2024年, 第59卷, 第2期　刊出日期：2024-02-15

  

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综合论述
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  烧结工艺中复合铁酸钙黏结相的研究进展

  沈峰满, 安海玮, 姜鑫, 倪静峰, 郑海燕, 高强健

  钢铁. 2024, 59(2): 1-12.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230348

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  铁矿石烧结工艺是钢铁流程不可或缺的环节,铁酸钙作为烧结矿中最主要的黏结相,对烧结工艺及烧结矿冶金性能具有重要影响。综述了铁矿石烧结工艺中铁酸钙黏结相及其复合体系的化学组成、形成机理、还原机理和脉石成分对其影响等方面的研究进展。铁酸钙的化学组成取决于烧结矿中的Fe、Ca、Si、Al等元素的含量,复合铁酸钙(SFCA)可用通式xFe₂O₃·ySiO₂·zAl₂O₃·5CaO表示,且满足x+y+z=12;铁酸钙的生成机理受脉石成分之间的化学反应、不同温度和气氛条件下相变过程的影响,对生成机理的研究对于控制烧结矿中黏结相含量具有关键作用;铁酸钙的还原路径受黏结相组成、还原温度、气氛组成等影响,四元复合铁酸钙的还原路径暂时缺乏研究,还原机理的研究对于提高铁矿石冶炼效率和降低能耗具有重要意义;脉石材料是影响铁酸钙形成和还原的重要因素,SiO₂、Al₂O₃、MgO等可改变铁酸钙的晶体结构及其生成和还原机理。最后,基于当前铁酸钙黏结相的研究现状,对未来关于铁酸钙黏结相的研究方向进行了展望,主要包括探索烧结过程中有价组元的有效提取、综合利用及获得铁酸钙领域具有普适性的物化数据等,这些工作的实施有助于进一步完善铁矿石烧结理论。
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  钢铁工业减碳与CO₂资源化利用技术的研究进展

  刘清梅, 张福明

  钢铁. 2024, 59(2): 13-24.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230390

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  在全球“碳达峰、碳中和”新发展背景下,钢铁工业低碳发展尤为重要。分析了钢铁工业构建低碳循环及减碳领域的典型技术研究现状,以及新型CO₂资源化利用产业的发展情况。从全球相对成熟的钢铁工业生产流程现状出发,重点介绍了高炉-转炉、全废钢-EAF、直接还原和熔融还原4类钢铁生产流程的碳排放强度。目前,全球钢铁制造流程主要以高炉-转炉长流程和废钢-电炉短流程为主,长流程吨钢碳排放强度约为电炉短流程的3倍。结合全球钢铁产量的演变值推算了2001—2022年间全球钢铁工业的CO₂排放量,阐述了减碳以及CO₂资源化利用的紧迫性和必要性。根据已有的钢铁工业减碳经验,选取日本、欧洲和中国的低碳冶炼项目进行分析,包括其在钢铁工业减碳发展中所进行的试验性技术探索和阶段发展实践。在钢铁工业减碳的基础上,推进CO₂的资源化利用是实现钢铁工业碳中和的重要任务。阐述了钢铁企业碳捕集固碳技术的研究现状与特点,系统归纳了当前助力钢铁工业CO₂资源化利用的有效方法,包括在炼钢转炉和精炼工序上采用不同模式的CO₂喷吹工艺,以及在钢化联合领域的CO₂制备基础化学品的研究,以及展现的工业成效。以整个钢铁产业链视角考虑,总结了日本、欧洲和中国在钢铁工业领域碳减排与再循环产业的重点规划和发展方向。
原料与炼铁
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  高硅型铁矿对烧结工艺及烧结矿冶金性能的影响

  伍英, 高立华

  钢铁. 2024, 59(2): 25-35.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230296

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  目前,全球铁矿石价格指数持续上浮,钢铁企业面临全球铁矿石资源劣质化以及钢铁产量需求提高的问题,对钢铁企业的稳定发展造成了巨大的冲击。宝武钢铁为落实高炉炼铁资源战略方针,拓宽矿石资源采购渠道,提高宝武矿石资源采购的话语权,宝钢股份宝山基地烧结工序逐步增加高硅型铁矿粉的使用量。但增加高硅型铁矿粉配比对于烧结矿固结机制以及复合铁酸钙形成机制影响尚不明确,因此以高比例高硅型铁矿烧结试验为基础进行研究。通过微型烧结试验、烧结杯试验和宝钢烧结机工业试验,探明高硅型铁矿对复合铁酸钙生成机理和固结机制以及烧结矿冶金性能的影响。结果表明,高硅型铁矿粉替换比例增加到12%时,同化性温度、液相流动性指数缓慢增加,但是连晶强度下降比较明显,连晶强度从1 080.72 N快速降低至745.79 N,主要与硅酸盐相的形成有关。随着反应时间、反应温度增加,SiO₂对黏结相生成的不利影响减弱;随着高硅铁矿粉替换图巴朗粉比例增加,铁酸钙含量增加,抑制了硅酸钙和铁橄榄石的生成,改善了液相黏结相的流动性,烧结产率和燃料单耗下降,但亚铁质量分数从8.7%增加到9.1%。综合考虑,最理想的高硅型铁矿粉替换比例应小于12%。研究结果可以为高硅型铁矿粉配矿烧结以及助力“经料方针”提供理论指导和参考依据。
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  熔剂性球团成矿过程抗压强度及微观结构分析

  倪杰, 师学峰, 白晨晨, 张玉柱, 刘连继, 肖洪

  钢铁. 2024, 59(2): 36-43.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230240

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  球团抗压强度是衡量球团能否进入高炉冶炼的主要指标之一,球团抗压强度取决于球团矿物组成及微观结构。以中关铁矿为基础造球原料,通过内配钙、镁添加剂制备低硅熔剂性球团矿。通过系统研究不同MgO含量、碱度及SiO₂含量时球团微观结构及矿物分布形态,揭示低硅熔剂性球团抗压强度的变化规律。研究结果表明,提高焙烧温度和碱度可有效提高球团抗压强度;在SiO₂含量较低时,球团矿主要靠赤铁矿连晶固结,强度变化并不明显;SiO₂质量分数升高至3.5%和4.0%时,赤铁矿结晶逐渐互联成片,连晶逐渐变得粗大且紧密,结构力较强,球团抗压强度提高。随着碱度的提高,赤铁矿再结晶较好,单独颗粒状少并且结晶互联成块状,磁铁矿减少,低硅熔剂性球团在焙烧过程中液相量增加,出现铁酸钙体系液相使球团强度提高;随着MgO含量的提高,更多的Mg²⁺进入磁铁矿相,弥补了晶格缺陷,铁酸镁含量升高并呈现针状或片状分布在赤铁矿中,抑制了焙烧过程中液相生成,在冷却过程中使得球团矿内部的气孔变小从而提升球团致密度,增强球团强度。MgO含量继续增加,磁铁矿、玻璃相含量增加,赤铁矿和铁酸钙量相对减少;又因为Fe₃O₄的增多会使Fe₂O₃的连晶性能降低,最终导致球团抗压强度的降低。为探究低硅镁质熔剂性球团提供了理论指导和参考依据。
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  矿焦耦合冶金性能试验及评价方法

  汪琦, 宋阳升, 李廷乐, 李哲熙, TIMEvans

  钢铁. 2024, 59(2): 44-54.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230324

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  铁矿石和焦炭在高炉内各区域的反应及特性是影响高炉炼铁效率和产量的重要因素,准确评价矿焦质量备受炼铁工作者关注。评价矿或焦冶金性能的试验方法及指标迅速发展,且部分方法已标准化,包括铁矿石软熔性能和焦炭反应性及反应后强度的试验方法等被钢铁企业广泛采用。然而,通过现有评价矿或焦冶金性能的方法及指标推算高炉技术经济指标尚存难度。原因可能在于没有充分模拟矿焦在高炉中历经还原、溶损、软化-熔融全过程的相互作用,无法对矿焦关联行为及特性进行赋值并构建评价矿焦相互作用的指标体系。因此,提出了采用焦-矿-焦分层试料,模拟矿焦在高炉内还原、溶损、软化和熔融之间关联行为及特性的荷重-热重-气体分析联动试验装置,进行矿焦耦合性能试验及评价的方法(Qisunny法)。变矿或变焦试料的试验结果表明,矿焦耦合冶金性能按间接还原区、间接还原和直接还原及软化区、熔融直接还原和滴落直接还原4个区域依次演变;性能评价指标包括各区域的温度及区间、间接和直接还原度、总间接还原度、熔融区透气性特征值、上层焦炭溶损率及溶损后强度等;焦炭的溶损反应主要发生在熔融区,上层焦炭溶损率与传统指标焦炭反应性指数相近,但其反应后强度明显高于传统指标焦炭反应后强度指数。该方法为评价矿焦冶金性能之间的相互作用、优化矿焦炉料结构提供了一种全新的选择。
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  生物质炭煤粉高炉混合喷吹性能分析

  但家云, 袁骧, 邹凡球, 李仁国, 徐坤, 宁晓钧, 王广伟

  钢铁. 2024, 59(2): 55-64.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230309

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  在“双碳”目标积极推进的背景下,节能减排已经成为当前钢铁工业绿色可持续发展的重要任务之一。生物质作为可再生的碳源,应用于高炉炼铁可显著降低钢铁生产的CO₂排放。为改善生物质原料应用于高炉喷吹的冶金性能,分别采用热解炭化和水热炭化对生物质原料进行炭化提质制备生物质炭,并探究了生物质炭与煤粉混合搭配进行高炉喷吹的可行性。结果表明,生物质水热炭和热解炭的挥发分高于烟煤,当生物质炭以5%～20%比例与煤粉混合时会使混煤的固定碳含量和发热值降低,但降低幅度较小。当生物质炭配比低于20%时,混煤无爆炸性,着火点大于350 ℃,满足高炉制粉和喷吹系统的安全性能要求。生物质炭具有较好的可磨性和燃烧性,能够改善混煤的制粉性能和风口前的燃烧性能。生物质热解炭灰成分中含有较高的碱金属,造成生物质热解炭混煤的灰熔点降低幅度远大于生物质水热炭混煤。通过对生物质炭混煤方案的碱负荷变化分析发现,高炉喷吹生物质热解炭对高炉冶炼碱负荷影响大于水热炭,生物质炭配比为20%,高炉喷煤比为140 kg/t时,生物质热解炭混煤方案的碱负荷增加0.394 3 kg/t,生物质水热炭混煤方案的碱负荷增加0.006 4 kg/t。以上分析表明,生物质水热炭能够满足高炉喷吹的各项冶金性能要求;生物质热解炭由于碱金属含量高,限制了其在高炉喷吹生产中的应用,发展生物质水热炭化技术是实现农林废弃生物质资源在高炉炼铁工序高效应用的关键。
炼钢
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  CaO-SiO₂-Al₂O₃-MgO-FeO渣对Al₂O₃的溶解

  齐詹, 成日金, 武献民, 霍立桥, 朱俊涛, 刘成松, 张华, 倪红卫

  钢铁. 2024, 59(2): 65-74.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230339

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  为了控制低碳铝镇静钢中Al₂O₃夹杂物,并提升渣系对Al₂O₃夹杂物吸附能力,采用FactSage 8.1模拟计算CaO-SiO₂-Al₂O₃-5%MgO-5%FeO渣系的等黏度图和等ΔC/η(ΔC=C^s_Al2O3-C^b_Al2O3,η为渣的黏度)值线图。根据模拟计算图选取合适的五元精炼渣做Al₂O₃的吸附试验,试验研究了Al₂O₃在CaO-SiO₂-Al₂O₃-5%MgO-5%FeO渣系中的溶解速率,讨论了Al₂O₃棒浸入深度、直径、转速、渣成分以及温度对Al₂O₃溶解速率的影响,求解了Al₂O₃在溶解过程中的活化能。最后,采用场发射扫描电子显微镜(Apreo S HiVac)对氧化铝棒与熔渣接触的界面处进行微区线元素的定性分析。研究结果表明,Al₂O₃在渣中的溶解速率受诸多因素的影响;溶解速率随氧化铝棒的旋转速度、棒直径、浸入深度和温度的增加而增加;溶解速率也会随着CaO含量的增加而增加,Al₂O₃和SiO₂含量的增加而降低。溶解速率高度依赖于熔渣的黏度,渣的黏度对Al₂O₃的溶解速率呈负相关,Al₂O₃的溶解速率与浓度驱动力呈正相关。氧化铝棒溶解于渣系前,会先生成中间相CaO·2Al₂O₃和CaO·6Al₂O₃,中间相溶解在熔渣中,溶解于渣A中的表观活化能为410.9 kJ/mol。结合溶解速率图与等ΔC/η值线图进行对比,验证了Al₂O₃在渣中的溶解速率受渣物性的影响。
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  上升气泡对钢渣界面行为的影响

  刘勇, 程树森, 刘童

  钢铁. 2024, 59(2): 75-84.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230306

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  钢水与炉渣之间的界面接触面积是影响化学反应效率的关键因素之一。通过搭建水-油体系物理模型,结合图像处理技术,重现气泡穿越渣-金界面现象,研究气泡大小、渣层密度、黏度及界面张力对气泡携带金属量及渣-金界面面积的影响。结果发现,气泡尺寸增加,气泡夹带金属液滴体积及体积增长速率均增大,气泡初始直径从5 mm增大到15 mm及25 mm时,夹带量分别增加733.33%及3 611.11%。随着炉渣黏度增加和密度减少,夹带量增加,但在所研究的炉渣厚度范围内对其影响程度低。气泡穿越过程引起渣-金界面面积的变化是关注的重点。值得注意的是,渣-金界面面积随气泡尺寸增加呈先增加后减少的趋势,气泡直径从5 mm增大到15 mm及25 mm时,界面面积分别增加312.97%及113.44%。当气泡尺寸为15 mm时,油相密度由0.76 kg/m³增加到 0.84 kg/m³,界面面积增长率增加67.44%;黏度由 8.9 mPa·s增加到193.5 mPa·s,界面面积增长率减少31.39%。另外,通过数值模拟表明油表面张力、水表面张力或者水-油界面张力由0.03 N/m增加至0.06 N/m,液-液界面面积最大值分别增加2.96%、减少6.05%及减少9.14%,影响程度从高到低分别为,油-空气、水-空气及水-油界面张力。结合钢液二次精炼,选择合适的底吹气量和炉渣物性参数对精炼效率有重要作用,但由于试验材料物性参数的限制,未来建议通过数值模拟的手段,进行单参数对夹带量与渣-金界面面积的影响程度分析,提供更有效的现场指导。
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  复合搅拌工艺电弧炉熔池混匀与界面传质特性

  张福君, 杨树峰, 刘威, 孙烨, 焦傲腾, 李京社

  钢铁. 2024, 59(2): 85-98.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230318

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  全废钢电弧炉冶炼过程中缺失C-O反应,加之熔池呈浅碟型,单一搅拌方式搅拌强度低,反应动力学条件差,是制约电弧炉高效冶炼的主要原因之一。为了改善电弧炉冶炼过程熔池内动力学条件、提高冶炼效率,采用物理模拟方法,研究了单一搅拌方式形成的流场特性,在此基础上进一步探究了不同复合搅拌组合条件下熔池混匀与界面传质特性,探究最佳的复合搅拌方式。研究结果表明,氧气射流、侧吹形成的流场相似,主要分布在熔池上部和中上部,复合搅拌不能消除单一搅拌形成的弱搅拌区域;底吹形成的流场可以贯穿整个熔池,但在远离流股中心处和底部仍然存在弱搅拌区域,与射流复合搅拌可以大幅提高搅拌效果,平均混匀时间为53～86 s。在射流和底吹复合搅拌的死区部位添加侧吹喷枪,形成“三元”复合搅拌,可以进一步强化熔池搅拌效果,平均混匀时间为31～68 s,远低于“二元”搅拌,但熔池内部混匀效果与钢-渣界面传质效果对搅拌工艺参数要求并不一致,甚至相反。综合在“三元”搅拌条件下的冶金效果,1组和5组综合冶金效果最佳。
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  轴承钢大方坯凝固末端特性与中心质量控制

  夏帅康, 王璞, 汤群伟, 李伟涛, 扈凯, 张家泉

  钢铁. 2024, 59(2): 99-110.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230422

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  连铸流程取代模铸锻造生产高端轴承钢是当前的发展趋势。为了改善GCr15轴承钢200 mm×240 mm大方坯连铸中常见的中心缩孔和中心偏析问题,借助数值模拟研究连铸坯传热与凝固进程,并通过工业试验调整拉速探究末端电磁搅拌(final electromagnetic stirrer,F-EMS)和轻压下(soft reduction,SR)对连铸内部质量的协同影响机制和效果,通过低倍酸侵观察不同工艺下铸坯的横纵截面缩孔疏松和裂纹情况,通过钻屑取样检测铸坯横截面上碳偏析分布。结果表明,拉速为0.95 m/min时铸坯凝固终点仅为13.0 m,此时提升F-EMS强度且使用轻压下虽然可以改善中心缩孔,但F-EMS也将更多高浓度钢液搅入铸坯中心,由于铸坯中心熔池宽度小,对高浓度溶质的稀释作用小,熔池难以稀释这些钢液从而使得铸坯中心偏析反而加剧。而在F-EMS电流强度为540 A、SR总压下为7 mm的工艺下,拉速提升至1.2和1.4 m/min时,铸坯内弧侧都产生了压下裂纹,且由于GCr15轴承钢连铸凝固两相区较宽,拉速为1.4 m/min时铸坯在铸机上产生裂纹的压下辊处,铸坯内部裂纹敏感区间较白亮带更靠近铸坯表面,最终导致白亮带较压下裂纹更靠近铸坯中心。拉速为1.1 m/min时,虽然中心缩孔得以控制,但中心区域出现负偏析,导致断面均质性无法控制到较高水平。而在拉速为1.0 m/min工况下,F-EMS处的铸坯中心固相率在0.1附近,在合理位置,其2号和3号压下辊处铸坯中心固相率都处于合理的压下区间0.30~0.75,铸坯横截面中心缩孔评级为0.5以内,中心偏析为1.003,碳极差为0.125%,其质量最优。
压力加工
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  热连轧机组轧辊温度场及热辊型

  李子正, 刘芦轩, 尹宝良, 邝霜, 王俭辉, 白振华

  钢铁. 2024, 59(2): 111-118.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230412

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  针对热连轧机组轧辊温度场无法精准预测引起的辊耗及板形问题。为了实现轧辊温度场与热辊型的精确预报来减少异常辊耗和避免重大生产事故的发生,运用数值解析的有限差分法和轧辊热传导方程建立了适合于热轧轧辊温度场与热辊型模型,在此模型基础上引入热轧机组的轧辊冷却水智能分段冷却控制系统,充分考虑复杂状态下冷却水的存在和冷却水流速对轧辊温度场与热辊型的直接影响。结合热连轧轧制过程中的设备参数及其工艺特点,同时考虑轧制钢卷数量递增对轧辊温度场和热辊型的循环叠加作用,编写程序将理论计算公式、模拟调控模型与现场实际工艺设备参数相结合作为分析的研究对象。首先通过现场轧辊测温设备对工作辊和支撑辊进行温度测量,并将测得的实际温度分布值与模型计算值进行对比分析,得到相近的轧辊温度和轧辊凸度变化趋势以及一致的温度和凸度数值,验证了模型计算的准确性和有效性。随后根据结果进行研究分析,得到了钢卷数量变化对轧辊温度和辊凸度的影响,发现了钢卷数增加对温升的叠加影响,同时发现10卷左右将会完成轧辊温度场的温升稳定,同时分析得出冷却水流速在3种不同速度下的轧辊温度沿辊身方向分布情况。最终实现了对工作辊和支撑辊温度场与热辊型的精确预报,并且为后续利用轧辊温度场与热辊型模型进一步调控轧辊辊温分布奠定模型基础。
钢铁材料
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  PMO对高速钢枝晶组织及碳化物的影响

  刘海宁, 陈杨珉, 陈湘茹, 李莉娟, 翟启杰

  钢铁. 2024, 59(2): 119-128.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230374

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  脉冲磁致振荡(Pulse Magneto-oscillation,简称PMO)是上海大学先进凝固技术中心原创的凝固均质化技术,该技术成功已应用于多家冶金企业数十种特殊钢生产,在改善铸坯质量方面取得了理想效果。高速工具钢(简称高速钢)作为一种高合金钢,其铸态组织中树枝晶组织及共晶碳化物发达,宏观偏析严重,不仅影响了其质量和性能,同时制约了该类钢种采用连铸工艺生产。为了探究PMO改善高速钢凝固组织的可行性,采用双电源真空感应熔炼装置,研究PMO对其枝晶组织、共晶碳化物的影响。研究结果表明,在PMO作用下,高速钢铸态组织中粗大的柱状晶组织转变为全等轴晶组织,并且共晶碳化物网交汇区及共晶碳化物颗粒平均尺寸大幅度减小,碳化物分布均匀性得到显著改善。PMO对4个钢种的共晶碳化物网交汇处尺寸有明显细化作用,以M2高速钢共晶碳化物网交汇处尺寸细化程度为例,1/8D、1/4D和1/2D(D为铸坯径向直径)处的碳化物交汇处的平均尺寸较未施加PMO处理的铸锭依次减小48.5%、47.1%和43.4%;同时,PMO可以进一步细化共晶碳化物颗粒尺寸,以M2Al高速钢为例,1/8D、1/4D和1/2D处的共晶碳化物颗粒平均尺寸依次减小49.1%、54.5%、40.2%。研究结果为提高高速钢铸态质量提供了一种新思路及新方法,并有助于高速钢实现连铸和避免高速钢大变形量压力加工过程中产生开裂现象,为改善高速钢连铸过程中遇到的心部碳化物聚集、粗大碳化物等问题提供了一种新的方向。
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  固溶温度对Fe-30Mn-8Al-0.8C低密度钢组织及力学性能的影响

  张琪, 沈逸平, 陈光辉, 薛正良, 徐光

  钢铁. 2024, 59(2): 129-138.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230366

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  为了研究900~1 100 ℃不同固溶温度处理后Fe-30Mn-8Al-0.8C(质量分数,%)低密度钢的组织演变规律和力学性能,采用OM、EBSD和XRD对奥氏体晶粒的长大行为进行了分析,采用Sallars模型拟合了不同固溶温度和时间处理后的奥氏体晶粒尺寸,建立了奥氏体长大模型。采用拉伸试验机和硬度计测试试验钢的力学性能,根据拉伸试验和显微硬度试验结果,分析了试验钢的微观组织与力学性能的关系。结果表明,试验钢在900 ℃固溶处理90 min后基体组织为奥氏体,但仍存在未溶的κ-碳化物,在其他固溶温度处理后的试样碳化物完全溶解,组织均为奥氏体单相。随着固溶温度的升高,奥氏体晶粒尺寸增大,对奥氏体晶粒长大行为进行拟合分析,给出了固溶温度、保温时间与奥氏体晶粒尺寸关系模型。随着固溶温度升高,伸长率、屈服强度和抗拉强度逐渐降低,由于900 ℃试样中存在未被完全固溶的κ-碳化物导致试样提前断裂,因此在900 ℃固溶处理的试样的伸长率略低于950 ℃试样。试验钢在950 ℃固溶处理90 min后可获得最佳的强度和塑性配合,强塑积可达44.3 GPa·%。随着固溶温度升高,加工硬化率降低,导致抗拉强度的加工硬化项降低。根据Hall-Petch关系,给出了试验钢屈服强度和晶粒尺寸的关系方程,结合奥氏体晶粒长大模型,可以预测固溶态高锰高铝Fe-30Mn-8Al-0.8C奥氏体低密度钢的力学性能。
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  含稀土Ce的Fe-Mn-Al轻质高强钢的热力学计算及组织性能

  胡志强, 张昊轩, 赵家琛, 崔磊, 李新星, 王开坤

  钢铁. 2024, 59(2): 139-146.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230394

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  为了掌握含稀土Ce的Fe-Mn-Al轻质高强钢相组成及组织性能特点,进而提高其综合力学性能,采用热力学计算和试验相结合的方法,研究含稀土Ce的Fe-Mn-Al轻质高强钢的相组成、微观组织和典型力学性能,分析900~1 100 ℃固溶处理工艺对其组织性能的影响规律。研究结果表明,试验钢在600~1 200 ℃时的相组成主要包括铁素体、奥氏体、κ碳化物、Ce₂C₃和NbC等;当温度高于865 ℃时,碳化物几乎全部溶于基体,奥氏体单相区存在于温度865~915 ℃,当温度超过915 ℃时,高温铁素体开始从奥氏体中析出,高温铁素体含量随温度的升高而逐渐升高,915~1 200 ℃温度区间是奥氏体和铁素体的两相区。热锻试验钢中奥氏体体积分数约为86.4%,只有少量带状铁素体沿奥氏体晶界分布,奥氏体晶粒约为28 μm,内部含有大量孪晶。固溶处理后,铁素体含量增加、晶粒开始粗化,大部分带状组织铁素体破碎分离,呈小颗粒状沿奥氏体晶界分布,奥氏体内部有大量孪晶,试验钢抗拉强度显著降低,塑性明显提高。固溶温度为1 000 ℃时,试验钢的抗拉强度为889.6 MPa,断后伸长率为47.1%,强塑积达到最大(42.08 GPa·%),这一方面是由于铁素体含量增加使得试验钢的塑性显著提高,另一方面奥氏体和铁素体组织两相组织分布均匀,且晶粒细小,匀细小的晶粒有利于强塑性的提高,因此相较于900 ℃固溶条件下,试验钢的抗拉强度没有明显下降,而塑性约为原来的2倍。
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  拉速对30Cr13连铸板坯中碳化物尺寸和分布的影响

  张静, 赵璇, 李实, 张立峰

  钢铁. 2024, 59(2): 147-156.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230307

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  30Cr13是一种优秀的刀具用马氏体不锈钢,连铸技术的发展使其生产效率大大提高。拉速是连续铸钢过程中一个重要的工艺参数和技术指标,当连铸拉速不适当时,极易形成大量分布不均匀的碳化物,而碳化物的尺寸和分布是影响连铸板坯质量的关键因素。以30Cr13连铸板坯为研究对象,利用电镜、光镜、X射线衍射技术等,对拉速为0.75、0.80和0.85 m/min的连铸板坯中不同凝固组织处碳化物的形状、尺寸和类型进行了分析统计。结合凝固组织形貌研究了拉速对30Cr13连铸板坯中碳化物的影响,总结了拉速对碳化物影响的规律。研究表明,碳化物的主要形状为簇状、块状和条状,主要组成元素为铁、铬和碳,并确定了碳化物的主要类型为(Fe,Cr)₇C₃和(Fe,Cr)₂₃C₆。发现“白亮带”处无碳化物存在,在“白亮带”之间的试样中出现了大量碳化物,连铸板坯中心处碳化物最多。拉速对碳化物的形状、类型和存在位置影响较小,而对碳化物的数量、尺寸影响较大。随着拉速的增大,碳化物总面积占比和数密度先减小再增大,在拉速为0.8 m/min时连铸板坯中碳化物面积占比和数密度最低,这一变化与不同拉速下碳偏析指数偏离正常值的程度趋势相同。随着拉速的增大,小尺寸碳化物占比逐渐增大,大尺寸碳化物占比几乎为0。采用0.80 m/min的拉速可以很好地控制连铸板坯中碳化物的尺寸分布,改善连铸板坯的质量。
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  温度对2507钢在模拟烟气脱硫冷凝液中点蚀行为的影响

  惠朋博, 邹德宁, 李雨浓, 李苗苗, 何婵, 陈浩东

  钢铁. 2024, 59(2): 157-163.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230388

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  超级双相不锈钢(SDSS)因优异的耐蚀性和卓越的力学性能以及性价比高等优势,在烟气脱硫领域具有广阔的应用前景。以2507 SDSS为研究对象,利用金相显微镜、扫描电子显微镜及电化学工作站等手段,对其在不同温度(20、40、60、80 ℃)烟气脱硫冷凝液中的点蚀行为进行深入研究。结果表明,当溶液温度为40 ℃时,试验钢的自腐蚀电位(Ecorr)为-0.078 V,自腐蚀电流密度(icorr)为5.09 mA/cm²,点蚀电位(Epit)为0.956 V,阻抗谱半径最大,电荷转移电阻(Rct)为54 200 Ω/cm²,频率为0.01 Hz的阻抗模值|Z|_f=0.01 Hz为52 036 Ω,其耐蚀性最好。当溶液温度从20 ℃升高到80 ℃时,试样的Ecorr、Epit先增大后减小,icorr先减小后增大,电化学阻抗谱半径先增大后减小,Rct先增大后减小,腐蚀后点蚀坑数量先减少后增多,耐点蚀性能呈现先升高后降低的规律。分析认为这是温度对电化学过程的2个相反作用(氧含量降低的阻滞效果和离子活性增强的促进效果)的综合影响结果。当温度低于或处于40 ℃时,溶解氧的质量浓度减少,Cl^-的活性、反应能力较弱,氧含量降低的阻滞效果占主导作用。随温度升高,2507 SDSS耐点蚀性能提升。当温度高于40 ℃时,过高的温度会增强腐蚀性卤素离子的活性及其反应能力,Cl^-活性增强的促进效果占主导作用。随温度升高,2507 SDSS耐点蚀能力降低。
环保与能源
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  含铁尘泥球团成型用复合黏结剂开发及应用

  任晓健, 周荣宝, 杨涛, 马磊, 雷杰, 龙红明

  钢铁. 2024, 59(2): 164-172.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230446

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  转底炉直接还原工艺具有有价元素收得率高、杂质脱除程度高的优势,成为钢铁企业含铁尘泥处理技术发展的趋势之一。但由于含铁尘泥成球性能差,导致制备出的含铁尘泥球团强度低,易粉化,严重制约了转底炉工艺的绿色高效生产。选择优良的黏结剂是改善球团原料性能和提高球团矿产质量的重要手段。通过有机黏结剂和膨润土搭配制备出复合黏结剂,探究了复合黏结剂对球团冷态性能和还原性能的影响。研究表明,复合黏结剂球团表现出优异的生球性能,其中CB2-3组(3%膨润土+0.5%黏结剂B)的生球落下强度及抗压强度分别达到8.5 次/0.5 m和78 N/P,这是由于有机黏结剂含有丰富的—OH、—COO—等含氧基团,改善了含铁尘泥表面的亲水性,强化了膨润土与尘泥颗粒间的连接。黏结剂C在干燥过程会形成网状结构,促进尘泥颗粒间相互靠近,这是CB3组(3%膨润土+2%黏结剂C)干球强度提升的重要因素。同时,有机组分的增加有助于铁、锌氧化物的还原反应,主要原因是有机组分高温下热解,在球团内部形成微小孔隙,加快了燃料的热解和还原产物的扩散,促进还原反应的正向进行,但生成的过量孔隙会导致球团强度下降。工业试验表明,相较于现场使用的复合黏结剂YG-1,添加CB2-3和CB3后,可明显提高含铁尘泥球团的产质量指标,同时黏结剂成本由140 元/t分别降至115元/t和120元/t,达到提质降本的效果。
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  富氧燃烧条件对加热炉传热特性影响

  陈德敏, 李宁, 刘骁, 赵义博, 郦秀萍, 陈光

  钢铁. 2024, 59(2): 173-184.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230368

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  富氧燃烧具有提高理论燃烧温度、降低过剩空气系数和增强烟气辐射能力等优点,成为工业炉窑领域研究的热点,但目前轧钢加热炉内富氧燃烧位置及氧气体积分数变化对炉内流动和传热过程影响规律尚不明确。建立了加热炉炉内流动、富氧燃烧和传热数学模型,并在案例加热炉进行了应用,利用测试数据验证了模型的准确性后,分析了富氧燃烧分别位于预加热段、加热一段和加热二段时,炉内温度场、速度场和钢坯传热过程的变化规律,得到了富氧燃烧的最佳位置。其次,分析了固定富氧燃烧位置,氧气体积分数从21%变化到49%时,加热炉烟气热损失、炉膛热效率和节能率的变化规律,得出此种条件下氧气体积分数最佳范围。结果表明氧气体积分数固定时,预加热段、加热一段和加热二段分别实施富氧燃烧,热流密度变化最明显的炉内位置分别出现在17~25、17~34 和29~44 m,这些位置平均热流密度增加值分别为4.95、7.42和7.95 kW/m²。富氧燃烧位置分别位于预加热段、加热一段和加热二段,氧气体积分数为21%~37%时,氧气体积分数每增加1%,烟气损失分别下降0.25%、0.55%和0.72%,炉膛热效率分别提高0.13%、0.3%和0.39%,节能率分别提高0.2%、0.99%和1.09%,而氧气体积分数为37%~49%时,即使在加热二段实施富氧燃烧,烟气损失、炉膛热效率和节能率变化也并不明显。通过上述分析可以看出,轧钢加热炉中,热负荷较大的加热段实施富氧燃烧,且氧气体积分数为21%~37%时节能效果最明显。