2024年, 第59卷, 第5期　刊出日期：2024-05-15

  

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综合论述
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  高铝钢连铸保护渣研究进展

  何生平, 刘亚东, 李权辉, 刘耕夫, 王强强

  钢铁. 2024, 59(5): 1-11.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230589

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  由于连铸相对于模铸在能耗、效率和成本等方面具有优势,近年来,各种铝质量分数为0.5%~3%甚至高达5%~12%的低密度高铝钢相继采用或计划采用连铸生产,然而高铝钢连铸结晶器内存在的渣-金反应[Al]+（SiO₂）→[Si]+（Al₂O₃）引起保护渣成分和性能变化,妨碍了保护渣正常发挥润滑和控制传热的冶金功能,导致凹陷、裂纹等铸坯表面质量问题以及漏钢等生产事故频发,成为影响高铝钢连浇的主要限制性环节。为保证铸坯表面质量和连铸过程的顺行,除提高钢水洁净度外,减弱因渣-金反应所引起的保护渣性能的大幅变化是高铝钢连铸的必然要求。为此,国内外研究人员以减弱渣-金反应性或稳定渣-金反应后性能为目标,进行了各种尝试和探索。首先提出了可促进熔渣快速更新的低碱度低黏度保护渣技术思路,但当钢中铝质量分数较高时,随着反应进行,保护渣黏度逐渐增大,消耗量降低,难以维持保护渣性能的相对稳定,实际生产过程中铸坯表面质量问题突出,黏结频发,无法稳定实现多炉连浇。为此,低反应性和非反应性连铸保护渣应运而生,成为高铝钢连铸保护渣研究热点。在渣-金反应性综述的基础上,重点介绍了高碱性高玻璃化、CaO-SiO₂基高反应性、CaO-SiO₂-Al₂O₃基低反应性和CaO-Al₂O₃基非反应性等保护渣的特点及其研究进展和存在的问题,并提出了高铝钢连铸保护渣今后研究重点和发展方向。
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  高炉渣余热回收数值模拟研究进展

  李晨晓, 姚鑫, 林岩, 黄兴, 王书桓

  钢铁. 2024, 59(5): 12-21.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230562

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  高炉渣是高炉炼铁过程中典型的副产物,排放温度高达1 450~1 550 ℃,具有大量的高品位热能,占钢铁工业总能耗的近30%。高效回收高炉渣余热为钢铁工业绿色高质发展提供保障。目前干法粒化技术作为高效处理高炉熔渣的方式,学者对熔态渣向颗粒渣转化过程、颗粒渣流动过程余热回收技术展开相关研究,取得一定成果。通过数值模拟可以降低成本,系统总结出余热回收过程中的关键环节,为实际操作提供理论指导。在此基础上,系统阐述了高炉渣余热回收物理法处理现状及高炉渣模拟常用数值方法,详尽介绍了高炉渣在离心造粒过程和换热器内的多相流动特性和传热特性的研究现状。在离心造粒过程,学者们利用不同的模型对熔渣凝固过程进行数值模拟研究,探索了颗粒物性及工况对余热回收的影响,优化了操作参数。在换热器冷却过程中,学者们利用DEM-CFD仿真模拟深入研究了高炉渣在流化床、固定床和移动床中多相流动和传热特性。通过数值模拟为优化余热回收工艺提供了方向,但大部分研究是针对高炉渣的多相流动特性,对传热方面以及带化学反应的研究较少,同时对渣粒的建模有一定条件性,并未考虑渣粒变形及团聚情况。因此,寻找合适的数学模型以及加强对传热特性和带化学反应的研究来优化炉渣余热回收工艺,提高回收效率成为未来的发展方向。
原料与炼铁
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  褐铁矿对烧结矿铁酸钙形貌及微区组成的影响

  张国成, 罗果萍, 柴轶凡, 宋巍

  钢铁. 2024, 59(5): 22-32.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230543

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  为了探究褐铁矿配比变化对烧结矿铁酸钙形貌及微区组成的影响,明确褐铁矿配比增加时烧结矿的转鼓强度性能变化趋势,利用FactSage 7.1热力学模拟软件计算了不同褐铁矿配比条件下混合矿的黏附粉含量及其液相生成性能,同时采用矿相显微镜结合OIA自动矿相系统和EPMA电子探针依据铁酸钙微观形貌特征不同的原理对烧结矿矿物学特征及铁酸钙微区组成进行了研究。结果表明,烧结矿黏结相主要由铁酸钙和硅酸盐组成,铁酸钙形貌以针柱状为主,纤维状为辅,纤维状铁酸钙主要形成于铁酸钙形成初期,具有SiO₂组分含量高和w（Fe₂O₃）/w（CaO）低的特点,随着铁酸钙黏结相的发展,Fe₂O₃组分含量增加,w（Fe₂O₃）/w（CaO）提高,促进了铁酸钙晶粒的发展长大,形成针柱状。当褐铁矿配比由33%增加到50%时,由于粗粒度LB矿配比增加21%,导致黏附粉质量分数降低2.16%,热力学理论模拟计算单位质量黏附粉产生液相量降低0.25%,w（Fe₂O₃）/w（CaO）降低0.3,表明褐铁矿配比增加不利于烧结矿铁酸钙的形成发展;热力学模拟计算结果与实际烧结结果相吻合,实际烧结矿中铁酸钙总量降低7.75%,其中针柱状铁酸钙质量分数降低9.78%,针柱状铁酸钙中w（Fe₂O₃）/w（CaO）降低0.68,一定程度上弱化了针柱状铁酸钙晶粒的发展,铁酸钙形貌多为细碎纤维状,铁酸钙连晶发展受限,最终导致烧结矿转鼓强度受到不利影响。
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  高硅超细铁精矿熔剂性球团矿固结行为及还原特性

  温宝良, 范子豪, 李家新, 刘德楼, 从俊强, 杨佳龙

  钢铁. 2024, 59(5): 33-44.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230559

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  高炉高比例球团矿冶炼技术是减轻炼铁系统碳排放和环保压力的重要方案。将高硅超细铁精矿资源作为球团矿生产原料,有助于拓宽中国国内铁矿资源来源,加大中国国内贫矿应用力度。系统地探讨了碱度对高硅超细铁精矿球团矿固结行为和还原特性的影响。通过热力学计算、矿相分析、扫描电镜-能谱分析等方法对其固结行为和还原特性进行了研究。研究结果表明,随着碱度的增加,高硅超细铁精矿球团矿抗压强度先增加后降低,孔隙率先降低后增加,碱度为0.06~0.73时,球团矿的抗压强度均大于4 000 N/个,碱度为0.24时的球团矿抗压强度最高,孔隙率也最低。碱度的增加会降低高硅超细铁精矿球团矿中的二氧化硅相含量,促进铁酸钙相和硅酸盐相的生成。在碱度为1.20、温度为1 300 ℃条件下,球团矿中液相比例可达24.38%。碱度大于0.73时,球团矿中的液相量在大于1 250 ℃后会迅速增加。随着碱度的增加,高硅超细铁精矿球团矿渣相和硅酸盐相中的钙元素含量会逐渐增加,此外,碱度越高,赤铁矿晶粒越容易呈现多边形结构且晶粒间填充的渣相量越多。随着碱度增加,高硅超细铁精矿球团矿还原度和还原膨胀率先降低后增加,球团矿抗还原粉化性能减弱。碱度大于0.24后,球团矿内部孔隙率和铁酸钙相含量的增加使得还原气体能更容易扩散至球团矿内部并促进还原反应的进行,可以有效提高球团矿的还原度,碱度为1.20时的球团矿还原度比碱度为0.06时提高了34.9%。
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  高品位赤铁矿带式焙烧机制备气基直接还原用氧化球团技术

  王金, 郭正启, 朱德庆, 潘建, 杨聪聪, 李根

  钢铁. 2024, 59(5): 45-55.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230591

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  钢铁行业是典型的高耗能、高排放行业。近些年来,中国钢铁行业发展迅猛,目前已经是世界上最大的钢铁生产国和消费国。相比于烧结,球团工艺对环境更为友好。在双碳背景下,发展直接还原工艺是钢铁行业碳减排的重要举措。以高品位赤铁矿为研究对象,研究碱度、配碳量、黏结剂种类和用量以及热工制度等因素对生球和成品球团质量的影响,开发高品位赤铁矿气基直接还原用氧化球团技术。结果表明,以该高品位赤铁矿为原料制备的球团,在相同的热工制度以及黏结剂用量下,相比膨润土和丙烯酰胺（PAM）,F黏结剂作为球团黏结剂的效果是更优的,在碱度为自然碱度的条件下即可获得抗压强度大于2 500 N/P的成品球团,而以膨润土和丙烯酰胺（PAM）为黏结剂制备球团,则需要碱度大于0.3才能获得满足生产标准的成品球团;该高品位赤铁矿以F黏结剂、膨润土和丙烯酰胺（PAM）为黏结剂制备球团,提高碱度都能改善球团的焙烧性能,提高成品球团的抗压强度; 一定范围内,配加兰炭可提高以该高品位赤铁矿所制备的球团的焙烧性能;该高品位赤铁矿以PAM为黏结剂,在最佳条件下可获得铁品位达到68.22%、（SiO₂+Al₂O₃）质量分数小于2%、抗压强度大于2 500 N/P、冶金性能良好的成品球团,可作为优质的气基直接还原用氧化球团原料。
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  图像识别技术在高炉风口识别与监测中的应用前景探索

  段一凡, 刘然, 刘小杰, 李欣, 袁雪涛, 吕庆

  钢铁. 2024, 59(5): 56-70.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230510

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  通过提取高炉风口视频数据的帧图像,并结合先进的图像识别算法监测高炉风口区域的工作状态,实时分析相应的高炉调参策略,有利于降低高炉风口的休风率与时长,同时弥补现阶段依靠人工经验判断风口状态存在的响应滞后、结果不准确的工艺缺陷,保证高炉的长期稳定顺行。以国内某钢铁厂在2023年6月1日—6月31日的风口视频数据为基础,梳理了高炉炼铁过程中4种常见的风口异常状况,并结合炼铁原理分析了主要原因及应对措施,包括挂渣、涌渣、断煤和漏水。然后总结了图像识别技术在高炉风口识别与监测中的应用路线,包括图像预处理、风口的识别与预警和专家经验的植入3个阶段,同时对目前应用较广的图像识别算法进行了介绍,包括卷积神经网络、Transformer机制和图神经网络,并对后2种算法进行了肯定。最后,基于图卷积神经网络开发了关于高炉风口的监测与分析系统1.0版本,并对其功能进行了简要介绍。秉持低延时与高精度的发展原则,通过对风口异常和图像识别算法的梳理探究未来高炉风口图像识别的应用路线,为钢铁企业选择合理的风口监测技术,提升风口识别与监测领域的智能化水平提供一种理论参考。
炼钢
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  双水口钢包浇注末期汇流旋涡形成的影响因素

  赵烁, 卢中阳, 张泽, 马致遥, 曹永波, 唐海燕

  钢铁. 2024, 59(5): 71-79.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230579

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  钢包浇注末期,当钢液面降低到一定高度时,由于钢液的黏性、初始切向速度和科氏力的相互作用,钢包内会形成漏斗状的汇流旋涡。旋涡一旦贯通到水口会把钢水上方的炉渣和空气卷入到钢水中污染钢液,因此在生产中需准确把控旋涡的产生和贯通高度,以便在形成旋涡时及时关闭浇钢口。另一方面通过优化钢包工艺参数从而使旋涡延迟产生也可减少钢包留钢量,提高金属收得率。针对双水口钢包浇注末期旋涡的特性和影响因素研究很少。以一个服役的150 t双水口工业钢包为原型,基于相似原理,采用有机玻璃制作了1∶3.5的钢包物理模型,通过水模拟方法研究了钢包静置时间、初始液位高度、水口位置、水口结构、底吹搅拌和阻旋装置等因素对浇注末期旋涡形成过程的影响。结果表明,钢液静置时间和初始液位高度对旋涡高度无明显影响,而水口位置对旋涡的起旋高度影响较大,对贯通高度几乎无影响。当2个水口偏心率分别为0.60和0.83时,旋涡的起旋高度最小,为17 mm。与漏斗形水口相比,正方形水口可以降低旋涡的起旋高度。另外,在本试验条件下,增加底吹搅拌操作对控制旋涡不利,而在距离包底中心0.6R（R为钢包底半径）处,靠近2个水口连线处安装阻旋装置会降低旋涡的起旋高度,有利于抑制旋涡的产生。
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  高镍316L不锈钢连铸方坯凝固模式及残留铁素体特征

  王洋, 陈蕾, 牟望重, 张政睿, 王剑, 陈超

  钢铁. 2024, 59(5): 80-91.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230657

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  奥氏体不锈钢中的残留铁素体对其使用性能有着重要影响,而残留铁素体特征主要与成分、冷却速率和凝固模式有关。研究了高镍含量316L奥氏体不锈钢连铸方坯,其成分位于共晶点附近,凝固模式容易发生改变。采用金相显微镜（OM）、image-pro-plus软件计算等方法,探究316L奥氏体不锈钢连铸方坯沿厚度方向残留铁素体特征及分布规律。结果表明,残留铁素体沿厚度方向呈现短棒状、颗粒状、骨骼状和网状结构,其铁素体分布情况与板坯中“M”形分布相似。铸坯表面到距铸坯表面55 mm处,铁素体体积分数在2%左右波动,在距铸坯65 mm处,铁素体体积分数增加到最高值（4.77%）,随后75 mm处铁素体体积分数又突然降低,从75 mm到中心铁素体体积分数有增加趋势。使用电子探针（EPMA）分析发现,Cr、Ni、Mo、Si、Mn等元素都出现了不同程度的微观偏析现象,同时发现由铁素体通过固态相变形成的二次奥氏体还保留部分铁素体的成分特征。使用热力学计算软件（Thermo-Calc）计算了Fe-Cr-Ni三元相图以及铸坯边部和中心的平衡凝固过程,计算结果表明,铸坯边部以FA模式凝固,铸坯中心以AF模式凝固。通过残留铁素体形貌判断的凝固模式与热力学计算结果不同,铸坯在边部和中心以AF模式凝固,在柱状晶区出现了以FA模式凝固的骨骼状铁素体。最后分析了残留铁素体分布的形成机理,表面细晶区铁素体体积分数较少,这是由于表面凝固模式为AF模式;在距铸坯表面65 mm处铁素体体积分数增加到最高值,这是由于凝固模式发生了由AF模式向AF+FA模式的转变;75 mm处铁素体体积分数降低,这是由于凝固模式又转变为了AF模式;从75 mm处到铸坯中心,等轴晶结构和冷却速率降低使得固态相变所需的扩散距离增加,导致铁素体体积分数增加。
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  稀土处理无取向硅钢23W1700冶炼全流程夹杂物分析

  王涛, 陈超, 牟望重, 薛利强, 曹建其, 林万明

  钢铁. 2024, 59(5): 92-103.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230527

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  在无取向硅钢中,微细夹杂物及析出物会严重恶化材料的铁损和磁感应强度。以某企业生产的高牌号无取向硅钢23W1700为研究对象,通过对生产全流程的夹杂物进行研究,采用扫描电子显微镜和能谱仪对夹杂物的形貌、种类和尺寸进行分析并对铸坯中析出相进行计算。结果表明,在无取向硅钢生产过程中,在RH （Ruhrstahl Heraeus）真空精炼处理加铝后,夹杂物主要为AlN,还有少量的Al₂O₃及其复合夹杂物;RH加稀土后,夹杂物会转变为ReS夹杂物,同时外部包裹少量的AlN夹杂物;加脱硫剂后,主要以小尺寸的Re₂O₂S为核心且外部包裹AlN的复合夹杂物为主;在中间包浇铸过程中,发现了以ReAlO₃或Re₂O₂S为核心且外部包裹AlN的复合夹杂物;在铸坯中,发现了球状的MgS,同样发现了与中间包有相同成分的ReAlO₃或Re₂O₂S为核心的夹杂物,两者只是成分略有差异。在整个冶炼流程中,随着钢液稀土含量的逐步降低,稀土夹杂物的变化趋势主要为ReS→Re₂O₂S→ReAlO₃。夹杂物平均尺寸主要为2~4 μm,其中RH加稀土前夹杂物尺寸最小、RH加稀土后夹杂物尺寸略有增加,RH处理结束后夹杂物尺寸趋于稳定,最终铸坯中夹杂物尺寸为2.9 μm左右。利用计算软件Thermo-calc对钢液中夹杂物的析出进行计算,热力学计算结果表明,钢液未凝固时,其夹杂物主要为Al₂O₃,待钢液全部凝固后,会依次析出Ce₂O₂S、Ce₂S₃、AlN、MnS,这也与试验得到的夹杂物类型较为相符。
压力加工
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  热轧带钢多变量耦合下屈曲变形解析

  李文梦, 匡萃葳, 陈扬, 吴豪, 彭文, 孙杰, 张殿华

  钢铁. 2024, 59(5): 104-115.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230688

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  对于热轧带钢板形控制技术,热轧过程中的带钢纵向屈曲问题是建立高精度板形控制模型的难点。因此,完善的带钢屈曲生成机理是建立高精度板形控制模型的必要条件,也是板形质量改进研究的重要基础。针对目前热轧带钢生产时产生的纵向屈曲变形问题,进行了详细的解析建模研究。首先,为了后续的建模计算更为简便,依据不同屈曲行为,使用高阶多项式来描述沿带钢横向分布的纵向应力场及复杂的屈曲模态。然后,在已获得多项式形式的纵向应力场及屈曲模态的基础下,通过将弹性薄板小挠度理论与能量驻值原理相结合来建立带钢屈曲模型。同时,为了使结果更为精确,贴合实际热轧带钢生产情况,对于临界屈曲的计算,本文创新性引入了三维瞬态温度场。此外,利用有限元软件ANSYS对纵向屈曲变形行为进行仿真试验,将有限元计算结果和解析计算结果进行误差计算,以验证解析模型的正确性。最后,分析了不均匀的温度场、张应力以及带钢几何尺寸等多因素耦合作用对临界屈曲的影响。该解析模型阐明了热轧带钢生产过程中在多变量耦合作用下形成平直度缺陷（屈曲变形）的内在机理,并且能够快速获得不同屈曲浪形下精准的临界屈曲应力,为热轧带钢的板形控制提供理论依据和数据基础。
钢铁材料
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  G30Cr15Mo1N高氮马氏体钢的连续冷却相变与强化机制

  李波, 陈豪, 胡忠会, 贾忠宁, 陈泽军, 曹文全

  钢铁. 2024, 59(5): 116-124.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230433

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  利用Formastor-F2全自动相变仪测量G30Cr15Mo1N钢的CCT曲线,分析在连续冷却转变过程中高氮钢的组织变化和相转变规律,以指导热处理工艺的制定。另外,还通过XRD、SEM、EDS和TEM等分析方法研究了G30Cr15Mo1N钢在不同回火工艺下组织和力学性能演变,分析细晶强化、固溶强化、位错强化和析出强化对G30Cr15Mo1N钢屈服强度的贡献情况。结果表明,试验钢在实际升温中的A_c1和A_c3温度分别为840和870 ℃,片层珠光体的转变温度区间为600~700 ℃,珠光体形成的最快冷速为1 ℃/s。试验钢在较低温度（≤500 ℃）回火后微观组织为碳氮化物+回火马氏体+残余奥氏体,整体上保持较高的屈服强度和抗拉强度,分别大于1 750和2 050 MPa,而伸长率低于3%;在600 ℃回火后马氏体发生回复再结晶,马氏体板条形貌基本消失,并在TEM试验中观察到尺寸在20~80 nm的短棒状Cr₂（C,N）析出物,这导致高氮钢的强度大幅度下降而塑性得到充分恢复。在150 ℃回火时,G30Cr15Mo1N钢的屈服强度主要来源于很高的固溶强化和位错强化,其中固溶强化占主要作用;在500 ℃回火后,位错强化和固溶强化分别降低83.7和249.3 MPa,而析出强化显著增强并产生二次硬化,其主要来源是较高比例尺寸小于10 nm析出相。而当回火温度高达600 ℃时,固溶强化、位错强化、第二相强化均大幅度下降,且对屈服强度的贡献较为均衡,共同起到了重要的强化作用。
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  钙含量对H11模具钢冲击功的影响机理

  董君伟, 李吉航, 田家龙, 姜周华

  钢铁. 2024, 59(5): 125-133.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230555

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  冲击功是评价H11模具钢服役性能的重要特征之一。针对国内某钢厂生产的H11模具钢出现冲击功波动较大的现象,结合微观组织分析、夹杂物表征及对比分析和热力学理论计算,探究了导致H11具钢冲击功波动的主要原因和Ca对MgO·Al₂O₃夹杂物的转变机理。研究结果表明,大尺寸的Ds类夹杂物是导致H11模具钢冲击功较低且波动较大的主要因素（试验钢室温无缺口冲击吸收功平均值由（327±3.4）J降低至（233±26.1）J）,确定了钢中的Ca含量是导致D/Ds类夹杂物超标的主要原因。结合商业热力学软件FactSage 8.2计算结果可知,当试验钢中Ca质量分数较低（<0.000 5%）时,H11模具钢中夹杂物以高熔点MgO·Al₂O₃类夹杂物为主,此类夹杂物不容易聚合长大;但当试验钢中Ca质量分数较高（0.000 9%）时,由于Ca对MgO·Al₂O₃夹杂物的改性作用导致钢中夹杂物以容易聚合长大的低熔点CaO-MgO-Al₂O₃类夹杂物为主,但是此类夹杂物很难从钢液中去除,导致了H11模具钢中Ds类夹杂物超标。同时发现,在冲击载荷作用下,大尺寸夹杂物（>10 μm）会首先从基体中脱粘并引起微裂纹,微孔周围内应力的局部集中导致了裂纹萌生和裂纹扩展,进而降低了试验钢的冲击吸收功。最后,提出通过优化冶炼工艺过程降低Ca含量是解决H11模具钢中大尺寸夹杂物超标问题的主要攻关方向。
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  选区激光熔化构建17-4PH钢残余奥氏体梯度分布

  王岩, 田丰硕, 谢信亮, 韩李雄, 魏瑛康, 王建勇, 张亮亮, 贾文鹏, 刘世锋

  钢铁. 2024, 59(5): 134-144.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230571

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  马氏体沉淀硬化（17-4PH）钢广泛应用于压缩机叶轮、水翼等具有复杂结构的过流部件。选区激光熔化（selective laser melting,SLM）作为一种新兴的近净成形技术,其逐点逐层的扫描堆叠制造方式有助于通过拓扑设计优化零部件结构和实现复杂形状零部件的一体成形。采用“交叉双向式”和“双向式”两种扫描策略交替打印17-4PH钢,探究选区激光熔化构筑17-4PH钢中的残余奥氏体梯度分布方法。研究结果表明,通过调控扫描策略,改变了热量输入和散失方式,可以在17-4PH钢中实现残余奥氏体含量梯度分布。交叉双向扫描策略可有效细化马氏体晶粒,马氏体晶粒的大小与构建高度相关,残余奥氏体晶粒的大小与扫描模式和构建高度关系不大。交叉双向扫描形成的细小马氏体会对周围奥氏体产生附加应力,提高残余奥氏体稳定性,导致试样底部奥氏体较多。双向扫描冷却速度快,过冷度较大,马氏体转变的驱动力增大,消除相稳定,造成顶部马氏体较多,残余奥氏体少。随着堆积层数的升高,组织的冷却速度由慢变快,马氏体的转变程度增加,残余奥氏体含量减少。实现了17-4PH钢中奥氏体梯度组织的控制,这种梯度组织的制备为优化材料性能和实现多功能应用提供了新的途径。
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  铜合金化对Fe-18Mn-0.6C TWIP钢低温韧性的影响

  齐程伟, 董福涛, 张文文, 代鑫, 田亚强, 陈连生, 陈俊

  钢铁. 2024, 59(5): 145-152.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230522

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  TWIP（twinning induced plasticity）具有高强塑性、高抗冲击韧性和高低温性能等优点。目前市场应用较多的是以Fe-18Mn-0.6C为基的TWIP钢。高性能TWIP钢的工业化生产和推广可实现中国钢铁产业品种规格齐全化和推广高附加值钢铁材料。通过一定的合金化设计进一步提升其低温/超低温强韧性,可成为能源储存及运输用钢的有效替代钢材。在Fe-18Mn-0.6C TWIP钢中加入了不同含量的Cu合金元素,通过拉伸试验和室温到低温/超低温冲击试验,结合OM、XRD、SEM和EBSD等表征,研究了Cu合金对热轧TWIP钢微观组织和力学性能的影响,特别针对Cu合金化对低温/超低温冲击韧性的提升作用。结果表明,试验采用的热轧TWIP钢为单一奥氏体组织,Cu合金对TWIP钢有明显的晶粒细化效果,同时又增加了晶界取向差的均匀性。未添加Cu的TWIP钢因其平均晶粒尺寸更大,表现出更高的应变强化效果,强塑性更高。Cu合金对TWIP钢冲击韧性的提升较为明显。随着Cu合金元素含量的增加,TWIP钢的冲击功逐渐增大;室温下含2.9%Cu（质量分数）的TWIP钢冲击功达到375 J。随冲击温度的降低,不含Cu的TWIP钢冲击韧性下降明显;而含Cu的TWIP钢在-180 ℃的超低温下冲击功仍然保持在200 J以上。这与Cu的合金化增加SFE、减少低温下SFE的下降、抑制ε-马氏体相变和提高低温下固溶强化效果有关。TWIP钢即使在低温下仍然可以保持韧性断裂特征,仅有不含Cu的TWIP钢在-180 ℃的超低温冲击后局部出现了少量脆性断裂形貌。
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  弛豫时间对EH47特厚止裂钢组织与性能的影响

  肖大恒, 李骞, 高擎, 周文浩, 谢振家, 尚成嘉

  钢铁. 2024, 59(5): 153-160.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230563

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  采用拉伸、冲击、无塑性转变（NDT）温度落锤等力学性能测试方法和光学显微镜、扫描电镜、电子背散射衍射等显微组织分析手段,研究了EH47钢轧后弛豫60、180和360 s对特厚钢组织性能的影响。结果表明,弛豫时间为60 s和180 s的试验钢1/4厚度（t/4）处屈服和抗拉强度相差不大,分别为518、538 MPa和641、655 MPa,而弛豫时间为360 s时,试验钢t/4屈服和抗拉强度明显降低,分别为474 MPa和553 MPa。试验钢t/4低温韧性和表面P-2型NDT落锤性能随弛豫时间从60 s增加至360 s呈先降低后增加趋势。弛豫60、180和360 s的试验钢t/4处-40 ℃冲击功分别为248、78和340 J,钢板表面-50 ℃ P-2型NDT落锤性能分别为无开裂、开裂和无开裂。显微组织表征结果表明,弛豫时间对试验钢表面至t/4位置的显微组织具有显著影响。弛豫时间为60 s时,试验钢表面为板条贝氏体,t/4位置为针状铁素体加贝氏体;弛豫180 s时表面为贝氏体和呈网状分布铁素体,t/4位置为少量准多边形铁素体加贝氏体;弛豫360 s时表面为多边形铁素体加少量贝氏体,t/4为准多边形铁素体加针状铁素体。进一步研究表明,弛豫时间为180 s的试验钢,由于沿晶界分布的网状铁素体的存在,在低温落锤冲击时,应变主要集中在晶界铁素体中,从而形成孔洞,这种网状分布铁素体中的孔洞很容易串联形成裂纹而开裂。
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  基于最薄弱环节理论的局部失效概率预测方法

  孙振铎, 吕松峰, 李伟, 庞彬

  钢铁. 2024, 59(5): 161-171.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230583

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  为了计算表面强化钢的疲劳极限和局部失效概率,基于渗碳CrMn钢、渗碳CrNiW钢和渗氮CrNiW钢,设计了1种光滑试样和2种缺口试样,开展3种钢材的超高周疲劳试验。使用扫描电子显微镜对疲劳断口进行观察,分析3种钢材的S-N曲线并确定其失效模式。在高应力状态下,试样主要发生由表面加工缺陷与表面夹杂诱发的表面失效,在低应力状态下,试样主要发生由内部夹杂、不均匀基体组织及碎化区诱发的内部失效。使用纳米压痕法对3种钢材由表及里的微观硬度进行测定,渗碳CrMn钢、渗碳CrNiW钢的渗碳层深度分别为500 μm与900 μm,渗氮CrNiW钢的渗氮层深度为280 μm。基于最薄弱环节理论构建了表面强化钢的局部失效概率预测模型,采用建立有限元模型的方法对局部等效应力进行计算,优化表面-内部局部失效概率计算模型的参数计算方法,并对3种钢材的疲劳极限和局部失效概率进行计算。结果表明,模型所计算的疲劳极限和试验结果较为吻合,两者的最大误差为5.37%。该模型计算出的表面局部失效概率和试验结果较为接近,计算的内部局部失效概率和试验结果偏差较小。
环保与能源
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  碳基多污染物净化工艺SO₂、HCl的迁移及转化规律

  叶恒棣, 李俊杰, 倪桂虎, 孔镇, 王兆才, 高士秋

  钢铁. 2024, 59(5): 172-184.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230634

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  多污染物烟气碳基法净化工艺中,SO₂与HCl的吸附、迁移和转化是对净化装置能否高效、安全、稳定运行的重要影响因素。以碳基法烟气净化工艺为研究对象,通过BET、XRD、FTIR和XPS等表征方法,研究了SO₂和HCl在活性炭表面的竞争吸附规律,分析了不同吸附工艺中SO₂、HCl的迁移与转化行为,核算了SO₂在全流程中的物质流。研究结果表明,SO₂和HCl在活性炭上的竞争吸附导致HCl在逆流活性炭工艺系统中存在富集现象,有可能影响脱硫脱硝装置的稳定运行。在碳基法侧向分层错流净化工艺中,活性炭料层分为前、中、后室,前室活性炭主要吸附SO₂并快速移出塔体,带走吸附热量;中室活性炭下料速度较慢,用于吸附低浓度SO₂和HCl;后室活性炭下料速度最慢,主要吸附HCl并直接排出塔体,不与高硫烟气再接触而发生氯化氢挤出效应,消除了SO₂吸附热积聚及HCl富集现象。在碳基法侧向分层错流净化实际工程中检测烟气出口SO₂和HCl质量浓度（标准态）分别为4.4、2.4 mg/m³,脱SO₂和脱HCl效率分别达到了99.3%和95.4%,实现了系统的高效稳定运行;同时该系统中 SO₂和HCl在“吸附-解吸-制酸”全流程工序中物质流保持平衡,并通过后续制酸和酸性废水提盐实现了硫元素和氯元素的资源化利用。
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  利用高炉熔渣处理不锈钢酸洗污泥

  马叙叙, 顾宝澍, 宿珀诚, 王宁, 高杰, 张士董, 邓旭东, 春铁军

  钢铁. 2024, 59(5): 185-193.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230616

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  不锈钢酸洗污泥是在不锈钢生产过程中对不锈钢进行酸洗与钝化处理产生的副产物,属于危险废物。提出了利用高温高炉熔渣处理不锈钢酸洗污泥的技术思路,有望实现不锈钢酸洗污泥的资源化利用。采用半球法测定不同配比酸洗污泥加入高炉渣中的熔点,结合FactSage绘制相图分析熔点变化的原因,并将制备的高炉渣微粉与425硅酸盐水泥按照一定比例掺混制备胶砂砌块。结果表明,熔渣熔点随着污泥配比增加而升高。随着不锈钢酸洗污泥配比的增加,熔渣CaO含量减少,导致熔渣熔点升高。不锈钢酸洗污泥中CaSO₄等无机盐对高炉渣微粉制备过程起到了无机助磨作用。当不锈钢酸洗污泥掺加比例由0提高至5%时,高炉渣微粉的比表面积从379.70 m²/kg提高至415.28 m²/kg,胶砂砌块的7 d活性指数从79.45%提高至89.94%,28 d活性指数从94.64%提高至99.96%,均达到了S95矿渣微粉的要求。最后,以容积为1 680 m³的高炉为例,提出了利用高炉熔渣处理不锈钢酸洗污泥工业应用的初步设计,并进行了热量平衡计算。在考虑热损失和保证高炉渣不发生结壳现象的条件下,高炉熔渣富余的热量可以处理11.28%的不锈钢酸洗污泥,这为不锈钢酸洗污泥的工业应用提供了技术指导。