2023年, 第58卷, 第7期　刊出日期：2023-07-15

  

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综合论述
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  中国薄宽带钢无头轧制技术最新进展

  康永林, 朱国明, 陈贵江, 秦哲

  钢铁. 2023, 58(7): 1-8.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230076

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  介绍了薄宽带钢无头轧制技术近年在中国的最新发展情况,首先,简要介绍了中国薄宽带钢无头轧制产线建设情况,到2023年,中国无头轧制产线将达到11条,产能2 310万t/a,产线类型包括ESP、MCCR、DSCCR、QSP-DUE,中国是世界上薄宽带钢无头轧制产能最大、产线类型最多的国家;其次,重点介绍了日照钢铁针对5条无头轧制产线进行的技术集成创新,高效率、低成本的生产技术管控方式,薄/超薄带钢质量稳定生产控制,高拉速连铸碳硫控制及无缺陷铸坯控制,高精度、高质量、高均一性薄/超薄带钢无头轧制稳定控制,基于无头轧制线的低碳/微碳钢铁素体轧制等进展情况,以及日照钢铁无头轧制生产极薄宽带钢卷、超薄超宽带钢卷、超薄带钢比例、超薄超高强钢等产品开发应用、高拉速连铸控制、无头轧制轧辊长寿命控制等进展情况。简要总结了薄宽带钢无头轧制已成为钢铁产品生产技术创新、节能降碳和绿色化制造的重要方面;通过二次开发集成创新,国内部分钢铁企业全面掌握了薄宽带钢无头轧制关键核心技术,在高质量超薄、高强薄宽带钢生产应用方面取得了国际瞩目的成就;无头轧制产品形成超薄、高精度、高性能、高强度、高成材率、高均一性及低成本的产品特色和优势,在结构轻量化及节能降碳方面成效显著;加强相关工艺与机理研究,不断开发应用高强、高性能、低成本薄宽带钢产品,高拉速、高通钢量,以及全流程一体化智能化管控等技术,仍然是今后无头轧制技术发展的课题。
原料与炼铁
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  关于天然气重整制备富氢还原气体过程中析碳问题的调控——H-C-O体系质量及化学平衡衡算图的应用例

  沈峰满, 章苇玲, 郑艾军, 郑海燕, 丁智敏, 李季

  钢铁. 2023, 58(7): 9-16.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20220750

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  采用天然气重整或焦炉煤气重整工艺制备富氢还原气体时,若操作参数控制不当将会出现碳的析出问题,影响制备富氢气体工序的稳定顺行,因此研究控制制备富氢还原气体过程中的析碳非常必要。应用“H-C-O体系质量及化学平衡衡算图”和化学平衡原理,探讨了天然气重整或焦炉煤气重整工艺制备富氢还原气体过程中的“析碳”问题。在假设天然气重整或焦炉煤气重整体系处于临界析碳状态的前提下,确定了析碳曲线与还原气体n_H2/n_CO、重整温度和体系总压等因素的对应关系,从热力学角度给出了天然气重整或焦炉煤气重整制备富氢还原气体工艺中的临界析碳曲线、“析碳区”与“非析碳区”以及控制析碳且能满足直接还原铁要求的给定n_H2/n_CO值富氢还原气体制备时的重整温度与体系总压等工艺参数。结果表明,为了确保n_H2/n_CO和有效成分φ(H₂)+φ(CO)合量同时满足直接还原气体组成要求,在体系总压P_tot=0.1 MPa条件下重整温度须高于800 ℃;随着体系总压的升高,CH₄的转化率呈下降趋势;对于低n_H2/n_CO(=2),随着体系总压的升高析碳区域将增大;但对于n_H2/n_CO(=5),随着体系总压的升高析碳区域反而变小,这是因为当n_H2/n_CO较低时,碳的气化反应为主流反应,提高压力将增强析碳,而当n_H2/n_CO较高时,甲烷分解反应为主流反应,压力升高将妨碍甲烷分解,抑制了析碳的缘故;另外,体系总压过高将无法获得有效成分φ(H₂)+φ(CO)合量满足直接还原铁工艺要求的还原气体。
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  铁矿粉流态化还原气体利用率

  祝明妹, 郑忠, 唐则吉, 许玉忠, 何徐

  钢铁. 2023, 58(7): 17-26.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20220803

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  流态化炼铁工艺作为典型的非高炉炼铁新工艺和新技术之一,不仅可以促进节能减排、降低炼铁成本,还有利于推动钢铁行业的低碳绿色可持续发展。还原气体利用率是流态化炼铁还原工艺的关键参数之一,直接影响炼铁新工艺技术的工业化应用。在对CO和H₂混合气体还原铁氧化物热力学分析的基础上,采用流态化还原试验方法研究了铁矿粉流态化还原过程的气体利用率变化规律。利用微型流化床系统进行了铁矿粉的流态化还原试验,以40 mg巴西铁矿粉在流态化状态下被完全还原来研究反应温度、矿粉粒径、气体流量和混合气体体积配比等因素对试验过程还原气体利用率的影响规律。研究结果表明,在试验条件下,降低反应温度和减小矿粉粒径有利于CO气体利用率增加;CO利用率随着气体流量的增加呈现出先增加后减小的趋势,改变CO与H₂配比也具有随着CO配比增加CO利用率先增加后急剧下降的类似情况;CO利用率在CO气体流量为400 mL/min、CO体积分数为50%时达到最大值。因此,对流态化预还原过程,应考虑H₂的配比情况确定适宜的气体流量,并改善还原的热力学与动力学条件,以尽可能提高还原气体的利用率。研究结果能够加深对流态化气体还原行为的认识,并为流态化炼铁新工艺工程应用的工艺参数选择和反应器设计提供一定的理论支撑。
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  铁矿粉烧结燃烧行为与CO、NO排放特征

  胡长庆, 李超然, 韩涛, 师学峰

  钢铁. 2023, 58(7): 27-35.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230007

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  为了揭示铁矿粉烧结准颗粒燃烧特性和烟气排放规律,采用分析纯试剂替代烧结原料制备不同类型的准颗粒,通过热重法开展不同氧气体积分数、升温速率、气体流速等工艺参数下的准颗粒燃烧规律研究,并利用烟气分析仪研究了准颗粒结构和黏附粉成分对燃烧过程CO和NO排放规律。结果表明,氧气体积分数、升温速率、气体流速对不同类型准颗粒燃烧过程的影响规律是一致的,即提高氧体积分数、气体流速有利于增强O₂分子内扩散能力,促进碳-氧间的燃烧反应,改善燃烧条件。受准颗粒内部的热滞后作用影响,燃烧特征参数随升温速率增大而升高,燃烧反应向高温区移动。但由于准颗粒结构的不同,上述工艺参数变化对燃烧反应的影响程度也不尽相同。准颗粒结构显著影响燃烧过程的传热、传质行为,S′型准颗粒燃烧生成的CO、NO峰值体积分数最高,而S型、C型、P型受黏附层阻碍影响,CO、NO向外扩散的阻力增大,有利于延长CO、NO在产物层内的滞留时间,促进CO还原NO反应的发生,降低CO、NO峰值体积分数。Fe₂O₃、CaO、MgO对焦粉燃烧以及CO-NO间的还原反应等都具有显著催化作用,且CaO催化能力最强,CO、NO峰值体积分数分别降低了48.7%和50.0%。
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  高炉低碳喷吹条件下回旋区质能平衡分析

  任萌萌, 刘雯雯, 赵俊学, 裴悦, 邢相栋, 施瑞盟

  钢铁. 2023, 58(7): 36-45.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230031

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  风口喷吹参数的变化是氧气高炉、富氢气体喷吹等高炉低碳炼铁技术的共性特征。为了深入理解高炉低碳喷吹条件下回旋区的热量供给及炉腹煤气变化,基于Cantera软件构建并验证了考虑热风、喷吹气体、煤粉及焦炭的回旋区质能平衡模型,探究了喷吹气体量、喷吹气体成分、热风氧含量、风口鼓入总气量等参数对回旋区理论燃烧温度和炉腹煤气体积、成分的影响。以维持合理的理论燃烧温度和炉腹煤气量为标准,探究了各喷吹参数之间的调和平衡关系。研究表明,对于喷吹CO+H₂双组分气体工况,维持鼓入总气量1 100 m³/t和鼓入总氧量300 m³/t可基本保证回旋区理论燃烧温度和炉腹煤气量在合理范围,最大可喷吹气体量随热风氧含量增加而增加。喷吹气体中H₂含量的增加,会促进回旋区HCN的生成而导致风口焦炭消耗量略有上升、理论燃烧温度略有降低。喷吹CO+H₂+CH₄ 3组分气体时,CH₄含量的增大导致理论燃烧温度显著下降、炉腹煤气体积显著增大。喷吹富氧干馏煤气、焦炉煤气、纯甲烷3种甲烷含量不同的气体时,喷吹量每增大50 m³/t,需将鼓入总气量分别减少22、30、85 m³/t,鼓入气体总氧含量分别提高2.0%、2.5%、8.5%,以维持理论燃烧温度(2 423±1) K、炉腹煤气量(1 450±1) m³/t。各种常温气体的喷吹均会造成风口消耗的焦炭量增多,但炉腹煤气还原势随喷吹气体体积增大而显著提高,有助于发展间接还原,从而实现碳减排。
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  联合大数据和神经网络的高炉透气性预报模型

  王帅, 李强

  钢铁. 2023, 58(7): 46-53.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20220790

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  高炉的透气性对炉况的顺行至关重要,尤其是对受透气性约束(焦比大幅降低)的低碳高炉,但相关的研究十分有限。在生产实践中,高炉的透气性往往由后验获得,当高炉生产不稳定或炉况异常时,后验方法使得透气性的提高变难,此外,在低碳高炉的设计阶段是不可能通过后验方法获得其透气性的。因此,需建立先验的透气性指数预测模型以解决上述问题。基于现场收集的大数据,通过Pearson系数和灰色关联度分析(GRA)系数的相关性热力图方法对影响高炉透气性指数的变量集进行分析,明确了44个影响高炉透气性指数的特征参数。然后,对这些参数进行了数据清洗和归一化处理,以避免因存在数据值缺失、异常、特征变量间存在数量级差异等而引起的问题,构建了预测透气性指数的数据集。进而基于这些过滤后的大数据,建立并训练了一个用于预测高炉透气性指数的神经网络模型(PI-Net),该模型由输入层、3层隐藏层和输出层构成。研究结果表明,在测试集上PI-Net的均方误差为9.6×10^-5、均方根误差为9.78×10^-3、平均绝对误差为7.6×10^-3、线性回归决定系数为0.979 2,表明了建立的模型具有合理的准确性、鲁棒性和泛化能力。最后,应用PI-Net评估了几个典型低碳高炉设计方案的透气性指数特性,并探讨了受透气性约束的低碳高炉设计方案可行性。
炼钢
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  AISI 431不锈钢生产过程夹杂物转变机理

  王举, 李阳, 姜周华, 孙萌, 毛昀惬, 马帅

  钢铁. 2023, 58(7): 54-63.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20220798

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  炼钢和模铸过程中形成的大尺寸夹杂物对钢材的冶金质量有着重要的影响,国内某钢铁企业生产的AISI 431不锈钢棒材存在严重的缺陷,经显微分析后发现缺陷处主要为大尺寸的氧化物夹杂,为了分析钢中大尺寸夹杂物的来源,基于全流程取样分析对其生产过程中夹杂物的转变机理进行了研究,利用欧波同夹杂物全自动分析系统OTSInca和商业热力学软件FactSage 8.2对不同工序的钢中夹杂物进行了检测和分析。结果表明,AOD末期钢液中夹杂物主要为SiO₂含量高的CaO-SiO₂-Al₂O₃复合夹杂物,在LF初期完成铝脱氧之后转变为尖晶石和铝酸钙。在模铸工序结束后,经分析发现钢中的酸溶铝含量明显下降,钢中新出现了大尺寸的Al₂O₃夹杂物和含Na、K的硅系复合夹杂物,其中Al₂O₃夹杂物源自模铸过程中钢液注流与空气接触后新发生的铝氧反应,而含Na、K的硅系复合夹杂物来自于保护渣的卷入。在后续的加工过程中,在轧制应力的作用下2类夹杂物的最大尺寸进一步增大,Al₂O₃沿着轧制方向呈长线状,而含Na、K的硅系复合夹杂物则有所变形、破碎。对经探伤定位得到的缺陷样品进行分析,进一步验证了这2类大尺寸夹杂物会直接导致棒材探伤不合。最后,本研究提出从减少注流暴露时间、合理控制浇注过程供气强度、铸模流场设计优化和LF末期软吹氩时间与强度的控制等几个方面考虑工艺改进。
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  转炉熔渣气化脱磷循环炼钢技术开发及应用

  李晨晓, 薛月凯, 王书桓, 赵定国, 张明博, 刘善喜

  钢铁. 2023, 58(7): 64-71.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230145

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  转炉熔渣脱磷潜能巨大,在溅渣护炉阶段进行气化脱磷后可用于下一炉次,实现钢液低温脱磷,既可以避免磷元素的富集,又保证熔渣高效便捷利用。为此在唐山钢铁集团有限责任公司、承德钢铁集团有限责任公司和首钢京唐钢铁联合有限责任公司(以下分别简称为唐钢、承钢和首钢京唐)开展了转炉熔渣气化脱磷循环炼钢试验研究,工业试验分别在单渣、半钢和双联转炉工艺上开展。结果表明,唐钢单渣冶炼转炉的终点熔渣气化脱磷率最高,约为40.37%;承钢半钢冶炼炼钢转炉次之,为35.07%;首钢京唐脱磷炉熔渣气化脱磷率最低,为29.26%。反应温度对气化脱磷率的影响最大,熔渣传质速率往往限制气化脱除效果;气化脱磷渣循环炼钢炉次运行高效平稳,终点钢水磷质量分数相对比较稳定,平均为0.024%、0.026%、0.028%,分别满足冶炼钢种终点成分要求;与常规冶炼炉次相比较,试验炉次的吨钢石灰和钢铁料消耗均有不同比例降低,唐钢、承钢、首钢京唐试验炉次吨钢石灰消耗均值分别减少4.54、4.31、1.21 kg,吨钢钢铁料消耗均值分别减少4.43、3.24、2.15 kg,可见,气化脱磷熔渣循环利用会降低转炉工序造渣剂和钢铁料消耗,产生经济效益和节能减排效果。可产生经济效益和节能减排效果;对比分析转炉终渣和反应后的气化脱磷渣物相可知,高温下熔渣中P₂O₅被气化还原为P₂气体,一部分P₂与铁单质反应结合形成Fe_xP相,另一部分P₂则以气体形式从炉渣中脱除。
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  电磁悬浮对Fe-0.22%C-0.54%Si-1.46%Mn钢精炼脱磷的影响

  张培培, 张桂芳, 姜琦, 陈亮

  钢铁. 2023, 58(7): 72-79.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230033

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  为了探讨电磁悬浮精炼对钢中磷杂质去除的影响,以HRB600钢为研究对象,在电磁悬浮精炼条件下,研究了其对钢中磷杂质的去除效果。这种钢的基本化学成分为Fe-0.22%C-0.54%Si-1.46%Mn。相对于传统方法,电磁悬浮精炼技术采用超高频交变电流产生交变电磁场,依靠电磁场和感应电流之间相互作用形成的电磁力使金属熔体悬浮,具有避免坩埚污染、使材料内部成分均匀、高温快速熔炼等特点。采用电磁悬浮技术探索了电磁悬浮时间、温度及悬浮气氛对Fe-0.22%C-0.54%Si-1.46%Mn钢精炼过程中磷杂质去除及传质系数影响。研究表明,悬浮时间、悬浮温度及气氛流量对磷的脱除以及磷传质系数有影响,磷从熔体中挥发并被流动气体排出的过程为杂质元素磷从熔体边界层扩散到熔体表面。悬浮温度提高以及气氛流量增加有利于磷的脱除及磷的传质系数提高。悬浮时间延长,磷的脱除率提高,但磷的传质系数降低。当悬浮时间为45 min、悬浮温度为2 123 K、悬浮气氛流量为1.5 L/min时脱磷率最高,为40.561%;当悬浮时间为15 min、悬浮温度为1 923 K、悬浮气氛流量为1.0 L/min时,磷传质系数最高,为1.09×10^-6 m/s。
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  B₂O₃对帘线钢高碱度LF精炼渣助熔作用

  李小明, 谢昊峰, 邢相栋, 马雨溦, 张欣华

  钢铁. 2023, 58(7): 80-88.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230042

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  针对帘线钢高碱度LF精炼渣中添加萤石助熔易导致氟污染及设备腐蚀等问题,采用B₂O₃替代CaF₂作为CaO-SiO₂-MgO-Al₂O₃精炼渣系的助熔剂。基于某钢厂帘线钢现行精炼渣组分,设计B₂O₃质量分数为0~10.0%的5组试验渣系,进行熔点熔速及黏度试验,以考察B₂O₃质量分数对高碱度无氟精炼渣熔化特征温度、黏度及黏流活化能的影响。利用FactSage软件模拟计算渣系高温平衡物相转变过程,并对试验渣系进行X射线衍射以及傅里叶红外光谱分析,以研究含硼无氟精炼渣的高温熔融物相演变规律。结果表明。随着B₂O₃助熔剂添加量增大,渣系熔化特征温度显著降低,同时B₂O₃可有效降低渣系黏度及黏流活化能,当其添加量(质量分数)为7.5%~10.0%时助熔效果最佳。未添加B₂O₃助熔剂的精炼渣系熔点为1 423 ℃,精炼温度下的黏度为1.11 Pa·s;当B₂O₃添加量(质量分数)达10%时,渣系熔点降至1 245 ℃,精炼温度下的黏度降至0.28 Pa·s,下降幅度分别为12.51%和74.77%。对B₂O₃助熔机理分析显示,随着B₂O₃添加量增大,渣系初始结晶相由最初的Ca₃Al₂O₆、Ca₃MgAl₄O₁₀转变为硼硅酸盐和硅酸盐结构,体系聚合度升高,同时由于渣中[BO₃]^－简单平面三角结构单元的存在,降低了熔融渣流动过程中的黏滞阻力,渣系流动性得到改善。
压力加工
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  整辊式板形仪通道间信号耦合系数的精确获取

  于华鑫, 张桐源, 廖霜, 杨昇, 刘宏民

  钢铁. 2023, 58(7): 89-98.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20220799

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  整辊无缝式板形仪通过轴向打通孔安装传感器,其辊体表面为整体无接缝的结构,当对其某一检测通道施加载荷时,不仅当前通道有信号输出,邻近通道的信号因为力的传递也会产生显著变化,即通道间存在信号耦合现象。板形仪在实际工作过程中,带材在张力的作用下,形成沿带材横向分布的径向压力分布作用在板形辊上,由于通道耦合作用,会导致板形辊每个通道检测到的压力不等于带材对其表面的作用力。整辊式板形仪由于通道耦合会造成显著的板形检测误差,影响板形检测精度,必须对板形检测信号进行解耦,还原真实的检测信号,才能得到真实的板形。实现解耦的关键是精确获得耦合系数,耦合系数可以通过理论计算、有限元模拟和标定试验3种方法获得。以650 mm试验板形辊为研究对象,首先通过接触力学弹性半空间理论计算和有限元仿真分别得到了其对应的耦合系数;然后通过标定试验得到了标定数字矩阵,建立了由标定数字矩阵计算耦合系数的标定计算模型,并得到了标定耦合系数;最后对3种耦合系数进行了对比分析。通过对比发现,理论计算的耦合系数较有限元模拟和标定试验值偏大,主要是因为弹性半空间假设与辊体实际边界条件之间存在差别;有限元模拟的耦合系数与标定试验的耦合系数比较接近,但数据过于平稳,过于理想化,无法考虑到辊体加工精度和传感器灵敏度等一系列误差和影响因素。由于标定试验本身就是针对真实板形辊进行的,标定试验得到的数据包含了辊体和传感器等因素的影响,在方法合理的前提下,得到的耦合系数是最精确的。
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  基于遗传算法的不锈钢冷连轧机轧制规程优化

  张欣, 陈树宗, 李旭, 孙杰, 梅瑞斌, 王晓宇

  钢铁. 2023, 58(7): 99-105.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230045

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  冷轧不锈钢属于高端精品钢材,其生产过程控制系统是最复杂的工业控制系统之一,系统控制精度要求高、动态响应时间短、轧制速度快且工艺参数多。在不锈钢冷轧过程中,合理的轧制规程是保证冷轧不锈钢产品质量和生产效率的基础,其模型精度不仅会影响产品尺寸精度,而且会影响冷轧企业高端产品的研发拓展。为了提高冷轧不锈钢生产过程中的产品质量精度,同时考虑尽可能降低轧制过程总能耗,在深入研究传统负荷分配法和轧制规程计算原理的基础上,针对世界首套7机架不锈钢冷连轧机组,根据冷连轧生产工艺,设计了一种包含目标项和惩罚项的目标函数结构形式,选取电机功率均衡、轧制力均衡、压下分配合理、轧制能耗小、板形良好为目标,构建由5个单目标函数加权和组成的总目标函数,通过采用遗传算法对某850 mm不锈钢冷连轧机典型产品规格进行轧制规程优化计算,并与比例负荷分配法和Nelder-Mead单纯形法求解的轧制规程进行对比,从而确定最优的不锈钢冷连轧轧制规程。结果表明,遗传算法实现了所建立目标函数的高效求解,通过调整目标函数的权重系数,可以有选择地优化轧制规程,采用遗传算法优化轧制规程的计算精度、收敛速度和求解稳定性方面均满足在线控制要求,为高质量不锈钢冷轧生产奠定了基础。
钢铁材料
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  中间热处理对低活化钢组织及力学性能的影响

  邱国兴, 李琦, 彭雷朕, 曹磊

  钢铁. 2023, 58(7): 106-112.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230014

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  以“真空感应+电渣重熔”制备的含钇和钛低活化马氏体钢为研究对象,探索研究了N2-T(1 050 ℃保温后炉冷+980 ℃保温后空冷+755 ℃回火)和N-N-T(1 050 ℃正火+980 ℃正火+755 ℃回火)两种中间热处理工艺对材料微观组织和力学性能的影响。利用金相显微镜对热处理钢组织进行了观察;利用透射电镜对钢中析出相进行分析统计;最后对试验钢硬度、拉伸和冲击性能进行了测试。结果表明,经热处理钢组织仍为马氏体,N-T(1 050 ℃正火+755 ℃回火)、N2-T和N-N-T试验钢硬度分别为285HV、275HV和312HV,晶粒尺寸分别为8.8、11.7和8.0 μm。N-N-T可以有效细化晶粒。中间等温热处理后,钢中MX相优先析出,消耗了过饱和马氏体中的碳,利于M₂₃C₆相尺寸和体积分数的降低,N2-T钢中M₂₃C₆尺寸由N-T钢的128 nm降低至80 nm,N-N-T钢降低至84 nm;N2-T钢中M₂₃C₆体积分数由N-T钢的0.011 0%降低至0.008 5%,N-N-T钢降低至0.009 0%。N2-N由于随炉冷增加了保温时间,晶粒和MX相粗化,恶化了钢的性能。较小的晶粒尺寸和细小的M₂₃C₆和MX相是N-N-T试验钢获得优良力学性能的主要原因,其室温屈服强度为662 MPa,抗拉强度为787 MPa,伸长率为26.1%,DBTT为-91 ℃,室温冲击功为346 J。
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  锡对低合金高强钢海洋环境中腐蚀行为的影响

  林文丽, 邓想涛, 王麒, 周彦君, 王昭东

  钢铁. 2023, 58(7): 113-124.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230024

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  采用3.5%NaCl溶液浸泡试验模拟海洋环境,研究了锡含量对一种海洋环境用淬火+低温回火获得的新型板条马氏体低合金超高强度钢耐蚀性的影响,利用扫描电子显微镜(field emission scanning electron microscopy,FE-SEM)、X射线衍射仪(XRD)、X射线光电子能谱仪(XPS)和电子探针(electron probe micro-analysis,EPMA)、电子万能试验机和摆锤式冲击试验机等表征手段对两种试验钢的显微组织、力学性能和腐蚀行为进行探究,分析了试验钢在不同时间内的锈层形貌、物相组成以及元素分布状态演变规律。结果表明,锡含量不同的2种试验钢热处理后显微组织为板条马氏体,综合力学性能优异。0.042Sn试验钢在浸泡腐蚀过程中,表面生成疏松易脱落的黄褐色锈层(non-adherent rusts,NAR),0.2Sn试验钢中由于锡含量增加,逐渐生成棕黑色附着型锈层(adherent rusts,AR)附着于基体表面,与基体结合紧密。腐蚀时间增长,试验钢锈层呈现内外两层结构,0.2Sn试验钢内锈层厚度逐渐增大,可有效阻挡侵蚀性离子破坏基体。腐蚀初期锈层主要由铁、氧、铬构成,腐蚀中后期耐蚀性元素铬和锡在内锈层呈层状富集,促进锈层中γ-FeOOH向α-FeOOH的成分转化,锈层中稳定的SnO₂氧化产物保护性较强,使得锈层致密均匀化,FeCr₂O₄和Cr(OH)₃阻挡Cl^-等的渗透,在锈层中充当阳离子选择相,从而提高了低合金超高强度钢的耐腐蚀性能。
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  超声滚压对18CrNiMo7-6合金钢抗氢渗透性能的影响

  王刚, 顾飞翔, 秦瑾鸿, 李俊昊, 彭振龙

  钢铁. 2023, 58(7): 125-132.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230027

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  为了改善18CrNiMo7-6合金钢的抗氢渗透性能,对18CrNiMo7-6合金钢进行了不同静压力的超声滚压强化处理,对超声滚压加工处理的试样进行显微硬度表征、表层残余应力检测,并对不同静压力超声滚压强化处理后的试样进行氢渗透试验,分析了超声滚压对18CrNiMo7-6合金钢表面完整性和氢渗透性能的影响规律。为了进一步探究超声滚压产生的残余应力对氢渗透的影响规律,在ABAQUS中进行超声滚压强化过程和应力耦合氢扩散过程的数值模拟。试验结果表明,随着静压力的提升,超声滚压获得的表面显微硬度和表面残余压应力逐渐增加,抗氢渗透性能呈增加趋势;当超声滚压的静压力为100、200、300、400 N时,与未进行超声滚压的试样相比表层硬度分别提升了14%、15%、19%、27%、表面残余压应力分别提升了513%、943%、1 013%、1 063%、氢扩散系数分别下降了30%、32%、36%、55%。数值模拟结果表明,超声滚压引起了梯度分布的残余压应力,并且残余压应力的影响深度及最大值与静压力呈正相关;氢在在浓度梯度的驱动下在材料中扩散,经过超声滚压处理的区域内部氢质量分数沿深度方向急速降低,在距离表面约100 μm处降幅最大,氢质量分数的分布与静水应力的分布趋势相同,存在静水压应力的地方氢质量分数低,存在静水拉应力的地方氢质量分数高,超声滚压产生的残余压应力对氢渗透有抑制作用。
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  镁对GCr15轴承钢中夹杂物及奥氏体晶粒的影响

  尉政, 任英, 任强, 张立峰

  钢铁. 2023, 58(7): 133-143.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230063

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  为了研究镁对轴承钢中夹杂物的改性效果及不同镁含量轴承钢中夹杂物对奥氏体晶粒尺寸的影响,通过实验室试验和热力学计算分析了不同镁含量轴承钢中的夹杂物和奥氏体晶粒尺寸。分析了总镁质量分数分别为0.000 2%、0.000 4%、0.001 2%、0.002 5%和0.003 8%的轴承钢样品中夹杂物的成分、尺寸、形貌及含量的变化。镁处理轴承钢中夹杂物的改性顺序为Ca-Al-O、Al₂O₃→Ca-Al-Mg-O→MgAl₂O₄→MgO。总镁质量分数从0.000 2%增加到0.002 5%,钢中1~2 μm夹杂物的数密度从6.04 个/mm²增加至22.99 个/mm²;总镁质量分数为0.003 8%时,钢中夹杂物数密度略有下降(17.59 个/mm²),夹杂物平均尺寸从总镁质量分数为0.000 2%时的3.03 μm降低至2.02 μm。当奥氏体化保温时间从15 min增加至120 min或当奥氏体化温度从900 ℃增加至1 050 ℃时,轴承钢的奥氏体晶粒尺寸呈增加趋势。热力学计算结果表明,升温会导致碳化物溶解,奥氏体晶界钉扎作用减弱,奥氏体晶粒长大,而镁处理形成的小尺寸夹杂物会钉扎晶界,阻碍奥氏体晶粒的长大。通过Zener钉扎力计算结果发现,夹杂物尺寸越小并且体积分数越大时,夹杂物对晶界的钉扎作用越强,晶界的迁移速度越小,奥氏体晶粒尺寸越小。因此,总镁质量分数为0.001 2%和0.002 5%的样品的奥氏体晶粒在保温期间或升温过程中呈现缓慢的增长趋势,当保温温度为1 000 ℃、保温时间为120 min时,总镁质量分数为0.001 2%时奥氏体晶粒尺寸最小,为26.4 μm,总镁质量分数为0.002 5%时,晶粒尺寸为28.4 μm,其余镁含量轴承钢中奥氏体晶粒尺寸均大于35 μm。基于Arrhenius奥氏体晶粒长大模型预测了镁处理轴承钢中奥氏体晶粒的长大过程,与奥氏体晶粒生长过程较为符合。
环保与能源
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  “两步法”重构钢渣物相变化特征及黏度调控机制

  甄常亮, 程翠花, 张巧荣, 赵凯

  钢铁. 2023, 58(7): 144-153.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230040

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  针对“改质+还原”两步法钢渣在线重构工艺过程涉及的物相与黏度协同调控问题,采用FactSage模拟软件对SiO₂-CaO-MgO-Al₂O₃-Fe_xO五元渣系物相组成和液相区分布进行研究,并结合黏度试验及修正后的Einstein-Roscoe公式对渣系的黏度进行了分析,确定各成分含量变化对重构不同阶段熔渣的物相及黏度的影响规律。结果表明,钢渣主要物相包括金属氧化物、硅酸盐类、铝酸镁、镁硅钙石(Ca₃MgSi₂O₈)等,铁元素以Ca₂Fe₂O₅、Fe₃O₄、FeO形式存在,自由CaO质量分数由2.49%至5.81%不等;提高酸性改质剂比例,改质渣析出物相以铝酸钙、硅酸二钙、偏硅酸钙、铝黄长石(Ca₂Al₂SiO₇)、钙长石(Ca₂Al₂Si₂O₈)类物相为主,后期铝酸镁完全消失,转变为Ca₂Al₂SiO₇和CaMg₂Al₁₆O₂₇;还原阶段铁氧化物不断还原为金属铁与渣相分离,提铁尾渣中堇青石(Mg₂Al₄Si₅O₁₈)和辉石类物相析出范围增大,当碱度由1.47降低至0.95时,偏硅酸钙和钙长石析出显著增多,自由CaO完全消解。改质剂的加入使钢渣的熔化性温度由1 450 ℃以上显著降低至1 330 ℃,FeO、MgO含量增加可降低熔化性温度、改善熔渣流动性,而碱度和Al₂O₃的影响规律恰好相反;还原阶段尾渣碱度、FeO质量分数对熔化性温度影响显著,碱度为0.95、FeO质量分数为3.69%时,尾渣熔化性温度约为1 350 ℃,FeO质量分数降低至0时尾渣熔化性温度提高了约27 ℃,需保证供热以克服流动性恶化问题并满足还原耗热;MgO和Al₂O₃质量分数对熔化性温度影响不大。综上,基于适宜的渣系成分及工艺调控,“两步法”重构钢渣方案可以满足熔池内物相反应及均质行为对熔渣流动性的要求。