2022年, 第57卷, 第6期　刊出日期：2022-06-15

  

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综合论述
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  现代电渣重熔先进技术特征与演进

  李宝宽, 黄雪驰, 刘中秋, 齐凤升

  钢铁. 2022, 57(6): 1-11.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20220022

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  电渣重熔是制备高端特殊钢和合金的关键冶炼工艺,在铸锭质量和成材率方面优势明显。随着中国装备制造业的快速发展,对所用钢及合金的质量和性能要求不断提高,而传统电渣重熔技术面临电耗高、产品质量稳定性差等问题。现代电渣冶金技术的发展核心在于浅平熔池形状的稳定控制和杂质元素的高效去除,目标是更高洁净度、更高凝固质量和更高生产效率。为了让国内冶金工作者了解目前电渣重熔技术的最新发展动态,助力中国电渣冶金技术的开发和应用,综述了近年来国内外相继涌现的先进技术与理论,分析了国内外在相关技术的应用特征和演进方向。中国在电渣炉设备制造、气体保护电渣重熔技术、同轴供电技术和结晶器导电技术方面基本与国际先进水平同步,但尚未形成完善可靠的渣系配置理论、精炼过程的热力学及动力学理论,较国外仍有差距,这已成为限制电渣产品质量提升的主要因素之一。低频电源技术、真空电渣重熔技术和旋转电极电渣重熔技术具有极高的工业化应用前景,需要进一步明确其对工艺过程和产品质量的影响规律。摆动控制已成为国际先进电渣企业的主流控制技术,却是中国电渣炉设备制造的短板,借助在线检测和模拟仿真技术的恒熔池形状控制技术是中国电渣冶金控制技术的发展方向。
原料与炼铁
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  分流制粒协同燃料分加强化红土镍矿烧结试验

  胡梦杰, 陈铁军, 潘料庭, 周仙霖, 黄学忠, 刘佳文

  钢铁. 2022, 57(6): 12-21.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20210680

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  在红土镍矿烧结生产中,为了实现资源综合利用,配料过程常常会加入烧结除尘灰、高炉重力灰、细粒返矿等物料;然而,该部分物料由于制粒性差,易对料层透气性和烧结性能产生不良影响。为了改善料层透气性,同时达到提高烧结性能的目的,对烧结除尘灰、高炉重力灰及细粒返矿等物料进行了分流制粒。另外,为防止制粒小球发生欠烧,对分流制粒物料进行了燃料分加。通过烧结杯试验,研究了分流制粒协同燃料分加对料层透气性及烧结性能的影响。通过X射线衍射和金相显微镜对烧结矿进行了工艺矿物学分析,揭示了强化红土镍矿烧结性能的相关机理。结果表明,与基准相比,分流制粒协同燃料分加30%时,混合料的平均粒度由4.18 mm提高到5.99 mm,料层透气性指数由0.233 提高到0.482;同时,烧结性能大幅提高,烧结成品率由68.69 %提高到79.37%,转鼓强度由51.73%提高到60.82%,垂直烧结速度由24.44 mm/min提高到33.48 mm/min,利用系数由0.77 t/(m²·h)提高到0.99 t/(m²·h),固体燃耗由147.10 kg/t下降到130.29 kg/t。工艺矿物学表明,与基准期相比,分流制粒烧结矿的孔洞和裂纹大量减少,微观结构更加致密;同时,烧结矿主要固相铁尖晶石与液相之间润湿程度提高,针状和交织状SFCA增多,因此烧结矿固结条件大幅改善。
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  高炉喷吹煤粉优化选择

  李涛, 苏步新, 王广伟, 梁旺, 张翠柳, 任坤

  钢铁. 2022, 57(6): 22-31.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20210643

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  高炉喷吹煤粉是目前高炉冶炼降低焦比最为有效的措施之一,然而高炉喷吹煤粉种类繁多,为了保持较高的煤/焦置换比和降低高炉冶炼喷吹成本,需要对喷吹煤种进行合理的选择和搭配。以国外某钢厂提供的12种煤粉为原料,系统进行了其作为高炉喷吹煤粉所关注的基础性能和工艺性能分析,根据测试结果对不同煤粉进行高炉喷吹的综合性能进行了研究,为钢厂高炉喷吹煤粉的优化选择提供指导。研究结果表明,提供的12种煤粉中4号为高变质无烟煤,6号、7号和12号为高变质贫瘦煤,5号、10号和11号为低变质贫瘦煤,1号、2号、3号、8号和9号为低变质烟煤。相比于国内高炉喷吹用的煤粉,该钢厂提供的12种煤粉具有较低的灰分和硫含量,进行高炉喷吹能够降低渣量和入炉硫负荷;同时,所选煤粉的喷流性、流动性较高,灰熔融温度较高,低变质烟煤具有强爆炸性,不能单独作为高炉喷吹使用;不同煤粉的可磨性和燃烧性能差异较大,成为限制其应用于高炉喷吹生产的关键。结合不同煤粉高炉喷吹综合性能评价指标的计算结果,优选8号、10号、11号和12号煤粉作为高炉喷吹煤粉使用。考虑不同煤粉的采购成本,12号煤粉用于高炉喷吹降低冶炼的成本最为显著。
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  巴润精矿配比对球团矿强度的影响

  朱瑞宗, 张芳, 彭军, 王永斌, 常宏涛

  钢铁. 2022, 57(6): 32-41.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20210647

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  为了充分发挥巴润铁精矿(白云鄂博西矿)含铁品位高、粒度分布集中、成球性能优异的特点,同时抑制其K₂O、Na₂O和F含量较高的弱点,研究了如何通过其与有害元素含量较低的区内矿合理搭配,在保证氧化球团成品矿强度的基础上,提高巴润矿的利用率。研究过程中,采用FactSage7.3热力学软件计算、氧化焙烧、抗压强度检测、化学成分检测、矿相分析、SEM-EDS分析等试验研究手段,对不同巴润铁精矿配比下成品球强度的影响因素进行了分析。研究结果表明,区内铁精矿比巴润铁精矿的粒度范围宽,两者平均粒度分别为53.21 μm和32.01 μm;区内矿铁精矿小于0.043 mm(<300目)的矿粉颗粒比例为78.65%,而巴润铁精矿粉所占比例为84.70%。巴润矿配比为40%的成品球的强度最高,为4 602.2 N/P。热力学计算表明,随着巴润矿配比增加,成品球中渣相量增加;氧化焙烧冷却过程中,40%巴润矿配比的成品球渣相析出物以辉石和石英为主,而100%巴润铁精矿成品球渣相析出物则以钙铁橄榄石为主。矿相结构上,随着巴润铁精矿配比增加,赤铁矿连晶效果下降,但40%配比时渣相分布均匀,起到了较好的黏结相的作用。100%巴润矿成品球中由于MgO质量分数达到1.05%,所形成的含镁磁铁矿颗粒连晶作用较差,这是造成其抗压强度较低的原因之一。
炼钢
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  轴承钢二次精炼过程夹杂物演变规律

  王昆鹏, 王郢, 徐建飞, 陈廷军, 谢伟, 姜敏

  钢铁. 2022, 57(6): 42-49.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20210660

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  研究了轴承钢LF精炼和RH真空处理过程各类夹杂物的成分、种类和数量变化,并结合热力学模拟计算了夹杂物与钢液的界面参数,并对试验结果进行分析讨论。夹杂物分析结果表明,精炼25 min后,脱氧产物Al₂O₃消失,钢中夹杂物以纯尖晶石、含少量CaO的尖晶石、CaO·2Al₂O₃和CaO·Al₂O₃为主。继续精炼65 min至LF精炼结束,钢中夹杂物仍以纯尖晶石、含少量CaO的尖晶石、CaO·2Al₂O₃和CaO·Al₂O₃为主。RH真空处理25 min后,钢中夹杂物总数量较LF精炼结束降低75%,其中,纯尖晶石和含少量CaO的尖晶石去除率分别为99.5%和93.2%,CaO·2Al₂O₃去除率为67%。RH破空后钢中夹杂物以液态钙铝酸盐CaO·Al₂O₃和12CaO·7Al₂O₃为主。精炼过程尖晶石类夹杂物尺寸集中在10 μm以下,尺寸大于20 μm夹杂物主要为处于液相区的钙铝酸盐,这些钙铝酸盐在LF精炼前期就已经存在。与钢水接触角大于90°的固态夹杂物纯尖晶石、含少量CaO的尖晶石和CaO·2Al₂O₃在RH真空处理过程容易去除,与钢水接触角小于90°的液态夹杂物CaO·Al₂O₃和12CaO·7Al₂O₃不易去除。因此,将LF精炼结束的夹杂物控制为固态夹杂物有利于RH真空处理过程夹杂物的高效去除。热力学计算结果表明,当钢中w(T[O])为0.001 0%、w([Mg])大于0.000 18%时,脱氧产物Al₂O₃热力学上就不能稳定存在。铝脱氧、高碱度渣精炼条件下很难稳定地获得固态Al₂O₃夹杂物。为获得完全固态尖晶石或高熔点钙铝酸盐夹杂物,钢中w([Ca])需控制在0.000 1%以内。钢中w([Ca])大于0.000 2%,就具备生成液态夹杂物的热力学条件。
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  冷却强度对超高硫中碳钢方坯凝固过程MnS生长的影响

  吕迺冰, 高航, 刘珂, 刘斌, 徐士新, 周洁

  钢铁. 2022, 57(6): 50-56.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20210688

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  中碳超高硫易切削钢SAE144是兼具力学性能与切削性能的结构钢,用于制造汽车发动机密封阀件等,产品多采用转炉/电炉→LF精炼→连铸小方坯→线棒材热轧→冷拉及机加工成型流程生产,近年来市场热度稳步提升。若钢中MnS尺寸过大,零件加工使用过程易发生探伤不合、切削性能差、带状组织严重、力学性能各相异性显著,甚至拉拔加工断裂等问题。MnS夹杂物多在铸坯凝固后期形成,随着轧制与钢基体同步变形,控制该类钢种铸坯内MnS原始尺寸成为控制热轧材中MnS夹杂物形态及尺寸的最关键环节。为控制热轧超高硫中碳钢盘条中MnS夹杂物,利用钢坯凝固数值模拟、第二相析出理论、Ostwald熟化理论计算分析了160 mm²钢坯中硫元素偏析及MnS的生成、长大和熟化过程。计算结果表明,当固相分数f_s为0.446、硫微观偏析比达到2.19时,铸坯在凝固末期生成MnS。凝固过程中MnS的生长过程决定了钢坯中MnS颗粒的直径。理论计算表明,当连铸二次冷却水量固定为0.6L/kg时,拉速为1.6、2.1和2.6 m/min时,160 mm²方坯中心的MnS分别增长到30.6、32.2和34.6 μm,与实际测试结果一致。控制该类钢种线材中MnS尺寸的关键是提高二冷区的冷却强度,降低连铸拉速。基于该系列计算方法,提出了160 mm²钢坯中与MnS直径控制目标相匹配的连铸工艺参数控制范围。
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  稀土铈对55SiCr高应力弹簧钢夹杂物的改性作用

  马钰, 唐海燕, 刘颜彬, 刘锦文, 江野, 张家泉

  钢铁. 2022, 57(6): 57-71.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20210665

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  55SiCr高应力弹簧钢主要用于制造交通工具的气门、悬架和制动弹簧,钢中的大颗粒复合夹杂物所引起的疲劳破坏和长条形MnS所造成的各向异性与氢致裂纹敏感性等是降低弹簧服役寿命的重要原因。从冶炼环节对此类夹杂物进行改质改性并使其细小、无害化是提高弹簧服役性能的重要途径。基于高温管式炉冶炼试验并结合SEM、EDS检测和热力学计算等方法探究了稀土铈对55SiCr钢中夹杂物的改性机制以及铈含量对夹杂物的影响规律。结果表明,钢水中加入铈后,首先生成大量小尺寸稀土夹杂物;随着反应进行,夹杂物数量逐渐减少,大多数夹杂物得以上浮去除。适量铈可以起到净化钢液作用。此外,铈的添加量对夹杂物特性影响很大。当铈添加量为0.02%时,钢中的夹杂物主要为被铈不同程度改性的MnS夹杂以及Ce-O-S、Ce-S类夹杂,尺寸大多为1~3 μm,呈球形或椭球型;当铈添加量增加至0.26%时,MnS夹杂消失,形成大量有棱角、不规则的Ce-O和Ce-O-S类夹杂,对钢的疲劳性能将产生不利影响。铈通过3种方式改性MnS夹杂, 从MnS四周向内扩散进行、从MnS夹杂物一侧改性以及从MnS中部开始改性。从控制夹杂物无害化角度,建议适宜的稀土添加量为0.01%~0.02%,此时钢中铈质量分数为0.009%~0.014%。
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  镁处理对1215易切削钢中夹杂物的影响

  王攀峰, 付建勋, 沈平

  钢铁. 2022, 57(6): 72-81.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20210787

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  1215易切削钢中硫化物夹杂不仅影响钢的切削性能,对钢性能的各向异性以及产品质量问题也有重要影响,对钢中硫化物夹杂的调控是改善产品品质的重要途径。采用镁处理技术,对钢中硫化物夹杂的形态、大小和分布进行调控,解析镁对夹杂物的改质影响。通过高温熔炼试验,冶炼不同镁含量的钢锭,采用光学显微镜、扫描电镜及小样电解技术对钢中夹杂物的二维及三维形态和分布进行分析,并结合热力学计算解析夹杂物改质机制。研究表明,镁具有较强的脱氧能力,可改变钢中硫化物形态和分布。钢中镁质量分数从0增加至0.000 6%、0.001 7%,夹杂物形态首先从Ⅰ类球形、椭球形转变至Ⅱ类沿晶分布的簇状、串链状、珊瑚状,然后再转变为多面体形或不规则块状的的Ⅲ类硫化物。镁质量分数进一步增加至0.002 7%,镁对夹杂物的形态、尺寸、分布影响不再显著。钢中的MnS在熔融液态中不会析出,主要在凝固过程固液两相区析出,其析出温度为1 502.0 ℃,对应的凝固分率为0.409。凝固过程中部分MnS会以钢中氧化物夹杂为异质形核点析出,形成内部氧化物、外部硫化物的复合夹杂。钢中Al₂O₃经镁改质转变成为更加细小弥散分布的MgO·Al₂O₃,改质后夹杂物不易聚集长大,成为更多的MnS析出异质形核点,从而促进了MnS析出,夹杂物整体数量密度增大,平均等效直径减小。
压力加工
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  热镀锌机组沉没辊系刮刀力预报及影响因素

  王孝建, 钱胜, 崔梦雨, 白振华

  钢铁. 2022, 57(6): 82-90.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20220010

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  针对热镀锌机组沉没辊系表面锌渣刮不干净而导致带钢表面出现较多辊印缺陷、严重影响板带产品质量等级的问题,充分结合热镀锌机组设备与其工艺特点,首先对沉没辊系刮刀机构进行受力分析,在此基础上建立稳态条件下刮刀力模型。考虑沉没辊系在实际工况中存在的轴套与轴瓦间隙波动、沉积于辊面的残留锌渣、刮刀磨损等因素对刮刀力的影响,对刮刀力模型进行了修正,使其对非稳态条件下刮刀力计算同样适用。然后,分析了刮刀角度、轴颈偏心距、刮刀刃磨损量、辊面残留锌渣对刮刀力影响的机理,根据刮刀力修正模型制定了刮刀力计算流程,并将该模型应用于实际生产。选取3种典型规格带钢进行刮刀力预报,刮刀力预报值与实测值的相对误差小于15%,且满足机组所需的精度要求。最后,以规格A带钢为例分析带钢生产工艺参数(带钢张力、带速、表面镀锌量)对刮刀力预报值的影响。结果表明,刮刀力随着刮刀角度在小范围内(9°~12°)增大而增大;刮刀力随着轴颈偏心距的增大呈较快速非线性增大;刮刀刀刃磨损增加会降低刮刀去渣能力;辊面残留锌渣量的增加导致刮刀力增大,容易造成辊系卡死或打滑现象发生。刮刀力与带钢张力呈近似线性递增关系,而与带速呈近似线性递减关系,但表面镀锌量对刮刀力影响相对较小。
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  Cr5大型锻钢轧辊探伤缺陷的形成机理及控制

  张威风, 石如星, 张延玲, 王冠博, 成国光, 王鹏飞

  钢铁. 2022, 57(6): 91-99.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20210777

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  以Cr5大型锻钢轧辊探伤缺陷为研究背景,通过对轧辊探伤不合缺陷部位进行解剖取样,利用扫描电镜(SEM)和能谱仪(EDS)确定探伤缺陷类型,并对合金炉→LF→VD→VC冶金过程进行跟踪取样溯源,分析冶金过程中夹杂物成分、形貌以及尺寸的变化,并结合FactSgae 8.1软件对导致探伤不合缺陷的形成机理进行了理论计算。研究结果表明,Cr5锻钢轧辊探伤不合格的缺陷主要由呈线性聚集的SiO₂-MnO-Al₂O₃大尺寸夹杂物组成,单个夹杂物尺寸可达200 μm,缺陷夹杂物成分与浇注前SiO₂-MnO-Al₂O₃夹杂物的成分一致。在合金炉出钢前发现大量的SiO₂-MnO-Al₂O₃型夹杂物,在LF精炼过程中没有得到完全去除,而VD过程大搅拌条件下进一步使得SiO₂-MnO-Al₂O₃大颗粒夹杂物卷入钢液。因SiO₂-MnO-Al₂O₃夹杂物与钢液的接触角过小,与钢液具有良好的润湿性,精炼过程中不易上浮去除,凝固过程中聚集并残留于钢锭中形成聚集性的大颗粒夹杂物区域而导致锻钢轧辊探伤不合。热力学计算表明,在Cr5轧辊目标成分下,当钢液铝质量分数为0.003%以下且氧质量分数为0.015%以上时,SiO₂-MnO-Al₂O₃液态夹杂物稳定存在;随着铝含量不断上升,SiO₂-MnO-Al₂O₃液态夹杂物相区稳定存在所需的溶解氧含量不断升高;当钢液的铝质量分数达到0.023%以上,液态夹杂物完全消失。在实际生产过程中将合金炉出钢前及在后续工序中钢液的铝质量分数控制为0.023%以上可使SiO₂-MnO-Al₂O₃液态夹杂物改性为Al₂O₃或富含Al₂O₃的夹杂物,易于上浮、吸收并去除,有效减少了Cr5锻钢轧辊的废损率。
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  基于有限元法的拉伸弯曲矫直过程板形控制分析

  靳皓越, 孙杰, 魏臻, 汪龙军, 侯凡, 张殿华

  钢铁. 2022, 57(6): 100-109.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20210771

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  板形是带钢质量的重要判定指标,常见的板形缺陷有边浪、中浪、1/4浪等,其实质是残余应力在带宽上的分布不均。拉伸弯曲矫直机通过张力辊组、弯曲辊组和较真辊组的共同作用,使带钢在低于屈服强度的张力作用下发生塑性延伸,从而有效消除浪形缺陷,改善板形,提高带钢质量。然而在拉伸弯曲矫直机的设计和使用过程中,对拉伸弯曲矫直机参数的调整多基于经验,缺少理论指导。为了定量分析拉伸弯曲矫直机参数对浪形缺陷的改善效果,使拉伸弯曲矫直机在实际生产中发挥更好的作用,以某1 450 mm带钢酸洗冷轧生产线上的拉伸弯曲矫直机为研究对象,使用有限元软件ANSYS/LS-DYNA基于三维弹塑性有限元法建立了拉伸弯曲矫直机模型,对拉伸弯曲矫直机矫直过程进行了模拟,分析了张力和插入深度对初始浪形分别为边浪和中浪的带钢矫直后板形的影响规律。结果表明,经过拉伸弯曲矫直的带钢浪形缺陷得到显著改善;插入深度和张力对初始浪形缺陷分别为边浪和中浪的带钢板形的影响规律一致;3个辊组中矫直辊组的插入深度是影响带钢板形的主要因素,随着矫直辊组插入深度增大,带钢矫直后板形由边浪转变为平直,且随着矫直辊插入深度进一步增大,板形又由平直转变为边浪;随着入口张力增大,带钢矫直后板形由边浪转变为中浪。
钢铁材料
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  GH2132合金混晶条带组织分析及其对力学性能影响

  刘吉猛, 黄烁, 张晓敏, 段然, 刘康康, 秦鹤勇

  钢铁. 2022, 57(6): 110-119.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20220036

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  混晶条带是影响GH2132合金组织及性能稳定性的重要因素,因此针对合金冷拉棒材出现的混晶条带缺陷进行了试验研究。利用金相、EPMA、EBSD和TEM手段,结合热力学平衡相图与硬度测试,揭示了混晶条带的主要成因,并分析了其内部微观组织状态及混晶组织对显微硬度的影响。结果表明,混晶条带组织中细晶区晶粒尺寸普遍小于10 μm,粗晶区晶粒最大可超过60 μm,而元素偏析与冷拉变形是造成晶粒大小差异并形成混晶条带的原因。合金铸态组织中Ti、Mo、C、B元素均表现出正偏析,其中C、Ti元素的偏析程度较高,能够在枝晶间析出MC与M₃B₂相,并最终遗传至奥氏体晶界;晶界溶质富集不仅起到钉扎作用,阻止再结晶过程晶粒长大,还能够通过溶质拖拽作用降低晶界的迁移速率而阻碍晶界变形,最终溶质富集区域形成细晶区、贫化区域形成粗晶区,并沿合金棒材组织冷拉方向表现出混晶条带。另外,在冷拉变形过程中,由于晶体取向不一,在受同样拉拔力条件下晶粒变形的实际应变并不一致,这也会加剧混晶现象。微观组织观察显示冷变形后细晶区与粗晶区相比形变更为均匀,组织内平均位错密度更高,混晶区域内存在退火孪晶与形变孪晶,但细晶区孪晶密度更高。最终混晶区存在的晶界数量不同、位错密度变化、孪晶分布的梯度组织,导致细晶区显微硬度明显高于粗晶区的硬度梯度。
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  合金钢淬火-配分工艺研究进展

  司志旺, 符寒光

  钢铁. 2022, 57(6): 120-131.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20210732

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  随着国内冶金、机械等领域的不断发展,对钢铁材料性能的要求越来越严格,汽车用钢不仅要求减重而且要有足够高的抗冲击性能保证汽车安全性,耐磨材料不仅要保证硬度还要有良好的韧性。合金钢淬火-配分(quenching and partitioning,简称Q&P)工艺是由美国Speer J G教授在2003年受Trip钢启发提出的,最终目的是在硬相基体上获得一定量的软相残余奥氏体,从而提高钢的塑韧性,马氏体、贝氏体保证了强度,残余奥氏体可以提高韧性,两相结合拥有良好的综合力学性能。和传统工艺淬火-回火(QT)抑制碳化物析出不同,钢中的碳没有分解为碳化物,而是在保温过程中重新扩散至奥氏体,提高了奥氏体的稳定性。Q&P钢具有成本低、性能好、工艺相对简单等特点,最初应用到汽车高强钢上,可以很大程度减轻汽车的质量、提高防撞能力、减小变形程度;陆续有研究者将Q&P工艺应用到耐磨材料上,发现可以在耐磨性损失很小或者不损失的情况下大幅度提高韧性。为了进一步提高性能,国内外许多学者做了大量的研究,在Q&P热处理工艺优化方面,发现奥氏体化温度、淬火工艺、配分工艺等参数对Q&P钢组织和性能都有较大影响;在合金元素调控方面,不仅C、Mn、Si等常规合金元素对Q&P钢的性能有重要的影响,Nb、Mo等微合金元素也对Q&P钢组织和性能有较大的影响。主要阐述了Q&P工艺的发展、国内外的研究现状以及Q&P工艺的应用,最后对Q&P工艺未来的发展进行了展望和总结。
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  高氮不锈轴承钢碳化物分布与高温断裂机制

  曹方, 杨卯生, 杨树峰, 李京社, 罗志强, 刘威

  钢铁. 2022, 57(6): 132-142.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20210796

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  通过高温拉伸试验研究高氮不锈轴承钢高温断裂行为,探究了170 ℃和470 ℃回火态钢中碳化物分布特征,分析了高温拉伸断裂及组织演变和碳化物分布规律。研究发现,回火温度从170 ℃升高至470 ℃,高氮钢中大于0.8 μm的碳化物明显增加,高氮钢中M₂₃C₆强化增量提高了2.59 MPa,固溶强化增量下降了118.82 MPa,470 ℃回火态钢的室温抗拉强度降低、拉伸断口表现为准解理和少量撕裂韧窝;拉伸温度升高至300 ℃,试样断口表现为等轴型韧窝特征,170 ℃和470 ℃回火态试样起裂源断裂碳化物尺寸分别为2.8~3.6 μm和5.5~6.7 μm;450 ℃拉伸断口表现为塑孔韧窝特征,170 ℃和470 ℃回火态试样起裂源断裂碳化物尺寸分别为2.7~3.4 μm和5.8~6.4 μm。拉伸温度从300 ℃提高至450 ℃,钢的固溶强化和位错强化作用减弱,金属原子间结合能下降,碳化物与基体不连续应力分布加剧变形不协调性,碳化物承担较高应力而发生断裂。单纯热作用下钢中0.5~0.8 μm尺寸碳化物数量比例增加;在热力耦合作用下,钢中应力所导致的位错增殖为碳元素扩散提供通道,钢中碳化物在晶界和位错线上形核析出0.2~0.8 μm碳化物。裂纹沿着与拉伸方向45°角的最大剪力方向快速扩展而断裂,最终形成锯齿状的断口,小尺寸碳化物增多阻碍位错滑移导致塑性降低;钢中大尺寸碳化物不均匀分布在碳化物间形成大变形塑孔而增加钢的塑性。
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  表面高硬度和耐腐蚀性高强贝氏体钢制备新工艺

  蔡锋, 刘曼, 徐光

  钢铁. 2022, 57(6): 143-149.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20220042

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  铁路运输和工程机械等领域对贝氏体钢的耐磨性和耐腐蚀性具有较高的要求,而表面渗硼、渗铬处理是常见的提高表面硬度和耐腐蚀性的有效方法。在已有的研究工作中,获得贝氏体基体的等温淬火热处理和表面改性处理是分开进行的,工序复杂且生产成本增加。提出制备表面高硬度、高耐腐蚀性中碳高强度贝氏体钢的新工艺,将表面改性处理和贝氏体等温淬火工艺一体化,既可以简化制备工艺,又降低了生产成本、减少了环境污染。采用渗硼/铬-等温淬火一体化新工艺制备表面高硬度、高耐腐蚀性中碳高强贝氏体钢,通过组织观察、硬度测试和腐蚀试验等,对比分析了渗硼-等温淬火和渗铬-等温淬火一体化工艺对中碳高强贝氏体钢组织和性能的影响。结果表明,与仅经过等温淬火工艺处理相比,渗硼/铬-等温淬火一体化工艺处理后,贝氏体钢表面均形成了维氏硬度超过1 500HV的渗层(约为贝氏体基体硬度的3.3倍),且在0.5%NaCl溶液中的腐蚀性能明显提高。暴露在0.5%NaCl溶液中3 h后,渗硼层表现出更好的耐腐蚀性能。两种一体化工艺均可制备表面渗层、基体以贝氏体相为主的新型高强贝氏体钢,在相同处理时间下,与渗铬-等温淬火一体化工艺相比,渗硼-等温淬火一体化工艺处理的渗层生长速率快,且渗硼层与贝氏体钢基体的结合强度更高。
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  低温取向硅钢硅酸镁底层形成过程

  王现辉, 刘兆月, 李瑞凤, 高倩, 滕仁昊

  钢铁. 2022, 57(6): 150-158.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20220120

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  取向硅钢硅酸镁底层是产品结构的重要组成部分,低温取向硅钢底层的控制是难点,也是限制产品性能提升的瓶颈。以往对取向硅钢硅酸镁底层的形成研究较少,高磁感取向硅钢薄规格化高性能产品开发及品质提升缺乏理论支撑。为此,采用高温退火中断试验法对低温取向硅钢硅酸镁底层的形成过程进行了模拟,研究了底层的微观结构、成分特征的演变规律,明确了硅酸镁底层在高温退火过程中的反应形成过程。温度约为900 ℃时,样品表面开始发生Mg₂SiO₄颗粒的形核,随着温度继续升高,Mg₂SiO₄晶核不断长大;温度约为1 050 ℃时,样品表面的Mg₂SiO₄开始致密化,温度约为1 100 ℃时,表层硅酸镁的致密化基本完成,硅酸镁底层形成的关键温度为900～1 100 ℃。另外,研究中发现,在硅酸镁底层的下方生成的Al₂O₃·MgO尖晶石颗粒连结基体和Mg₂SiO₄,形成了“钉扎”结合层。硅酸镁底层形成过程MgO中的Mg²⁺由表面向氧化膜内扩散并与SiO₂反应,同时氧化膜内SiO₂发生熟化,1 000 ℃以上基板中的AlN分解释放出的铝则向氧化膜交界及通过氧化膜向表面扩散与Mg₂SiO₄等反应形成尖晶石。优良的底层结构形成是由原脱碳退火氧化膜表层1 μm左右形成致密的Mg₂SiO₄,其余2～3 μm厚度转化成一定数量的椭球Al₂O₃·MgO的尖晶石“钉扎”结合层,其主要控制方向为提高氧化膜活性、选用高活性MgO、添加低熔点反应助剂等。
环保与能源
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  解析参数对活性焦再生过程及再生效果的影响

  乔骊竹, 张威力, 彭汉忠, 吴胜利

  钢铁. 2022, 57(6): 159-166.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20220051

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  活性焦的热解析参数对再生活性焦的脱硫脱硝性能和机械强度至关重要。为了明确解析参数对活性焦再生过程和再生效果的影响规律,通过热解析试验探究活性焦硫残余比例、CO₂和CO生成量及再生活性焦脱硫脱硝性能随解析温度和解析时间的变化规律,继而明确适宜的活性焦热解析参数。结果表明,活性焦升温解析过程中,脱硫产物在317 ℃左右迅速分解,随后分解速率下降;在进入恒温解析阶段后脱硫产物分解速率先快速下降,而后进入缓慢解析状态。硫残余比例随恒温解析温度的升高而下降,在530 ℃下解析3 h可使脱硫产物完全解析;解析温度高于430 ℃后,活性焦表面的酚基、醌基、内酯基等含氧官能团分解量明显增加,并随恒温解析温度的升高而持续增加,分解所生成的CO和CO₂也随之大幅增加,这将使活性焦的孔隙结构进一步发展,继而不利于活性焦机械强度的保持;解析温度低于530 ℃时,硫残余比例随解析温度的升高而持续降低,使再生活性焦的脱硫脱硝性能持续提高;解析温度高于530 ℃后,含氧官能团分解量随解析温度的升高而持续增加,这将有利于提高活性焦表面SO₂氧化反应速率,继而使再生活性焦的脱硫性能持续升高,但酚基、内酯基等酸性含氧官能团的分解使再生活性焦对NH₃的吸附性能降低,进而使其脱硝性能降低。在兼顾再生活性焦脱硫脱硝性能、机械强度和生产效率等多方面因素时,430 ℃恒温解析3 h是相对较优的解析参数。在此解析条件下,再生活性焦的硫残余比例仅为1.8%,含氧官能团尚未发生大量分解,脱硫脱硝性能相对较为优良。
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  熔融改质含磷钢渣碳热还原回收有价元素试验

  何赛, 林路, 刘亚琴, 吕岩, 胡砚斌, 梁强

  钢铁. 2022, 57(6): 167-174.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20210744

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  针对含磷转炉渣中磷、铁及锰等有价资源回收及有价元素回收后钢渣资源化利用的问题,通过理论计算、电阻炉试验、感应炉试验等研究手段,系统分析了熔融改质后的含磷钢渣碳热还原回收有价元素的热力学条件和影响规律。研究结果表明,还原温度为1 723 K、碱度为1.0~2.0时,低碱度有利于渣中铁、磷资源的回收;当炉渣碱度为1.0时,Fe₂O₃、P₂O₅、MnO还原率分别可达到99.50%、84.47%和3.26%,渣中铁元素和磷元素收得率分别为99.50%和68.69%;当碱度为1.5时,渣中Fe₂O₃、P₂O₅还原率分别为90.45%和63.73%,与碱度为1.0时相比还原率降低;当碱度为2.0时,渣铁未实现完全分离,渣中Fe₂O₃还原率为71.43%。在感应炉内对熔融改质工业渣碳热还原试验中,在碱度为1.0时,温度为1 723 K条件下,渣中铁元素收得率可以达到99%以上,磷收得率为47.18%;通过热力学分析可以发现,FeO、P₂O₅与MnO相比更容易被碳还原,在试验过程发现,FeO及P₂O₅先还原,反应20 min后渣中MnO开始被还原,整个还原过程中渣中MnO含量略有降低;碳热还原后渣中FeO质量分数仅为0.07%,渣中P₂O₅质量分数为0.93%,MnO质量分数为2.83%;利用FactSage对比改质渣还原前后物相组成可知,还原后渣中含铁物相(Ca₃Fe₂Si₃O₁₂)物相能得到有效控制,磷酸钙质量分数明显减少,渣中橄榄石相大幅度增加,提高了钢渣的应用范围,这为含磷钢渣有价元素回收及资源化利用提供了研究基础。