2023年, 第58卷, 第12期　刊出日期：2023-12-15

  

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综合论述
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  海水全浸区钢铁的防腐蚀技术研究进展

  胡杰珍, 王沛林, 邓培昌, 耿保玉, 吴敬权

  钢铁. 2023, 58(12): 1-11.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230426

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  海水全浸区为海底泥土之上海水低潮线以下的常年海水覆盖区,海水的平均NaCl质量分数为3.5%,是一种天然的具有强腐蚀性的介质,很多海洋工程及装备由于海水的腐蚀而被损坏,严重影响海洋工程及装备的服役寿命,海洋工程用钢防腐蚀技术的研究一直备受腐蚀工作者的广泛关注。分析了海水全浸区钢铁腐蚀的腐蚀机理和影响因素,针对目前海水全浸区钢铁腐蚀常用的涂层防护技术、海洋生物防污技术、牺牲阳极阴极保护技术、外加电流阴极保护技术和选用耐海水腐蚀钢5种技术进行了总结概括,阐述了各类防腐蚀技术的创新性研究成果,包括采用了合成材料、纳米填料和超疏水表面的新型涂层防护技术,实现了仿生功能和超光滑表面的海洋生物防污技术,具有高耐蚀性能的牺牲阳极材料,选用经过表面氧化处理和表面激光蚀刻的耐海水腐蚀钢等。分析了5种防腐蚀技术在海水全浸区使用的优缺点,提出单一防腐蚀技术在海水全浸区对钢铁材料难以实现长期保护。最后,基于当前各类防腐蚀技术的研究现状,对未来关于海水全浸区钢铁防腐蚀技术的研究方向进行了展望,整合各类防腐蚀技术,优势互补,实施联合防护,实现海水全浸区钢铁的长效防腐,开发新型防腐材料和新型防腐蚀技术,以期为海洋环境中钢铁防腐蚀技术的研究与设计提供思路。
原料与炼铁
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  CO-N₂还原球团矿的本征数学模拟与动力学预测

  甘畅, 李逵, 张伟, 张菊花, 薛正良

  钢铁. 2023, 58(12): 12-22.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230267

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  根据传统宏观动力学分析仅能“模拟”而无法“预测”未知试验,提出本征数学模拟及预测的方法以解决传统动力学分析方法中存在的参数调整随意性强、预测准确性差等系统性问题。采用热重法进行了5组不同温度下(1 235、1 275、1 326、1 377和1 425 K)一氧化碳还原球团矿的等温动力学试验来获取本征动力学参数集合,再对试验数据进行模拟复原,并且对1 254和1 301 K下的反应进行了预测。由还原速率的转折点可将还原过程分为2段,反应前期主要为球团矿中的Fe₂O₃还原为浮氏体的过程,由一级化学反应控制,反应后期主要为浮氏体还原为铁的过程,由缩核模型控制。反应前后期的转折点的还原度Dtp与温度T之间的关系由方程Dtp=9.101 4×10^-4T-0.787 4确定。各反应时期的本征动力学参数分别为,一级化学反应活化能为40.63 kJ/mol,频率因子为52.43 g/(m²·s);外扩散等效活化能为53.58 kJ/mol,频率因子为3.04 m/s;界面化学反应活化能为37.87 kJ/mol,频率因子为0.72 m/s;内扩散等效活化能为85.12 kJ/mol,频率因子为0.09 m²/s。根据最适反应机理建立分段速率微分方程,利用4阶Runge-Kutta法模拟出球团矿还原的初始动力学过程并预测了球团矿在1 254和1 301 K下的动力学曲线,在不同温度下所选时间节点处球团矿动力学曲线的本征数学模拟结果和预测结果与试验结果的相对误差均为6%以内。
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  高炉炉缸炉底热应力模拟

  王旭, 姚灏, 陈卉婷, 梁栋, 郭艳玲, 于要伟

  钢铁. 2023, 58(12): 23-30.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230115

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  钢铁行业作为中国的支柱产业之一,它提供了其他行业发展的基础原材料。高炉是中国钢铁生产的主要设备,随着其技术水平的提升,中国高炉正朝着大型化、智能化和长寿方向不断推进,但是在此过程中,高炉也面临着许多问题,其中炉体上涨就是一个高炉大型化过程中普遍存在的现象。引起炉体上涨原因有多种,而炉缸炉底热应力是未有明确结论且颇为重要的一种。为了研究炉缸炉底热应力对高炉炉体上涨的影响,以某钢厂3号3 200 m³高炉为研究对象,建立三维炉缸炉底计算模型,运用OpenFOAM进行数值仿真计算,得到其稳态温度场分布,之后将该分布与实际热电偶所测数据进行对比,选择两者最为相近的温度场结果设定为瞬态模拟的温度初始条件,并在此基础上求解得到瞬态模拟的温度场和热应力场分布。计算结果表明,1 423 K和1 143 K等温线均处于陶瓷杯砌体内,这说明在该区域易形成渣铁保护层且避免了炭砖脆化的发生;炉缸炉底的等效热应力值为1.354×10⁶~7.104×10⁸ Pa,尤其炉壳部分等效热应力值最大,在炉缸与炉底的交界处、不同材质的交界处和炉缸侧壁几何结构的转角处,均存在应力集中现象,在生产过程中,这些区域会首先被破坏,从而加剧整个炉衬的进一步侵蚀;由热应力造成的炉体上涨量为49.684 mm。
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  大型高炉炉缸死料柱行为及长寿原因分析

  王学斌, 王金刚, 梁栋, 孟赛, 焦克新, 张建良

  钢铁. 2023, 58(12): 31-40.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230161

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  高炉炉缸死料柱的形貌尺寸、沉浮状态、空隙度及焦炭粒度粒级时刻影响着炉缸液态炉渣和铁水的流动情况,进一步影响着铁水对炉缸侧壁的冲刷侵蚀程度和炉缸活性。基于莱钢3号3 200 m³高炉的破损调查研究得到炉缸整体呈现“锅底状”侵蚀特征,其中炉缸侧壁的侵蚀程度较小、仍残余较为完整的炭砖结构,部分区域还保留少量的陶瓷杯结构,炉底陶瓷垫已被侵蚀完全至第3层超微孔炭砖。通过对炉缸死铁层残铁积存物的切割解体,并结合综合图像处理技术对炉缸死料柱进行分析。结果发现,死料柱根部为“圆弧状”并在炉缸中呈现明显的漂浮状态,高度约为0.45~1.34 m,死料柱直径约为10.01 m,占侵蚀后炉缸直径的71.91%,体积较小有利于浮起,同时降低铁水的环流现象对侧壁耐火材料的冲刷侵蚀。死料柱周围含有一段长度约为1.0 m的铁水通道,通过计算得到此区域铁水的对流换热系数较小,约为52.61 W/(m²·K),这说明铁水流速小,而使得耐火材料所承受的热应力小,可大幅度减缓炉缸炉衬的侵蚀速率。死料柱平均空隙度和焦炭平均粒度分别为54.57%和22.89 mm,较大的死料柱空隙度和中心焦炭粒度保障了死料柱良好的透气透液性,增大了炉缸活性。铁水在不同方向交互运动的流动方式利于形成炉缸的均匀性侵蚀,进一步提高了炉缸寿命。
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  基于FEA和DNN的高炉炉缸侵蚀状态监测模型

  李宏扬, 李欣, 刘小杰, 卜象平, 李红玮, 吕庆

  钢铁. 2023, 58(12): 41-53.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230203

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  现阶段,国内高炉的自动化程度已基本覆盖正常生产需求,对于高炉炉缸部位的监测手段大多采用热电偶温度监测技术实现,而由于高炉生产工艺的复杂性和生产环境的恶劣性,高炉炉缸内部直接监测手段几乎无法实现,因此采用智能模型对炉缸侵蚀状态进行监测成为高炉炼铁发展的新趋势。简述了高炉炉缸砌筑的结构,结合高炉生产特点确定炉缸区域的传热模型及求解条件。利用正交试验法实现高炉炉缸不同侵蚀状态的划分和组合,得到共59组炉缸侵蚀形状样本且边界形貌基本覆盖训练全域。将1 150 ℃等温线作为炉缸侵蚀线,利用有限元算法完成不同炉缸侵蚀状态下温度场的可视化并构建炉缸侵蚀样本数据库实现炉缸炉底侵蚀样本的采集。通过深度神经网络模型建立热电偶数据和炉缸侵蚀边界的对应关系,拟合优度R²达到0.802,相较于随机森林算法、BP神经网络算法、单独线性回归组合算法拟合优度分别提高56.64%、26.50%和84.37%,达到指导生产的精度要求。对比利用停炉前实际数据监测侵蚀形貌结果和停炉后的实际侵蚀状态,得出侵蚀监测结果符合实际炉缸侵蚀状态形貌的结论,验证了炉缸侵蚀状态监测模型的可靠性。利用高炉炼铁工业互联网平台的真实生产热电偶数据实现炉缸侵蚀边界的精确可视化,助力炼铁工业由生产制造向智能制造的转型升级。
炼钢
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  SiO₂对抽锭式电渣重熔渣系物性参数的影响

  李作伟, 耿鑫, 姜周华, 刘福斌

  钢铁. 2023, 58(12): 54-61.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230196

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  抽锭式电渣重熔用渣系具有合适的物性参数,可保证工艺操作的平顺性和电渣钢优良的表面质量。采用半球法和旋转柱体法测定渣系的熔化温度特性和高温黏度,结合XRD、拉曼光谱仪对渣系的析出相与高温结构进行测定与分析,探究了SiO₂对抽锭电渣用CaF₂-CaO-Al₂O₃-MgO-SiO₂渣系的宏观物性参数和微观结构特征的影响规律。研究结果表明,随着w(SiO₂)增加,渣中低熔点析晶相CaF₂减少,高熔点析晶相Ca₂Al₂SiO₇、CaAl₄O₇增加,熔渣的半球点温度由1 559 K升高至1 589 K,渣系S2、S3的半球温度和流淌温度很接近,说明该渣系在共晶成分附近,高温稳定性较好;温度T 不小于1 673 K时,熔渣黏度值随着w(SiO₂)增加而增加,温度T小于1 673 K时,熔渣黏度值随着w(SiO₂)增加而降低,且黏度随温度变化的敏感性降低,具有良好的黏度稳定性,适用于抽锭式电渣重熔工艺。熔渣黏流活化能和四面体中非桥氧数量的拟合与计算结果表明,当w(SiO₂)由1%增加到6%时,渣系的黏流活化能由63.5 kJ/mol增大到91.5 kJ/mol,表明渣系黏度稳定的温度区间变大,有利于重熔时形成薄而均匀的渣壳,且渣中复杂的阴离子团数量增加;拉曼光谱结果证实,渣中的主要构成Q¹_Si、Q²_Si由无到有、由弱变强,[Si—O]四面体结构显著提高了熔渣网状结构的稳定性,熔渣的聚合程度增加,高温结构复杂化,使高温下熔渣黏度值升高。
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  基于深度学习钢中非金属夹杂物图像识别

  梁印, 朱航宇, 罗林根, 刘志, 王宝

  钢铁. 2023, 58(12): 62-70.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230165

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  炼钢过程中钢水易和炉渣、耐火材料、气氛等相互作用形成非金属夹杂物,非金属夹杂物会破坏钢基体的连续性,增加钢组织的不均匀性,进而影响钢铁材料的塑性、韧性、抗疲劳强度等力学性能,成形过程中也易引起产品缺陷。夹杂物的定性检测一般通过扫描电子显微电镜(SEM)和能谱仪(EDS),但耗时较长、随机性也较大。因此,非金属夹杂物的快速检测和识别对改进炼钢工艺至关重要。近年来,随着计算机视觉技术的日渐成熟,基于区域的卷积神经网络(RCNN,region-based convolutional neural network)算法经过多代演化,并添加了掩码分支网络,形成了Mask-RCNN。Mask-RCNN既能实现夹杂物边框的准确定位,也能实现图像分割和识别分类,可有效应用于夹杂物分割和识别。采用计算机视觉(CV)任务中Mask-RCNN目标检测算法,对低密度钢中典型AlN、Al₂O₃、MnS和AlN-MnS 4类非金属夹杂物的SEM图片进行训练,经过10 000次的迭代训练后,对各类型夹杂物进行边框定位、图像分割及识别分类,并对测试集进行验证,实现了4类夹杂物边框的准确定位和图像分割。所选用模型对夹杂物检测识别效果较好,准确率高,4类目标夹杂物中,MnS和AlN-MnS夹杂物识别准确率达到100%,AlN夹杂物的识别准确率为95.91%,Al₂O₃夹杂物的识别准确率为83.33%。
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  不同连铸冷却强度下22MnB5钢的组织演变行为

  谢绍贤, 张浩浩, 龙木军, 曾玟瑞, 秦琬琳, 罗芊雨, 梁壮, 陈登福

  钢铁. 2023, 58(12): 71-79.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230277

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  微观组织与晶粒尺寸控制对连铸坯乃至最终产品的性能与质量有重要影响,掌握不同连铸冷却条件下微观组织相变规律和奥氏体晶粒生长规律对超高强热成形钢铸坯质量与性能控制具有重要意义。采用高温共聚焦显微镜原位观察的方法,模拟研究了22MnB5钢在不同连铸冷却条件下的微观组织相变规律、相界迁移速率和奥氏体晶粒生长行为,探讨了冷却强度对其组织相变和奥氏体晶粒生长的影响。结果表明,22MnB5钢凝固相变属于过包晶相变,连铸冷速不会影响其凝固相变序列(L→L+δ→L+δ+γ→L+γ→γ);在高冷速连铸固态相变过程中,铁素体从奥氏体晶界析出的温度更低;在高冷速凝固条件下,铸坯相变特征温度和晶粒尺寸都比低冷速过程的小,且相界迁移速率更快,为低冷速凝固条件的3.8倍以上,但相界迁移距离小;在奥氏体生长过程中,奥氏体的晶粒尺寸随着温度的降低而不断增长,其增长速率随着温度下降而减小;低冷速条件下奥氏体晶粒尺寸更大且不均匀。研究结果为超高强热成形钢连铸过程铸坯质量与性能控制提供了理论依据。
压力加工
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  考虑附加接触变形的冷轧板带卷取过程模拟

  代猛, 梁树杰, 仇平, 肖宏

  钢铁. 2023, 58(12): 80-86.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230249

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  在卷取过程中,由于卷取张力的作用与板带的弯曲变形会使带卷内部产生压应力,随着卷取层数的增多,压应力会增大。在实际生产中,由于板带存在表面粗糙轮廓,在压应力的作用下,除了板带本身会发生弹性变形外,各层表面粗糙轮廓相互接触时,在径向方向上也会产生附加接触变形,这在很大程度上影响了带卷内部的应力分布。在传统的解析方法中,卷取过程被视为薄壁筒逐层嵌套的轴对称模型。该模型往往通过改变径向弹性模量来体现层间接触带来的附加变形,然而当板带的材料、厚度以及表面粗糙度不同时,采用该方法计算径向弹性模量可能会出现偏差,且逐层嵌套模型与实际的缠绕型卷取存在差异。对于该差异,采用有限元方法对卷取过程的模拟更符合实际情况,但是针对具有附加接触变形的有限元研究未见报道。因此,为了克服上述方法中存在的不足,利用有限元软件MSC. Marc通过垫片单元建立了考虑接触附加变形的板带卷取模型,通过叠片压缩试验得到了板带附加变形量与压力的变化规律曲线,并将该曲线引入垫片单元来考虑接触附加变形,进而研究附加接触变形对带卷内部应力与卷筒所受压力的影响。
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  轧制差厚板纵向弯曲回弹分析与预测

  张华伟, 王新刚, 吴佳璐

  钢铁. 2023, 58(12): 87-95.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230347

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  将轧制差厚板应用于梁类零件的制造能够实现汽车轻量化,但同时也带来了更为复杂的回弹问题。为了掌握差厚板梁类零件的回弹机理并获取各种工艺参数对回弹的影响规律,通过仿真与试验手段研究差厚板U型件纵向弯曲回弹问题。首先,建立差厚板U型件纵向弯曲成形与回弹有限元模型,完成成形与回弹过程仿真,并通过冲压试验对仿真结果进行验证,讨论差厚板回弹分布情况及其原因,分析退火工艺对差厚板回弹的影响规律及内在机理。接着,基于差厚板U型件回弹仿真结果,进行正交试验设计,在此基础上完成回弹影响因素的灰色关联分析,获取各因素的影响水平以及优化的参数组合。最后,完成BP神经网络模型的构建,实现差厚板U型件的回弹预测。研究结果表明,双斜率退火工艺能够减小差厚板的回弹,并且使得回弹分布更加均匀。灰色关联分析获取的最优工艺参数组合为过渡区位置-20 mm、过渡区长度50 mm、板料厚度1.6/2.0 mm、板料尺寸80 mm×230 mm,采用最优工艺参数组合成形的差厚板U型件可以获取更低水平的回弹量。不同工艺参数对差厚板U型件弯曲回弹的影响程度按降序排列为板料尺寸、过渡区位置、过渡区长度、板料厚度。建立的神经网络模型具有较高的预测精度,可以为差厚板梁类零件的实际生产提供借鉴。
钢铁材料
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  层状单金属异质结构钢的制备方法及研究现状

  杨明维, 王书桓, 李涛, 冯运莉

  钢铁. 2023, 58(12): 96-106.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230204

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  金属材料在提高强度的同时保持良好的塑性是一项重要的研究目标,但是传统方法往往需要大量添加合金元素或者采用复杂的工艺流程,这与资源节约和环境友好的要求相违背。为了解决这一问题,异质金属材料作为一种新型的高性能材料,凭借其内部的异质结构而具有异质形变诱导(HDI)强化机制,从而在不依靠合金元素的前提下实现高强度和高塑性的协调,因此近年来被广泛关注和研究。其中,层状异质材料以其独特的异质相层、异质片层和异质晶粒尺度层为特征,可以通过简单的热机械加工方法制备,具有工艺流程简单、应用潜力大等优势。综述了不同成分体系下层状单金属异质结构钢的制备方法、结构特征、组织演变规律和强韧化机制,并举例说明了不同类型异质结构对力学性能的影响,如强度、塑性、韧性等。分析了不同成分体系下层状单金属异质结构钢的热机械加工制备方法,并阐述了其内部异质结构的形成机理和影响因素。此外,还归纳了不同钢种的组织调控策略,如控制相组成、相比例、相形貌、相分布等,以实现层状单金属异质结构钢的优化设计。最后,指出了层状单金属异质结构钢面临的挑战和发展方向,如稳定性、可靠性、可加工性等,并展望了其在工业领域的应用前景。
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  Fe-C-Si合金固态脱碳过程氧化层演变规律

  周玉青, 艾立群, 洪陆阔, 孙彩娇, 周美洁, 佟帅

  钢铁. 2023, 58(12): 107-118.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230224

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  结合钢铁行业综合低碳减排研究现状,提出了电炉+固态脱碳制备硅钢的工艺构想。由于在固态脱碳过程中钢表面会形成氧化层,试验以1 mm Fe-Si-C(Si 1.5%~3.5%;C 0.18%~0.48%(质量分数))合金为研究对象,在H₂O-H₂气氛下开展固态脱碳研究,以此来揭示脱碳过程中表面氧化的规律。利用FactSage热力学软件绘制H₂O-H₂气氛下Fe-C-Si氧化热力学平衡相图,明确了各温度、气氛条件下Fe、Si选择性氧化的热力学规律。在1 423 K温度下开展固态脱碳试验,结果表明,脱碳效果良好,脱碳后碳质量分数可达到0.02%以下;气氛pH₂O/pH₂小于0.31时(p_H2O、p_H2分别为水蒸气和氢气的分压),固态脱碳后Fe-C-Si合金表面氧化物主要为SiO₂,气氛pH₂O/pH₂达到0.34时,脱碳后Fe-C-Si合金表面氧化物主要由SiO₂和Fe₂SiO₄ 2种氧化物组成,随着气氛氧化性的增强,表面氧化物由SiO₂转变为Fe₂SiO₄,这与热力学分析结果一致。试验利用扫描电子显微镜对脱碳后氧化层形貌、厚度进行观察分析,结果表明,在1 423 K下,pH₂O/pH₂=0.31时3.5%Si合金薄带氧化层内氧化物为细小球状SiO₂,pH₂O/pH₂=0.56时氧化层内SiO₂尺寸增大,且在氧化层与基体之间形成了一条明显的深色条状带;1.5%Si硅钢固态脱碳后所形成的氧化层内高度弥散分布着粒度细小的球状SiO₂,在氧化层与基体之间并没有形成可作为分界线的条状SiO₂带。研究氧化层生长动力学发现,1 423 K下Fe-1.5%Si-C硅钢氧化层生长速率最大,1 363 K下Fe-3.5%Si-C硅钢氧化层生长速率最小,这主要是因为脱碳过程形成了一种“蜂窝状”的氧化层结构,并不断向基体内部生长。
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  QP980淬火-配分钢MAG焊接头组织及力学性能

  王金凤, 苏文超, 蔡笑宇, 袁耀, 郭亿

  钢铁. 2023, 58(12): 119-127.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230411

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  QP980淬火-配分钢属于第三代先进高强钢,具有强塑积高、成形性好等优点而成为汽车轻量化发展的重要材料。对国内某公司生产的1.5 mm厚的QP980淬火-配分钢采用机器人MAG焊(熔化极活性气体保护焊)进行焊接,分析焊接工艺参数对其焊接接头组织和力学性能的影响。考虑到焊接的淬火作用以及焊接接头的等强匹配原则,采用ER50-6焊丝作为填充材料。研究结果表明,在合适的焊接工艺窗口内,减小焊接热输入有利于提高焊接接头的强度,但对其塑性有不利影响。焊接接头横截面的组织和力学性能变化非常大,焊缝金属区主要由铁素体和珠光体组成,硬度较低,但能达到原始母材的硬度值;靠近焊缝的热影响区主要是完全相变区,该区是由原始母材组织发生奥氏体转变后冷却产生的以板条马氏体为主的组织,硬度较母材有较大提升,该区成为焊接接头的硬化区,而靠近母材的焊接热影响区主要包括两相区和回火区,两相区中部分组织发生了奥氏体转变,冷却后转变的组织较原始组织中的马氏体含量有所降低,硬度略有下降,而回火区是由原始组织中的铁素体、少量奥氏体以及发生了回火的马氏体组成,由于马氏体的回火作用,硬度也略有降低。在该钢的MAG焊中,焊接接头软化现象不明显,软化区硬度达到母材硬度的90%以上,焊接接头最小抗拉强度为母材抗拉强度的80%以上。
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  碳酸化孔隙液中2304不锈钢的自然钝化及点蚀行为

  陈浩东, 邹德宁, 陈兴润, 钱张信, 李雨浓, 李苗苗

  钢铁. 2023, 58(12): 128-136.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230369

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  混凝土的碳酸化是钢筋混凝土(RC)结构主要的失效形式之一,更有甚之在沿海、寒冷地区等苛刻环境下使用除冰盐时,RC结构还会受到碳酸化及氯化物侵蚀的协同作用,导致使用寿命大幅降低。为此,分别对混凝土的碳酸化以及碳酸化和氯化物协同引起的不锈钢失效行为进行专门研究。通过浸泡试验、电化学阻抗谱(EIS)、X射线光电子能谱仪(XPS)、动电位循环极化(CPP)等方法研究了碳酸化孔隙液中2304不锈钢的自然钝化及点蚀行为,采用扫描电镜(SEM)及能谱仪(EDS)分析其腐蚀后形貌。结果表明,2304双相不锈钢在模拟混凝土孔隙液(pH13.34)中浸泡9 d后,频率为0.01 Hz的阻抗模值Z_{f=0.01 Hz}随浸泡天数增加而不断升高,由3.20×10⁵Ω上升至1.01×10⁶Ω,表明试验钢在该溶液下可以自然钝化形成钝化膜;在不同碳酸化程度(pH13.34、pH11.00、pH9.67)下浸泡9 d的试验结果表明,随溶液pH值降低,不锈钢Z_f=0.01 Hz由1.02×10⁶Ω减小至3.01×10⁵Ω,试样表面钝化膜发生降解;XPS分析得知试验钢外层钝化膜主要以Fe³⁺主导,内层以Cr(OH)₂为主,碳酸化会使外层钝化膜中Fe²⁺与Fe³⁺比例降低,而对内层钝化膜几乎无影响;在不同碳酸化程度的含3.5%NaCl模拟混凝土孔隙液中,试验钢的点蚀电位及再钝化电位由0.635 V和0.557 V提升至0.960 V和0.876 V;研究表明碳酸化使得2304不锈钢的耐点蚀能力增强,这归因于Cl^-与HCO^-₃的竞争吸附作用,高浓度的HCO^-₃可以抑制点蚀发生,而点蚀主要在O-Al夹杂物处萌生。
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  GH3535高温合金的蠕变断裂机理和寿命预测

  张建雄, 王晚霞, 樊光程, 贾彦彦, 龚永勇, 陆燕玲

  钢铁. 2023, 58(12): 137-145.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230323

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  钍基熔盐堆中构件与高温熔融的氟化盐、核燃料及其裂变产物直接接触,这导致材料要同时处于高温、受力、强中子辐照和强熔盐腐蚀等交互作用的多重极端环境中。GH3535合金作为熔盐堆构件的候选材料之一,其力学性能的研究对熔盐堆的设计和安全性评估具有重要意义。以GH3535高温合金为研究对象,开展了650、700、750、800 ℃不同应力条件下的蠕变试验,采用SEM、EDS、EPMA等表征方法分析了合金微观组织与蠕变断裂机理。结果表明,GH3535合金在650 ℃时,其断裂方式为沿晶断裂,随着温度的升高,该合金的断裂方式由沿晶断裂转变为韧性断裂。GH3535合金一次析出相富含Mo、Si和C元素,其既存在于晶界又存在于晶内,蠕变过程中有二次析出相在晶界处析出。蠕变裂纹起源于晶界交汇处,裂纹处存在C元素富集。利用蠕变试验数据,建立了GH3535合金的Norton蠕变模型,获得了同一温度下的蠕变速率与应力关系式,得到了GH3535合金的蠕变极限。在此基础上,建立了基于时间温度参数法的Larson-Miller(LM)模型和基于蠕变曲线的修正θ参数模型。相比于LM模型,修正θ参数法可以充分利用蠕变曲线信息,具有更高的预测精度和更好的实用价值。
环保与能源
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  (NH₄)₂SO₄对烧结烟气脱硫活性炭的中毒机理

  陶家杰, 李俊杰, 龙红明, 春铁军, 钱立新, 施琦

  钢铁. 2023, 58(12): 146-155.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230110

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  近年来,国家环保政策对烧结烟气污染物减排提出更高的要求,烟气脱硫脱硝成为钢铁工业烟气污染物治理的重点。活性炭具备良好的吸附性能和表面活性,在烟气净化领域得到广泛应用。部分钢铁企业利用烧结过程可以处理固废、废液等能力,将烧结烟气脱硫活性炭解析过程产生的制酸废液返回烧结处理,这造成制酸废液中成分会反应形成(NH₄)₂SO₄进入烧结烟气,最终会与烟气中粉尘结合并被活性炭捕集。采集工业现场烧结烟气脱硫使用的新鲜活性炭和解析活性炭,在实验室模拟中毒条件,采用浸渍法对新鲜和解析活性炭进行(NH₄)₂SO₄浸渍负载试验,研究了活性炭表面负载(NH₄)₂SO₄对其脱除SO₂性能的影响,并通过微观结构分析和表面官能团检测,揭示了(NH₄)₂SO₄对活性炭的中毒机理。结果表明,新鲜活性炭和解析活性炭表面浸渍(NH₄)₂SO₄后,2种活性炭的脱硫活性均出现显著降低,脱硫值分别由29.7 mg/g和53.5 mg/g降低到10.3 mg/g和19.6 mg/g。(NH₄)₂SO₄对活性炭的中毒机理主要包括2个方面,一方面(NH₄)₂SO₄会破坏活性炭表面官能,增加表面酸性,减少表面碱性官能团数量,从而影响活性炭脱硫性能;另一方面解析活性炭表面吸附了烧结烟气中粉尘,(NH₄)₂SO₄会结合粉尘进入活性炭孔结构中,造成比表面积降低,微孔和介孔数量减少,进而降低其脱硫性能。在烧结烟气使用活性炭法脱硫的工业现场,不建议将含有铵根离子的固废或者废液返回烧结使用。
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  不锈钢粉尘碳热还原渣高效粉化分离

  刘培军, 储满生, 柳政根, 闫瑞军, 唐珏

  钢铁. 2023, 58(12): 156-164.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230444

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  不锈钢粉尘是钢铁冶炼过程产生的典型二次固废,其含有大量的有价金属铁、铬和镍的氧化物,具有较高的回收利用价值。碳热还原法是一种高效冶炼金属矿物的火法工艺,使用碳热还原法处理不锈钢粉尘过程中,还原渣发生的粉化反应及冷却后的粉化效果会影响还原渣体系的理化性能,影响还原产物渣和金属的分离效果。通过高温试验研究了粉化控制过程工艺参数保温温度、保温时间和降温速率对还原渣粉化效果的影响。试验结果表明,不锈钢粉尘碳热还原-粉化控制后获得的还原渣自粉化率及自粉化渣的质量分数随着保温温度的升高呈现先增加后降低的趋势;还原渣自粉化率及自粉化渣的质量分数随着保温时间的增加呈现逐渐增长的趋势;还原渣自粉化率及自粉化渣的质量分数随着降温速率的降低呈现逐渐增长的趋势。在还原温度为1 450 ℃、升温速率为10 ℃/min、还原时间为20 min、碳氧比为0.8、控制保温温度为1 100 ℃、保温时间为15 min、降温速率为15 ℃/min的条件下,还原渣的自粉化率达到95.26%,自粉化渣的质量分数达到91.36%。在不锈钢粉尘碳热还原的过程中,还原渣中Ca₂SiO₄的生成反应极易进行,在不锈钢粉尘粉化控制过程中,温度低于1 100 ℃时,还原渣中基本没有Ca₂SiO₄生成,温度高于1 100 ℃时,Ca₂SiO₄的生成反应快速进行,促进了还原渣的自粉化率和自粉化渣的质量分数,在保证充足的还原条件下,有效提升还原产物渣和金属的分离效果,获得了高金属回收率和高品质合金颗粒。
装备技术
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  VC轧辊过盈力及过盈量的计算及影响分析

  张冀, 白振华, 刘亚星, 王佳臣, 白硕, 张文军

  钢铁. 2023, 58(12): 165-173.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230197

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  支撑辊液压胀形作为VC轧机独有的辊型调控手段,是控制负载辊缝与板形质量最有效的方法之一。同时,因为VC辊液压胀形作用的存在,过盈力和过盈量的定量计算成为VC轧辊设计和校核的关键。为此,首先通过分析VC轧辊套筒和芯轴热装之后的受力与变形情况,提出了原始过盈量和原始过盈力的计算方法。然后,考虑VC轧辊套筒和芯轴受力对轧辊挠度的影响,根据套筒和芯轴在轧制过程中的变形几何关系,确定了VC轧辊套筒和芯轴的变形协调方程,并结合轧制过程中力平衡与力矩平衡方程,建立了VC轧辊实际过盈力和实际过盈量分布的计算模型。最后,利用国内某VC轧机的轧辊结构参数和实际生产过程中的典型规格带钢工艺参数,定量计算并分析了带钢轧制过程中过盈力和过盈量的分布。进一步在极限油压50 MPa范围内选取9.8、19.6、29.4、39.2、49.0 MPa 5种油压,计算并分析了不同油压对过盈力分布的影响。结果表明,过盈力和过盈量分布的主要影响因素是轧制力和油压,且油压对过盈力和过盈量的影响大于轧制力的影响;油压的升高有效降低了过盈力,且油压的变化对距离油腔边部越近的部位影响越大,反之则影响越小。VC轧辊过盈力及过盈量计算模型的建立为VC轧辊的设计和校核技术提供了理论参考,具有一定的实际应用价值。