2023年, 第58卷, 第10期　刊出日期：2023-10-15

  

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综合论述
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  面向长流程的富氢低碳炼铁技术路径分析

  李海峰, 陈靖然, 王新东, 张彩东, 郑艾军, 王小艾

  钢铁. 2023, 58(10): 1-11.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230102

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  高炉→转炉长流程是中国钢铁生产的主要流程。在“双碳”背景下,绿色低碳发展成为钢铁行业转型发展的核心命题,目前国内外主要采用以氢代碳的氢冶金低碳技术路线,国内路线以富氧高炉和氢基竖炉为主,推动着传统高炉向富氢全氧碳循环技术进行转变。结合氢冶金机理和现有的典型低碳工艺技术路线特点,分析了氢冶金技术路线的减排上限问题,从限制传统高炉减排的关键参数入手,提出了一种全氧富氢低碳还原熔化炉炼铁系统和炼铁方法。炼铁系统包括还原熔化炉、煤气除尘器、干燥器、CO₂分离器、电解水装置、风机、换热器、还原气备用储气罐、烟囱等设备,其中还原熔化炉自上而下依次包括间接还原区、软熔滴落区、焦炭燃烧及渣铁区;炼铁方法包括矿焦混装、间接还原区喷入由电解产生的绿氢与炉顶循环煤气组成的混合还原气、焦炭燃烧区鼓入纯氧、炉顶煤气CO₂回收、渣铁处理。通过设计新炉型和优化参数,使间接还原区金属化率达到85%~95%,大大降低吨铁冶炼碳耗。基于热力学理论计算、相关的物理试验数据和6种典型工艺流程的CO₂排放指标分析等研究成果,进一步阐述了新工艺的可行性及推广前景,新工艺采用全氧使自身反应器还原产生的煤气得以循环利用,达到CO₂排放降低50%以上的目标,实现绿色低碳冶金。
原料与炼铁
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  磁铁矿球团金属化烧结

  陈麒公, 潘建, 朱德庆, 郭正启, 杨聪聪, 李思唯

  钢铁. 2023, 58(10): 12-22.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230129

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  在“双碳”背景下,强化高炉冶炼是促进铁前工序低碳减排的重要方向之一,一定比例的金属化炉料可显著降低高炉焦比和提高生产率。以100%细粒磁铁精矿为原料,提出了铁精矿球团金属化烧结新工艺。在生球水分为7.5%,生石灰调节碱度至1.0,生球落下强度为6.0 次/0.5 m、抗压强度为15.85 N/个、爆裂温度为500 ℃的前提条件下,优化了球团金属化烧结工艺参数,考察了不同燃料种类及配入方式、总C/Fe质量比、燃料分加比例、碱度等条件对金属化烧结矿产质量指标的影响,并对所得金属化烧结矿的冶金性能进行了评价。此外,还观察和测量了所得预还原烧结矿不同矿物相的形态、数量和成分。结果表明,在料层高度为300 mm、总C/Fe质量比为0.4、内配无烟煤和外配烟煤、预热温度为450 ℃的球团金属化烧结条件下,所得预还原烧结矿的金属化率、全铁品位分别达到43.79%和68.10%,成品率为76.32%,转鼓强度为78.10%,利用系数为0.41 t/(m²·h)。经矿相分析,金属化烧结矿主要由金属铁、浮氏体和渣相组成,且FeO质量分数较高,Fe₂O₃质量分数较低。金属铁在浮氏体和残碳周围呈密集分布。观察料柱自上而下金属铁的质量分数逐渐增加,浮氏体和残碳质量分数呈现递减趋势。此外,液相固结和金属键连接是金属化球团烧结的主要固结方式。预还原烧结矿总还原度为85.79%,还原强度指数和还原粉化指数分别为90.82%和92.52%,具有非常优良的抗低温还原粉化性能。
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  细粒级铁精矿制备熔剂性球团

  温宝良, 张晓萍, 李家新, 吴宏亮, 杨佳龙

  钢铁. 2023, 58(10): 23-33.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230114

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  目前对细粒级铁精矿球团化的研究主要聚焦于生产酸性球团,为进一步提高细粒级铁精矿工业应用力度,缓解球团生产资源压力,对不同方法下使用细粒级铁精矿制备熔剂性球团进行了研究。结果表明,以细粒级铁精矿为原料、碱度为0.8~1.2、膨润土搭配石灰石所制备的熔剂性球团具有更好的生球质量,生球落下强度为7.3 次/0.5 m、抗压强度为16 N/个,而以消石灰为黏结剂与助熔剂制备的生球,则需要碱度大于1.0时其生球质量才满足生产标准。细粒级铁精矿添加膨润土和石灰石的熔剂性球团要比仅添加消石灰的熔剂性球团的干燥完成时间长,两者干燥完成时间分别为360 s和270 s,基于模型拟合结果,仅添加消石灰的熔剂性球团表现出了更高的水分传质系数和水分扩散系数,毕渥数Bi值小于0.1,干燥过程中生球内部温度分布会趋向不均匀。无论是以膨润土还是消石灰作为黏结剂生产细粒级精矿熔剂性球团时,均需要较高的焙烧温度才可以促进赤铁矿间形成大片连晶,焙烧温度为1 250 ℃时,膨润土搭配石灰石球团强度为3 656 N/个,消石灰球团强度为3 398 N/个,碱度为0.8~1.2,相比于添加膨润土和石灰石,仅添加消石灰的细粒级铁精矿熔剂性球团会稍降低球团还原度,但是可以改善球团的还原膨胀与还原粉化,2种方法所制备的细粒级铁精矿熔剂性球团均具有良好的冶金性能。
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  高炉喷吹不同富氢介质节能减排潜能的分析与比较

  王新东, 郄亚娜, 吕庆, 王艺帆

  钢铁. 2023, 58(10): 34-41.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230312

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  目前中国钢铁生产仍以高炉→转炉长流程为主,高炉富氢操作是中国氢冶金发展的重要方向。富氢介质和喷吹方式有很多种,合理有效地选取高炉富氢工艺显得尤为重要。为了确定合适的富氢工艺,基于有氢参与的Rist操作线工具,结合高炉整体与区域热平衡联合计算,提出了“碳消耗-碳排放-焦比-理论燃烧温度操作窗口”概念。对比分析了高炉喷吹焦炉煤气、天然气、氢气在常温与预热条件下的节能减排效果。研究结果表明,随富氢介质喷入量的增加,高炉焦比、理论燃烧温度、碳消耗、CO₂排放均呈升高趋势,富氧率对这些指标的影响呈相反规律。在不喷煤的情况下,高炉单喷富氢介质技术虽然可以降低碳素消耗,降低碳排放,但焦比仍然较高。通过比较不同富氢工艺的操作窗口区域大小得出高炉喷煤+纯氢气具有更高的节能减排效果。从操作窗口可以直观地得出不同富氢技术的最大喷吹量和限制性环节。研究结果表明,高炉喷煤+天然气、高炉喷煤+焦炉煤气、高炉喷煤+纯氢气的最大喷吹量分别为128、359和500 m³/t,高炉喷煤+950 ℃预热氢气相比于常温条件节能减排率增加20%左右。
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  基于数值模拟的不同氢碳比气基直接还原竖炉操作策略

  刘征建, 卢绍锋, 王耀祖, 张建良, 承强

  钢铁. 2023, 58(10): 42-50.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230216

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  为降低CO₂排放,缓解温室效应,中国提出了“碳中和”、“碳达峰”的双碳战略,钢铁工业虽然是全球工业化进程中的重要支柱,但也是CO₂排放的主要来源之一,传统冶炼过程主要依赖于高炉炼铁,使用焦炭、煤粉等还原铁氧化物,导致大量CO₂被释放到大气中。因此,为实现双碳战略,钢铁工业亟需开发低碳氢冶金技术。气基竖炉工艺因其自身特点,采用天然气或焦炉煤气等富氢气体作为原料气,通过重整反应生成的还原气来还原铁氧化物,不仅取代了传统的化石燃料,同时还产生无污染的水蒸气。因此,气基竖炉工艺作为一种低碳氢冶金技术,能够显著降低钢铁生产过程中的CO₂排放,在未来钢铁行业的绿色、低碳发展中具有巨大的潜力。建立了涉及还原反应和渗碳反应的气基竖炉二维CFD数值模拟模型,研究了还原气氢碳比、还原气温度以及炉顶压力等对气基竖炉的影响。结果表明,提高还原气氢碳比(体积分数比)和炉顶压力有利于降低炉内温度,抑制炉料黏结;氢碳比由1.75提高至100%H₂(体积分数),DRI金属化率由0.93降低至0.84,提高还原气温度、流量和炉顶压力均可以提高DRI金属化率;同时,提高还原气温度和炉顶压力还可以提高H₂利用率,但提高还原气流量会导致H₂利用率降低。
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  基于大数据挖掘的钒钛高炉综合运行状态评价模型

  李红玮, 李欣, 刘小杰, 刘然, 陈树军, 吕庆

  钢铁. 2023, 58(10): 51-66.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230192

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  高炉炉况的波动严重影响高炉生产过程的铁水产量、质量和能耗。及时全面掌握高炉运行状态情况,减少炉况波动是保持高炉生产稳定顺行的关键。以某钒钛高炉自身历史数据为基础,建立了一种基于大数据挖掘的高炉综合运行状态评价模型。依据高炉炼铁全流程数据仓库资源,采集整合高炉相关生产数据,对原始数据存在的空缺值、异常值等问题进行了数据处理,得到了模型开发所需要的干净数据。结合高炉工艺和专家经验,选取表征高炉综合运行状态的33个评价指标,建立高炉综合运行状态评价指标体系,利用基于博弈论的层次分析法和熵权法的组合赋权及改进的TOPSIS算法建立AHP_EWM_TOPSIS高炉综合运行状态评价模型,对高炉运行状态进行评估和排序。模型的评价结果与实际生产情况进行验证,综合匹配率达到94.49 %,能够准确评价高炉综合运行状态情况,并为高炉操作者提供及时有效的高炉运行状态信息。对历史高炉运行状态进行统计分析,得出高炉炉况的演变情况。总结了良好高炉运行状态条件下运行参数的最佳范围,为高炉的生产运行优化提供操作依据和数据支持。模型能够快速判断高炉的实时运行状态情况,辅助高炉生产操作优化,促进高炉的长期稳定运行,实现高炉优质、高产、低耗、长寿的生产目的。
炼钢
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  汽车板中大尺寸钙铝酸盐类夹杂来源及控制工艺

  曾立, 罗衍昭, 刘延强, 赵长亮, 季晨曦, 徐海卫

  钢铁. 2023, 58(10): 67-74.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230125

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  近年来,国内外高端汽车板用户对汽车板用冷轧板、镀锌板等产品提出“零缺陷”的要求,钢液中出现大尺寸钙铝酸盐夹杂物是造成IF冷轧钢板出现点状缺陷的主要原因,在钢板后续冲压过程中这些大尺寸夹杂物会造成冲压开裂。为解决IF钢冷轧汽车板中出现大尺寸钙铝酸盐夹杂物的问题,对国内某钢厂IF钢冷轧板中钙铝酸盐夹杂物的来源及控制开展了工艺研究。首先,通过扫描电镜和能谱仪分析了大尺寸钙铝酸盐夹杂物的形貌和成分,确定了钢包下渣是钙铝酸盐夹杂物的主要来源。开展了RH精炼顶渣改质、钢包下渣量优化、中间包内高挡墙和高液位操作的控制工艺研究,通过增加炉渣中w((CaO))/w((Al₂O₃))来降低渣中FeO活度,提高炉渣的表面张力,从而抑制了Al₂O₃夹杂物颗粒的聚集。在中间包内部采取高挡墙操作,中间包钢液取样分析发现挡墙前、后侧尺寸大于5 μm夹杂物的数密度分别为7.83个/mm²和5.57个/mm²。采用中间包内钢液高液位操作时,发现液位高度提高140 mm可以使平均停留时间增加30.3 s。基于以上关键控制工艺,实现了IF钢冷轧汽车板中大尺寸钙铝酸盐夹杂物的稳定控制,缺陷发生率明显降低。
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  薄规格高品质汽车板交接坯降级策略的优化

  张涛, 王新华, 吴忠有, 李金波, 高福彬, 刘俊山

  钢铁. 2023, 58(10): 75-84.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230202

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  近年来在汽车轻量化大趋势及成本控制的压力下,诸多车企将汽车板减薄至0.65 mm左右后,加工制作冲压变形大部件时钢板冲压开裂缺陷(俗称“针眼”)显著增加,其主要发生于连铸交接坯轧制的钢板。对薄规格高品质汽车钢板冲压开裂问题开展了研究,通过采用扫描电镜和能谱分析分别对开裂缺陷部位进行高倍观察和成分分析,同时运用数值模拟方法研究了炉炉连浇过程接续炉次钢水进入中间包后的流动和混合特征。研究发现造成汽车板冲压开裂的夹杂物主要分为2类,一类为条、块状Al₂O₃夹杂物,另一类为CaO·2Al₂O₃、CaO·6Al₂O₃类钙铝酸盐夹杂物。交接坯轧制的汽车板中Al₂O₃夹杂物和钙铝酸盐类夹杂物较正常坯多,主要原因为接续炉次开浇时刻中间包内少量钢水裸露被氧化和少量覆盖渣混入钢液。开发了板坯连铸炉炉连浇过程交接坯长度预测模型,并通过对混浇过程产生的铸坯取样分析验证了模型的适用性。钢板轧制发生冲压开裂的交接坯主要是中间包出口处接续炉次钢水质量分数达到20%~80%时间段内所浇铸形成的铸坯,采用“双挡墙+双挡坝”控流结构的中间包产生交接坯时间最短,为7.33 min。根据以上研究结果进行了工业试验,并且对30个浇次的实际生产数据进行了跟踪和统计,按照之前的交接坯降级策略需要降级84块铸坯,通过策略优化,仅降级了38块铸坯,降级量由之前的41.38%减少至18.72%,而所生产薄规格汽车板的“针眼”状冲压开裂发生率没有增加,仍保持在每万件2.5起以下的先进控制水平。
压力加工
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  基于非圆弧理论的精密极薄带轧制力快速预测

  王家琪, 刘晓, 张增强, 王振华, 王涛

  钢铁. 2023, 58(10): 85-91.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230213

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  精密不锈钢极薄带是微电子、微成型等高端领域的重要工业原料,高精度钢带一般使用多辊轧机进行轧制生产。轧制力模型对极薄带的轧制过程控制起着决定性的作用,而轧制力模型的精度主要受到变形抗力和摩擦因数这2个参数的影响。轧制过程中极薄带与轧辊接触变形区的弧长一般远大于轧件厚度,轧辊辊型被压扁为非圆弧形轮廓,将轧辊以圆弧轮廓为假设前提的传统轧制力模型不再适用。针对以上问题,以非圆弧理论为基础,通过推导基于Fleck理论的解析方程,结合计算机编程开发出应用于304不锈钢极薄带的轧制力模型。为优化轧制参数提高轧制力模型的计算精度,考虑到极薄带轧制过程工艺特点是采用较大张力轧制,通过轧制-拉伸试验确定轧件的屈服强度变化并拟合得到相应的变形抗力模型。设计了基于Fleck轧制力模型的摩擦因数计算程序,结合现场采集的轧制过程中的数据,反向计算并拟合关于轧制速度变化的摩擦因数模型。数据显示了在极薄带的轧制过程中,一定范围内摩擦因数随着轧制速度的增大而变小,这是因为随着轧制速度的提升,润滑液更容易被带入到变形区,使得变形区的油膜润滑效果增强。通过计算验证表明,模型的计算值与实测值之间的误差为-10%~10%,可以满足生产过程中高效率控制需求。
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  热轧带钢板凸度纵向分布三重调控研究与应用

  王小巩, 李红斌, 孔超, 田亚强, 鲁剑龙, 陈连生

  钢铁. 2023, 58(10): 92-101.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230244

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  由于带钢头尾存在温差,并且薄规格带钢轧制时间较长,承德钒钛1 780 mm热轧生产线薄规格带钢板凸度产生明显纵向衰减现象,影响带钢质量。针对这一现象,对现场包括CVC原始辊型、工作辊横移量设置以及各机架弯辊力设置进行了分析,发现在不改变现有冷却设备、轧制节奏的前提下,现有工艺参数已达到板凸度控制极限。基于此分析,提出了CVC原始辊型优化+工作辊横移控制+弯辊力动态调整的三重组合调控方法,为改善现场带钢板凸度衰减提供了理论指导和依据。基于金属三维变形模型和辊系弹性变形模型,考虑现场工况和工艺特点,构建了适用于该钢厂热轧薄规格带钢的板凸度控制模型。提出了分别以F1、F1和F2、F1~F3和F1~F4为目标的4种辊型优化方案,并将4种辊型优化方案结合工作辊横移、弯辊力动态调整后对板凸度纵向分布的影响及其分布规律进行了分析研究。结果表明,以(45±15)μm为目标板凸度时,4种优化方案可使带钢分别获得34~45、37~45、40~47、41.2~49.4 μm的板凸度纵向分布,对应的凸度衰减量分别为11、8、7、8.2 μm,同时可将F1、F2、F3、F4机架弯辊力调控窗口分别提高500、550、740、680 kN。除此之外,将该方法应用于板凸度衰减最为明显的1.5 mm×1 250 mm规格带钢现场生产,板凸度衰减量可减小至8~10 μm。
钢铁材料
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  回火温度对700 MPa级大梁钢组织和性能的影响

  周强, 曹燕光, 杨庚蔚, 李昭东, 万国喜, 王文军

  钢铁. 2023, 58(10): 102-110.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230090

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  热轧带钢中微合金元素未完全析出的情况普遍存在。当钢中存在过饱和固溶的微合金元素时,回火处理能使其在基体中析出,并对力学性能产生影响。以Nb-Ti微合金化热轧700 MPa级汽车大梁钢为研究对象,采用SEM、EBSD、TEM和拉伸试验等手段,研究了不同回火温度对其组织和性能的影响。结果表明,与热轧态相比,试验钢在450~600 ℃范围内回火时,基体组织变化不明显,主要为准多边形铁素体,尺寸略微增大。当回火温度升高至700 ℃时,其组织向多边形铁素体转变,晶粒尺寸迅速增大,晶界密度降低,发生部分再结晶。回火过程中,热轧阶段过饱和固溶的Ti和Nb将以(Ti,Nb)C的形式析出,且回火温度越高,(Ti,Nb)C的析出孕育期越短,析出量越大,平均粒径则呈现出先减小后增大的变化规律。当回火温度为600 ℃时,(Ti,Nb)C的平均粒径最小,仅为5.47 nm。试验钢在450~600 ℃范围内回火时,其抗拉强度、屈服强度和断后伸长率均随着温度的升高而增大。当回火温度升高至700 ℃时,试验钢抗拉强度和屈服强度显著减小,断后伸长率增大。当回火温度为600 ℃时,试验钢力学性能最优。其抗拉强度、屈服强度以及断后伸长率分别达到803 MPa、755 MPa和24.6%。强化机制分析表明,试验钢屈服强度提升主要是由微合金元素Ti、Nb在回火过程中大量析出带来的沉淀强化所致。
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  铁路重载车轮间歇淬火的数值模拟与试验验证

  姚三成, 张建, 刘学华, 赵海, 史娜, 徐骏

  钢铁. 2023, 58(10): 111-119.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230134

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  含马氏体(M)和贝氏体(B)的非珠光体混合组织层产生于铁路车轮热处理冷却过程,是一种潜在的行车故障源和危害源。针对非珠光体层十分突出的铁路重载车轮,基于软件MSC. Marc和Thermal Prophet建立了间歇淬火(IRQ)有限元数值模型,分析了IRQ工艺对车轮热处理温度场及组织性能的影响,并进行了实物验证。计算结果表明,在短时的淬火中断期间,因受到轮辋内部更深处的热传导影响,踏面近表层产生“温度小平台”或回温现象,回温温度低于临界点A_c1,可避免出现二次奥氏体化,但踏面次表层及轮辋内部受影响甚微。IRQ工艺使车轮踏面近表层的温降有所减缓,避开大部分M和B组织转变区域,抑制了非珠光体组织的形成,将非珠光体层厚控制在6 mm以内,显著改善热处理冷却后踏面附近的组织状态;轮辋内部为较均匀一致的细珠光体和少量铁素体(P-F)组织,但在距踏面表面10～15 mm的深度范围内,组织组成可能会出现局部波动,在P-F组织中又重新生成少量的B组织。自踏面向下,车轮的强硬度梯度分布合理、平缓递减,轮辋内部绝大部分区域的强硬度水平未受到明显影响,且因为“预冷效应”,IRQ工艺使距踏面表面15～30 mm的深度范围内的平均有效冷却速度有所提高,形成了局部的强硬度极大值区,较传统工艺车轮的强硬度略有提高。实物验证结果与计算结果基本一致。经综合评判,在控制车轮非珠光体层方面施用IRQ工艺基本可行。
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  变形对18CrNiMo7-6渗碳钢显微组织与残余应力的影响

  王刚, 李俊昊, 桑香港, 张悦, 李豪

  钢铁. 2023, 58(10): 120-130.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230149

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  为了掌握18CrNiMo7-6渗碳钢受到载荷作用时的变形行为,提高材料性能,确保关键构件的可靠性与服役安全,开展了轴向压缩与拉伸变形试验,对变形试样晶体取向与微观界面的变化进行分析,并测量试样表层残余应力,研究变形过程中微观结构变化对残余应力的影响机制,了解18CrNiMo7-6渗碳钢变形后的显微组织、残余应力大小与分布情况。试验结果表明,在变形过程中,随着外加载荷的增加,试样渗碳层区产生位错运动,导致核平均取向差与位错密度增加,晶粒细化,小角度晶界所占比例增加;马氏体在滑移系{111}〈110〉的取向主要为软取向,容易产生滑移。18CrNiMo7-6渗碳钢在淬火过程中,由于奥氏体向马氏体转变使渗碳层区产生不均匀的残余压应力场。残余压应力沿深度方向的整体分布趋势是先逐渐增加后逐渐降低,在距表面深度约900 μm处达到最大值(-224.65 MPa)。轴向变形未对残余应力沿深度方向的整体分布趋势产生影响。当试样变形量为-0.25%、-0.50%和-0.75%时,表面轴向残余应力分别松弛了3.3%、4.9%和18.9%;变形量为0.25%、0.50%和0.75%时,表面轴向残余应力分别松弛了1.3%、14%和27%。研究结果表明,当施加应力与残余应力的矢量和超过材料表面的局部弹性极限时,会产生局部塑性变形,引起位错密度变化,进而导致残余应力松弛。塑性变形量越大,残余应力松弛越明显。
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  Nb、Ti对耐热钢中δ铁素体固溶行为的影响

  李奇, 张旭, 李晓晴, 李俊儒, 张鹏飞, 张玉馨

  钢铁. 2023, 58(10): 131-139.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230170

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  δ铁素体是马氏体型耐热钢中常见的有害析出相,它的存在会对材料的力学性能及耐蚀性能产生不利影响,并且难以通过常规热处理去除,因此如何去除δ铁素体是该领域的研究重点。以C-Cr-Ni-Mo马氏体型耐热钢为主要研究对象,设计了C-Cr-Ni-Mo、C-Cr-Ni-Mo-Nb、C-Cr-Ni-Mo-Ti 3种不同成分的试验钢。采用OM、SEM、EDS等手段,通过对比3种不同成分试验钢铸态组织中δ铁素体体积分数、δ铁素体固溶速率、奥氏体晶粒尺寸,研究了Nb、Ti微合金化对马氏体型耐热钢中δ铁素体固溶行为的影响并揭示其机理,为马氏体型耐热钢中δ铁素体快速固溶提供新方法。试验结果表明,Nb、Ti微合金元素作为铁素体形成元素,会加重合金成分的偏析,冷却过程中未能充分转变,导致室温下铸态组织中δ铁素体的体积分数增加,但生成的δ铁素体尺寸相对较小。δ铁素体的固溶速率与其形态及位置有关,Nb、Ti微合金化能提高δ铁素体的固溶速率,一方面是Nb、Ti微合金化会细化铸态组织中的δ铁素体,提高δ铁素体的比表面积;另一方面是通过形成含Nb、Ti的析出相,钉扎晶界,抑制奥氏体晶粒长大,延缓固溶过程中δ铁素体由不规则状向球状转变的过程,在加热过程中使更多的δ铁素体更长时间地维持在奥氏体晶界处呈不规则状,维持较大的比表面积,进而提高δ铁素体的固溶速率。
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  热处理对选区激光熔化制备17-4PH空蚀性能影响

  王岩, 魏钢, 魏瑛康, 王建勇, 张亮亮, 贾文鹏, 刘世锋

  钢铁. 2023, 58(10): 140-150.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230190

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  17-4PH(precipitation hardening)不锈钢作为水翼、水轮机等过流部件的常用材料,受到严重空蚀破坏,引发诸多安全问题。传统工艺制备异形、复杂结构零部件存在局限。相比之下,增材制造技术是加工该类零件非常有效的方式。采用选区激光熔化技术(selective laser melting,SLM)制备17-4PH不锈钢,研究固溶+时效处理(1 040 ℃/1 h+480 ℃/4 h)和离子渗氮处理对SLM制备17-4PH不锈钢显微组织和空蚀性能的影响规律。结果表明,由于SLM快速冷却、定向凝固的特点,沉积态保留大量残余奥氏体,包含熔池内部沿构建方向的柱状晶和细小胞状结构。固溶+时效处理后,原熔池边界消失,组织为等轴晶,并且有强化相析出。离子渗氮处理后,试样表面形成约20 μm的氮化物硬质层。离子渗氮处理后,试样的残余奥氏体相对含量由沉积态的13.1%降低至 7.5%。除此之外,氮渗入基体材料还导致晶格发生畸变,因此在衍射峰上出现了明显的偏移。空蚀破坏时,裂纹优先在熔道搭接处萌生、扩展。固溶+时效处理后由于熔池、熔道边界消除和强化相析出,经过8 h空蚀破坏,空蚀质量从沉积态7.4 mg减少为5.9 mg;渗氮处理后可在试样表面形成氮化硬质层进一步改善抗空蚀性能,空蚀破坏对试样表面造成损伤较小,导致材料脱落现象最少,空蚀质量损失仅为5.5 mg。
环保与能源
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  微波-氢气协同还原在钢铁工业中的应用前景

  佟帅, 艾立群, 洪陆阔, 李亚强, 孙彩娇, 王旭锋

  钢铁. 2023, 58(10): 151-162.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230158

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  在国家倡导“碳达峰”和“碳中和”背景下,钢铁工业亟待研发和应用绿色低碳前沿技术,当前氢冶金技术是钢铁工业发展的重要方向,受到国内外广泛关注。氢冶金是一种新型的冶金技术,利用氢气作为还原剂,可以实现高效、环保和节能的冶金过程。近年来,微波技术作为一种新型加热手段,被广泛应用到冶金领域,具有加速还原反应、提高冶金效率、清洁环保等显著特点。基于氢冶金技术和微波技术优势,从“碳-电-氢”的三元关系角度审视炼铁能源结构,提出一种将微波和氢气相结合的新型还原方法——“微波-氢气协同还原”。该方法具有更高的反应速率和更低的温度要求,可以实现对反应过程的精确控制和优化,有望成为氢冶金领域的重要技术之一。在“双碳”战略目标下,结合国内钢铁碳排放现状,首先综述了国内外氢冶金技术的研究进展,主要包括高炉富氢还原、富氢气基还原、富氢熔融还原和等离子体氢还原;分析了微波技术在冶金熔炼领域的应用现状和作用机理;其次着重介绍了微波-氢气协同还原新方法的研究进展以及发展过程中存在的一些问题,为氢冶金技术的发展提供新思路;最后探讨了微波-氢气协同还原新方法未来在氢冶金领域中应用的潜在价值,为推动还原新方法的发展提出远景展望。
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  铁前系统能耗分析与评价

  杜学强, 郦秀萍, 周继程, 上官方钦

  钢铁. 2023, 58(10): 163-171.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230230

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  中国钢铁行业的节能工作经历了单体设备节能、系统节能阶段和重大节能技术普及阶段,进入到现在的能量流网络化运行、提升能源转换功能阶段,取得了显著成就。钢铁行业面临的节能减排形势越来越严峻,近年来吨钢综合能耗虽然仍在进一步降低,但降幅已经很小,甚至有的年度略有回升。在当前的理论、技术条件下,节能空间越来越小已是不争的事实,准确判断节能的可能性及其潜力十分重要。铁前系统是钢铁制造流程的重点耗能环节,以铁前系统能耗分析为例,提出了理论最小能耗、基准能耗的概念,结合工厂实践,给出了理想工况、基准工况确定的依据及理论最小能耗和基准能耗计算方法,并计算了焦化工序、烧结工序和炼铁工序理论最小能耗和基准能耗。对理论最小能耗与基准能耗、实际能耗与基准能耗进行对比分析,在分析理想工况与基准工况、实际工况与基准工况差异的基础上,分别提出了焦化工序、烧结工序和炼铁工序的节能措施与节能方向;应用系统节能理论的e-p分析法,从铁前系统结构、设备规模、原燃料条件及节能技术应用与能量流网络等方面分析了铁前系统影响因素的影响规律,提出了铁前系统节能措施与方向,研究结果可为合理评估钢铁行业铁前系统节能潜力提供理论支撑。
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  矿物组成对高炉渣破碎粒化效果的影响机理

  康月, 张玉柱, 刘超, 邢宏伟, 孙瑞靖, 裴晶晶

  钢铁. 2023, 58(10): 172-182.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230210

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  高炉渣作为炼铁过程产生的主要副产品,析晶能力大小决定了其作为活性材料的潜力,非晶相含量越高,高炉渣活性越强,其中气淬喷吹工艺可有效增加高炉渣冷却速率,制备高含量非晶相渣珠,提高高炉渣利用附加值。通过热力学模拟及原位观察法阐释高炉渣矿相演变过程,解析连续冷却过程中高炉渣矿相析出机理,确定高炉渣初始析晶温度、初晶相及临界冷却速率,同时对不同碱度的高炉渣析晶活化能和阿弗拉米指数进行了计算,获取高炉渣粒化过程利于抑制矿相析出的炉渣成分组成。结果表明,碱度为0.9~1.3时,高炉渣连续冷却过程析出初晶相均为钙铝黄长石,初始析晶温度随碱度的增加逐渐升高,黄长石析出量随碱度的增加而增多,但是碱度增加到1.2后开始有一部分黄长石相转变为硅酸二钙相;同时碱度的增加抑制钙长石和斜辉石的析出,但是对尖晶石析出量影响不大。随着碱度的增加,高炉渣析晶临界冷却速率逐渐加大,阿弗拉米指数逐渐增大,析晶活化能数值逐渐减小,因此高碱度高炉渣需要较大过冷度来抑制矿相析出,利于获得高含量非晶相渣珠。同时对不同碱度高炉渣进行气淬喷吹得到高炉渣珠,非晶相含量随碱度减小而增加,渣珠透明度逐渐增加,非晶含量高于国家标准GB/T 18046-2008矿渣中非晶相质量分数不得小于85%的要求,为高炉熔渣高附加值资源化及余热高效利用提供理论基础。