2022年, 第57卷, 第8期　刊出日期：2022-08-15

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综合论述
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  “十三五”中国炼钢关键技术进步及思考

  杨利彬

  钢铁. 2022, 57(8): 1-10.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20220082

  摘要 ( 567 ) PDF全文 ( 690 ) XML 附件   可视化   收藏

  “十三五”时期,中国炼钢技术快速发展,在机理创新、关键工艺技术和装备研发、高品质钢高效生产、智能化控制、低碳绿色发展等方面都取得了长足的进步。中国粗钢产量持续增加,达到了世界产量的56.49%,在发展的同时逐步实现炼钢结构优化,高品质钢的高效绿色生产为中国经济高速发展提供很好的支持作用。通过回顾和分析“十三五”期间中国炼钢共性关键技术取得的科技成果,对“十三五”期间炼钢科技进步进行了总结。代表性关键技术成果总结为两个方面,即“高品质钢炼钢-连铸关键技术开发与应用”和“洁净钢高效、低碳绿色炼钢-连铸技术研发”。“高品质钢炼钢-连铸关键技术开发与应用”技术主要的发展表现在高品质不锈钢脱氧及夹杂物控制技术,薄板坯连铸连轧生产电工钢技术,重载车轴钢冶金技术,高速和重载铁路钢轨用钢炼钢技术,特殊高合金钢品种冶炼及连铸关键技术;“洁净钢高效、低碳绿色炼钢-连铸技术研发”的主要发展体现在大型转炉高效、绿色冶炼关键技术,绿色电炉高效冶炼技术,高品质特殊钢绿色高效电渣重熔关键技术,高品质钢高效连铸技术。同时,炼钢-连铸智能化控制技术的应用取得了进展。实现关键钢铁材料的自主保障和前沿技术的突破是“十四五”钢铁行业实现创新发展的重要任务,结合“十四五”时期发展需求及定位,今后炼钢技术的重点发展方向包括洁净钢炼钢-连铸高效、协同生产技术创新和应用;炼钢-连铸智能控制技术的集成和应用;低碳绿色生产技术创新应用;近终形连铸连轧技术。
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  钢中界面科学研究进展(Ⅰ)

  张福成, 康杰

  钢铁. 2022, 57(8): 11-29.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20220143

  摘要 ( 218 ) PDF全文 ( 557 ) XML 附件   可视化   收藏

  钢中界面包括晶界、相界等,在结构和化学组成上与体相均有明显的差异,在能量上也具有特殊性,对钢的相变机理、服役性能等具有十分重要的影响。近年来,有关材料分析和测试手段得到快速发展,结合第一性原理和有限元模拟等技术和方法,人们对钢中界面科学问题有了进一步深入的认识,也使得这方面的研究内容更加丰富多彩,取得了众多成果。综述了钢中的微观固-固界面调控的国内外研究动态,界面类型涵盖单相钢中的晶界和多相钢中的相界。简要概述了钢中各种界面的形成机理,探讨了不同界面类型的能量差异、取向差异以及应力分布等;重点关注了界面数量调控、界面结构调控和界面偏聚调控,探讨了热处理工艺、变形方式和成型方式等界面调控手段对最终界面结构形成和化学成分偏聚的影响,介绍了先进技术手段在表征界面结构和界面成分偏聚上的应用;同时对界面与位错之间的相互作用模型及其对不连续屈服和加工硬化的影响也进行了简述。最后从界面调控方式、计算机模拟、技术表征手段等方面对界面的未来发展趋势进行了预测。
原料与炼铁
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  高炉使用铁焦的㶲分析

  郭俊, 储满生, 唐珏, 李峰, 柳政根, 鲍继伟

  钢铁. 2022, 57(8): 30-38.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20220047

  摘要 ( 258 ) PDF全文 ( 435 ) XML 附件   可视化   收藏

  中国钢铁生产主要以高能耗和高排放的高炉-转炉长流程为主,节能减排压力较大。因此,积极研发高炉低碳炼铁技术,促进高炉工序CO₂减排尤为重要。铁焦是将含铁原料加入适宜的煤中,经焦化或炭化后成型的新型碳铁复合炉料,其高反应性可以显著降低热储备区温度、降低碳消耗,高炉使用适量的铁焦可实现一定程度的节能降碳。基于现场生产数据,采用㶲分析理论,建立高炉使用铁焦的㶲平衡模型,探索铁焦添加量对高炉物料消耗及能量利用效率的影响。结果表明,高炉使用铁焦后,炉内间接还原得到发展,碳利用率提高,炉内灰分量降低,冶炼单位生铁的碳素消耗和炉渣量均会降低,与未使用铁焦相比,高炉使用114 kg铁焦后,吨铁碳素消耗降低25.95 kg,渣量降低11.28 kg。此外,铁焦内部的金属铁仅需熔化,节省还原所需的㶲量,焦炭和鼓风带入㶲会显著降低,因此高炉冶炼吨铁消耗的总㶲量降低,同时,炉内传热也得到改善,内部㶲损失有效降低,与未使用铁焦相比,高炉使用114 kg/t铁焦后,目的㶲效率由46.14%提高至48.87%,热力学完善度由87.46%提高到88.02%。在此条件下,高炉吨铁的内部㶲损失降低192.63 MJ,实现节能6.57 kg(标煤)。
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  CO₂-H₂O混合气体与捣固焦和顶装焦深度反应影响

  付晓微, 路明, 何志军, 庞清海, 杨立春

  钢铁. 2022, 57(8): 39-49.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20220005

  摘要 ( 190 ) PDF全文 ( 340 ) XML 附件   可视化   收藏

  由于全球气候变暖,CO₂的减排逐渐成为人们关注的热点。钢铁工业作为CO₂排放大户,需要严格控制其CO₂的排放量,富氢炼铁由于具有降低碳排放的特点,已经成为冶金工艺未来发展趋势,但富氢燃料的使用会在高炉内产生大量水蒸气,所以研究高炉中不同种类焦炭与CO₂-H₂O混合气体在气化溶损反应下的变化至关重要,可以为高炉富氢冶炼条件下焦炭的选择和质量的控制提供理论依据。通过研究不同含量CO₂-H₂O气体通入管式炉中与捣固焦和顶装焦发生深度气化溶损反应,分析CO₂-H₂O混合气体中水蒸气含量变化产生的气化反应溶损差异、焦炭有机官能团和碳素结构的变化规律以及利用未反应核模型分析气化反应过程中限制性环节。研究结果表明,两种焦炭气化反应的限制性环节为界面化学反应,通过对比顶装焦和捣固焦颗粒气化溶损过程中边缘、中间、中心隙结构和相对密度上的差异发现,随着CO₂-H₂O混合气体中水蒸气含量的增加,两种焦炭表面溶损反应较其他两部分更加严重,出现了明显的开孔现象,并且捣固焦的内部开裂情况更加严重。结合FT-IR分析可知,水蒸气能够加剧气化反应过程中顶装焦和捣固焦结构内脂肪族官能团和甲基的消耗,从而导致两种焦炭的芳香度升高,同时反应后捣固焦样品中芳香烃的缩合程度增加。
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  焦炭在白云鄂博矿高炉冶炼中的热态性能变化

  王宇, 樊莹杰, 柴轶凡, 王艺慈, 罗果萍, 安胜利

  钢铁. 2022, 57(8): 50-59.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20220027

  摘要 ( 155 ) PDF全文 ( 488 ) XML 附件   可视化   收藏

  冶金焦炭已经成为现代高炉炼铁技术所需的必备原料之一,被喻为钢铁工业的“基本食粮”,具有重要的战略价值和经济意义。随着低碳时代的来临和大喷煤技术的运用,焦炭的功能逐渐被替代。为了保证炉内的透气性以及透液性,作为高炉软熔带的“百叶窗”,焦炭作为料柱骨架和通道的作用更为突出,因此深入理解焦炭在白云鄂博矿高炉冶炼过程中的热态性能变化对指导白云鄂博矿的高效冶炼至关重要。以从包钢4号高炉中取出的入炉焦与风口焦为研究对象,使用X射线衍射仪、热重立式炉、扫描电镜、能谱仪等分析手段,对比研究了它们的基础特性、灰分的主要物相、反应性(CRI)与反应后强度(CSR)、微观孔隙结构及碱金属的含量及分布,从而得到焦炭在白云鄂博矿冶炼中的热态性能变化。结果表明,高炉中的焦炭在下降过程中发生气化反应,灰分含量提高,挥发分含量降低,SiO₂含量显著降低,但是CaO、K₂O、Na₂O、MgO等碱性氧化物含量有所增加。二次加热前期焦炭发生氮气吸附,质量没有减少反而增加;后期焦炭发生碳气化反应,质量快速下降,风口焦的反应性提高,反应后强度降低。风口焦表面出现了类似蜂窝状的孔隙,且孔隙分布不均匀,特别是被渣铁侵蚀的焦炭基质,其气孔壁变得粗糙,孔隙出现合并。碱金属在风口焦中富集,碱性氧化物含量增加。风口焦石墨碳所对应的(002)衍射峰半峰宽急剧减小,扁平峰消失,峰形尖锐。晶体结构趋向有序,石墨化程度提高。
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  铁矿石溶解与烧结熔体流动行为机理

  翟晓波, 郑军, 王刚, 邹忠平, 周恒

  钢铁. 2022, 57(8): 60-68.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20220071

  摘要 ( 196 ) PDF全文 ( 341 ) XML 附件   可视化   收藏

  在铁矿石烧结过程中,铁矿石部分溶解于烧结熔体,直接影响熔体的性质,进而影响烧结矿的黏结。为了明晰铁矿石与烧结熔体的相互作用,采用化学纯试剂煅烧法制备以Ca_3.6Fe_14.4O_25.2和CaFe₂O₄矿物为主的铁酸钙系黏附粉。以7种核心铁矿石-铁酸钙系(w(CaO)=15%)黏附粉构成烧结偶为主要研究对象,采用实验室烧结方法,研究了核矿石溶解与烧结熔体流动行为。在此基础上,使用化学纯试剂模拟核矿石的化学组成,考察了核矿石SiO₂、Al₂O₃含量对熔体横向流动面积和核矿石溶解指数的影响规律及机理。结果表明,在核矿石溶解于CaO-Fe₂O₃液相后,形成了交互层区域。核矿石中矿物,尤其是石英,溶解进入熔体,在靠近熔体一侧促使生成复杂CaO-Fe₂O₃系液相,而在靠近核矿石一侧促使简单CaO-Fe₂O₃系液相转变为CaO-Fe₂O₃-SiO₂系液相。靠近熔体一侧析出以铁酸钙系和赤铁矿为主的矿物,而靠近核矿石一侧析出以硅酸盐和赤铁矿为主的矿物。随着核矿石SiO₂含量的增加,一方面,使得溶解进入熔体中的SiO₂数量增加,溶解指数得到提升;另一方面,提升了简单CaO-Fe₂O₃系液相的黏度,从而使得熔体横向流动面积减小。随着核矿石Al₂O₃含量的增加,溶解进入熔体中的Al₂O₃数量增加,进而熔体横向流动面积降低,而核矿石溶解指数升高。Al₂O₃相较于SiO₂对核矿石溶解与熔体流动行为的影响更大。
炼钢
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  硅锰脱氧55SiCr弹簧钢中镁铝尖晶石的形成及演变

  曾溢彬, 包燕平, 赵家七, 王敏

  钢铁. 2022, 57(8): 69-77.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20220072

  摘要 ( 215 ) PDF全文 ( 337 ) XML 附件   可视化   收藏

  某钢厂生产的55SiCr弹簧钢采用硅锰脱氧工艺,但在其冶炼过程中存在大量尖晶石类夹杂物,对最终产品的性能十分不利。尖晶石等硬、脆性夹杂物是弹簧在服役过程中疲劳断裂的主要因素之一,因此为明确弹簧钢中该类夹杂物的来源,进而控制并去除钢中非金属夹杂物,通过夹杂物自动分析、扫描电镜和能谱分析等手段,结合FactSage热力学计算分析了55SiCr弹簧钢冶炼过程夹杂物的演变及主要夹杂物的形成机理。分析结果表明,LF精炼后钢中夹杂物数量大幅上升,且其平均成分偏向SiO₂-Al₂O₃-CaO三元相图中高熔点区域;夹杂物主要以SiO₂·Al₂O₃·CaO·MgO为主,多表现为钙铝酸盐包裹或半包裹尖晶石的复合夹杂物类形态,此外还有少量单独的尖晶石夹杂物存在于钢中。对于上述夹杂物的形成及演变进行热力学计算,结果表明,钢液中Mg、Al含量上升将导致钢中析出大量尖晶石夹杂物,并与液态夹杂结合形成含镁复相夹杂物;同时,钢液成分的变化也会导致精炼过程生成的SiO₂·Al₂O₃·CaO·MgO类夹杂物中MgO、Al₂O₃含量大幅增加,在复合夹杂物内部析出尖晶石相。因此,为减少硅锰脱氧弹簧钢中尖晶石类硬脆性夹杂物的生成,需要严格控制钢中Mg、Al含量,尽可能降低夹杂物中MgO、Al₂O₃含量,以实现对弹簧钢中非金属夹杂物的塑性化控制。
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  转炉超音速氧枪喷头磨损后的吹炼特性变化

  吕明, 陈双平, 李航, 张朝晖, 李涛, 刘坤龙

  钢铁. 2022, 57(8): 78-88.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20210801

  摘要 ( 167 ) PDF全文 ( 342 ) XML 附件   可视化   收藏

  转炉氧枪喷头会随枪龄的增加发生不同程度的侵蚀,为了探究氧枪喷头侵蚀程度对超音速气体射流吹炼特性的影响,建立了120 t转炉及超音速氧枪的三维全尺寸几何模型,研究了氧枪喷头不同磨损角度对气体射流特性、熔池速度及壁面侵蚀的影响。发现随着磨损角度增加,射流速度衰减加快,射流核心区长度缩短,同一等速线长度缩短,射流中心最大速度和最大速度点距中心距离增大。射流动压衰减速度随磨损角度增加而加快,磨损角度由0增至20°,距喷头端面1.5 m处最大动压减小了14.84%,14 000 Pa等压线包围面积由0.038 m²减小至0.002 m²。钢液面处高速区面积随着磨损角度增加而减小,死区面积随着磨损角度增加而增大。熔池纵截面高速区域主要分布在冲击凹坑和底吹元件附近,低速区域主要分布在熔池底部,死区主要分布在熔池底部中心和炉壁下部区域。当熔池深度小于0.6 m时,顶吹气流对熔池的搅拌起主要作用,磨损角度增加,熔池搅拌能力变弱,熔池横截面高速区面积减小,低速区和死区面积增大;当熔池深度大于0.6 m时,底吹气流对熔池搅拌起主要作用,高速区面积基本不变。渣-金作用区域和底吹流股附近流体湍动能较大、壁面剪切应力较为集中,该部位耐火材料侵蚀严重。熔池壁面附近流体湍动能和壁面剪切力随磨损角度增加而降低,转炉炉衬侵蚀速度减小。
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  环缝式底吹供气元件在铁水提钒中的应用

  赵进宣, 肖峰, 赵博, 李相臣, 吴巍, 吴伟

  钢铁. 2022, 57(8): 89-93.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20210776

  摘要 ( 149 ) PDF全文 ( 279 ) XML 附件   可视化   收藏

  为了解决提钒炉熔池搅拌能力不强造成的半钢残钒和炉渣中金属铁高的问题,在提钒转炉的含钒铁水提钒过程中采用环缝式底吹供气元件,设计了适用于铁水提钒的底吹工艺,开展了工业试验研究。通过调研发现,毛细管式透气砖在提钒炉使用过程中存在底吹搅拌强度不高,容易堵塞的问题,因此把毛细管式透气砖改为环缝式供气元件。在此基础上,利用数值模拟计算、冷态模拟试验确定出合适的提钒底吹和顶吹工艺模式,以此制定工业试验方案。数值模拟结果表明,随着底吹供气元件距炉底中心距离的增加,熔池死区面积比例增加,选取底吹元件最佳开孔位置在距离工作层中心0.45D处(D为熔池直径),能获得最佳的熔池搅拌效果。水模试验结果表明,在顶吹流量为11 000～15 400 m³/h条件下,合适的底吹供气强度为0.05～0.08 m³/(t·min)。工业试验结果表明,底吹工艺优化后,半钢中钒质量分数和碳质量分数平均值分别为0.033%和3.35%,分别比工艺优化前钒质量分数降低0.004%,碳质量分数提高0.1%;钒渣中氧化钒质量分数和金属铁质量分数平均值分别为18.99%和22.25%,较工艺优化前氧化钒质量分数增加0.67%,金属铁质量分数降低3%。由此说明工艺优化后,熔池搅拌条件改善,钒氧反应更充分。实践证明,环缝式底吹供气元件具有底吹强度大、维护容易、不易堵塞,安全可靠的特点,适用于提钒转炉铁水提钒工艺。
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  微钛固氮降低含铌钢皮下裂纹敏感性的机理

  郑万, 寇锦荣, 李烈军, 王冠, 万翔, 刘辰生

  钢铁. 2022, 57(8): 94-102.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20220103

  摘要 ( 223 ) PDF全文 ( 282 ) XML 附件   可视化   收藏

  降低含铌低合金钢铸坯的裂纹敏感性,是实现热装热送工艺的必要条件,采用超高温激光共聚焦显微镜(HT-CLSM)、透射电镜(TEM)等手段研究了钛含量不同的含铌低合金钢(Q390、Q390GJD)高温铸坯的晶粒度及析出物特征,旨在揭示微钛固氮降低含铌钢皮下裂纹敏感性的机理。热力学计算与TEM检测结果表明,增加钢中钛质量分数(由0.010%上升到0.023%)提高了氮化钛粒子的析出温度(大于1 400 ℃),高温析出细小弥散的氮化钛粒子可钉扎奥氏体晶界,细化高温铸坯的晶粒度(由4级变成6.5级),晶粒尺寸降低了约44%,使高温铸坯的裂纹敏感性明显降低;氮化钛粒子优先析出固氮降低了铌碳氮化物、氮化铝的开始析出温度,并作为异质形核核心,抑制了铌、铝析出物在晶界析出概率,降低了析出物脆化晶界的危害。通过微钛固氮调控氮化物的析出温度、析出位置及细化晶粒的作用,有效降低了含铌钢第三脆性温度槽的宽度和深度,同时,高温抗拉强度提高了21.3%~27.5%,铸坯皮下裂纹发生率降低了80%以上。为了避免析出物的晶界链状析出导致含铌钢铸坯热装轧制裂纹,应将其钛质量分数控制在0.015%~0.020%的合理范围。
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  基于数值模拟的结晶器卷渣在线预测方法

  周海忱, 刘国梁, 李海波, 邓小旋, 季晨曦, 罗衍昭

  钢铁. 2022, 57(8): 103-110.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20220058

  摘要 ( 182 ) PDF全文 ( 450 ) XML 附件   可视化   收藏

  结晶器保护渣卷入到钢液中后容易被生长的凝固坯壳捕获,最终在冷轧板上形成由卷渣引起的表面缺陷,会严重恶化钢产品的质量。结晶器液面卷渣现象受到钢液成分、温度、流动方式和吹氩流量的影响。结晶器表面钢液流速大小是反映钢渣界面是否发生卷渣的重要参数,但在实际浇铸过程中,不能在线预测不同拉速、吹氩流量和水口浸入深度下结晶器表面钢液的最大速度。提出一种基于板坯连铸结晶器内多相流动数值模拟的结晶器卷渣在线预测方法。首先,建立结晶器内三维多相流动数学模型,模拟不同拉速、吹氩流量和水口浸入深度下的钢液流动行为;其次,对计算得到的表面钢液流速的最大值进行拟合,得到固定浇铸断面下结晶器表面最大流速的预测公式;最后,通过某钢厂的插钉板工业试验验证了所提方法的准确性。研究发现,不同浇铸参数下表面钢液流速沿结晶器宽度方向呈现先增加再减小的变化趋势,在结晶器宽度1/4位置具有最大值。钢液流速在较小和较大拉速下分别在窄面和水口附近具有较大值;在较小和较大吹氩流量下分别在水口和窄面附近具有较大值;随着水口浸入深度增加,钢液流速在水口和窄面附近变化较小。基于拟合的钢液流速公式,通过比较最大钢液流速与钢渣界面发生卷渣的临界流速,实现了结晶器卷渣的在线预报。
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  H13热作模具钢电渣重熔渣系优化

  王洪涛, 韩毅华, 曹立军, 朱立光

  钢铁. 2022, 57(8): 111-122.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20220023

  摘要 ( 176 ) PDF全文 ( 374 ) XML 附件   可视化   收藏

  模具钢是模具最重要的组成部分,其品种、规格、质量对模具的性能、使用寿命和制造周期起着决定性作用。因为模具钢苛刻的质量要求,对模具钢生产技术及制备过程提出了更高要求。电渣重熔(ESR,electroslag remelting)工艺冶炼出的钢锭具有高均匀度、高洁净度、低偏析度等优势,逐渐成为冶炼优质模具钢的主要技术手段。在电渣重熔生产过程中,电渣渣系起着熔化电极、钢水精炼、凝固结晶等主要作用,是熔炼稳定的基础,因此,选择合适的渣系成分及性能是电渣重熔工艺的关键。结合4Cr5MoSiV1热作模具钢特性,以某钢厂现行5种H13热作模具钢ESR渣系为研究对象,通过渣系物化性能分析和微观结构模拟研究,提出了渣系优化方向,确定了适合电渣重熔H13热作模具钢的渣系。结果表明,L4渣系的熔点、黏度、密度、光学碱度、电导率等物理化学性能较好。该熔渣铝的平均配位数最大,为2.39,且三配位和四配位的铝所占比例较高,网络结构较为复杂;复杂结构单元Q³和Q⁴含量最多,具有高聚合度的网络结构;Al—O键长较短且存在键长更短的Si—O、Si—F键,电渣重熔过程的稳定性最强,采用该渣系能够有效提高H13热作模具钢组织性能、表面质量和降低电耗。研究结果为某钢厂H13热作模具钢电渣重熔工业生产提供了理论指导。
压力加工
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  UCM轧机工作辊辊形设计及应用

  张建雷, 陈卫, 陆佳栋, 岳重祥

  钢铁. 2022, 57(8): 123-131.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20220087

  摘要 ( 153 ) PDF全文 ( 364 ) XML 附件   可视化   收藏

  UCM轧机采用传统倒角工作辊生产硅钢时,易出现带钢边部拉紧断带问题,影响生产节奏。为解决该问题,自主设计EDC防断带工作辊辊形,通过反圆弧设计减小边部倒角变化率,均匀化带钢边部应力,保证轧机边降控制水平不降低前提下提高生产稳定性。EDC工作辊辊形曲线呈两侧对称分布,单侧包括中间平辊段、防断带控制段和跑偏控制段。由于UCM轧机不具备工作辊窜辊功能,根据产品宽度分布规律划分多个宽度区间,设计多套辊形适应不同宽度区间的轧制。采用数值模拟技术建立带钢轧制三维弹塑性有限元模型,模拟分析了传统倒角工作辊与EDC工作辊辊形的带钢边部应力情况及边降控制效果,结果表明,EDC工作辊辊形对应带钢边部应力明显减小。在相同弯辊力条件下,EDC工作辊辊形对边降改善效果更为明显,在不施加弯辊力情况下,传统倒角工作辊对应带钢边降量为15 μm,EDC工作辊辊形对应带钢边降量为8 μm,边降控制效果优于传统倒角工作辊。辊形参数编写到Python软件实现曲线参数高效自动化求解,能够根据现场辊形使用情况及产品边降需求调整辊形参数大小,具有一定灵活性。将EDC工作辊辊形曲线应用于某1 420UCM酸连轧机组调试,现场板形正常,生产稳定,同板差不超过7 μm达标率由单圆弧辊形32%提升至56%,增幅达到75%,效果提升显著。同时,机组断带率由0.1%控制到0.02%以下。
钢铁材料
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  Fe-2.2%Si钢在不同气氛下的高温氧化行为

  曹光明, 单文超, 刘小江, 王晨阳

  钢铁. 2022, 57(8): 132-142.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20220113

  摘要 ( 307 ) PDF全文 ( 338 ) XML 附件   可视化   收藏

  为了探究硅元素、加热工艺参数(气氛、温度以及时间)对Fe-2.2%Si钢表面氧化铁皮形成过程的复合作用及影响机理,利用热重分析仪(TGA)研究了Fe-2.2%Si钢在600~1 150 ℃干燥空气和水蒸气条件下的高温氧化行为,利用试验得到的氧化增重数据计算出了氧化速率常数和氧化激活能,并建立了氧化动力学模型。此外,还明确了在2种气氛下氧化铁皮的生长机制与结瘤机理。试验结果表明,在2种不同氧化气氛下得到的氧化增重曲线均符合抛物线规律。当氧化气氛中含有水蒸气时,试验钢的氧化速率提高,氧化激活能降低,导致了试验钢的氧化增重增加。在2种氧化气氛下,试验钢的氧化产物均由氧化铁皮和氧化铁皮与基体界面处的富硅层组成,但在水蒸气下得到的试验钢的富硅层疏松多孔,且氧化铁皮中出现大量的孔洞以及裂纹。其氧化机制主要是氧化铁皮生长过程的生长应力以及水蒸气的存在导致生成的H₂向外扩散,造成氧化铁皮出现大量孔洞和裂纹,为氧化介质的扩散提供了通道,有利于气相物质扩散,进而促进了试验钢的氧化行为。此外,由于在氧化铁皮与基体界面形成的富硅层消耗了基体中的硅元素,导致基体表层出现贫硅区,氧化介质可以通过氧化铁皮内部的孔洞和裂纹与基体直接接触,使得该区域基体的氧化速率迅速提高,氧化铁皮厚度迅速增加,从而逐渐形成结瘤形态。
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  硅对铁素体耐热不锈钢韧脆转变行为的影响

  张英波, 邹德宁, 李雨浓, 王勇, 徐冉, 王帆

  钢铁. 2022, 57(8): 143-151.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20220106

  摘要 ( 147 ) PDF全文 ( 280 ) XML 附件   可视化   收藏

  铁素体耐热不锈钢18Cr-Al-Si具有优良的导热性能及良好的耐高温气体腐蚀性能,同时复合添加铝和硅元素又确保了其具有优异的抗高温氧化性,该钢是应用于超(超)临界电站锅炉连接件的一种新型耐热钢材料。以往,对于连接件材料的加工主要采用传统的水切割加工成型方法,但生产效率较低且成本较高;采用室温冲压加工成型的方法时,由于该类铁素体耐热不锈钢板脆性较大,容易在钢板厚度中心处产生裂纹;而采用带温冲压加工(即在韧性温度区间加工)时,则可避免钢板中心开裂的问题。为了提高连接件材料的生产效率,需要优化和确定该钢带温加工工艺参数。采用系列温度夏比冲击试验方法并借助扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)及能谱仪(EDS),研究了硅含量(质量分数为0%~0.9%)对18Cr-Al-Si钢韧脆转变行为的影响。结果表明,随着硅含量的增加,各试验温度下的冲击吸收功逐渐降低、韧脆转变温度(DBTT)升高、微观断口中解理面数量增多、韧窝面积逐渐减少。硅元素对退火后的18Cr-Al-Si钢微观组织及析出物影响较大,随着硅含量的增加,钢中铁素体晶粒尺寸逐渐增加,M₂₃C₆碳化物由小尺寸的条状或块状逐渐变为长条状或大块状;较大的铁素体晶粒尺寸以及长条状或大块状M₂₃C₆碳化物的析出是恶化该钢冲击韧性的主要因素。
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  中锰马氏体NM500钢奥氏体晶粒长大行为

  包爽, 杨庚蔚, 徐耀文, 韩汝洋, 朱晓翔, 赵刚

  钢铁. 2022, 57(8): 152-159.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20220073

  摘要 ( 207 ) PDF全文 ( 375 ) XML 附件   可视化   收藏

  中锰马氏体耐磨钢是一种新型的低成本高性能耐磨钢,揭示钢中奥氏体晶粒长大行为,并建立精确的预测模型,对其组织和性能的调控至关重要。利用Gleeble-3500型热模拟试验机、金相显微镜和透射电子显微镜等设备,系统研究了中锰马氏体NM500钢在不同加热温度和保温时间下的奥氏体晶粒长大行为,探讨了微合金第二相对奥氏体晶粒长大行为的影响。研究结果表明,加热温度对试验钢中奥氏体晶粒长大的影响明显大于保温时间,且试验钢中奥氏体晶粒长大行为受基体中V(C,N)粒子析出行为的影响,其可分为两个阶段。当加热温度小于950 ℃时,试验钢中存在大量未溶的纳米级球状和短棒状V(C,N)粒子,能够有效地钉扎奥氏体晶界,奥氏体晶粒长大缓慢;但当加热温度不低于950 ℃时,试验钢中V(C,N)粒子大量溶解和粗化。其中,加热温度为950 ℃、保温时间为60 min时,试验钢中V(C,N)粒子的体积分数仅为0.041%,平均粒径增大至45.78 nm。其对奥氏体晶粒的钉扎作用显著减低,且随着温度升高,原子扩散速度加快,奥氏体晶粒快速长大。基于Beck模型,建立了试验钢中奥氏体晶粒等温长大动力学模型,计算得到低温及高温阶段试验钢中奥氏体晶粒长大表观激活能分别为66.561 kg/mol和170.416 kJ/mol,且奥氏体晶粒的理论计算值与实测结果吻合较好。
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  纯铁纯度对其再结晶织构及晶粒Schmid因子的影响

  高新强, 彭伟, 范增为, 白佳鑫, 韦习成, 董瀚

  钢铁. 2022, 57(8): 160-167.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20220092

  摘要 ( 237 ) PDF全文 ( 490 ) XML 附件   可视化   收藏

  为了研究纯铁纯度对其再结晶织构及Schmid因子的影响,以商业的2N8、3N5纯铁和实验室制备的4N级公斤级高纯铁为原料,通过退火再结晶和EBSD研究了2N、3N、4N纯度纯铁再结晶织构特征和晶粒的Schmid因子。结果表明,2N8、3N5和4N3纯铁的晶粒组织均为等轴铁素体,残余应力少、位错密度低,样品再结晶完全。其中,2N8和3N5纯铁的织构呈现出相同的分散分布特征,而4N3高纯铁织构特征集中,随机织构较少。ODF图和取向线分布密度进一步表明,2N8和3N5纯铁具有相似的α织构{hkl}〈110〉和γ织构{111}〈uvw〉特征及变化趋势,即两者都在α取向线的{111}〈110〉取向具有较高的分布密度和γ取向线密度随φ₁的增大而有降低;而4N3高纯铁具有〈113〉|X和γ织构特征,且包含利于材料力学性能各向异性的{332}〈113〉织构,另外,其γ取向线密度随φ₁的增大逐渐升高,直至{111}〈112〉取向密度高于2N8和3N5纯铁。晶粒Schmid因子及其频率分布直方图结果表明,2N、3N、4N纯铁均存在低Schmid因子晶粒被高Schmid因子晶粒包围的现象,且在{110}〈111〉、{112}〈111〉和{123}〈111〉这3个滑移系下晶粒Schmid因子总和平均值为0.467(4N3)＞0.461(3N5)＞0.459(2N8),呈现出纯铁晶粒Schmid因子总和平均值随纯度增大的趋势;根据Schmid定律可知,4N3纯铁的织构特征最有利于其变形。综上所述,在本工作中,随着纯铁纯度由2N8提升至4N3,样品中杂质原子减少,促进了4N3高纯铁产生强烈的〈113〉|X和γ织构特征以及利于材料力学性能各向异性的{332}〈113〉织构,增大了其晶粒Schmid因子总和平均值。
装备技术
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  热连轧钢材力学性能在线预报的研究与应用

  孙卫华, 焦吉成, 李率民, 崔健, 曹金生, 王猛

  钢铁. 2022, 57(8): 168-176.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20220125

  摘要 ( 182 ) PDF全文 ( 374 ) XML 附件   可视化   收藏

  传统的产品力学性能检测是一种建立在统计学随机抽样理论基础上的检验方法,即在实验室中对取样板卷的头尾部切割样品进行检测,检测结果代表整批产品的力学性能。由于钢材生产流程长,生产过程控制参数存在一定的波动,传统力学性能检测方法不能反应每一卷带钢的力学性能,所检测样品的代表性不够充分。随着工业互联网、大数据和人工智能技术的飞速发展,特别是工业大数据相关技术的发展和应用,为这一问题的解决提供了新的途径。以实现山东钢铁集团日照有限公司热连轧产品力学性能在线预报为试验对象,以热连轧产品生产全流程关键控制工艺参数为基础,采用神经元网络、随机森林等算法建立碳素结构钢、低合金高强度结构钢的力学性能预报模型,构建了一种基于工业大数据为基础的热轧产品力学性能预报系统,包括数据采集、数据清洗、模型训练、结果分析、再现性试验和在线应用。力学性能在线预报系统已成功运行2年多时间,系统的预测精度高、稳定可靠。预测结果精度在±6%以内的比例达到90%以上,MAPE(平均绝对百分误差)不大于4%,均低于再现性检测水平,预测结果完全可以取代检测试验;提高了生产效率,缩短了产品的检测周期,轧后即可掌握产品的力学性能,降低了生产成本,已成为生产运行过程不可缺少的环节。