2025年, 第60卷, 第5期　刊出日期：2025-05-15

  

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综合论述
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  分数阶热传导模型的高炉冷却壁传热研究综述

  邢宏伟, 张群蔚, 杨爱民, 李杰, 韩阳

  钢铁. 2025, 60(5): 1-12.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20240650

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  随着高炉生产工艺日益复杂,冷却壁在极端高温高压环境下的热传导特性要求日趋严格,传统热传导模型已无法满足精确预测的需求。为此,分数阶热传导模型作为一种有效描述复杂介质与多尺度热传输现象的工具,逐渐受到广泛关注。综述了基于分数阶热传导模型的高炉冷却壁传热研究,旨在为高炉冷却壁的热管理与延长使用寿命提供理论依据。首先,介绍了分数阶热传导模型的数学基础及其相关方程,并分析了分数阶方程的特点与常用求解方法。然后,详细探讨了高炉冷却壁在高温高压等极端条件下的热传导机理,提出了三维分数阶热传导方程的建立方法,并结合数值模拟与试验验证探讨了热传递过程的分析框架。最后,分析了分数阶模型在高炉冷却壁研究中的应用现状与挑战,展望了该模型在冷却壁材料与结构设计中的应用前景,并提出了未来研究方向,包括模型精度提升、计算方法优化及实际工程应用推广。这些研究为高炉冷却壁的热管理与优化设计提供了有价值的理论支持与技术参考。
原料与炼铁
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  氨气直接还原赤铁矿及其反应机理

  李丽, 李鹏宇, 李宏武, 刘玥君, 林建廷, 李先春

  钢铁. 2025, 60(5): 13-22.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20240571

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  为了探讨氨气（NH₃）还原赤铁矿（Fe₂O₃）的热力学特性、反应机理以及在还原过程中温度和时间的影响,通过HSC Chemistry 6.0软件计算了Fe₂O₃和Fe₂SiO₄与NH₃、H₂和CO之间的还原反应标准吉布斯自由能,评估了NH₃作为还原剂的可行性。使用卧式高温电炉对赤铁矿进行加热还原处理,通过不同温度和时间条件下的NH₃还原试验探究了还原效果。试验结果表明,NH₃在温度为290℃时即可有效还原Fe₂O₃,而H₂需要在温度为542 ℃时才可有效还原Fe₂O₃,说明了NH₃在较低温度下具有还原优势。NH₃还原Fe₂SiO₄的热力学反应温度为480 ℃,相比之下,CO和H₂在这一温度下的反应不是自发的,这表明NH₃在还原Fe₂SiO₄时具有热力学优势。随着温度的升高,赤铁矿的失重率和还原率增加,900 ℃时赤铁矿可以被体积分数为30%的NH₃完全还原。还原时间的增加也导致失重率和还原率的增加,还原时间为60 min时还原率达到90%,还原时间为180 min时还原率达到100%。利用XRD、SEM和OM对还原后的样品进行表征,发现Fe₂O₃首先转化为Fe₃O₄,然后迅速转化为FeO,最后FeO转化为单质铁。EDS能谱分析显示,随着反应的进行,氧原子含量减少而铁原子含量增加,最终Fe₂O₃被完全还原为单质铁。在NH₃还原Fe₂O₃的过程中,氮原子的数量先增加后减少,这表明铁被NH₃氮化生成Fe₄N,随后Fe₄N在高温下分解产生铁和N₂。NH₃在还原赤铁矿的过程中显示出显著的热力学优势,且还原过程可以分为初期缓慢转化阶段、中期快速反应阶段以及后期由于产物覆盖导致的反应速率下降阶段。整个过程在30 min内完成,最终实现了Fe₂O₃到单质铁的完全转化。这为工业上利用NH₃还原赤铁矿提供了理论依据和试验数据支持。
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  烧结机热耗因素影响评价模型

  包向军, 段毅, 郦秀萍, 陈光, 谢竞成, 张璐, 杨筱静

  钢铁. 2025, 60(5): 23-30.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20250002

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  烧结机能源消耗在钢铁生产过程中扮演着关键角色,不仅对钢铁生产成本有着直接且重要的影响,同时在环境污染物排放以及碳排放方面也意义重大。烧结机热耗是烧结机能源消耗的主要组成部分,其主要受原料配比、操作工艺、产品质量、设备性能和余热回收利用等多种因素的综合作用。深入理清各因素与烧结机热耗之间的内在联系以及影响程度,能够为科学、准确地开展烧结机能源诊断提供坚实的依据。基于质-能平衡分析结果,充分结合输入输出的各类影响因素,建立烧结机热耗计算模型,构建烧结机热耗评价指标体系;采用归一化方法并紧密结合贡献度指标建立烧结机热耗因素评价模型,实现对烧结机热耗指标的全方位、深层次评价,精准量化各因素对烧结机热耗的影响。案例分析显示,基准数据中对应吨矿热耗最高的子因素为固体燃料化学热,其次为烧结饼显热。通过对样本数据与基准数据进行细致的横向对比,发现操作和产品因素对热耗的影响较大,贡献度均超过30%;原料因素在不同样本间的贡献度波动幅度最为显著,而设备因素的贡献度最为稳定且所占比例最小,均低于5%。所建立的热耗因素评价模型具有重要的实际应用价值,可指导烧结不同班次间对比分析,为烧结的精细化生产、科学合理地评估烧结机的节能水平以及深入挖掘节能潜力提供有力的理论依据。
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  基于炼铁多目标系统优化的一体化配矿技术

  肖学文, 王刚, 李牧明, 何茂成, 赖菲菲, 洪志斌, 白皓

  钢铁. 2025, 60(5): 31-41.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20240635

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  在钢铁行业铁矿石资源“卡脖子”和亟需降本增效的当下,如何通过优化铁矿资源配置实现钢铁工业安全、低碳和高质量发展是十分重要的课题。采用实验室试验研究、大数据分析、构建数学模型等研究手段,进行了基于炼铁多目标系统优化的一体化配矿技术研究,旨在开发打通配矿-烧结-高炉全流程的一体化配矿技术,实现炼铁系统跨工序协同优化,为钢铁企业降本增效提供有效保障。结果表明,基于矿粉基础试验研究构建矿粉性能大数据库,并根据模型预测结果优选采用神经网络构建了烧结矿性能预测模型,通过模型可对烧结矿转鼓指数、低温还原粉化指数和化学成分等进行预测,模型预测拟合效果较好。建立了基于RBF神经网络的高炉炉况指标预测模型和误差追溯模型,通过误差追溯和参数寻优模型,能够精确地计算出操作参数对燃料比波动的具体贡献率,并基于寻优模型得到的参数标准值进行替换,可对引起高炉核心经济指标波动的瓶颈因素进行精准调控。建立了贯穿配矿-烧结-高炉工序的跨工序耦合一体化配矿模型,在A钢厂的应用表明,通过一体化配矿模型的计算获取更具优势的替代方案,相较原方案高炉燃料比降低1.6~15.8 kg/t,吨铁碳排放降低5~45 kg,吨铁效益为10~50元。
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  氧气高炉炉身煤气流分布数值模拟

  张建良, 段思嘉, 袁万能, 李涛, 周恒, 徐润生

  钢铁. 2025, 60(5): 42-54.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20240638

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  与传统高炉（TBF）相比,炉顶煤气循环-氧气高炉（TGR-OBF）通常采用炉身与炉缸风口协同喷吹,具有生产率高、燃料比低等优势。合理的煤气流分布对氧气高炉的稳定顺行至关重要,为了研究炉身喷吹煤气后喷吹高度与喷吹流量对TGR-OBF内部煤气流分布变化规律,以1座430 m³工业氧气高炉为基准,对TBF和炉身风口喷吹煤气的TGR-OBF进行了数值模拟研究,并对比分析了炉身风口高度、炉身风口喷吹量的变化对氧气高炉煤气流分布状况的影响规律。结果表明,上、下部风口协同喷吹的TGR-OBF内部煤气流速整体高于TBF,速度增幅为0.6~0.8 m/s。炉身喷吹气体主要在炉墙边缘发展,煤气流迹线向中心发展距离约为0.736 m。炉身风口喷吹对下部边缘气流有压制作用,距离风口越近,压制作用越显著。在不同炉身喷吹位置下,靠近炉身风口0.5 m内边缘气流发展,煤气穿透深度变化不大,但由于喷吹高度增加,高炉径向直径变小,相对穿透深度增加。随着炉身喷吹煤气流量的增加,穿透深度从0.662 m增加到0.798 m,且对炉身风口下部气流的压制作用更加明显。炉身煤气喷吹流量增大,炉身部位整体压差增大。炉身煤气喷吹位置的变化对氧气高炉压差的影响集中在11.5 m以下位置,压差变化幅度较小,因此采用不同炉身喷吹位置时可不考虑压差的影响。
炼钢
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  转炉汽化烟道喷吹含碳原料气化过程Aspen Plus模拟与优化

  王宝, 李思佳, 肖美美, 王怡, 周建安, 张华

  钢铁. 2025, 60(5): 55-66.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20240677

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  高效回收和利用转炉烟气余能对于降低钢铁生产碳排放具有重要意义。基于Gibbs自由能最小化原理,利用Aspen Plus建立了转炉汽化冷却烟道喷吹含碳原料以气化制备高品质合成气的热力学模型,探讨了煤粉、生物质以及废旧轮胎粉的含水率、加入量,烟气温度以及烟气组分等工艺参数对烟道内含碳原料-CO₂气化的影响规律。结果表明,在加入条件相同时,喷吹煤粉对提高气体CO体积分数和气化合成气体的低位热值效果最为显著,其次是废旧轮胎粉、生物质;而生物质的碳转化率高于煤粉、废旧轮胎粉。从合成气产率和H₂含量方面,废旧轮胎粉的合成气产率高于煤粉、生物质。适当增加原料加入量可以显著提高CO和H₂含量及气化合成气体的低位热值,尤其以煤粉最为明显;但当原料加入量过大时,合成气产率和碳转化率会逐渐下降。当原料含水率增加至20%时,可以小幅度促进H₂的生成,但会抑制CO的生成,并导致气化合成气体的低位热值、碳转化率和合成气产率的降低。烟气温度的升高能够有效提高产物中CO、H₂含量以及碳转化率,但是过高的温度会导致产物中H₂含量下降。通过相关性分析得出,原料加入量和烟气成分是影响气化过程的重要因素,烟气温度对碳转化率和合成气产率有较大影响,而原料含水率的影响则相对较小。总体而言,在1 400 ℃,生物质加入量M/G（单位体积转炉烟气喷入的含碳原料质量）=0.09 kg/m³、煤粉加入量M/G=0.06 kg/m³、废旧轮胎粉加入量M/G=0.05 kg/m³,原料含水率小于1%,烟气成分（体积分数比）中φ（CO）/φ（CO₂）=3的工况下,转炉汽化烟道喷吹含碳原料气化工艺能够实现最佳的气化性能。结果为提升转炉烟气资源利用效率、推动钢铁行业绿色低碳转型发展提供了有力的技术支持。
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  精炼渣对FeSiB铁基非晶合金成分和夹杂物的影响

  樊怡博, 王锦, 刘威, 杨树峰, 倪红卫, 李京社

  钢铁. 2025, 60(5): 67-77.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20240663

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  为了探究精炼渣对FeSiB铁基非晶合金化学成分和非金属夹杂物的影响,设计了适合FeSiB体系铁基非晶合金的精炼渣。通过对液相区域、熔渣金属平衡、表面张力、黏度、脱氧能力和硫分配比等因素的计算,采用FactSage 8.3和Thermo-Calc 2023b等热力学计算软件的相关数据库,设计了一种新型的15%SiO₂-33%CaO-27%Al₂O₃-25%B₂O₃（质量分数）精炼渣。用所设计的精炼渣与铁基非晶合金进行渣-金平衡对照试验后,合金中硅元素和硼元素含量基本不变,而未加精炼渣的对照组合金中硅元素和硼元素明显减少,这证明设计的精炼渣能有效减少精炼过程中硅元素和硼元素的烧损,保证合金成分。精炼后合金中夹杂物数量密度和平均尺寸显著降低,渣-金反应前后,样品中夹杂物数密度由17.78 个/mm²降至6.24 个/mm²,变化率为64.90%;样品中夹杂物平均尺寸由4.57 μm降至1.79 μm,变化率为60.83%。渣-金反应后,熔体中尺寸较大的夹杂物经过上浮运动冲破渣-金界面,被精炼渣吸附去除;熔体中含有的Mn、Al、S等元素杂质会通过界面反应形成相应的氧化物和硫化物被去除。所设计的低熔点、低碱度精炼渣能够有效减少FeSiB体系铁基非晶合金中硅元素和硼元素的烧损,并显著降低夹杂物的数量和尺寸,能够有效优化FeSiB体系铁基非晶合金的精炼过程,从而提高合金的洁净度和质量。该研究不仅为FeSiB体系铁基非晶合金的洁净化冶炼提供了新思路,也为相关冶金与材料领域的应用研究提供了有价值的参考。
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  稀土微合金化石油套管钢连铸浸入式水口结瘤行为

  李国键, 梁雨雨, 倪培远, 刘麒麟, 厉英

  钢铁. 2025, 60(5): 78-90.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20240671

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  浸入式水口堵塞是稀土合金化钢连铸过程的重要限制性环节,严重制约连铸生产效率。对稀土微合金化石油套管钢连铸试验的水口堵塞行为开展研究,采用SEM-EDS和XRD等手段分析浸入式水口内部结瘤物的化学组成、物相、形貌特征。结果表明,浸入式水口不同部位堵塞物的组成不同,上部为凝固钢、镁铝尖晶石、CaO·Al₂O₃（CA）和Ca-RE-Al-O系夹杂物;中部为部分凝固钢以及少量镁铝尖晶石和CA;下部为CA和CA₂的混合物、凝固钢、硅酸盐和Ca-RE-Al-O系夹杂物。浸入式水口下部结瘤最严重,其横截面通道面积减小约66%,造成这种现象的原因主要是浸入式水口下部受到空腔影响形成局部旋涡,这种流动形态加快了夹杂物向水口内壁沉积,导致下部结瘤严重。本次稀土微合金化石油套管钢连铸生产过程中,未添加稀土浇注时,浸入式水口预热脱碳后产生的SiO和CO气体与Al₂O₃和CA发生反应,生成液态硅酸盐相,同时这种硅酸盐相又会与钢液中的MgO和尖晶石相形成CaO-SiO₂-MgO-Al₂O₃夹杂物,黏附在水口内壁,此时浸入式水口结瘤物主要为CaO-SiO₂-MgO-Al₂O₃相、钙铝酸盐（CA、CA₂、CA₆）、冷凝钢和镁铝尖晶石,换浇稀土钢后,Ca-Al-O系夹杂物被稀土元素改性成Ca-RE-Al-O系夹杂物,同原始夹杂物一起附着在上述结瘤物表面,结瘤物厚度进一步增加。
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  高碳钢连铸坯末端单辊重压下和PMO技术比较

  黄雁, 陈玉娥, 陈永峰, 左小坦, 刘海宁, 徐智帅, 翟启杰

  钢铁. 2025, 60(5): 91-101.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20240641

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  基于国内某钢厂180 mm×180 mm断面连铸机生产SWRH82B高碳钢生产实践,在同一连铸工况下,比较研究了末端单辊重压下及脉冲磁致振荡（PMO）技术对SWRH82B高碳钢小方坯碳宏观偏析和中心缩孔等缺陷的改善效果。分别在连铸坯横剖面及纵剖面上对元素分布、宏观组织、等轴晶率进行测量分析。结果表明,采用单辊重压下20 mm,SWRH82B高碳钢铸坯纵剖面中心处最大偏析指数由1.20以上降低至1.15以下,铸坯纵剖面低倍中心缩孔基本消除,等轴晶率变化不明显。经PMO处理,SWRH82B高碳钢铸坯纵剖面中心处最大偏析指数降低至1.12以下,平均等轴晶率由20.1%增加到31.2%,中心缩孔等级由1.5级降低至0.5级。对比研究表明,单辊重压下技术对改善凝固末端疏松和缩孔等体积亏损缺陷有明显优势,而PMO技术对提高等轴晶率和改善铸坯整体宏观偏析效果显著,且连铸机拉速越高,改善效果越好。但在连铸坯中心缩孔控制效果上,PMO技术虽有显著效果,但稍逊于单辊重压下技术。两者组合使用有望获得高等轴晶率、低偏析、无缩孔的铸坯。
压力加工
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  1 100 mm中宽带热连轧产线精轧除鳞系统优化

  花凌冬, 李衡, 彭闯, 宋玉玮, 孔宁

  钢铁. 2025, 60(5): 102-110.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20240667

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  某1 100 mm中宽带热连轧产线生产Q195、Q235B、Q355B系列带钢时,出现通板条纹状氧化铁皮缺陷,经调整除鳞系统射流压力等工艺参数后,表面质量缺陷未明显改善,产品表面仍无法满足用户要求。为控制带钢表面通板条纹状氧化铁皮缺陷,建立了除鳞喷嘴流体力学仿真模型,探究了不同除鳞方案的除鳞效果,分析了喷嘴间距、喷嘴收缩角以及喷嘴偏转角对除鳞效果与产品表面质量的影响规律。研究发现,喷嘴收缩角越小,除鳞系统中射流速度分布越集中,改善喷嘴间距可以有效改善除鳞射流速度分布的均匀性;适当减小喷嘴收缩角,可提高除鳞能力与产品表面质量。在此基础上,通过设计分析确定了系统的带钢表面除鳞质量提升优化方案,实施了现场除鳞系统的升级改造,并针对该方案开展了3轮次的除鳞效果验证试验。试验结果表明,通过除鳞系统优化,显著提升了产线除鳞能力,Q235B系列带钢表面缺陷比例从原有的43%降低至15%,Q195、Q355B系列带钢表面缺陷比例也从原有的42%、40%分别降低至14%和12%,用户表面质量缺陷异议由原来的平均5卷/月减小至1卷/月,有效改善了热连轧中宽带钢表面通板条纹状氧化铁皮缺陷。该工作可为类似除鳞系统改进及中宽带钢表面质量控制研究提供理论与实践参考。
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  热连轧工作辊分段冷却模型及工业应用

  邵志国, 杨利坡, 王海深, 徐文军, 王秋娜, 郑文广, 王淑志, 王凯弘

  钢铁. 2025, 60(5): 111-119.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20240617

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  针对热连轧传统冷却模式常见的轧辊温度分布不均、热辊型波动频繁及局部热点等问题,为定量调整轧辊的瞬态温度梯度和在线热辊型,更好地控制产品横向厚差精度,基于在线轧辊的动态热传导特性,沿轧辊横向施加不同强度的冷却水流量,建立热连轧工作辊分段冷却有限差分模型。首先通过接触式测温仪沿工作辊横向快速测温,逆向反算在线温度场对流换热系数,结合实际工况参数,对轧制过程温度场进行模拟,通过模拟结果与现场实测数据的对比,验证了模型的可靠性。随后综合考虑开启水量、带宽、轧制时间等关键因素,深入分析热连轧过程中轧辊温度及热凸度的动态变化规律。结果表明,总冷却水开启比例增加20个百分点后,轧辊温度降低6.5 ℃,热凸度减小32.0 μm;轧制时间减少10 s,轧辊温度降低5.1 ℃,热凸度减小24.3 μm,而宽带钢的热膨胀量均匀性更好。通过对比3种典型的横向分段冷却模式,得出冷却水量横向分布在线调整时,轧辊温度及热凸度随之动态变化,根据工况需求选择合适分段冷却模式,可将整体辊温、横向温差精准调整至设定范围内。为热连轧多机架的分段冷却模式选择及板形板凸度综合优化提供重要依据,并且为设计高效率热轧冷却装置及多工况耦合分段冷却系统奠定理论基础。
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  20辊轧机板形预报简化模型

  任寅杰, 王东城, 吕猷闯, 杜京博, 刘宏民

  钢铁. 2025, 60(5): 120-128.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20240608

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  高端带材的产量和质量是衡量1个国家工业发展水平的重要指标。20辊轧机是生产高端带材的核心设备之一,其板形控制策略复杂多变,板形控制系统的核心是板形预报模型。20辊轧机板形预报的模型耦合法（快速预报模型）避免了辊系弹性变形模型与带材塑性变形模型之间的反复迭代,显著提高了计算速度和稳定性。但由于20辊轧机辊系结构复杂,其建模过程十分繁琐,导致模型迁移性较差。为此,提出了1种基于模型耦合法的20辊轧机板形预报简化模型,剥离出与板形值直接相关的关键因素,在牺牲有限精度的前提下,极大降低了模型的使用门槛。以森吉米尔20辊轧机轧制304不锈钢薄带为例,对简化模型精度进行了评估。实测板形与简化模型和快速预报模型的计算结果吻合程度较高,仅在带材两边部存在一定偏差,验证了简化模型的准确性。在此基础上,分析了不同压下率、不同非对称窜辊量、不同工作辊凸度对简化模型计算误差的影响。当单道次压下率小于30%,工作辊为“平辊”或“凸辊”时,简化模型的相对误差介于-15%~15%之间。
钢铁材料
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  1 000 MPa级汽车用含Ti双相钢组织与性能关系

  王锦旭, 钱玲, 陶长虎

  钢铁. 2025, 60(5): 129-137.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20240668

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  汽车轻量化与高安全性需求推动了高强韧双相钢的应用,但提高双相钢强度往往伴随着韧性的下降。为此,开发了1款1 000 MPa级含Ti双相钢,旨在通过细化晶粒和缩小两相强度差异来提升其强韧性。研究结果表明,添加Ti元素后,设计钢成功引入了大量平均直径为8 nm的TiC粒子,使得铁素体晶粒尺寸从初始双相钢的3.2 μm细化至1.7 μm,同时马氏体形态也由初始双相钢的大尺寸块状转变为均匀细小的岛状。这得益于TiC的析出强化和细晶强化效果,该设计钢的屈服强度和抗拉强度相比初始双相钢有显著提升,分别由606 MPa和926 MPa提升至771 MPa和1 028 MPa。此外,TiC粒子的引入不仅实现了晶粒细化,还有效降低了铁素体与马氏体之间的强度差异,提高了铁素体与马氏体之间的协调变形能力。尽管这在一定程度上降低了设计钢的均匀伸长率,但其更细致的微观结构和优异的两相协调变形能力促进了拉伸变形中应变的均匀分布,有效缓解了应力集中,显著抑制了裂纹的形成与扩展,从而提高了后均匀伸长率。因此,设计钢的总伸长率仍保持在16.2%,与初始双相钢相当。另外,设计钢细致的微观组织和优异的两相协调变形能力也有利于抑制弯曲变形过程中裂纹的形成和扩展,进而提升了弯曲韧性,使得弯曲角度极限从初始双相钢的75°提升至86°。该研究有助于对设计高强韧性双相钢提供一定的理论依据。
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  淬火工艺对特厚海工钢组织和性能的影响

  陆春洁, 刘汉文, 曲锦波, 李润杰, 谢振家, 尚成嘉

  钢铁. 2025, 60(5): 138-147.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20240680

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  随着海洋油气资源开发向深海推进,超深水导管架的尺寸和质量急剧增大,使用420 MPa级以上高强钢取代传统355 MPa级钢已成为必然选择。通过拉伸、低温冲击、金相、扫描电子显微和电子背散射衍射等手段,对比分析了工业化控制轧制后在线直接淬火（TMCP）和离线再加热淬火加回火（RQ+T）工艺对100 mm厚420 MPa级高强钢显微组织和力学性能的影响。结果表明,TMCP钢板1/4厚度（1/4t）和1/2厚度（1/2t）位置显微组织均为针状铁素体+准多边形铁素体+少量贝氏体,1/4t位置显微组织中针状铁素体含量较多,1/2t位置显微组织中准多边形铁素体含量较多,均具有优异的强韧性匹配,屈服强度分别为481 MPa和423 MPa,韧脆转变温度低于-90 ℃。而RQ+T钢板1/4t和1/2t位置的显微组织均为多边形铁素体+少量回火贝氏体。虽然RQ+T钢板1/4t和1/2t位置具有优异的低温韧性,韧脆转变温度低于-100 ℃,但其1/4t和1/2t位置强度均显著低于TMCP钢板,屈服强度仅分别为420 MPa和383 MPa。进一步研究表明,TMCP钢板的高屈服强度归因于细晶强化与位错强化,TMCP钢板的晶粒尺寸较细,组织中大量针状铁素体提供了较高的位错密度。较多的晶界和高位错密度是其高强韧性匹配的关键。可见,TMCP工艺生产的特厚海工钢具有更优异的强韧性匹配和成本效益,适合推广应用。
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  热处理对注射成形Fe-32%Mn-12.5%Al-0.9%C低密度钢组织及力学性能的影响

  刘世锋, 黄睿, 万莹, 王岩, 钟伟, 段满堂

  钢铁. 2025, 60(5): 148-158.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20240625

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  FeMnAlC轻质高强钢具有密度低、强度高和韧性好等优点,在轻量化电子元器件制备中具有广阔的市场前景。金属粉末注射成形技术能够批量生产高精度、复杂形状的FeMnAlC轻质高强钢零部件,且生产效率和材料利用率较高。以注射成形Fe-32%Mn-12.5%Al-0.9%C（质量分数）轻质高强钢为研究对象,研究了热处理对注射成形Fe-32%Mn-12.5%Al-0.9%C轻质高强钢的微观组织特征及力学性能的影响规律,运用光学显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射仪（XRD）等分析检测手段表征注射成形FeMnAlC钢在烧结、固溶和时效态的显微组织和物相结构,分析了各阶段的组织变化规律及其对性能的影响。研究结果显示,烧结态FeMnAlC钢密度为6.251 g/cm³,致密度达到98.75%,由BCC Fe（Mn）、Fe₃AlC和Fe₃Al 3种物相构成,平均晶粒尺寸为3.41 μm。由于Fe₃AlC和Fe₃Al等脆性相的大量存在,导致注射成形烧结态FeMnAlC钢抗拉强度极低,仅为30.6 MPa,拉伸试样断裂前未发生任何塑性变形。经过固溶处理后,组织转变为单一的γ相,平均晶粒尺寸增大至10.64~12.24 μm,抗拉强度提升至871 MPa,伸长率增加至5.8%,力学性能得到显著改善。时效处理后,κ-碳化物在基体中析出并在晶界富集,析出强化作用进一步提高了材料强度,但降低了材料的塑性。时效温度越高,晶界析出物越多,经550 ℃时效处理后材料的抗拉强度提升至1 009 MPa,伸长率降低至1.9%。研究可以为超低密度轻质高强钢的工程化运用提供重要的数据支撑,进而促进新一代3C产品轻量化部件的开发与应用。
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  保温时间对快速加热车轮钢相变规律和组织性能的影响

  刘儒佳, 曹燕光, 杨庚蔚, 张超, 李昭东

  钢铁. 2025, 60(5): 159-170.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20240674

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  随着铁路列车车速的提升,对车轮钢高强韧性的要求也不断提高。快速加热工艺能够细化钢的原始奥氏体晶粒,有助于提升车轮钢的力学性能。为了阐明快速加热车轮钢微观组织和力学性能随保温时间的演变规律,利用Formastor-F II全自动相变仪测定了快速加热后的车轮钢经不同时间保温冷却后的膨胀量曲线,结合光学显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）、电子背散射衍射仪（EBSD）、显微硬度（HV）和夏比冲击试验等手段获得了2种工艺下钢的显微组织、力学性能和连续冷却转变曲线（CCT曲线）。研究表明,快速加热试样经不同时间保温后的CCT曲线均由铁素体-珠光体相变区、贝氏体相变区和马氏体相变区组成。短时保温后的试验钢铁素体-珠光体相变开始温度升高,并且贝氏体相变临界冷却速度增大。为了获得铁素体-珠光体目标组织,试验车轮钢的冷却速度应控制在1.5 ℃/s以下。短时保温能够细化奥氏体晶粒、铁素体晶粒和珠光体块,显著提高铁素体体积分数。在冷却速度为1.5 ℃/s的条件下,相较于长时保温,短时保温后的试验钢中铁素体体积分数增加和珠光体块尺寸的显著细化,导致冲击韧性由（42.7±6.0） J提升至（55.0±1.0） J。同时,尽管试验钢在短时保温后的硬度因为铁素体体积分数的增加而降低,但铁素体晶粒和珠光体片层间距的显著细化提升了单相组织的硬度,使得试验钢整体硬度仍维持在（243.2±1.3）HV的较高水平,从而获得了良好的强韧性匹配。
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  热轧卷冷却方式对冷轧低合金高强钢H800L性能的影响

  曹晓恩, 陈子刚, 李守华, 王亮亮, 马子洋, 薛仁杰

  钢铁. 2025, 60(5): 171-177.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20250013

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  冷轧低合金高强钢（HSLA）是近年来汽车高强钢开发最成功的钢种之一,顺应汽车轻量化及安全性发展需求,各钢厂积极开发更高级别牌号钢种,其中典型代表钢种H800L广泛应用于座椅滑轨、门槛件及防撞梁等结构件。针对冷轧低合金高强钢H800L工业生产中出现的批量性能偏低问题,回溯至热轧卷下线后的冷却工艺,从不同冷却方式这一变量出发,通过显微组织的演变规律解释性能差异性原因。利用光学显微镜（OM）、透射电镜（TEM）、能谱（EDS）等研究了热轧卷下线冷却方式对热板及连退板显微组织的影响,辅以酸轧轧制力对比分析,重点通过微合金第二相析出物的种类、尺寸、分布来阐述差异性机理,揭示连退产品性能偏低的根本原因。挡风墙内缓冷使得微合金第二相析出物NbTiC熟化对相变铁素体晶界的钉扎作用减弱,促使热板铁素体晶粒长大;同时在半退火过程中大颗粒熟化NbTiC对冷轧铁素体纤维状组织再结晶过程无明显抑制作用,出现大量多边形铁素体是导致连退板性能不合格的根本原因;库区自然冷却模式第二相析出物更加细小弥散,细化热板显微组织,对冷轧铁素体纤维组织的半退火再结晶行为具有抑制作用,获得具有大量畸变能、形变位错的半退火组织是保证高强度的关键。
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  氮对含钒304奥氏体耐热钢力学及高温氧化性能的影响

  邹雨天齐, 张郑, 王帆, 惠朋博, 何婵, 邹德宁

  钢铁. 2025, 60(5): 178-189.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20240672

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  奥氏体耐热不锈钢因其优异的耐高温、耐腐蚀性能和良好的力学特性,广泛应用于高温环境中。钒元素能增强材料强度,但在高温下易形成低熔点的V₂O₅氧化物,进而破坏氧化膜,降低抗氧化性能。氮作为固溶强化元素,不仅能通过固溶强化和晶粒细化提升力学性能,还能改善氧化膜的形成,提高高温氧化性能。以含钒304奥氏体耐热钢为研究对象,系统研究了氮含量对其微观结构、力学性能和高温抗氧化性能的影响。通过光学显微镜（OM）、扫描电镜（SEM-EDS）、X射线衍射（XRD）及X射线光电子能谱（XPS）对不同氮含量的试验钢进行表征,揭示了氮含量变化对组织和性能的影响。氮的加入显著细化了晶粒,随着氮含量的增加,晶粒尺寸由41 μm缩小至31 μm,屈服强度由368 MPa提高至409 MPa,抗拉强度提升至724 MPa。在高温氧化性能方面,氮含量增加后,晶界增多,促进了铬向表面迁移,与氧反应形成致密的Cr₂O₃氧化膜。此外,氮的加入能够抑制V₂O₅的生成,从而提高了材料的抗高温氧化性能。研究表明,氮元素通过固溶强化和晶粒细化,不仅提高了含钒奥氏体耐热不锈钢的力学性能,还有效改善了其高温抗氧化性能,为该材料在高温环境中的应用提供了理论支持和技术依据。
环保与能源
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  气淬钢渣作为喷砂磨料的理化特性及除锈效果

  林文龙, 王辉, 谷少鹏, 张伟, 裴晶晶, 张玉柱, 张海艳, 邢宏伟

  钢铁. 2025, 60(5): 190-204.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20240658

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  目前,中国钢渣堆存量约10亿t,造成严重的土地资源浪费和环境污染等问题。实现钢渣处理工艺与直接应用途径的高度匹配是中国钢渣资源化利用亟待解决的核心问题。气淬法不仅能高效回收熔渣显热,且处理后的钢渣具有与喷砂除锈磨料相近的物化性能。若将其用于喷砂除锈工艺获得相同甚至优于常规磨料的处理效果,不仅能拓宽钢渣的应用途径,也会大力提升钢渣的资源化率及其附加值。除锈效果与磨料属性及工艺参数密切相关。首先分析气淬钢渣的理化特性,建立其在喷砂除锈工艺的适用性准则。随后通过喷砂除锈试验,探究喷砂参数及钢渣粒级对基材清洁度与表面粗糙度的影响。结果表明,气淬钢渣在粒度、密度、硬度等理化性能方面完全符合标准要求,且具有较高的抗压强度。粒级为[0.2,0.5） mm的气淬钢渣在喷砂时间为6 s、喷砂距离为100 mm、喷砂压力为0.55~0.65 MPa、喷砂角度为45°~90°的工艺条件下除锈清洁度能达到除锈Sa2.5标准。粒级为[0.5,1.0） mm及[1.0,1.4） mm的气淬钢渣则需要喷砂时间为6~10 s、喷砂压力为0.60~0.65 MPa、喷砂角度为60°~90°才能获得较好的清洁度。基材表面的三维粗糙度受喷砂时间影响最为显著,喷砂后表面算术平均高度S_a均值为16~23 μm。最后,发现喷砂后剩余磨料中含有的金属氧化物含量较多,可进行循环喷砂,实现有价元素富集。
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  钢铁企业煤气-蒸汽-电力能源调度优化算法

  朱亚琴

  钢铁. 2025, 60(5): 205-214.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20240622

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  钢铁工业是中国国民经济的重要基础性产业,对于国家经济发展具有举足轻重的作用。然而其生产过程中能源消耗巨大并且碳排放问题日益严峻,这使得钢铁企业面临着环境保护和能源效率的双重压力。为了应对这一挑战,深入研究了钢铁企业的能源调度问题,特别是针对煤气、蒸汽、电力这3种主要能源介质的优化调度提出了1种基于多目标粒子群优化的能源调度算法,该算法目的在于实现能源经济成本和二氧化碳排放量这2个关键目标的综合优化。同时该优化算法结合了模糊数学方法,能够更精确地描述和处理能源调度中的不确定性和模糊性。通过不断迭代和寻优算法能够在多个目标之间找到最佳的平衡点进而有效平衡经济与环保之间的矛盾。以年产粗钢800万t的钢铁企业为例,对所提出的优化算法进行了实证研究。研究结果表明,该算法能够显著提升能源调度的效率,减少能源浪费,使得煤气、蒸汽和电力的利用更加合理和高效。同时,在减少二氧化碳排放量方面也取得了显著成效,为钢铁企业的绿色发展提供了有力支持。此外,该优化算法还能够提高Pareto解的质量和多样性,加快收敛速度,为决策者提供了更多样化的选择方案。这对于钢铁企业在面临复杂多变的市场环境和政策要求时,制定更加科学合理的能源调度策略具有重要意义。