钢铁

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世界铁矿主要矿业公司碳减排路径及进展评述

朱德庆, 李晓波, 潘建, 郭正启, 杨聪聪

钢铁. 2024, 59(4): 1-8.
https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230445

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2022年,中国从力拓、淡水河谷、必和必拓、FMG世界4大矿业公司进口铁矿石8.66亿t,占中国进口铁矿石总量的78%。作为中国钢铁工业最重要的铁矿石原料供应商,4大铁矿石矿业公司积极参与钢铁工业脱碳减排的战略。通过介绍4大铁矿石矿业公司的脱碳目标、路径和相应的资金支持计划,阐释矿业公司作为原材料供应商的产品延伸责任、共同推动全球市场和政策对气候变化所采取的行动。矿业公司正聚焦于高品质铁矿资源的开发和通过选矿对低品位铁矿进行提纯等方式为中国钢铁企业提供高品位含铁原料以降低炼铁工艺过程的碳排放。此外,淡水河谷公司通过冷压+干燥工艺生产“绿色压块”,以期部分替代传统烧结矿或者球团矿作为炉料,以降低造块过程的碳排放。另一方面,随着中国钢铁工业向更加低碳的短流程电炉炼钢发展,铁矿石矿业公司通过使用氢气或者生物质能结合直接还原技术为钢铁企业提供绿色生铁等方式积极布局这一产业链的变革,代表性的工艺技术包括HYFOR绿色炼铁工艺、Tenored工艺、直接还原+电熔炉冶炼工艺等。另外,也有矿业公司正在寻求由单纯的矿业公司向绿色能源供应公司转变,以期在绿电、绿氢和绿氨等能源项目上有所突破。4大矿业公司的脱碳减排战略及成效将对中国钢铁工业产生深远的影响。

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连铸方坯拉坯方向凝固行为与偏析控制研究进展

侯自兵, 郭东伟, 彭治强, 文光华

钢铁. 2024, 59(4): 9-16.
https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230518

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连铸方坯是棒线类钢铁产品的主要母材,其宏观/半宏观偏析等缺陷,一定程度反映了铸坯成分分布和组织性能的不均匀,是影响高端钢材质量提升的重要因素。从二维横断面入手对铸坯内部低倍组织进行表征、分析与优化是目前铸坯内部偏析缺陷调控的主要手段;然而,铸坯内部凝固枝晶和中心偏析均具有三维空间形貌和分布特征,导致仅通过二维横断面进行研究可能会存在一定误差;同时,连铸拉坯方向（垂直于横断面）上凝固枝晶与偏析的波动特征能够更直观地反映连铸坯内部组织性能和质量沿长度方向的波动,这也是影响高品质钢连铸坯及后续产品质量稳定性的关键之一。从凝固行为特点、组织波动变化规律、中心偏析控制等3个方面总结讨论近年来连铸方坯拉坯方向的凝固行为与偏析控制研究进展。CET转变是铸坯凝固组织调控的重点,其判定依据及其与偏析相关性的研究表明,拉坯方向上CET位置存在波动性且与中心偏析形貌特征相关。液相穴内非对称流场及温度变化会造成拉坯方向凝固枝晶的波动特征以及凝固终点的周期性波动;同时,实际铸坯以及相关定性定量模型也表明了拉坯方向偏析元素的分布具有波动特征,并可以利用时间序列技术等方法展开解析。中心偏析控制技术的发展明显提升了连铸坯内部质量的均匀性;同时,也可以基于偏析表征方法及遗传行为模型从拉坯方向减少偏析的发生。将来在连铸拉坯方向,可能会对三维凝固机理、各类连铸坯波动特征、表面质量、组织表征、高拉速、智能分析预测与精细化控制等方面开展越来越多的分析。

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高磷鲕状赤铁矿气基还原及脱磷剂对除磷效果影响

杨双平, 刘雅辰, 王苗, 刘起航

钢铁. 2024, 59(4): 25-33.
https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230517

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针对目前高磷鲕状赤铁矿因其矿物组成复杂多样、嵌布粒度细小、SiO₂和Al₂O₃等杂质成分以及磷含量高而无法被有效利用的现状,采用气基直接还原及脱磷剂-磁选工艺研究各工艺参数对还原产物及磁选铁精矿品位及磷含量指标的影响。以氢气为还原剂,配加脱磷剂,对铁品位为46.75%、磷元素质量分数为0.92%的国外某地区的高磷鲕状赤铁矿进行试验研究。试验中,脱磷剂不仅能破坏鲕状结构、抑制含磷矿物的还原,而且对还原过程中铁颗粒的生长起促进作用。在还原温度为1 050 ℃、保温时间为90 min、碱度为1.2以及H₂流量为200 mL/min的条件下,通过化学成分分析、粒度分析、微观结构分析（包括偏光显微分析和扫描电镜分析）,研究脱磷剂种类和用量以及还原产物粒度和磁场强度等不同工艺参数对该矿提铁除磷效果的影响。结果表明,铁精矿在配加脱磷剂后,铁品位和铁回收率均有提高同时磷含量也大幅降低;4种常用脱磷剂CaCO₃、Na₂CO₃、Na₂SO₄、SiC中,脱磷剂Na₂SO₄在提高铁品位和除磷方面效果较佳,脱磷剂Na₂CO₃在提高铁回收率方面效果较佳;当还原矿粉粒度小于0.074 mm、磁场强度为1 000 Gs、Na₂SO₄与Na₂CO₃的质量比为9∶7、总质量分数为16%时,磷质量分数降至0.23%,铁回收率为82.35%。为高磷鲕状赤铁矿除磷提供了一定的理论指导。

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高炉炼铁炉料中硫的迁移规律

华建明, 郑壮, 游洋, 吕学伟

钢铁. 2024, 59(4): 34-41.
https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230487

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钢铁行业的二氧化硫排放量占全国工业总排放量的13.9%,而高炉炼铁过程是钢铁生产中硫排放的重要环节。随着环保要求的日益严格,降低高炉煤气中硫化物的含量显得尤为重要。为了探明高炉冶炼过程炉料中硫化物的演变机理,采用化学分析和XPS方法对高炉炉料中硫的赋存形态及含量进行表征,计算得到高炉硫负荷;并采用热力学平衡计算方法对高炉不同区域硫在渣-金-气三相的分配机制进行研究。结果表明,高炉原料中硫的最大来源为焦炭,占全部硫收入的72.3%,其次煤粉占19.7%,而含铁原料（烧结矿、球团矿和块矿）合计硫质量分数小于10%。焦炭和煤粉中的硫主要以砜类硫、亚砜类硫、噻吩类硫等有机硫和硫化物硫、硫酸盐硫等无机硫形式存在,且焦炭中硫含量高于煤粉。高炉块状带煤气中硫的来源主要是炉料中无机硫的热解、炉料与还原性气氛反应生成的气态H₂S和COS,以及软熔带以下区域反应产生的气态硫化物经过炉料吸收后剩余的COS。此外,高炉煤气中COS含量通常高于H₂S。高炉软熔带炉料具有良好的吸硫条件,硫主要存在于刚形成的初渣中。炉缸区域硫元素主要存在于炉渣中,其次为铁水,最后才是煤气。随着温度的升高,炉渣的脱硫能力提高,更多的硫从铁水向渣中转移。

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烧结过程智能控制及烧结矿冶金性能预测研究现状

丁成义, 常仁德, 郭胜兰, 薛生, 龙红明, 余正伟

钢铁. 2024, 59(4): 42-56.
https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230566

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随着人工智能、物联网等技术的发展,利用大数据、自动化控制等手段来实现烧结过程智能控制及性能预测已经成为智慧炼铁的发展趋势。旨在综述烧结过程智能控制和性能预测研究现状,包括智能点火、料层状态监控、终点控制以及烧结矿性能检测,并通过生产成本、质量、效率、控制和预测的准确率等多角度综合分析不同技术的优缺点。在智能点火方面,详细分析点火工艺关键参数控制的重要性,指出机理分析法、数据驱动、PIDNN控制算法和修正的EID技术等在智能点火方面的应用现状。在料层状态监控方面,从料层温度和漏风监测2个方面展开叙述,在料层温度控制方面,重点分析温度模拟系统、Matcom、VC++以及多线程技术应用的准确率,同时介绍氧气平衡分析法、流体力学、红外热成像技术对烧结机漏风监测的影响。终点控制层面,系统讨论了灰色理论、反向传播神经网络、AdaBoost.RS算法、减法聚类和粒子群优化方法等技术特点和优化建议。烧结矿性能检测领域,涵盖了烧结矿成分在线检测和烧结矿性能预测与控制研究,通过PGNAA、LIBS以及基于DNN和LSTM的在线监测等技术智能分析烧结矿成分,同时介绍机器学习算法和神经网络等技术在烧结矿性能预测与控制方面的应用现状。综合介绍了烧结过程在信息化、智能化以及双碳背景下的发展情况及应用效果,通过系统分析烧结过程控制发展现状及特点,对未来烧结工艺在新形势下的发展脉络进行预测总结,为钢铁企业在烧结智能化研究领域提供理论和应用依据。

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转炉双渣法冶炼炉渣成分、性能及炉温的匹配

张桢凯, 赵俊学, 王泽, 康毅, 曹赓, 王贺, 陈元平

钢铁. 2024, 59(4): 57-65.
https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230449

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在转炉冶炼过程中熔池温度、金属的成分、炉渣的成分等处于不断变化之中,进而引起炉渣性能的变化,对冶炼过程及钢水质量产生重要的影响。双渣留渣工艺是近年受到广泛关注的转炉炼钢新工艺,但对于双渣法冶炼成渣过程中炉渣成分和性能的变化与温度的耦合匹配及其影响缺乏系统的研究。基于某钢厂的条件建立了物料平衡,测算了双渣法工艺留渣量、倒渣量对炉渣成分及脱磷能力的影响;另外,基于双渣成渣过程的生产数据、双渣冶炼相关研究及炉渣性能模型合理选取与测算,对转炉双渣法冶炼过程中熔池温度、炉渣成分、炉渣熔点和黏度、磷容量、磷分配比和硫容量等的变化进行了梳理,对冶炼过程各参数的匹配状况进行了分析,探讨了其对脱磷、脱硫效果的影响,可为该厂双渣法工艺实施及优化提供参考。结果表明,采用双渣留渣法冶炼与常规冶炼相比,渣料消耗和铁损明显降低,企业石灰消耗由34.07 kg/t降低到17.04 kg/t,轻烧白云石消耗由14.07 kg/t降低到8.89 kg/t,脱磷分配比更高,脱磷效果好;同时留渣量及倒渣量的稳定控制对炉渣的性能有重要影响。冶炼初期、脱磷阶段后期和脱碳段前期,仍易出现炉渣熔化温度高于炉温的现象,应注意提枪化渣。此外,转炉双渣法冶炼前期熔池温度相对较低,炉渣的流动性与脱磷能力实现良好匹配是该工艺高效脱磷的关键。

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稀土铈对20CrMnTi钢中TiN相析出热力学计算及分析

王健, 彭军, 张芳, 彭继华, 刘爽, 安胜利

钢铁. 2024, 59(4): 66-73.
https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230496

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TiN夹杂物尺寸和形貌对20CrMnTi齿轮钢产品质量、服役性能均有影响,控制TiN析出尺寸及形貌是提高20CrMnTi钢服役稳定性的关键。利用计算及试验等方法,对添加稀土铈元素前后20CrMnTi钢中TiN夹杂形核行为进行了研究。并对钢中夹杂物形貌、种类、尺寸等进行了表征及统计分析;研究了稀土铈对20CrMnTi钢中TiN夹杂物改质的行为机理。结果表明,热力学计算TiN析出温度为1 744 K。温度为1 873 K时,钢液中无法析出TiN等夹杂物,即TiN只能在钢液凝固过程中析出长大。当钢中钛质量分数大于0.03%时,Ti-N平衡趋于平缓,温度对其析出影响相对较小,并且20CrMnTi钢中析出的TiN易富集长大形成大尺寸含钛夹杂物。加入稀土铈元素后,钢中会形成Ti、O、Ce、Al、N等元素富集的复合相,该复合相棱角收缩,外形为球形或者椭球形状,较TiN、Al₂O₃-TiN夹杂物尺寸更小。经相鉴定分析可知,该复合相为钢中稀土铈与Al₂O₃反应生成的CeAlO₃,可作为TiN夹杂物的形核核心,形成椭球型的CeAlO₃-TiN复合夹杂物,进而达到改质含钛夹杂物的目的。铈元素加入后,钢中含TiN夹杂物总面积并没有减小,但形成了更为细小的含TiN复合相CeAlO₃-TiN。因形成尺寸更小的复合夹杂物CeAlO₃-TiN,使钢中尺寸大于5 μm夹杂物占比降低了17.2%,细化了钢中含TiN夹杂物,有效减小了钢中TiN夹杂物尺寸,从形貌和尺寸上,达到改质钢中TiN的效果。

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影响复吹转炉钢液碳氧积的机理分析与应用实践

蔡伟, 吴巍, 杨利彬, 王杰

钢铁. 2024, 59(4): 74-84.
https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230646

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洁净钢生产是当代炼钢技术发展的主要方向,钢液碳氧积w（[C]）×w（[O]）一直是转炉炼钢特别重要的指标,也是冶金科研工作者重点关注的方向。近年来复吹转炉钢液碳氧积屡创新低,业内对碳氧积实际控制水平、钢液检化验数据颇有异议。基于经典碳氧平衡公式,分析了钢液组分对碳氧反应的活度系数影响、乳化区“钢液-气相”反应界面气相组分的热力学影响、钢液温度对碳氧反应平衡的影响、高效底吹冶炼技术和冶炼终点后搅技术对碳氧积的影响,探讨了全要素影响复吹转炉钢液碳氧积的机理和应用实践。研究结果表明,热力学分析复吹转炉钢液碳氧积平衡极限时需分析碳氧活度系数、碳氧反应吉布斯自由能、$P_{\mathrm{CO}} /\left(P_{\mathrm{CO}}+P_{\mathrm{CO}_{2}}\right) $（碳氧反应CO占比）和$P_{\mathrm{CO}} /\left(P_{\mathrm{CO}}+P_{\mathrm{Ar} / \mathrm{N}_{2}}\right) $（气相组分中CO实际氧分压）。脱碳速率较低时$P_{\mathrm{CO}} /\left(P_{\mathrm{CO}}+P_{\mathrm{Ar} / \mathrm{N}_{2}}\right) $理论值可降至0.80甚至更低;转炉底吹效果是影响钢液碳氧积的主要因素,顶吹转炉、平炉熔池内钢液均因未得到充分混匀搅拌致使碳氧反应远未达到平衡,碳氧积可达0.004 0,而底吹有较好动力学条件使钢液碳氧积更加趋近平衡值,大流量高强度后搅工艺可使钢液碳氧积进一步降低;温度是影响钢液碳氧反应平衡值的次要因素,低温有利于降低碳氧反应吉布斯自由能,温度每增加50 ℃,$\left(a_{[\mathrm{C}]} \times a_{[\mathrm{O}]}\right) / P_{\mathrm{CO}}$（碳氧反应活度比）增加0.000 1,低温有利于降低$P_{\mathrm{CO}} /\left(P_{\mathrm{CO}}+P_{\mathrm{CO}_{2}}\right) $。控制钢液碳氧积的关键为转炉冶炼终点控制和提枪等待后搅拌工艺。

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超大圆坯浸入式水口优化的1∶1结晶器水模拟

陈希青, 白云, 王璞, 王鹏, 肖红, 沈毓, 张家泉

钢铁. 2024, 59(4): 85-95.
https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230597

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为了优化超大圆坯连铸结晶器的冶金效果,搭建了1∶1的超大圆坯（≥ϕ800 mm）结晶器水模拟平台。通过观测液面波高、监测表面平均流速、墨汁显示流场试验、水油模拟卷渣试验等手段,对不同浸入式水口结构和工艺参数导致的结晶器内流场和液面行为进行定量和定性评估。结果表明,随着水口侧孔倾角不断向下,自由液面流速逐渐减小,模拟卷渣情况也逐渐减轻,但侧孔倾角向下15°时自由液面过于平静。当侧孔倾角向上15°时,在结晶器中部到结晶器壁区域内的液面均较为活跃,同时也伴随着较为严重的液面裸露及卷渣状况。对侧孔跑道形、圆形、倒梯形和矩形外扩型对比分析可知,圆形侧孔会使流股集中导致自由液面流速和波高远大于其他侧孔形状的水口,也会导致十分严重的卷渣以及液面裸露现象,其卷渣时长所占比例可高达98%。而矩形外扩型侧孔使得流股较为发散,令自由液面流速较小且结晶器中部区域波高较高,可以使自由液面在较大区域内波动活跃同时不会出现液面裸露状况,其卷渣时长所占比例仅为27%。同时矩形外扩型水口的液面流速随着拉速的增大变化不明显。五孔矩形外扩型侧孔向上15°对于超大圆坯结晶器内的钢液流动状态控制效果远优于当前使用的五孔侧孔跑道形向上15°水口,更有利于铸坯的表面质量和内部质量控制。

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Q355B板坯高温拉伸晶粒弹塑性变形行为

禚朔, 王卫领, 赵阳, 朱苗勇

钢铁. 2024, 59(4): 96-105.
https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230526

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以国内某钢厂Q355B连铸板坯为研究对象,利用Gleeble-3800热-力模拟试验机,在温度为1 300、1 340和1 380 ℃以及应变速率为0.001/s条件下开展拉伸试验,并基于获得的晶粒形貌,建立了晶粒组织的代表性体积单元有限元（RVE-FEM）模型,研究揭示了高温拉伸过程中晶粒组织的变形机制和应力-应变分布规律。结果表明,距离断口越近,晶粒组织的平均尺寸越大,能够承受的应力越小。由于晶粒和晶界两相的不均匀分布,晶粒和晶界中出现了不规则的应力分布,高应力主要集中在晶界处。1 380 ℃温度下,距板坯表面70 mm处试样中晶界承受的平均应力为9.91 MPa,晶粒承受的平均应力为7.01 MPa。随着拉伸温度的提升,晶粒组织平均尺寸增大,晶界面积减小,对变形的阻碍减弱,RVE-FEM模拟的屈服强度和抗拉强度降低。距板坯表面60 mm处试样的屈服强度从1 300 ℃的9.87 MPa减小到1 380 ℃的4.36 MPa,最大抗拉强度从12.51 MPa降低到4.49 MPa。在1 380 ℃温度时,随着试样位置从板坯表面10 mm深入至40 mm处,屈服强度由9.44 MPa降低到7.42 MPa,最大抗拉强度由10.75 MPa降低到9.10 MP。不同温度和取样位置下,RVE-FEM计算的应力-应变曲线与实测结果吻合。晶粒尺寸是抗拉性能的决定性因素,取决于初始凝固组织尺寸和拉伸温度。从板坯表层到中心,二次枝臂间距增大,在同一拉伸温度下,晶粒尺寸增大,尤其从板坯皮下10 mm至40 mm,晶粒长轴长度是关键因素。对于同一位置,随拉伸温度的提升,晶粒长轴和短轴长度均明显增大。

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VC轧辊套筒及芯轴关键结构参数的优化设计

张冀, 王佳臣, 王帅, 苏德龙, SAHAL Ahmed Elmi, 白振华

钢铁. 2024, 59(4): 106-115.
https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230684

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VC轧辊作为高效控制带钢质量的机型之一,国内虽有大量生产应用经验但缺少关键的自主设计方法。为此,首先从VC轧辊过盈装配后的基本结构出发,考虑套筒服役周期内的厚度变化,分别从轧辊强度、密封、相对滑动和有效凸度方面分析,确定了VC轧辊优化设计的关键结构参数为套筒厚度、原始过盈量、油腔宽度。进一步在国内某进口VC轧机的结构参数和实际生产工艺参数的基础上,分别分析各关键结构参数对套筒凸度、实际过盈力分布、加油压原始过盈力、加油压原始过盈量的影响,并在关键结构参数对各工艺参数影响的基础上,分别确定了各关键结构参数的设计重点和设计思路。最后,综合考虑VC轧辊的强度、密封、避免相对滑动以及接触疲劳的安全性,以极限生产工艺和极限工作状态为优化设计的前提,给出了VC轧辊关键结构参数优化设计的评价指标、目标函数和约束条件,确定了优化设计的整体流程方法。将优化设计方法应用到国内某进口VC轧机,并对比轧机结构的现有参数与设计参数下强度安全系数、相对滑动安全系数和目标函数。分析得出设计参数相比于现有参数而言,在保证套筒凸度和密封性的前提下,实现了强度安全性、避免相对滑动和过盈力分布均匀性的整体提升。优化设计方法的建立为VC轧辊的设计和校核技术提供了理论参考,具有一定的实际应用价值。

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高频直缝焊管感应加热与挤压成形过程

李大龙, 焦毅维, 卢言路, 肖瑶, 邸鑫, 韩毅, 黄华贵

钢铁. 2024, 59(4): 116-126.
https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230714

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目前,中国多数焊管厂在生产加工过程中,长期依赖操作工观察电火花状态和焊缝毛刺形貌等宏观物理特征来调整焊接生产相关工艺参数,但是依靠目测观察的方式误差较大,缺乏量化、科学的理论指导,容易出现冷焊或过烧等质量缺陷。建立了直缝焊管的感应加热模型和挤压成形模型,通过数值模拟得出焊管感应焊接成形过程中的温度场和应力场的分布,以及焊管毛刺形貌的演变过程,揭示了焊接毛刺成形宏观形貌特征随电参数和几何参数的变化关系。以金属流线角作为焊接质量评价标准,引入焊接毛刺高宽比作为特征值来描述毛刺形貌高度与宽度的内在联系。采用控制变量法逐一分析了不同焊接工艺参数对焊接毛刺成形宏观形貌特征的影响,发现金属流线角和高宽比特征值随挤压量、焊接速度、线圈距离的增大而增大,随电流频率和电流大小的增大而减小,并确定了焊接工艺参数的合理范围。最后进行了焊接过程金属流线分布的相关试验,将数值模拟结果与试验结果进行对比,结果表明数值模拟得到的金属流线角与试验值的误差在4°以内,且两者金属流线角随焊接过程中挤压量大小的变化趋于一致,这验证了模拟结果的合理性。该研究成果为进一步优化高频钢管焊接过程的工艺参数提供了理论参考。

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热轧低碳无碳化物贝氏体钢的组织性能

梁佳伟, 杨达朋, 周骏龙, 易红亮, 王国栋

钢铁. 2024, 59(4): 127-135.
https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230463

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无碳化物贝氏体钢（carbide-free bainitic steel,CFB steel）由于存在精细的贝氏体微观结构和残余奥氏体结合,因此展现出良好的强塑性平衡。然而,这种优异的力学性能通常是添加高碳含量并结合额外的贝氏体等温处理来实现,这不仅恶化焊接性能,而且也不利于经济成本和生产效率。为了克服这种缺点,通过热轧后的卷曲冷却过程代替了传统的贝氏体等温处理,设计了2种热轧低碳CFB钢,其微观结构分别为铁素体+贝氏体（命名为F-B钢）和完全的贝氏体（命名为B钢）。研究了这2种钢的微观结构和力学性能之间的关系。F-B钢的屈服强度、抗拉强度、伸长率和断裂应变分别为（575±8） MPa、（853±12） MPa、19.0%±0.1%和0.63±0.03。相对比F-B钢,B钢展现出稍低的伸长率,为14.7%±0.2%,而屈服强度、抗拉强度和断裂应变明显提高,分别为（772±11） MPa、（1 160±10） MPa和0.78±0.02。其中B钢展现出更高的屈服强度和抗拉强度主要归结于其完全的贝氏体结构,其可以实现类似于位错强化、细晶强化和第二相强化的作用。此外,进一步详细地研究了它们的变形与损伤行为。结果表明,F-B钢中由于存在铁素体和含量多且更稳定的残余奥氏体,其促进了更持久的加工硬化能力,这是其具有更高伸长率的关键。而B钢由于具有更均匀的微观结构和更低的碳含量,因此变形过程中有助于微观应变的分布均匀,这有利于抑制变形损伤的形成,从而促进断裂应变的提升。

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锰对免常化中牌号无取向硅钢热变形行为的影响

王永强, 陆勤阳, 李娜, 左锐, 裴英豪, 郑成思

钢铁. 2024, 59(4): 136-147.
https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230465

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无取向硅钢免常化生产具有重要的节能降耗、低碳低成本意义,其实现需要合金成分的优化设计,Mn合金化是一种潜在的有效策略,但目前Mn在无取向硅钢热变形过程中的作用尚需全面认识。利用热力学相图计算、热模拟、组织表征分析等手段,研究了Mn含量对1.5%Si-0.3%Al无取向硅钢热变形行为的影响。建立了不同Mn含量试验钢的流变峰值应力本构方程,计算了热变形激活能和发生动态再结晶的临界应变与峰值应变的关系,分析了不同变形条件下不同Mn含量试样的再结晶率和晶粒尺寸。结果表明,Mn含量越高,试样的热变形激活能越大;相同变形条件下,Mn含量越高,试样的流变应力越大,但发生动态再结晶的临界应变与峰值应变的比例却降低;此外,Mn含量越高,试样中动态再结晶的比例越高,即Mn元素促进动态再结晶的发生,这对无取向硅钢的免常化生产有利。在变形温度下Mn含量越高,试验钢中的奥氏体含量越多,基体中固溶的Mn原子也越多。这一方面使得试样的变形抗力越大,热变形激活能越大、流变应力越大;另一方面,由于奥氏体层错能低,位错移动性较差、攀移或交滑移比较困难,动态回复受限,形变储存能可有效累积;再者,由于固溶原子更多,晶格畸变更严重,对位错运动的阻碍和存储效果更明显,也有利于形变储存能的累积。因此,动态再结晶发生得更充分。

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钼含量对高铬铸铁堆焊层组织及耐磨性的影响

张凯, 郭智, 孙东云, 李艳国, 张明

钢铁. 2024, 59(4): 148-158.
https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230484

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高铬铸铁堆焊层因其较高的耐磨性而广泛应用于各种大型工业设备的内部衬板,研究发现Mo系碳化物可为初生碳化物的生成提供形核点从而细化组织,但Mo元素除了提供形核点外是否对组织存在别的作用仍尚待研究。为了研究Mo含量对高铬铸铁堆焊层组织与性能的影响,设计了一种含Mo超高碳高铬堆焊耐磨板,利用XRD、SEM分析了Mo元素对堆焊层组织、相组成以及磨损后堆焊层表面和纵截面的影响,利用EDS分析了元素在各相中的分配情况,并进一步利用硬度和干砂磨料磨损试验,研究了Mo合金化对高铬高碳堆焊层硬度和耐磨性的影响。结果表明,Fe-Cr-Mo-C合金堆焊层组织主要由γ相、M₇C₃（M=Fe、Cr）组成。随着Mo含量的提高,堆焊层内初生碳化物含量降低,奥氏体含量增加,单个初生碳化物尺寸先减小后增大;初生碳化物硬度增加,堆焊层宏观硬度先增加后降低;磨损后初生碳化物截断裂纹减少,剥落逐渐减少,其中30Mo试样出现了共晶碳化物的剥落。加入0.13%Mo后磨损失重减少了13.6%,加入0.30%Mo后磨损失重增加了20.0%。这是因为Mo原子的加入会提高初生碳化物的硬度,但是初生碳化物含量在减少,从而导致了堆焊层硬度先升高后降低,磨损失重量先减小后增大。研究结果对高铬铸铁堆焊层制备过程中选择适宜的Mo添加量提供了指导。试验设计了Mo质量分数为0.04%~0.30%的3个试样,结果表明,初生碳化物出现了先细化后粗化的趋势,对这部分变化的趋势还有待进一步细化研究。

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冷轧压下率对Fe-10Mn-6Al-0.4C钢微观组织及力学性能的影响

李博宇, 柳昆, 冯运莉, 李涛, 王书桓, 苏宏东

钢铁. 2024, 59(4): 159-167.
https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230495

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Fe-Mn-Al-C系中锰钢凭借低密度、高强度及高塑性的优点,具有广阔的应用前景。试验以Fe-10Mn-6Al-0.4C为研究对象,热轧后经700 ℃退火60 min空冷至室温。随后分别以40%、60%和70%的压下率进行冷轧,经冷轧后在750 ℃退火30 min空冷至室温。采用SEM和EBSD检测冷轧退火后的微观组织演变,使用万能拉伸试验机测量其力学性能。结果表明,冷轧板显微组织由条带状δ铁素体、马氏体（M）、奥氏体（A）和α铁素体组成。退火板显微组织由α铁素体、奥氏体和条带状δ铁素体组成。随着冷轧压下率的增加,退火板组织呈层状结构,且平均晶粒尺寸、细晶占比和奥氏体相成分占比均呈先降低后增加,而再结晶程度则由69%增加至83.5%,退火板GND密度降低。压下率为60%时,奥氏体中GND密度急剧下降,退火板由细小的等轴状奥氏体、α铁素体和条带状δ铁素体组成,铁素体晶粒尺寸呈双峰分布,屈服强度为818.7 MPa,抗拉强度为962.3 MPa,伸长率为34.3%,强塑积达33.01 GPa·%,获得强度和塑性优异组合。拉伸断口显示,压下率为60%的拉伸断口有着密集细小的韧窝,促进了退火板的伸长率,而压下率为40%和70%都有着不同程度的解理台阶,恶化了伸长率。控制压下率结合短时退火可降低工艺成本前提下形成层状结构,从而提高材料力学性能。

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B55SiCr钢的高温流变行为及动态再结晶临界条件

王庆娟, 张昭, 杜忠泽, 齐泽江, 杨彤瑶

钢铁. 2024, 59(4): 168-178.
https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230503

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B55SiCr钢主要用于制作汽车悬架簧、阀门簧钢丝等,对汽车平稳性、安全性起着举足轻重的作用,对组织性能有较高的要求。以B55SiCr钢为研究对象,在变形温度和应变速率为800~1 050 ℃和0.1~20 s^-1的范围内进行了热压缩试验,并基于Zener-Hollomon参数,采用线性拟合方法构建双曲正弦Arrhenius本构模型。研究发现,B55SiCr钢的流变应力随变形温度的升高而减小,随应变速率的增加而增大,其热变形激活能（Q）为317 kJ/mol左右。通过本构模型得到流变应力预测结果与试验结果的线性相关系数（R）和平均绝对相对误差（$|\bar{\delta}|$）分别为0.992 15和3.70%。绘制了加工硬化率曲线,并根据应力应变曲线与加工硬化率曲线确定了B55SiCr钢发生动态再结晶（DRX）的临界应力与应变,得到临界条件与Z参数均呈指数关系的结论。分析了B55SiCr钢的显微组织,发现在低温热变形条件下,出现混晶组织,显微组织呈非均匀状态,在高温热变形条件下,显微组织为均匀的等轴晶;分别绘制了不同变形条件下的KAM图和局部取向差分布图,发现随着应变速率的降低及变形温度的升高,位错密度显著降低,DRX更加完全且晶粒逐渐粗化,变形条件为1 050 ℃/0.1 s^-1比850 ℃/10 s^-1的HAGBs含量增加了13.51%。在变形条件为1 050 ℃/0.1 s^-1时,材料发生完全再结晶,晶粒粗化,此变形条件下B55SiCr钢具有良好的热加工性;随着应变速率的增加,晶粒细化。

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母材晶粒取向对超薄取向硅钢织构演化的影响

张波, 张宁, 何承绪, 马光, 韩钰, 孟利

钢铁. 2024, 59(4): 179-187.
https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230540

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针对超薄取向硅钢制备过程中不同初始取向晶粒在冷轧及退火过程中取向和显微组织演化规律的差异性,系统研究了母材中主要存在的3类偏离标准Goss取向不同程度的Goss晶粒冷轧和退火行为。结果表明,Ⅰ型-准确Goss取向（偏差角小于3°）晶粒在冷轧过程形成锋锐的{111}<112>织构和丰富的形变带及剪切带,剪切带和形变带内均存在少量Goss取向区域;退火过程中此类区域中Goss取向晶粒优先形核,其中剪切带形核比例较大,最终获得以Goss织构组分为主的（<100>//RD）织构,平均晶粒尺寸相对较小。Ⅱ型-η线型（{0kl}<100>,k,l≠1）偏Goss取向（偏差角<10°）晶粒冷轧过程形成{111}<112>和{113}<361>织构,剪切带和形变带内均存在少量η线取向组分,而{113}<361>取向区域无剪切带形成;退火过程中剪切带和形变带内的η线取向晶粒优先形核,而大量不均匀分布的非η线取向形核晶粒存在且长大优势明显,最终获得不均匀的退火组织,且η线取向晶粒占比较低。Ⅲ型-{011}<uvw>型偏Goss取向（偏差角小于10°）晶粒的形变再结晶行为与Ⅰ型取向晶粒相似,但冷轧过程形成强度相对弱的{111}<112>织构,而再结晶织构呈现沿η线的漫散分布特征;退火过程中η线取向晶粒优先形核同样主要发生在剪切带与形变带内,但是非η取向晶粒形核分布较为均匀且后续长大优势不明显;退火组织中η线取向晶粒占比较高,组织均匀性较好且平均晶粒尺寸相对较大。综合考虑组织织构演变规律,应选择Ⅱ型取向晶粒占比较少、Ⅲ型取向晶粒占比适中的母材制备超薄取向硅钢。

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铁钢界面多模式运输的机车调度计划智能优化

何姝静, 郑忠, 朱道飞, 张开, 王飞, 沙远洋

钢铁. 2024, 59(4): 188-199.
https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230588

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目前铁钢界面“一包到底”模式的机车调度研究中,多包型铁水包运送任务存在供需匹配、运输路径选择、机车组包运输等统筹优化能力不足,限制了机车调度计划的优化。为减少机车使用数量,降低机车空载率,从而降低机车运输成本,在保障高炉出铁空包需求、各炼钢厂铁水准时供应的前提下,兼顾运输路径特点、铁包包型、机车运输能力、运包模式、组合运包时间、机车安全运行时间窗口等约束,建立以最小化多模式下机车运输成本为优化目标的机车调度计划优化数学模型;设计了一种有机结合遗传算法与Dijkstra算法的混合遗传算法求解此模型,实现了多包型多运包模式下机车调度计划和运输路径的快速优化。基于某企业12 h实际生产数据的测试结果表明,机车调度计划数学模型和求解算法能在7 min内制订出合理的机车调度计划。与传统蚁群算法求解相比,混合遗传算法收敛更快,机车使用台数由17台减至16台,且机车运输任务次数减少2.94%,机车空载率下降4.59%;与生产实际相比,机车使用台数由18台减至16台,且机车运输任务次数减少10.81%,机车空载率下降35.43%。该方法可有效降低机车运输成本,降低不同机车调度员的个人经验对机车调度方案编制合理性的影响,减轻调度员优化机车调度方案的难度和工作量。

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2024年, 第59卷, 第4期　刊出日期：2024-04-15

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