2025年, 第60卷, 第4期　刊出日期：2025-04-15

  

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综合论述
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  定向凝固晶粒竞争生长研究进展

  胡松松, 何铭, 罗烽月, 白伟民, 陈贤, 杨志强, 陈赢政

  钢铁. 2025, 60(4): 1-12.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20240660

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  在凝固过程中,晶粒竞争生长是1个普遍存在的现象,而不同取向晶粒间的竞争行为最终会关系到产品的服役性能。在定向凝固单晶涡轮叶片制备的过程中,无论采用选晶法还是籽晶法控制晶体取向均会涉及晶粒竞争现象,这对于能否顺利制备完整的单晶结构起到决定性作用。从定向凝固晶粒竞争生长模型作为切入点,详细地梳理了晶粒竞争生长机理的研究进展。综述了晶粒竞争生长的影响因素,并总结其调控机制。首先介绍了温度梯度的改变导致晶粒竞争结果的差异;其次,在溶质浓度方面,介绍晶粒的淘汰行为与溶质相互作用的关系;而后针对晶体取向的影响,为更好地获得晶粒竞争结果,分别从晶粒的枝晶主轴偏离温度梯度方向的竞争关系与侧枝偏离晶界一定角度的竞争关系这两方面探讨,并将晶粒的竞争淘汰机理从最初的二维扩充到三维取向进行解释;此外,得出抽拉速率作为定向凝固唯一且能够大范围调控的参数,会影响晶粒淘汰结果的一致性,同时还特别说明了工业生产钢铁材料中冷却速率对晶粒竞争生长的影响。最后进一步对定向凝固晶粒竞争生长研究进行了总结与展望,并指出未来研究亟待解决的问题,强调了实际工业生产中,晶粒竞争生长对合金材料的重要性及应用意义,可为制造领域提供指导。
原料与炼铁
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  360 m²烧结机节能降耗关键技术研究及应用

  庄清云, 李光石, 鲁雄刚, 贺淑珍

  钢铁. 2025, 60(4): 13-20.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20240550

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  为降低烧结过程中的固体碳燃料,宝钢德盛通过含铁原料配矿优化、超厚料层烧结技术和热废气循环耦合富氧低碳烧结等关键技术在360 m²烧结机实际生产中顺利实现节能降碳和提升烧结矿产量和质量指标目的。对以赤铁矿和褐铁矿为主的烧结矿进行配矿方案优化试验,配用质量分数为15%磁铁精矿粉（FeO质量分数超过28%）替代一部分赤铁矿粉,能够提升烧结利用系数和烧结矿转鼓强度,降低烧结固体碳燃料。通过超厚料层烧结技术的研究与应用实施,通过分析料层厚度与垂直烧结速度、利用系数、转鼓强度、成品率和固体燃料消耗量等指标结果,明确了料层厚度为900 mm时综合性能最佳,料层厚度的提高能够促进矿物结晶,使针网状的铁酸钙与其他形晶的磁铁矿形成交织熔蚀结构,进而有利于提升烧结矿强度、成品率及冶金性能。采用热废气循环耦合富氧进行烧结,热废气能够促进烧结层上下热量和温度均匀分布,避免急冷造成烧结表层强度降低;而耦合富氧后的热废气能够提升燃料燃烧速度及燃料利用率,改善烧结过程的气氛条件并降低烧结矿固体燃料消耗。对热废气循环耦合富氧烧结技术与烧结矿的烧结速度、利用系数、转鼓强度和成品率的研究表明,当氧气体积分数为23%时,对应烧结产量和质量指标为最佳。应用热废气耦合富氧烧结技术可将烧结矿产量提升51 t/（台·时）,返矿率降低1.65%,固体燃料单耗降低1.67 kg/t。
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  微波热解生物质强化白云鄂博富铌矿还原的影响

  康杰, 金永丽, 侯玉霞, 陈司翰

  钢铁. 2025, 60(4): 21-35.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20240580

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  针对低品位白云鄂博复杂共伴生矿中铌、铁的高效分离及降低还原能耗的迫切问题,以白云鄂博富铌矿为研究对象,将生物质球团低温还原工艺与微波加热技术相耦合,研究了微波对白云鄂博酒糟基球团在差热特性、低温还原程度、物相变化、显微形貌方面的影响,以及微波作用下的还原机理。生物质热解释放大量富氢气体,可直接取代煤粉作为还原剂,其金属化率酒糟>玉米>小麦>杨木。与无烟煤相比,酒糟基球团孔隙结构发达,其孔体积增加了38.75倍,显著提升了气体分子的扩散和接触效率,优化了反应动力学条件。微波加快了反应进程,降低了反应温度。微波加热条件下,白云鄂博酒糟基球团金属化率随着还原温度、还原时间和酒糟添加量的增大而增大,其影响程度由大到小依次为还原温度>添加量>还原时间。酒糟添加量A、温度B、还原时间C与金属化率M的关系经验公式为M（A,B,C）=92.27+1.84A+3.53B+1.79C+0.957 5AB-1.91AC-0.942 5BC-2.30A²-3.23B²+0.607 5C²。在微波功率为3.6 kW、还原温度为950 ℃、焙烧时间为50 min、酒糟添加量为40%的条件下,其金属化率为94.3%。此时,物料中固定碳总量约为无烟煤和褐煤的2/5,实现了显著的降碳效果。
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  基于深度学习的球团矿生产过程中粒度识别监测模型

  刘一民, 文姗姗, 梁叶, 何志军, 高立华

  钢铁. 2025, 60(4): 36-43.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20240553

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  在中国全力推进绿色低碳冶金的大背景下,钢铁工业正面临转型挑战与绿色发展要求,这迫切需要对高炉炉料结构进行深度调整与优化,以实现节能降碳与污染减排的双重目标。在现代冶金生产中,球团矿对比烧结矿,其自身生产的节能减排更优,对球团矿质量和数量的准确检测至关重要。在钢铁制造企业中,操作人员依赖筛分检测等经验手段来评估球团矿的粒径状态,测量时间长、准确率低。采用全自动化的监测与测量系统对球团矿粒径进行优化管理显得尤为迫切和重要。提出YOLOv5+U-Net结合的算法,与Deeplabv3+以及FCN神经网络模型进行对比试验,得出3种算法各自的优点和局限性。Deeplabv3+算法采用无卷积内核和基于无卷积的空间金字塔池（ASPP）架构,较大和较小采样率的空洞卷积可以捕捉球团整体和细节部分。FCN算法对图像中的噪声、变形和环境光变化等具有一定的鲁棒性,通过学习到的特征来克服干扰因素,准确地进行分割。YOLO算法经过多年的迭代和发展,将目标检测转化为回归问题并且引入归一化,检测精度进一步提高。验证了YOLOv5+U-Net神经网络模型在计算机深度学习、图像处理技术对球团粒径进行检测识别的方案。在检测生球粒径试验中,准确率达到97 %以上,召回率达到66.8 %。基于本文所提出的球团检测方法在工业自动化和质量控制等领域具有广阔的应用空间,为球团检测技术的发展提供了新的思路和方法。
炼钢
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  结晶器电磁搅拌对五孔水口大方坯连铸过程的影响

  刘泽峰, 周禹, 曹学欠, 谢翔翔, 李万明

  钢铁. 2025, 60(4): 44-57.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20240579

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  连铸结晶器使用五孔水口生产大规格方坯在企业得到应用,明确五孔水口条件下合理的结晶器电磁搅拌（M-EMS）参数,对改善大方坯连铸过程中液面波动状况以及内部缺陷问题具有重要意义。以某钢厂370 mm×480 mm大方坯连铸过程为研究对象,运用Maxwell和Fluent软件数值模拟研究电磁搅拌的电流强度和频率对结晶器内电磁场、流场、液面波动及凝固传热的影响规律,并通过工业试验验证优化后搅拌参数的有效性。研究表明,结晶器铜板对磁场具有较强的屏蔽作用,随着搅拌频率的增加,结晶器内电磁力呈先增大后减小的变化趋势,在搅拌频率为2 Hz时电磁力达到最大值。五孔水口的上回流区集中在液面附近,距弯月面约32 mm处形成涡心,下回流区较低的流速不利于夹杂物上浮去除。施加M-EMS可以减弱射流冲击深度,促进夹杂物上浮去除,当电流强度由260 A增大到460 A时,钢液水平方向流动性增强,凝固前沿的温度梯度提升,液面最大波高度差由1.94 mm增大至9.35 mm,结晶器出口温度由1 792.2 K减小至1 784.8 K,改变频率难以调控液面波动水平和坯壳均匀生长。当M-EMS电流为360 A、频率为2 Hz时,液面波动可以控制在（-3~3） mm之内,坯壳均匀性显著提升,经工业试验验证表明,连铸坯的中心疏松程度降低,缩孔和裂纹基本消除,等轴晶率由27.8%提高到30.5%,内部缺陷得到了改善,符合现场生产的要求。
压力加工
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  无头轧制带钢横磁感应加热装置结构参数优化分析

  高林, 石方舟, 燕猛, 何奕平, 漆小虎, 向健, 黄华贵

  钢铁. 2025, 60(4): 58-68.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20240573

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  以某连铸-连轧无头轧制产线精轧入口的横磁感应加热装置为研究对象,采用COMSOL建立了带钢横向磁通感应加热电-磁-热耦合有限元模型,系统探讨了带钢运动过程中感应加热装置结构参数对带钢全断面加热温度均匀性的影响规律,建立了全断面横磁感应加热装置结构优化策略。结果表明,加入磁通聚集器后带钢边部过热区温度上升11 ℃。磁通聚集器与带钢的距离L₁为100 mm时带钢边部过热区温度最大。磁通聚集器与线圈的距离L₂由 100 mm增加至150 mm时,磁感应强度由0.17 T下降至0.12 T,降低了约29.4%,温度下降了4.5 ℃。导磁体间距由75 mm减小至15 mm时,温度由928.5 ℃增加至932.0 ℃,上升了3.5 ℃。双层线圈相较于单层线圈,带钢宽度方向上温度明显提升。线圈壁厚尺寸的变化对带钢宽度方向上的温升无影响。线圈截面尺寸由10 mm增大至30 mm时,弱温区温度下降幅度较为明显,降低了5 ℃。用平均温升T_AV及标准差T_s对带钢中部的温升能力和温度均匀性进行评价,结果表明,减小导磁体间距有助于减小温度标准差,提升温度均匀性,双层线圈结构及减小线圈截面尺寸有助于提高带钢温升能力。最后,通过构建与工业现场一致的带钢连续加热模型进行加热效果对比,验证了有限元分析结果的准确性。研究可为全断面横磁感应加热装置结构优化设计提供新的可选方向。
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  变辊距拉矫过程弯曲辊载荷协同控制工艺设计

  郁富斌, 张欢, 郑晓, 严旭果, 王蕾

  钢铁. 2025, 60(4): 69-78.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20240610

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  拉矫机是板带精整过程中平整度控制的关键设备,其在国内生产经验丰富但工艺设计过程中较少考虑设备结构载荷的控制问题。为此,首先考虑板带拉矫的工艺特点,针对性分析了弯曲辊组中辊距变化对板带曲率和拉矫机矫直能力边界的影响,确定了板带拉矫工艺设计的关键参数为张力、插入量和辊距。进一步,在国产某“2弯2矫”拉矫机结构参数的基础上,面向厚度为0.25 mm的SPCC-T3带钢生产工艺,结合有限元数值计算结果,分别建立了带钢伸长率和弯曲辊载荷随工艺参数组合变化的规律模型,重点分析了辊距变化对带钢伸长率和弯曲辊载荷的影响作用。最后,综合考虑目标伸长率约束和弯曲辊载荷控制要求,提出了一种2组弯曲辊载荷协同控制的工艺设计方法,即在0.8%的目标伸长率下,通过插入量、张力和辊距的组合优化,降低2组弯曲辊载荷,完成对拉矫工艺的整体设计;分别调节2弯曲辊组的辊距进行二次寻优,平衡2组弯曲辊的载荷,实现拉矫工艺的弯曲辊载荷均衡设计。设计结果表明,整体设计后的2弯曲辊组载荷为（6 690 N,7 168 N）,相对最大载荷降低了约22.4%,再经过弯曲辊载荷均衡设计后2弯曲辊组载荷均约为6 815 N。变辊距拉矫的工艺设计方法在扩展设备矫直能力范围的同时,为协同调控弯曲辊组载荷进而提升拉矫机的整机服役寿命提供了理论参考,面向高强化发展的板带拉矫生产具有一定的实用价值。
钢铁材料
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  真空度对316L/Q420qENH复合板界面结构和结合性能的影响

  王寅鹏, 高博, 胡康伟, 曹燕光, 魏伟, 李昭东

  钢铁. 2025, 60(4): 79-89.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20240627

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  真空度及界面氧化物显著影响不锈钢复合板界面结合状态。以316L/Q420qENH复合板（316L不锈钢和屈服强度420 MPa级耐候桥梁钢复合）为研究对象,利用Gleeble热模拟试验机开展不同真空环境下热轧复合的模拟,结合夹杂物分析系统、纳米压痕、透射电镜及压缩剪切试验机等开展不同复合工艺条件下不锈钢复合板氧化物形态、组分、尺寸、含量演变及界面性能研究。显微结构表征结果显示,随着真空度的提升,界面氧化物形态由链状逐渐变化为棒状、点状,氧化物含量及尺寸逐渐下降。夹杂物分析结果显示,不同真空环境下,界面夹杂物中金属元素主要为Cr、Mn、Si,随着真空度提高,Si、Mn元素含量相对提升。透射电镜对结合界面结构的分析表明,在高真空环境下界面氧化物中金属元素主要为Si、Mn、Cr,部分Cr存在于依附氧化物形成的析出相中。界面剪切强度测试结果显示,随着真空度由10⁵ Pa提升至10 Pa,剪切强度由56 MPa提升至422 MPa,分析认为,复合界面结合强度的提升得益于大尺寸氧化物含量的减少、纳米级氧化物/析出相的强化作用及界面处亚结构的强化等。不同真空度条件下界面氧化物及结合性能演变研究为耐候钢-不锈钢真空热轧复合工业生产过程中真空度控制及高剪切界面微观结构调控提供了理论与试验数据基础。
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  复合中间层对不锈钢层合板结合性能影响分析

  宜亚丽, 冯康康, 张爽, 金贺荣

  钢铁. 2025, 60(4): 90-101.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20240616

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  不锈钢层合板的结合性能直接影响其层间黏结强度和整体力学性能,是决定层合板材使用寿命、抗腐蚀性和加工性能的关键因素。以2205不锈钢为复层,EH40低碳钢为基层,基于多界面裂纹偏转增韧机理设计的“软/硬/软”结构Ni/Fe₉₀Cr₁₀/Co为复合中间层（composite interlayer,CI）,通过真空热轧制备具有优异结合性能的2205/CI/EH40层合板。借助光学显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）、能量色散谱仪（EDS）、显微硬度计和万能试验机进行微观表征及性能测试。结果表明,2205/CI/EH40层合板轧后各层复合界面均清晰平直,界面处未出现明显脱碳现象;CI与基层EH40结合界面扩散层厚度为26 μm,相较单Ni中间层复合板的夹层与基层扩散层厚度19 μm提升了36.84%,CI与复层2205结合界面扩散层厚度为27 μm,相较单Ni中间层复合板的夹层与复层扩散层厚度20 μm提升了35.00%,CI层间结合界面扩散层厚度为18、23 μm;拉伸试样抗拉强度均值为549.33 MPa,相较单Ni中间层复合板抗拉强度512.00 MPa提升了7.29%,拉伸断裂过程中裂纹于2205-Ni界面处发生偏转,沿界面扩展长度为43 μm;剪切试样抗剪强度均值为703.09 MPa,相较单Ni中间层复合板抗剪强度425.90 MPa提升了65.08%,剪切断裂过程中裂纹于EH40-Co、Fe₉₀Cr₁₀-Ni界面处发生2次偏转,裂纹沿Fe₉₀Cr₁₀-Ni界面扩展长度为2 000 μm,剪切断裂方式呈现为韧脆混合型断裂。通过设计“软/硬/软”结构CI,依靠软硬相交替布置缓解热轧过程中的应力集中,借助多界面及软硬相设计,在层合板断裂失效过程中实现裂纹偏转,有效提升材料的强韧性,进而增强层合板结合性能,可为相关层合板设计提供新的思路。
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  GCr15铸坯碳偏析对组织与摩擦磨损特性的遗传性影响

  张健, 夏佃秀, 许荣昌, 孙宗辉, 吴赛赛, 张新涛, 陈通

  钢铁. 2025, 60(4): 102-113.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20240603

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  GCr15钢是高端轴承领域中最常用的材料,其显微组织均匀性对轴承的使用寿命和可靠性至关重要,而铸坯中碳偏析的遗传性不仅影响后续热处理过程中的组织演变,还直接关系到轴承的力学性能和服役稳定性。探讨了GCr15钢铸坯碳偏析对轴承显微组织和性能的遗传性影响。通过热酸腐蚀试验、金属原位分析仪、激光共聚焦扫描显微镜、扫描电子显微镜（SEM）分析了不同状态下试样的碳元素分布和显微组织特征。利用多功能摩擦磨损试验机（Rtec-MFT5000）研究了碳偏析对轴承滑动摩擦磨损性能的影响。研究结果表明,铸坯中心区域的碳偏析显著,最大碳质量分数高达1.44%,远高于边缘区域。经热轧、球化退火及淬回火后,碳质量分数分别下降至1.40%、1.31%和1.30%,经过热轧和后续热处理,碳偏析有所改善但仍未完全消除,表现出显著的遗传性。激光共聚焦试验结果表明,在碳偏析区域,马氏体相变的起始温度为158.5 ℃,且从相变开始到基本完成的过程滞后约10 ℃;相比之下,非偏析区域的马氏体相变起始温度为172 ℃,滞后仅为1~2 ℃。碳偏析不仅显著降低了马氏体相变的起始温度,还延缓了相变的进程,进而导致马氏体片在尺寸和分布上的显著差异。滑动摩擦磨损试验结果显示,在载荷30、50 N下,中心区域磨损率分别比边缘高出0.7×10^-5、1.1×10^-5 mm³/（N·m）。随着载荷增大,中心区域因碳偏析导致的裂纹扩展和剥落现象更为严重,磨损率显著上升。这种组织分布不均匀性使中心区域更易形成裂纹群和层状剥落,从而降低轴承的耐磨性与服役可靠性。
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  考虑应力比的TRIP双相钢疲劳裂纹扩展试验及有限元模拟

  邹宗园, 宋宇, 池艳阳, 陈雷

  钢铁. 2025, 60(4): 114-124.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20240548

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  疲劳裂纹扩展行为是引起工程结构件失效的最重要原因之一,而应力比是影响疲劳裂纹扩展行为的重要因素。因此,分析应力比对工程结构件的直接影响十分必要。针对以Mn-N代替Ni元素的高性能TRIP（transformation induced plasticity）双相不锈钢,利用INSTRON 8801液压伺服疲劳试验机,开展应力比分别为0.1、0.2、0.3和0.5的疲劳裂纹扩展试验研究。测得不同应力比下的疲劳裂纹扩展门槛值,分析应力比对疲劳裂纹扩展门槛值的影响规律,并建立了疲劳裂纹扩展门槛值预测模型;基于Pairs模型、Elber模型以及改进的Forman模型,分别对不同应力比下的疲劳裂纹扩展速率与应力强度因子关系进行理论建模,求解模型参数,并比较分析3种模型的预测精度、特点以及适用性,探讨应力比对TRIP双相钢疲劳裂纹扩展速率的影响。基于扩展有限元法,对不同应力比的疲劳裂纹扩展行为开展有限元模拟,模拟结果与试验结果吻合良好。模拟结果准确揭示了TRIP双相钢在不同应力比下疲劳裂纹扩展过程中的等效应力分布、塑性变形区及裂纹形状的变化规律。研究结果不仅可以丰富该类高性能TRIP双相钢疲劳裂纹扩展行为的基础试验数据,而且可以揭示应力比对该类试验钢疲劳裂纹扩展行为的影响规律,对进一步开发并应用此类高性能TRIP双相钢具有非常重要的意义。
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  Q355B-Z15钢冲击断口三维结构分形特征

  王凤超, 严春亮, 曹胜利, 张庆军

  钢铁. 2025, 60(4): 125-135.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20240649

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  分形理论用于描述材料的微观结构、表面形态、孔隙结构、裂纹扩展等复杂现象时,能够提供比传统几何学更精确的描述。为了研究不同温度下钢的冲击断口形貌变化规律与材料力学性能之间的关系,在不同温度（20、0、-10、-20、-30、-40 ℃）下对钢进行冲击试验得到断口试样;采用超景深3D数码显微镜采集冲击断口景深图、3D图及试样表面的三维坐标数据,利用立方覆盖法对冲击断口的三维数据值进行处理,计算断口表面的分形维数及多重分形谱,研究分析不同温度、不同冲击功条件下钢的冲击断口表面分形维数和多重分形谱的变化规律。研究表明,在-40~20 ℃的冲击断口分形维数为2.5~2.7,分形维数值越大,意味着断口表面形貌越复杂;在多重分形谱中,概率较小（起伏程度较大）的子集对应的右半部分所占比例大,反映了韧性区域大于脆性区域,说明Q355B-Z15钢的韧性较好;钢的冲击断口呈现出复杂的多重分形特征,具有一定的自相似性。多重分形谱呈左开口凸曲线,形态上呈现单峰左钩形。在温度降低时,谱宽变窄,表面波动减少,逐渐变得平滑;而当冲击功增大时,谱宽扩大,表面波动增大,形貌变得更加粗糙,多重分形谱可更有效地表征钢材断口表面形貌变化。通过对断口的三维形态表征与性能的关系,弥补二维结构数据在断口分形特征研究方面的不足,为解析复杂断口形态提供数据支持和理论依据。
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  Nb-Ti微合金化柔性立管用钢中氢捕获与脆化行为

  许廷峰, 王兴宇, 张大征, 陈翠, 冯志强, 轩瑞飞

  钢铁. 2025, 60(4): 136-145.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20240578

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  用于连接海上浮体与海底油气田井口以输送海洋油气的海洋柔性立管是海洋油气资源开采过程中的关键设备。由于海洋油气中常含有硫化氢,导致海洋立管用高强钢服役在含氢介质的环境中会产生氢致损伤问题,所以氢原子在海洋柔性立管用高强钢中的扩散行为一直是海洋工程用钢领域的研究热点。通过显微组织表征、慢应变速率拉伸、氢渗透以及内耗试验研究了氢原子在不同Nb-Ti微合金化的海洋柔性立管用高强钢中的扩散行为。结果表明,经过调质处理后,不同Nb-Ti含量的试验钢微观结构均为含有析出相的回火马氏体组织。随着Nb-Ti总含量的增加,马氏体板条细化程度增大,析出相数量增多且更加细小弥散,使得晶界密度与析出相体积分数同步提升,进而实现力学性能的显著提升。与此同时,晶界密度与析出相体积分数的同步提升使得钢中单位体积内氢陷阱数量增加,钢中氢捕获位点增加使氢原子扩散过程受到极大抑制,进而促使氢有效扩散系数明显下降,同时其氢脆敏感性也随之显著下降。微合金元素Nb-Ti的增多促使试验钢的氢致Snoek内耗峰激活能降低,这表明Nb-Ti析出相可以吸附氢原子并弱化氢原子在钢中的扩散能力。氢陷阱数量的增加导致进入显微组织的氢原子分布更加均匀弥散,降低了氢原子在氢陷阱处过度聚集而萌生氢致裂纹的倾向,显著提高了海洋柔性立管用高强钢的服役寿命。
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  温度对高锰钢塑性变形行为和力学性能的影响

  龚洪伟, 王亚彬, 刘粤龙, 陈俊, 苏幼明, 魏梦飞

  钢铁. 2025, 60(4): 146-152.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20240628

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  为了探索高锰钢在液氢领域应用的潜力,并阐明温度对高锰钢塑性变形机制的影响,设计了1种高锰钢。针对该材料分别进行室温、-196 ℃和-269 ℃条件下的拉伸试验,研究了该试验钢在上述温度下的塑性变形行为和力学性能;分别在拉断后的试样上制备薄片试样,通过电子背散射衍射和透射等测试分析方法开展了对不同温度下试验钢的变形组织的表征和分析。结果显示,降低变形温度可显著提高试验钢的屈服强度和抗拉强度,但并不恶化试验钢的塑性,尤其是-196 ℃下的伸长率较室温高13.3个百分点,但-269 ℃下伸长率较室温低5.5个百分点。经拉伸变形后,晶粒取向具有明显的倾向性,呈〈001〉//拉伸方向和〈111〉//拉伸方向。随着变形温度由室温降低至-269 ℃,形变孪晶数量明显增多,且在-269 ℃下存在一定量的剪切带。对试验结果进行分析得出结论,变形温度由室温下降到-269 ℃,该成分高锰钢仍具有优异的强塑性。在室温下降至-269 ℃的主导塑性变形机制的演变顺序为,少量孪生+大量位错滑移→大量孪生+位错滑移→大量孪生+强烈的平面位错滑移;形变孪生和拉伸塑性密切相关,充分激活形变孪晶可大幅度改善试验钢的塑性。
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  热处理工艺对高氮超级马氏体不锈钢组织性能的影响

  刘皓月, 张郑, 何婵, 惠朋博, 肖桂枝, 邹德宁

  钢铁. 2025, 60(4): 153-160.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20240612

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  超级马氏体不锈钢因其良好的耐腐蚀性能和力学性能,在航空航天、石油、化工等领域具有广泛的应用前景。淬火-配分（QP）工艺是提升中高碳马氏体不锈钢力学性能的有效手段,由于超级马氏体不锈钢碳含量过低,配分效果不明显,所以对其进行氮合金化处理,利用氮配分代替传统的碳配分来稳定奥氏体。但配分工艺一般持续时间较短,无法实现置换原子的扩散,为了进一步增加奥氏体的稳定性,将双相区淬火（L）和QP工艺相结合,称为QLP工艺。以高氮超级马氏体不锈钢为研究对象,采用万能拉伸试验机、X射线衍射仪、扫描电子显微镜及透射电子显微镜设备,对不同热处理工艺试样微观组织及力学性能进行分析。结果表明,2组试验钢均表现出优异的综合力学性能,QLP样品的屈服强度和抗拉强度分别为713 MPa和1 344 MPa,伸长率为31.03%,相较于QP样品屈服强度提高了166 MPa,而塑性没有明显降低。试验钢经QP和QLP工艺处理后,显微组织均由马氏体和奥氏体双相组成,奥氏体分为块状和薄膜状2种形态。QP试验钢奥氏体体积分数为42.6%,而增加了双相区淬火工艺后,试验钢奥氏体体积分数降低为21.9%,块状奥氏体尺寸明显减小且存在更多的薄膜状奥氏体。分析认为,这是双相区淬火过程中二次马氏体生成和奥氏体稳定性增加的综合影响结果。
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  Vanadis 4 Extra粉末冶金钢冷冲压模具失效分析

  钱海涛, 黄煜, 吴轩辕, 吴红庆

  钢铁. 2025, 60(4): 161-169.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20240636

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  粉末冶金钢由于具有组织均匀、无严重共晶碳化物偏析的明显优势,在制造工模具和零件等方面具有广泛的应用前景,但是对于压坯的致密度和成形工艺的技术控制仍存在难点。以粉末冶金失效模具为例,系统分析模具早期失效的原因,探索共晶碳化物、夹杂物和孔隙对粉末冶金钢强韧性的影响,进而为预防模具早期失效提出有效的改进措施。采用光谱仪、光学显微镜（OM）、扫描电镜（SEM） 和冲击试验机对Vanadis 4 Extra（简称V4E）粉末冶金冷作模具钢的化学成分、夹杂物、孔隙率、强韧性和微观组织进行了测试和表征,进而对模具在落料过程中产生边缘崩刃的原因进行了分析并提出了建议。结果表明,该失效模具裂纹附近的w（S）、w（T[O]）和w（N）分别为0.023 8%、0.010 7%、0.044 8%,含量都偏高,造成非金属夹杂物含量超标,又因为粉末冶金过程中压制工艺的控制不当,导致粉末钢基体孔隙体积分数大于1.8%,高于高质量粉末钢的要求（小于0.5%）,使基体的致密度低,这些缺陷与基体割裂,造成应力集中,会直接成为裂纹源,严重降低钢的冲击韧性,最终在外应力的作用下导致模具边缘崩刃。
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  通过深冷处理耦合高温快速回火显著提高超细贝氏体钢性能

  王建军, 孙东云, 张玉杰, 苏瑛龙, 杨志南, 冯晓勇, 张福成

  钢铁. 2025, 60(4): 170-178.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20250073

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  超细贝氏体钢凭借其优异的强韧性与疲劳性能,在轴承、弹簧和钢轨辙叉等领域展现出广阔的应用前景。然而,组织中存在的大块残余奥氏体限制了其强塑性的进一步提升。以34MnSiCrAlNiMo中碳超细贝氏体钢为研究对象,采用透射电子显微镜（TEM）、X射线衍射仪（XRD）、电子背散射衍射显微镜（EBSD）等分析检测手段,深入探究深冷处理和快速回火对超细贝氏体钢微观结构和力学性能的影响。结果表明,深冷处理工艺导致大块残余奥氏体转变为孪晶马氏体及细小残余奥氏体结构,随后的的高温快速回火导致孪晶马氏体转变为回火索氏体。在深冷和快速回火后,残余奥氏体体积分数降低至15.1%,同时其尺寸显著细化,表观面积大于1 μm²的块状残余奥氏体数量减少81.3%;同时,在贝氏体铁素体中弥散析出平均粒径为24 nm的富含Fe-C-Mn的纳米碳化物。纳米碳化物析出使得晶格畸变减小,实现贝氏体铁素体自韧化。由于上述微观组织变化的协同作用,超细贝氏体钢在强度几乎无明显变化的情况下,均匀伸长率、断后伸长率和冲击韧性的提高幅度分别达到80.6%、55.5%和111.5%。这一结果充分体现了深冷处理结合快速回火工艺在优化超细贝氏体钢综合力学性能方面的显著优势,为提高超细贝氏体钢的性能提供了一条新的工艺路径。
环保与能源
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  含钛高炉渣钛的赋存形式及物相结晶性能计算

  杨双平, 冯宇波, 王苗, 刘起航, 董洁, 池延斌, 杨尚琦

  钢铁. 2025, 60(4): 179-189.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20240545

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  目前中国含钛高炉渣大量堆积而难以有效利用,对环境危害严重,且会对资源造成浪费。针对此现状,以国内某钢厂含钛高炉渣为研究对象进行研究。为了提高对含钛高炉渣的有效利用,减轻环境压力,首先分析了含钛高炉渣中的基础物性,并利用FactSage对含钛高炉渣在不同温度下的物相平衡状态进行了模拟,随后对炉渣中富钛相的析出、长大、分离规律进行了相关试验,探究富钛相的析出机理与影响晶体析出的因素和规律。试验对不同二元碱度、TiO₂质量分数以及w（MgO）/w（Al₂O₃）对含钛高炉渣在结晶过程中物相平衡的影响进行了分析,并分析了不同条件下钛元素赋存形式的变化。结果表明,理论五元高炉渣冷却结晶过程中的主要物相有钙钛矿、斜辉石、榍石、钙长石,与实际含钛高炉渣的物相组成基本一致。碱度、TiO₂质量分数、w（MgO）/w（Al₂O₃）等的变化会对含钛高炉渣冷却过程中的初晶相、结晶区间、最大结晶量产生影响。随着炉渣碱度从0.6提高到1.2,钙钛矿的结晶温度明显提高,结晶量大幅提高,其质量分数由4.62%增加到40.75%,而黑钛石的结晶量逐渐减少到0;随着炉渣中TiO₂质量分数从10%增加到40%,黑钛石结晶量提高,逐渐增加到33.53%;随着炉渣中w（MgO）/w（Al₂O₃）从0.5提高至1.1,斜辉石结晶量先增加后减少,钙钛矿和镁橄榄石的结晶量先降低后增加,黑钛石结晶量先增加后降低。
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  竖式换热反应器中钢渣铸块气-固换热过程数值模拟

  丁冉, 魏汝飞, 狄瞻霞, 范春龙, 张翼飞, 孙蓉, 龙红明

  钢铁. 2025, 60(4): 190-202.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20240562

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  针对一种竖式换热反应器中钢渣铸块的气-固换热过程进行了深入的数值模拟研究。基于FLUENT软件采用欧拉-欧拉模型,通过单因素控制法系统分析了不同参数对气-固换热行为的影响。结果表明,烟气进口角度下调和烟气进口高度下移都会导致炉顶流出的烟气量减少,烟气换热时间增加。钢渣入炉温度、炉顶压力、钢渣铸块粒径和烟气流量分别影响炉内温度梯度、烟气分布、颗粒比表面积和烟气量大小,进而影响气-固换热系数等,改变换热效率。由于炉内的烟气流量分布会受到其他参数影响,通过控制炉顶压力使竖式换热反应器内的烟气合理分布,维持烟气的向上流动,在此条件下对竖式换热反应器内的传热行为进行研究,结果表明,烟气入口角度下调和烟气进口高度下移有利于提高换热效率,但影响较为有限。选取烟气流量为250、300 和350 m³/h,钢渣铸块的入炉温度为1 173.15、1 373.15和1 573.15 K,钢渣铸块的颗粒粒径为21.5 、32.3 和41.1 mm进行正交分析,烟气流量为350 m³/h、入炉温度为1 573.15 K、粒径为21.5 mm时余热回收效率最高,为70.33%。通过对不同工艺参数的优化,本研究为竖式换热反应器的设计与运行提供了理论依据,进一步推动了钢渣余热回收及其在节能减排中的应用潜力。
技术交流
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  信息物理系统融合的钢铁制造流程智能化研发及应用

  王新东, 孙彦广, 曾加庆, 张弛, 林路

  钢铁. 2025, 60(4): 203-213.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20240498

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  钢铁制造流程工艺路径复杂、路径交叉点多、各工序运行规律呈现非线性关联及存在诸多不确定性,导致全流程实际运行过程的数学建模和求解难,流程输出结果难以稳定和收敛,已成为制约全流程智能化升级的主要技术障碍。通过物理侧和信息侧相向而行的协同攻关,是实现钢铁制造流程智能化升级的必由之路。在物理侧,通过对唐钢新区钢铁制造流程实际产线的工艺优化和成体系化运行规则的约束,显著简化工艺路径,减少流程运行的不确定性,为实现流程智能化升级开辟了一条新的路径。在信息侧,通过建立全流程跨工序协同运行的仿真模型,及时发现工艺“堵点”并逐一攻克,显著降低物理侧工艺试错成本;并开发了钢铁制造流程“物质、能量、时间、空间和信息”五维甘特图的全景展示和动态调控技术,精准预测全流程运行规律的变化,全面提升流程运行规律的感知、决策和适应能力,实现钢铁制造流程动态有序、协同连续运行。唐钢新区产线采用信息物理系统融合的钢铁制造流程智能化实践结果表明,通过创建的五维动态甘特图实现全过程一图贯通、生产状态一图描述和智能化调控一图指挥,炼铁-炼钢界面铁水运输时间由123 min降低至81 min,铁素物质流从KR（kambara reactor）进站到连铸开浇时间由171.8 min缩短至155.6 min,显著提高了全流程生产效率,为钢铁行业树立了流程智能化升级的新样板。