2022年, 第57卷, 第9期　刊出日期：2022-09-15

  

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  “绿色、智能、高效”的新一代电炉短流程特钢厂——河钢石钢新区

  王新东, 黄永建, 彭绍峰, 鱼洋洋, 李双江

  钢铁. 2022, 57(9): 1-10.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20220408

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  河钢石钢新区是河钢集团全面贯彻落实习近平总书记关于“坚决去、主动调、加快转”指示精神和河北省钢铁产业转型升级的具体实践,也是河钢坚决贯彻落实新发展理念,全力推动钢铁产业高质量发展的行动体现。河钢致力于将石钢新区打造成为生产绿色、产线智能、流程高效、产品高端的现代化特钢梦工厂。河钢石钢新区是以“绿色、智能、高效”的设计理念,以冶金流程工程学理论为指导,运用冶金制造流程动态有序、协同连续的物理系统及流程界面技术规划设计的新一代电炉短流程特钢示范项目,是全球特钢企业智能制造、中国钢铁产业转型升级之由钢铁长流程转变为短流程的生动写照。河钢石钢新区在短流程工艺革新、全工序超低排放、智能制造等各方面,汇集了当今世界最卓越的设计元素和理念。项目集成应用了70多项行业最先进的短流程前沿工艺和绿色钢铁制造技术,定位3大系列高端产品,实现超低排放。项目涵盖了国内首台套大型双竖井废钢预热型超高功率直流电弧炉以及国际上断面最大、建造深度最深的特钢大方坯立式连铸机,有力地推动了中国高端装备制造用钢材的均质化水平和国产化替代步伐。河钢石钢新区带动了京津冀区域特钢品牌升值,代表了双碳目标下钢铁行业新一代绿色智能高效的电炉短流程钢厂发展方向,也为中国钢铁工业电炉短流程的发展做出了示范。
综合论述
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  炼铁系统低碳技术发展前景与途径

  张福明

  钢铁. 2022, 57(9): 11-25.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20220121

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  现代高炉炼铁是以人造矿石和焦炭为物质基础的。现代高炉实现绿色低碳炼铁,需要从炼铁工序的层次优化工艺流程和关键技术,实现烧结、球团、高炉等多工序的协同优化。面向未来,在提高资源和能源利用效率的同时,基于现有技术推进采用低碳节能技术和先进工艺。对于烧结、高炉等传统工艺技术,要进一步研究并应用先进技术,提高生产效能、降低能源消耗和碳排放。持续研究推广绿色低碳烧结技术,如低碳厚料层烧结技术、烧结料面富氢气体喷吹技术、烧结返矿高效回收利用技术、低温烧结技术和热风循环烧结技术等,有效降低烧结过程的能源消耗和CO₂排放。充分利用中国精矿粉资源生产球团矿,提高球团矿产能和产量,进而提高球团矿入炉比率和炉料综合品位,有效降低碳素燃料消耗。提高高炉富氧率和喷煤量,持续提高风温、降低燃料消耗,提高高炉顶压和煤气利用率。有条件的高炉喷吹富氢气体以减少焦炭消耗,开发应用高炉炉顶煤气循环及CO₂脱除再利用(CCUS)等技术。研究解析了高炉炼铁工艺碳-氢耦合还原的热力学机理,讨论了在高炉内不同温度区域固体碳、CO和H₂的还原能力,提出了直接还原与间接还原的耦合匹配是实现最低燃料比的技术核心,探讨了高炉炼铁喷吹全氢/富氢气体的技术可行性和经济性。这些综合技术措施对于进一步降低高炉工艺流程的碳素消耗、减少CO₂排放具有显著效应。与此同时,设计先进合理的流程系统和耗散结构,优化工序界面技术,构建信息物理系统(CPS)实现炼铁工序协同高效、动态有序运行,这也是高炉炼铁工艺实现绿色低碳的关键共性技术之一,具有广泛的适用性和显著的应用效果。
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  钢中界面科学研究进展(Ⅱ)

  张福成, 康杰

  钢铁. 2022, 57(9): 26-41.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20220142

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  钢中界面的化学成分、晶体结构、电子结构及其在变形、加热等外部环境作用下的演变行为等都深刻影响着钢的力学和化学行为,主导控制钢的力学、化学和加工性能。钢中界面往往是钢中新相的核点、变形的结点、裂纹的起点、腐蚀的源点。在一定程度上讲,弄清钢中界面科学问题,也就知道了钢失效的本质和提高钢质量的方向。在钢中界面科学研究(Ⅰ)的基础上,以钢中界面为研究对象,详细综述了界面对钢相变行为和服役使用性能的影响。分析了相界及相界成分或析出物偏聚对奥氏体向铁素体转变、奥氏体向贝氏体转变和逆转奥氏体相变的影响;探讨了界面以及界面成分偏聚对强度、塑性和韧性的影响;阐述了孪晶界、相界以及夹杂物/基体之间的界面在疲劳裂纹萌生和扩展方面起到的作用;重点关注了晶界、孪晶界调控以及晶界偏聚调控提高耐腐蚀性能的机理以及应用;分析了各种界面类型对抗氢脆性能的影响并简述了界面在蠕变性能劣化中起到的作用。同时简单介绍了机器学习在界面研究方面的应用,并指出了钢在服役性能中面临的界面科学问题以及今后重点研究方向的建议。
原料与炼铁
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  晋南钢铁高炉喷吹富氢气体工业化实践

  高建军, 朱利, 克俊超, 霍旭丰, 齐渊洪

  钢铁. 2022, 57(9): 42-48.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20220075

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  钢铁工业是中国制造业中碳排放量最高的行业,碳排放占全国碳排放总量的15%左右。高炉是钢铁工业碳消耗量最大的工序,碳消耗占钢铁流程总碳消耗的70%以上,减少高炉冶炼碳消耗是降低钢铁工业碳排放的最有效措施。高炉喷吹富氢气体不但可以提高冶炼效率,减少污染物排放,而且可以减少焦炭或煤粉消耗,从源头上降低高炉冶炼碳消耗,从而减少碳排放。以山西晋南钢铁两座1 860 m³高炉风口喷吹富氢气体工业化生产数据为例,详细研究了高炉喷吹富氢气体对燃料比、风口理论燃烧温度、炉腹煤气量、H₂利用率以及CO₂排放量的影响。结果表明,喷吹富氢气体可以显著降低高炉固体燃料消耗,在吨铁富氢气体喷吹量为65 m³条件下,富氢气体与固体燃料的置换比为0.49 kg/m³;风口喷吹富氢气体降低了风口理论燃烧温度,吨铁每喷吹1 m³富氢气体,风口理论燃烧温度降低约1.5 ℃,高炉鼓风量和炉腹煤气量都少量降低;喷吹富氢气体以后,炉内H₂的利用率平均为37.3%,CO的利用率约为43.2%;吨铁CO₂排放量可以降低80 kg左右,高炉CO₂排放降低了5.6%,取得了较好的经济、环境和减污降碳效果。
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  沙钢高炉偏料技术研究和应用

  赵华涛, 卢瑜, 韩旭, 杜屏, 张国良

  钢铁. 2022, 57(9): 49-56.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20220099

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  为了研究高炉圆周方向矿焦比(O/C)分布规律,解决沙钢倒罐过程中气流波动大的问题,开发了圆周方向质量分布数学模型,并基于5 800 m³高炉1∶15冷布料试验装置测量了不同料罐和炉料组合方式及溜槽旋转方向下炉料在圆周方向的质量分布,证实了数学模型的准确性。进一步计算高炉圆周方向矿焦比(O/C)分布的变化规律发现,对于炉顶料罐东西布置的高炉,倒罐主要降低东、西方向上的矿焦比偏析,而溜槽换向主要降低南、北方向上的矿焦比偏析,而且倒罐时矿焦比经历波峰到波谷的变化,幅度比换向时更大。操作者在生产过程中尝试倒罐时发现气流波动过大,易造成高炉压量关系紧张、指标下降,尤其在炉况不太稳定的时候。针对这种情况,基于圆周方向矿焦比分布模型分析了倒罐和溜槽换向前后矿焦比在各方向的变化,并制定了倒罐和溜槽换向相结合的优化方案,即倒罐的时候同时实施溜槽换向,从而减小倒罐时矿焦比变化过大造成的气流波动。沙钢3个2 680 m³高炉先后应用了倒罐和溜槽换向结合的技术,铁水质量得到改善,炉况稳定性提高,经济技术指标获得进步,炉顶设备故障率降低。
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  HIsmelt熔融还原主反应器能质流转模型构建与验证

  逄靖, 王振阳, 张建良, 张树石

  钢铁. 2022, 57(9): 57-64.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20220130

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  HIsmelt熔融还原炼铁工艺以铁矿粉和煤粉作为原料,流程中不需要烧结、球团和焦化,与高炉炼铁流程相比具有降碳减排等优势。明晰能质流转过程对HIsmelt熔融还原炼铁实际生产具有指导意义。基于物料平衡、热平衡方程,对输入和输出HIsmelt主反应器物质和能量进行平衡计算,建立能质流转模型,并结合FactSage中Equilib模块计算的各元素在渣铁两相间的质量分配比及实际生产数据对其进行修正。该模型可以计算原料和燃料成分、矿煤质量比、二次燃烧率、热风氧含量等参数对铁水温度、炉渣成分、热风量、煤气量等主要冶炼指标的影响。其次依据该模型,进行了物料平衡、热平衡计算,依据实际生产数据对模型计算结果进行了验证,结果表明该模型与实际生产数据契合度较高。探究了矿煤质量比对冶炼的影响,矿煤质量比为1.39～1.45时,矿煤质量比降低0.1,会使二次燃烧率降低0.23%,进而造成煤气化学能的利用率降低,同时需要更多的热风使煤粉燃烧,热风量和煤气产生量增加,可以通过适当提高热风氧含量以提高二次燃烧率并使煤气量降低来改善;矿煤质量比降低0.001,会使铁水温度升高3.76 ℃,有利于铁水后续的加工处理,但铁水温度升高使铁元素在铁液与渣中的比值降低,使炉渣FeO质量分数升高0.026%,增加铁损,可通过降低富氧热风喷吹量来降低铁的氧化量,从而降低铁损。
炼钢
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  硅锰脱氧钢中CaO-SiO₂-Al₂O₃夹杂在固态钢中的结晶行为

  孟耀青, 李建立, 朱航宇, 王昆鹏, 王伟

  钢铁. 2022, 57(9): 65-74.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20220078

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  为了避免Al₂O₃、MgO·Al₂O₃等高熔点硬质夹杂物对钢材加工和产品使用性能带来危害,气门簧、切割丝用钢和手撕钢等钢种均采用了硅锰脱氧夹杂物塑性化控制工艺。夹杂物塑性化控制工艺只关注夹杂物成分是否处在相图低熔点区域是不足的,钢中硅酸盐类夹杂物之所以在非液态条件下能发生良好塑性变形,主要是因为它们具有玻璃类材料性质,其软化温度点明显低于钢材热轧温度。而硅酸盐夹杂物的热轧流变性很大程度上取决于其结晶状态,所以夹杂物从玻璃态到结晶态的转变需要予以研究和控制。从微观结构及加热软化行为方面对比了玻璃态与结晶态夹杂物的不同,指出夹杂物结晶对夹杂物塑性化控制工艺所带来的不利影响。阐明在铸坯凝固冷却和轧制前的加热过程中,玻璃态夹杂都有可能发生结晶转变。为了防止玻璃态夹杂出现严重结晶,需要结合夹杂物TTT曲线优化铸坯加热温度和时间,或控制夹杂物组成落入玻璃相更稳定区域。对于CaO-SiO₂-Al₂O₃体系夹杂物,认为磷石英、假硅灰石和钙长石三相共熔区是实现玻璃态稳定控制的理想组成区域。关于MgO及碱金属氧化物对硅锰脱氧钢氧化物夹杂结晶性能的影响规律需要进一步研究揭示,可以借助单丝法等方法来研究氧化物夹杂对应成分的TTT图。
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  钢与TiC颗粒之间界面润湿性分析

  王强强, 蔡子杰, 孙攀, 刘晓华

  钢铁. 2022, 57(9): 75-81.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20220128

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  TiC粒子具有高硬度、高熔点和高热力学稳定等特点,以TiC粒子作为增强相具有提高钢基体强度、耐高温和耐磨损等性能的潜力,近年来相关钢种的开发受到越来越多的关注。增强相颗粒与钢基体之间良好的润湿性是提高界面结合强度、防止颗粒在磨损过程中脱落的关键。因此,为了明确TiC粒子与钢基体之间的润湿程度,指导以TiC为增强相的耐磨钢的开发,采用高温座滴法观察钢液滴在TiC基片上的铺展行为,采用电子探针分析钢与TiC颗粒之间微区的元素分布,并结合热力学计算,探究高温下钢液与TiC之间界面润湿行为。结果表明,钢液与TiC之间的润湿性很好,在升温以及保温过程,钢样熔化后能通过TiC基片中的微孔快速渗入到基体内部,表现为钢样向下“坍塌”,直至钢样从观察窗口中完全消失。钢液进入TiC基片内部的同时,钢中氮元素向周围TiC相扩散。电镜分析表明钢液与TiC颗粒界面上没有产生新的相。TiC(TiN)与铁组成的二元相图表明,与TiN相比,TiC在钢液中有较大的溶解度,这解释了TiC-钢系统比TiN-钢系统润湿性好的原因。钢液与TiC颗粒之间的界面润湿性好且不发生化学反应,保证了TiC颗粒可作为增强相来提高钢的耐磨性能。为TiC颗粒与高钛钢之间的润湿性研究提供借鉴,为高钛耐磨钢成分的设计提供理论指导。
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  钇含量对铝脱氧含钛不锈钢中夹杂物的影响

  张静, 马宏博, 张继, 张立峰

  钢铁. 2022, 57(9): 82-94.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20220095

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  以T4003铁素体不锈钢为研究对象,采用热力学计算与实验室试验的方法,对钇质量分数为0、0.007 0%、0.014 0%和0.023 0%的不锈钢中夹杂物进行了分析,研究了稀土元素钇含量对T4003铁素体不锈钢中夹杂物的影响,总结了不同钇含量对钢中夹杂物影响的规律。首先通过计算夹杂物的生成吉布斯自由能变预测了钢中生成的夹杂物种类,总结了不同钇含量试验钢中不同夹杂物的生成吉布斯自由能变随温度的变化规律。计算结果与扫描电镜对钢中夹杂物的检测结果一致。研究表明,不含钇的T4003不锈钢中夹杂物主要为尺寸不均匀的均相TiN夹杂物及少量Al₂O₃、Mg-Al-O、Ca-Ti-O与TiN的非均相复合夹杂物,添加钇后钢中夹杂物主要为小尺寸的TiN和部分以Y₂O₃和Y₂O₂S为核心表面包裹TiN的复合夹杂物。随着钢中钇含量的增加,钢中夹杂物的总含量先增加后减少,夹杂物平均直径先减小后增大。夹杂物中氧化物的改性路径为MgAl₂O₄-CaO-TiO_x→MgAl₂O₄-Y₂O₃-(CaO-)TiO_x→Y₂O₃-TiO_x→Y₂O₃-Y₂O₂S及Y₂O₃和Y₂O₂S。试验钢中含TiN夹杂物的数密度与面积分数先增加后减少,平均直径先减小后增大。钇的加入使钢中小于4 μm的小尺寸含TiN夹杂物数量增多,但钇的加入量过高时,含TiN夹杂物的细化程度减弱。当钢中钇质量分数为0.007 0%与0.014 0%时,渣中含TiN夹杂物的尺寸明显减小,大尺寸的含TiN夹杂物数量显著减少。
压力加工
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  粗轧过程中轧制力和宽展的预测与分析

  王振华, 刘元铭, 王涛, 孙杰, 张殿华

  钢铁. 2022, 57(9): 95-102.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20220327

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  板带轧制数学模型是实现自动控制的基础,高精度的数学模型是提升产品质量和市场竞争力的重要保障。在热连轧粗轧过程控制中,轧制力和宽展是关键参数,其模型精度不仅会影响粗轧轧制规程的设定,而且会影响最终热连轧带钢产品凸度。以矩形板坯热连轧粗轧过程为研究对象,针对轧制变形区建立了三维运动许可加权速度场,在此基础上充分考虑自然宽展效应,基于刚塑性材料的第一变分原理,采用可变上限积分法对塑性变形、剪切功率和摩擦功率进行积分获得变形区总功率泛函。利用Matlab优化工具箱对总功率泛函进行最小化,得到了轧制力、宽度分布的理论解。最后利用理论模型计算数据回归得到了板坯宽展及速度场中的加权系数模型。将基于所提出模型的轧制力和宽展预测值与现场实测值及部分有关学者所建立模型的预测值进行了对比,结果验证了所建立模型的准确性。研究得到的宽展模型和速度场加权系数表达式可以方便、灵活、快速地应用到粗轧现场中,为更高质量热连轧带钢产品的生产奠定了坚实基础。
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  热镀锌机组沉没辊系受力模型及影响因素

  王孝建, 钱胜, 崔梦雨, 张冀, 白振华

  钢铁. 2022, 57(9): 103-113.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20220097

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  热镀锌机组沉没辊系在锌锅内工作状态下受力情况复杂,受外界影响较大。充分考虑热镀锌机组设备与其工艺特点,首先分析沉没辊系在工作状态下受力情况,分别建立矫正辊插入量与包角的关系式、基于辊面锌渣沉积厚度的辊面摩擦因数经验模型。随后采用条元离散法建立沉没辊系辊面接触压力、摩擦驱动力矩模型,基于简支梁模型确定沉没辊系轴端支撑力、轴端摩擦阻力矩模型。最后将沉没辊系受力模型应用于国内某热镀锌机组镀锌工艺段,以典型规格带钢确定沉没辊系受力影响因素,并依据机组实际工况及板形要求来确定生产工艺参数的5种不同水平,来分析其对辊系受力状态的影响规律,为沉没辊系工艺优化提供指导依据。结果表明,4种工艺参数对辊系接触压力及摩擦力矩影响都存在差异性,矫正辊插入量与辊面接触压力呈现非线性关系;带钢张力对各辊接触压力影响程度不同,其中沉没辊受到的影响最大,而其余两辊受到张力几乎不影响;辊面平均摩擦因数、带钢速度对辊的接触压力几乎不影响;辊系摩擦驱动力矩、轴端摩擦阻力矩随着矫正辊插入量及辊面平均摩擦因数增大都呈现出不同程度增大。带钢张力与沉没辊摩擦驱动力矩、轴端摩擦阻力矩呈线性变化关系,而带钢张力对其余两辊影响很小。带钢速度对辊系的摩擦驱动力矩、轴端摩擦阻力矩影响很小。
钢铁材料
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  GCr15轴承钢双淬火对组织性能影响

  班佳乐, 史智越, 俞峰, 曹文全, 郭玉忠

  钢铁. 2022, 57(9): 114-122.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20220155

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  为了提高GCr15轴承钢强韧性,设计了一种GCr15轴承钢双淬火工艺,与常规热处理工艺对比研究发现,采用双淬火工艺处理的GCr15轴承抗拉强度从2 139.5 MPa提高到2 654.5 MPa,旋转弯曲中值疲劳强度从1 000 MPa提高到1 029 MPa。对基体组织定性表征发现,2种热处理后的组织均为针状马氏体,通过定量计算发现,残余奥氏体体积分数从8.33%增加至11.26%,同时位错密度由2.45×10¹²/cm²增加至3.09×10¹²/cm²。利用扫描电镜对旋弯断口夹杂物成分分析发现,双淬火处理工艺不改变夹杂物的尺寸、数量和类型。通过微观组织结构与力学性能关系分析发现,双淬火导致抗拉强度、伸长率和高周疲劳强度提升主要归因于缓慢的残余奥氏体TRIP效应以及细晶化带来的变形均匀性。通过微观组织结构与疲劳性能关系分析,发现双淬火引起的低周次疲劳强度降低和高周次疲劳强度提高主要归因于不同疲劳周次下残余奥氏体转变速率不同。快速奥氏体转变导致低周次应力集中增大而疲劳强度降低。相反,高周次的奥氏体TRIP缓解了应力集中,提高了疲劳强度。
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  含4.35%铜抗菌不锈钢的热变形行为

  李华英, 刘国祥, 宋耀辉, 赵海泉, 李娟, 田英豪

  钢铁. 2022, 57(9): 123-129.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20220249

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  含铜奥氏体不锈钢具有优异的抗菌性能而广泛应用在食品加工、医疗等领域,然而铜的加入会显著影响不锈钢的加工性能。用Gleeble-3800热模拟试验机对含铜4.35%奥氏体抗菌不锈钢进行了单道次等温热压缩试验,研究了不锈钢在变形温度为900~1 150 ℃、应变速率为0.01~10 s^-1和变形量为50%下的高温变形行为,构建了反映其材料特性的本构方程,使用金相显微镜观察了热变形后的微观组织,分析了各变形工艺下的微观组织演化规律,为含铜不锈钢的加工成型工艺及组织优化提供了理论参考。结果表明,4.35%Cu-304L钢的流动应力对变形工艺是敏感的,应力随着变形温度的升高和应变速率的降低而减小。采用得到的应力应变曲线建立了一种基于Arrhenius的5阶多项式拟合的应变补偿本构模型,根据此模型计算了相关系数R和平均相对误差AARE分别为0.972和9.03%,这表明所构建模型可以准确地反映含铜不锈钢的流动行为。结合微观组织发现较高的温度和较快的应变速率有利于再结晶的发生,由于0.01 s^-1低应变速率提供的变形能低,在变形温度为1 100 ℃、应变速率为0.01 s^-1时仍存在初始变形晶粒;在变形温度为900 ℃、应变速率为10 s^-1下的晶粒畸变严重,且存在明显的由位错塞积形成的变形带,该变形条件下易导致裂纹的发生;在变形温度为1 150 ℃、应变速率为1和10 s^-1下晶粒细化且均为等轴晶,这表明发生了完全再结晶。因此,针对4.35%铜不锈钢应考虑以变形温度为1 150 ℃、应变速率为1和10 s^-1作为其热加工范围。
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  TNT埋爆载荷下700 MPa高强韧钢变形行为及仿真分析

  顾晨, 郑磊, 葛琛, 赵洪山, 郭龙鑫, 董瀚

  钢铁. 2022, 57(9): 130-137.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20220118

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  以自主研发的新型高强韧700 MPa防爆钢(BR700钢)为研究对象,结合LS-DYNA模拟计算软件和正交试验设计对BR700钢抗爆轰过程进行研究。根据测得的准静态及动态拉伸力学性能,拟合出了BR700防爆钢的Johnson-Cook本构方程。通过实爆试验,研究了20 mm厚钢板在8 kg TNT埋爆载荷下的抗爆轰变形行为。建立了相关仿真模型,使用LS-DYNA模拟计算软件分析了其变形量、应力应变分布情况以及超压。在确保仿真模型准确的情况下,结合有限元分析以及正交试验设计,以钢板的变形量D为评定指标,通过极差分析计算了材料屈服强度A、应变硬化模量B、应变硬化指数n、应变速率常数C和失效应变FS等因素对抗爆轰性能影响规律。结果表明,在不考虑工装偏移的条件下,8 kg TNT埋爆载荷下钢的抗爆轰变形模拟计算结果可以准确地反映BR700钢的抗爆轰变形行为。模拟结果与实际爆炸后钢板变形量误差仅为7.7%。且根据模拟结果的超压分析,钢板因其良好的塑韧性起到了较好的吸能作用,有效削弱了爆炸冲击波的破坏。根据正交试验模拟结果,对爆炸后钢板变形量D而言,材料屈服强度A值影响程度最高,其次是应变硬化指数n值。材料强度提升可以大幅减小爆炸变形量,可以有效降低爆炸冲击对车辆和乘员的伤害。同时通过1 100 MPa钢板爆炸试验验证了强度对抗爆轰变形的影响。
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  激光拼焊异种超高强钢组织和力学性能

  王金凤, 袁耀, 李聪

  钢铁. 2022, 57(9): 138-147.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20220152

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  汽车轻量化后对安全性和碰撞吸能性提出了更高要求,从而促进了高强、吸能材料及其拼接技术的发展。以汽车安保件之一的汽车B柱为研究对象,采用能满足要求的DP980双相钢和22MnB5热冲压成型钢异种材料进行激光拼焊,研究焊接热输入对焊接接头显微组织与力学性能的影响。通过保持激光输出功率不变(1.3 kW)改变焊接速度的方法控制焊接热输入,考察焊接热输入与拼焊接头组织和力学性能之间的关系。利用光学显微镜、扫描电子显微镜、显微硬度测试仪和拉伸试验机研究接头不同亚区的组织和性能。结果表明,当焊接速度为16~26 mm/s时,均获得了完整而无缺陷的熔化区组织;随着焊接速度的提高,不仅焊缝表面凹陷逐步改善,并且焊接热影响区宽度也随之减小。硬度测试表明,接头中存在明显的软化区域,主要分布在DP980侧热影响区的回火区和不完全相变区,而DP980侧热影响区的细晶区、粗晶区、22MnB5侧热影响区以及焊缝金属区的硬度则有所增加,形成了焊接接头的硬化区。拼焊接头在能形成完整接头的条件下抗拉强度保持为576~597 MPa,断裂均发生在22MnB5侧的母材区,断裂时有明显的颈缩现象;接头断后伸长率为11.9%~15.5%,介于DP980母材(11%)和22MnB5(22%)母材的断后伸长率之间;研究还表明,焊接热输入越大,焊接接头相同区域的组织越粗大。
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  镁对GH3625合金一次碳化物析出的影响

  张红亮, 龚伟, 姜周华, 王鹏飞

  钢铁. 2022, 57(9): 148-155.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20220060

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  GH3625合金中碳的质量分数约为0.05%,由于含有较高的铌、钼和铬元素,合金中会形成 MC型、M₆C型和M₂₃C₆型碳化物,在冶炼凝固过程中由于选分结晶的原因,易产生碳化物偏聚问题。因为碳化物回溶温度偏高,在其可锻温度区间内很难消除,所以会导致合金棒材中存在碳化物条带状聚集的问题,对其服役性能影响较大。利用Thermal-calc热力学软件计算分析了GH3625合金平衡析出相及一次碳化物的析出规律,利用金相显微镜、扫描电镜等研究了镁对GH3625合金一次碳化物形貌、尺寸及分布的影响。结果表明,GH3625合金的基体为单一的奥氏体相,MC型碳化物作为一种高温析出相,直接从液相析出,其富含铌元素,其次还有少量的钛、钼等元素。而随着凝固温度的降低,铌质量分数逐渐升高;未加镁时,GH3625合金在二次枝晶间析出了大量长条状的一次碳化物,其平均直径和面积较大;加入质量分数为0.014%的镁后,镁通过改变碳化物相与基体相的比界面能关系,不仅有效地改善了合金枝晶间和晶界碳化物的分布及形貌,还减小了一次碳化物的尺寸;当镁质量分数增加到0.037%时,一次碳化物分布更加均匀弥散,此时镁细化、球化碳化物的效果最好;同时,试验合金在水冷和空冷的条件下,由于冷却速率比炉冷时更大,一次碳化物析出尺寸也相对更细小。
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  18CrNiMo7-6合金钢表面变质层循环特性

  王刚, 路留成, 张悦, 王书艳, 崔超

  钢铁. 2022, 57(9): 156-165.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20220129

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  为了研究18CrNiMo7-6合金钢表面变质层在循环加载作用下的本构特性,对18CrNiMo7-6合金钢进行了渗碳热处理,通过化学腐蚀得到不同表面变质层厚度的圆棒试样,并分别进行单调拉伸试验和循环加载试验分析其力学性能、滞回性能、耗能能力及微观组织的区别。对不同表面变质层厚度18CrNiMo7-6合金钢在循环加载作用下的骨架曲线进行拟合,研究其与单调拉伸作用下的力学性能区别。基于Chaboche循环本构模型标定了不同表面变质层厚度试样在循环加载作用下的循环本构参数,并通过有限元软件ABAQUS进行了仿真验证。结果表明,在单调拉伸作用下,随着表面变质层厚度的增加,试样的硬度、屈服强度及抗拉强度也随之提高。在相同的应变幅值加载下,表面变质层越厚,其响应应力越大,能量耗散系数越低,材料的耗能能力越弱;Ramberg-Osgood方程能够较好地拟合不同表面变质层厚度的试样在循环加载作用下的骨架曲线;18CrNiMo7-6合金钢的主要组成成分为马氏体,随着表面变质层厚度的增加,位错密度增高;18CrNiMo7-6合金钢基体材料在循环加载作用下表现出循环硬化特征,而随着表面变质层厚度的增加,试样逐渐由没有循环软硬化现象到表现出循环软化特征;Chaboche循环本构模型对不同表面变质层厚度的18CrNiMo7-6合金钢均具有较好的适用性,能准确拟合其在循环加载作用下的力学响应。
环保与能源
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  基于时序模型的高炉煤气发生量多步预测对比

  包向军, 翁思浩, 陈光, 汪晶, 陈谞, 谢竟成

  钢铁. 2022, 57(9): 166-172.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20220166

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  为准确预测高炉正常工况及变工况(如休风、减产、停产等)条件下的煤气发生量,采用长短记忆模型(LSTM)和季节性差分自回归模型(SARIMA)预测了不同工况下的高炉煤气发生量。对比了正常工况下两模型不同预测步数的预测效果,发现随着预测步数的增加,两模型预测精度总体呈减小趋势,并且LSTM模型的预测精度普遍高于SARIMA模型;为提高模型精度,还对比了30步预测条件下不同输入样本量对模型的预测影响,结果表明,SARIMA模型最佳输入样本量为200个左右,对应平均相对误差为0.057 0,LSTM模型最佳输入样本量为100个左右,对应平均相对误差为0.042 8,因此,正常工况下LSTM模型预测效果更好;而变工况条件下SARIMA模型效果更好,SARIMA模型的平均相对误差为0.069 4,LSTM模型为0.094 0。结合两模型的优势,建立了梯度驱动时序预测复合模型,该模型在复合工况下30步预测平均相对误差为0.060 1,均低于两模型单独使用时的误差,因此在现场运行时,建议使用梯度驱动时序预测复合模型进行预测,这为高炉煤气调控提供了更好的数据支持,合理分配煤气提高煤气利用率,减小煤气放散。