2023年, 第58卷, 第2期　刊出日期：2023-02-15

  

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专家论坛
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  流程型制造流程的本质与共性规律

  殷瑞钰

  钢铁. 2023, 58(2): 1-7.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20220720

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  从开放动态系统整体运行的观点出发,提出流程型制造流程是由相关的异质异构的工序/装置通过一系列链接件(“界面”技术群)集成构建起来的工程系统;讨论了流程型制造流程耗散结构的集成构建过程,提出了流程型制造流程动态运行的物理本质及其工程化模型,揭示了制造流程动态运行的本构特征;归纳了制造流程的工程设计和生产运行过程中“虚”“实”结合的理念及其工程哲学意蕴,提出了“流”乃本体,以“流”观化的基本观点。
综合论述
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  中国钢铁工业绿色发展回顾及展望

  王海风, 平晓东, 周继程, 郦秀萍, 卢立金

  钢铁. 2023, 58(2): 8-18.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20220465

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  钢铁工业绿色发展是推动钢铁行业转型升级、实现可持续发展的重要途径。中国钢铁工业绿色发展经历了末端治理、清洁生产、生态工业、循环经济4个阶段。在相关政策指导下,钢铁工业推广应用了干熄焦、高炉富氧喷煤、连铸坯热送热装等技术,开展了超低排放改造、清洁生产试点示范、生态工业示范园区、循环经济示范点等工作。围绕钢铁制造流程的“产品制造、能源转换、废弃物消纳-处理-再资源化”3大功能,钢铁工业绿色发展已取得巨大进步。吨钢综合能耗(以标准煤计)从1981年的1.93 t/t下降至2020年的0.55 t/t,降幅为71.8%;吨钢颗粒污染物、SO₂排放量分别由2000年的6.77 kg/t、5.56 kg/t下降至2020年0.36 kg/t、0.30 kg/t,降幅分别为94.7%、94.6%;吨钢NO_x排放量由2007年的1.68 kg/t下降至2020年0.87 kg/t,降幅为48.2%;吨钢化学需氧量排放量由2000年的0.99 kg/t下降至2017年0.02 kg/t,降幅为98.2%;钢铁渣利用率自2005年以来一直高于90%;吨钢新水消耗量由2000年的25.24 m³/t下降至2020年的2.45 m³/t,降幅为90.3%。未来,随着钢铁制造流程3大功能的演化,钢铁工业绿色发展将向着低碳化、绿色化、智能化方向推进,通过研发推广应用全废钢电炉短流程、氢还原、非高炉炼铁、CCUS等一批绿色低碳技术和钢铁生产、企业决策等领域的智能化技术,可实现钢铁工业高质量、可持续发展。
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  燃煤电站用大型铸锻件材料设计及热处理现状

  王敬忠, 姚慧琴, 赵吉庆, 杨西荣, 杨钢, 丁凯伦

  钢铁. 2023, 58(2): 19-29.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20220497

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  从燃煤电站大型铸锻件用钢及合金的开发背景和发展历程、超超临界燃煤电站大型铸锻件用钢及合金的合金化特点、热处理工艺、微观组织及其演变等方面,综述了燃煤电站大型铸锻件用钢及合金的材料设计及热处理的研究现状。欧美日等的研究机构经过几十年的持续投入和努力,在燃煤电站大型铸锻件材料研发和生产发面均取得了瞩目的成果。中国在这方面也进行了大量投入,自1980年开始注重亚临界、超临界转子材料的研究,到2000年后超超临界材料的研究,2015年至今高超超临界材料的研究,在引进消化吸收的基础上,取得了一定的成果,开始创制拥有自主知识产权的新钢种和合金,并实现了部分产品的稳定供应。随着燃煤蒸汽参数的提高,大锻件用钢的化学成分趋于复杂化,材料的10⁵ h外推持久强度不断提高。在新型的马氏体耐热钢铸锻件成分设计中更加重视微量元素B、N应用,以及W、Mo、Co多元素复合添加的作用。国内学者在微观组织和力学性能方面对大锻件用钢的研究报道较多,研究比较深入系统,需要利用材料设计新方法结合中国现有的强大塑性加工能力,加强原型钢种或合金的创制工作。在发电机转子护环材料的研发方面也给予足够的重视。对比分析了几种典型转子用钢、汽轮机缸体及阀体用钢的关键物性指标。结合经验探讨了未来高参数超超临界电站用大型铸锻件用钢或合金材料的发展方向。
原料与炼铁
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  高铬型钒钛铁精矿金属化球团的物化性能

  吴恩辉, 李军, 徐众, 侯静, 黄平

  钢铁. 2023, 58(2): 30-38.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20220496

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  高铬型钒钛铁精矿煤基直接还原-电炉熔分新工艺是实现铁、钒、钛和铬元素综合利用最有前景的非高炉冶炼工艺之一,而金属化球团的物化性能与后续电炉熔分工艺能否顺行密切相关。采用煤基直接还原工艺,研究了还原温度、还原时间、煤矿质量比和二元碱度对高铬型钒钛铁精矿金属化球团的物相组成、金属化率、残碳量、电阻率和抗压强度等物化性能的影响规律。试验结果表明,提高还原温度和延长还原时间均有利于磁铁矿和钛铁矿分别被还原为金属铁和黑钛石,而较高的煤矿质量比和二元碱度对还原过程不利;金属化球团电阻率的大小依赖于金属化球团的物相组成、不同物相组成的含量及各个物相之间的结合形式;金属化球团的金属化率与电阻率呈现较为明显的负相关,但是随着金属化率的提高,负相关的程度有所降低;在金属化率大于90%时,电阻率均小于0.5 Ω/cm;金属铁的生成量和金属铁晶粒之间的连接作用是影响金属化球团抗压强度的关键因素,提高还原温度和延长还原时间有助于金属化球团抗压强度的提高,而随着煤矿质量比和二元碱度的提高,金属化球团的抗压强度降低。在还原温度为1 300 ℃、还原时间为35 min、煤矿质量比为25∶100、二元碱度为0.13的条件下,金属化球团的金属化率、残碳量、电阻率和抗压强度分别为92.58%、5.39%、0.3 Ω/cm和81.74 N/球。
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  钒钛磁铁矿冶炼高炉喷吹焦炉煤气的减排能力

  张淑会, 邵建男, 毕忠新, 胡启晨, 吕庆, 郄亚娜

  钢铁. 2023, 58(2): 39-46.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20220495

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  高炉喷吹焦炉煤气可以充分发挥氢还原的作用,实现高炉冶炼的低碳绿色发展。为了分析高炉喷吹焦炉煤气的减排能力,以钒钛磁铁矿冶炼高炉的现场生产数据和炉内理化反应为基础建立质能平衡模型,研究焦炉煤气喷吹量对风口理论燃烧温度和炉顶煤气CO₂排放量的影响;建立一定约束条件下喷吹焦炉煤气的操作窗口,讨论其降碳减排能力。研究结果表明,在一定的富氧率、焦比、煤比和风温下,随着焦炉煤气喷吹量的增加,风口理论燃烧温度和炉顶煤气CO₂排放量均降低。当风温和煤比一定时,通过提高富氧率可以实现喷吹焦炉煤气高炉的热量补偿。随着焦炉煤气喷吹量的增加,富氧率提高、焦比降低。不喷吹焦炉煤气,钒钛磁铁矿高炉在富氧率为3%、焦比为380.0 kg/t(Fe)、煤比为130 kg/t(Fe)、风温为1 200 ℃操作条件正常运行时,其风口理论燃烧温度为2 075 ℃、炉顶煤气温度最低为120 ℃;当焦炉煤气喷吹量为55 m³/t(Fe)时,可以维持与不喷吹焦炉煤气时相同的理论燃烧温度和炉顶煤气温度,相应的富氧率为5.63%、焦比为371 kg/t,炉顶CO₂排放量为684 kg/t(Fe);与不喷吹焦炉煤气相比,焦比降低9 kg/t(Fe),炉顶煤气CO₂排放量降低27.1 kg/t(Fe)。以理论燃烧温度为1 900 ℃、炉顶温度为110 ℃为约束条件,计算得到钒钛磁铁矿高炉可接受的焦炉煤气喷吹量可提高至185 m³/t(Fe),此时的富氧率为4.9%;与不喷吹焦炉煤气相比,焦比和炉顶煤气CO₂排放量分别降低49.7 kg/t(Fe)和103.0 kg/t(Fe),达到了显著的降碳减排效果。
炼钢
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  精炼渣的夹杂物容量的概念及其应用

  张立峰, 任英

  钢铁. 2023, 58(2): 47-60.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20220407

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  分析了目前文献中使用夹杂物组分在渣中的饱和质量分数和当前质量分数的差值除以渣的黏度(ΔC/η)这一参数来评价夹杂物在渣中溶解能力的文献来源以及该参数的局限性,包括该参数有量纲且没有包含夹杂物尺寸的影响。与流体流动的自然对流传热中使用的格拉晓夫数进行类比,提出了渣的夹杂物容量的概念,即无量纲的Zh数,同时提出了无量纲溶解速度R_y的概念,得到了渣的夹杂物容量与夹杂物无量纲溶解速度之间的关系。夹杂物容量可以用来预测夹杂物在渣中的溶解速度和溶解时间,可以用来计算溶解过程化学反应系数和夹杂物组分在渣中的扩散系数,还可以用来计算夹杂物从钢液中的去除时间。随着夹杂物容量Zh数的增加和夹杂物尺寸的增大,夹杂物的溶解时间增大。随着夹杂物尺寸的增大,夹杂物的平均去除时间增加而最大去除时间降低。温度为1 600 ℃时,针对Al₂O₃夹杂物在CaO-Al₂O₃-SiO₂渣中的溶解过程,计算得到的界面化学反应系数为5×10^-6～10×10^-6 m/s,扩散系数为2.5×10^-10～4×10^-10 m²/s,其值依据渣成分的变化而变化。
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  无取向硅钢DG47A冶炼全流程夹杂物分析

  曹建其, 陈超, 薛利强, 栗周, 赵健, 林万明

  钢铁. 2023, 58(2): 61-71.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20220477

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  在某企业生产的中高牌号DG47A(Fe-2%Si-0.36%Al-0.26%Mn)无取向硅钢热轧板中发现有长度达50 μm左右的团簇状镁铝尖晶石夹杂物,这会影响后续加工过程的产品质量。通过对BOF→RH→中间包→铸坯进行取样分析和热力学计算研究其冶炼流程中夹杂物的演变规律。采用扫描电子显微镜和能谱仪(SEM-EDS)对夹杂物的形貌、尺寸和种类进行分析,通过热力学计算了镁铝尖晶石夹杂物的生成条件,使用热力学计算软件PANDAT计算了该钢种凝固过程析出相变化规律。结果表明,RH脱碳后,夹杂物为SiO₂;RH加铝3 min后,有Al₂O₃和少量SiO₂夹杂物;在RH加硅铁、纯锰合金化后,出现Al₂O₃-MgO和含MnS的复合夹杂物;在加入脱硫剂后,出现含CaS的复合夹杂物;RH破空后,不再有单相Al₂O₃夹杂,出现Al₂O₃-MgO-MnS夹杂物,并发现少量含MgS的夹杂物。中间包及铸坯中多为Al₂O₃-MgO-CaS和Al₂O₃-MgO-MnS复合夹杂物,随着浇注的进行,CaS和MnS在复合夹杂物中的含量有增加的趋势,MgO质量分数均保持为25%左右。CaS和AlN等夹杂物通常包裹在Al₂O₃-MgO夹杂物的外侧边缘。在铸坯中也有大量单独析出的AlN、MnS类夹杂物。RH加铝阶段,夹杂物平均尺寸为20~25 μm,RH破空后下降至2~5 μm。中间包和铸坯中,随着钢液的冷却,第二相在夹杂物表面析出,夹杂物平均尺寸为3~6 μm,略有增大。热力学计算结果表明,1 873 K下当钢液中Mg质量分数大于0.000 26%时,则生成Al₂O₃-MgO夹杂物。钢液在冷却过程中,随着温度的降低,先后析出AlN和MnS夹杂物。
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  顶旋型湍流抑制器优化中间包流场的物理模拟

  王家辉, 张华, 方庆, 周家朝, 谢旭琦, 倪红卫

  钢铁. 2023, 58(2): 72-82.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20220468

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  设计了一种顶旋型湍流抑制器,使中间包冲击区内钢液在其作用下产生旋转的速度场,从而削弱钢液回流至钢-渣界面的强度,降低湍动能,避免卷渣和钢液二次氧化,以达到在冲击区内净化钢液的目的。通过水模型试验对比分析了无湍流抑制器、普通湍流抑制器和顶旋型湍流抑制器下单流中间包稳态浇注、开浇和换钢包时的多相流动行为,验证所设计的顶旋型湍流抑制器在中间包各操作阶段的优越性。结果表明,顶旋型湍流抑制器对中间包稳态浇注过程无负面影响,对非稳态浇注过程有明显改善效果。与不使用湍流抑制器相比,可以使钢液的平均停留时间由308.5 s延长至327.4 s,死区体积分数由9.67%减小至4.13%,响应时间由69 s增加到109 s,有效避免了短路流的出现。不采用湍流抑制器和采用普通湍流抑制器的中间包在开浇充包50 s后会分别产生115 cm²和55 cm²左右的钢液裸露,在换钢包过程再充包20 s后会分别产生90 cm²和50 cm²左右的钢液裸露,而采用顶旋型湍流抑制器均不会产生钢液裸露现象,且相较普通湍流抑制器可以有效降低开浇换钢包过程中钢-渣界面的液面波动幅度。顶旋型湍流抑制器可以有效改善钢液的流动状态,避免非稳态浇注时的卷渣及钢液二次氧化,提高钢液洁净度和金属收得率,且在不明显增加成本的前提下确保较高的使用时效,有较高的推广及应用价值。
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  硅脱氧弹簧钢中夹杂物在轧制过程中的演变行为

  李永超, 杨玉丹, 卢彩玲, 黎才庆, 王维

  钢铁. 2023, 58(2): 83-89.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20220472

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  不变形大尺寸氧化物夹杂是造成弹簧疲劳失效的主要原因,可通过获得具有良好变形性能的低熔点塑性夹杂物,减少轧制后氧化物夹杂的尺寸,以减轻夹杂物的不利影响。为了研究工业化生产的硅脱氧弹簧钢中氧化物夹杂在轧制过程中的演变行为,采用SEM+EDS分析连铸坯、中间坯到成品线材各阶段中氧化物夹杂的形貌、成分、尺寸和密度变化。结果表明,连铸坯中主要为SiO₂-Al₂O₃和SiO₂-Al₂O₃-CaO两类呈球状的夹杂物,基本处于低熔点区,中间坯中SiO₂-Al₂O₃和SiO₂-Al₂O₃-CaO类夹杂物呈长条状,同时发现了蝌蚪状的SiO₂类夹杂物,线材中存在5类夹杂物,其中4类呈长条状的夹杂物,除了SiO₂-Al₂O₃和SiO₂-Al₂O₃-CaO类夹杂物外,还包括CaO、MgO含量较高的SiO₂-CaO-MgO和SiO₂-Al₂O₃-CaO-MgO类夹杂物。从铸坯到中间坯,宽度不超过3 μm的夹杂物密度由1.1个/mm²增加至3.2个/mm²,占比由50%增加至80%,成品材中宽度不超过3 μm的夹杂物几乎达到100%。各阶段中宽度不超过3 μm的小尺寸夹杂物主要由SiO₂-Al₂O₃、SiO₂-Al₂O₃-CaO、SiO₂组成。轧制过程中,SiO₂-Al₂O₃、SiO₂-Al₂O₃-CaO类夹杂物的长宽比不断增加,并且其变形指数高于其他类型的夹杂物,同时,由于压缩比的原因,中间坯中所有夹杂物的变形指数明显高于线材中夹杂物的变形指数。依据夹杂物的形貌及成分演变,结合夹杂物在加热过程中结晶行为,推测连铸坯中夹杂物在高温加热时析出了结晶相,该结晶相在后续轧制过程中分离,形成了SiO₂类夹杂物和高CaO、MgO含量的复合夹杂物。
压力加工
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  针对冷轧中间浪的热轧带钢凸度分析与控制

  张强, 李洪波, 陈刚, 张杰, 张鹏武, 王武洲

  钢铁. 2023, 58(2): 90-95.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20220404

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  针对某钢厂冷轧工序电镀锌等钢种表现出的中间浪板形缺陷,通过长期的跟踪对比分析,认为电镀锌钢种冷轧中间浪缺陷与热连轧生产线的热轧带钢板廓凸度有关。为明确热轧带钢凸度与冷轧中间浪之间的对应关系,统计分析了热轧带钢凸度情况,表现出冷轧中间浪问题的热轧带钢凸度值C40均为50 μm以上,而且现场实际生产的热轧带钢C40大于50 μm的比例达到了44.07%,因此提出热轧带钢C40过大是产生冷轧中间浪的一个主要原因;分析了热轧凸度仪数据处理计算过程对实测凸度值的影响规律,并将凸度仪的在线测量值与人工离线测量值进行对比,发现离线测量凸度均大于在线测量凸度,偏差平均值为10 μm左右,因此提出热轧现场凸度仪因数据处理过程中存在的误差,导致实际生产的带钢凸度较测量值偏大是产生冷轧中间浪的另一个主要原因。针对热轧产品凸度过大,综合生产稳定性、改进过渡性原则,提出了将原凸度目标50 μm设定为30 μm的“小凸度”控制策略,并投入工业生产实践,热轧带钢凸度得到有效控制。分别连续统计实施“小凸度”轧制策略前后各5个月的实际生产数据,发现电镀锌钢种因存在中间浪问题而造成的成品降级率由月均4.46%降低到0.68%,并取得良好工业应用效果。研究成果为热轧-冷轧板形问题的协调控制提供了思路和实践经验。
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  基于PSO-BP的2205双相不锈钢热变形行为预测

  姬亚锋, 王晓军, 孟媛, 王海深, 刘瑜, 李旭

  钢铁. 2023, 58(2): 96-103.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20220509

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  针对传统数理统计方法建立的本构方程不能精确地反映材料热加工特性的问题,提出了机器学习结合优化算法的热变形预测模型。利用Gleeble-3800热模拟试验机进行了单道次热压缩试验,研究了在加热温度为900～1 100 ℃、应变速率为0.01～10 s^-1条件下2205双相不锈钢的流变行为,构建了考虑应变修正的Arrhenius模型和基于粒子群算法改进的BP神经网络模型(PSO-BP),并且采用PSO-BP模型预测值绘制了基于动态材料模型(DMM)的热加工图。通过计算均方相关系数(R²)、均方根误差(RMSE)和平均相对误差(AARE),评估了两种模型的预测能力和稳定性。结果表明,PSO-BP模型在预测2205双相不锈钢流动特性方面具有更好的性能,其R²、RMSE和AARE分别为0.999 79、1.138 7和1.43%,相对于应变补偿Arrhenius本构模型R²提高了2%,RMSE和AARE分别降低了10.147 6 MPa和4.979%,且绘制的热加工图与试验热加工图吻合良好,最佳加工工艺区间的加工温度为1 000～1 100 ℃,应变速率为3.5～10 s^-1。因此,所提出的PSO-BP模型具有较强的可靠性和适用性,可以精确地描述2205双相不锈钢的热变形特征,为2205双相不锈钢的锻造、轧制等工艺提供理论指导和技术支撑。
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  荒管端部壁厚增厚补偿控制策略及补偿机制

  汪飞雪, 张婧妍, 王泽坤, 李菲菲, 臧新良

  钢铁. 2023, 58(2): 104-112.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20220471

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  针对无缝钢管张力减径头尾增厚缺陷,基于管端壁厚补偿方案与头尾削尖技术,预设计削尖荒管的削尖参数,借助ABAQUS有限元软件建立了张力减径全过程仿真模型并通过现场试验验证其准确性。通过单一控制变量法研究不同削尖量、削尖长度等参量对张减头尾增厚缺陷所造成的管端切损长度的影响及壁厚补偿规律,通过补偿效果不同,建立“全补偿区”、“过补偿区”和“不合理区”等评判依据。考虑无缝钢管生产工艺长流程、多工序的特点及钢管尺寸在不同工序、道次、工具下的遗传特性,提出连轧-张减多工序联合控制的削尖荒管补偿控制策略,给出削尖荒管削尖参数的设计准则,并基于模拟壁厚数据推导得出削尖量有效取值范围预测模型。建立削尖荒管在张力减径咬钢-稳定轧制-抛钢全过程的头尾削尖补偿控制模型,对比分析补偿前后无缝钢管截面形状及尺寸精度,结果表明削尖荒管补偿控制策略具有显著的缺陷抑制效果。将削尖荒管补偿控制策略拓展应用于3种不同规格、不同延伸系数的钢管张减过程,验证了头尾削尖补偿控制方法的适用性,以减少60%的管端切损长度为衡量标准,各规格张减产品的削尖量均存在某个有效取值范围。对于提高无缝钢管产品质量稳定性及成材率具有一定指导意义和行业实用价值。
钢铁材料
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  锰对贝氏体钢中残余奥氏体回火稳定性的影响

  张绍龙, 周雯, 胡锋, 吴开明, 潘先明

  钢铁. 2023, 58(2): 113-125.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20220503

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  为探索锰含量的变化(锰质量分数为0.1%(0.1Mn钢)和1.5%(1.5Mn钢))对无碳化物贝氏体钢中残余奥氏体(RA)回火稳定性的影响,利用扫描电镜(SEM)、电子背散射衍射(EBSD)及透射电镜(TEM)等试验方法对残余奥氏体稳定性和力学性能的变化规律进行研究。结果表明,0.1Mn钢的热轧态组织主要是由粒状贝氏体(GB)+板条贝氏体(LB)组成,而1.5Mn钢的热轧态组织主要以板条贝氏体为主,且1.5Mn钢中残余奥氏体含量较高,屈服强度和抗拉强度均优于0.1Mn钢。在经过300~500 ℃回火后,残余奥氏体体积分数逐渐下降至完全分解,屈服强度和抗拉强度均表现为先升高后降低,但伸长率逐步增加。300 ℃回火性能最佳,原因主要是由于残余奥氏体在300 ℃回火中,块状残余奥氏体分解为过饱和马氏体/贝氏体,碳从过饱和马氏体/贝氏体中扩散至邻近残余奥氏体中使其含量增加,热稳定性得到提高,在拉伸的过程中产生了TRIP效应,从而使试验钢的强塑性得到提升。1.5Mn钢的性能明显优于0.1Mn钢,因为锰可以与碳产生协同作用共同促进奥氏体的稳定,提高伸长率,另外锰含量的增加使碳当量也提高,强度增强。基于修正C-J模型对两试验钢在拉伸过程中的加工硬化行为进行表征,发现1.5Mn钢的应变硬化指数始终大于0.1Mn钢的应变硬化指数,且试验钢均表现3个阶段的应变硬化特性。
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  铝对4Cr1.5Ni耐候钢组织和耐候性的影响

  王进建, 陈润农, 胡惠超, 刘静, 曹燕光, 李昭东

  钢铁. 2023, 58(2): 126-136.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20220475

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  耐候钢具有良好的耐大气腐蚀性能,但传统耐候钢尚无法应用于高湿热海洋大气环境,相关报道指出其在万宁暴晒8年后出现腐蚀加速现象。为了满足海洋工程发展的需要,优化传统耐候钢或开发新型耐候钢尤为重要。以传统低碳钢成分为基础,同时考虑红土镍矿资源,设计4Cr1.5Ni和4Cr1.5Ni0.8Al两种新型耐候钢,采用室内干湿循环腐蚀加速试验模拟高湿热海洋大气环境,结合光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)、X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)和电化学方法等表征手段研究新型耐候钢的组织和耐候性,着重分析了添加铝元素对试验钢微观组织、腐蚀初期锈层形貌、物相组成和保护能力的影响,相关结果可以为开发适用于高湿热海洋大气环境的新型耐候钢提供参考。结果表明,4Cr1.5Ni钢组织为铁素体和马氏体,4Cr1.5Ni0.8Al钢组织为铁素体和少量珠光体,添加铝元素会促进铁素体的形成。添加铝元素减小了4Cr1.5Ni钢的腐蚀速率、锈层厚度和腐蚀电流密度,增大了腐蚀电位和锈层电阻。4Cr1.5Ni0.8Al钢的α/γ(α-FeOOH/γ-FeOOH)值是4Cr1.5Ni钢的2.5倍,锈层保护能力明显增强。铝元素以+3价态(AlOOH和Al(OH)₃)的形式存在于锈层中,同时促进初期锈层生成更多热力学稳定的FeCr₂O₄。特别地,4Cr1.5Ni0.8Al钢中的铝与铬在锈层中的分布区域相同,即存在同步富集现象,说明铝与铬存在协同作用。
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  焊接工艺对海工钢热影响区组织与性能的影响

  朱立光, 马晨雨, 王旗, 郑亚旭, 肖鹏程, 郭志红

  钢铁. 2023, 58(2): 137-146.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20220494

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  采用镁处理的第三代氧化物冶金技术,通过铁水预处理→转炉→LF精炼→VD精炼→CC→TMCP工艺生产70 mm厚的EH420海工钢。为了研究“焊接道次”和“线能量”对热影响区(heat-affected zone,HAZ)组织以及性能的影响,对厚板进行大线能量焊接,焊接工艺分别为170 kJ/cm线能量的三丝埋弧两道焊和250 kJ/cm线能量的三丝埋弧单道焊。结果表明,与170 kJ/cm上表面相比,170 kJ/cm T/4处由于“两道次焊接”,原奥氏体晶粒尺寸由58.60 μm增加到75.22 μm;M-A组元数量接近,但岛状M-A组元平均尺寸由0.96 μm增加到1.26 μm,条状M-A组元平均尺寸由1.89 μm增加到2.44 μm;恶化了低温冲击韧性,-40 ℃平均冲击功由 205 J降低为156 J。与170 kJ/cm上表面相比,250 kJ/cm上表面由于“线能量提高”,原奥氏体晶粒尺寸由58.60 μm增加到74.75 μm;M-A组元数量减少,但M-A组元尺寸明显增大,岛状M-A组元平均尺寸由0.96 μm增加到1.52 μm,条状M-A组元平均尺寸由1.89 μm增加到2.87 μm,恶化了低温冲击韧性,-40 ℃平均冲击功由 205 J降低为187 J。经过大线能量焊接后,粗晶区中存在着以MgO为核心,Ti(N,C)附着在外围的复合夹杂物,该类夹杂物能够诱导针状铁素体(intracrystalline acicular ferrite,IAF)析出,对改善冲击韧性具有帮助作用。与170 kJ/cm T/4相比,250 kJ/cm上表面M-A组元尺寸相差不大,但数量保持在较低水平,因此250 kJ/cm上表面处冲击韧性较高。相较于多道次焊接,适当提高线能量、减少焊接道次,不仅能够提高冲击韧性,还能提高焊接效率。
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  多尺度截面组织对调质海工钢强韧性的影响

  胡磊, 张莉芹, 胡锋, 尹朝朝, 陈腾升

  钢铁. 2023, 58(2): 147-158.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20220502

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  在轧制与热处理过程中,大厚度海工钢表面到心部冷却速度、转变动力学存在较大差异,导致厚板截面上难以完全达到临界冷速,从而形成了马氏体、贝氏体多相组织。通过对特厚板截面组织观察和统计分析了解多尺度LM/LB亚结构对试验钢强韧性的影响。性能测试显示,抗拉强度与屈服强度从表层到心部略有降低,但厚板截面不同位置的低温冲击性能差别显著(表层、1/4θ(θ为厚度)、心部-40 ℃冲击功平均值分别为139、204.7、172 J)。由于马氏体较高密度的晶格缺陷在EBSD带斜率(BS)图中显示低画质的特点,结合高斯多峰拟合技术定量确定了1/4θ板条马氏体(LM)和条状贝氏体(LB)混合组织(68.3%(体积分数)LM+31.7%(体积分数)LB), 两相混合组织的1/4θ处具有高的大角度晶界比例、最低的平均取向差分布(KAM)和几何必要位错密度(GND),因而拥有优良的低温冲击韧性。无扩散型马氏体相变受形核率影响极大而贝氏体相变受形核率与原子扩散速率共同作用,厚板截面效应改变了形核率与原子扩散速度,进而影响多尺度LM/LB亚结构尺寸。引入Hall-Petch公式描述LM/LB不同尺度亚结构对屈服强度与冲击韧性的影响,通过线性拟合数值分析得到亚结构尺寸与强韧性的相关系数R,R值越大表明亚结构对材料强韧性影响越大,由此确定了板条(lath)与板条块(block)分别是决定调质态海工钢屈服强度与韧性的有效控制单元。
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  低压脉冲磁场凝固硅钢的热变形组织和行为

  郑策, 李应举, 陶文哲, 罗天骄, 杨院生

  钢铁. 2023, 58(2): 159-167.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20220504

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  为了细化硅钢铸锭组织,提高其加工性能,研究了低压脉冲磁场对硅钢凝固组织的影响规律,并对比了不同凝固组织的热变形行为和组织。研究结果表明,在硅钢的凝固过程中施加脉冲磁场,传统的柱状晶组织转变为等轴晶组织。随着磁场频率的增加,等轴晶比率(等轴晶面积/整体面积)先增加后降低,等轴晶晶粒尺寸先减小后增大。随着励磁电压增加,等轴晶比率增加,等轴晶晶粒尺寸不断增加,获得最佳脉冲磁场工艺参数,磁场频率为5 Hz,励磁电压为200 V。在该脉冲磁场工艺参数下,硅钢凝固组织中的等轴晶尺寸细化至无磁场作用时的1/2,等轴晶比率提高至100%。对无脉冲磁场的柱状晶组织和施加脉冲磁场(磁场频率为5 Hz,励磁电压为200 V)的等轴晶组织,进行了热压缩试验(温度为950 ℃,应变速率为0.01 s^-1和0.1 s^-1)和热轧试验(初轧温度1 100 ℃)。通过微观组织结果发现,无脉冲磁场作用的柱状晶凝固组织在热压缩过程中发生少量动态再结晶,组织中存在难以消除的变形晶粒,影响后续加工性能。脉冲磁场作用下等轴晶凝固组织在相同热压缩条件下获得细小均匀的再结晶组织,平均晶粒尺寸为670 μm。对比热轧板材组织和织构结果,同样发现脉冲磁场作用下的等轴晶凝固组织在热变形过程中更易发生动态再结晶,且轧制织构强度和板材各向异性更弱。
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  超高强钢的基因组数据库管理平台建设及应用

  雍兮, 刘振宝, 王长军, 宁静

  钢铁. 2023, 58(2): 168-172.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20220418

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  “材料基因组计划”主要是为了改变材料研究的“试错”模式,通过对以往试验数据的收集与整理,结合模拟计算技术、大数据与区块链等信息技术,建立材料的基础数据库、大数据管理平台、高通量模拟计算、试验与分析平台,并利用机器学习等先进人工智能技术,为能够快速开发高性能新材料提供有效的数据支撑。主要针对超高强钢研发中的数据处理需求,依托超高强钢的基础数据收集、超高强钢高通量模拟计算等,探索建立了超高强钢的基因组数据库及其管理平台,提出了数据库系统的结构框架以及基因组数据管理平台的总体架构,并展示了在该数据平台基础上进一步开发的试验数据汇总生成试验报告、计算数据解析及可视化展示等应用功能。该平台可以支持数值、文本、富文本、表格、函数、图片等丰富的数据类型,支持TB级海量数据的存储管理以及百万级数据记录的索引与检索,实现所有数据从在线采集、规范化处理、存储和管理到检索和分析的全流程高效智能化管理,从而为超高强钢基因组材料研发工作的顺利进行提供了必要的数据保障,有效提升了研究团队的数据资源化能力和数据分析能力,通过一个能够快速索引、检索并给出分析报告的数据管理分析平台,为研究部门开发新型超高强度钢提供优质服务。
环保与能源
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  典型钢铁制造流程碳排放及碳中和实施路径

  张琦, 沈佳林, 籍杨梅

  钢铁. 2023, 58(2): 173-187.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20220476

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  高炉-转炉钢铁生产流程是典型的钢铁制造流程,也是典型的铁-煤化工过程,能耗高、碳排放量大,是中国钢铁行业实现碳中和目标的重点领域。2020年,由该流程生产的钢产量占全国粗钢产量的90%以上,是钢铁行业重要的CO₂排放源,因此,以典型高炉-转炉钢铁流程为主的企业碳排放计算和碳中和路径研究引起重视。目前国内外有多种针对钢铁企业碳排放的计算方法,但不同CO₂计算边界和方法对企业CO₂排放结果差异较大,影响因素也不同。剖析了钢铁生产流程的碳排放特征,以典型高炉-转炉制造流程为例,从系统边界、碳排放核算方法以及影响因素等角度全方位分析了钢铁制造流程碳排放,核算了不同方法下390万t和550万t钢铁企业的碳排放量,并对比了不同核算方法的差异性。结果表明,A企业和B企业铁前工序的CO₂排放占总碳排放的比例分别为60.99%和54.12%,减少钢铁制造流程CO₂排放应优先考虑焦化、烧结和炼铁工序;影响钢铁制造流程减排的因素主要包括化石燃料的消耗、能源的回收率、自发电的比例和碳排放因子的选取,其中化石燃料的消耗是钢铁制造流程中最大的CO₂排放源,消耗产生的CO₂排放占总碳排放的80%以上。同时,以钢铁全流程碳中和为目标,分析了不同降碳技术、措施的应用效果和减碳路径,以期为钢铁企业实现碳达峰碳中和目标提供实施依据,为企业制定碳中和路线图和行动方案提供有用参考。