2024年, 第59卷, 第7期　刊出日期：2024-07-15

  

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综合论述
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  影响高炉燃料比关键因素的讨论——兼论适宜的直接还原度

  项钟庸, 徐万仁, 童小平

  钢铁. 2024, 59(7): 1-8.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230627

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  影响高炉燃料比的关键因素一直是炼铁界争论的课题。对于直接还原度或吨铁热消耗量在降低燃料比中的作用问题,涉及高炉理论和生产操作实践,对炼铁观念、技术发展方向以及生产技术方针都有重大的影响。如2020年提出的“以风量为纲,以炉温为基础”的生产原则,造成燃料比居高不下。为了深入探究决定燃料比的关键因素,采用Rist线图和评价高炉生产效率的方法对22座容积大于4 000 m³高炉的生产数据进行了计算和分析,结果表明,吨铁热消耗量对燃料比的高低起着关键的作用。这说明影响高炉燃料比的决定性因素是风口燃烧燃料量和吨铁风口耗氧量,而不是直接还原度。此外,用还原动力学和评价高炉生产效率的方法,对某公司高炉采用大风量和过度中心加焦操作模式而煤气利用率和炉身效率却很高的问题进行了分析,认为这是违反高炉冶炼规律的。高炉冶炼应该遵循炼铁界普遍认同的高效、优质、低耗、长寿、环保的基本原则和技术方针,以降低燃料比为中心,高效利用资源、能源,提升生产的效率和效益。
原料与炼铁
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  铁焦添加量和装料方式对高炉综合炉料熔滴性能的影响

  鲍继伟, 储满生, 唐珏, 张立峰

  钢铁. 2024, 59(7): 9-26.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230645

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  在“碳达峰”“碳中和”背景下,高炉炼铁是钢铁产业实现双碳目标的重要环节。复合铁焦是能够实现高炉低碳冶炼的新炉料,铁焦对综合炉料熔滴性能以及高炉应用铁焦低碳冶炼至关重要。系统研究了不同铁焦添加量和装料方式条件下,高炉综合炉料熔滴性能的演变。此外,通过快速冷却试验对综合炉料不同冶炼阶段还原、软熔、渣铁滴落和料层结构演变行为进行了探讨和分析,揭示了铁焦对高炉综合炉料熔滴性能的影响机制。结果表明,含铁炉料中掺入铁焦对综合炉料熔滴性能的改善效果明显。高炉使用铁焦适宜的添加量为20%~30%,混合装料是铁焦适宜的装料方式。与未添加铁焦情况相比,此铁焦添加条件下的综合炉料软化温度区间由136 ℃增加至197 ℃,熔化温度区间由171 ℃降低至152 ℃,软熔带位置降低;渣铁滴落率由59.1%提高至78.7%;料层最大压差由39.5 kPa降低至3.6 kPa,S值（高炉综合炉料软熔过程的特征值）由3 616.1 kPa·℃降低至276.6 kPa·℃。通过分析和讨论,添加铁焦能够提高综合炉料熔滴性能的机理,铁焦添加量的增加以及铁焦与含铁炉料采取混合装料方式,均能增加铁焦在含铁炉料中的弥散分布程度,加强铁焦与含铁炉料的紧密接触,从而加强铁焦对含铁炉料的还原促进作用、调整优化炉渣成分而降低炉渣黏度的作用、促进金属铁渗碳以及支撑和间隔炉料作用,进而显著改善综合炉料的软熔、滴落和透气性能。
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  钒钛磁铁矿精矿钙化焙烧-硫酸浸出强化提钒

  陈正义, 肖军辉, 陈肖汀, 程仁举

  钢铁. 2024, 59(7): 27-37.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230595

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  为了在不同试验条件下获得钒浸出率最高的提钒工艺,对攀西地区钒钛磁铁矿精矿进行了钙化焙烧-硫酸浸提钒工艺条件试验。该钒钛磁铁矿精矿为钒钛磁铁矿磁选后的选铁精矿,其中的主要矿物大多带有磁性,如磁铁矿、钛铁矿,其中的V₂O₅质量分数为0.41%,属于低品位钒矿。钒的存在形式为钒铁尖晶石,主要分布在磁铁矿中。对矿物结合X射线衍射仪进行定性分析和扫描电子显微镜及能谱分析仪扫描分析,确定钒钛磁铁矿精矿焙烧前后的矿物相变和焙烧机理;对矿物采用X射线荧光光谱仪进行半定量分析,确定钒钛磁铁矿中各元素含量;采用电感耦合等离子体发射光谱仪测定钒含量,用以计算浸出率来评判工艺效果。结果表明,焙烧过程中碳酸钙在高温下分解成CaO和二氧化碳,CaO与钒铁尖晶石在高温下反应生成可溶于硫酸的钒酸钙,化学反应方程式和热力学中标准吉布斯自由能（Δ_rG^θ）的计算结果也表明,在试验条件下钒铁尖晶石转化为钒酸钙是可行的。在单因素条件下试验,采用球团焙烧方式,进行造球的物料粒度小于0.075 mm,球团尺寸为8~10 mm,确定了焙烧温度为1 323 K、碳酸钙用量为7.5%、焙烧时间为2 h、随炉降温至室温的最佳焙烧条件;确定了焙砂粒度小于0.075 mm、浸出温度为333 K、浸出溶剂为体积分数10%的硫酸、液固比为5 mL/g、浸出时间为3 h的最佳浸出条件,可得到钒浸出率为94.66%。
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  MgO对白云鄂博铁精矿球团还原膨胀性的影响

  王永斌, 彭军, 罗果萍, 安胜利, 张芳

  钢铁. 2024, 59(7): 38-45.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230610

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  由于含有较多的K、Na、F等有害元素,白云鄂博铁精矿球团出现还原异常膨胀,甚至是灾难性膨胀,因此限制了其在球团工艺中的应用。随着选矿技术的进步和白云鄂博西矿的开发,白云鄂博铁精矿中K、Na、F等有害元素逐年降低,为实现100%白云鄂博铁精矿球团生产提供了契机。为了排除其他组分对球团组织及性能的影响,选用纯化学试剂MgO作为添加剂,以白云鄂博铁精矿为原料,经过造球、焙烧制得白云鄂博铁精矿球团,采用矿相显微镜、SEM-EDS等手段研究了MgO对白云鄂博铁精矿球团组织与性能的影响。随着白云鄂博铁精矿中MgO含量的增加,球团中含镁磁铁矿逐渐增加,赤铁矿含量有所降低,渣相量变化不明显。当MgO含量增加时,白云鄂博铁精矿球团孔隙率有所增加,导致球团的抗压强度呈现下降趋势。当MgO质量分数由1.5%提高到4.5%时,球团的抗压强度由2 720.2 N降低到2 000.0 N左右。随着MgO添加量的增加,白云鄂博铁精矿球团的还原膨胀率呈下降趋势,球团的还原膨胀率由大于35.9%下降到26.5%。提高白云鄂博铁精矿球团中的MgO含量可以改善球团的还原膨胀性能。
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  高炉喷吹氢气的预测数学模型及工业验证

  雷佳萌, 张伟, 宋生强, 薛正良, 毕学工, 吴映江

  钢铁. 2024, 59(7): 46-55.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230698

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  高炉炼铁系统能耗和排放占据钢铁全流程总能耗和总排放的70%以上,具有很大的节能减排潜力。实践表明,高炉风口喷吹氢气不仅可以实现低碳炼铁并且能够取得较好的经济效益。基于物质平衡、能量平衡,以及机器学习建模迭代确定的间接还原度方程建立了“高炉喷吹氢气的预测数学模型”。应用该数学模型研究了氢气喷吹后高炉冶炼指标的变化规律,包括对高炉燃料比、理论燃烧温度、直接还原度、鼓风量、炉腹煤气体积、碳素消耗等的影响。基于晋南炼铁厂高炉风口喷吹氢气实际工业生产数据,验证了模型的合理性和可靠性,燃料比和煤气利用率相对误差可以控制在3%的范围内。以鼓风含氧率和氢气喷吹量为主要考察因素,分别研究并预测单因素变化和两因素协同变化时的高炉冶炼行为规律。研究发现,单因素改变时,仅提高鼓风含氧率,高炉燃料比、理论燃烧温度升高,直接还原度、鼓风量和炉腹煤气体积降低;仅提高氢气喷吹量,高炉燃料比、理论燃烧温度、直接还原度均降低,鼓风量降低速度减缓,炉腹煤气体积先降低后略有升高的趋势。两因素协同调整时,每提高10 m³/t氢气喷吹量,同时提高0.43%鼓风含氧率,能使理论燃烧温度稳定为（2 142±2） ℃,同时降低碳素消耗。通过将传统高炉数学模型与机器学习优化算法相结合,可以节约富氢高炉工业试验成本,优化工业试验方案,为工业试验的稳定运行和合理预测提供理论指导。
炼钢
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  AISI431不锈钢精炼及模铸过程夹杂物演变

  马帅, 李阳, 李瑛, 孙启斌, 吴鹏, 聂显飞, 孙萌, 王举

  钢铁. 2024, 59(7): 56-65.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230649

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  为了研究AISI 431不锈钢精炼及模铸过程的夹杂物演变规律,合理控制钢中夹杂物,以提升AISI 431探伤合格率,利用欧波同夹杂物自动分析系统OTSInca和热力学计算软件FactSage 8.0对国内某钢厂“EAF + AOD + LF + RH + MC”工序生产的AISI 431不锈钢精炼及模铸过程的夹杂物演变进行了分析。结果表明,RH真空处理对夹杂物的去除作用使钢中全铝T[Al]和酸溶铝Al_s质量分数都大幅度下降。夹杂物定量统计结果表明,钢中夹杂物成分主要以Al₂O₃为主,在成品钢中Al₂O₃质量分数更是上升到90%左右;RH真空处理后,钢中夹杂物平均直径由于铝酸钙夹杂物的碰撞聚合达到最大,这些夹杂物通过RH真空处理后的软吹大量去除,最终成品钢中夹杂物大幅降低;同时单位面积夹杂物个数在RH真空处理后达到最少的25个/mm²,成品钢中夹杂物数量由于二次氧化现象略有上升。通过扫描电镜观察钢中典型夹杂物形貌发现,LF前期钢中主要为大尺寸的Al-Ca-Mg-Si-O系夹杂物,主体为Al-Ca-Mg-Si-O、部分为MgO的大尺寸夹杂,以及因铝夺取由AOD继承硅酸钙中的氧形成的铝酸钙夹杂物;RH真空处理后,钢中夹杂物主要为小尺寸的主体为Al-Ca-Mg-Si-O、部分MgO的复合夹杂物以及Al₂O₃和铝酸钙,钢中MgO·Al₂O₃夹杂因真空作用分解,MgO·Al₂O₃质量分数由RH真空处理前的21.95%降低到7.46%。FactSage热力学计算结果表明,LF及RH精炼后,钢中夹杂物主要为CaO·2MgO·8Al₂O₃、CaO·Al₂O₃和Spinel;相比于LF精炼,RH真空处理后Spinel相和钢中夹杂物质量分数均降低。通过对比该厂传统工艺,探伤合格率由72.5%提升到98.6%,非金属夹杂物K5（夹杂物评定标准DIN50602）为0,AISI 431不锈钢的洁净度及产品合格率均得到较好控制。
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  钙处理对DZ2高速铁路车轴钢中夹杂物的影响

  鲍道华, 成国光, 张锦文, 王之香, 李伟, 李尧, 张涛

  钢铁. 2024, 59(7): 66-74.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230647

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  采用钙处理来改善铝脱氧DZ2高速铁路车轴钢在连铸过程中的可浇性。为此,向钢中添加不同含量的钙,并利用扫描电镜（SEM）和能谱分析仪（EDS）观察和统计冶炼过程和连铸坯中夹杂物的形貌、类型和尺寸,通过这些观察和统计结果研究钢中夹杂物的演变规律以及钙含量对夹杂物的影响。研究表明,低喂钙量钢A和高喂钙量钢B的冶炼过程中夹杂物的演变规律大致相同。从LF结束到中间包这一阶段中,夹杂物由低CaO含量的Al₂O₃-CaO-MgO类夹杂物逐渐转变为高CaO含量的CaO-Al₂O₃-MgO类夹杂物,但是在钢B的中间包中还存在较多的CaO类夹杂物。在钢A的连铸坯中,夹杂物主要为在钢液降温和凝固过程中形成的小尺寸、低CaO含量的Al₂O₃-CaO-MgO类夹杂物,只存在少量来源于精炼过程中的大尺寸（>10 μm）、高CaO含量的CaO-Al₂O₃-MgO类夹杂物。而在钢B的连铸坯中,夹杂物主要为钙处理后形成的CaO类夹杂物,且这些夹杂物的尺寸较大。在钢A和钢B中,夹杂物的类型和尺寸存在差异的原因与钢中钙含量有关。只有合理的钙含量才能将钢中的Al₂O₃类夹杂物改质为纯液态夹杂物,过高的钙含量会导致CaO和CaS类固态夹杂物的出现。FactSage热力学软件的计算结果表明,在DZ2车轴钢中,钙处理时钢中的最佳钙质量分数为0.000 5%~0.001 8%。需要谨慎地进行钙处理来确保钢液的可浇性,同时也需要优化冶金工艺来去除钙处理后以及在其他精炼阶段形成的大尺寸液态CaO-Al₂O₃-MgO类夹杂物。
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  板坯连铸大辊径铸轧辊不同冷却方式模拟

  刘洋, 王卫华, 李新, 谢翠红, 马长文, 张虎成, 康永林

  钢铁. 2024, 59(7): 75-82.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230707

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  连铸过程借鉴轧钢过程的轧制大压下思路,在连铸二冷区对高温铸坯单点施加不低于20 mm大压下量是解决铸坯中心疏松等内部缺陷以及提高钢板性能的重要技术手段,也是近年来连铸技术研究的热点领域。实施大压下功能需要大辊径的铸轧辊,辊子与二冷区板坯连续、高温、低转速接触,服役环境恶劣,铸轧辊的冷却方式是影响大压下效果、辊子寿命及铸坯表面质量的关键因素。采用ABAQUS有限元软件构建铸轧辊二维传热模型,模拟铸轧辊“双面喷水”、“单面喷水”、“单面喷2倍水”3种冷却方式下辊面及内部整体温度变化规律,可知“双面喷水”和“单面喷2倍水”2种冷却方式下,一个辊动周期内铸轧辊辊内温度不超过100 ℃所占比例相等,即辊子冷却效果相当,可以保证整个铸轧辊多数时间在低温工作状态,可提高辊子寿命。工业试验中,“双倍喷水”冷却方式的冷却水会大量滴落存积在大压下前铸坯表面,局部温度快速降低进入高温低塑性区,实施大压下后易造成表面裂纹。因此,实际生产采用“单面喷2倍水”的冷却方式,解决了大压下前铸坯表面冷却水滴落存积的问题,铸轧辊使用寿命高,铸坯无裂纹率。该研究对大辊径铸轧辊的冷却模式设计提供了很好的思路,为二冷区板坯大压下工艺技术的开发及应用打下了基础。
压力加工
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  数据驱动的热连轧板平直度分类预测

  李广焘, 龚殿尧, 张殿华, 梁勋国, 陈驰

  钢铁. 2024, 59(7): 83-93.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230690

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  在热连轧带钢生产过程中,平直度是重要的板形质量指标。为提高热连轧带钢板形的控制水平,针对热连轧带钢平直度检测滞后与预测精度不高的问题,建立基于数据驱动的热连轧板平直度分类预测模型。将工艺参数、设备参数以及轧件参数中对带钢平直度影响显著的66个关键参数作为输入变量。按照平直度仪在轧制方向上的实际测量间距以及在带钢宽度方向上的测量通道宽度,将钢卷离散化为一系列条元,并生成不同条元带钢对应的平直度分类标签,研究实际以带钢宽度方向上中部条元的平直度分类标签作为输出变量。基于提出的数据预处理方法,获取用于构建板平直度分类预测模型的可靠且高质量的建模数据。采用深度置信网络（deep belief networks,DBN）构建基于数据驱动的热连轧板平直度分类预测模型。以交叉熵为评价指标,分析超参数对DBN模型性能的影响,确定模型的最佳超参数。在测试集样本类别分布不均衡的情况下,构建的DBN模型对大中浪平直度类别、无中浪平直度类别以及微中浪平直度类别的预测准确度分别达到了100%、96.87%与77.78%,平直度的错误预测类别主要为与其平直度值更接近的相邻平直度类别。该方法能对热连轧带钢平直度进行准确的分类预测,对提高板形预设定模型的计算精度与改善带钢板形具有重要作用。
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  10Ni5CrMoV厚板连续差温轧制工艺

  王宝山, 王卫卫, 张宏亮, 张翔博, 冯光宏

  钢铁. 2024, 59(7): 94-101.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230708

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  厚板是船舶、化工、高压管道、压力容器等行业必需的钢材品种,但在轧制成形时由于心部变形不充分,导致内部孔洞难以压合,存在心部力学性能偏低、厚度方向上性能不均匀的问题。以10Ni5CrMoV厚板为例,研究了其在差温轧制工艺下的变形规律,目的是解决厚板心部变形不足的问题,为差温轧制在厚板成形中的应用提供理论依据。首先通过Gleeble热压缩试验测定了10Ni5CrMoV钢的高温真实应力-真实应变曲线,建立了10Ni5CrMoV钢的本构方程,基于此本构模型,应用有限元方法进行了10Ni5CrMoV厚板5道次轧制过程的数值模拟,分析了心-表温度分布规律和应变分布规律,并进行了轧制验证试验,对比了不同轧制工艺下厚度方向上的变形及组织均匀性。结果表明,当5道次轧制的总变形量为58.3%时,与均温轧制相比,连续差温轧制和首道次差温轧制10Ni5CrMoV厚板心部的等效塑性应变分别提高了5.40%和1.04%,连续差温轧制工艺最有利于心部变形,但是,需要进行道次间冷却才能维持厚板差温轧制所需的心表大温差的温度分布状态。10Ni5CrMoV厚板变形均匀程度依次为连续差温轧制>首道次差温轧制>均温轧制,连续差温轧制后内部晶粒明显细化、组织更均匀。连续差温轧制能有效促进变形向厚板心部渗透,这对均匀化组织、提高力学性能、改善质量具有重要意义。
钢铁材料
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  纯δ-铁素体低密度钢热变形模型及再结晶特征

  朱雯婷, 储双杰, 陈赛, 王美晨, 张启飞, 毛博

  钢铁. 2024, 59(7): 102-111.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230656

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  Fe-Al低密度钢作为一类新兴的钢铁材料,凭借其低密度、高塑性、优异耐蚀性、成本效益和批量生产的可行性引起广泛的关注和研究。与其他具有竞争力的结构材料相比,高铝Fe-Al低密度钢组织为粗大δ-铁素体,在无相变发生的情况下如何细化Fe-Al铁素体钢的晶粒成为一个难题。利用热模拟试验机和微观组织分析等手段,对高铝Fe-7.5Al铁素体低密度钢在变形温度为850~1 100 ℃及应变速率为0.01~10 s^-1条件下的热变形过程中的组织演化和再结晶行为进行分析,提供动态再结晶实现晶粒细化以达到强度和塑性的良好配合的可行性。基于压缩真应力-应变曲线,构建了预测峰值应力的本构方程,并根据动态材料模型绘制了Fe-7.5Al钢的热加工图。结果表明,Fe-7.5Al钢的热变形行为符合具有中等层错能的合金材料的一般规律,由位错的滑移和攀移控制;Fe-7.5Al钢的动态软化机制以动态回复为主。提高变形温度和应变速率有利于不连续动态再结晶行为的发生,这种不连续再结晶形核是由应变诱导晶界迁移产生的,其热变形激活能约为368.5 kJ/mol。在变形温度较低（<950 ℃）以及高应变速率（>1 s^-1）下将出现不稳定塑性变形区,此时Fe-7.5Al钢将沿δ/δ-铁素体晶界形成微带,并且在三叉晶界处产生楔形开裂。
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  铌对中碳超细晶贝氏体钢相变动力学的影响

  汤斌, 周明星, 潘成刚, 陈振业

  钢铁. 2024, 59(7): 112-121.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230633

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  铌对贝氏体相变的影响较为复杂,且存在不同观点,一部分学者认为铌的添加阻碍贝氏体相变动力学,而另一部分学者认为铌增加相变形核点,加速贝氏体相变动力学。此外,铌一般添加在低碳钢中,在中碳和高碳钢中的应用较少。以当下热门的超细晶贝氏体钢为对象,采用热处理试验与高温激光共聚焦显微镜（LSCM）原位观察试验结合的方法研究铌对中碳钢相变动力学的影响。此外采用场发射扫描电镜（SEM）和电子背散射衍射（EBSD）研究了铌对中碳贝氏体钢显微组织的影响。结果表明,铌细化中碳贝氏体钢原始奥氏体晶粒,加热温度为1 100 ℃时,加入质量分数为0.024%的铌后,使原奥尺寸由（72±2） μm细化至（51±2） μm。通过理论计算发现,在该加热温度下,大部分铌处于析出状态,所以原奥细化的主要机理是NbC对晶界的钉扎作用。同时铌减慢贝氏体束伸长速率,这是其溶质拖曳作用引起的。加入质量分数为0.024%的铌后,相变体积分数50%前贝氏体束平均伸长速率由（0.43±0.13） μm/s减慢至（0.31±0.16） μm/s。对于试验所用中碳贝氏体钢,铌的添加减慢了贝氏体整体相变动力学,主要原因是晶粒的细化限制了贝氏体束的生长,且铌的溶质拖曳作用减慢了贝氏体束的伸长速率。同时铌的添加细化了块状M、M/A和RA,这对提高钢的韧性是有利的。为进一步理解铌在中碳贝氏体钢中的作用机理提供了有益参考。
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  冷变形对S32101双相不锈钢组织和力学性能的影响

  李国平, 武敏

  钢铁. 2024, 59(7): 122-129.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230678

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  经济型双相不锈钢具有低成本和高性能的特点,作为结构材料可以实现材料减重和降低全寿命周期成本。经济型双相不锈钢替代碳钢应用于城市交通车体结构材料,要求屈服强度R_p0.2达到630 MPa以上,伸长率A₅₀高于20%,因此S32101需要进一步提高强度。对S32101施加不同的冷轧变形量（5%~20%）,采用扫描电镜（SEM）、电子背散射衍射（EBSD）和透射电镜（TEM）分析表征了冷变形组织,并研究了冷轧变形量对力学性能的影响规律。结果表明,5%冷变形后,S32101奥氏体相中形成层错和位错。随着冷变形量增大,逐步形成机械孪晶和应变诱导马氏体相变。形变诱导马氏体产生所需的临界变形量为15%。奥氏体与马氏体之间的位向关系符合N-W关系,即（110）_α'∥（111）_γ且[001]_α'∥[011]_γ。奥氏体相的强化机制在冷变形的不同阶段分别为位错和层错强化、孪晶强化以及相变强化。在冷变形过程中,铁素体相中位错密度逐渐增大,强化机制为位错强化。经济型双相不锈钢S32101对冷变形敏感,施加小变形量即使强度显著提升。当冷变形量为5%时,经济型双相不锈钢S32101的屈服强度达到720 MPa,伸长率为22%,综合性能满足城市交通车体结构材料的要求。随着冷变形量进一步增大至20%,S32101强度逐渐升高,屈服强度提高至950 MPa,抗拉强度提高至1 130 MPa,但伸长率降低至12%。
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  时效处理对新型耐热钢组织及力学性能的影响

  杜京伦, 杨苏冰, 丁恒楠, 王资兴, 刘天, 罗锐

  钢铁. 2024, 59(7): 130-138.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230636

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  新型含铝奥氏体耐热钢（AFA）在650~700 ℃温度范围内,具有组织稳定、高温性能优异以及制备成本较低等优点而成为超超临界火电机组的候选材料。为了系统阐明新型含铝奥氏体耐热钢在700 ℃下的第二相短时析出行为及与力学性能的关系,采用时效热处理、第二相析出粗化模型和综合力学试验相结合的方法,分析了700 ℃短时（≤500 h）时效对新型含铝奥氏体耐热钢Fe-18.4Cr-31Ni-1Nb-2.9Al（质量分数,%）的微观结构和力学性能的影响。研究结果表明,Laves相和B2-NiAl相尺寸会随着时效时间的延长而逐渐增大。当时效至20 h,Laves相开始沿晶界析出,随着时效时间的延长,其尺寸粗化并覆盖晶界。相比之下,100 h时B2-NiAl相在晶内析出,并由短棒状长为针状。随着时效时间从100 h延长至500 h,Laves相和B2-NiAl相的平均尺寸从449 nm增加到706.9 nm。用Lifshitz-Slyozov-Wanger（LSW）粗化模型理论定量分析Laves相和B2-NiAl相粗化动力学和等温时效时间的关系。计算得析出相的粗化速率k为1.925 8×10^-27 m³/s,表明Laves相和B2-NiAl相的长大速率由溶质原子扩散所控制。基体中Laves相和B2-NiAl相的析出导致硬度和高温拉伸性能的增强。0~500 h,硬度持续增加,而抗拉强度先增加后降低。这是由于在0~200 h,Laves相和弥散的B2-NiAl相析出,而200~500 h,B2-NiAl相长大,使得抗拉强度降低,而伸长率增加。与未时效状态的抗拉强度528 MPa,伸长率76%相比,500 h时效后,其抗拉强度增至579 MPa,伸长率为52%。
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  锌铝镁镀层在加热过程中的组织和耐蚀性

  刘广会, 韩赟, 刘全利, 徐呈亮, 蒋光锐, 陈建军

  钢铁. 2024, 59(7): 139-149.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230681

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  锌铝镁镀层相对于纯锌镀层具有更好的耐蚀性,结合其特有的划伤自愈、切口保护等特点受到越来越多的钢铁生产企业及下游用户的重视,尤其在材料服役条件较为严苛的环境,客户采用该新型镀层的愿望较为强烈。锌铝镁镀层钢板在使用过程中会遇到热加工和热处理,最常见的是焊接和切割。因此研究锌铝镁镀层在不同温度区间的性能稳定性越来越受到关注。为了探究锌铝镁镀层在温度变化过程中组织和性能的变化,更好地提高镀层耐热性能,研究了不同铝含量的锌铝镁镀层（Zn1Al1Mg、Zn55Al1Mg）在不同的加温温度（300、500、700 ℃）进行加热,并随炉保温10 min之后镀层内部的组织变化以及对物理和化学性能产出的影响。通过相图计算预测了保温之前镀层的析出相,通过电镜表征热处理后镀层的截面组织和表面组织的形貌,对各个不同的区域进行电镜自带的EDS的成分检测;同时,对镀层中不同相的组成进行了XRD的测试;对不同热处理工艺的试样进行维氏硬度的测试;对试样的耐腐蚀性能用电化学的方法来评估。结果表明,在加热到700 ℃的时候,Zn1Al1Mg和Zn55Al1Mg镀层的表面组织和截面组织的形貌都出现了很大的变化,对于Zn1Al1Mg镀层组织明显的分为2层,分别为Zn-Fe层和Fe-Zn层;对于 Zn55Al1Mg的镀层组织,产生了从基体生长的柱状富铝相,在钢板和镀层的交界处密集生长;表面组织出现了疏松多孔的组织;电化学的结果显示,2种镀层的耐腐蚀性能都有所下降。维氏硬度的检测表明,2种镀层经过热处理后硬度都得到了提高。
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  基于Thermecmastor热模拟技术的Q235低碳钢平面应变研究

  史杰杰, 王昌, 王哲, 李继康, 胡蝶

  钢铁. 2024, 59(7): 150-158.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230577

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  试样的几何尺寸会影响试样在平面应变压缩时的局部形变量,局部形变量的改变影响试样冷却过程中的微观组织,进而影响力学性能。在模拟轧制时,平面应变技术具有更好的相似性,为了更合理和准确地研究基于热模拟机的大试样平面应变技术,实现材料从工艺到力学性能的研究,利用Thermecmaster热模拟机对尺寸为30 mm×30 mm×140 mm的Q235低碳钢进行了平面应变压缩试验。基于Thermo-Calc软件计算得到的Q235低碳钢奥氏体相变温度,制定了低碳钢的热模拟工艺,通过分析平面应变试样的变形区、过渡区和未变形区的微观组织演变规律,确定了试样在该工艺下的组织相对均匀区域。在此基础上,加工出合理尺寸的拉伸和冲击韧性试样并进行测定与对比分析,同时利用X射线衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）和电子背散射衍射（EBSD）技术和透射电子显微镜（TEM）对平面应变前后的微观组织进行了对比与分析。与原始试样相比,平面应变试样力学性能的提高主要是由于铁素体晶粒的细化以及分布更加均匀细小的珠光体。基于Thermecmastor热模拟试验机的大试样平面应变技术实现了Q235低碳钢的工艺→微观组织→力学性能的研发模式,为研究钢铁等金属材料在同一试样的微观组织与力学性能提供热模拟方法。同时通过对比分析平面应变前后试样的微观组织与力学性能,探索出优化商用Q235低碳钢力学性能的热模拟工艺,为工业优化商业Q235低碳钢提供理论指导与数据支撑。
环保与能源
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  喷吹工艺参数对高炉渣粒化成珠效果的影响

  孙瑞靖, 康月, 丁洪玲, 邢宏伟, 刘超, 周君, 吴礼忠, 邵宸

  钢铁. 2024, 59(7): 159-168.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230689

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  传统的高炉渣处理方法为水淬法,但水淬法存在很多弊端,如大量余热资源未有效回收利用、水资源大量浪费、冷却过程中产生H₂S和SO₂等污染物污染环境,为了克服该方法带来的弊端,采用干式粒化法对高炉熔渣进行破碎粒化,在传统气淬喷吹工艺基础上加入水雾化,对高炉熔渣进行强化破碎,从而显著提高破碎粒化率,提升高炉渣利用附加值。通过研究不同喷吹工艺参数（不同气淬压力、不同喷嘴结构、不同气水比）对高炉熔渣破碎粒化效果（粒径分布、成珠率、球形度）的影响,获得最佳粒化工艺参数。研究结果表明,不同喷吹工艺参数（不同气淬压力、不同喷嘴结构、不同气水比）下渣珠粒径均基本呈正态分布,粒径大小基本集中在0.40~2.36 mm。同时,增大气淬压力和选用气水混合的9孔喷嘴以及增加喷水量均能够有效强化高炉渣破碎,提升成珠率,成珠率最高为85.3%。但是随着压力的增加,成珠率并不是一味增加,超过0.30 MPa后,成珠率基本保持不变;压力越大,得到的小粒径渣珠越多,而且透明度高,形状也规则;选用直接喷吹气体的拉瓦尔喷嘴和先喷气再与水混合的T型喷嘴,粒化效果均较差;在喷水量小于喷气量时,随着喷水量的增加成珠率呈逐渐增加的趋势,同时渣珠球形度较好,形状较规则;当喷水量超过喷气量后,成珠率有所减少,但减少的趋势较缓,这为高炉渣高附加值利用提供了理论参考。
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  基于MnCeTiO_x催化剂的烧结烟气低温脱硝机理

  赵贺喜, 李婕, 丁龙, 钱立新, 龙红明

  钢铁. 2024, 59(7): 169-178.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230613

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  铁矿烧结工艺是钢铁生产过程中排放氮氧化物的最大源头。由于氮氧化物危害生态环境和影响人类生活,钢铁行业超低排放要求烧结机头NO_x排放质量浓度小时均值不高于50 mg/m³。以氨气选择性催化还原法为代表的末端治理技术是目前减少工业烟气中NO_x排放的主流技术,其核心是催化剂。综合催化剂性能、成本和使用寿命,过渡金属催化剂成为研究热点。其中,Mn、Ce、Ti的氧化物均具备较强的氧化还原能力,通过共沉淀法制备了一系列MnCeTiO_x复合金属氧化物催化剂,研究了不同元素配比对其脱硝活性的影响,并通过对催化剂的物理化学性质分析,揭示了其获得优良低温活性的机理。结果表明,金属元素物质的量比为1∶1∶1的MnCeTiO_x催化剂在175~250 ℃区间脱硝率超过90%,随着Ti和Ce含量增加,催化剂活性下降,而随着Mn含量增加,催化剂脱硝活性提高。Mn、Ce和Ti的物质的量比为8∶1∶1时,催化剂在125~250 ℃脱硝率达到99%,同时具有良好的抗水性能。随着Mn含量增加,催化剂中出现了高价态的氧化锰结晶,催化剂表面孔径减小而孔体积和比表面积增大,催化剂表面Mn⁴⁺和吸附氧含量升高,并且氧化还原性能以及表面酸性提升,因此催化剂的低温脱硝活性得到显著提升。催化剂结构中MnO₂物相增多和表面酸性变强是M8C1T1催化剂获得优良抗水性的主要原因。NO在MnCeTiO_x复合金属氧化物催化剂表面的反应路径符合Langmuir-Hinshelwood（L-H）和Eley-Rideal（E-R）机理。
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  转炉炉口微差压预测双驱动模型

  包向军, 陈凯, 郦秀萍, 杨筱静, 刘骁, 陈光

  钢铁. 2024, 59(7): 179-187.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20240061

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  转炉炉口的微差压调控对提升煤气回收品质具有重要意义。为了合理调控炉口压力,减少吸入空气量,提升回收煤气热值,结合转炉炉内化学反应、历史吹氧数据和神经网络算法,建立了炉气预测模型,模型精度可达96.3%;根据微差压与风机转速、环缝开度、烟罩高度、烟罩开度以及炉气量之间的关系,建立了炉口微差压平衡模型,并耦合炉气预测模型构成微差压预测双驱动模型。炉气预测模型提供预测炉气量,微差压平衡模型提供微差压平衡关系式,两者结合设定的风机转速、环缝开度、烟罩高度,耦合成为微差压预测双驱动模型。当预测的微差压超过了设定值,对风机转速、环缝开度、烟罩开度、烟罩高度等影响因素进行调节,控制微差压在合理的范围内。通过实际生产数据分析,双驱动模型预测与调控结果与设定的微差压平均值相对误差为2.7%,吹炼期间炉口压力的平均值由13.42 Pa降低到4.88 Pa,平均每炉吸入空气量由原来的40.26 km³减少为14.64 km³。煤气热值（标准态）从7 422 kJ/m³增加到8 812 kJ/m³,提高了18.73%,表明该模型可实现精准预测和调控微差压,改善以往预测方法时间滞后的缺点,为提升转炉煤气热值提供了有效的方法。