2025年, 第60卷, 第9期　刊出日期：2025-09-15

  

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专家论坛
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  竖炉氢冶金是钢铁行业低碳发展重要路径之一

  王新东, 韩星, 钟金红

  钢铁. 2025, 60(9): 1-13.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20250121

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  钢铁行业作为高碳排放领域,其绿色低碳转型对实现“双碳”目标具有重大战略意义。氢能与钢铁流程的深度融合,尤其是氢冶金技术,通过以“氢”代“碳”还原,从根本上减少对碳元素的依赖,成为未来炼铁技术革新的重要方向。系统阐述了当前主流的氢冶金工艺技术及其实施路径,从原料获取与制备、核心反应机理、关键设备运用到工艺流程构建等多个维度进行归纳总结,全面评估了各工艺技术的特点、优势及局限性。重点聚焦河钢集团焦炉煤气零重整氢冶金示范项目（HyMEX）,详细介绍了其工艺技术创新与运行实践。HyMEX项目成功将“焦炉煤气零重整直接还原技术”工程化应用,突破国际上采用天然气制备还原工艺气体的常规手段,成为目前工业化生产中含氢比例最高的气基竖炉直接还原工艺,为氢冶金技术的工业化应用树立了标杆。结合中国产业政策导向和资源禀赋特点,深入探讨了中国竖炉氢冶金的发展前景及可持续发展技术路径。作为全球最大的钢铁生产国,中国拥有丰富的焦炉煤气资源,这为氢冶金技术的规模化推广提供了独特的资源优势。未来,随着氢能产业链的不断完善和成本下降,氢冶金技术有望在中国实现大规模商业化应用,从而推动钢铁行业向绿色低碳方向加速转型,为实现“双碳”目标提供强有力的技术支撑。
综合论述
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  中国发展电炉流程的资源能源约束及技术经济性分析

  张琦, 沈佳林, 田硕硕, 李星宇

  钢铁. 2025, 60(9): 14-24.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20250156

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  在中国钢铁行业低碳转型背景下,加强废钢资源的高质循环利用,大力推进电炉流程发展,是实现钢铁行业“碳达峰”“碳中和”目标的重要途径。然而,目前电炉流程的发展正面临资源、能源与技术等多重约束。通过对高炉-转炉、全废钢电炉及氢基直接还原铁-电炉流程的资源能源消耗及碳排放特征进行对比分析,揭示了长流程中大量化石能源消耗造成了高碳排放,而全废钢电炉和直接还原铁电炉流程在碳减排方面展现出显著优势。进一步地,深入剖析了电炉流程在资源获取、能源供应及技术经济性方面所面临的挑战。研究发现,中国废钢资源区域分布高度不均,经济发达地区资源相对丰富,而资源集中配置与高效利用之间存在结构性矛盾。此外,国内直接还原铁产业发展缓慢,受限于还原剂和铁素原料等能源资源的获取难度与经济性,产能扩张受阻。尽管电炉炼钢技术总体成熟,但在装备大型化与自动化水平上仍有提升空间,且其生产成本普遍高于长流程,易受废钢价格与电力成本波动影响。未来,需充分考虑不同地区在资源禀赋、能源结构、环保压力和政策导向方面的差异,结合技术进步与区域差异化政策协同发力,以加快推动电炉炼钢在中国的低碳转型进程。
原料与炼铁
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  预干燥强化高比例铁精矿烧结新技术

  朱德庆, 黎子曦, 王梁, 郭正启, 潘建, 杨聪聪, 王欣

  钢铁. 2025, 60(9): 25-33.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20250165

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  针对高比例铁精矿制粒水分高、烧结过程过湿严重、料层透气性差、烧结速度慢、利用系数低的问题,提出预干燥强化烧结的新思路。点火前,利用热风对料层进行预干燥,从而减少混合料水分,缓解过湿现象,改善料层透气性,以提高烧结的产量、质量。通过开展系统的烧结杯试验,研究了点火温度、预干燥时间、预干燥负压、预干燥温度、焦粉用量等因素对烧结性能及烧结矿性能的影响,揭示了高比例铁精矿预干燥强化烧结机理。研究结果表明,在料层高度为750 mm,烧结矿碱度为1.65,焦粉用量为4.5%,预干燥温度为300 ~500 ℃、预干燥负压为5 kPa和预干燥时间为2 min,点火时间为1.5 min,点火负压为6.0 kPa和点火温度为1 100 ℃的条件下,烧结利用系数为1.91 t/（m²·h）,低温还原粉化指数 IRD>3.15 mm为60.21%。与常规烧结相比,烧结利用系数提高19.4%,IRD>3.15 mm增加近6个百分点, 烧结矿的产量、质量指标得到显著改善。预干燥强化烧结新技术所制备的成品烧结矿转鼓强度为55.13%,烧结固体能耗为51.28 kg/t,与常规烧结基本相同。然而,当预热温度超过500 ℃后,利用系数降低。相比传统烧结工艺,预干燥强化烧结技术改善了烧结矿的还原性,有利于降低高炉冶炼焦比;促进了复合铁酸钙的生成,其发育良好,结晶度高,且与其他矿物结合紧密,进而增强烧结矿的力学性能,为高炉稳定运行提供了有利条件。
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  借助多模态大模型的烧结终点优化模型

  刘颂, 金焕, 刘然, 刘小杰, 赵军, 李宝生, 郝建海, 吕庆

  钢铁. 2025, 60(9): 34-47.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20250126

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  中国钢铁产业在国际竞争中正面临提升智能制造水平的重大挑战,其中烧结终点智能控制是提升钢铁产量、优化产品质量及实现智能制造的关键工艺环节。总结了国内外关于烧结终点监测的研究进展,包括过程监测、产品质量监测及过程优化控制,并分析了基于多模态大模型的烧结终点优化研究的发展动态和关键问题。基于多模态大模型（DeepSeek）架构,融合终点位置、风箱负压、机尾图像等多元异构参数,构建了一种高精度、强鲁棒性的烧结终点状态软测量模型,并结合烧结过程仿真模拟技术,实现了复杂工况下烧结台车底部温度和压力等数据的精确计算,有效预测了烧结终点的状态。针对烧结过程中少标签、时滞数据的特征,设计一种基于迁移学习和案例推理的烧结矿质量在线监测模型,以实现对烧结矿化学成分、粒度分布等关键质量指标的实时预测和监控。在此基础上,又提出一种多参数协同调控的烧结终点优化控制模型,并结合改进的多目标遗传算法（AMOGA）与滚动时域优化策略,实现不同工况条件下的烧结终点动态优化控制。从冶金行业需求出发,该研究为烧结过程的智能化和精细化控制提供了重要的理论和方法支撑,对于提升钢铁行业智能制造水平和提高生产效率具有重要的科学价值和应用前景。
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  钢铁烧结烟气一氧化碳催化净化技术及工程实践

  李子宜, 石子烜, 段利钢, 要清波, 谢春帅, 张德仁, 李巨辉, 刘应书

  钢铁. 2025, 60(9): 48-57.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20250120

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  钢铁行业烧结烟气的一氧化碳（CO）催化净化技术因其兼具节能环保的独特优势,近年来备受关注并成为研究的热点,然而受限于催化剂毒化与规模化生产等瓶颈,国内外至今尚无实际工程应用报道。报道了邯钢435 m²烧结机全烟气量（160 万m³/h,标况,湿态）CO催化净化工程案例,采用贵金属蜂窝催化剂填装至原脱硝（DeNO_x）塔备用层的方式,在无需外置设备的前提下实现了CO减排治理,同时回收CO氧化所释放的反应热,大幅节约了烟气升温（供催化脱硝用）所需的焦炉煤气用量。结果表明,工程运行至今4个月,整体性能保持稳定,CO催化效率达到76%~85%、CO排放质量浓度达到1 070~2 365 mg/m³（低于当前环保要求2 800 mg/m³）、烟气温升33~55 ℃、煤气节约率为63%~100%。基于连续运行监测数据,分析了烟气温度、流量及其他污染物含量对CO催化性能的影响规律;重点针对实际工程中特殊操作阶段（投运初期、中途停机、烟气循环开闭）下的运行情况进行了总结,发现当前系统可抵抗运行工况的波动,并具备同时实现CO达标排放与煤气全部节约的能力,折合烧结工序能耗（以标准煤计）降低3.4 kg/t。通过构建烧结烟气CO催化净化工程示范系统,为钢铁行业多污染物协同治理提供了工业化实践案例,并为推进烧结工序节能减排与清洁生产协同优化提供了技术支撑。
炼钢
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  铸坯加热过程中CaO-SiO₂-Al₂O₃（-MgO）夹杂物的结晶行为

  徐琦, 雷旭博, 刘东华, 聂新龙, 李建立

  钢铁. 2025, 60(9): 58-72.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20250142

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  为了优化现有硅锰脱氧钢夹杂物塑性化控制工艺,考察了CaO-SiO₂-Al₂O₃（-MgO）夹杂物在随铸坯一同加热过程中的等温结晶行为。在实验室制备了一系列不同MgO含量的玻璃渣样品以模拟硅锰脱氧钢中相同成分的玻璃态夹杂物,并通过等温加热试验,绘制了夹杂物在温度为950~1 250 ℃时的玻璃-结晶转变TTT（time-temperature-transformation）曲线。试验结果表明,低熔点的CaO-SiO₂-Al₂O₃夹杂物在热处理过程中结晶倾向较低,易于保持玻璃态稳定。然而,随着体系中MgO含量增加,夹杂物的结晶能力逐渐增强。当MgO质量分数为0时,合成夹杂物的主要结晶温度为1 150~1 250 ℃。随着MgO质量分数增加至4.4%,合成夹杂物的结晶温度扩大至1 100~1 250 ℃。当MgO质量分数进一步增加至8.1%及以上时,合成夹杂物的结晶温度进一步扩展至950~1 250 ℃。CaO-SiO₂-Al₂O₃（-MgO）体系夹杂物的结晶方式主要为表面结晶,且其结晶程度随着热处理温度升高和时间延长而增大。XRD（X-ray diffraction）分析表明,不含MgO时,合成夹杂物热处理后析出的主要晶相为Ca₂Al₂SiO₇和CaSiO₃。添加MgO后,合成夹杂物中析出的晶相转变为Ca₂Al₂SiO₇和Ca₂MgSi₂O₇。此外,热处理过程中CaO-SiO₂-Al₂O₃-MgO夹杂物与硅锰脱氧钢基体之间会发生固相反应,且随着夹杂物中MgO含量升高,该固相反应程度及元素扩散行为逐渐增强。为防止低熔点夹杂物在热处理过程中发生结晶转变,需严格控制夹杂物中MgO含量,并依据TTT曲线合理设置铸坯加热温度和时间。
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  基于生物质燃烧的废钢多级预热技术

  金余鑫, 肖鹏程, 朱立光, 朱荣

  钢铁. 2025, 60(9): 73-83.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20250198

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  转炉大废钢比冶炼是适合中国国情的炼钢减少碳排放策略。为了确保转炉出钢温度,需要对废钢进行预热以补充热量。生物质颗粒作为清洁可再生能源,因其碳中性特性,可有效替代转炉煤气用于废钢预热工艺,实现冶金过程的低碳化。现有废钢预热主要采用水平隧道式预热炉,能耗高、能源效率低。针对上述问题,设计了竖井式废钢预热炉,并利用数值模拟与试验验证相结合的方法,对比研究了竖井式预热炉与水平式预热炉在不同工况条件下的预热效果。建立了2种废钢预热场景下的三维瞬态多场耦合模型,研究了不同预热时间下使用生物质颗粒燃烧作为热源,2种预热炉对废钢表面及芯部的预热效果。模拟与试验结果表明,在消耗相同的生物质颗粒条件下,竖井式预热炉内废钢最终温度明显高于水平式预热炉内废钢温度,废钢表面及芯部温度随着预热时间增加而明显升高,升温速率随着废钢温度的升高而逐步减缓。在预热时间为900 s时,竖井式预热炉内废钢吸热效率最高为62.5%,废钢平均温度比预热方式平均温度高124 ℃,吨钢多吸收热量7.1×10⁴ kJ,竖井式预热炉余热回收率达到51%;在相同条件下,水平式预热炉内废钢吸热效率为47.5%,废钢余热回收率为0。在预热时间分别为900、1 200 s时,吨钢降低碳排放量分别为94.9、111 kg。因此,生物质颗粒在热效率与减碳效果上均具备替代转炉煤气的潜力,而竖井式预热炉替代水平式预热炉不仅提升了废钢预热温度,还为转炉大废钢比的提高奠定了基础。
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  含钛钢连铸凝固过程及溶质元素再分配行为数值模拟

  王涵, 屈天鹏, 李向龙, 王德永

  钢铁. 2025, 60(9): 84-95.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20250153

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  含钛微合金钢在连铸过程中易析出具有尖锐棱角结构的TiN夹杂物,其引发的应力集中效应会对钢材力学性能和使用寿命产生负面影响。TiN析出与钢中溶质元素钛、氮的偏析行为密切相关,通过构建微观偏析-宏观传热-TiN析出热力学的多尺度耦合模型,并基于三维切片方法建立连铸全域凝固模型,研究了多元合金凝固行为以及溶质再分配过程对TiN析出的影响规律。凝固结束后,中心及1/4厚度处钛、氮元素呈正偏析,而铸坯表层处由于受高冷速影响出现负偏析现象。厚度中心及1/4处均呈现出显著的TiN析出峰,表层析出量较小,中心处TiN析出质量分数为0.000 34%,1/4厚度处TiN析出质量分数为0.000 41%,而在距中心1/4厚度处析出量为中心处的1.2倍,TiN析出分布与板坯液相穴的分布呈现出显著的空间对应关系。探究了拉速变化对溶质偏析及TiN析出的影响,研究结果表明,拉速提高会加剧溶质偏析以及TiN析出行为,当拉速从1.2 m/min提升至1.4 m/min时,拉速每提高0.1 m/min,坯壳厚度平均增长率为8.52%,凝固终点位置将延长1.1 m,铸坯中心处溶质氮的偏析度平均增幅约为0.91%,钛的偏析度平均增幅约为1.15%,TiN质量分数平均增幅为0.35%。研究结果对提升微合金钢铸坯质量和控制有害夹杂物具有理论指导意义。
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  钢包底吹CO₂搅拌动力学行为数值模拟

  李晨晓, 赵鹏, 王书桓, 赵定国, 沈浩杰, 高倩倩

  钢铁. 2025, 60(9): 96-112.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20250188

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  中国钢铁行业面临碳减排的严峻挑战,其低碳化转型需求极为迫切。行业亟需通过技术创新优化工艺流程,以应对国家“双碳”战略目标下的减排压力。为此,通过数值模拟系统分析了钢包底吹CO₂替代传统氩气作为搅拌气体的可行性及其动力学行为。基于搅拌能方程理论计算,发现当CO₂完全参与脱碳反应时,其理论最大搅拌能可达氩气的2倍,搅拌能为11.9 W,可显著增强熔池流动性与夹杂物去除效率,但在实际工况下还需考虑反应效率的影响。通过构建180 t钢包多相流模型,系统分析了透气砖夹角、中心距离及吹气流量等参数对钢液流场、湍动能分布及钢渣界面行为的影响。结果表明,当双透气砖夹角为135°、距底部中心距离为0.5R（R为钢包半径）、底吹流量为550 L/min时,钢液流场均匀性显著提升,钢液“死区”面积较传统布置减少44%,渣眼面积缩小33.5%,卷渣风险降低至氩气体系的1/3。此外,CO₂的弱氧化性通过脱碳反应生成CO气泡,促进夹杂物异相形核与上浮去除,同时降低耐火材料侵蚀速率与气体成本。结果验证了CO₂在钢包精炼中的技术经济优势,为钢铁工业低碳化转型提供了理论依据与工艺优化方向,具有重要的工程应用价值。
压力加工
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  20辊轧机板形预报的无迭代模型耦合法

  任寅杰, 王东城, 吕猷闯, 杜京博, 刘宏民

  钢铁. 2025, 60(9): 113-121.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20250087

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  20辊轧机辊系结构复杂,其板形控制策略灵活多变。板形控制策略的合理制定依赖于精确且稳定的板形预报模型。但由于模型耦合法中还存在内层辊间压力迭代环,计算速度仍有进一步提高的空间。为此,提出了一种新型20辊轧机板形预报的无迭代模型耦合法,在牺牲有限精度的前提下,消除了内层辊间压力迭代环,显著提高了计算速度。通过3个实例,对3 种方法（传统方法、模型耦合法和无迭代模型耦合法）的收敛性、计算时间与计算精度进行了综合比较。结果表明,在收敛性方面,带材宽厚比越大,传统方法越难收敛,而模型耦合法与无迭代模型耦合法不存在收敛性问题;在计算精度方面,以传统方法计算板形值为准,无迭代模型耦合法计算的3个实例板形值的平均绝对误差（mean absolute error, E_MA）不超过2.51 I,基本保持了传统方法的原有精度;在计算速度方面,传统方法计算时间最长,其次是模型耦合法,无迭代模型耦合法计算时间最短。无迭代模型耦合法计算速度约为模型耦合法的7倍约为传统方法的8 627 倍。
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  轧机辊系轴线交叉影响的两侧刚度差抑振特性

  赵向阳, 侯新想, 彭艳, 姬凤川, 焦彦龙, 李玉鹏, 罗旭烨, 周娜

  钢铁. 2025, 60(9): 122-132.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20250140

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  轧机辊系上机后存在不可避免的静态交叉,轧制过程将产生轧辊摆振的动态交叉,极大影响了轧制过程轧机系统稳定性和产品质量,因此辊系轴线交叉状态研究和工业管控是提升轧机装备精度的关键。基于赫兹理论计算辊系小角度交叉时两侧刚度变化规律,分析轴承座装配和测量方法对轧辊轴心位置计算的影响误差,结合轧辊轴线静态交叉的几何关系分析标定和调平数据,通过调整上机轧辊轴承座状态开展振动试验,对理论模型予以验证。研究发现,基于赫兹接触理论的有限长辊间接触区为不完整椭圆,通过计算其压扁和挠曲状态,研究发现在100~1 000 μrad范围内调控轧辊轴线交叉角度最有利于提高轧机刚度。同时结合辊间交叉状态下轧辊压扁和挠曲变形规律,在标定和调平过程中实时获取和分析辊间交叉状态,在辊系平行的条件下液压压下控制的辊系刚度状态最为稳定,反之轧机两侧辊系刚度差较大。最后针对辊间交叉状态产生两侧刚度差对辊系振动的影响规律开展试验,发现通过减小辊系静态交叉程度可以实现降低轧机两侧刚度差、提高动态辊系位置波动约束限制的目标,能够有效抑制轧辊振动。
钢铁材料
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  双相梯度不锈钢应力配分及协调变形机制

  李凌霄, 张新军, 牛佳慧, 郝硕, 刘治华

  钢铁. 2025, 60(9): 133-145.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20250085

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  通过引入梯度结构可以提升双相不锈钢的力学性能,然而其高度异质性结构会导致更为复杂多变的应力应变分配行为。为了深入研究梯度结构对双相不锈钢变形行为的影响,通过超声表面滚压处理（ultrasonic surface rolling processing,USRP）技术制备了具有梯度结构的双相不锈钢,并采用晶体塑性有限元方法研究梯度结构中奥氏体和铁素体相的应力分配及相间协调变形机制。研究结果表明,经过USRP后材料表层的晶粒显著细化,且小角度晶界比例增加,铁素体晶粒中形成位错壁和位错胞结构,而奥氏体晶粒中形成层错和孪晶。另外,双相梯度结构中显著的异质变形诱导（heterogeneous deformation-induced,HDI）硬化效应,使试样屈服强度由581.34 MPa提升至690.98 MPa,表现出良好的强塑性组合。模拟结果显示,梯度双相结构中的相界和晶界处产生较大的应力集中,而细晶区的HDI硬化效应有效降低了铁素体与奥氏体之间的应变失配,缓解了局部应力集中。此外,在相同晶粒尺寸条件下,奥氏体与铁素体也会表现出不同的变形序列特征。在拉伸变形过程中,晶粒尺寸越小的区域微观异质性越低,高密度几何必须位错逐渐从表层向芯部扩展,使微观结构的异质性逐渐降低。揭示了梯度双相不锈钢在变形过程中的应变协同演化机制,为优化双相不锈钢的材料设计及综合性能提供了理论依据和试验支持。
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  中锰钢FCC/BCC双相片层组织制备及其界面特性

  王策, 李涛, 定巍, 李岩, 韩强

  钢铁. 2025, 60(9): 146-156.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20250102

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  中锰钢作为第三代先进高强钢的典型代表之一,其异质结构设计是突破强度-塑性倒置矛盾的关键途径。基于0.2C-5Mn-1Al-0.5Si（质量分数,%）中锰钢,通过950 ℃-14 h的渗碳与790 ℃-25 s的盐浴再奥氏体化协同工艺,在0.2C-5Mn钢中成功构建了跨尺度梯度异质结构,表层为FCC（面心立方）/BCC（体心立方）纳米片层双相组织,心部为马氏体基体,两者通过表层碳质量分数0.8%向心部递减至0.2%的连续碳质量分数梯度实现力学性能的耦合。结合DICTRA相变热力学模拟、TEM-EDS（transmission electron microscope-energy dispersive spectrometer）界面表征及显微硬度映射,揭示了渗碳温度（950~1 050 ℃）与再奥氏体化温度（750~790 ℃）再对双相界面特性及元素扩散动力学的调控规律。结果表明,渗碳工艺使表层碳浓度梯度化,诱发形成厚度为615~1 000 μm的珠光体层,为后续奥氏体重构提供初始碳势场;在750~810 ℃-25 s的短时再奥氏体化过程中,锰元素的短程扩散导致FCC相富锰（质量分数为14%）与BCC相贫锰（质量分数为2%~5%）的界面成分偏聚,通过降低层错能与局部稳定奥氏体TRIP（transformation-induced plasticity）效应,实现强塑协同提升（表层硬度为500HV,心部硬度为400HV）。结果为基于扩散调控的梯度异质结构设计与性能优化提供了理论依据。
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  氢含量对1 800 MPa级热成形钢力学性能与断裂机制的影响

  陈兴召, 黄楚, 王宏伟, 李明红, 曾瀚, 阮昕懿, 常智渊, 兰亮云

  钢铁. 2025, 60(9): 157-166.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20250151

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  热成形钢因其超高强度成为汽车轻量化与节能减排的重要材料。然而,1 000 MPa级以上强度的热成形钢零部件潜在的氢致延迟开裂是汽车主机厂最为担忧的问题之一。无论是在生产工艺流程还是实际服役工况中,不可避免地存在一定的氢渗入,导致高强度热成形钢出现延迟断裂行为。为此,以抗拉强度为1 800 MPa级热成形钢为对象,采用电化学预充氢模拟实际工况中的氢侵入过程,结合氢含量测定、慢应变速率拉伸（slow strain rate tensile,SSRT）与断口形貌分析,系统揭示了热成形钢氢含量、氢致力学性能和断裂机制的关联性。在特定充氢电流密度下,试样中氢含量随着充氢时间的延长先增加后降低。SSRT结果显示,相比于未充氢试样,所有充氢试样均表现出明显的氢致强度退化,即均在弹性阶段突发断裂,具有高氢脆敏感性,且随着氢含量的增加,断裂强度与伸长率显著下降。断口形貌观察发现,未充氢试样呈现典型的韧窝断裂特征;充氢后试样的断裂机制由韧性断裂转变为准解理-沿晶-韧窝混合断裂形式,且随着氢含量的增加,沿晶断裂面积分数增大,剪切唇变窄。根据HEDE（hydrogen-enhanced decohesion）机制,氢原子在原始奥氏体晶界等区域富集,降低晶界局部聚合力,使氢致沿晶断裂机制成为充氢试样的主要断裂模式。结果揭示了1 800 MPa级热成形钢氢致延迟开裂的核心机制及其导致的力学性能急剧退化规律,为提升超高强热成形钢的抗氢脆能力和服役安全性提供了关键理论支撑。
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  基于级联双阶段晶界分析框架的全自动晶粒度测量方法

  高志昊

  钢铁. 2025, 60(9): 167-174.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20250096

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  由霍尔-佩奇关系可知,组织的晶粒度直接影响纯铁材料的力学性能、耐腐蚀性和磁学特性,其标准化精确测量对纯铁材料性能评估至关重要。针对传统手工测量​​存在的效率瓶颈与操作者依赖性,以及现有图像处理方法和机器学习算法在晶界断裂修复和伪影抑制方面的不足,提出级联双阶段晶界分析框架。通过构建包含960幅纯铁金相图像的数据集,建立"识别-重建"协同机制。第1阶段采用改进U-Net（U-shaped convolutional network）架构实现晶界定位,结合加权损失函数解决晶界-晶粒比例失衡问题,保持97.3%晶界识别精度。第2阶段通过缺陷数据集训练重建网络,从而有效修复断裂晶界,使晶界完整度提升至92.7%。试验结果表明,本框架在关键指标上超越了对比方法,晶界识别的Dice系数达0.621,重建阶段的晶界闭环率提升至98.5%,单图处理耗时仅需0.28 s。在晶粒度测量方面,57.5%测试样本的相对误差低于5%,E_MAP（平均绝对百分比误差）为4.78%,在提升效率与客观性的同时,与人工测量结果高度一致。消融试验证实晶界重建与孪晶合并的协同作用使晶粒度测量E_MA（平均绝对误差）降低69.7%,动态加权损失函数使IoU（交并比）指标提升了9.7%。该方法在深度学习框架中实现了晶界拓扑完整性与测量精度的协同优化,通过消除操作者依赖性提升了测量可重复性​​,为工业金相分析提供了标准化、可解释的自动化解决方案,有助于推进材料微观结构定量表征技术的发展。
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  高强塑积中锰钢组织性能优化与成形工艺模拟

  万志远, 董瑞峰, 赵军徽, 张明旺

  钢铁. 2025, 60(9): 175-183.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20250101

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  针对第三代先进高强高塑性中锰汽车钢在冷冲压成形中的应用瓶颈,以0.1C-5.5Mn（质量分数,%）中锰汽车钢为研究对象,系统探究奥氏体逆相变退火工艺对中锰钢微观组织与力学性能的影响,基于数值模拟分析该工艺在新能源汽车A柱内板冲压成形中的可行性。通过真空熔炼、热轧、冷轧及奥氏体逆相变退火工艺制备试验钢,结合扫描电镜（scanning electron microscopy,SEM）、透射电镜（transmission electron microscopy,TEM）、X射线衍射（X-ray diffraction,XRD）及拉伸试验,揭示了退火温度与保温时间对组织演变及性能的协同作用。结果表明,在650 ℃保温15 min的优化条件下,碳化物充分溶解,C、Mn元素均匀配分,铁素体等轴化显著改善变形协调性,试验钢抗拉强度达1 148 MPa,屈服强度达907 MPa,伸长率达32.54%,强塑积峰值达到36.51 GPa·%,这归因于相变诱导塑性效应与晶界特征优化的协同强化。进一步通过数值模拟分析A柱内板冲压成形规律发现,压边力由200 kN增至300 kN时,材料流动阻力增强,最大厚度减薄率从29.18%降至28.79%,有效抑制法兰区的无序堆积;冲压速度由200 mm/s增至800 mm/s时,减薄率呈先升后降的非线性响应,成形极限图显示零件主体区域应变点均位于安全区,证实基础工艺参数是可行的,这为中锰钢在汽车零件中冲压成形的应用提供参考。
环保与能源
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  钢渣基石晶复合材料的耐热氧老化性能

  苏畅, 赵令, 刘顺, 张浩, 陈良军, 宗志芳

  钢铁. 2025, 60(9): 184-193.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20250203

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  石晶复合材料（SCC）在长期使用过程中易受到温度与氧气的破坏,导致材料结构发生变化,使用寿命显著降低,因此,提高其耐热氧老化性能是产品能广泛应用的重要前提。采用聚乙二醇（PEG）、甲基丙烯酸甲酯（MMA）、过氧化二异丙苯（DCP）复合溶液对钢渣微粉（SS）进行表面改性获得改性钢渣微粉（MSSP）,并将其替代滑石粉通过熔融共混与热压相结合制备钢渣基石晶复合材料（MSSP/SCC）,测试MSSP/SCC热氧老化前后的弯曲强度、颜色变化。采用扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射仪（XRD）、傅里叶红外光谱仪（FTIR）与X射线光电子能谱仪（XPS）分析MSSP对SCC的作用机理。试验结果表明,MSSP替代滑石粉比例为50%（质量分数）时,MSSP/SCC经过热氧老化16 d的弯曲强度达到27.1 MPa,弯曲强度保持率为89.7%,相比于普通SCC,分别提高了53.9%和25.3%,且总色差∆E变化最低,为0.51。MSSP与SCC体系在MSSP/SCC出现网状纤维。MSSP以及表面羟基可以作为交联点与SCC体系产生物理化学交联作用,有利于抗热氧老化。在热氧过程中,MSSP与SCC体系形成的纤维网状结构有利于提高弯曲性能。MSSP替代滑石粉比例为50%（质量分数）时,MSSP与SCC体系界面相容性好,MSSP与木粉能被高密度聚乙烯树脂（HDPE）较好包裹,表面结构更紧密,可阻止热氧传递,MSSP表面形成的羟基与SCC体系热氧老化后产生的自由基结合,可终止链式反应,提高耐热氧老化性能。
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  铁矿粉烧结过程配加生物质炭燃料的试验与影响分析

  辛闯, 何志军, 刘吉辉

  钢铁. 2025, 60(9): 194-203.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20250173

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  为了减少铁矿粉烧结过程中焦粉用量和有害气体排放,对烧结过程中配加生物质炭燃料进行了试验研究。通过分析烧结技术指标（烧结矿成品率、转鼓强度、利用系数和垂直烧结速率）、料层温度及有害气体排放量的变化,研究了配加生物质炭比例分别为0、20%、40%和60%时对烧结过程的影响。结合烧结矿孔隙率、物相组成、还原度、低温还原粉化率（I_{RD>6.3 mm}、I_{RD>3.15 mm}和I_{RD<0.5 mm}）和微观结构演变,探讨了配加生物质炭对烧结矿质量的影响。结果表明,生物质炭配加比例从0增至60%,烧结矿成品率、转鼓强度和烧结利用系数下降,垂直烧结速度上升,达到峰值温度时间提前。其中生物质炭配加比例为60%时,烧结矿成品率和转鼓强度下降特别明显。随着生物质炭配加量增加,CO₂、NO_x、SO₂体积分数减少。与单独使用焦粉相比,生物质炭比例为20%、40%、60%时,CO₂减排率分别为1.050%、1.770%、2.660%;NO_x减排率分别为11.710%、22.800%、38.700%;SO₂减排率分别为16.129%、32.258%、51.610%。生物质炭配加会改变烧结矿的化学成分、物相含量并且提高烧结矿孔隙率。生物质炭配加比例从0增至60%,还原度逐渐提高。而生物质炭配加比例从0到40%时,低温还原粉化率I_{RD>6.3 mm}、I_{RD>3.15 mm}升高,I_{RD<0.5 mm}降低。当生物质炭配加比例进一步提高到60%时,I_{RD>6.3 mm}、I_{RD>3.15 mm}呈下降趋势,I_{RD<0.5 mm}升高。与使用焦粉烧结相比,配加不同比例生物质炭时,Fe₂O₃、Fe₃O₄、Ca₂Fe₂O₅等物相组成具有相对的差异性,并且铁氧化物与黏结相以不同的组织结构交织分布在烧结矿内部。
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  普通沥青路面与钢渣沥青路面碳足迹评价

  刘颖昊, 肖永力, 汪水泽, 上官方钦, 宋中华, 罗通辰

  钢铁. 2025, 60(9): 204-213.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20250134

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  为了给“双碳”目标下公路建设中低碳材料的合理选择提供科学依据,并为提升钢渣沥青的使用提供支撑,评估了普通沥青路面与钢渣沥青路面的全生命周期碳足迹,以确定2种路面材料的碳排放差异。 涉及从原材料准备、铺筑、维护到拆除回收的整个生命周期,采用生命周期评价（life cycle assessment ,LCA）方法,建立了环境影响评价模型,并收集了各阶段的能源消耗数据。基于ISO（International Organization for Standardization）生命周期评价标准,功能单位定义为长度1 km、宽度3.75 m、厚度4 cm的路面单元。使用了内部数据收集和外部LCI（leader communications incorporated）数据库,包括Ecoinvent数据库和文献调研数据。研究对象为普通沥青路面和钢渣沥青路面,涉及的主要物料消耗和能源包括石材、钢渣、炸药、电力、柴油等。通过质量分配法处理共生产品,建立了工序阶段清单模型,并计算了2种路面的碳足迹。研究结果表明,钢渣沥青路面的全生命周期碳排放比普通沥青路面低69.6%,主要差异体现在原材料准备、路面铺筑和维护阶段。钢渣沥青路面因其较长的使用寿命和较低的维护需求,在维护阶段显著降低了碳排放。此外,还分析了2种路面在不同阶段的碳排放分布以及主要物料消耗和能源的碳排放贡献,提出了未来研究方向,包括进一步优化路面工程技术、降低环境影响,以及推广低碳建设技术。研究结果为理解和降低道路建设中的环境影响提供了新视角,并为公路建设行业的碳减排提供了理论支持和技术指导。