2025年, 第60卷, 第10期　刊出日期：2025-10-15

  

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综合论述
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  海洋工程用钢中夹杂物特性调控的研究进展

  刘成松, 李富康, 王勇, 张华, 倪红卫

  钢铁. 2025, 60(10): 1-16.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20250212

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  随着海洋资源开发逐渐向深海及极寒区域延伸,海洋工程用钢需在极端环境中兼具高强度、高韧性和优异耐腐蚀性能。非金属夹杂物作为钢中固有缺陷,其成分、尺寸、形态及分布等特性对海洋工程用钢的抗氢致开裂性能、抗点蚀性能及力学性能具有决定性影响。通过钙处理、镁处理、稀土改性及氧化物冶金等技术,可优化夹杂物形态、尺寸及分布,平衡其“缺陷”与“功能”。为此,系统综述了夹杂物特性对海洋工程用钢不同性能的影响规律和机制,并分别对改善抗氢致开裂性能、抗点蚀性能以及力学性能的夹杂物调控关键策略进行了全面总结和归纳,进而提出了海洋工程用钢中夹杂物调控技术的未来发展趋势。旨在为开发兼具“高强、高韧、耐蚀”特性的新一代海洋工程用钢提供理论依据与技术路径。
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  电化学还原法制备金属铁研究进展

  李毅仁, 李鹏阳, 魏光升, 田京雷

  钢铁. 2025, 60(10): 17-30.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20250222

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  CO₂排放量的急剧增长导致全球环境恶化。钢铁行业作为CO₂排放大户,CO₂排放量占全球总排放量的7%,其中70%来自炼铁过程。目前,作为备受关注和开发的技术,电化学还原具备反应过程易控制、能量效率高等优势,为钢铁行业提供了一种潜在的低碳生产路径。综述了电化学还原法制备金属铁的研究进展,并对影响电化学还原反应的参数进行了讨论。依据电解质性质的不同,铁化合物的电化学还原可分为熔盐体系、酸碱溶液体系及离子液体体系,每种体系各有优缺点。熔盐体系因电解质相容性特性强,可直接以铁矿石为原料,这有利于降低成本,但反应温度较高且电解质易腐蚀设备;碱性溶液体系具有电解条件温和、析氢副反应小等优点,但目前仍处于实验室开发阶段;酸性溶液体系中电解制铁已被商业化应用,相较其他体系下的电解技术更具发展前景,但目前存在的主要问题是高浓度氢离子引发的竞争性析氢副反应会导致电流效率下降;离子液体体系具有离子电导率高、热稳定性好等优点,且含铁化合物组成的电解质可以克服水溶液体系的局限性,但高成本的离子液体限制了其规模化应用前景。最后,针对目前存在的问题以及未来的技术发展方向进行了总结与展望。
原料与炼铁
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  MgO-B₂O₃协同优化对镁质球团冶金性能的影响

  杨双平, 刘安琪, 王苗, 董洁, 刘起航, 何少红

  钢铁. 2025, 60(10): 31-41.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20250193

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  在“双碳”战略背景下,提升高炉球团矿比例已经成为钢铁工业低碳转型的重要路径。针对镁质球团矿中w（MgO）阈值与抗压强度呈负相关的难题,采用硼铁矿代替传统镁源,系统探究MgO-B₂O₃对球团矿冶金性能协同优化作用。通过建立氧化焙烧相平衡和液相量模型,结合球团矿抗压强度与还原性能,揭示B₂O₃对抑制MgO负面影响的作用机理,得到适合的w（MgO）和w（B₂O₃）。在氧分压为21278.25 Pa、焙烧温度为1250℃、焙烧时间为10min、碱度为1.0的模拟条件下,随着w（MgO）从1.5%增加至2.7%,液相量（质量分数）由8.07%升高至18.31%,铁酸镁等高熔点固熔体区域增大,赤铁矿区域减小;当w（MgO）进一步增加到3.1%时,球团赤铁矿的再结晶过程受到影响,导致球团冶金性能减弱;MgO-B₂O₃（硼铁矿）体系与单一MgO体系相比,赤铁矿区域显著增大,高熔点固溶物减少,液相量相应增多,表明B₂O₃能够削弱MgO对Fe₃O₄氧化的不利影响,提高球团矿抗压强度。当w（MgO）增加至2.7%时,实际球团矿的抗压强度由2641N/个提高至3056N/个,还原膨胀率（reduction expansion rate,I_RS）由18.0%降低到11.4%,还原度（reduction degree,I_R）由58.8%增大至71.0%,软化区间由76℃上升至83℃,液相将各物相紧紧连接在一起。研究结果表明,当焙烧温度为1250℃、焙烧时间为10 min、w（MgO）为2.7%、w（B₂O₃）为0.60%、碱度为1.0时,球团矿的液相量（质量分数）为18.31%,抗压强度为3056 N/个,软化区间为83℃,I_RS 为11.4%,I_R 为71.0%,镁质球团的冶金性能得到显著改善。结果为硼铁矿作为镁质添加剂提高镁质球团矿的性能和开发利用提供了理论支持。
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  铬铁矿球团在CH₄-H₂体系中的预还原行为

  马立群, 张延玲, 武绍文, 李越

  钢铁. 2025, 60(10): 42-52.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20250215

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  矿热炉生产铬铁合金需要极高的反应温度,消耗大量固体碳,这使矿热炉工艺成为当前钢铁工业中能耗及碳排放较高的单元工序之一。铬铁矿预还原技术是降低铬铁合金生产综合能耗和碳排放的关键途径。基于此,采用CH₄-H₂气氛对铬铁矿球团进行预还原,旨在揭示CH₄-H₂预还原铬铁矿球团的还原行为和固结机理,以期实现金属化率和球团强度的同步提升。研究结果表明,球团的金属化率随着温度的升高呈现出先增加后降低的趋势;气氛中CH₄体积分数增加时,球团的金属化率也随之提升。球团强度随着温度的升高而显著增大。反应温度为1100℃时,球团强度随着铁金属化率的增加呈现先增大后减小的趋势。研究确定的最佳还原条件为还原温度1100℃,φ（CH₄）∶φ（H₂）=10%∶90%,还原时间为180min,在该条件下,还原球团的铁金属化率、铬金属化率和强度分别达到69.34%、10.32%和1051N,满足矿热炉的入炉要求。分析还原进程可知,CH₄裂解析出的高活度碳促进尖晶石分解为FeO、Cr₂O₃、Fe₂O₃和MgAl₂O₄。随后H₂直接将FeO和Fe₂O₃还原为金属铁,高活度碳将Cr₂O₃还原为金属铬。在铁元素接近完全还原时,球团内发生大量碳沉积,使球团的脆性增加甚至发生分离。该研究既实现了铁和铬的深度预还原,又降低了传统碳热还原的能耗和碳排放,为铬铁矿低碳预还原工艺技术的开发提供了基础理论支撑。
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  湘钢2号高炉安全性评估及护炉实践

  黄政华, 袁骧, 程勇, 张建良, 冯光祥, 王经鑫

  钢铁. 2025, 60(10): 53-62.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20250297

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  炉缸侧壁温度升高严重威胁高炉安全,制约高炉一代炉役寿命。全面评估了湘钢2号高炉炉缸安全状况,明确了全炉缸炭砖的安全系数与气隙情况。结果表明,铁口中心线以下1.3~2.6m区域炭砖侵蚀严重,其中铁口中心线以下2.601m,23.5号风口处侵蚀最为严重,炭砖残余厚度为418mm;周向上14号和15号风口、18.5号风口和22.5号到26号风口附近区域炭砖残余厚度较低,以22.5号到26号风口附近最为严重;炉缸侧壁气隙较为发达,降低了炉缸的传热效率,使得侧壁温度升高。为保障炉缸安全生产,针对侧壁温度升高问题,采取了以“石墨碳析出控制”为核心的护炉措施,通过提高焦炭质量、控制有害元素、提高风速并增大鼓风动能、适当配加钛矿以及加强铁口维护等措施,促进铁水渗碳以提高铁水碳饱和度,以及降低侧壁热面温度促进铁水析碳,在炭砖热面形成石墨碳保护层,隔离炭砖与高温铁水的接触,保障高炉安全冶炼。护炉效果明显,铁口下1.3~2.6m区域侧壁温度降低趋势明显,大部分热电偶温度均降低至400℃以下;高炉技术经济指标得到明显改善,技术应用使高炉平均燃料比降低至512kg/t,煤气利用率达到48.3%,高炉日产量为7600t以上,高炉平均利用系数达到2.94t/（m³·d）。
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  B₂O₃质量分数和w（B₂O₃）/w（SiO₂）对高炉渣流动性和结构的影响

  苏丽佳, 黄青云, 周航航, 郭嘉, 张硕, 李玉翠, 吕学伟

  钢铁. 2025, 60(10): 63-71.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20250245

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  B₂O₃作为低熔点共熔剂,能够显著降低高炉渣系黏度,提升其流动性,优化渣铁分离效率与炉况稳定性,在“双碳”背景下,研究含B₂O₃的低熔点渣系有助于降碳目标的达成。在固定二元碱度为1.25和四元碱度为1.11的条件下,分别研究了B₂O₃质量分数和w（B₂O₃）/w（SiO₂）对CaO-SiO₂-MgO-Al₂O₃-B₂O₃渣系冶金性能和炉渣微观结构的影响。使用旋转柱体法测量了炉渣高温流动性,并通过拉曼光谱等方法对炉渣的高温物相结构进行了表征。水淬渣的XRD（X-ray diffraction）结果表明,水淬过程没有晶体析出,成功保留了炉渣高温时的结构信息。炉渣的高温流动性测试结果表明,随着B₂O₃质量分数的增加,炉渣的黏度及熔化性温度逐渐减小,且水淬炉渣的拉曼光谱分析结果表明,B₂O₃会增加熔渣的聚合度,但B₂O₃在融入炉渣网络结构的过程中会破坏渣中更稳定的SiO₄-O-AlO₄、SiO₄-O-SiO₄、AlO₄-O-AlO₄四面体结构的连接形式,形成BO₃-O-SiO₄、BO₃-O-AlO₄形式的连接结构,而BO₃的稳定性远不如四面体结构,所以导致熔渣整体结构的稳定性减弱,因此,宏观上表现为炉渣的黏度随着B₂O₃质量分数增加而逐渐降低。研究结果表明,当B₂O₃质量分数为6%时,炉渣黏度与熔化性温度均降低至低值区间,此时该渣系具备优良的冶金性能。
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  高炉焦炭的非均匀劣化模型构建及应用分析

  刘起航, 宋鹏, 杨双平, 翁石林, 张文达, 王苗

  钢铁. 2025, 60(10): 72-81.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20250268

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  焦炭作为高炉内唯一的骨架支柱,其劣化行为对高炉的透气透液性及冶炼能耗都有着十分重要的影响。基于焦炭的非均匀劣化特征及其与高炉透气性的关系,采用多孔传质反应理论方程与耦合叠加方法构建了以焦炭体积表观速率常数kV与孔扩散系数Deff为核心的焦炭非均匀劣化行为评价模型,以准确评价高炉内焦炭的劣化行为,为完善现有的焦炭质量评价体系提供帮助。根据焦炭气孔分布及其劣化演变特征,采用SEM（scanning electron microscope）、压汞法和X衍射分析等方法准确测定并推算了不同条件下焦炭孔扩散系数的大小及变化,得出了焦炭内部劣化反应梯度的变化规律,并由此计算和分析了焦炭的高温劣化行为及其粒度分布特征,提出了以粒度分布集中度作为评价焦炭劣化行为的重要指标。最后通过对模型结构与模型参数的调整与修正,对实际焦炭试验数据与模型预测结果进行了对比验证,计算结果表明,模型预测结果与试验结果具有较高的吻合度,且模型实现了对不同初始粒径的焦炭在不同劣化时间内粒度分布集中度的合理预测,通过该模型能更准确地评判焦炭质量对高炉透气性的影响,从而为优化焦炭质量评价体系提供帮助。
炼钢
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  VD软吹对高级别管线钢X80大型夹杂物的影响及控制

  赵帅, 赵定国, 李继新, 钱云强, 王书桓

  钢铁. 2025, 60(10): 82-91.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20250227

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  在高级别管线钢X80冶炼过程中,大型夹杂物的控制是确保其性能稳定与工程适用性的关键因素之一。通过在LF（ladle furnace）-VD（vacuum degasser）（钢包炉-真空脱气炉）精炼流程中密集取样和系统分析,发现管线钢X80的大型夹杂物集中出现在VD钙处理后,主要类型为C₁₂A₇（12CaO·7Al₂O₃）和CA₂（CaO·3Al₂O₃）,在软吹阶段未有效去除,大型夹杂物数量反而呈升高趋势,因此判断当前VD软吹工艺控制不合理,导致夹杂物因搅拌动力不足而聚集长大形成大型夹杂物。结合钢包设备参数和工艺控制标准,对管线钢VD软吹阶段进行了三维多物理场数值模拟,从流场分布、夹杂物迁移路径与钢液搅拌强度等方面进行全面分析,指出原软吹工艺在当前冶金反应条件下无法形成有效的夹杂物迁移通道;结合模拟结果,提出了新的VD软吹流量控制方案,软吹流量由50L/min增加至60L/min,在确保钢液温度均匀性的同时,显著增强了钢液内部对流强度和夹杂物上浮效率。经工业试验验证,实施优化后的软吹工艺后,软吹结束钢液中大型夹杂物数量密度由0.074个/mm²降低至0.020个/mm²,板坯中大型夹杂物数量密度由0.071个/mm²降低至0.040个/mm²,显著提高了板坯的钢液质量和探伤合格率。该研究成果为高级别管线钢X80在LF-VD精炼流程中实现夹杂物精细控制提供了有效技术路径,也为后续其他高端钢种的洁净冶炼工艺优化提供了借鉴。
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  S45C钢中非金属夹杂物特性和演变机理

  陈依盛, 周垚, 唐海燕, 王凯民, 张明军

  钢铁. 2025, 60(10): 92-102.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20250237

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  S45C钢是一种含铝含硫钢,被广泛应用于高负荷机械零件的制造中。国内某钢厂在用电弧炉（electric arc furnace,EAF）-精炼炉（ladle furnace,LF）-真空脱气炉（vacuum degassing,VD）-连铸（continuous casting,CC）工艺生产该钢种过程中经常出现水口结瘤和轧材探伤不合格问题,影响生产顺行和用户评价,前期探明主要与钢中夹杂物有关。为了深入了解S45C钢的夹杂物特性及演变规律,以优化生产工艺,采用全流程系统取样,并结合夹杂物自动分析扫描与热力学计算等手段开展了系列研究。结果表明,LF进站时钢中夹杂物以Al₂O₃为主,LF终点时逐渐演变为CaO-MgO-Al₂O₃;VD破空和吊包时夹杂物主要为CaO-MgO-Al₂O₃-CaS,而在中间包中部分夹杂物演变为CaO-Al₂O₃-CaS。铸坯中夹杂物类型复杂,主要为Al₂O₃-CaS、MgO-Al₂O₃-CaS、CaO-MgO-Al₂O₃-CaS、CaO-Al₂O₃-CaS以及CaS,还有少量的Al₂O₃、MgO·Al₂O₃和TiN,在过程样中检测到的CaO-MgO-Al₂O₃在铸坯样中几乎不存在。统计了铸坯内弧1/4处、1/2处、中心、外弧1/4处的夹杂物数量和尺寸,结果表明,内弧1/4和外弧1/4处的夹杂物数密度分别为12.3个/mm²和12.9个/mm²,尺寸大多为1~2 μm。而内弧1/2和中心处夹杂物数密度分别为15.1个/mm²和14.6个/mm²,尺寸大多为2~5 μm,个别不小于5 μm。利用FactSage 8.3热力学软件计算分析了S45C钢中夹杂物的形成原因,结果表明,随着钢中硫含量增加、氧含量和温度降低,CaS更容易形成,因此铸坯中出现了大量的CaS类夹杂;为抑制MgO·Al₂O₃和CaS夹杂生成可能造成的水口结瘤和DS类夹杂物超标问题,可将钢中总氧质量分数控制为0.001 8%~0.002 6%。此外,计算了钢液冷却过程中夹杂物的相转变和成分变化。
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  钢包底部带坝的底吹气RH新工艺设计与优化

  徐倩倩, 马苏炜, 彭景民, 李强

  钢铁. 2025, 60(10): 103-113.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20250282

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  面向高品质洁净钢生产和企业增效降本的迫切需求,提升RH（Ruhrstahl-Heraeus）工艺的精炼效率已成为关键的挑战。针对传统RH工艺在钢液循环能力和混匀效果方面存在的局限性,提出了匹配底部带坝钢包的新型底吹气RH精炼工艺,并设计了4种不同结构的坝。通过建立可靠的数学模型,系统研究了底吹气真空精炼过程中的气-液两相流动及均混特性,深入分析了坝结构对RH流场的作用机制,最终优选出最佳坝结构设计方案。研究结果表明,与传统RH工艺相比,底部带坝的底吹工艺显著提升了精炼效率,循环流量由17.65kg/s增至29.19kg/s（增幅65.38%）,混匀时间由51s缩短至39s（降幅23.53%）,证实了底部加坝设计的优越性。钢包底部的坝能够有效引导下降流冲击钢包底部产生的干扰流,抑制上升流横向偏移,使干扰流部分沿坝表面爬升汇入上升流,部分经由坝与钢包侧壁间通道流出形成强化钢液流动的流股,从而全面优化流场结构。对比4种不同坝结构,方案4表现出最佳性能,相较于无坝设计,循环流量提升41.29%,混匀时间缩短18.75%,有效吹气所占比例由72.96%增长至94.12%（增长率为29.00%）。该优化方案显著提高了钢液循环能力、精炼效率及气体利用率,为开发高效节能的新型RH精炼技术提供了重要的理论依据和工程应用参考。
压力加工
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  宽幅铸轧辊内嵌分区控流组件结构参数影响规律

  刘旭东, 吴同伟, 解俊, 季策, 刘士彬, 宋建民, 冯占生, 黄华贵

  钢铁. 2025, 60(10): 114-123.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20250263

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  为应对“双碳”背景下钢铁工业绿色低碳转型需求,薄带双辊铸轧技术因具有短流程、低能耗等突出优势,成为近终成形工艺研究的重要方向,但是宽幅板带生产过程中存在铸轧辊冷却效率不足、板带组织性能分布不均等关键问题。为此,提出一种基于内嵌控流组件的铸轧辊分区温度场调控技术方案,通过调节控流组件的结构参数,实现辊面不同区域冷却水流速与流量的差异化控制,从而提升冷却能力并改善温度均匀性。建立了特征单元的稳态CFD（computational fluid dynamics）模型,系统分析径向水道入口压力、内径,以及控流组件的内径、高度等关键结构参数对控流组件出口流速、流量以及辊套内壁高压区域面积的影响规律。结果表明,控流组件内径对流量及换热效果影响最为显著,结构参数的变化可有效实现冷却能力分布调控。在此基础上,依据伯努利方程和连续性原理建立控流组件出口流速与流量的工程计算模型,并通过非线性拟合获得控流组件局部阻力系数的表达式。仿真模拟与理论模型对比结果表明预测误差不超过5%,满足工程应用精度要求。进一步提出沿铸轧辊轴向采用内径梯度递增的控流组件布置方式,实现冷却能力的分区调控。研究为宽幅铸轧辊内部冷却结构优化设计提供了理论依据与实践支撑,为提升宽幅双辊薄带铸轧产品组织性能均匀性奠定了理论基础。
钢铁材料
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  残余应力对18CrNiMo7-6合金钢疲劳失效的影响

  王刚, 张岭, 郭绅, 佟阳, 厉灿, 牛鹏辉

  钢铁. 2025, 60(10): 124-134.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20250233

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  在循环加载过程中,表面强化引入的残余压应力会发生一定程度的演化,从而对材料和构件的疲劳性能和疲劳失效产生影响。以渗碳与混合射流相结合的方法对18CrNiMo7-6合金钢进行复合强化,分析了复合强化后各试样的显微硬度、残余应力和微观组织,研究了表面完整性对室温旋转弯曲疲劳性能的影响,根据残余应力评估了复合表面强化试样出现裂纹源的危险区域,总结了循环加载后梯度残余压应力的松弛行为。试验结果表明,与渗碳试样相比,复合强化试样的表层显微硬度、残余压应力和旋转弯曲疲劳寿命显著提升,复合强化试样的中值疲劳寿命为渗碳试样的7.17倍,且寿命分散性显著降低,疲劳性能的改善源于残余压应力与外加载荷的叠加效应。表层残余压应力抵消了外部拉应力,使疲劳裂纹的萌生由表面转向内部,疲劳失效的裂纹源由表面微裂纹转变为内部夹杂物。根据残余应力与考虑表面应力集中的外加载荷的共同作用,给出了各试样的实际载荷状态和疲劳断裂危险区,并与试验所得到的疲劳裂纹源深度进行了对比验证。此外,循环加载后残余应力发生松弛,高喷丸压力试样松弛幅度更低,结合松弛后的残余应力分布,危险区域预测深度与实测裂纹源位置更吻合,这验证了残余应力松弛对裂纹萌生位置的影响。
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  基于低碳设计的EH890船体钢的性能分析

  车马俊, 潘志强, 杜晓洁, 张慧勇, 何宜柱

  钢铁. 2025, 60(10): 135-143.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20250294

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  钢铁行业作为中国国民经济的支柱型产业,正处于向“碳排放双控”转型的关键时期,面临着国际低碳贸易存在壁垒（欧盟碳边界调节机制）、钢铁行业纳入全国碳交易市场及产业链下游客户低碳钢铁产品需求增大的三重挑战。因此,钢铁产品的绿色生态设计需求不断攀升,研发新型低碳高性能的钢铁产品已成为行业未来发展的重要方向。基于组织调控与热处理工艺设计开发的EH890船体结构钢,形成了贝氏体为主、马氏体为辅的双相复合组织,不同于传统高温回火工艺,它在200℃低温回火时通过碳化物弥散析出、位错缠结强化等机制使得EH890钢屈服强度达到943MPa、抗拉强度达到1082MPa,力学性能优异。此外,EH890低温回火试样在-60℃的极端条件下仍可保持较高冲击吸收能量（72J）,显著高于传统高温回火试样,具有良好的低温环境适用性。环境效益分析结果表明,相较于传统淬火-回火热处理调质钢,EH890钢在热处理工序的碳排放降低了50.59%,从产品全生命周期角度而言,其碳足迹较行业产品的平均水平降低约6%,且EH890钢的高强度特性为工程装备的轻量化设计提供了助力,凸显了其在低温高端装备领域低碳化设计的应用潜力。
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  310S钢在氯化物熔盐中的腐蚀行为与防护

  陈维铅, 喇培清, 马超, 万磊

  钢铁. 2025, 60(10): 144-155.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20250229

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  氯化物盐作为光热发电（concentrating solar power,CSP）传储热介质,可以显著提升其发电效率、降低发电成本。然而,氯化物熔盐对结构材料具有强烈的腐蚀性,限制了它的应用,因此开发耐氯化物熔盐腐蚀合金及涂层材料显得尤为重要。通过研究310S钢在高温氯化物熔盐中的腐蚀行为及腐蚀动力学,可以揭示其在氯化熔盐中的失效机制;同时利用包埋渗铝技术在其表面制备Fe-Al涂层,并采用扫描电子显微镜（scanning electron microscope,SEM）、X射线衍射仪（X-ray diffraction,XRD）、能谱仪（energy dispersive spectroscopy,EDS）等表征方法,研究不同腐蚀时间对310S钢微观组织、物相组成的影响,以及Fe-Al涂层在氯化物熔盐中的耐腐蚀性能。结果表明,310S钢在高温氯化物熔盐中,其质量损失和腐蚀速率均随着腐蚀时间的延长而增大,腐蚀300h时腐蚀速率达到最大,约为5852.72 µm/a,此时,2mm厚的钢板被腐蚀穿透。腐蚀400 h,腐蚀速率稍有降低,但基体内部灌入大量熔盐从内部腐蚀,钢基体腐蚀失效。Fe-Al涂层在高温氯化熔盐中腐蚀400h,表面形成厚度约为40µm的氧化层,并呈多层结构,从外到内依次为MgO、Mg（Al, Cr）₂O₄、Al₂O₃,内层的Al₂O₃层连续致密,且与涂层结合牢固,起到主要防护作用;其腐蚀速率约为264µm/a,为未渗铝钢同等条件下腐蚀速率（5 713 µm/a）的1/22,显著提升了310S钢的耐氯化熔盐腐蚀性能。分析表明,310S钢在高温氯化物熔盐中基本没有抵抗腐蚀的能力,但通过包埋渗铝技术在其表面制备Fe-Al防护涂层,可有效提升其耐氯化物熔盐腐蚀性能,使其作为结构材料在下一代CSP储热装置中的应用成为可能。
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  节镍型316L不锈钢板坯铁素体特征及冷却速率的影响

  张政睿, 陈超, 王洋, 周丰, 马辉, 孙鑫, 李亚峰, 牟望重

  钢铁. 2025, 60(10): 156-166.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20250238

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  316L奥氏体不锈钢耐腐蚀性能优秀,但由于镍元素的价格昂贵,为降低冶炼成本,将镍质量分数控制在10.00%~10.30%。这种镍含量处于GB/T 20878—2024标准下限的316L不锈钢被称为节镍型316L不锈钢。研究了节镍型316L奥氏体不锈钢板坯中铁素体形貌和分布特征。通过微观组织表征、元素偏析分析和热力学计算,揭示板坯不同位置铁素体含量及形貌的变化规律,并且通过熔炼试验研究冷却速率对铁素体的影响规律。从节镍型316L板坯沿厚度方向依次取样,结合金相观察、电子背散射衍射（Electron backscatter diffraction,EBSD）和电子探针显微分析（Electron probe micro-analyzer,EPMA）技术,研究了板坯铁素体形貌演变、铁素体含量、冷却速率及元素分布特征;通过重熔试验结合不同冷却条件,分析冷却速率对铁素体含量的影响;结合Thermo-Calc热力学计算解析凝固模式。结果表明,板坯中沿着厚度方向铁素体含量呈现“M”型分布,表面至50mm处铁素体面积分数从7.52%升至11.20%,随后向中心递减至6.98%。随着表面到中心距离增加,铁素体形貌呈现规律性演变,从表面的骨骼状/板条状逐渐变为块状、网状,在中心呈现短棒状;二次枝晶臂间距由表面21.37μm增加至中心63.67μm,对应冷却速率从6.69℃/s降低至0.38℃/s。热力学计算表明,凝固模式为铁素体先凝固的FA（铁素体-奥氏体）模式。元素偏析分析表明,铬、钼在铁素体中富集,镍在奥氏体富集。重熔试验铸锭水冷、炉冷试样的铁素体面积分数为22.40%、2.71%;水冷试样中铁素体呈枝晶状结构,炉冷试样中为短棒状和条状铁素体,此外在炉冷试样中还发现少量Chi相。板坯铁素体“M”型分布是由冷却速率对初始凝固枝晶间距和固态相变的综合作用的结果。
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  EH40钢焊后组织预测模型及焊接工艺参数优化

  教镇渤, 郭菁, 温鹏宇, 徐振, 艾新港, 滕莹雪

  钢铁. 2025, 60(10): 167-178.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20250277

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  针对EH40钢焊接热影响区性能劣化问题,通过有限元模拟与热模拟试验相结合的方法,建立了基于冷却时间（t_8/5）的焊接组织预测模型,揭示了热输入对热影响区组织演变的作用机制。使用COMSOL有限元分析软件构建了温度场-相场耦合模型,采用双椭球热源模型精确表征焊接热源,并引入改进的JMAK方程描述扩散型相变与Koistinen-Marburger方程表征非扩散型相变,实现了焊接热循环至微观组织的定量关联。对不同线能量（34.9~127.6 kJ/cm）下焊接温度场演变与相变动力学行为进行了有限元模拟。有限元模拟结果表明,当t_8/5从15s增大至200s时,热影响区的晶粒尺寸由31.3μm增大至56.2μm,相组成由以贝氏体为主转变为铁素体-珠光体的混合结构。通过热模拟试验验证,有限元模型对晶粒尺寸与相含量的平均预测误差绝对值分别小于8%和6%（t_8/5<100 s时）,而在低冷却速率（t_8/5=200s）下珠光体的预测偏差达17%,这源于热循环曲线线性计算模型的固有局限。基于模型指导,选定热输入为100kJ/cm（t_8/5=100s）进行埋弧焊试验。实际焊接试验表明,热输入为100 kJ/cm时可实现20 mm EH40钢板单道次全熔透焊接。热影响区形成贝氏体-铁素体复相组织（70%贝氏体+30%铁素体,体积分数）,未发生晶粒的异常长大行为。粗晶热影响区位置（熔合线外2mm处）的-40℃冲击功达到146J,满足船规要求。研究结果为船板钢焊接工艺的优化提供了理论支持,并建立了可推广的有限元预测方法。
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  不同洁净度水平渗碳轴承钢的超高周疲劳破坏行为

  邓育纯, 张永健, 罗贝儿, 姚旭珂, 惠卫军, 尹青, 刘谦, 刘烨

  钢铁. 2025, 60(10): 179-191.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20250271

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  轴承钢要求具有超高的洁净度并严格控制夹杂物类型、尺寸和数量等参数,以满足轴承日益提高的超长寿命和可靠性要求。针对2组具有不同洁净度水平的渗碳轴承钢,采用超声波疲劳试验机研究了其真空渗碳处理后的超高周疲劳破坏行为。结果表明,氧含量低的CLB-E钢中的夹杂物尺寸和数量均明显小于氧含量高的CLB-M钢,因此,渗碳处理的CLB-E钢较CLB-M钢具有更为优异的超高周疲劳性能,疲劳强度从CLB-M钢的552 MPa提高到CLB-E钢的577MPa。疲劳断口分析表明,CLB-M钢的所有断裂均由内部氧化物及硫氧化物引起,而CLB-E钢的断裂约53%是由内部氧化物和氮化物引起,其余则是由内部基体缺陷引起的。CLB-E钢中细小的夹杂物尺寸和部分粗大原奥氏体晶粒的存在是其部分疲劳裂纹萌生于内部基体组织的主要原因。超高周疲劳裂纹源缺陷周围独有的粗糙粒状区（granular bright facet,GBF区）尺寸随外加应力幅值的减小而近似线性增加,疲劳寿命与归一化GBF区尺寸（GBF区尺寸与缺陷尺寸的比值）的8次方呈正比。CLB-E钢在GBF区内的疲劳裂纹扩展速率略高于CLB-M钢,且其值均显著低于10^-12m/cycle,CLB-E钢和CLB-M钢的GBF区阀值（ΔK_GBF）_th分别为（3.45±0.15） MPa·m^1/2和（3.41±0.13） MPa·m^1/2,该数值明显低于疲劳裂纹起源于渗碳层内的低碳钢（6~10MPa·m^1/2）。基于疲劳试验得到的疲劳源平均夹杂物尺寸和GBF区尺寸预估的疲劳强度偏差均为10%以内,其中,基于GBF区尺寸预估更具保守性。结果表明,由于渗碳层残余压应力和轴向载荷的影响,所有疲劳断裂均位于渗碳层之外,即渗碳处理没能起到提高疲劳性能的预期目的,2组钢超高周疲劳性能的差异仅主要是由其夹杂物差异引起的。
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  高温氧化质点形成特点及在缺陷判定中应用

  王畅, 于洋, 韩赟, 王林, 刘文鑫, 闫贺

  钢铁. 2025, 60(10): 192-204.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20250299

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  随着汽车轻量化发展对钢材表面质量要求的日益提高,表面缺陷的精准溯源已成为制约高端汽车钢板应用的关键点。研究聚焦冷轧汽车用IF钢（interstitial-free steel,超低碳钢）和DP钢（dual-phase steel,双相钢）2类典型产品,系统探究其在高温氧化过程中裂纹附近氧化质点的形成规律,旨在建立基于氧化质点微观特征的缺陷工序溯源判定方法。 采用线切割预制人工裂纹,电阻炉完成梯度高温氧化试验,扫描电镜和电子探针进行氧化质点形貌、成分观察,并自主开发基于图像识别的定量分析工具,精确统计氧化质点层深度、平均直径及尺寸特征等。研究发现 IF钢因超低溶质含量形成细小弥散的纳米级氧化质点,其氧化质点层深度显著高于合金含量高的DP钢,符合Wagner内氧化理论预测;IF钢氧化质点以Mn/Ti复合氧化物为主,而DP钢则以Mn/Si复合氧化物为主;氧化质点平均直径随着保温时间延长呈现收敛规律,同时在1200℃下氧化质点平均直径收敛时间显著大于1050℃条件下的;基于氧化质点生长与温度/时间的强关联性,建立了缺陷溯源判定规则,即IF钢和DP钢精轧过程无氧化质点;对于粗轧过程产生裂纹附近氧化质点尺寸IF钢小于0.2μm,DP钢小于0.25μm;IF钢连铸遗传裂纹氧化质点尺寸稳定在0.339μm以上,而DP钢达到0.434μm以上。通过在线试验验证,模型预测误差小于5%,这为钢铁企业实现从经验驱动向数据驱动的质量管控转型提供了理论支撑。
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  贝氏体钢轨早期接触疲劳损伤演变规律试验及表征

  高超, 王旭, 郑瑞, 蒋宏利, 岑耀东, 王晓东, 王东梅, 陈林

  钢铁. 2025, 60(10): 205-216.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20250189

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  针对U20Mn贝氏体钢轨在重载铁路工况下早期滚动接触疲劳问题,研究了接触应力与滑差率耦合作用下材料损伤机理及其演变规律,为高周次滚动接触疲劳性能优化提供理论依据。基于滚动接触疲劳试验与弹塑性有限元数值模拟,结合SEM（scanning electron microscope）、XRD（ X-ray diffraction）、TEM（ transmission electron microscope）及残余应力测试,系统研究了贝氏体钢轨在3种典型工况 （接触应力为1000 MPa+滑差率为0.4%、接触应力为1000 MPa+滑差率为1.0%、接触应力为1500 MPa+滑差率为0.4%）下的损伤行为差异。通过量化分析磨损率、疲劳裂纹特征参数及应力分布,揭示了接触力学参数对磨损、白层形成及裂纹扩展路径的影响机制。结果表明,当滑差率由0.4%增加至1.0%时,切向应力增加13.7%至763MPa,界面滑动区所占比例扩大导致黏滑比下降89%；由于表层剪切效应加剧,磨损率提高22.9%至36.57μg/m,裂纹长度增加93%至217μm,而扩展角度减小至6.5°,裂纹更易沿着小角度近水平方向在塑性变形层内横向扩展。当接触应力增加至1 500MPa时,赫兹接触面积增加50%至4.17mm²,垂向应力升高44.7%至1433MPa,塑性变形层增厚22%至238μm,裂纹密度显著增长58%,长度减小30%至78μm,裂纹角度增大16%至12.8°,裂纹倾向于在亚表层纵深扩展。接触应力与滑差率通过不同机制影响贝氏体钢轨滚动接触疲劳损伤演变,高滑差率通过剧烈塑性变形作用,促使贝氏体板条发生纳米晶化并形成高残余应力的白层组织,其脆性特征加剧裂纹扩展；高接触应力则通过加深应力影响区域,促进裂纹萌生,但因抑制白层形成而减缓裂纹扩展。
环保与能源
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  钢渣基醇酸树脂防腐涂料的制备及其涂层性能影响

  杨松霖, 费海林, 刘顺, 于先坤, 武皓天, 万奇林, 张浩, 龙红明

  钢铁. 2025, 60(10): 217-227.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20250209

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  为改善醇酸树脂涂料适用期短、干燥速度缓慢和涂层的柔韧性差等现状,利用立磨研磨钢渣制备细度为0.023mm（600目）、0.018mm（800目）、0.013mm（1000目）的钢渣微粉（简称GZ600、GZ800、GZ1000）,并研究其对醇酸树脂防腐涂层性能的影响与作用机理。通过激光粒度分析（LPSA）、X射线衍射（XRD）等手段分析钢渣微粉性质,采用耐盐雾、盐浸及接触角检测涂层防腐性能,并利用电化学方法对其进行表征,采用热重法（TG）测试涂层热稳定性能。试验结果表明,钢渣微粉的细度和掺量对涂层性能均有影响,其中加入41.5%（质量分数）的GZ800在提升涂层综合性能方面表现最佳,其涂层的力学性能优异,铅笔硬度为2H、附着力为2级、柔韧性为10mm、平均耐冲击高度为35 cm;200℃时涂层的热失重率仅为2.00%（质量分数）;涂层的阻抗模量为6.3×10⁶ Ω·cm²,腐蚀电流I为0.000 74 mA,腐蚀电位E为-0.062 V;在3.5%（质量分数）盐溶液中浸泡48h后其阻抗模量仍达到2.5×10⁴ Ω·cm²;Tafel曲线计算结果表明,涂层的保护效率最高达到98.582%。涂层吸水过程包含2个阶段,模拟结果表明,该过程符合Fick扩散模型。研究结果表明,钢渣微粉的加入显著提升了涂层性能。钢渣微粉在涂层体系中可以起支撑作用并吸附多条树脂分子链,形成稳定的封闭网络结构,促进涂层体系内部的应力传递,改善涂层的力学性能,并降低树脂分子链活性,提升涂层热稳定性能,同时填补涂层表面缺陷,提升其致密程度,减少腐蚀介质的传递通道,增强涂层的防腐性能。