2025年, 第60卷, 第1期　刊出日期：2025-01-15

  

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综合论述
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  利用生物质能实现低碳炼铁的研究进展

  何志军, 盛宏沅, 高立华, 刘吉辉

  钢铁. 2025, 60(1): 1-14.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20240416

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  钢铁行业中化石能源的消耗加剧了对环境的压力,铁前工序是整个钢铁行业节能减排的重要环节,在中国“碳达峰”和“碳中和”的目标下,寻求和使用可代替化石能源的绿色可再生能源是钢铁工业发展的必经之路。生物质作为绿色的碳中性资源,具有分布广泛、低污染性和可再生等特点。生物质能源应用于炼铁生产可以有力地发挥出其节能减排的作用,对钢铁行业碳消耗具有重要意义。在讨论生物质资源分布、预处理方式、生物质利用方法以及生物质能理化性质的基础上,系统论述了天然生物质、生物质炭和生物质衍生物在直接还原铁、高炉喷吹、生物质焦炭、生物质球团、生物质烧结等方面的研究现状。首先,生物质可作为反应物直接添加到球团中进行生物质铁矿球团的还原,也可利用生物质热解气化产生的合成气对铁矿石进行还原。其次,未来可进一步改进生物质的处理手段来优化生物质烧结矿和生物质球团矿的质量,通过改善原料粒度和原料配比等来优化生物质用于高炉喷吹或现有炉料制备工艺。基于生物质自身的理化特性,其作为铁前工序能源应用时还需要进一步开展相关基础性研究工作,针对大型高炉开发的生物质复合造块铁矿原料的破碎强度和冶金性能需要进一步探索,同时,加强行业间合作开发出高强度、高反应性的符合高炉生产的生物质复合炉料是未来的研究方向之一。
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  中国钢铁制造流程发展与关键问题

  刘清梅, 张福明

  钢铁. 2025, 60(1): 15-28.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20240363

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  近年来,推动中国钢铁行业高质量发展和助力实现“双碳”目标是中国钢铁产业发展的总体思路,在此背景下,中国钢铁工业特征发生了显著变化。描述了当前钢铁工业的主要特征,分析了2000—2023年间中国钢铁粗钢产量和年度粗钢增长率,结合发达国家粗钢产量的演变模式,预测中国钢铁产量所处的发展阶段。以2000—2023年间中国不同钢铁制造流程所占比例为依据,测算各年钢铁制造全流程CO₂排放值,论述中国实现“双碳”目标的紧迫性和必要性。选取主要产钢国钢铁制造流程演化进程及现状为研究对象,重点阐述了美国、日本和中国以确保钢铁产品质量最佳和钢铁制造效率最优为需求的钢铁制造流程特点,理清当前不同钢铁制造流程的作用和效果。结合上述分析,以工程哲学的视野和全局性战略思维对中国钢铁制造流程结构调整的应对策略进行研究,并且提出了适应新特征下的“BF-BOF”长流程、“全废钢-电炉（EAF）”短流程和“100%氢基还原DRI-EAF”流程的结构调整方案。研讨了钢铁制造流程调整过程中的三大关键问题,包括实现电炉炼钢需要的废钢基准保障数量、能源脱碳化进程中的钢铁全流程电力消耗量以及消除废钢电炉冶炼过程残余元素富集所造成的钢材品质缺陷的新思路,解决好这些关键问题将有助于中国钢铁制造流程的结构优化调整和高质量发展。
原料与炼铁
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  球团矿氨还原特性

  杨佳龙, 胡正洪, 李家新, 从俊强, 米澳, 张晓萍, 温宝良

  钢铁. 2025, 60(1): 29-39.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20240344

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  采用氢基竖炉直接还原替代传统高炉炼铁,可以有效减少大量二氧化碳排放。然而,氢的储存和运输成本较高,而氨作为一种备受关注的储氢介质,具备成熟的制备技术以及低廉、便利的储运方式。然而,对于不同温度下球团矿的氨还原动力学,以及温度对球团矿氨还原后相组成的影响,目前的研究仍显不足。因此,系统地考察了温度对球团矿氨还原热力学与动力学及还原产物的影响,并将其与氢还原特性进行了对比研究。研究结果表明,氨还原赤铁矿相较于氢具有更低的ΔG^θ（标准吉布斯自由能）值,但由于氨分解反应的存在,使得700~850 ℃下还原时氮化铁具有较窄的生成区间,磁铁矿主要通过氨及氨分解生成的氢还原为浮氏体然后至铁。温度越高,球团矿氨还原程度越高,氨还原赤铁矿能力要弱于氢,氨的分解反应对氨还原反应速率具有负面影响,且球团矿氨还原的活化能为71.05 kJ/mol,也大幅高于氢。球团矿氨还原前期（还原时间t ≤ 2 340 s）受界面化学反应控制,还原后期（还原时间t > 2 340 s）受气体内扩散控制。XRD和电子显微镜元素扫描结果显示,氮化铁与铁及其氧化物共存,高还原温度下,还原铁层更容易形成细小结构,使得球团矿还原后期的动力学限制性条件为还原气体内扩散。研究结果对减少炼铁工业温室气体排放、推动炼铁过程的环保和可持续发展具有一定意义。
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  基于CNN-GraphSAGE的风口图像多尺度提取与识别模型

  李福民, 王靖, 刘小杰, 段一凡, 张旭升, 吕庆

  钢铁. 2025, 60(1): 40-50.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20240293

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  高炉风口的各项状态指标对指导高炉顺行具有重要意义。长期以来,风口状态监测依赖人工观察和经验判断,存在着风口异常监测响应不及时和诊断不准确等问题。为了应对这一现状,在国内某钢铁厂2023年11–12月高炉风口图像的基础上,提出了基于CNN-GraphSAGE的风口图像多尺度提取与识别的方法,将风口图像进行一系列预处理后,采用卷积神经网络并行提取图像的多尺度特征信息,结合通道注意力机制动态调整不同特征通道权重,得到精细化的特征融合图。随后,采用改进的图神经网络GraphSAGE算法对特征融合图进行处理。经过多轮测试并与广泛应用的算法进行对比后,开发了基于CNN-GraphSAGE模型的高炉风口异常监测系统,可以监测挂渣、涌渣、断煤和漏水4类异常情况。相较于传统算法系统,该系统大幅度提高了风口异常监测响应速度,异常诊断准确率达93.40%,弥补了现有高炉风口监测方法的不足,极大降低了钢铁企业对风口异常诊断分析的成本,加强了对高炉炼铁过程的把控,确保其生产环节更加安全可靠。
炼钢
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  预合金化工艺对铝脱氧钢洁净度的影响

  程林, 王哲, 胡志远, 任强, 张立峰

  钢铁. 2025, 60(1): 51-65.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20240204

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  低碳铝镇静钢的脱氧方式主要为铝脱氧,而钢液中不同异质成核位点的出现会对后续脱氧产物的形核生长产生影响。通过实验室试验对铝镇静钢的预合金化工艺进行了研究,使用酸溶法和电解法对钢中夹杂物的三维形貌及数量进行了表征。热力学计算以及试验表明,添加1.0%Al（质量分数）时钢液进行的复合脱氧处理中热力学稳定相为Al₂O₃相,不同脱氧工艺之间的差异体现在钢液成分和夹杂物形貌上。通过铝氧反应试验讨论了不同预合金化工艺对铝脱氧形成Al₂O₃夹杂物的形核、生长、形貌、尺寸及数量的影响,发现在实验室试验条件下,钢液中Al₂O₃夹杂物主要有球状、树枝状、多边形块状和团簇状4大类形貌。预先存在FeO的铝氧反应主要涉及Al₂O₃夹杂物形核析出阶段、形貌演化阶段和团聚烧结阶段。其余铝氧反应在反应初期涉及不同夹杂物改性过程。粗糙界面局部过饱和度较高时容易形成球状形貌且不易成簇。界面局部过饱和度较低时容易形成刻面形貌,局部氧过饱和度较高时容易形成树枝状形貌,随着氧过饱和度的降低会逐渐向花瓣状、片层状和板条状演变。预先存在SiO₂夹杂物的铝氧反应中夹杂物的数密度最高,其平均三维尺寸最低。钢液中Al₂O₃夹杂物的形貌会受到预先存在的夹杂物、过饱和度、脱氧剂和溶解氧、过冷度、结构的影响。
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  热处理过程中MnO-SiO₂-Al₂O₃基玻璃态夹杂物的结晶行为

  雷旭博, 徐琦, Rodrigue Ameal Muvuny, 黄灵杰, 李建立

  钢铁. 2025, 60(1): 66-74.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20240406

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  结晶态夹杂物相较于玻璃态夹杂物具有更高的硬度,对钢材的轧制及后续加工过程危害更大。为了进一步明确热处理过程中MnO-SiO₂-Al₂O₃基玻璃态夹杂物的结晶行为,在实验室进行了一系列不同MgO含量合成夹杂物的等温结晶试验,利用X射线衍射仪与场发射扫描电子显微镜对热处理后夹杂物的晶相组成以及微观形貌进行分析。结果表明,热处理温度为900 ℃时,w（MgO）=0、 w（MgO）=10%合成夹杂物仍为玻璃态,w（MgO）=20%合成夹杂物在其表面形成MgSiO₃和MgMnSi₂O₆晶相;热处理温度为1 000 ℃时,除w（MgO）=0外合成夹杂物均形成晶相,w（MgO）=10%合成夹杂物中形成了MgSiO₃和MgMnSi₂O₆晶相, w（MgO）=20%合成夹杂物中晶相以MgSiO₃和MgMnSi₂O₆为主,此外还存在少量Mg₂SiO₄晶相;热处理温度为1 100 ℃时,SiO₂、Mn₃Al₂Si₃O₁₂晶相在w（MgO）=0合成夹杂物中析出,w（MgO）=10%、w（MgO）=20%合成夹杂物中主晶相仍为MgSiO₃和MgMnSi₂O₆。热处理过程玻璃态夹杂物中元素扩散富集,最先在夹杂物表面形成晶相,然后向内部生长并伴随着内部晶相的形成与长大聚集,最终向完全结晶态夹杂物转变。随着热处理温度的升高,固态夹杂物中元素的扩散能力增强,晶相形成速度加快,夹杂物的结晶比例上升;随着MgO含量的增加,MnO-SiO₂-Al₂O₃基夹杂物结晶能力增强,玻璃态夹杂物可以在较低的温度发生结晶转变,而且在更高的温度下更容易达到完全结晶;而热处理时间的增加则会使得晶相进一步生长聚集。因此,热处理温度的升高、热处理时间的增加以及夹杂物MgO含量的增加都会促进玻璃态夹杂物向结晶态夹杂物的转变。
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  基于CNN-LSSVM的转炉炉后动态合金加入量预测模型

  董晓雪, 韩啸, 杨鑫, 何志军, 乔西亚, 朱海琳

  钢铁. 2025, 60(1): 75-83.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20240377

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  转炉炉后脱氧合金化是转炉炼钢过程中非常重要的环节,获取精确的转炉炉后合金收得率及合金加入量,可降低生产成本、提高产品质量。以某钢厂120 t转炉冶炼HRB400E钢种的炉后操作为研究对象,通过RF（random forests,随机森林）结合递归特征消除法对影响硅锰合金收得率的因素进行回归分析,确定了9个转炉冶炼工艺参数作为后续模型的输入项。综合分析了BP、CNN、LSSVM算法的优缺点,分别建立了基于BP、CNN、CNN-LSSVM的转炉炉后合金动态收得率预测模型,获取并保存三者预测精度最高的网络结构参数,对比发现CNN-LSSVM模型的预测效果更为精确且贴合现场工艺特点,其决定系数为0.952,均方根误差为0.006 8,平均绝对误差为0.004 5。基于动态合金收得率模型,建立了转炉炉后操作合金加料预测模型,从成本最低角度确定转炉炉后合金配加方式,采用转炉炉后脱氧合金化和物料平衡原理,结合线性回归方法对原有合金加料方案进行优化。结果显示,优化后的预测合金加料成本均低于实际加料成本,并且成品钢中碳元素质量分数从原来的0.220%~0.255%收窄到0.230%~0.248%、硅元素质量分数从原来的0.38%~0.65%收窄到0.40%~0.54%、锰元素质量分数从原来的1.31%~1.64%收窄到1.35%~1.60%,符合钢种内控标准且实现了成分收窄的效果。该模型能够指导实际生产操作,提高企业的经济效益。
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  多反应区动力学结合烟气分析的钢液质量控制

  崔博轩, 李晶, 宋沈杨, 王长城

  钢铁. 2025, 60(1): 84-91.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20240346

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  为了准确地预测转炉过程成分变化及其终点成分,结合质量平衡与热平衡原理建立了转炉多反应区动力学机理模型并利用大量生产数据进行修正,实现了转炉生产过程熔池成分、熔池温度以及渣成分的离线预测。在此基础上,将模型部署于某钢厂150 t转炉在线运行,模型在运行过程中可根据烟气分析结果对碳含量和脱碳速率的预测值进行修正。模型通过综合考虑吹氧量、冶炼枪位和加料量等关键冶炼信息,实现了对冶炼过程渣成分的实时预测,并对过程的枪位和辅料加入量提供了科学指导。应用结果表明,转炉冶炼300 s前脱碳速率相对较低,平均脱碳速率为7 kg/s,随着冶炼进行,在300~600 s内脱碳速率趋于稳定,维持在10.0~11.6 kg/s;在600 s后,脱碳速率呈现逐渐下降的趋势。基于模型预测结果,由于脱碳速率在7 min时升高至19 kg/s,渣中FeO质量分数被消耗至10%以下,1 min后会产生返干风险,此时应采用提高枪位的方式减少（FeO）的消耗,提高渣中（FeO）含量至合适范围。模型终点碳质量分数预测结果平均偏差在±0.005%以内,终点磷质量分数预测结果平均偏差在±0.005%以内,温度平均偏差在±10 ℃以内。提高了冶炼过程稳定性与可控性,有效避免了返干、喷溅等情况的发生,确保了冶炼过程的安全与高效,为钢铁企业实现绿色、智能生产提供了有力支撑。
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  优特钢小方坯高拉速压下工艺的研究与应用

  王郢, 赵新宇, 王向红, 桂仲林

  钢铁. 2025, 60(1): 92-99.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20240454

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  高拉速是连铸的研究重点、热点之一。目前小方坯高拉速研究普遍集中在螺纹钢上,国内外优特钢小方坯的拉速均为3.0 m/min（折合160 mm×160 mm断面）以下。首次以帘线钢小方坯3.5 m/min拉速为研究对象,研究高拉速轻压下参数对小方坯帘线钢低倍组织和碳偏析指数的影响。研究发现,帘线钢C82DA拉速从2.0 m/min提高至3.5 m/min,两相区长度从8.0 m增加至14.3 m,在没有轻压下的状态下,中心碳偏析指数平均值从1.18（2.0 m/min）增加到1.29（3.5 m/min）,中心偏析控制难度大幅增加。当拉速提高后,由于铸坯截面的温度变高、温差变大,零塑性温度带（ZDT）离铸坯表面更近,更容易因压下应力产生压下裂纹,因此,高拉速压下裂纹的敏感性远高于低拉速情况。拉速为3.5 m/min时,首辊压下心部的固相率越低,铸坯心部的碳偏析指数越低,但当首辊压下位置固相率低于0.3时,易形成严重的压下裂纹,并且在裂纹内会出现碳的正偏析,同时在铸坯心部会出现碳的负偏析;而首辊压下位置固相率高于0.45时,铸坯中心碳偏析指数平均值会达到1.13左右,偏析值偏高。因此,高拉速下,合理的压下范围应该在固相率f_s为0.3~0.8内,其中心碳偏析指数平均值可以控制在1.06以内。
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  含Ti铁素体不锈钢连铸坯表层TiN夹杂物的分布

  李实, 段豪剑, 张立峰

  钢铁. 2025, 60(1): 100-108.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20240456

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  连铸坯表层的TiN夹杂物是导致含Ti铁素体不锈钢冷轧板表面条纹缺陷产生的主要原因。通过自动扫描电镜分析了TiN夹杂物在含Ti铁素体不锈钢连铸坯表层的分布情况。结果表明,在连铸坯表层,TiN夹杂物的数密度由连铸坯表面向内呈减小的趋势,而TiN夹杂物的平均尺寸由外向内呈增大的趋势。在连铸坯宽度方向1/2处距离连铸坯表面5 mm以内和连铸坯宽度方向1/4处距离连铸坯表面6 mm以内,TiN夹杂物的数密度大于650 个/mm²而平均尺寸小于1.1 μm。通过综合考虑热力学平衡和微观偏析,分析了含Ti铁素体不锈钢凝固过程中TiN夹杂物形核的过饱和度,并基于经典形核理论估算了TiN夹杂物的临界形核半径。随着凝固的进行,TiN夹杂物形核的过饱和度增大而临界形核半径减小;此外,随着冷却速率的增加,TiN夹杂物的临界形核半径减小,表明TiN夹杂物更容易在连铸坯表面形核生成。最后,采用扩散控速模型分析了TiN夹杂物在钢液凝固过程中的尺寸演变行为。结果表明,TiN夹杂物的尺寸随着冷却速率的降低而增大,从而阐明了TiN夹杂物尺寸在连铸坯表层由外向内增加的原因。
压力加工
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  森吉米尔20辊轧机板形快速预报模型

  王东城, 任寅杰, 吕猷闯, 杜京博, 刘宏民

  钢铁. 2025, 60(1): 109-122.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20240328

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  森吉米尔20辊轧机生产时经常会遇到各种板形问题,需要通过板形预报模型进行机理分析、设备和工艺参数优化。目前,普遍采用带材塑性变形模型与辊系弹性变形模型相互迭代的方法进行板形预报,而轧制压力分布对出口厚度分布微小的变化十分敏感,必须采用松弛因子法缓慢更新出口厚度分布才能保证收敛性。与普通4辊、6辊轧机相比,进行20辊轧机板形预报时,未知量成倍增加,计算时间更长,也更容易出现计算不收敛的现象。为此,将模型耦合法拓展应用于森吉米尔20辊轧机。首先,对20辊轧机的辊系和带材进行单元划分;在此基础上,分别列出带材出口横向位移线性方程组、轧辊之间变形协调方程组、力和力矩平衡方程组及空载辊缝方程。通过出口厚度分布方程实现2个模型之间的耦合,最终可将全部方程集成为1套统一的线性方程组。求解过程不再需要进行2个模型之间的相互迭代,可显著提高计算速度和稳定性。以某厂ZR22B-52森吉米尔20辊轧机为例,计算了2种规格不锈钢带材的板形,与现场实测板形进行比较,两者吻合良好。此外,模型耦合法的计算结果与传统方法吻合良好,而计算时间缩短为传统方法的0.16%~0.90%,为20辊轧机基于模型的板形控制奠定了基础。
钢铁材料
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  中温变形对2.25Cr-1Mo-0.25V钢蠕变行为及组织演化的影响

  李尤, 黄淞, 陈志平

  钢铁. 2025, 60(1): 123-136.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20240324

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  2.25Cr-1Mo-0.25V钢制厚壁结构广泛应用于石油化工、能源电力等领域,如加氢反应器主体、核反应堆管道等。由于长期服役于高温高压环境,蠕变破坏是2.25Cr-1Mo-0.25V钢制厚壁结构最主要的失效模式之一,而中温变形作为其关键制造技术对2.25Cr-1Mo-0.25V钢的蠕变性能具有重要影响。为探明中温变形对2.25Cr-1Mo-0.25V钢蠕变性能与组织演化的作用规律,通过650 ℃拉伸预变形,482 ℃/350 MPa蠕变试验,OM、SEM、TEM、EDS、EBSD、3D μ-XCT等测试手段,研究了0~10%内不同应变量的中温变形对2.25Cr-1Mo-0.25V钢蠕变断裂寿命、微观组织结构及蠕变期间碳化物、晶粒形貌、Schmid因子、孔洞损伤等组织演化的影响规律。蠕变试验结果表明,中温变形会明显削弱2.25Cr-1Mo-0.25V钢的蠕变性能,且随应变量从0增加到10%,2.25Cr-1Mo-0.25V钢的蠕变断裂寿命从989 h单调下降至57 h,降幅达95%。组织表征结果表明,中温变形会促使2.25Cr-1Mo-0.25V钢内碳化物发生粗化,且其粗化程度随应变量增加而增大。此外,中温变形也加剧2.25Cr-1Mo-0.25V钢蠕变期间的组织退化,主要表现为482 ℃、350 MPa条件下碳化物更易长大、粗化和偏聚,晶粒硬度下降且更早出现塑性变形,孔洞损伤发展更快。分析认为,中温变形加速2.25Cr-1Mo-0.25V钢蠕变失效的主要原因是其碳化物热稳定性降低,削弱了固溶强化和沉淀强化效果,同时更多软取向晶粒形成,加剧了碳化物与周围基体的塑性响应不匹配,为位错运动与蠕变孔洞萌生提供了有利条件。该研究可为2.25Cr-1Mo-0.25V钢制厚壁结构长期服役完整性评价提供一定的理论指导。
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  液氢储罐用TAS31608-LH奥氏体不锈钢的热变形行为

  陈浩东, 肖桂枝, 惠朋博, 张郑, 邹德宁

  钢铁. 2025, 60(1): 137-146.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20240360

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  氢能是21世纪最具潜力的清洁能源之一,低温液态储氢作为一种高效储氢方式已被业内采用,TAS31608-LH是太钢不锈钢股份有限公司专门研发生产的液氢储罐用材。该材料在超低温（-253 ℃）工况使用,对其组织及综合性能要求极高,因此对直接影响材料微观组织的热变形行为开展研究非常有必要。研究试料取自工业化生产的连铸坯,进行了变形温度为950~1 200 ℃、应变速率为0.01~10 s^-1的热压缩试验;依据真应力-应变曲线研究了材料的热变形行为,并建立了变形参数与流变应力关系的Arrihenius及BP神经网络本构模型;基于动态材料模型构建了热加工图,并结合微观组织分析确定材料的最佳热加工区间。研究表明,TAS31608-LH的流变应力随温度升高及应变速率降低而减小,变形温度对材料软化机制影响较大,低于1 050 ℃时真应力-应变曲线主要为动态回复型,而当温度高于1 050 ℃时,曲线逐渐转化为动态再结晶型。构建的BP神经网络本构模型训练样本更多,预测范围更广,比经应变补偿的Arrihenius模型的预测精度更高。依据构建的热加工图,分析研究了不同变形条件下的微观组织,验证了热加工图的可靠性,并确定TAS31608-LH的最佳变形条件为热加工区间1 150~1 200 ℃、应变速率10 s^-1。另外,研究发现连铸坯凝固残留的δ-铁素体对热变形过程奥氏体的动态再结晶具有激发作用,会导致整体微观组织尺寸及分布出现不均匀现象。
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  HB500低合金高强耐磨钢组织和性能

  吴俊辉, 官计生, 刘曼, 孙林宇, 李彦龙, 徐光

  钢铁. 2025, 60(1): 147-158.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20240256

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  目前,中国高附加值的高级别耐磨钢仍依赖进口以弥补市场需求,从而导致维修和替换的维护成本和时间成本提高以及存在技术支持限制等问题。因此,从节省能源、提高经济效益的角度出发,亟需开发低成本高耐磨新型耐磨钢。通过光学显微镜、扫描电镜、透射电镜、X射线衍射分析、拉伸试验、冲击试验和滑动磨损等试验研究了新开发的HB500低合金高强耐磨钢的组织和性能,并与商用Hardox450钢进行对比分析,从成分和性能上评估HB500钢替代Hardox450钢在滑动磨损工况下应用的可能性。结果表明,从化学成分来看,HB500钢合金含量较低;从力学性能指标来看,HB500钢的抗拉强度为Hardox450钢的1.25倍,低温冲击吸收功为Hardox450钢的66%;从磨损性能来看,对比Hardox450钢,HB500钢在10、50、90 N下的相对磨损程度分别为89.7%、90.8%和99.0%,这表明HB500钢在较低载荷下更耐磨,而在高载荷下的磨损程度与Hardox450钢相当。因此,从成分和性能2方面考虑,HB500钢能够替代商用Hardox450钢。此外,不同于已报道的研究结果,本研究中当载荷从10 N增加至50 N时,质量损失随之显著增加,而随着载荷进一步增加至90 N时,磨损失重却少于50 N载荷下的失重。另外,摩擦因数随着载荷的增加和材料硬度的增加均呈下降趋势,但相较于硬度,摩擦因数对载荷的敏感性更高。研究结果为开发低成本、高耐磨的可替代商用Hardox450钢的新型耐磨钢提供了参考。
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  复合表面强化对疲劳性能及缺口敏感性的影响

  王刚, 侯小凡, 王轶鹏, 张悦, 彭振龙, 牛鹏辉

  钢铁. 2025, 60(1): 159-168.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20240202

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  工程应用中,传动零部件不可避免地出现不同种类的缺口。在循环加载过程中,缺口处产生应力集中现象而成为工件的危险部位,会降低工件的整体寿命。因此讨论了渗碳+喷丸复合表面强化工艺对疲劳性能和疲劳缺口敏感性的影响。分别设计了渗碳和渗碳+喷丸复合表面强化的光滑和缺口（应力集中系数Kt=2）18CrNiMo7-6合金钢试样。对渗碳和渗碳+喷丸复合表面强化处理的光滑和缺口试样进行了旋转弯曲疲劳试验,观察了断口形貌并对疲劳缺口敏感系数q和给定疲劳破坏循环数Nf之间的关系进行了分析。结果表明,相比于仅渗碳表面强化试样,渗碳+喷丸复合强化后的光滑和缺口试样的疲劳性能均有所提升,但是对光滑试样的疲劳极限提升幅度较小。渗碳和渗碳+喷丸复合表面强化缺口试样的裂纹源均在亚表面萌生,随疲劳寿命增加裂纹源数量逐渐减少,且渗碳+喷丸复合表面强化缺口试样的裂纹源数量更少。渗碳表面强化缺口试样的应力集中敏感性呈“阶段性特征”,在10⁵~10⁶循环周次逐渐变大,在10⁶~10⁷循环周次逐渐变小;渗碳+喷丸复合表面强化缺口试样的疲劳缺口敏感性随着Nf的增大逐渐减小。渗碳+喷丸复合表面强化在试样表层的压缩残余应力更大、压缩残余应力层更深,有效地抑制了疲劳裂纹的萌生和扩展,从而提高了试样的疲劳寿命,降低了疲劳缺口敏感性。复合表面强化通过引入压缩残余应力提高试样的疲劳性能、降低材料的缺口敏感性,但是试样在循环加载过程中残余应力会发生释放进而影响其疲劳性能。因此,残余应力在循环加载中的演化情况也值得探究。
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  高压淬火35钢的马氏体组织及其力学性能

  张旭曌, 江硕, 房大然, 林小娉, 徐玉君, 郭耀威, 高秋志

  钢铁. 2025, 60(1): 169-180.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20240368

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  Fe-C合金淬火后的力学性能与淬火马氏体的组织形态及内部精细结构密切相关。压力作为与温度、化学成分同等重要的热力学参量,可在不改变合金成分的基础上改变Fe-C合金的温度,进而影响马氏体的组织形态特征。目前,国内外对钢铁材料高压淬火的研究还不深入,对淬火压力与马氏体晶体结构及组织形态相关性的认识也较浅。因此,以退火态35钢作为试验材料,研究淬火压力对35钢马氏体结构及其力学性能的影响,揭示高压淬火马氏体力学性能提升机制。在2~4 GPa压力下对35钢进行淬火后,采用电子背散射衍射（EBSD）、透射电子显微镜（TEM）及穆斯堡尔谱等分析手段研究了高压淬火马氏体特征（形态、晶格常数、类型等）,并进行了硬度和压缩性能测试。与常规淬火35钢的马氏体相比,2~4 GPa淬火35钢中马氏体板条尺寸显著细化,淬火组织中缺陷密度大幅提升,尤其是60°[111]孪晶界所占比例由常规淬火的6%提高到4 GPa淬火的26%,显示马氏体相变机制发生改变。此外,高压淬火提高了马氏体中碳原子分布有序度,并降低了第3类亚点阵所占比例。2、3、4 GPa压力下淬火35钢的硬度较常规淬火分别提高45%、58%和63%。2 GPa和3 GPa压力下淬火的35钢压缩屈服强度分别为2.63、2.97 GPa;而4 GPa淬火的35钢,其压缩屈服强度达到3.35 GPa,为常规淬火的3倍以上。高压淬火35钢的强化与马氏体板条细化（14 nm）、位错密度升高（1.07×10¹⁶ m^-2）、60°[111]孪晶界所占比例增多以及马氏体间隙半径缩小（短轴0.017 nm）、碳原子分布有序度提升有关。
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  淬火结束温度对TRIP钢组织及力学性能的影响

  张定坤, 许德明, 杨庚蔚, 王强, 常庆明, 赵刚

  钢铁. 2025, 60(1): 181-190.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20240165

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  相较于传统冷轧TRIP钢生产方式,采用热轧板结合动态配分方式更加符合TRIP钢工业生产需求。采用C-Si-Mn钢热轧板结合炉冷方式制备高强高塑的相变诱导塑性（TRIP）钢,并利用SEM、EBSD、TEM、热模拟试验机、拉伸试验机等设备系统研究淬火结束温度对炉冷TRIP钢贝氏体相变、残余奥氏体稳定性及力学性能的影响规律。结果表明,当淬火结束温度低于或接近M_s（马氏体转变开始温度,200 ℃和250 ℃）,淬火和炉冷阶段主要发生马氏体相变,贝氏体相变很难发生。当淬火结束温度达到300 ℃时,开始形成板条状贝氏体,随着淬火结束温度升高,贝氏体含量增加,且贝氏体形态由板条状向粒状转变。残余奥氏体体积分数及尺寸随淬火结束温度升高而增加,残余奥氏体碳含量开始基本保持不变,但当淬火结束温度超过400 ℃时出现明显下降。TRIP钢的抗拉强度随淬火结束温度呈先降低后升高的趋势,而伸长率和强塑积则先升高后降低。当淬火结束温度为350 ℃时,TRIP钢获得最佳塑性（伸长率）和强塑积,分别为32.73%和33.06 GPa·%,其获得最佳塑性主要归因于较高含量的残余奥氏体以及残余奥氏体合适的机械稳定性,这能显著扩展TRIP效应区间。以上结果说明,采用炉冷过程的动态配分方式能实现贝氏体相变和碳配分,通过控制炉冷前的淬火结束温度能获得不同体积分数及稳定性的残余奥氏体,从而提高TRIP钢的强塑性。残余奥氏体体积分数并不是影响TRIP效应及TRIP钢塑性的决定性因素,奥氏体机械稳定性对塑性同样有重要影响。
环保与能源
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  中国钢铁出口受碳边境调节机制影响与对策

  赵禹程, 徐潜, 周为, 郦秀萍, 李昊霖

  钢铁. 2025, 60(1): 191-203.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20240433

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  欧盟碳边境调节机制（Carbon Border Adjustment Mechanism,CBAM）正式发布,引起了社会各界广泛而持续的关注。在其覆盖的6大类产品中,钢铁产品因碳排放量高、出口量大,受影响最大,因此,定量分析CBAM可能对中国钢材出口的影响并探讨应对策略极为迫切。2020—2023年,中国钢铁产品出口全球呈现量增价减的趋势,出口目的地主要分布在东盟、南美与欧盟。2023年中国直接出口欧盟的钢铁产品总量同比增长不如预期,表明CBAM或已对中国钢铁出口欧盟产生负面影响。中国钢铁制品有经东南亚间接出口至欧盟的情况,因此,CBAM对中国钢铁出口的综合性影响需同步考虑间接出口。中国钢材出口欧盟的主要目地国为意大利、比利时和德国,2023年,中国对3国出口总量和总额均同比大幅下跌,下降程度远超过钢材出口欧盟整体情况,表明欧盟从中国采购钢铁产品的主要进口国在逐步发生变化。此外,因中国出口德国与法国的钢铁产品单价高,整体出口额稳定,表明高附加值钢铁产品在欧盟具有很强的竞争力。最后,分析了CBAM实施对中国钢铁出口的影响,提出从积极适应碳市场、紧跟国际涉碳政策、持续工艺优化减碳、构建全流程绿色供应链这4个方向开展应对工作,旨在助力中国钢铁行业全面应对国际涉碳贸易壁垒,为行业高质量和可持续发展提供参考和支撑。