2023年, 第58卷, 第4期　刊出日期：2023-04-15

  

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综合论述
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  低碳合金钢带状组织控制研究现状

  杨永坤, 朱佳雨, 李小明, 王阳, 战东平

  钢铁. 2023, 58(4): 1-10.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20220636

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  铁素体/珠光体带状组织是低碳合金钢热轧过程常见的组织缺陷,不仅恶化钢材横向塑性及韧性,而且严重影响后续加工零部件的使用寿命。近年来,带状组织的控制一直是高品质钢研究的重点之一。为了充分认识带状组织,综述了国内外关于带状组织形成机理、影响因素及控制方法的研究现状,指出了带状组织控制思路及方向,为今后学者研究提供一定的启发和参考。分析发现,合金元素偏析是带状组织形成的必要条件,而铁素体形核、长大以及碳元素的扩散是带状组织形成的决定条件。元素富集区和贫化区的铁素体形核速率差是影响带状组织形成的直接原因,提高热轧后冷却速率不仅可以降低不同区域铁素体形核速率差异,而且可以减少碳元素扩散距离,抑制带状组织的形成。此外,再结晶获得较大奥氏体晶粒尺寸,可以降低单位体积铁素体形核核心,阻碍铁素体生长平面形成,影响元素偏析带的连续性,进而破坏带状组织的形成。但是较快冷却速率下形成的魏氏体组织和较大奥氏体晶粒相变生成的粗大铁素体均不利于基体性能。固态相变过程中,利用氧化物冶金技术可以调控晶内铁素体形成和先共析铁素体的生长方向,改善微观组织和力学性能各向异性,实现带状组织的控制。
原料与炼铁
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  高炉喷吹用高可磨兰炭的调控制备与工业试验

  何江永, 邹冲, 赵俊学, 任萌萌, 俞楠, 李彦雄

  钢铁. 2023, 58(4): 11-20.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20220620

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  可磨性差是制约兰炭在高炉中喷吹应用的关键问题,在调研大样本量工业兰炭的可磨性指数基础上,分别采用SEM、XRF、FTIR、XRD、N₂吸附法表征了兰炭的表面形貌、矿物元素、官能团、微晶结构及孔隙结构,探究了热解条件和微观结构对兰炭可磨性指数的影响机制,开展了制备高可磨兰炭的工业试验。结果表明,超过50%的工业兰炭表现出较差的可磨性能(可磨性指数＜52);灰分中w(Si+Al)/w(Ca)越小,兰炭可磨性指数越高;灰分中硅和铝主要以氧化物的形式呈现出点状聚集式分布,对可磨表现出明显的抑制作用;钙元素表现出弥散分布的特性,对可磨表现出积极的促进作用。热解过程存在最佳可磨性指数对应的热解温度,但不同煤种的热解温度存在差异。当热解温度低于转变温度时,比表面积和芳香层层间距d002的增大以及颗粒内部的分解、解聚对基质强度的弱化共同促进可磨性指数的提高;当热解温度高于转变温度时,缩聚反应导致的兰炭基质强度增强是可磨性指数降低的主要原因。基硅研究和工业试验研究均表明,以优选原煤作为热解原料煤种并调控其热解条件,可制备出高可磨性且组成稳定、热值较高、燃烧性能优良的高炉喷吹用高性能兰炭。
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  高炉配加预脱水块矿的炉料软化熔滴性能

  庞焯刚, 丁望, 于原浩, 王广, 陈衍彪, 左海滨

  钢铁. 2023, 58(4): 21-29.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20220653

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  高炉配加天然块矿对降低炼铁工序碳排放具有重要意义,针对澳洲C4澳矿严重爆裂而恶化炉料透气性和软熔性能的问题,对C4澳矿进行预脱水,研究了预脱水前后C4澳矿的爆裂性能和软熔性能,并考察了预脱水C4澳矿配比(质量分数为12%～24%)对混合炉料软熔性能的影响。结果表明,随着温度由600 ℃上升至900 ℃,天然C4澳矿的爆裂指数由8.05%迅速提高至22.5%,而预脱水C4澳矿的爆裂指数由3.38%提高至7.11%。烧结矿的软化起始温度(t10)、滴落温度(t_d)较高但熔化区间最窄,综合熔滴性能最佳,其次为球团矿和C4澳矿。相较于天然C4澳矿,预脱水C4澳矿的软化起始温度提高82 ℃,熔化起始温度(t_s)提高47 ℃,软化区间(t40-t10)和熔化区间(t_d-t_s)分别缩小了26 ℃和50 ℃,软熔带向高温区移动,但天然C4澳矿和预脱水C4澳矿的最大压差ΔP_m和透气性指数S值均较高,过量配加不利于炉况顺行。相较于76%烧结矿+24%球团矿的炉料结构,配加C4澳矿后炉料软化区间更窄,而熔化区间更宽,ΔP_m和S值明显升高。预脱水C4澳矿配加比例(质量分数)由12%增加至18%时,由于渣相减少,并且铁的渗碳更易进行,炉料的软化区间和熔化区间逐渐缩小,软熔带向高温区移动。然而,预脱水C4澳矿配加比例超过18%后,混合炉料整体强度降低,软化和熔化起始温度降低,炉内压差增大。基于目前的原料条件,C4澳矿的适宜配加量为18%左右,高炉使用该炉料结构可减少CO₂排放53.82 kg/t。
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  高炉铁水硅含量变动量调控决策的智能推荐模型及应用

  韩阳, 胡支滨, 杨爱民, 李杰, 张玉柱

  钢铁. 2023, 58(4): 30-38.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20220667

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  为了保证高炉炉况顺行,提高高炉热制度调控质量,深刻理解铁水硅含量变动量的动力学,以冀南地区某钢铁联合公司3号高炉为研究对象,研究铁水硅含量变动量的波动机理。量化表征降低铁水硅含量变动量的6大决策空间,通过单变量估计方法和复相关系数联合估计方法的对照分析,优选可以兼顾决策变量间耦合协同性的联合估计方法,确定铁水硅含量变动量调控决策变量的响应时间,消除变量间的时滞性;通过Hopfield神经网络、Boltzmann神经网络与Elman神经网络算法的对照分析,优选具有记忆功能的Elman神经网络算法,兼顾变量时序特征,确定变量间的耦合非线性关系,构建高炉铁水硅含量变动量智能预报模型。基于铁水硅含量变动量最小为目标,构建调控决策智能推荐模型;通过遗传算法(GA)和进化策略算法(ES)的对照分析,优选变异程度自适应变化的ES算法,智能求解推荐模型,快速获取最优的维持铁水硅含量变动量最小的调控决策。研究结果表明,响应时间估计算法对照验证了多决策变量联合估计响应时间,产生的样本集兼顾了决策变量间的耦合协同性;预报算法对照验证了Elman神经网络的优越性,目标算法构建的预报模型命中率达到94.10%;智能寻优算法对照验证了ES算法对推荐模型的求解速度和结果显著优于对照算法,并且模型在工业应用的实践中保持了离线测试的优良特性。
炼钢
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  304系不锈钢冶金过程硬质夹杂物形成机理分析

  翟俊, 王伟, 郎炜昀

  钢铁. 2023, 58(4): 39-47.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20220547

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  304不锈钢由于具有优异的耐蚀性、加工性能被广泛应用,而钢中硬质夹杂物对冷板表面质量影响较大。为了明晰304不锈钢中硬质夹杂物的形成机理,通过工业生产取样,利用自动扫描电镜ASPEX及统计方法,研究了304不锈钢冶炼过程中全氧含量、各类夹杂物的变化规律。研究结果表明,从AOD出钢到铸坯过程中,随着底吹搅拌的进行,钢中T[O]含量不断降低,T[O]质量分数由0.008 8%降低至0.002 5%。AOD出钢和LF出站夹杂物主要类型为硅酸盐,并含由少量复合型硅酸盐和镁铝尖晶石夹杂物,LF出站至铸坯,夹杂物的成分发生了部分转变,夹杂物中SiO₂含量减少,Al₂O₃含量升高。从AOD出钢至中间包,钢液中硬质夹杂物镁铝尖晶石和Al₂O₃很少,但从中间包到铸坯其比例显著增加,镁铝尖晶石夹杂物的比例增加了28%,钢-渣反应脱氧产物中的复合型硅酸盐夹杂物的比例也明显增加,而脱氧剂脱氧产物SiO₂和钢-渣反应脱氧产物中SiO₂-Al₂O₃的比例显著降低。铸坯中尺寸不大于10 μm的夹杂物所占比例较大的分别为复合型硅酸盐、镁铝尖晶石和SiO₂夹杂物。利用热力学软件计算了不同组分的CaO-SiO₂-Al₂O₃-MgO熔体随温度降低的相变行为,熔体在温度降低过程中会析出镁铝尖晶石高熔点相,且随着熔体中MgO和Al₂O₃含量的增加,镁铝尖晶石析出的温度显著升高,更易析出镁铝尖晶石。硬质夹杂物主要是由钢-渣脱氧产物硅铝酸盐和复合型硅酸盐等在连铸凝固过程中随着温度降低凝固析出形成。
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  结晶器弯月面液渣周期性流入行为与机理解析

  魏子健, 王旭东, 杨正学, 林国强, 姚曼

  钢铁. 2023, 58(4): 48-57.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20220643

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  把握弯月面处液体保护渣随结晶器振动的周期性流入机理与控制要素,是稳定和提高连铸坯表面质量的前提。考虑弯月面区域钢液-保护渣-空气三相的几何、接触和运动特性,建立了耦合钢液传热、坯壳凝固与液渣流动的数学模型,预测结果与实际测量以及相关报道吻合,模拟分析了液渣的周期性流动和流入行为。围绕影响保护渣流入和消耗的主要因素,重点研究了液渣流入的周期性行为,探讨了一个振动周期内液渣的流入量、流入速度与渣道宽度的变化特点。通过界定和解析弯月面附近不同区域液渣流入的贡献和规律特征,对主导液渣流入的影响因素和作用机制进行了分析。结果表明,在一个振动周期内,保护渣向渣道的流入过程分为2个阶段和2种过渡状态。在第一阶段,流入的液渣主要由靠近弯月面钢液顶部的区域提供;在第二阶段,流入的液渣基本由靠近渣圈的区域提供;处于过渡状态,2个区域液渣流入渣道的量是此消彼长的过程。在弯月面区域,水平方向速度是制约液渣流入渣道入口或远离渣道入口的主要因素,垂直方向速度是影响液渣流入区域与瞬态流入量的关键,并且瞬态流入量受矢量速度分量与渣道宽度共同的影响。在此模拟条件下,液渣在整个振动周期均流入,流入量峰值为正滑脱中期,流入量低谷在负滑脱中期至负滑脱结束之间。
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  M-PMO对HRB400EG螺纹钢连铸坯中夹杂物的影响

  李开创, 李莉娟, 蔡常青, 许英华, 徐衡, 翟启杰

  钢铁. 2023, 58(4): 58-68.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20220615

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  脉冲磁致振荡(pulse magneto oscillation,PMO)凝固均质化技术已成功应用于中等尺寸矩形坯和圆坯的连铸生产中。为探索PMO技术在小方坯中应用的可能性,研究了实际生产条件下结晶器脉冲磁致振荡(mold pulse magneto oscillation,M-PMO)技术对连铸小方坯夹杂物分布与数量的影响,比较了不同PMO工艺参数和线圈位置对小方坯中夹杂物上浮净化效果的影响。在连铸过程中钢液中夹杂物的变化主要受钢液流动的影响,为了探究PMO作用下结晶器内钢液的流场分布规律,建立数学模型来描述实际PMO处理过程,并采用COMSOL软件进行数值模拟。结果表明,M-PMO上位线圈处理与下位线圈处理形成的流场相同,只是下位线圈处理形成的流场位置相对下移100 mm。上位线圈处理能有效降低下冲钢液对液相穴的冲击深度,下位线圈处理略微增加了钢液对液相穴的冲击深度。研究分析夹杂物数量和尺寸变化后发现,M-PMO上位线圈有利于大尺寸夹杂物的上浮,减少铸坯中夹杂物总数量,且随着峰值电流的增大,大于10 μm夹杂物减少效果明显,体积减少率由26.07%增加到41.17%;而下位线圈有利于减少小尺寸夹杂物数量,3～5 μm夹杂物最多可以减少10.61%;同时,当增大脉冲频率时,下位线圈能够有效消除钢液冲击深度,加深对大尺寸夹杂物上浮的不利影响。通过对不同尺寸夹杂物运动趋势的分析,最终得出M-PMO上位线圈的应用可以有效改善夹杂物分布以及钢锭质量。
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  转炉吹炼不同阶段炉渣黏流特性变化

  蔡坤坤, 张朝晖, 吕明, 李东林, 习晓峰, 郭红民

  钢铁. 2023, 58(4): 69-76.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20220638

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  为明确转炉吹炼不同阶段炉渣黏流特性变化机理,结合不同时期典型的转炉炉渣成分,利用FactSage热力学模拟软件研究了碱度、FeO、MgO、MnO和Al₂O₃的变化对CaO-SiO₂-FeO-MgO-MnO-Al₂O₃系转炉渣黏度的影响,并结合生产实际给出了转炉冶炼不同阶段适宜的炉渣碱度、炉渣中合理的FeO、MgO、MnO及Al₂O₃含量。研究结果表明,不同碱度条件下转炉渣黏度随温度升高而逐渐减小,不同温度条件下转炉渣黏度随碱度增大呈现先增大后减小的趋势。炉渣黏度受FeO、MgO和Al₂O₃含量变化影响较大,受MnO含量变化影响相对较小。炉渣流动性主要与炉渣结构的聚合度和渣中固相质量分数有关,FeO、MgO和Al₂O₃含量增加可以破坏渣中硅酸盐聚合体的网络结构,多余MgO易导致渣中高熔点固相析出;Al₂O₃含量较低时,在渣中以复杂的四面体结构AlO^5-₄形式存在,易形成铝酸钙等高熔点物质,从而改变炉渣流动性。结合实际生产综合考虑,在转炉冶炼前期,炉渣碱度控制为1.4~1.5,FeO质量分数控制为20%左右,MgO质量分数控制为6%~8%,MnO质量分数控制为6%以上,Al₂O₃质量分数控制为3%~5%,炉渣黏度较为适宜,炉渣流动性较好;在转炉冶炼中后期,炉渣碱度控制为3.0~3.5,FeO质量分数控制为15%~20%,MgO质量分数控制为6%~8%,MnO质量分数控制为3%~6%,Al₂O₃质量分数控制为3%以下,炉渣具有良好的流动性。
压力加工
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  冷轧带钢板形测控前沿技术的创新方略

  刘宏民, 于华鑫, 王东城, 宋明明, 张帅, 张桐源

  钢铁. 2023, 58(4): 77-86.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20220577

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  板形在线检测与闭环控制,是生产高级精品冷轧带钢的必然要求。自主创新板形测控技术,是实现中国钢铁工业发展升级、建设钢铁强国的重大需求。在简要介绍冷轧带钢板形测控技术的基本情况、发展方向和存在问题的基础上,系统阐述了推进技术创新发展的战略构想。主要研究内容包括5个方面,板形检测通道耦合与信号解耦的原理和模型,板形调控的动态模拟和动态解耦模型,板形调控的深度智能建模,板形测控系统的计算仿真和数字孪生,板形测控系统的试验研究。需要解决的关键科学技术问题有4个,板形仪通道耦合原理和解耦方法,板形调控的动态建模和解耦方法,板形调控的深度智能建模方法,板形测控的数字孪生方法。创新目标是建立板形检测信号解耦和板形控制动态智能的方法与模型,研制国际先进的高精度板形测控信息物理系统(CPS),突破提升板形测控理论和技术水平。研究方案以国产板形测控系统应用于六辊轧机为对象,采用理论分析、建模仿真、试验研究、机器学习等方法,首先分别研究板形检测解耦、轧辊整体调整、轧辊局部调整等3个子系统,然后进行集成,通过整体系统的计算仿真和数字孪生、实验室研究和工业试验,不断改进提高。旨在促进板形测控技术的深入研究,提高钢铁工业的智能化水平。
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  热镀铝锌带钢表面缺陷形成机理及工艺优化

  张文军, 刘格非, 王孝建, 钱胜, 张冀, 白振华

  钢铁. 2023, 58(4): 87-95.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20220595

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  为了研究热镀铝锌带钢表面锌渣与锌灰缺陷的形成机理,进一步通过工艺优化提高带钢表面质量。在初步确定热镀铝锌机组热镀工艺段带钢规格与工艺参数波动对锌锅锌渣与炉鼻子锌灰产生的影响的基础上,结合热镀铝锌机组的热镀机理、设备结构特点与生产工艺参数,分析了锌渣与锌灰对热镀工艺段沉没辊系运行状态的影响,以及在热镀段不同工艺位置带钢表面形成的转印锌渣、锌渣划伤、点状锌渣与锌灰漏镀类型。同时,通过对带钢表面质量缺陷处采用扫描电子显微镜与能谱仪进行了形貌与缺陷成分分析,确定了锌渣与锌灰缺陷的主要成分为氧化锌、铁铝与铁锌化合物。在此基础上,结合热镀工艺与设备对锌渣与锌灰的形成机理展开分析,发现带钢出炉温度与入锌锅温度波动是导致锌渣与锌灰缺陷加速形成的主要因素,并利用热镀铝锌机组验证了带钢出炉温度与入锌锅温度波动是锌渣与锌灰形成原因的正确性。此外,根据锌锅沉没辊系结构参数,充分考虑沉没辊系、带钢规格、热镀工艺参数及温度影响因素建立了锌鼻子与锌锅温度场模型。在表面缺陷现场验证与温度模型建立的基础上,结合连退冷却炉能力对带钢出炉温度进行优化,有效降低了带钢表面锌渣与锌灰缺陷的改判量。为从工艺角度进一步治理锌渣与锌灰缺陷奠定研究基础,同时为热镀工艺段锌锅与锌鼻子设备升级提供了温度控制模型。
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  2Cr13钢无缝管内折叠的形成机理和消除措施

  尹元德, 张思宇, 王纯凯, 郭照生, 李珺, 汪婷

  钢铁. 2023, 58(4): 96-106.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20220640

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  为了研究某钢管公司2Cr13钢无缝管实际生产中出现的内折叠缺陷问题,在测定2Cr13钢高温力学性能的基础上,借助于有限元软件Simufact,通过Oyane韧性断裂损伤场模拟预测了2Cr13钢的临界压下率范围,并对典型规格2Cr13钢管现有工艺穿孔过程进行三维弹塑性有限元模拟,分析了穿孔过程中轧件的应力/应变分布、温度场、力能参数及内折叠缺陷形成的倾向性,在此基础上研究了不同的穿孔调整参数对穿孔内折叠及轧卡倾向性的影响。结果表明,2Cr13钢临界压下率在6.0%~6.5%之间,穿孔不发生内折叠且二次咬入顺利的顶前压下率范围较窄,工艺调整范围较小;轧辊入口锥摩擦因数增大,利于穿孔的二次咬入,同时减小轧辊磨损及内折叠的发生;现行工艺穿孔时,在距离管坯前端面约80 mm处,管坯中心点三向正应力均为拉应力且同时达到最大,最大横向、径向和轴向拉应力分别为87.30、12.39和53.38 MPa;在该处及其附近区域管坯中心发生了内撕裂,进而产生穿孔内折叠缺陷;将顶前压下率由原工艺的6.39%调整为5.75%,穿孔过程中轧件中心不发生内撕裂现象,不产生内折叠缺陷。优化的调整参数为,轧辊辊距BCK=133.6 mm,导板距LCK=145 mm,顶头前伸量b=89 mm。通过现场生产探伤数据对模拟结果的正确性进行了验证。
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  铁钴镍合金配比对层间真空涂覆流动性的影响

  宜亚丽, 秦越, 冯康康, 沈晓龙, 张彪, 金贺荣

  钢铁. 2023, 58(4): 107-115.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20220633

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  在复合板基层与复层中间添加金属夹层可以阻隔界面间发生的元素扩散,但传统的真空热轧法因界面真空度不易保证,在夹层与复合板结合界面处极易出现氧化物和杂质。因此,采用熔融态夹层添加方法,选取流动性较好的铁钴镍合金作为夹层材料,从提升合金熔体流动性角度出发,基于流体力学控制定律以及合金凝固理论,考虑及合金熔体剪切力和表面压力对涂覆过程的影响,建立了不同合金配比影响下的半定量熔体层间涂覆数学模型;运用JMatPro软件分析了铁、钴、镍各元素质量分数变化对合金热物性参数的影响规律,以流动距离为指标,进行不同合金配比下的2因素3水平正交试验,通过直观分析法确定涂覆率较高的合金配比方案;根据课题组前期研究结果,确定初始涂覆温度为1 650 ℃,涂覆压差为85 kPa,吸口直径为8 mm和夹层宽度为16 mm的涂覆工艺参数,依靠锭模旋转式真空电弧熔炼/吸铸系统,进行不锈钢复合板坯层间真空涂覆试验,并对比不同合金配比下层间涂覆情况,结果表明,铁钴镍合金在铁质量分数较小及镍质量分数较大时夹层涂覆率相对较高;选用Ni₈₀Co₁₅Fe₅合金,成功制得了涂覆完整的夹层,涂覆效果及夹层表面质量良好,与数学模型进行比较,试验结果与模型分析所得结论相互印证。
钢铁材料
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  冷却模式对NM400相变塑性及残余应力的影响

  方玉, 丁文红, 梁亮, 汪净, 鲁小轩, 彭冲

  钢铁. 2023, 58(4): 116-125.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20220591

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  轧后快速冷却已成为制备耐磨钢NM400的重要手段,但快速冷却过程会在带钢内引入高幅值残余应力,导致带钢出现板形缺陷,并在后续加工以及使用过程中出现畸变。因此,弄清NM400在连续冷却过程的相变行为以及冷却速度对其相变行为的影响规律,是干预带钢相变行为、改善连续冷却过程带钢内残余应力水平及分布的关键。针对某厂热轧连续冷却过程采取的两种冷却模式造成的板形差异问题,通过热模拟试验、基于断裂力学原理的裂纹柔度法以及建立ABAQUS有限元仿真模型,计算了连续冷却过程的温度场、应力应变场,揭示了冷却模式对NM400相变塑性及残余应力的影响规律。研究结果表明,连续冷却过程残余应力的形成分为3个阶段,即热应力主导阶段、表面相变主导阶段和心部相变主导阶段;相变塑性应变的大小及方向与加载在相变瞬间的应力直接相关;加大冷速会提高带钢心部相变开始时带钢表面相变的体积分数,该体积分数越大,心部开始相变时所受到的拉应力水平越高,所产生的相变塑性应变越大,与相变应变两者叠加后在材料内会引入高幅值残余应力。研究成果可为耐磨钢NM400连续冷却过程残余应力调控提供数据基础和理论依据。
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  碳和氮含量对大规格球扁钢组织和性能的影响

  陈密达, 张云祥, 梁丰瑞, 周乃鹏, 陈石

  钢铁. 2023, 58(4): 126-137.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20220540

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  在全球船舶大型化的发展背景下,中国为顺应国际市场需求,提高运输效率,对船舶材料的规格和性能提出了更高的要求,作为船舶主要型材的球扁钢,原有的成分设计已满足不了现有大规格的强度、韧性和截面均匀性等要求。为满足行业需求,研发了一种高强韧性、截面均匀性良好的18号不对称球扁钢,并采用热轧+回火工艺替代热轧+调质工艺以降低成本。试验钢为3种不同C、N成分设计的V-N微合金化钢,经工业生产成热轧态后进行实验室回火和检测。通过透射电镜、相分析等材料表征手段和力学性能检测对3种试验钢进行对比研究,研究不同C、N含量球扁钢热轧态和回火态球头和腹板部位的强度和低温韧性,并在此基础上定量计算各强化增量值。结果表明,热轧态球扁钢球头和腹板显微组织均含有多边形铁素体(PF)、珠光体(P)和粒状贝氏体(GB)。PF和P的微观结构组合提供了更好的低温韧性,而GB使试验钢韧性降低。经680 ℃回火2 h后,3种试验钢能在保证强度损失较小的前提下大幅度提高韧性。尤其是低碳高氮钢,由于细小的晶粒尺寸和V(C,N)析出相尺寸,使得低碳高氮钢球头和腹板的屈服强度为560 MPa左右,截面均匀性进一步提高;且由于大角度晶界含量高,低温韧性进一步改善,球头韧脆转折温度降低至-58 ℃,拥有优异的强韧性匹配。
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  温度对高锰高铝钢氧化动力学规律的影响

  宋明明, 门超奇, 李建立, 朱航宇, 韩赟, 薛正良

  钢铁. 2023, 58(4): 138-147.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20220586

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  为了明确高锰高铝钢在高温下氧化的动力学规律,采用恒温氧化法研究了高锰高铝钢在干燥空气中温度为900～1 300 ℃时的氧化行为,利用XRD、SEM+EDS对氧化皮横截面和表面的的物相及形貌结构进行了分析,并利用FactSage软件对样品在不同氧分压和不同氧化温度下生成的物相进行了计算。结果表明,温度为900～1 300 ℃时,高锰高铝钢氧化均遵循抛物线规律。温度小于1 100 ℃时,氧化反应活化能为128.04 kJ/mol,高锰高铝钢氧化皮外层为富锰氧化物,中间层为锰铁氧化物,内层主要是锰铁氧化物还有少量氧化铝。中间层和内层中存在大量的气孔,中间层靠外侧的气孔为束条状气孔,靠内侧为无规则大圆形气孔,内层的气孔多为均匀分布的小尺寸气孔。温度大于1 200 ℃时,氧化反应活化能为212.84 kJ/mol,高锰高铝钢氧化皮有3层,但成分与温度小于1 100 ℃时的氧化结果差异较大,外层为锰铁氧化物,中间层为富锰氧化物,内层以锰铁氧化物为主还均匀分布有少量Al₂O₃颗粒。高锰高铝钢氧化皮的致密性、连续完整性均优于温度小于1 100 ℃时氧化皮,对氧化过程的阻碍作用明显强于温度小于1 100 ℃时的氧化皮。两温度段的氧化限制性环节在温度小于1 100 ℃时为金属离子的扩散,而在温度大于1 200 ℃时为氧离子的扩散。高锰高铝钢金属基体在氧化过程中,温度小于1 100 ℃时会形成无规则的楔形沿晶氧化物,而在温度大于1 200 ℃时会产生颗粒状锰铁复合氧化物及少量AlN。
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  修正的J-C和Z-A模型对LZ50钢高温流变应力预测

  李诗谦, 何涛, 杜向阳, 霍元明, 贾东昇, 李汉林

  钢铁. 2023, 58(4): 148-156.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20220605

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  楔横轧技术在成形轴类零件时具有广阔的应用前景,为实现高铁车轴材料LZ50钢楔横轧成形,需构建能准确描述LZ50钢高温流变行为的本构模型。修正的Johnson-Cook和Zerilli-Armstrong模型对金属流变应力的预测较为精确,可建立LZ50钢关于这2种模型的流变应力本构方程,同时为精确分析LZ50钢在大型轴类件楔横轧成形过程中的变形行为,需进一步分析2种模型在不同温度的平均相对误差E_AR、相关系数R以及均方差R_MSE,从而判断模型的适用性,为楔横轧在线生产提供理论依据。通过Gleeble-3800热模拟试验机在不同压缩温度(900、1 000、1 100 ℃)、不同应变速率(0.1、1、10 s^-1)条件下对LZ50钢进行热压缩试验;以1 000 ℃和0.1 s^-1作为参考温度和参考应变速率,并通过修正的Johnson-Cook和Zerilli-Armstrong模型构建了2种高温流变应力本构方程,对比在0.3~0.8应变范围内2种模型预测流动应力与实测流动应力的平均相对误差E_AR、相关系数R以及均方差R_MSE。结果发现,修正的Johnson-Cook和Zerilli-Armstrong模型平均相对误差E_AR分别为3.8％和6.9％,相关系数R分别为0.986和0.974,均方差R_MSE分别为4.979 8 MPa和8.050 1 MPa;进一步对比2种模型在不同温度条件的平均相对误差E_AR、相关系数R以及均方差R_MSE,发现Johnson-Cook模型在预测900 ℃和1 000 ℃的流变应力时具有更好的预测精度,而在预测1 100 ℃的流变应力时Zerilli-Armstrong模型预测精度更高。
环保与能源
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  转底炉用含碳球团制备及生产工艺优化

  杨涛, 雷杰, 任晓健, 万奇林, 周荣宝, 龙红明

  钢铁. 2023, 58(4): 157-166.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20220646

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  转底炉直接还原工艺是目前处理含铁锌尘泥工艺的典型代表,能充分利用钢铁尘泥中的铁、碳和锌等物质,生产的金属化球团可返回炼铁/炼钢生产工序,同时可回收氧化锌粉等高附加值资源,成为钢铁企业含铁尘泥处理技术发展的趋势之一。基于某钢铁企业转底炉生产情况,从含碳球团的成型工艺参数及还原焙烧制度等方面进行分析与优化,以期为转底炉处理含铁尘泥工艺的推广和改进提供参考。揭示了压球工艺参数如水分、辊速和压力等对含碳球团的成球性及强度的影响规律,结果表明,3个参数相互作用、紧密相关,建议混合料压球水分、辊轮转速和辊轮压力分别控制为14%、6.0 r/min和2.5×10⁴ N/cm,此时原料的成球性能和球团强度等综合性能最佳;探究了焙烧温度、焙烧时间及摆放位置对金属化球团强度性能、金属化率及脱锌率的影响,结果表明,适当提高焙烧温度和延长焙烧时间使得金属铁连晶增加、渣相填充铁连晶间的孔隙,且金属铁相、浮氏体及渣相连结增强,可提高金属化球团的强度。其中焙烧温度对改善球团微观结构并提高球团抗压强度的作用最为显著,建议焙烧温度设定为1 275 ℃、焙烧时间设定为25 min;摆放方式对还原后球团的平均抗压强度、金属化率和脱锌率等性能的影响较小,但3层摆放较2层摆放而言,会造成各层球团之间性能的差异逐渐增大。