2023年, 第58卷, 第3期　刊出日期：2023-03-15

  

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综合论述
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  转炉炼钢工艺极限碳排放研究进展

  朱荣, 任鑫, 薛波涛

  钢铁. 2023, 58(3): 1-10.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20220666

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  中国钢铁行业发展取得长足进步,年钢产量连续多年位居全球第一,由此带来的CO₂排放等环保压力也日益凸显。降低钢铁行业CO₂排放至关重要。长流程炼钢工艺的吨钢CO₂排放量约为短流程炼钢工艺的3.5倍,如何降低长流程炼钢碳排放对钢铁工业的低碳发展具有重要意义。提出转炉炼钢极限碳排放工艺技术,从“低碳铁水”、“低碳冶炼”和“低碳原料”3个方面,研究分析长流程-转炉炼钢工艺的减排能力及潜力。在低碳铁水生产方面,依据现有可能实现的技术,铁水生产的碳排可由当前吨铁水碳排1.7 t/t降低至0.8 t/t;在低碳原料方面,转炉炼钢工序生产所需原辅料极限碳排放可由当前吨钢碳排197.5 kg/t降至61.7 kg/t;转炉炼钢工序采用低碳冶炼单元技术,吨钢碳排将显著下降,转炉采用20%废钢和50%废钢,吨钢极限碳排将降低至727 kg/t和466 kg/t。转炉炼钢工序使用50%废钢冶炼,喷吹生物质、采用绿电、低碳原料,转炉工序碳排放强度将从107 kg/t降至-186 kg/t,实现转炉工序“负碳炼钢”;精炼、连铸等工序着眼绿色低碳技术,有望实现炼钢厂“近零碳排”。以转炉为主的长流程低碳炼钢的研究对整个钢铁工业的低碳发展具有重大促进作用,是推进钢铁行业绿色低碳转型、落实“双碳”目标的有力手段。
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  汽车用铁素体-珠光体型非调质钢研究现状

  蒋波, 冯奕洁, 王芝林, 王海龙, 苗红生, 刘雅政

  钢铁. 2023, 58(3): 11-24.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20220505

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  基于汽车零部件发展趋势,零部件用钢的生产不断朝着低能耗、轻量化方向发展。非调质钢具有节能减排、制造成本低、生产周期短等优点,用于汽车零部件的生产符合碳达峰、碳中和的战略发展方向,且随着对非调质钢强韧性研究的深入,其力学性能已接近甚至达到调质钢水平。因此,非调质钢代替调质钢成为高品质汽车零件用钢发展的重要趋向。铁素体-珠光体型非调质钢是中国引入非调质钢以来应用最为广泛、使用量最大的非调质钢,在汽车零部件上的应用更为成熟,提高其综合力学性能可进一步扩大其应用范围。综述了汽车零部件用铁素体-珠光体型非调质钢的发展趋势,从晶粒细化、析出强化、晶内铁素体韧化等方面深入探讨了其强韧化机理。提出轧材的成分设计优化和组织调控可为非调质钢最终组织性能的保证奠定基础,而控制非调质钢深加工过程中二次加热温度、变形量和冷却制度等参数,可以进一步改善其组织性能,为开发更高强韧性的铁素体-珠光体型非调质钢提供理论依据,进而推动非调质钢的研究及生产。最后针对非调质钢在研究和生产中面临的相关问题进行总结,围绕未来铁素体-珠光体型非调质钢零部件综合性能提高的迫切需求,通过“产学研用”的合作方式,加强材料的基础特性研究,以实现全流程精确调控铁素体-珠光体型非调质钢的组织性能。
原料与炼铁
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  w(MgO)/w(Al₂O₃)对烧结矿成矿特性及冶金性能的影响

  丁成义, 杨涛, 龙红明, 韩凤光, 邱金龙, 罗云飞

  钢铁. 2023, 58(3): 25-33.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20220516

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  w(MgO)/w(Al₂O₃)(以下简称镁铝比)作为铁矿粉烧结过程的重要成分参数之一,对烧结过程的成矿特性及烧结矿冶金性能的改善意义重大。运用FactSage热力学软件理论计算了烧结体系的平衡物相组成及液相组分变化规律,随着镁铝比由1.07降低至0.67,烧结矿中液相、铁氧化物等优质物相含量增加,尖晶石等劣质物相含量下降。烧结杯试验探究了不同镁铝比烧结矿的理论物相组成、产质量指标、显微结构及冶金性能变化规律,结果表明,随着镁铝比由1.07降低至0.67,烧结速度由29.57 mm/min逐步提高至31.12 mm/min;成品率由62.89%提高至64.12%,并在镁铝比为0.77时达到最大值65.56%;转鼓强度由54.67%提高至60.27%,并在镁铝比为0.77时达到最大值64.67%;利用系数先减小后增大;固体燃耗逐渐降低,并在镁铝比为0.77时达到相对低值74.53 kg/t。随着镁铝比由1.07降低至0.67,烧结矿中铁酸钙含量先上升后降低,硅酸盐和磁铁矿含量变化较小,赤铁矿含量和孔洞量逐渐降低,镁铝比为0.77时达到最佳烧结矿物相组成。镁铝比为0.77水平的烧结矿较之基准烧结矿,还原度由73.11%提升至76.05%,低温还原粉化指数RDI_>3.15由72%稍降至70%,烧结矿的软化温度区间Δt_sa和熔滴温度区间Δt_dm分别由79、154 ℃降至65、149 ℃,熔滴性能总特性值S由1 003 kPa·℃降至823 kPa·℃,烧结矿软熔性明显改善。
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  高硅镁质熔剂性球团还原历程及冶金性能分析

  李卓, 宗燕兵, 张建良, 刘征建, 王耀祖, 马黎明

  钢铁. 2023, 58(3): 34-42.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20220542

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  镁质熔剂性球团矿是适合中国高硅铁矿粉资源特征的铁矿粉造块工艺,可以改善高硅球团矿的冶金性能,但w(MgO)与高硅铁矿粉之间的耦合关系还有待进一步研究。以企业现场高硅铁矿粉为原料,氧化镁粉为熔剂制备高硅镁质熔剂性球团矿,研究不同矿粉配比及w(MgO)对球团矿冶金性能的影响,旨在得到合适的矿粉配比与w(MgO)。结果表明,随着矿粉配比(质量分数)(A矿粉∶B矿粉=30∶70/40∶60/50∶50)的变化,还原膨胀指数由6.8%降低到6.3%,低温还原粉化指数由98%降低到96%,还原度指数由77.1%降低到55.7%,熔滴温度区间由87 ℃增大到125 ℃,熔滴性能变差。当w(MgO)由1.00%升高到1.88%时,还原膨胀指数由7.4%降低到6.2%,低温还原粉化指数由98%降低到94%,还原度指数由65.1%升高到77.8%,软熔带位置逐渐下移。但当w(MgO)为1.46%时,熔滴温度区间最小。由还原历程分析得到,MgO的添加可以有效抑制硅酸盐的生成,提高渣相熔点,保证还原过程中球团矿的孔隙率。A矿粉中的赤铁矿不利于球团矿冶金性能的改善,且用高硅矿粉制备球团矿时,w(MgO)过高会产生大量高熔点液相,使软熔带变厚。所以,球团矿最优矿粉配比(A矿粉∶B矿粉)为30∶70,最优w(MgO)为1.46%。
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  高炉喷吹富氢煤造气工艺的㶲分析

  李建鹏, 刘小杰, 吕庆, 赵军, 李欣, 郄亚娜

  钢铁. 2023, 58(3): 43-52.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20220630

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  针对高炉喷吹富氢煤造气新工艺,在采用热质平衡数学模型获得系统整体物质流的基础上,利用㶲分析理论建立了相应的㶲流分析数学模型,评价其能量利用情况。对传统高炉和两种工况条件下喷吹富氢煤造气高炉系统的㶲流分布以及㶲损失、热力学完善度、㶲效率等主要㶲指标进行计算和进一步分析。结果表明,与传统高炉物料结果相比,新工艺两种工况下条件下的矿石用量、鼓风量、渣量和炉顶煤气产生量等资源消耗、副产品降低幅度较为明显;技术经济指标中,喷吹富氢煤造气高炉工况1号和工况2号的焦比分别降低了9.2%和22.3%;尽管煤比升高了18.6%和26.1%,但系统整体燃料比仍降低1.1%和8.2%。高炉喷吹富氢煤气新工艺的㶲能结构不同于传统高炉,㶲收入来自于高炉单元的焦炭和造气炉单元的煤,同时增加了造气炉单元焦炉煤气和工业氧的㶲投入。虽然新工艺两种工况下总㶲投入较传统高炉分别升高了5.4%和5.1%,但外供煤气可利用的质量较高,㶲收益较高。新工艺总㶲损失明显降低,较传统高炉降低了16.5%和21.7%,热力学完善度由传统高炉的82.0%上升到了85.6%和86.5%,能量利用质量得到了提高。此外,新工艺㶲效率也有所升高,其中工况2号的㶲效率提高了6.8%,较传统高炉具有更高的能量转化利用效率。可见,高炉喷吹煤造气新工艺是一种非常有效的炼铁工艺。
炼钢
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  活性石灰与CaO-SiO₂-Fe_tO熔渣间界面结构特性

  张梦旭, 李建立, 李山南, 余岳, 谢潇

  钢铁. 2023, 58(3): 53-60.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20220579

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  2020年,中国的粗钢产量为10.65亿t,钢渣产量占比为10%~15%。钢渣中存在10%~20%的f-CaO会使钢渣消化而引起体积不稳定,这是钢渣综合利用的主要障碍之一。而f-CaO的产生与转炉吹炼过程中活性石灰的溶解情况紧密相关。基于实验室制备合成渣和活性石灰,采用X射线衍射仪、场发射扫描电子显微镜及其配置的能谱仪等方法,对转炉钙质成渣工艺条件下活性石灰颗粒与熔渣间的界面结构演变行为展开研究。结果表明,在转炉不同冶炼时期活性石灰与熔渣间的反应界面结构发生改变。在初期,反应界面由5个不同的区域组成,分别为未溶解的石灰层、CaO-FeO固溶体层、(Ca,Mg,Fe)橄榄石层及熔渣本体;随着反应进行,熔渣碱度提升,不连续的2CaO·SiO₂层开始在CaO-FeO固溶体层和(Ca,Mg,Fe)橄榄石层间形成,同时CaO-FeO固溶体层和(Ca,Mg,Fe)橄榄石层厚度不断减小。CaO-FeO固溶体层由约15 μm减小至约5 μm,(Ca,Mg,Fe)橄榄石层由约55 μm减小至约15 μm。由于反应界面形成了FeO和CaO两种浓度差,促使反应不断进行。反应进行到FeO质量分数小于20%时,CaO会与(Ca,Mg,Fe)橄榄石发生反应生成C₂S(2CaO·SiO₂),因此在熔渣A4中出现了约3 μm厚但并不连续的C₂S层。随着反应时间的延长,石灰颗粒将会被熔渣中形成的连续C₂S层包围,而高熔点且连续致密的C₂S层将阻碍石灰与熔渣进行传质,反应的传质环节受限,反应的进一步进行受阻。
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  Al-Ce合金对铝脱氧钛微合金钢中夹杂物的影响

  何飞虎, 彭军, 张芳, 常宏涛

  钢铁. 2023, 58(3): 61-72.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20220551

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  为了研究不同的Al-Ce合金对钛微合金钢中含铈及含钛夹杂物的影响,通过SEM、EDS及OTS夹杂物全自动分析系统对钢中夹杂物的尺寸、数量、形貌及种类进行分析,采用FactSage 8.1热力学软件中的Equilib和Phase Diagram模块计算了不同温度下钢中夹杂物的析出情况。热力学计算结果表明,CeAlO₃主要在钢液中生成,Ce₂S₃和Ce₂O₂S则在钢液凝固的过程中析出。当铈质量分数为0.005%时,随着硫质量分数从0.000 8%增加至0.003 3%,稀土夹杂物类型由CeAlO₃、Ce₂S₃、Ce₂O₂S逐渐变为单一的Ce₂S₃。试验结果表明,在钢中依次加入3种不同Al-Ce合金(w(Ce)∶w(Al)依次为4.5∶1、8.5∶1和11.5∶1)时,钢中硫含量逐渐降低,典型含铈夹杂物依次为Ce₂S₃、Ce-Al-O-S和Ce₂O₂S-CeAlO₃,形貌以椭球形和球形为主,稀土夹杂物平均尺寸从3 μm增至5.5 μm,加稀土合金的钢中Al₂O₃和Ti(C, N)的尺寸相比未加稀土合金的钢均有所减少。根据二维错配度模型以及Ce-Al-O-S-Ti(C, N)夹杂物的面扫描结果,验证了在Ce-Al-O-S夹杂与TiN之间存在着CeN过渡的可能性。在采用w(Ce)∶w(Al)为11.5∶1的合金冶炼的钢中出现了CeAlO₃在Ce₂O₂S表面呈枝晶状析出的现象,利用边-边匹配模型证明了Ce₂O₂S可以成为CeAlO₃的形核核心,两者之间存在着4种可能的位向关系。钢中单独的Ti(C, N)长大方式为连续长大和二维晶核,当Ti(C, N)在不同稀土夹杂表面经过一定时间的形核及长大后,其最终生长特点均是以稀土夹杂物为异质形核核心,沿着其表面向各个方向呈立方结构生长。
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  基于Mask-RCNN的转炉炉口形貌检测

  戴张杰, 黄成永, 刘威, 夏建超, 杨树峰, 李京社

  钢铁. 2023, 58(3): 73-78.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20220606

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  随着炼钢工序自动化要求的进一步提高,实现过程自动化加料具有重要意义。由于转炉冶炼过程时常伴随溢渣现象,炉口处易形成结瘤,致使内径减小,从而影响下一炉次加料工序进行。目前现场主要通过人工对炉口形貌进行观测以判断是否需要进行修补炉口操作,这种传统人工检测效率低,并且由于炉内光强以及技术人员的主观判断等因素,致使检测结果不稳定。随着人工智能领域中深度学习方法的快速发展及并在各行业中发挥重大作用,提出了一种基于Mask-RCNN的转炉炉口形貌检测方法。该方法基于网络模型的输出结果,通过图像处理对炉口轮廓的周长与面积进行测算,并结合最小二乘圆拟合法(LSCM),通过圆度指标对形貌进行更加合理定量的表征。试验表明,随着冶炼的连续进行,炉口面积与周长都将持续减小,对应圆度误差值持续增加,这说明过程中炉口形貌由于黏渣现象发生而持续改变。自动检测方法能够针对加料或出渣时不同转动倾角的炉口进行实时稳定检测,其识别率高达99%,具有较高的检测性能,相较于人工检测具有稳定、准确、高效的优势,大幅度提升了工艺稳定性。
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  辊式电磁搅拌线圈位置对板坯凝固行为的影响

  肖红, 王璞, 郑晴, 刘顺, 陈希青, 张家泉

  钢铁. 2023, 58(3): 79-88.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20220524

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  铸流辊式电磁搅拌是当前调控板坯凝固组织与抑制中间裂纹的有效技术。为了揭示其作用机理以及使用过程伴生的铸态组织不对称与白亮带现象,通过建立连铸过程电磁-流动-传热-凝固耦合模型,并采用分段模拟法,研究了辊式电磁搅拌及其线圈不同偏置位置对1 600 mm×230 mm断面低合金高强钢板坯连铸凝固行为的影响。结果表明,电磁辊在坯壳凝固前沿所产生的行波磁场的切向力效应及其对浓化钢水流动与温度场的影响促使了柱状晶向等轴晶生长的转变,从而在铸态组织上消除了常见中间裂纹缺陷的发生条件。同时发现,在电磁辊线圈与板坯断面对中安装工况下,其行波磁场存在突出的端部效应,即起始侧的磁感应强度与电磁力明显小于推向侧,这是导致板坯断面两端铸态组织不对称的主要原因。通过将线圈向搅拌辊行波磁场起始侧偏置安装可以有效减轻这种不对称的作用行为。当前板坯断面条件下,偏置量为150 mm时,板坯两端的磁感应强度可接近一致,铸态组织实现基本对称。结合生产试验指出,搅拌辊在坯壳凝固前沿产生横向电磁推力的冲刷作用是造成其在铸态组织中发生负偏析白亮带的诱因,这种白亮带不影响当前产品的成材率,但在后续板带产品中的演变与危害性尚不清楚。
压力加工
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  基于图卷积网络的热轧带钢轧制力预测

  李维刚, 刘玮汲, 谢璐, 赵云涛

  钢铁. 2023, 58(3): 89-96.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20220532

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  热连轧生产为多钢种、多规格混杂的带钢连续轧制过程,现有的机器学习方法不能考虑各带钢层的影响,将各带钢的轧制力预测过程视为独立的而不是关联的,这种做法不符合实际情况。提出一种预测带钢轧制力的梯度提升树-图卷积神经网络(gradient boosting decision tree-graph convolutional networks,GBDT-GCN)模型。首先,构建用于轧制力预测的带钢关系图结构,将数据集中的每块带钢作为图结构中的节点,根据带钢的轧制时序、层别关系生成各带钢节点之间的连接边,将连续轧制、相同层别的带钢关联起来;接着,将图结构输入结构调整后的GCN模型,采用平均绝对误差作为损失函数进行模型训练,采用GBDT对轧制力的影响因素进行重要性排序,并根据GCN模型的预测精度变化筛选出重要的因子作为最终的节点特征向量。最后,利用国内某热连轧机组的实际生产数据进行试验验证,结果表明,GBDT-GCN模型在测试集上的平均绝对误差为405.6 kN,相对误差在±10%以内的数据所占比例为91.5%,相较于传统SIMS模型、RF随机森林算法、MLP多层感知机模型,利用带钢关系图结构预测轧制力的GBDT-GCN模型具有更高的预报精度。
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  七机架热连轧机组板形综合控制技术

  张金飞, 么洪勇, 李子正, 邝霜, 白振华

  钢铁. 2023, 58(3): 97-103.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20220557

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  针对七机架热连轧机组机架数量多,轧制工艺复杂,各机架控制能力得不到充分发挥而造成轧件板形出现中浪、边浪以及复合浪等问题,充分考虑七机架热连轧机组设备结构特点,同时结合轧制工艺条件,采用相对长度差法来表示轧件板形值,并以轧机有载辊缝为桥梁,根据辊系弹性变形模型与金属变形模型的耦合关系进行求解,建立热连轧机组板形预报模型。根据工作辊弯辊力和窜辊量对轧件板形可快速调整的特点,结合现场实际生产情况,确定工作辊弯辊力和窜辊量的研究范围,通过板形预报模型定量分析不同工作辊弯辊力和窜辊量情况下轧机有载辊缝凸度和轧件板形的变化过程,得到轧件板形的调控域,在此基础上提出板形综合控制策略。同时为了保证轧件凸度要求和避免轧辊过度磨损,提出各机架轧件出口厚度精度和辊间压力均匀度约束条件,并以各机架轧件板形波动最小为目标函数,对工作辊弯辊力与窜辊量进行综合优化,开发出适合热连轧机组板形综合控制技术。将该技术应用到某2 050热连轧机组生产实践,结果表明,典型规格产品在工作辊弯辊力和窜辊量优化后,轧件在热连轧过程中板形质量明显改善,轧件出口板形由10.5 I改善到4.8 I,现场应用效果良好。
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  七机架热连轧机组轧制温度综合优化技术

  李学通, 张燕东, 尹宝良, 李子正, 邝霜, 王瑞

  钢铁. 2023, 58(3): 104-110.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20220573

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  热连轧轧制过程中的轧制温度会影响带钢变形抗力以及轧制力的大小,进而改变带钢的出口厚度以及出口板形分布,因此,当轧制温度设定不合理时,会导致带钢的出口厚度精度变低、出口板形质量变差。充分考虑到热连轧机组的设备特点及其轧制工艺特点,首先,通过对变形抗力模型、出口厚度模型、宽展量模型以及出口板形模型的研究,定量分析了轧制温度对变形抗力、出口厚度、带钢宽展量以及出口板形的影响效果及其影响过程。然后,针对由于轧制温度设定不合理而导致的出口板形质量较差的问题,以板形分布的极值差值程度以及波动程度为约束条件建立了带钢板形横向控制目标函数与纵向控制目标函数,进而建立了带钢板形综合控制目标函数,针对由于轧制温度设定不合理而导致的出口厚度精度较低的问题,以出口厚度偏差的标准差以及出口厚度偏差的平均值为约束条件建立了带钢厚度偏差综合控制目标函数,并在此基础上以出口板形最优以及出口厚度偏差最小为目标,以7个机架的极限轧制力、宽展量以及轧制温度变化范围为约束条件建立了七机架热连轧机组轧制温度综合优化设定目标函数,实现了七机架热连轧机组轧制温度设定值的综合优化,将该优化技术应用到了国内某热连轧机组的带钢生产中后使得带钢出口板形质量得到改善,出口厚度控制精度得到提高。
钢铁材料
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  位错强化开发超高强度无取向硅钢

  潘振东, 吴昆, 赵向东, 林媛, 张文康

  钢铁. 2023, 58(3): 111-118.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20220530

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  为了满足高速电机转子对硅钢材料的力学要求,在实验室开发超高强度无取向硅钢,以期对大生产起到一定的借鉴意义。采用一次冷轧法和二次冷轧法两条工艺路线,使合金成分为3%Si-0.8%Al的试验钢退火板保留未再结晶组织,即用位错强化方法开发超高强度无取向硅钢。一次冷轧法开发的500、600 MPa级超高强度无取向硅钢磁极化强度J_{5 000}可分别达到1.66、1.61 T。其中,退火工艺为675 ℃-4 min时,产品再结晶分数为81.2%,屈服强度R_p0.2为542 MPa;退火工艺为650 ℃-2 min时,再结晶分数为30.3%,屈服强度R_p0.2为656 MPa。二次冷轧法开发的600 MPa级超高强度无取向硅钢,退火工艺为650 ℃-2 min时,产品再结晶分数为30.7%,屈服强度R_p0.2为642 MPa;磁极化强度J_{5 000}较一次冷轧600 MPa级产品提高约0.04 T,达到1.65 T;产品综合性能水平与日本制铁35HXT590T相当。试验钢的开始再结晶温度约为625 ℃。退火工艺为700 ℃-4 min时产品组织再结晶完全。随着退火温度的升高和退火时间的延长,产品再结晶分数逐渐变大,产品力学强度、铁损单调下降,磁极化强度单调上升。退火温度从525 ℃到725 ℃,产品磁极化强度J_{1 500}提升了0.331 T,J_{5 000}提升了0.143 T,即低场磁极化强度的提升幅度更大。退火工艺不同,产品再结晶分数会有较大差异,从而对性能造成很大影响。大生产试制超高强硅钢,需要更加精确地控制退火温度和时间,才能确保产品组织和性能的稳定。
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  退火温度对含铜高强无取向硅钢强度和铁损的影响

  景文强, 程朝阳, 倪正轩, 钟柏林, 刘静

  钢铁. 2023, 58(3): 119-127.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20220533

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  新能源汽车驱动电机用硅钢需要具有高强度和低铁损,但两者难以兼得。利用纳米B2富铜析出相与基体错配度低的特性,通过退火工艺调控组织和铜析出相来实现无取向硅钢高强度和低铁损的协同优化,研究了退火温度对含铜无取向硅钢组织、析出相、强度和铁损的影响,制备出了高强度且低铁损的高性能无取向硅钢。结果表明,退火板中有高密度的纳米B2富铜析出相,随着退火温度升高,析出相尺寸先缓慢增大后显著增大,数密度和体积分数先显著减小后缓慢减小;在纳米B2富铜析出相的钉扎作用下,晶粒先显著长大后缓慢长大;纳米B2富铜相的析出强化贡献先减小后增大,细晶强化贡献逐渐减小,在两者的作用下,强度先降低后增加;由于纳米B2富铜析出相与基体错配度低,对铁损恶化作用较小,且晶粒尺寸增大使铁损降低,铁损先显著降低后缓慢增加。在950～1 000 ℃退火时,纳米B2富铜析出相尺寸和密度合适,可提高屈服强度200 MPa以上,且不会明显恶化铁损,此时能实现无取向硅钢高强度和低铁损的协同优化。
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  900 MPa级高强钢的连续冷却转变及组织调控分析

  葛琛, 赵洪山, 郑磊, 顾晨, 郭龙鑫, 董瀚

  钢铁. 2023, 58(3): 128-134.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20220564

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  为了探究新型18CrNiMo中厚板钢连续冷却相变规律及其最佳热处理工艺,绘制了试验钢的连续冷却转变曲线(CCT曲线),根据CCT曲线对钢板的热处理工艺进行工业试制并对试制钢的组织及强韧性进行了分析。采用热膨胀相变仪,结合光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、电子背散射衍射(EBSD)进行组织观察以及维氏硬度(HV)测试,综合分析绘制了试验钢的CCT曲线。结果表明,当试验钢的冷却速率不大于2 ℃/s时,室温组织主要由铁素体和粒状贝氏体组成;冷却速率为2~30 ℃/s时,室温组织从以贝氏体组织为主,逐步转变为以板条马氏体为主,且随着冷却速度增加,过冷度增大,马氏体组织进一步细化;冷却速率增至不小于30 ℃/s时,室温组织主要为马氏体组织。试验钢硬度变化呈现为2个阶段,组织由多边形铁素体逐步转变为板条贝氏体/马氏体,此时硬度由121HV快速增加到356HV;此后冷却速度继续增加,组织细化,硬度由366HV平稳上升到407HV。根据CCT曲线制定了18CrNiMo钢淬火+回火(900 ℃淬火,冷却速度10~30 ℃/s+高温650 ℃回火)热处理工艺,生产出一种屈服强度R_p0.2≥900 MPa、-40 ℃低温冲击功KV₂≥120 J的高强韧马氏体/贝氏体复相钢板。钢板中马氏体和贝氏体组织体积分数分别约为61%和39%。先形成的贝氏体组织细化了板条马氏体尺寸,有效阻碍了裂纹扩展,提高了钢材的韧性。
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  Fe-30Mn-8Al-0.8C奥氏体低密度钢变形中组织演变及变形机制

  沈逸平, 张琪, 陈光辉, 袁清, 薛正良, 徐光

  钢铁. 2023, 58(3): 135-143.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20220578

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  为了研究奥氏体低密度钢拉伸变形过程中组织演变和加工硬化机制,采用SEM、XRD、EBSD以及TEM对Fe-30Mn-8Al-0.8C奥氏体低密度钢变形过程中的组织进行观察和分析。试验钢通过添加质量分数为8%的铝使密度相对于纯铁下降了12%,时效处理后试验钢的组织为全奥氏体,晶界处有κ-碳化物析出。室温条件下,试验钢的屈服强度、抗拉强度和总伸长率分别为525 MPa、823 MPa和41.8%,强塑积达到了34.4 GPa·%。通过电子万能拉伸试验机将试样分别拉伸至工程应变为2%、10%、20%(对应真应变分别为0.020、0.095、0.182)和断裂。变形过程中,位错在低应变时倾向于集中在晶界和小晶粒处。应变较大时,大晶粒内部出现较多位错。随着应变的增加,晶粒逐渐细化,小角度晶界占比呈线性增长,位错密度升高,显微硬度升高,孪晶比例降低。拉伸试样的均匀变形组织EBSD分析结果和拉伸断口处的XRD结果表明变形后的组织中未出现机械孪晶和变形诱导马氏体,这证明变形过程中没有发生TWIP和TRIP效应。通过TEM试验发现在高应变下观察到泰勒晶格和微带平面位错组织,这表明该试验钢的变形机制为微带诱发塑性。定量分析了拉伸过程中滑移带间距的演变,通过滑移带间距结合公式估算流动应力,估算值与拉伸试验数据吻合,这表明动态滑移带细化是本试验钢中主要的加工硬化机制。
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  面向不同规格热轧H型钢组织细化的微合金化设计

  邢军, 朱国辉, 丁汉林, 蒲春雷, 王永强, 刘淑兰

  钢铁. 2023, 58(3): 144-150.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20220596

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  针对厚重热轧H型钢压缩比受限而难以通过“应变诱发相变”机制细化组织的技术难题,提出了利用超细奥氏体晶界促进相变而实现组织细化的新技术。理论分析表明,由于厚重热轧H型钢的压缩比不足以达到“应变诱发相变”所要求的应变积累,如何利用粗轧过程中稳定的第二相粒子抑制奥氏体晶粒长大,并调控精轧过程中奥氏体动态再结晶发生的临界应变,是厚重热轧H型钢微合金化设计中需重点考虑的问题之一。试验结果表明,采用Ti/N微合金化设计可有效抑制加热和粗轧过程中奥氏体晶粒长大,进而达到调控精轧过程奥氏体动态再结晶临界应变、促进有限应变量下的奥氏体动态再结晶而实现组织细化的目的。同时,Ti/N微合金化设计为NbC粒子依附TiN粒子的形核析出提供条件,形成了更为细小和弥散分布的第二相粒子,有利于抑制道次间奥氏体的静态再结晶并有效提升热轧厚重H型钢的强韧性。
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  排气系统用耐热不锈钢夹杂物控制理论与实践

  庄迎, 李国平

  钢铁. 2023, 58(3): 151-157.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20220598

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  为了增加材料抗氧化性能,用于汽车排气系统的一类奥氏体耐热不锈钢含有1.5%以上的硅元素,AOD采用硅铁进行脱氧后生成直径大于50 μm的硅酸盐夹杂物,由于钢液合金成分含量高,黏度较大,大颗粒硅酸盐夹杂物不能通过LF底吹气体搅拌方法去除,残留在铸坯中经过轧制变形后被拉长,导致排气系统用奥氏体耐热不锈钢冷轧板内夹杂物级别超过2.0级,严重影响了产品的抗高温疲劳与蠕变性能,降低了产品使用寿命。针对汽车排气系统用耐热不锈钢冷轧薄板夹杂物的较高要求,从基本热力学理论出发,根据实际冶炼过程及钢液成分计算出冶炼过程中SiO₂、Al₂O₃和MgO·Al₂O₃夹杂物生成的热力学条件及钙变性高熔点MgO·Al₂O₃夹杂物的热力学基础,根据热力学结果调整LF精炼工艺,得到如下结论,当钢液中铝质量分数大于0.003%时,钢液内夹杂物以Al₂O₃为主,并且极易生成MgO·Al₂O₃夹杂物;钙可以将高熔点MgO·Al₂O₃夹杂物变性成低熔点复合夹杂物,1 500 ℃时,钢液中铝质量分数为0.04%时,开始变性MgO·Al₂O₃夹杂物的临界钙质量分数为0.000 4%;实际生产中,将大尺寸硅酸盐夹杂物改质成小尺寸塑性夹杂物工艺为,吨钢加入0.1 kg铝丸、1.5 kg铝粉,反应一段时间后吨钢喂钙线3 m。经过LF冶炼工艺调整后生产的汽车排气系统用奥氏体耐热钢冷轧薄板全氧质量分数小于0.002 5%,夹杂物级别小于1.0级。
装备技术
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  KR法脱硫搅拌桨叶几何结构优化

  贾舒渊, 王睿之, 欧阳德刚, 商少伟, 王强, 贺铸

  钢铁. 2023, 58(3): 158-166.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20220537

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  KR(kanbara reactor)法是铁水预处理阶段稳定深度脱硫的首选工艺,广泛应用于现代炼钢工业,其通过浸入铁水中的桨叶搅拌带动铁水与脱硫剂混合,因而具有良好的动力学特性。然而,搅拌过程中桨叶附近存在强制涡流区,脱硫剂在参与反应前大量凝并导致利用率较低。因此,设计了2种简便易行的新型搅拌桨(错位式搅拌桨、高低式搅拌桨),旨在通过相邻桨叶的高度差强化桨叶附近的轴向流动,破坏强制涡流区流动特征,增强铁水微元间的相对流动,进而减少强制涡流区对KR法脱硫混匀效果的不利影响,提高铁水与脱硫剂的混合效果。采用VOF(volume of fluid)和DPM(discrete phase model)建立了KR法搅拌过程的三维瞬态数学模型,对比分析了传统四叶桨及2种新型结构搅拌桨的铁水流动、颗粒分散程度、死区范围及液面以下颗粒比例等的影响。数值模拟结果表明,新型桨叶相比传统桨叶供给铁水更多的轴向速度。错位式桨叶和高低式桨叶强化了脱硫剂分散程度,其量化颗粒分散程度Sigma值分别低于传统四叶桨约9.49%、14.18%,脱硫后脱硫剂平均粒径相比传统桨叶工况分别降低约14.91%、13.38%。使用高低式搅拌桨在300 t铁水包进行工业试验,结果表明,高低式桨叶相比同期传统四叶桨平均单硫单耗降低0.27 kg。