可有效脱碳、脱气和去除夹杂物。由于真空条件下CO₂可直接与钢水中碳反应生成CO,在实现脱碳的同时可促进熔池搅拌。因此,尝试将Ar-CO₂混合气体作为提升气体引入超低碳钢RH脱碳过程。首先,针对CO₂在RH脱碳条件下的冶金反应行为,通过热力学理论分析了不同压力下Fe-C-O熔体与Ar-CO₂的反应特性。其次,搭建了Ar-CO₂混合气体作为RH提升气体的工业试验平台,通过工业性试验研究了超低碳钢RH脱碳过程混合喷吹Ar-CO₂对钢水脱碳、脱氮和温降的影响。Fe-C-O熔体与Ar-CO₂反应热力学表明,在低于100 kPa和超低碳条件下,Ar-CO₂混合气体中的CO₂仍可能与钢水中碳反应,从而促进RH脱碳和脱气。工业性试验表明,喷吹100% CO₂、50% Ar+50% CO₂和100% Ar炉次出站平均碳质量分数分别为0.001 50%、0.001 57%和0.001 19%,因而混合喷吹Ar-CO₂并不会显著影响RH脱碳效率。同时,由于CO₂与钢水中碳反应十分有限,与喷吹100% Ar相比,喷吹100% CO₂和50% Ar+50% CO₂对RH脱氮效率和钢水温降没有明显影响。因此,超低碳钢RH脱碳时,完全可采用CO₂取代部分或全部氩气作为提升气体,尽管无法提高精炼效率,但仍具有显著的经济价值和环保优势。
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  高钛钢连铸结晶器内钢-渣界面反应行为

  朴占龙, 王杏娟, 张彩军, 朱立光, 李少英, 王博

  钢铁. 2022, 57(3): 61-70.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20210551

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  为了更好地控制高钛钢在连铸生产过程中的钢-渣界面反应,利用电磁感应炉对w([Ti]) 为0.05%~1.91%的3个级别高钛钢和传统的CaO-SiO₂系保护渣进行钢-渣界面反应试验,进而系统地分析了不同Ti含量对钢-渣界面反应的影响规律。基于双膜理论,考虑组元的质量传输,进而判断钢-渣界面反应的限制性环节,并结合质量守恒定律、化学平衡方程构建钢-渣界面反应动力学模型,揭示钢-渣界面反应机理,对钢-渣界面反应程度进行预测。研究结果表明,钢中w([Ti]) 为0.05%时,钢-渣界面反应较为微弱。w([Ti]) 为0.20%、反应达到平衡时,钢中w([Ti]) 从0.20%降低到0.01%,保护渣中w((SiO₂)) 从31.8%降低到29.1%,且反应达到平衡所需时间为600 s;当w([Ti]) 增加到1.91%、反应达到平衡时,钢中w([Ti]) 从1.91%降低到0.05%,保护渣中w((SiO₂)) 从31.77%降低到16.98%,且反应达到平衡所需时间为900 s。这说明钢中w([Ti]) 的增加明显加剧钢-渣界面反应程度,且延长反应达到平衡时所需时间。钢中Ti、Si以及保护渣中TiO₂、SiO₂的质量传输均对公式与t的斜率有一定影响,说明4者的质量传输均为钢-渣界面反应的限制性环节,且Ti的质量传输对钢-渣界面反应程度的影响最为显著。将动力学模型的计算值与试验测定值对比发现,两者的变化趋势较为一致,说明该模型能够较好地预测钢-渣界面反应程度,进而为高钛钢和保护渣的钢-渣界面反应提供理论指导。
压力加工
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  热轧结构钢氧化铁皮结构及其对酸洗质量的影响

  王恩睿, 陈子刚, 柳风林, 刘天武, 张明

  钢铁. 2022, 57(3): 71-78.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20210552

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  为研究热轧结构钢氧化铁皮厚度、结构及其对酸洗质量的影响,设计了“高温、低冷速”和“低温、高冷速”两种热轧工艺,并进行了热轧结构钢的生产制备。利用光学显微镜、扫描电镜分析了带钢宽度方向上氧化铁皮的厚度分布、结构特点和带钢酸洗后的表面形貌;基于不同热轧工艺下氧化铁皮厚度、结构差异,对带钢的酸洗效果以及酸洗色差缺陷的产生机理进行了探讨。结果表明,热轧结构钢氧化铁皮由外侧Fe₃O₄和内侧FeO的低温转变组织构成。由于热轧过程和卷取后温度场的不均匀分布,带钢边部氧化铁皮厚度小、结构致密,Fe₃O₄的含量比中部高;带钢中部氧化铁皮厚度大、结构疏松,FeO组织的低温转变比边部更充分。“高温、低冷速”热轧模式下氧化铁皮横向均匀性较差,边部、中部厚度相差4.7 μm,其中Fe₃O₄层的厚度差为2.5 μm。“低温、高冷速”热轧模式下氧化铁皮横向均匀性良好,不同部位氧化铁皮的厚度相差2.5 μm,相比前者减少了46.81%,而Fe₃O₄层的厚度相差0.2 μm,仅为前者的8.0%。氧化铁皮厚度、结构的横向差异是带钢酸洗色差缺陷的主要诱因。共析组织(α-Fe+Fe₃O₄) 疏松多孔,其酸洗过程以“剥离”的方式进行,酸洗效率更高。带钢优先完成酸洗的部位持续与酸液接触,在表面产生大量的“侵蚀裂纹”,形成宏观色差。改善氧化铁皮分布,控制氧化铁皮中Fe₃O₄、共析组织的比例是优化生产工艺、提升酸洗质量的关键。
钢铁材料
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  Fe-Ga磁致伸缩合金力学性能强化研究进展

  鄢邵文, 牟星, 祁焱, 徐立红, 张洪平

  钢铁. 2022, 57(3): 79-90.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20210538

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  Fe-Ga磁致伸缩合金作为重要的磁驱动智能材料之一,不仅在低磁场条件下具有较高磁致伸缩应变的功能材料特性,同时还具有较高力学强度的结构材料特性,结构功能一体化特征明显,存在广泛的研究价值和应用前景。国内外学者围绕该材料的磁致伸缩性能、力学性能优化开展了大量研究工作。其中,通过在Fe-Ga合金中添加元素来调控力学性能和磁致伸缩性能是一种可行的方法,并初步获得了一系列结构功能一体化的Fe-Ga磁致伸缩合金。以材料的强韧化机制为重点,阐述了Fe-Ga磁致伸缩合金力学性能强化的研究进展,综述了元素添加所引起的固溶强化、第二相强化、细晶强化等强韧化机制对Fe-Ga合金力学性能、磁致伸缩性能的影响。相关研究表明,在Fe-Ga合金中添加的Al、Nb、Mo、V、Co、Mn、Cr、C等元素均可固溶于合金基体,合金的强韧化机制以固溶强化效应为主;而在合金中添加NbC、TaC等碳化物或Tb、Dy、Y、B等元素时,这些添加物在合金基体中固溶度较小,合金的强韧化机制以第二相强化和细晶强化效应为主。其中,添加适量Co、Al、C、B、NbC、TaC、Tb、Dy、Y均有可能实现力学性能、磁致伸缩性能的综合优化。最后,结合国内外学者对Fe-Ga磁致伸缩合金的最新研究成果,对下一步研究进行了展望。
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  冷作硬化非调质钢的连续冷却相变规律

  江畅, 王子波, 王杨, 陆恒昌, 满廷慧, 周蕾

  钢铁. 2022, 57(3): 91-96.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20210531

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  钢的连续冷却相变曲线(CCT)是组织调控的基本依据,为了优化紧固件用冷作硬化非调钢热轧态的组织和力学性能,采用DIL805A相变仪测定了试验钢在0.1~50 ℃/s不同冷却速率下的热膨胀曲线,结合金相-硬度法确定相变类型,并绘制了试验钢的CCT曲线。结果表明,试验钢马氏体转变点(M_s)为280 ℃,在不同冷速范围内均有铁素体生成;随着冷速的增加,铁素体和珠光体转变开始温度降低,同时铁素体含量不断降低、晶粒尺寸减小;冷速小于3 ℃/s时,室温组织由先共析铁素体和珠光体组成,随冷速增加硬度变化不大,为156~166HV;当冷速达到3 ℃/s时,开始出现贝氏体和马氏体,硬度快速增加至181HV;当冷速大于3 ℃/s后,先共析铁素体和珠光体含量逐渐减少,贝氏体和马氏体含量增加,硬度不断提高;冷速为30~50 ℃/s时,组织以贝氏体和马氏体为主。Nb、V均对连续相变起到重要影响。利用Thermo-Calc软件计算试验钢Nb、V碳氮化物析出行为,计算得到V(C,N)、Nb(C,N)全固溶温度分别为780、1 144 ℃;在900 ℃奥氏体化条件下,V(C,N)全部固溶,Nb(C,N)固溶了8%,由于Nb、V的扩散速率比C慢得多,固溶的Nb、V在冷却转变过程中来不及扩散而聚集在两相界面上,降低铁素体的长大速率,抑制铁素体形成,促进贝氏体或马氏体相变。
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  高强韧耐候桥梁钢Q690qNH的防断选材及验收方法

  彭宁琦, 付贵勤, 周文浩, 范明, 熊祥江, 朱苗勇

  钢铁. 2022, 57(3): 97-107.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20210583

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  针对TMCP+T和QT 2种工艺生产的40 mm厚Q690qNH耐候桥梁钢板,分别采用GB/T 228.1—2010和GB/T 229—2020标准进行了纵向表面、1/4、心部和横向表面的室温拉伸试验和-120～+20 ℃系列温度夏比V型冲击试验;采用GB/T 5482—2007和GB/T 6803—2008标准进行了纵向表面、心部和横向表面的-120～+20 ℃系列温度动态撕裂试验和P2型的无塑性转变温度落锤试验;采用GB/T 21143—2014和Q/725-1182—2005标准进行了纵向的裂纹尖端张开位移(CTOD)试验和全厚度深缺口宽板拉伸试验,并对各试验结果及其相关关系进行了分析,同时采用光学显微镜观察了2种工艺钢板不同厚度处的金相组织以及采用SEM扫描电镜观察了CTOD试样断口形貌,结合BS 7910的失效评定FAD图,以及典型桥梁焊接构件断裂驱动力的估算,对高强韧耐候桥梁钢Q690qNH的防断选材及验收方法进行了讨论。结果表明,QT工艺钢板的横纵向和厚度方向的强度更加均匀,其塑性、冲击、动态撕裂、CTOD以及断裂韧度K_C等性能较好,可作为D级钢用于关键构件的使用,但作为E级钢,即使用于一般构件也存在风险,而TMCP+T工艺钢板断裂韧性较差,即使作为D级钢也是不符合防断选材要求的;对Q690qNH试验钢,采用1/4厚度处纵向冲击试验的脆性快速增加开始温度作为其防断判据及验收具有良好的可靠性和适用性,作为关键构件使用时,1/4厚度处纵向冲击断口纤维断面率应高于97.5%且冲击吸收功不低于125 J。
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  HRB400螺纹钢的高温氧化行为及动力学

  周大骞, 陆恒昌, 李志峰, 韦习成, 董瀚

  钢铁. 2022, 57(3): 108-114.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20210569

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  为了优化HRB400螺纹钢氧化皮结构,以提高耐蚀性能,采用热重法研究了试验钢空气条件下在800、850、900、950、1 000和1 050 ℃温度下的氧化行为,建立了氧化动力学模型,计算出试验钢的氧化激活能,借助扫描电镜(SEM)分析和确定氧化皮结构和组成。结合螺纹钢的实际生产情况讨论了螺纹钢氧化皮形成规律,建立了螺纹钢氧化皮生长模型。结果表明,试验钢氧化初期为快速氧化阶段,氧化动力学曲线呈线性,中后期转变为慢速氧化阶段,氧化动力学曲线呈抛物线,从线性到抛物线转变所需要的时间随着温度的升高而增加。同时通过Origin拟合计算出试验钢的氧化激活能为208.4 kJ/mol,其中氧化温度为900 ℃的试验钢氧化皮表面宏观状态最佳,其他氧化温度下试验钢氧化皮均有不同程度的剥落与损坏。在850和900 ℃的氧化温度下,由于氧化温度较低无法突破生成Fe₂O₃的能垒,试验钢氧化皮只观察到深灰色的Fe₃O₄外层和浅灰色的FeO内层2层结构;而氧化温度为950、1 000和1 050 ℃的试验钢氧化皮由Fe₂O₃、Fe₃O₄、FeO 3层结构组成。由于氧化皮在冷却过程中发生先共析反应(从FeO中析出Fe₃O₄)与共析反应(FeO转变为Fe₃O₄+Fe),从而产生复杂的氧化皮结构。
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  含钒X80级管线钢奥氏体晶粒长大行为

  李龙飞, 张阳, 林腾昌, 孟华栋, 贺庆, 姚同路

  钢铁. 2022, 57(3): 115-123.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20210567

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  为了探明钒添加量对X80级管线钢奥氏体化过程的影响,通过Thermo-Calc热力学计算、奥氏体化加热处理、金相分析及理论模型推导计算,研究了含钒质量分数分别为0、0.042%、0.084%、0.130%的4种试验钢在不同奥氏体化温度下的晶粒尺寸变化规律并分析计算了含钒试验钢奥氏体晶粒长大动力学行为。结果表明,当均热温度小于1 050 ℃时,4种不同钒含量试验钢奥氏体晶粒尺寸及变化趋势相近;但当均热温度大于1 050 ℃时,不含钒试验钢的奥氏体晶粒尺寸明显高于含钒试验钢。随着钒含量升高,钢中含钒析出相数量增多,但因其全固溶温度低,钒含量对含钒钢的奥氏体晶粒长大影响较小。试验钢的奥氏体晶粒尺寸随着奥氏体化温度的升高而增加,在均热温度为850~900 ℃时,晶粒缓慢长大;当均热温度高于1 200 ℃时,奥氏体晶粒发生急剧长大,4种试验钢奥氏体晶粒尺寸随着均热温度升高均近似呈指数形式增长。在相同的奥氏体化温度下,奥氏体晶粒尺寸随着保温时间的增加而变大,且长大速率逐渐降低。利用试验测得数据并结合晶粒长大动力学理论,建立了2号钢(添加钒质量分数为0.042%的试验钢)奥氏体晶粒长大规律的动力学数学模型公式,经验证拟合度良好。通过研究和获得的试验结论,可为含钒X80级管线钢的控轧控冷工艺参数设计与工程化应用提供理论依据。
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  低碳微合金钢晶界铁素体三维形态及形成机理

  曹胜利, 武绍文, 张彩军, 张庆军

  钢铁. 2022, 57(3): 124-132.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20210588

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  为了更好地研究低碳微合金钢晶界铁素体的三维形态及形成机理,利用配有电子背散射衍射(EBSD)的聚焦离子束场发射扫描电子显微镜构建了低碳微合金钢不同析出位置的晶界铁素体三维形貌,通过高温激光共聚焦显微镜原位观察技术计算了晶界铁素体在试验条件下的生长速率,最后利用Matlab建立了试样钢成分下不同温度下溶质元素的扩散模型,从试验结果和理论数据两方面进行了论证与分析。研究发现,晶界面铁素体并非沿着奥氏体母相晶粒生长,而是以一定角度长向晶内,同时只是在奥氏体晶界附近生长,不能生长到太深的位置,其三维形貌正面为扁平状,侧面呈细长条状,伴随着大量凹坑和缺陷;晶界棱铁素体一侧与奥氏体界面固定,尾部较宽呈尖角状向晶内生长,其三维形貌形如具有尖顶的三棱锥状,附着面平滑、整齐,侧面存在很深沟壑。利用原位观察技术计算发现,温度区间在725~775 ℃析出的晶界铁素体之间生长速率较快,为100~250 μm/s,在其余温度区间析出的晶界铁素体生长速率较小。试验测得晶界铁素体的生长速率随温度的变化在局部平衡/准平衡模式下的分布,发现该钢种的晶界铁素生长主要分布在准平衡模式,晶内铁素体的生长速率只受碳的扩散控制。
环保与能源
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  球团烟气SNCR与嵌入式SCR耦合脱硝新技术

  刘臣, 胡兵, 胡佩伟, 温荣耀, 叶恒棣, 魏进超

  钢铁. 2022, 57(3): 133-141.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20210544

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  在中国大力推动绿色低碳发展的形势下,钢铁行业全面实施烧结、球团工业大气污染物超低排放,球团NO_x减排迫在眉睫,减排效果将关乎球团行业的生存与发展。针对国内主流的链箅机-回转窑球团生产工艺NO_x排放质量浓度高的问题,在系统分析球团烟气特性与NO_x分布的基础上,开展了选择性非催化还原法脱硝技术(SNCR)与嵌入式选择性催化还原法脱硝技术(SCR)的耦合脱硝技术研究。研究结果表明,在链箅机源头的预热二段,球团烟气具有高温(烟罩内850~1 000 ℃、风箱内350 ℃)、高NO_x浓度(400~600 mg/m³)、小流量的特性,有助于SNCR法与嵌入式SCR法协同耦合治理技术应用。当采用氨水作还原剂、烟气温度为830~930 ℃、氨氮物质的量比为1.0~1.5时,SNCR法脱硝率达40%~60%。在链箅机上装配风流平衡板可解决串风问题,预防NO_x无序扩散;采取NO_x集中处理,同时实施还原剂喷加量精准调控,可综合提升还原剂利用效率及SNCR脱硝率。采用FLUENT数值模拟方法对SCR反应器的圆锥形扩散板进行结构优化发现,当扩散板水平夹角由90°倾斜至65°~75°时,进入整流格栅的烟气流速与氨还原剂分布更加均匀;优化的球团烟气SNCR与嵌入式SCR耦合脱硝技术路线合理、技术经济性能优越、工程产业化推广前景广阔,是中国球团烟气氮氧化物超低排放技术的一大创新。
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  烧结机除尘灰制备纳米氧化铁及其气体传感特性

  尹若铭, 付海涛, 杨晓红, 安希忠

  钢铁. 2022, 57(3): 142-152.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20210555

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  烧结机机头除尘灰是炼铁过程中产生的高铁含量小颗粒粉末固体废弃物,如何处理机头除尘灰一直是冶金领域的难点问题。鉴于其较高的铁含量,开发了一种以烧结机除尘灰为原料,通过控制还原剂与铁元素的比例,制备高附加值的类球状α-Fe₂O₃、Fe₃O₄纳米颗粒以及Fe₃O₄/Fe₂O₃纳米复合物的方法。利用多晶X射线衍射仪(XRD)、X射线荧光光谱仪(XRF)、紫外分光光度计、场发射分析扫描电镜(SEM)等对材料进行表征分析。分析结果表明,可通过控制还原剂的用量调整产品为纯α-Fe₂O₃、Fe₃O₄纳米颗粒,或不同Fe₃O₄/Fe₂O₃比例的纳米复合物;所得产品为尺度均匀的纳米颗粒,纯度较好(α-Fe₂O₃、Fe₃O₄纳米颗粒的纯度分别为92.74%和94.44%),重复性好且操作简单。同时,利用气敏元件测试仪检测制备的铁氧化物纳米颗粒的气体传感性能,发现其具有良好的气体传感性能,尤其对正丁醇气体具有高灵敏度和独特的选择性。此外,Fe₃O₄/Fe₂O₃复合物的最佳工作温度(100 ℃)比纯α-Fe₂O₃和Fe₃O₄纳米颗粒的最佳工作温度分别降低了160和100 ℃。比例为56/44的Fe₃O₄/Fe₂O₃复合物显示了较其他比例复合物更佳的响应值,为6.33。利用烧结机除尘灰制备高附加值的功能性纳米氧化铁颗粒实现了烧结机头灰资源化合理利用,具有重要的理论与实际意义,同时对处理钢铁流程中高铁含量固体废弃物(除尘灰)具有重要的借鉴意义。
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  钢铁工业循环水中氯离子脱除工艺技术探讨

  张晓英, 李素芹, 雷海萍, 李永奎

  钢铁. 2022, 57(3): 153-159.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20220020

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  钢铁工业循环冷却水占工业用水量的70%～80%,在工厂中主要用来冷凝蒸汽、冷却产品或设备。面对中国水资源短缺日益严重现象,提高水处理系统循环率、降低吨钢新水指标、提高循环冷却水系统运行的浓缩倍数是重要的节水技术之一。随着浓缩倍数的增加,废水中氯离子不断浓聚,大大加剧了设备及管路遭受晶间腐蚀的危险,轻则影响正常生产及缩短设备使用寿命,重则导致人身安全事故。因此,脱除钢铁工业循环水中的氯离子是必然选择。国内外专家学者致力于研究脱除各种类型废水中的氯离子,形成了4大类除氯技术,分别为沉淀盐法、分离法、离子交换法和氧化还原法,各有优势但也存在一些不足。阐述了不同氯离子脱除技术及其作用机理,对比分析了其在水中脱除氯离子的优势与限制性环节,突出了石灰铝盐沉淀法的优势,提出了钢铁工业循环水中氯离子脱除工艺技术建议,为不断浓聚的氯离子脱除难题提供了新的思路。相信未来水中氯离子脱出技术将越来越完善,也将发挥越来越重要的作用。