2023年, 第58卷, 第9期　刊出日期：2023-09-15

  

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前言
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  前言

  冯夏庭

  钢铁. 2023, 58(9): 1-1.

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专家论坛
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  钢铁企业创新基础设施及研究进展

  王国栋, 刘振宇, 张殿华, 储满生

  钢铁. 2023, 58(9): 2-14.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230268

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  钢铁企业创新基础设施(SEII—Steel Enterprise Innovation Infrastructure)是基于创新、协调、绿色、开放、共享的发展理念,以技术创新为驱动、以信息网络为基础,面向高质量发展,为提高钢铁企业的核心竞争力需要而打造的钢铁产业升级、融合、创新的基础设施体系。提出了SEII的基本架构,SEII是以工业互联网为载体、以底层LPPL(Lab-Pilot-Production Line)的数据感知和精准执行为基础、以边缘过程设定模型数字孪生化和边缘-底层CPS(Cyber-Physical System)化为核心、以数字驱动的云平台为支撑的服务于钢铁企业的数字化创新平台。分析了SEII的绿色化、数字化、高质化、强链化的特征功能,即绿色化关键工艺-装备创新功能、超级智能的CPS过程控制功能、高效率低成本的产品创新功能、全产业链协调管理优化运行功能;指出发挥中国特色社会主义举国体制的优越性,开发SEII,并建立国家、地方、企业的SEII多级管理系统,对于钢铁工业的绿色化数字化转型、提高钢铁产业的产品质量和生产效率、强化钢铁行业产业链的强度和韧性、促进钢铁行业高质量发展具有极为重要的意义。钢铁行业的SEII建设已经开始,SEII的建设实践成果表明,钢铁行业实体经济与数字经济/数字技术深度融合,可以发挥钢铁行业的数据资源、数据科技应用场景的巨大优势。采用数据驱动、软件定义、数据感知/数据处理的双层架构,将充分发挥数字技术的放大、倍增、叠加作用,大大加快钢铁行业数字化转型的速度,降低钢铁行业数字化转型的成本。目前SEII建设已经取得的重要进展充分表明,在SEII支撑下,钢铁行业核心竞争力明显增强,展现出钢铁行业未来创新发展、协调共享、大踏步高质量发展的美好前景。
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  高品质特殊钢电渣重熔技术的开发和应用

  姜周华, 董艳伍, 耿鑫, 刘福斌

  钢铁. 2023, 58(9): 15-25.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230253

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  电渣钢具有成分均匀、组织致密、夹杂物细小弥散分布以及优异的力学性能,使电渣重熔技术成为制备多种特殊钢的重要手段。然而,随着高端装备制造行业的高质量发展对特殊钢质量的要求越来越高,传统电渣重熔技术其固有的特点使其无法满足高端特殊钢的高质量生产要求,在此背景下,东北大学经过十余年的潜心研究,突破传统电渣重熔固有模式,在已有成果基础上进一步深挖,针对电渣钢中气体、夹杂物、易氧化元素烧损及成分偏析等方面开展了大量的研究工作,创新提出了“全参数过程稳定的洁净化理论”和“超快冷和最佳熔速下浅平熔池均质化凝固理论”,根据炉型结构特点和目标产品要求,攻克了动态密封、电极称重、熔速控制、氧浓度监控、结晶器高效水冷多锥度结构设计等多项关键核心技术,研发了全密闭可控气氛电渣重熔、特厚板坯和特大型电渣重熔以及半连续电渣重熔空心和实心钢锭工艺、技术和装备,研发了高品质预熔渣制备及电渣生产废气除氟装备和技术,并在特钢企业得到了广泛推广应用,解决了中国重大工程和高端装备多种高端材料的“卡脖子”制备难题。主要针对上述2个理论和创新成果进行系统介绍,对相关新技术的原理和技术思想及新技术制备的典型产品应用效果进行简单介绍,最后对电渣重熔技术所取得的进展及未来发展进行总结和展望。
综合论述
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  基于大数据的智能化烧结技术研究进展

  储满生, 王茗玉, 唐珏, 石泉

  钢铁. 2023, 58(9): 26-38.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230234

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  烧结是高炉炼铁过程的主要工序之一,利用大数据智能化技术有望解决烧结配矿原料条件复杂、配矿约束失真、配矿模型寻优困难、烧结过程参数预测模型精度低、产线适应性不强、烧结状态质量表征困难等传统难题。目前部分钢铁企业已经建立了包括烧结过程数据的炼铁数据平台,实现了烧结过程数据的采集存储与初步处理;现有配矿模型的约束设置与现场条件吻合度有所提升,通过数据分析与智能算法加快了配矿模型的寻优速度与精度;通过不同方法构建的烧结状态质量关键参数智能预测模型,在测试集上的预测效果良好;烧结过程综合评价与优化也进行了探索并取得了一定成效。基于现有研究进展,对烧结全链条数据治理、机理与数据融合的烧结智能配矿、烧结全产线关键参数自更新预测、数据与经验协同的烧结过程自适应综合评价体系构建与优化等智能化烧结技术的研究与应用方向进行了展望。需要针对烧结数据存在的问题开展模块化治理,消除参数间时滞性并构建参数动态关联规则库;进一步开发机理数据深度融合且适应产线条件的烧结智能配矿模型,并结合高炉使用效果对烧结智能配矿进行深度优化;结合产线自身数据特点与现场操作人员需求,全面选择烧结过程预测目标参数,并根据目标参数的数据频次、实际烧结生产冶炼周期与操作人员需求建立烧结过程参数自更新预测模型;基于烧结生产过程数据信息与专家经验选择烧结过程表征参数与烧结过程操作参数,建立数据与经验融合的烧结状态质量综合自适应评价体系,并基于高炉冶炼对烧结过程整体水平的需求与烧结过程参数预测调整烧结操作参数,最终实现烧结生产的数字化转型与智能化升级。
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  高锰钢凝固特性及连铸工艺研究现状

  罗森, 朱苗勇

  钢铁. 2023, 58(9): 39-58.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230215

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  高锰钢具有良好的强度、延展性及耐磨性等特性,正广泛应用于能源、交通、工程机械等领域。采用连铸替代传统模铸生产高锰钢可显著提高生产效率,正受到冶金企业的重点关注。但目前高锰钢连铸生产仍存在浇铸不畅、铸坯质量缺陷频发的问题,严重制约着高锰钢高效、高质化连铸生产。结合国内外研究学者前期研究工作,重点对高锰钢凝固特性基础研究和连铸实践两方面进行了回顾。首先,介绍了成分对Fe-Mn、Fe-Al二元相图,Fe-Mn-C、Fe-Al-C三元相图,Fe-Mn-Al-C四元相图的影响;高锰钢的成分对固液相线温度、密度、导热系数等热物性参数的影响,以及对凝固组织和析出物的影响。然后,结合高锰钢连铸生产实践,介绍了高锰钢连铸保护渣、冷却工艺和压下工艺设计和优化。虽然部分高锰钢已经实现了连铸替代模铸生产,但连铸坯质量问题仍然未得到根本性的解决,特别是高锰高铝钢连铸生产仍面临着相当大的困难。未来应持续开展高锰钢凝固特性方面的深入研究,并针对高锰钢凝固特性开展专用连铸工艺设计和开发,实现高锰钢连铸精细化控制,确保高锰钢连铸高效和高质化生产。
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  中国钢铁行业碳达峰碳中和时间表与路线图

  张琦, 田硕硕, 沈佳林

  钢铁. 2023, 58(9): 59-68.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230123

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  2020年9月22日,中国在第七十五届联合国大会上提出,二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和。钢铁行业深度脱碳是实现“碳达峰”和“碳中和”的必经之路,是应对气候变化、缓解能源危机、推动绿色健康发展的重要战略举措。绿色低碳发展是钢铁行业实现转型升级高质量发展的关键,也是中国实现碳达峰碳中和目标的重要支撑。分析了中国钢铁行业碳排放现状,对比了主要产钢国家钢铁行业碳中和目标及实施路径,采用动态物质流分析方法构建了钢铁需求量模型、废钢回收量模型并预测了中国到2060年的钢铁需求量和废钢资源量。结果显示,中国的钢铁需求量将在2030年和2060年分别下降至8.78亿t和5.43亿t,2030年国内废钢产量约为4.2亿t,2055年以后,废钢产量将逐渐下降,但仍将保持在4亿t以上。在动态物质流分析结果的基础上,使用情景分析方法,构建了钢铁行业碳排放模型,分析了钢铁行业的节能降碳潜力;基于钢铁行业碳中和路径分析模型制定了中国钢铁行业碳达峰碳中和时间表和路线图,指出中国钢铁行业在实现碳中和之前要经历粗钢产量波动下行-控碳、粗钢产量下降-减碳、粗钢产量处于低值平台期-低碳、粗钢产量稳定于低值-碳中和等4个阶段,为中国钢铁行业实现碳达峰碳中和目标提供重要指导和行动方案。
原料与炼铁
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  菱铁矿自磁化反应行为及调控机理

  韩跃新, 周廷波, 高鹏, 孙永升, 李朋超

  钢铁. 2023, 58(9): 69-80.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230340

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  中国菱铁矿资源丰富,但矿石品位低禀赋差,受到传统分选技术和成本限制,整体利用率低。菱铁矿分解后的产物氧化亚铁不稳定,容易被产物CO₂氧化为磁铁矿,发生“自磁化”反应。以菱铁矿为研究对象,系统地开展了空气、N₂及CO₂气氛体系下自磁化反应行为及调控机理研究,考察了焙烧温度、焙烧时间和焙烧气氛对反应行为及分选指标的影响规律,利用XRD、VSM和SEM-EDS等检测手段探究了菱铁矿自磁化焙烧过程中物相、磁性和微观结构演变规律,阐明了菱铁矿自磁化矿相转化反应机理。结果表明,菱铁矿在空气气氛下由颗粒边缘和裂缝处开始转化为赤铁矿,焙烧后颗粒内部产生大量裂纹,焙烧产物最大比磁化系数为1.90×10^-5 m³/kg;菱铁矿在N₂气氛下优先生成氧化亚铁,新生氧化亚铁与CO₂反应转变为磁铁矿,最终呈现出氧化亚铁、磁铁矿和菱铁矿相互夹杂的形态,颗粒疏松多孔,焙烧产物最大比磁化系数为47.98×10^-5 m³/kg;菱铁矿在CO₂气氛下由颗粒的边缘和裂缝处开始转化为磁铁矿,焙烧后颗粒呈现多孔疏松结构,焙烧产物最大比磁化系数为94.59×10^-5 m³/kg。在CO₂体积分数为15%、焙烧温度为700 ℃、焙烧时间为20 min条件下处理大西沟菱铁矿,可获得铁精矿品位为59.50%、铁回收率为85.23%的良好指标。
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  顶煤气循环氧气高炉低碳炼铁技术综合评价

  张泽栋, 唐珏, 储满生

  钢铁. 2023, 58(9): 81-91.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230327

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  顶煤气循环氧气高炉工艺是一种新型高炉炼铁工艺,具有大幅降低燃料比、减少CO₂排放和提高铁水生产效率等优点。对于氧气高炉的内部生产状态、整体生产指标、能量利用以及经济效益等进行了深入的系统性研究。通过顶煤气循环氧气高炉多流体模型,对风口喷吹循环煤气与风口炉身同时喷吹循环煤气2种路线下不同操作参数对氧气高炉的冶炼状态、生产指标、氧气高炉的能量利用效率以及经济效益的影响进行了研究对比。结果表明,随着理论燃烧温度的增加,氧气高炉焦比上升,产量进一步增大,高炉的热力学完善度和㶲效率降低,氧气高炉的综合效益增加。在只有风口喷吹循环煤气的条件下,与理论燃烧温度2 000 ℃的案例相比,理论燃烧温度为2 184 ℃时,焦比上升至243.9 kg/t,产量增加至5 538.3 t/d,热力学完善度由90.69%降低至88.30%,经济效益由13 540 万元/a上升至16 252 万元/a。与风口喷吹循环煤气的路线相比,风口和炉身同时喷吹循环煤气的顶煤气循环氧气高炉具有更大的产量、节焦量、热力学完善度、㶲效率以及更高的综合经济效益。在理论燃烧温度为2 184 ℃,炉腹煤气流量为3 881 m³/min时,风口炉身同时喷吹的顶煤气循环氧气高炉的产量提高51.46%,焦比降低43.82%,CO₂减排32.52%,热力学完善度为92.19%,㶲效率为86.51%,综合效益为25 621万元/a。
炼钢
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  数据驱动的转炉智能吹炼控制系统的开发与应用

  刘书超, 王国栋, 孙杰, 彭文, 张殿华, 袁国

  钢铁. 2023, 58(9): 92-103.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230384

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  目前国内外转炉炼钢厂主流的“自动化炼钢”多为传统静态固定模型框架的转炉“一键式炼钢”,因其高度依赖入炉原辅料的稳定性、静态模型的准确性、枪位模型的适应性等客观因素,在实际生产应用中存在较多弊端,从而限制了转炉自动化炼钢的发展。为实现更高智能化程度的转炉自动化炼钢,研发团队近几年在多座大型转炉试验开发基于炉气分析、音频化渣、火焰监测、副枪检测等综合应用技术的实时数据驱动、动态模型架构的智能吹炼控制系统。研发团队对吹炼期间的渣况运行、喷溅返干、氧枪操控等工艺难点持续深入研究,经过长期的数据积累和观察实践,围绕“信息感知、科学分析、智慧决策、反馈赋能”的数据驱动理念,提炼总结出一整套“机理模型+经验公式+数据决策”的数据驱动模型,实现在转炉复杂工况下对氧枪枪位、吹炼流量、造渣加料、副枪检测等参数的自适应调整,从而实现转炉冶炼过程“无人为干预”的“智能化”吹炼模式,基本解决了炼钢厂转炉工序过分依赖入炉原材料、依赖现场操作工经验等“痛点”问题。数据驱动架构的转炉智能吹炼系统应用后,转炉吹炼过程氧枪枪位、流量和实时渣况形成联动,化渣效果更加平稳,脱磷率、溢渣喷溅率、一倒合格率、渣中FeO、钢水自由氧等关键工艺指标均有明显提升,对转炉工序散装料、钢铁料等消耗的控制均有积极作用。
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  洁净钢精炼钙处理技术探析

  邓志银, 朱苗勇

  钢铁. 2023, 58(9): 104-115.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230054

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  结合国内外的研究成果和作者的研究实践,介绍了钙的物理化学性质、钙处理变性原理和相关热力学数据以及存在的问题,探讨了洁净钢钙处理实施的新策略,并推荐了钙处理的控制标准。由于精炼过程钢中的夹杂物发生了演变,钙处理的实际对象从最初的铝脱氧产物(Al₂O₃夹杂物)变为其演变产物(包括MgO·Al₂O₃夹杂物和CaO-Al₂O₃-MgO系夹杂物等);虽然钙处理技术可以控制钢中夹杂物的形态,改善钢液的可浇性,但易影响夹杂物的去除效率,增加大型夹杂物出现的频率,还会使钢液发生二次氧化,加剧耐火材料侵蚀,因此钙处理多数是会污染钢液的;如果没有夹杂物变性的特殊要求且不存在可浇性问题,建议不对钢液进行钙处理,如确实需要也应尽量少添加钙,且宜在精炼结束之后再进行;钢中溶解钙的精确测量仍是难题,钙相关热力学数据也有较大的偏差,而且钙收得率不稳定,因而钙处理目前很难做到精准控制,而w(T[Ca])/w(T[O])控制标准避免了溶解钙的测量,也不涉及热力学数据,可参照w(T[Ca])/w(T[O])=0.91~1.25来控制钙含量,以改善低氧低硫钢液可浇性。同时,为提升钢液的洁净度,仍然推荐尝试获得最低的钙添加量。钢液的可浇性影响因素众多,钙处理技术并不能解决所有可浇性问题。
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  高铝钢用新型连铸保护渣的设计开发与应用

  刘承军, 亓捷, 姜茂发

  钢铁. 2023, 58(9): 116-126.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230346

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  低反应性CaO-Al₂O₃基保护渣工业应用过程中,结晶器内渣条粗大,黏结报警频发,无法实现稳定连铸生产。针对上述问题,在分析了工业原渣存在问题的基础上,设计开发了新型CaO-Al₂O₃基保护渣并进行了工业应用。结果表明,工业用高铝钢连铸保护渣结晶性能较强,Ca₁₂Al₁₄O₃₂F₂和LiAlO₂等物相过早析出是恶化保护渣性能的主要原因。相图分析表明,调整w(CaO)/w(Al₂O₃)值是调控熔渣酸碱性和析晶性能的有效措施之一。当w(CaO)/w(Al₂O₃)从0.93增加至1.65时,保护渣的熔化温度由1 050 ℃降至959 ℃;受熔体结构解聚影响,1 300 ℃下黏度由0.132 Pa·s降至0.054 Pa·s。随着w(CaO)/w(Al₂O₃)的增加,保护渣的结晶性能先受到抑制而后逐渐增强,转折点温度先降低后升高。在转折点温度附近时,保护渣结晶物相的变化规律为LiAlO₂→Ca₂Al₂SiO₇→Ca₁₂Al₁₄O₃₂F₂+LiAlO₂;充分析晶后结晶物相的变化规律为LiAlO₂+Ca₂Al₂SiO₇→Ca₂Al₂SiO₇→LiAlO₂+ Ca₁₂Al₁₄O₃₂F₂+Ca₃B₂O₆。基于上述结果设计了一种新型保护渣,新型保护渣的熔化温度、黏度和转折点温度较前期工业试验渣均有所降低,而且,新型连铸保护渣在1 000 ℃以上可保持单一液相,结晶性能明显减弱。采用新型渣实现了高铝低密度高强钢的顺利连铸,而且,新型保护渣在浇铸过程中具有良好的稳定性,连铸坯质量显著改善,可为低密度高强度钢的系列化开发和高铝钢专用低反应性连铸保护渣的设计开发提供重要支撑。
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  板坯连铸用电磁旋流水口装置磁场优化设计

  朱晓伟, 赵立佳, 何明, 王凯, 金百刚, 王强

  钢铁. 2023, 58(9): 127-136.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230236

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  结晶器是连铸最重要的一部分之一,合理控制结晶器内部钢液流动能够有效提高铸坯质量。电磁旋流水口是一种新型的电磁控流技术,该技术利用电磁旋流装置产生的电磁力无接触旋转水口内部钢液,从而均匀水口出流,控制结晶器内部的钢液流动,平缓弯月面波动,抑制卷渣。电磁旋流装置安装于中间包和结晶器中间,其在使用过程中需保障现场安全还需要减少对保护渣添加、水口更换、液位检测装置等的影响。这需要电磁旋流装置能够快速安装到水口附近且装置产生的磁场不会对周围环境产生影响,所以要对电磁旋流装置结构进行优化设计。用数值模拟方法耦合求解电磁场和流场,对比了圆形电磁旋流装置、U形电磁旋流装置和线形电磁旋流装置,通过比较磁场利用率,水口内部钢液的旋流强度以及装置的能耗,得出最适用于连铸生产的电磁旋流装置结构。通过磁屏蔽设计减轻电磁旋流装置漏磁,消除了电磁旋流装置产生的磁场对周围环境的影响。研究结果表明,磁体中心磁场强度相同时,U形电磁旋流装置产生的旋流强度最强,并且U形结构有利于安装。使用磁屏蔽外壳能够使电磁旋流装置漏磁减小44%,但不会减弱电磁旋流水口装置对水口内部钢液的作用效果。有助于获得适用于工业生产的电磁旋流装置结构设计。
压力加工
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  中厚板平面形状数字孪生模型与CPS优化系统

  张殿华, 李旭, 丁敬国, 董子硕

  钢铁. 2023, 58(9): 137-147.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230328

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  宽厚板产线装备和自动化技术已经达到较高水平,但进一步提升产品成材率遇到瓶颈。开发了基于深度学习算法融合的钢板图像处理和轮廓特征提取算法,研制出基于机器视觉的高精度宽幅钢板的轮廓在线检测装置,实现了钢板轮廓高精度在线检测,宽度感知精度±2 mm,长度感知误差小于0.5%,侧弯量检测精度±5 mm,头尾不规则变形区剪切精度±5 mm。基于机器视觉测量数据,以轧件尺寸、轧制工艺参数和钢板平面形状控制参数作为输入变量,以钢板头部变形区域的金属体积作为输出变量,建立了基于随机配置网络的平面形状数字孪生模型,根据不同展宽比和延伸比条件下的钢板进行可控点平面形状曲线设定。最后,基于平面形状设定模型以及基于机器视觉的平面形状反馈数据,计算得出头部可控点设定模型对应的体积变化量,并将该变化量计算出3条高斯曲线函数相应的调整值,最终建立了基于机器视觉的平面形状模型滚动优化模型,实现了可控点平面形状(plan view pattern control,PVPC)的智能预测、动态设定和反馈优化。实际应用结果表明,基于传统平面形状控制方法的综合成材率为92.28%,采用基于机器视觉反馈的平面形状CPS优化系统后的综合成材率提高至93.36%,比应用前提高了1%以上。该方法为企业创造了显著的经济效益,极大地增强了企业的市场竞争力。
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  SmartCrown轧机板形执行机构调控功效分析

  李康, 李旭, 李晓华, 王青龙, 韩月娇

  钢铁. 2023, 58(9): 148-156.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230188

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  冷轧带钢因其优良特性而广受欢迎,其中,板形是衡量冷轧带钢产品质量的重要指标。SmartCrown技术作为一种新兴的板形控制技术,有着良好的板形控制效果,研究分析SmartCrown轧机中板形执行机构的板形调控功效对于调节带钢板形、提高带钢产品质量具有重要意义。以某厂1 740 mm带钢冷连轧生产线为研究对象,运用大型有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA建立SmartCrown轧机带钢轧制的有限元仿真模型,对中间辊横移、工作辊弯辊、中间辊弯辊等板形执行机构的调节量在工程许用范围内进行等分设定,利用有限元平台进行模拟带钢轧制试验并对其进行后处理分析,系统地分析了各板形执行机构对带钢横截面形状、板凸度、边部减薄、轧后带钢横截面的相对厚度差以及纵向纤维条的相对长度差等的影响规律,在此基础上,进一步计算获得了各板形执行机构的调控功效系数曲线,并采用六次Legendre正交多项式对调控功效系数曲线进行拟合,获得了各项拟合系数的绝对值,将各板形执行机构的板形控制分量进行对比以定量分析各板形执行机构的板形控制特性。仿真结果表明,中间辊横移的板形控制能力是最强的,工作辊弯辊次之,中间辊弯辊最弱,3种板形执行机构对二次板形缺陷的控制能力明显强于四次和六次板形缺陷,研究成果能够为现场冷轧带钢生产提供参考。
钢铁材料
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  薄带铸轧凝固组织的低能晶界及遗传效应

  袁国, 张元祥, 王洋, 方烽, 李振垒, 王国栋

  钢铁. 2023, 58(9): 157-166.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230420

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  薄带铸轧通过水冷铜辊将液态合金直接制备成1.5~3.0 mm的薄带,具有亚快速凝固和近终成形的显著特点,能够提高液相的凝固过冷度和固-液界面处温度梯度,从而显著影响合金的组织、织构和第二相演变过程,在特种合金制备方面具有巨大的工艺潜力。通过薄带铸轧获得了Fe-Si、Fe-Ga以及Fe-Cr合金铸带,通过金相、扫描电镜(SEM)、电子背散射衍射(EBSD)和透射电镜(TEM)等技术观察凝固组织中低能量晶界的微观形貌、比例、分布等特点,并设计了模型试验验证了低能量晶界的形成原因。结果表明,Fe-Si/Cr合金在熔池大过冷度条件下通过晶粒/晶核间的界面选择作用形成Σ1/Σ3/Σ5/Σ9等特殊晶界,晶界能量等级与过冷度大小密切相关,即过冷度较大时,Σ5/Σ9等高Σ值晶界可以形成(Σ为重合位置点阵晶界的重位点阵密度),而温度升高后,能量最低的Σ1晶界比例较高。通过偏晶合金构建和复现了这种晶粒之间的界面选择作用。低能量晶界迁移速率低,可以起到稳定基体晶粒尺寸诱发异常长大的效果,所以通过工业产线获得的Fe-1.5%Si铸带实现了{100}取向晶粒异常长大,而且在轧制-退火过程中Cube得到极大强化,使得再结晶板带具有极高的横纵向磁感值。此外,这种亚快速凝固过程中特殊晶界形成机理的深度研究和物理冶金原理阐释,能够在薄带铸轧、激光增材以及粉末成形等特殊冶金过程中应用,进一步促进系列技术的进步。
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  基于析出相控制的热轧本质细晶钢技术及应用

  王超, 袁国, 王国栋

  钢铁. 2023, 58(9): 167-177.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230320

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  针对热轧厚钢板、管型材等产品在高温轧制或焊接条件下组织难以均匀细化的共性问题,开展了基础理论-关键技术-产品工艺的系统研究,通过对已有技术的发展和探索创新,提出基于析出相控制的新型本质细晶钢技术路线。通过“冶炼连铸轧制冷却焊接”全流程一体化工艺控制,调控钢中高热稳定性微-纳米析出相粒子分布,结合加工工艺优化控制,促进基体和焊接组织均匀细化,突破传统组织性能调控手段及工艺条件限制,显著提升材料综合服役性能,推动实现先进钢材的高性能绿色化制造。采用热力学计算软件分析了低合金钢中部分氮化物和氧化物的析出规律,利用电子探针显微镜和扫描电镜表征了钢中典型高温析出相的结构特征,从析出物的热稳定性及其与基体的交互作用角度说明复合析出相的设计思路。讨论了第二相诱导晶内铁素体形核的贫锰区机制和共格界面机制,采用高温原位表征技术研究了晶内铁素体转变行为,阐述了基于多类型、多尺度复合析出相体系设计的晶界、晶内多重组织细化机制。技术应用于大线能量焊接用钢板、热轧结构钢高温高效轧制、热轧无缝钢管在线组织调控、低成本热轧抗震钢筋等产品和工艺的开发,取得良好应用效果,并在更多产品领域展现出广阔的应用前景。
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  热轧带钢FeO共析转变动力学行为分析与预测

  王皓, 曹光明, 单文超, 崔春圆, 刘振宇

  钢铁. 2023, 58(9): 178-184.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230291

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  热轧后的带钢表面会形成氧化铁皮,其中的FeO在卷取之后的冷却过程中会发生共析相变,形成由Fe与Fe₃O₄共同组成的共析组织。传统对FeO共析相变的研究,多集中在诸如化学成分、相变环境等因素对共析反应的定性分析上,但针对相变的具体进程却少有模型化的分析和计算。同时,由于实际生产中FeO的相变过程多是在连续冷却过程中发生,相变过程受到了不同时刻温度变化的叠加影响,这也加大了研究的困难程度。为此,以常见的普碳钢为例,首先使用同步热分析仪进行了不同温度及时间下氧化铁皮的等温结构转变试验,统计了30个试验节点下的共析组织在FeO中的体积分数,之后基于Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov(JMAK)方程建立了FeO在等温过程下共析相变的动力学模型,通过试验数据求解其中的关键参数,得到了等温转变条件下FeO中共析组织体积分数与时间的关系,可直接绘制描述FeO共析转变的Time-Temperature-Transformation(TTT)曲线。在此基础上,结合Scheil可加性法则,建立了连续冷却过程中FeO的共析相变模型,通过计算模型常数,实现连续冷却转变过程中FeO共析组织体积分数的预测。经过试验的验证,预测得到的FeO共析相变体积分数与试验数值基本保持一致,证明了本模型的可用性,实现对FeO的相变过程更加具象化的分析与描述,为FeO的共析相变行为研究提供了新的解决方案。
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  高止裂韧度特厚板工业化生产技术开发及应用

  田勇, 王红涛, 徐晓宁, 邱保文, 李恒坤

  钢铁. 2023, 58(9): 185-193.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230333

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  随着集装箱船舶向超大型化发展,为保证船舶的安全航行,船体中部、顶部的舱口围顶板及上甲板边板等关键部位迫切需求最大100 mm厚度的高止裂韧性钢板。为此,基于NEU-Rolling轧制工艺开发出全厚度为均匀铁素体/贝氏体显微组织和止裂性能优异的100 mm规格EH47特厚止裂钢板。在低压缩比条件限制下,NEU-Rolling轧制工艺基于钢板“心-表”温差和负荷分配控制,通过提高厚向变形渗透性以细化心部奥氏体晶粒;通过反复相变耦合形变细化表层奥氏体晶粒,最终达到钢板全厚度奥氏体晶粒的细化、均匀化和近似相同的畸变状态,而细化、均匀的奥氏体晶粒是抑制钢板心部粗化贝氏体组织生成的关键。此外,钢板心部/近心部微观组织中{110}滑移面的含量相较于钢板表层提升而{001}解理面的含量下降,钢板心部韧性组织和有利织构因素所形成的优异的低温韧性,使心部和1/4厚度的显微组织在钢板全尺寸断裂时具有相近的阻滞脆性裂纹传播的能力,形成“多峰”分布的宏观断口。“多峰”分布的断口对脆性裂纹表现出明显的“钉扎”效果,减小裂纹尖端的应力扩大系数并提高了钢板全厚度断裂时的止裂韧性。宽板拉伸试验表明,开发的100 mm特厚EH47止裂钢板-10 ℃止裂韧性达到9 041 N/mm^3/2,远超国际船级社相关标准,且实现全球唯一应用。
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  微合金化设计耐高温、高H₂S分压的HP-13Cr-Cu不锈钢

  赵阳, 齐文龙, 张涛, 王福会

  钢铁. 2023, 58(9): 194-208.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230322

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  为了提高不锈钢在高温、高H₂S分压油气开采环境下的耐蚀性能,通过“溶解-电离-沉积”热-动力学一体化模型明确了微/低合金元素对不锈钢耐蚀性能的影响规律,实现了对不锈钢耐蚀性能的初步调控。通过添加质量分数为1%的铜元素对HP-13Cr不锈钢的抗H₂S腐蚀性能进行调控,制备了HP-13Cr-Cu不锈钢。模型计算结果表明,HP-13Cr-Cu不锈钢在H₂S腐蚀过程中,铜元素先在不锈钢表面富集,随后进行溶解产生较高摩尔浓度的Cu²⁺,CuS因其溶度积常数较小,所以在腐蚀产物沉积过程中优先沉积,且作为Cr₂O₃的异质形核位点促进Cr₂O₃形核,Cr₂O₃又作为二级异质形核位点进一步提高其他腐蚀产物的形核率,从而使HP-13Cr-Cu在H₂S环境下形成的腐蚀产物致密度更高、保护能力更强。H₂S腐蚀试验结果表明,与HP-13Cr相比,HP-13Cr-Cu在温度为25～200 ℃、H₂S压力为0.1～0.5 MPa环境下具有更低的腐蚀速率,并且随着温度升高,腐蚀速率下降更加明显。应力加载条件下,HP-13Cr不锈钢发生严重的硫致应力腐蚀开裂,而HP-13Cr-Cu不锈钢在H₂S压力为0.1 MPa环境下完全不发生硫致应力腐蚀开裂,在H₂S压力为0.5 MPa环境下依然保持良好的抗硫致应力腐蚀开裂性能。腐蚀产物元素分布结果表明,铜元素在金属基体和腐蚀产物中均有富集,腐蚀产物中铬元素含量提高,试验测试结果验证了理论计算的正确性。
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  表面脱碳对Al-Si镀层热冲压钢弯曲韧性的影响

  曾林林, 王程, 杨达朋, 易红亮

  钢铁. 2023, 58(9): 209-217.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230342

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  Al-Si镀层热冲压钢因为其超高的强度而被广泛应用于车身,研究发现镀层会严重恶化热冲压钢的弯曲韧性。基于“界面富碳致脆”理论,以国内某钢厂生产的22MnB5热冲压钢为研究对象,研究了表面脱碳对表面镀层组织和力学性能的影响,为提高Al-Si镀层热冲压钢的弯曲韧性提供参考。结果表明,在920 ℃保温6 min后,试验钢的镀层组织由FeAl相和铁素体层构成,基体组织均为马氏体。表面脱碳对Al-Si镀层热冲压钢的拉伸性能影响较小,但对弯曲性能影响较大。钢材表面脱碳后,降低了热冲压后镀层/基体界面碳富集程度,提高了界面马氏体的韧性,进而提高了热冲压钢的弯曲韧性。随着表面脱碳厚度的增加,试验钢的弯曲性能逐渐提高,完全脱碳层为30.3 μm时,最大载荷弯曲角为82.4°±2.9°。在弯曲过程中,裂纹扩展分成2类,一类是裂纹穿过铁素体层后,在镀层/基体界面钝化,随后基体发生变形及断裂;另一类是裂纹穿过铁素体层后,进入到马氏体基体,在马氏体基体中钝化,随后基体发生变形和断裂。裂纹扩展路径取决于界面马氏体的强度,马氏体强度高时,发生第一种扩展;马氏体强度低时,发生第二种扩展。