2024年, 第59卷, 第3期　刊出日期：2024-03-15

  

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综合论述
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  高锰钢研究进展： 成分、组织和性能调控

  张福成, 陈晨, 刘帅, 张朋, 杨志南

  钢铁. 2024, 59(3): 1-18.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230414

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  自从1882年Hadfield高锰钢问世以来,吸引了国内外众多科研人员在高锰钢成分设计、组织调控、生产工艺及应用开发等方面做了大量研究工作,使这个具有百年历史钢种的应用领域从最初的耐磨钢领域,逐渐拓展到无磁钢、汽车钢、腐蚀及低温环境用钢,甚至功能材料领域,形成了多个关键钢铁材料品种,成为特种钢领域最典型、应用领域最广的钢种系列,极大地丰富了钢铁材料世界。这些高锰钢品种的研发、制造及应用,对推动钢铁制造技术创新及下游行业发展起到了极其重要的作用。介绍了高锰钢的起源和发展,重点梳理了典型应用领域中使用的高锰耐磨钢、高锰汽车钢、高锰低温钢、高锰无磁钢以及高锰阻尼合金的化学成分、微观组织及性能研究进展,并对这几类高锰钢微观组织和性能的调控方法及效果进行了较为详细的总结和举例说明。虽然高锰含量保证了高锰钢获得特殊的微观组织、力学和物理特性,但同时也导致了其在生产制造中面临连铸漏钢、焊接接头性能不稳定、扩孔性能不足等系列共性技术难题,这在一定程度上限制了高锰钢的推广和应用。通过统计当前不同类型高锰钢的碳-锰含量和微观组织特征,指明了新型高锰钢的化学成分设计思路,并探讨了未来高锰钢在理论研究和应用领域的主要发展方向。
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  铜合金化轻质钢屈服强度及氢脆性能的研究进展

  李运刚, 任喜强, 齐艳飞, 吴志杰, 冯汉坤, 李彦泽

  钢铁. 2024, 59(3): 19-31.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230534

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  随着全球能源危机及环境恶化的加剧,汽车行业在以高安全性为基础的前提下逐步推进汽车轻量化的发展模式,以实现低能耗低污染的目标。汽车所用材料中,钢铁材料约占整车质量的70%,因此,研发高性能的汽车用轻质钢迫在眉睫。目前,Fe-Mn-Al-C轻质钢,尤其是奥氏体基双相轻质钢和奥氏体轻质钢,凭借良好的综合性能及显著的减重效果成为发展潜力较强的汽车用钢,但是其同其他高强钢一样也面临屈服强度和抗氢脆断裂性能需要进一步提升的问题。基于此,聚焦国内外的相关研究现状发现添加铜元素是改善上述问题比较理想的合金化思路之一,钢中添加铜元素且配以合理的热处理工艺,可以实现晶粒内细小富铜颗粒和细小κ-碳化物颗粒的共同析出,且富铜颗粒的析出可以促进κ-碳化物颗粒的析出,充分利用各个析出相的特点达到提高轻质钢综合性能的目的。总结了铜元素对Fe-Mn-Al-C轻质钢屈服强度和氢脆性能的影响及作用机理,针对研究现状提出以下亟需解决的问题,即富铜颗粒和κ-碳化物颗粒共同析出的交互作用规律和耦合机制及其对钢变形行为的作用机制;富铜相和κ-碳化物的氢陷阱结合能及其对氢俘获位点及氢扩散速率的影响;富铜析出相的晶格转变类型及其与热处理工艺参数之间的关系。对进一步提高Fe-Mn-Al-C轻质钢的综合性能及促进其早日实现工业化生产应用具有一定的参考价值。
原料与炼铁
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  高炉高比例球团矿冶炼关键工艺技术分析

  张福明, 徐文轩, 程相锋, 陈艳波

  钢铁. 2024, 59(3): 32-45.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230381

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  高炉采用高比例球团矿冶炼,可以显著提高熟料率和入炉品位,降低高炉渣量和燃料消耗,同时还可以大幅度降低炼铁工序CO₂排放,是实现高炉炼铁绿色低碳的重要技术途径。研究了高炉采用高比例球团矿、炉料结构发生较大变化的条件下,炉料分布及运动行为的变化及其规律,通过炉料运动过程的离散元仿真模拟计算,分析得出球团矿比例提高时,炉料分布和下降运动的特征。根据球团矿还原过程的反应特性,解析了球团矿还原过程中发生还原膨胀的机理及控制机制。从理论上计算并讨论了球团矿入炉比例提高以后,高炉透气性的变化及其规律。为适应高比例球团矿冶炼工艺条件,设计优化了高炉内型参数,以适应高比例球团矿冶炼的工艺特性。试验测定并研究了不同球团矿入炉比例条件下,炉料综合的软化、熔滴等物性参数的变化及其规律。采用高碱度烧结矿、碱性球团矿、酸性球团矿、块矿四元炉料结构时,综合炉料的高温软熔性能参数得到优化,软熔带区域的阻力损失下降,为高炉冶炼稳定顺行创造了有利条件。结合特大型高炉生产实践,研究开发了适用于高比例球团矿冶炼的关键工艺技术。采用炉料精准分布控制技术、富氧喷煤、提高顶压等综合技术措施,使首钢京唐高炉在球团矿入炉比例达到55%条件下,获得了显著的高效低碳生产运行实绩。
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  铁矿粉烧结原料智能制备研究进展

  丁成义, 常仁德, 薛生, 江枫, 龙红明, 余正伟

  钢铁. 2024, 59(3): 46-57.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230406

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  随着智能冶金技术的不断发展,利用人工智能、物联网等技术来实现原料智能化制备已经成为冶金行业的重要趋势。通过原料智能化制备可以实现烧结过程配料、制粒以及布料等方面的精确控制和优化,进而提高烧结矿产量和质量,同时减少生产成本和环境污染。介绍了铁矿粉烧结工艺中原料智能制备技术的应用现状和发展趋势,并通过铁矿粉烧结中的生产效率、成本、能源消耗以及烧结矿产质量指标等多方面综合分析智能制备技术的优缺点。智能配料部分系统介绍了烧结配料发展过程和智能配料模型及其算法,指出了物联网和人工智能等技术的促进作用。智能制粒部分详细介绍了混合料配水控制模型的发展阶段和研究进展,并重点分析了基于3层BP神经网络和Litster优化模型的智能制粒技术研究现状,尤其是结合数据清洗和预处理、引入正则化和dropout技术以及采用批量训练和并行计算等方法来实现智能制粒预测。智能布料部分讨论了利用多种技术来实现厚料层和料层偏析优化控制,以达到高效、高产烧结的目的,同时指出三元尺寸图、磁偏析以及EDEM软件仿真模拟等技术存在的问题,并给出相应的技术优化建议。系统总结了烧结原料制备过程中的配料、制粒和布料工序智能化现状和未来发展趋势,为烧结工艺低碳化、绿色化发展助力。
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  基于工艺理论与数据挖掘的铁水提钒关键措施分析

  段一凡, 刘然, 刘小杰, 李欣, 李红玮, 吕庆

  钢铁. 2024, 59(3): 58-78.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230438

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  “高炉+转炉”法是中国主流的钒钛矿冶炼工艺,针对钒钛高炉冶炼数据探究铁水最终钒含量的影响机制,并量化具体的参数调控方案对钒钛烧结矿的高效冶炼具有重大意义。首先梳理了钒钛烧结矿的矿物组成及冶炼机理,结合不同反应的吉布斯自由能变化曲线分析了钒、钛元素的热力学特征,从理论方面确定了铁水钒、钛含量之间存在促进关系以及与渣中TiO₂含量存在抑制关系的主要结论。其次,以承德某钢铁厂的钒钛矿冶炼数据为基础,提出了一种高效的特征选择算法用于提取铁水钒含量的影响特征,计算参数之间的斯皮尔曼相关系数确定相关性;计算参数之间的互信息度判断冗余特征;结合最大相关-最小冗余的思想和工艺原理最终选取17个特征变量作为铁水钒含量的主要影响特征,同时引入“信息传递熵”的概念衡量高炉调参过程中的效果链式传递现象。最后,给出了提高铁水钒含量的具体措施,并结合控制变量法量化了不同的高炉调参策略对铁水钒含量的影响。有利于进一步明确钒、钛元素在高炉冶炼过程中的演变行为,通过试验数据的分析结果为铁水提钒的关键参数调控提供了操作依据,促进了钒钛高炉的稳定顺行与高效冶炼。未来,相关研究应致力于将数据分析与专家经验进行更深层次的融合,推动钒钛高炉的智能制造与调控进一步深入。
炼钢
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  基于随机森林预测转炉物料的废钢比计算模型

  王健豪, 方庆, 王家辉, 罗霄, 张华, 倪红卫

  钢铁. 2024, 59(3): 79-91.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230344

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  在“双碳”背景下,提高废钢消耗比例和降低铁钢比已成为钢铁行业能效提升和节能降碳的重要途径。随着废钢资源的不断积累和环保压力的增加,钢铁企业迫切需要找到一个平衡点,既能有效利用废钢资源,又能控制成本和提高经济效益。基于某厂实际生产数据,首先通过物料平衡和热平衡分析构建了一个静态估计模型,结果显示,物料平衡的计算误差为0.13%,热平衡的计算误差约为0.18%,证实了静态模型的准确性,并通过模型的矫正,调整废钢加入量以减少计算误差。其次,为了进一步提高模型预测的准确性,采用随机森林算法对钢水产量、轻烧白云石加入量和石灰加入量进行预测。测试集数据预测的均方根误差R_MSE分别为1.925 9、0.256 14和0.433 36,预测方差分别为0.837 41、0.861 33和0.876 14,这证明随机森林算法在预测中的可靠性和有效性。最后,结合原料价格和预测结果,构建了最佳废钢比的计算模型。根据当前原料价格,模型计算出最佳废钢比例为27%。而当钢水价格上涨、废钢价格下降时,最佳废钢比例增至32%。该模型可以基于原料的不同价格计算出使吨铁水利润达到最大的废钢比,优化废钢利用比例,实现高效利用废钢资源、降低碳排放和提高能源效率,为相关企业实现转炉智能、低碳、高效和低成本生产提供一定的理论基础。
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  Fe-Mn-Al-C低密度钢中AlN夹杂物的聚集与吞噬行为

  曹磊, 郭宇航, 王国承, 魏建峰, 鹿超超

  钢铁. 2024, 59(3): 92-99.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230357

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  Fe-Mn-Al-C低密度钢中聚集长大的AlN夹杂物对钢质量有严重影响。通过高温共聚焦激光扫描显微镜结合场发射扫描电子显微镜对Fe-Mn-Al-C低密度钢液态及凝固过程中AlN夹杂物演变行为进行原位观察。发现AlN夹杂物在液态钢中发生聚集现象,形成尺寸较大的多颗粒聚集型AlN夹杂物;在随后的降温凝固过程中聚集型AlN夹杂向液-固界面靠近并被液-固界面前沿推动;随着液相量的减少,聚集型AlN夹杂物最终被固相吞噬。为了明晰聚集机理,由于观察的大部分单颗粒AlN半径为1~10 μm,通过受力分析计算了钢液中半径为1~10 μm的AlN夹杂物的黏性阻力和夹杂物之间的腔桥力大小。发现腔桥力远大于黏性阻力,腔桥力是导致AlN夹杂物聚集的主要作用力。基于腔桥力理论进一步分析了腔桥形成的总自由能变化,以2个半径均为8 μm的单颗粒AlN夹杂物为例,计算了腔桥形成的总自由能变化,发现2个AlN夹杂物之间形成稳定腔桥的临界距离d_c 为 1.5 μm ;当2个AlN夹杂物之间的距离d大于 d_c时,AlN夹杂聚集过程的总自由能变化大于0,不会形成稳定腔桥;当d 小于 d_c时,聚集过程的总自由能变化小于0,AlN夹杂物之间可以形成稳定的腔桥从而发生聚集。试验观察和液-固界面处夹杂物受力平衡计算发现,范德瓦尔斯力对凝固过程中的AlN夹杂物运动起到关键的作用。AlN夹杂物先被液-固界面前沿推动,随着温度降低和液相量减少,AlN夹杂物最终被固相捕捉并吞噬。
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  铈对Fe-28Mn-10Al-1C低密度钢中非金属夹杂物的影响

  周杰, 朱航宇, 王蓝卿, 潘雨桐, 袁文达

  钢铁. 2024, 59(3): 100-106.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230407

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  为了研究稀土铈对Fe-28Mn-10Al-1C低密度钢中非金属夹杂物的影响机理,通过扫描电子显微镜（SEM）、能谱分析仪（EDS）及Image J软件对比分析了稀土处理前后夹杂物的形貌、成分、尺寸和数量,并基于热力学计算阐明了稀土铈对夹杂物的改性机理。研究结果表明,低密度钢中典型夹杂物为AlN和AlN-MnS复合夹杂物,钢中AlN夹杂物较多,尺寸较大,平均直径为3.64 μm;向低密度钢中添加（质量分数）0.001 9%铈后,夹杂物以球状AlN-Ce₂S₃、AlN-Ce₂S₃-MnS、AlN-MnS复合夹杂物和单一AlN夹杂物为主,整体夹杂物数量最少,夹杂物平均直径及长宽比降低,平均直径为3.08 μm;向低密度钢中添加（质量分数）0.013%铈后,夹杂物则以球状Ce₂S₃、附着态AlN-Ce₂S₃和单一AlN夹杂物为主,夹杂物数量异常升高,1~4 μm夹杂物所占比例较大,平均直径为2.52 μm。稀土处理可有效细化夹杂物尺寸并改善大尺寸氮化物和硫化物夹杂的形貌特征,未检测到单一MnS及Al₂O₃夹杂物。此外,通过FactStage 8.0热力学计算软件分析了稀土铈对Fe-28Mn-10Al-1C低密度钢中AlN、MnS夹杂物影响规律、稀土夹杂物的析出行为及演变过程,计算表明,AlN在冶炼温度下即可形成,MnS倾向于异质形核,生成AlN-MnS复合夹杂物;加入（质量分数）0.001 9%铈后,Ce₂S₃以AlN为核心析出形成AlN-Ce₂S₃,钢中硫含量降低,抑制了MnS的析出;加入（质量分数）0.013%铈后,析出大量小尺寸Ce₂S₃夹杂物。
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  基于氧枪喷头磨损的熔池搅拌特性

  吕明, 陈双平, 郝翊杰, 邢相栋, 张朝晖, 郭红民

  钢铁. 2024, 59(3): 107-116.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230417

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  研究氧枪喷孔出口磨损程度对射流动力学参数及熔池搅拌效果的影响可以为氧枪喷头设计和冶炼工艺优化提供理论支持。建立了0°、10°和20°磨损角度氧枪自由射流几何模型,分析了喷孔出口磨损程度对射流轴向和径向动力学参数分布的影响,发现入口压力相同时,喷孔出口磨损程度增大,射流速度、动压和马赫数衰减加快,射流聚合程度增强。在喷孔出口0.18 m范围内,磨损后氧枪的湍动能大于未磨损氧枪,且磨损程度越大,射流湍动能越大。超过此范围后,未磨损氧枪湍动能大于磨损后氧枪。在喷孔出口1 000 mm处,射流径向最大速度、动压、马赫数和湍动能均随着喷孔出口磨损程度的增大而减小。建立了120 t转炉和5孔氧枪1∶4水力学试验模型,研究了枪位和气体流量变化对不同磨损程度氧枪冲击效果和混匀时间的影响,分析了枪位和气体流量相同时氧枪喷孔出口磨损对熔池流场的影响。发现气体流量相同时,随着枪位升高,熔池冲击深度减小,冲击直径增大,混匀时间增大。枪位相同时,随着气体流量增大,熔池冲击深度和冲击直径增大,混匀时间减少。枪位和气体流量相同时,喷孔出口磨损程度增大,冲击深度和冲击直径减小,混匀时间增大,高锰酸钾溶液完全扩散时间增大。磨损角度由0°增至20°,高锰酸钾溶液完全扩散时间由47 s增至59 s。
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  Ce₂O₃对CaF₂-CaO-Al₂O₃-MgO电渣重熔渣系熔化行为的影响

  李世森, 陈宇新, 臧喜民, 杨杰, 孔令种

  钢铁. 2024, 59(3): 117-128.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230443

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  目前,采用电渣重熔（ESR,electroslag remelting）还原稀土渣是一种有效的稀土添加工艺,而稀土氧化物的加入势必会改变渣系熔化性质,进而影响ESR工艺顺行及稀土钢质量。基于分子离子共存理论（IMCT）建立了CaF₂-CaO-Al₂O₃-MgO-Ce₂O₃五元渣热力学模型,从热力学角度分析了渣中各组元对Ce₂O₃活度的影响规律。采用半球法测定了不同Ce₂O₃含量和w（（CaO））/ w（（Al₂O₃））（C/A）条件下渣系熔点,结合SEM-EDS和XRD对渣系物相和微观形貌进行测试与分析。研究结果表明,当温度为1 873 K时,C/A、MgO、Ce₂O₃含量增加均增加渣系中Ce₂O₃的活度,且影响顺序为Ce₂O₃>C/A>MgO;w（（Ce₂O₃））≥18%、w（（MgO））≥4%以及C/A≥1.1时,钢中的铈元素不再烧损。随着Ce₂O₃添加量由0增加到24%,渣系熔点呈先降低后增加的趋势,加入少量Ce₂O₃能够促进稀土渣系熔点降低。但过量的Ce₂O₃会导致渣系中生成较多高熔点相2CeAlO₃,从而使得稀土渣系的熔点升高。随着C/A从1.1增加至1.4,渣系的熔点呈降低趋势,主要原因是高熔点物相减少,导致稀土渣系熔点降低。试验测得的平衡铈含量与理论计算值相差不大,且变化趋势一致。渣金平衡试验证明了w（（Ce₂O₃））为18%~20%能够减少铈元素的烧损,进一步证明该热力学计算模型和根据该模型得到的五元渣系范围是正确的。抑制稀土元素烧损的最佳渣系配比范围为w（（CaF₂））/w（（Al₂O₃））=1.4、w（（Ce₂O₃））=18%~20%、w（（MgO））=4%~5%、w（（CaF₂））=50%~60%,为稀土渣ESR提供理论指导。
压力加工
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  超高强带钢冷轧及平整过程表面粗糙度协同控制工艺

  王立萍, 周新福, 吴朋徽, 张冀, 李学通

  钢铁. 2024, 59(3): 129-136.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230605

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  超高强带钢强度高、硬度大、平整轧制过程中伸长率小,因此工作辊压印能力弱,即轧辊粗糙度压印率较小而带钢表面粗糙度遗传率大,同时来料带钢表面粗糙度没有得到精准控制,最终导致成品带钢表面粗糙度难以达标。首先,充分考虑超高强带钢的冷轧及平整轧制特点,分析了带钢伸长率、工作辊表面粗糙度及来料表面粗糙度对超高强带钢表面粗糙度的影响。其次,提出超高强带钢冷轧机组与平整机组轧制过程表面粗糙度协同控制策略,通过设定冷轧机组第4机架与第5机架工作辊表面粗糙度完成对平整来料表面粗糙度的控制,进一步设定平整机组工作辊表面粗糙度范围,通过调整带钢伸长率的大小,建立以超高强带钢成品表面粗糙度控制精度为目标的冷轧及平整机组协同控制技术模型。最后,将控制技术应用到国内某冷轧与平整机组4种典型规格的超高强带钢实际生产过程中。工艺结果表明,平整机组来料表面粗糙度与控制标准的偏差降低了0.1 μm,满足平整机组对来料表面粗糙度的要求,同时,成品带钢表面粗糙度控制精度达到了90%以上,粗糙度波动值降到0.06 μm以下,有效地提升了平整机组对超高强带钢表面粗糙度的控制能力,具有进一步推广应用的价值。
钢铁材料
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  高氮不锈轴承钢组织表征与滚动接触疲劳失效机制

  李波, 史智越, 徐海峰, 胡忠会, 贾忠宁, 俞峰, 王存宇, 曹文全

  钢铁. 2024, 59(3): 137-146.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230453

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  高氮不锈轴承钢作为第三代轴承钢材料,被广泛应用于航天飞机燃料泵轴承、飞机发动机主轴轴承等领域,现已经成为航空航天关键基础材料。而国内关于高氮不锈轴承钢滚动接触疲劳性能研究几乎空白,因此对加压电渣冶炼工艺制备的高氮不锈轴承钢采用不同回火温度热处理,进行力学性能测试、微观结构表征和滚动接触疲劳性能测试。结果表明,试验钢1 030 ℃淬火+180 ℃回火热处理工艺抗拉强度为1 899.7 MPa、硬度为60.7HRC,500 ℃回火后硬度与180 ℃相当,抗拉强度提升至2 213.5 MPa;通过对500 ℃高温回火试样基体表征,发现基体内纳米级Cr-N第二相析出是二次硬化现象产生的主要原因。180 ℃回火试样滚动接触疲劳寿命L₁₀为1.67×10⁷,500 ℃回火试样L₁₀为2.85×10⁷,提高了70%;通过对2组试样疲劳剥落坑深入表征,发现180 ℃回火试样次表层沿晶断裂是引起滚动接触疲劳失效的主要原因;结合基体残余应力测量结果分析,500 ℃高温回火残余拉应力为41 MPa,低于180 ℃回火的101 MPa。高温回火基体内析出的纳米级Cr-N第二相可以降低位错的运动能力,同时减弱了基体内部应力集中,使得滚道次表层沿晶断裂倾向减小,滚动接触疲劳寿命显著提高。对高氮不锈轴承钢不同回火工艺微观组织结构、滚动接触疲劳性能、裂纹萌生机制进行了深入研究分析,为高氮不锈轴承钢热处理工艺制定、抗疲劳机制研究以及材料研发应用提供试验与理论基础。
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  冷却速率对317L奥氏体不锈钢凝固组织演变的影响

  李雨浓, 邹德宁, 陈浩东, 惠朋博, 何婵, 张威

  钢铁. 2024, 59(3): 147-154.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230452

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  317L奥氏体不锈钢中Mo元素的增加使其具有更加优异的抗化学腐蚀能力,然而较高的Mo元素含量会增加其凝固过程δ-铁素体相的析出倾向,同时促进δ-铁素体向sigma脆性相的转化,该类Cr-Mo复合相需要采用长时间的均质化处理进行消除,但长时间高温热处理会造成晶粒的异常生长,对后续腐蚀性能产生较大影响,因此在凝固过程中对其凝固组织的控制极为重要。冷却速率是影响不锈钢凝固组织的重要因素之一,利用高温共聚焦显微镜（HT-CLSM）观察了3种典型冷速（6、100、1 000 ℃/min）下317L的凝固组织演变过程,并借助金相显微镜（OM）、扫描电子显微镜及能谱仪（SEM-EDS）和电子背散射衍射技术（EBSD）等表征手段对其凝固组织以及Cr-Mo复合相形貌、分布和含量进行分析。结果表明,317L不锈钢为FA型凝固,在凝固过程中δ-铁素体相率先从液相中形核,并与液相发生包晶反应生成γ-奥氏体相;随着冷却速率的增加,材料的结晶形核过程存在相应的滞后性,导致其过冷度增加,初始凝固温度略有降低,同时Cr、Mo元素的扩散行为受到影响,致使sigma相含量随着冷却速率的增加先增加后降低,铁素体相含量先降低后增加;317L中的Cr、Mo、Ni元素均发生了偏析,其中Cr、Mo元素发生了正偏析,Ni元素发生了负偏析,且Mo元素的偏析最为严重。
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  电脉冲辅助轧制SUS304极薄带的微观组织及力学性能

  范婉婉, 任忠凯, 刘晓, 魏书凤, 刘奇, 王涛

  钢铁. 2024, 59(3): 155-165.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230424

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  SUS304不锈钢极薄带是众多高精尖领域的重要原材料,但其变形抗力大导致极薄带的轧制生产工艺复杂。将脉冲电流加载至SUS304不锈钢极薄带的轧制变形中,研究脉冲电流辅助对极薄带轧制变形的影响。通过室温轧制和不同脉冲频率下的电脉冲辅助轧制试验,使用EBSD和XRD对轧后试样进行微观表征,研究了电脉冲辅助轧制对极薄带组织形貌、晶粒取向以及物相演变的影响。结合力学性能测试,分析了脉冲电流对轧制试样力学性能的影响。结果表明,电脉冲辅助轧制促使试样发生动态回复,增大电脉冲频率可加速其动态过程,600 Hz通电试样以亚结构晶粒为主（98.3%）。加载脉冲电流可改变极薄带的轧制变形机制,使其从相变马氏体转变为形变诱发孪晶。脉冲电流产生的热效应和非热效应皆可促进位错脱钉,使得相同变形量下电脉冲辅助轧制试样的位错密度明显低于室温轧制试样,加工硬化减弱、力学性能改善。同时,电脉冲辅助轧制有助于弱化轧制变形织构、增加织构类型,可改善变形试样的各向异性,有利于提高试样的塑性变形能力。对比室温轧制试样,600 Hz通电试样的显微硬度下降了33.4%,屈服强度降低了15.2%,断裂伸长率提高了249.6%,塑性变形能力恢复至原材料的30%。由此可见,电脉冲辅助SUS304不锈钢极薄带轧制变形,可减少加工硬化、降低变形抗力、提高塑性变形能力,有望突破最小可轧厚度,拓宽其应用领域。
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  基于二冷水优化改善板坯表面裂纹

  迟云广, 姚建华, 张国柱

  钢铁. 2024, 59(3): 166-174.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230451

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  铸坯表面质量直接影响热送热装效率以及钢板质量。表面裂纹是湘钢板坯目前存在的最主要表面质量问题。针对A36钢种,通过光学显微镜对300 mm厚度规格铸坯表面裂纹形貌进行了观察;利用扫描电镜分析、能谱分析确定了裂纹内部及裂纹附近存在大量Si、Mn、Fe的氧化物。模拟分析了铸机不同部位的温度,并结合裂纹附近氧化物的种类以及生成温度,确定了裂纹产生或者扩展的位置为结晶器足辊至弯曲段2区。对裂纹产生或者扩展部位的二冷水进行了优化试验,通过光学显微镜分析了距离铸坯边部不同距离处显微组织变化,并通过Image J对铁素体晶粒尺寸以及珠光体体积分数进行了统计。结晶器足辊和弯曲段2区二冷水优化试验表明,300 mm厚度规格铸坯结晶器足辊水增加至260 L/min、2区二冷水增加至170 L/min后,铸坯上表面从边部向中心部位显微组织整体变化规律不变,但二冷水优化后组织转变位置向边部移动;二冷水优化后距离铸坯边部不同距离处铁素体晶粒尺寸均明显减小,铁素体晶粒尺寸的减小增加了晶界数量,增强了对裂纹扩展的阻碍作用;珠光体体积分数降低,形貌由棱角尖锐的板条状,逐渐变得圆滑,减小了不同组织间的接触应力。二冷水的优化使板坯裂纹敏感性得到了明显改善,为解决铸坯裂纹提供了方法和手段。
环保与能源
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  HIsmelt熔融还原工艺处理赤泥的可行性分析与探讨

  郄亚娜, 李娜, 张淑会, 魏召强, 李艳军, 王新东

  钢铁. 2024, 59(3): 175-182.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230530

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  赤泥作为冶炼铝土矿产生的固体废弃物,产量大、利用率低,中国赤泥的利用率在10%以下,目前大部分赤泥仍堆放处理,不仅占用大量土地资源,而且会对环境造成严重污染,实现多渠道、大规模的赤泥回收利用已成为中国乃至全世界亟待解决的课题。通过物质能量守恒定律并结合FactSage热力学计算及试验验证,分析HIsmelt熔融还原高铁赤泥炉渣的物相析出过程及黏度变化规律,得到了HIsmelt熔融还原处理赤泥的添加比例,并通过炉渣熔融改制处理探究了HIsmelt熔融还原处理赤泥生产微晶石的可行性。研究结果表明,在HIsmelt正常冶炼PB矿粉工艺条件下配加30%（质量分数）以下的赤泥对炉渣黏度和物相组成的影响不大;通过改变炉渣碱度、MgO/Al₂O₃质量比、添加稀释剂对炉渣进行熔融改质,得到在炉渣碱度为1.2时,MgO/Al₂O₃质量比为0.6左右时的炉渣黏度最低,但同时炉渣中w（SiO₂）较低,这表明单纯调整炉渣成分虽可改善炉渣流动性,但无法满足生产微晶石的w（SiO₂）要求。在保证炉渣流动性的基础上,通过添加CaF₂可增加炉渣中w（SiO₂）,当CaF₂添加量为3%~5%时,炉渣中w（SiO₂）达到40%以上,可考虑作为生产微晶石的原料。
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  氢冶金工艺技术发展现状及应用

  卢立金, 王海风, 王锋, 邱健, 平晓东

  钢铁. 2024, 59(3): 183-196.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230459

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  钢铁行业为中国重要的经济支撑行业,也是主要的碳排放行业。氢能在冶金领域的应用是一种环保、高效的钢铁生产技术,是实现低碳发展的重要途经之一。在全面介绍富氢高炉、氢基直接还原、氢基熔融还原工艺的基础上,分析各种工艺在冶金工业的应用情况,并且系统探讨了各工艺的探索及实践。综合各种工艺的优缺点,分析了中国低碳背景下氢冶金的发展趋势。目前中国钢铁行业的生产还是以长流程为主,要实现2035年减排30%的目标,富氢高炉工艺可作为现阶段工艺技术改进的首选方向。但是富氢高炉工艺实现碳减排的能力比较有限,碳减排幅度为10%~20%,无法满足未来碳中和的目标。相比于富氢高炉工艺,氢基直接还原铁工艺的碳减排可达到50%以上,因此,氢基直接还原工艺可作为未来发展的主要路线。氢基熔融还原也有较好的碳减排效果,且生产出的高纯铸造生铁可用于高端铸件领域,但是目前对其研究不够充分,还处于基础研究阶段,与大规模的工业化生产还有较大的差距。氢冶金作为钢铁行业低碳绿色发展的重要途径,中国起步较晚且还面临基础研究薄弱、短期成本高等问题,随着绿氢产业的发展,绿色氢冶金将是未来钢铁行业绿色发展的重要方向。
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  基于柜位预测的转炉煤气热值优化模型

  陈光, 胡鹏, 包向军, 郦秀萍, 刘骁, 张璐

  钢铁. 2024, 59(3): 197-206.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230441

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  转炉煤气是转炉冶炼时产出的重要能源介质,提升转炉煤气热值对用户使用及平衡调度等有着重要意义。目前大多数研究都针对提升回收煤气量,而对通过调控提升煤气回收质量研究未见报道。为了在柜位回收限度内提升转炉煤气的回收质量,增加转炉煤气余热余能回收效率,结合柜位预测调控起止回收时刻,建立了转炉煤气热值优化模型。通过煤气发生量与煤气消耗量的特征分析,依据吹炼计划建立碳平衡进而开发煤气平均发生流量预测模型,与实际生产数据相比,模型精度达96%。使用Sarima模型对历史数据训练并开发煤气消耗量预测模型,模型精度达97%,结合上述模型根据吹炼开始时初始柜位建立了煤气柜位预测模型,预测吹炼周期柜位变化规律,模型精度达95%。根据历史数据拟合出CO体积分数特征曲线,方差为0.95以上。利用非线性规划优化算法,以回收煤气热值为优化目标,柜容和起止回收CO体积分数为约束条件,开发出转炉煤气起止回收时刻调控模型并编程求解得到了优化方案,提升了转炉煤气回收热值,以某钢单炉调控结果为例,调控前后回收煤气热值从6 278.3 kJ/m³提高到6 654.6 kJ/m³,并降低了高热值煤气放散。通过和大量现场数据对比,平均回收煤气热值提高5%,该建模过程为转炉煤气热值提升提供了有效的优化方法。