2025年, 第60卷, 第11期　刊出日期：2025-11-15

  

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综合论述
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  非调质钢46MnVS5多工序耦合机制研究现状与发展路径探析

  丁志军, 王向翠, 王书桓, 张燕超, 薛月凯, 赵定国

  钢铁. 2025, 60(11): 1-20.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20250310

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  在全球“双碳”战略背景下,非调质钢46MnVS5因其低碳环保、节能高效的特点,成为汽车轻量化制造的关键材料。系统综述了46MnVS5钢在精炼-连铸-轧制全流程中的工艺控制与优化策略,重点分析了其微合金化设计、组织性能调控机制及产业化应用瓶颈。研究表明,通过V-Ti-Nb复合微合金化与控轧控冷技术（thermo-mechanical control process,TMCP）的协同作用,可实现铁素体-珠光体组织的精准调控,使材料在免热处理条件下达到800 MPa级强度,显著降低能耗与CO₂排放。针对生产流程中的三大核心问题,即精炼工序硫化物夹杂控制、连铸过程中心偏析抑制和轧制过程组织均匀性提升,提出了“成分设计-凝固调控-形变强化”的全链条解决方案。试验表明,优化后的工艺可使46MnVS5钢的强塑积提升15%,疲劳寿命提高2个数量级。在应用层面,详细探讨了46MnVS5钢在胀断连杆、转向节等关键汽车部件中的工程实践,其胀断率稳定为98%以上,完全满足EA888等高端发动机的严苛要求。未来研究方向将聚焦于基于机器学习的工艺参数智能优化、稀土微合金化对夹杂物改性的作用机制,以及面向新能源车底盘件的超高强韧化设计。研究结果为新一代绿色非调质钢的研发提供了理论支撑和技术路线。
  
原料与炼铁
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  生物质含碳球团制备及碳氧比对其自还原的影响

  李栋栋, 冯海超, 柴轶凡, 刘培军1, 2, 3, 刘文英, 胡文贤

  钢铁. 2025, 60(11): 21-31.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20250314

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  为了应对钢铁工业绿色低碳转型的迫切需求,开发了以可再生生物质碳为碳源的新型含碳球团,该含碳球团具有优异的自还原特性、高反应效率和高能源利用率,能显著降低传统冶炼过程的能耗与碳排放。利用生物质这一低碳资源替代化石燃料基碳源,有望进一步削减炼铁环节的碳足迹。采用热压的方式制备生物质含碳球团,系统探究了热压温度、热压时间、热压压力及原料配比对含碳球团强度的影响机制,并深入研究了不同碳氧摩尔比[n（C）/n（O）]球团在自还原过程中失重率与抗压强度的动态演变规律及其内在关联。结果表明,热压生物质含碳球团的最佳制备工艺参数为热压温度300 ℃、热压压力40 MPa、热压时间3 min,配加质量分数为6%的黏结剂可得到强度满足高炉入炉条件的含碳球团,且随碳氧摩尔比升高球团强度随之降低,n（C）/n（O）为0.4球团的强度最高达2 653 N,n（C）/n（O）为0.8球团的强度最低,为2 013 N。在自还原过程中,所有球团的抗压强度均呈现先显著降低后急剧升高的特征。n（C）/n（O）为0.6的球团表现最为典型,失重率为31.8%时因结构疏松强度谷值降至292 N,而失重率为36.05%时因铁连晶形成强度跃升至2 500 N以上。当不同碳氧摩尔比球团在1 200 ℃高温还原后,球团强度受残留物相控制,n（C）/n（O）为0.8的球团因残留碳相阻碍铁连晶充分发展,强度最低,仅为1 267 N; n（C）/n（O）为0.6的球团因碳相基本耗尽且形成大片致密铁连晶,强度最高,超过2 500 N;n（C）/n（O）为0.4的球团则因残留未充分还原的FeO相,强度（2 268 N）低于n（C）/n（O）为0.6的球团。这成功验证了生物质碳作为球团新型碳源的可行性,为含碳球团生产提供了更环保的碳源选择,其中n（C）/n（O）为0.6的球团在高温还原中兼具高效还原与高强度特性,更为低碳炼铁工艺发展提供了新的有效途径,对推动钢铁工业绿色低碳转型具有积极意义。
  
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  氮化钒成品碎料冷固结成型及性能

  唐建忠, 吴恩辉, 唐小静, 李军, 侯静, 徐众, 张远, 李宏

  钢铁. 2025, 60(11): 32-42.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20250291

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  为了提高回转窑法制备氮化钒过程中产生的成分达标但形态不合格的成品碎料的回收利用率,选用聚乙烯醇（polyvinyl alcohol ,PVA）为黏结剂,采用冷固结成型方法制备氮化钒冷固结球团,通过正交试验研究了黏结剂配比、黏结剂质量分数、水分配比、成型压力等工艺参数对冷固结球团落下强度和抗压强度的影响规律,通过粒度单因素试验探究了粒度对球团密度的调控机制。正交试验结果表明,影响生球落下强度和抗压强度的最大因素分别为黏结剂配比和成型压力,影响干球落下强度和抗压强度的最大因素分别为黏结剂质量分数和黏结剂配比;干球落下强度和抗压强度较生球均有显著提高,主要是干燥使黏结剂浓缩固化为网状结构,在氮化钒颗粒之间构成刚性连接的固体桥键;水分配比与生球和干球的落下强度和抗压强度均为负相关关系,随水分配比的增加而减小;得到最优工艺参数为黏结剂配比12%、黏结剂质量分数8%、水分配比0、成型压力9 MPa,在此条件下,生球落下强度和抗压强度平均分别为13次/（0.5 m）和139 N/P,干球落下强度和抗压强度平均分别为125次/（0.5 m）和866 N/P,干球的密度为2.82 g/cm³。在优化的成型工艺参数条件下进行粒度的单因素试验,试验结果表明,随着粒度的降低,干球的密度逐渐上升;当粒径分布为d₁₀=2.730 µm（d₁₀为颗粒体积分数小于10%的粒径）、d₅₀=7.359 µm（d₅₀为颗粒体积分数小于50%的粒径）和d₉₀=50.235 µm时（d₉₀为颗粒体积分数小于90%的粒径）时,干球落下强度和抗压强度分别为125次/（0.5 m）和1 019.5 N/P,干球的密度提升至3.1 g/cm³,满足球团入炉的物理性能要求。
  
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  不同还原气体对气基竖炉直接还原过程的影响

  沈峰满, 王硕, 张严, 潘向阳, 郑海燕, 李涛, 袁万能

  钢铁. 2025, 60(11): 43-50.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20250311

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  为了实现“双碳”战略,炼铁领域采用多种节能减排措施与工艺,基于国内资源条件成功开发了焦炉煤气竖炉直接还原工艺。然而,焦炉煤气竖炉直接还原工艺中还原气相在竖炉内部组成变化尚不明晰,因此,针对焦炉煤气竖炉直接还原过程设计出还原气相组成测试方法,精准掌握气基竖炉直接还原过程的气相特性,系统研究了填充物料种类（Al₂O₃球、低还原性氧化球团、高还原性氧化球团、预还原球团）、还原气种类、天然气配比、还原段温度等因素对气相组成、CH₄有效转化率及析碳量的影响规律。研究结果表明,填充物料的种类能够显著影响CH₄在重整过程中转化为有效气体（H₂+CO）的含量;在相同条件下,影响CH₄转化率的填充物料排序为Al₂O₃球<低还原性氧化球团<高还原性氧化球团<预还原球团;随着天然气配比增加,气相还原势（H₂+CO）显著下降,球团还原度R_t降低,CH₄转化率降低,体系单位时间析碳量却显著增加,天然气配比不宜超过30%;当还原段温度达到900 ℃以上时,提高还原段的温度,出口端有效气体总量基本不变,但单位时间析碳量增加,因此,竖炉还原段温度应控制为900~1 000 ℃。
  
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  高炉钢-铜-钢复合冷却壁制备及工业应用

  刘旭东, 焦克新, 张建良, 宗燕兵, 郭滋平, 阳习端, 刘彦祥, 单松建

  钢铁. 2025, 60(11): 51-60.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20250341

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  高炉炉腰、炉腹等高热负荷区域的冷却壁长期承受炉料机械磨损、渣铁化学侵蚀及高温热应力冲击,其服役寿命成为制约高炉长寿运行的关键因素。因为导热性能不足,传统球墨铸铁冷却壁难以满足强化冶炼需求;铜冷却壁虽然具备优异的导热性能,但其强度较低、耐磨性较差等缺陷导致服役寿命一般为6~8年,难以达到现代高炉15年以上的长寿目标。基于此现状,设计并研发了新型钢-铜-钢复合冷却壁,并在2 800 m³高炉炉腹区域开展工业应用试验。该冷却壁采用“三明治状”结构,由5 mm热面钢层、58 mm铜层、22 mm冷面钢层通过2次爆炸焊接工艺实现异质材料界面的冶金结合,兼具铜的高导热性与钢的高强度和耐磨性。试验结果表明,该复合结构显著提升了冷却壁使用寿命,其最大年磨损速率仅为3.06 mm/a,分别为铜钢复合冷却壁的32.7%和传统铜冷却壁的25.9%,冷却水管零磨损且燕尾槽结构保持完整。机理分析表明,渣皮脱落引发的高温暴露、炉料磨损及热膨胀挤压是冷却壁失效的主要原因,而热面钢层有助于促进渣皮的形成与凝结,有效延缓炉腰-炉腹过渡区域的磨损。该新型冷却壁通过优化结构显著提升了高热负荷区域的抗磨损能力与服役稳定性,使其兼具高导热性、抗变形和优异耐磨性,为高炉高热负荷区域冷却壁的优化提供了新路径,对推动钢铁工业节能减碳、实现高炉安全长寿运行具有重要意义与推广价值。
  
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  数据与机理融合的回转窑数字孪生体

  王耀祖, 刘征建, 张建良, 戴张杰, 徐越

  钢铁. 2025, 60(11): 61-71.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20250322

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  回转窑作为高温物料处理的核心装备（如冶金焙烧、水泥煅烧、固废处理等）,其内部温度场的精准分布与窑壁厚度的实时状态,直接决定了产品质量、能耗水平与运行安全。然而,在高温、旋转、密闭且工况波动的严苛环境下,现有检测手段难以穿透窑体实现内部温度场的三维动态可视化,也无法在线连续监测窑衬耐火材料的侵蚀与厚度变化。因此,构建融合多源数据的回转窑数字孪生体,动态映射与预测内部温度场演变及窑壁厚度分布,是实现工艺优化、能效提升、延长窑寿命和安全预警的关键所在,也是当前流程工业智能化升级亟待突破的共性技术难题。首次提出了一种基于数据与机理融合的回转窑数字孪生体构建方法,集成了三维温度场实时仿真、壁厚监测模型以及降阶模型等核心关键技术。在多物理场耦合的框架下,系统深入考虑了煤粉燃烧与球团氧化反应等复杂过程,对回转窑内部的温度场分布进行了高精度的模拟,提出了基于机器学习的回转窑温度场降阶模型,实现窑内温度场即时仿真预测。此外,通过融合激光扫描技术与传热理论,系统实现了对回转窑内壁厚度及结圈情况的精准监测。经过现场试验的严格验证,所提出的数字孪生软测量方法在预测回转窑内部温度场分布及壁厚情况方面展现了卓越的性能,其中窑内温度预测偏差控制为1%左右（<5 ℃）,窑壁厚度预测准确率达到了90%的高水平,温度检测点定位与壁厚检测的空间分辨率达到窑体厘米级精度。这一研究成果为现场生产提供了及时、准确的反馈与指导,具有重要的实际应用价值,为冶金数字孪生体的构建提供了新的范式。
  
炼钢
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  GCr15轴承钢中大尺寸夹杂物来源与控制

  徐建飞, 虞清城, 杨谱, 赵阳

  钢铁. 2025, 60(11): 72-82.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20250358

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  大尺寸夹杂物对轴承钢疲劳寿命有显著的影响。为了控制轴承钢中大尺寸夹杂物,对采用“转炉→LF精炼→RH真空→连铸”工艺生产的GCr15轴承钢开展了25炉工业试验,采用ASPEX扫描电镜对轴承钢冶炼过程夹杂物成分进行检测,并采用高频水浸探伤对轴承钢棒材中大尺寸夹杂物进行检测、定位和解剖。研究结果表明,轴承钢中主要有2类大尺寸夹杂物,第1类大尺寸夹杂物主要为低熔点钙铝酸盐,部分夹杂物会在基体中析出小尺寸MgO·Al₂O₃。大尺寸低熔点钙铝酸盐主要与精炼渣卷渣相关,降低精炼渣碱度可以更好地控制该类夹杂物。出钢过程采用SiC和FeSi脱氧,精炼过程再加铝调整钢水铝含量,可以显著降低精炼渣碱度。第2类大尺寸夹杂物主要为高熔点钙铝酸盐和MgO·Al₂O₃。大尺寸高熔点钙铝酸盐和MgO·Al₂O₃夹杂物主要与水口结瘤物相关。尽管轴承钢RH真空结束夹杂物主要以低熔点钙铝酸盐为主,但是钢水在浇铸过程发生轻微氧化,如钢水总氧质量分数仅增加0.000 08%~0.000 10%,即可在钢中检测到许多易黏附在水口表面的高熔点夹杂物。因此,控制浇铸过程钢水氧化程度,减少中间包钢水中新生成高熔点夹杂物数量,可以更好地控制水口结瘤和该类夹杂物。
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  SiO₂对电渣重熔H13钢中Al含量及夹杂物的影响

  孙晓林, 钟庆元, 王宁霏, 冯轩, 郑春玉, 崔利民, 李明钢, 徐东

  钢铁. 2025, 60(11): 83-94.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20250331

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  H13钢经气氛保护电渣重熔后出现烧硅增铝现象,分析了渣中SiO₂含量对电渣重熔后H13钢成分及夹杂物特征的影响。试验结果表明,电渣重熔后钢中氧质量分数均降低至0.001 2%以下,氧化物夹杂类型无明显变化,主要为CaO（-MgO）-Al₂O₃和MgO•Al₂O₃。经低SiO₂的S1渣电渣重熔后,尾部增铝量（质量分数）高达0.109个百分点,氧化物夹杂主要为CaO（-MgO）-Al₂O₃,部分氧化物熔点低,尺寸超过10 μm,而MgO•Al₂O₃较少,氧化物夹杂平均尺寸由4.8 μm增加至8.1 μm,并发现较多聚集态AlN;头部增铝量（质量分数）少,试样中夹杂物主要为小尺寸的MgO•Al₂O₃,氧化物夹杂尺寸更小,此外存在较多（Ti,V）（C,N）。聚集态AlN和大尺寸CaO（-MgO）-Al₂O₃会恶化电渣重熔后H13钢的洁净度。基于熔渣离子-分子共存理论和[Si]-[Al]热力学平衡计算,在采用S1渣电渣重熔H13钢时,当温度超过1 457 ℃时熔渣中（Al₂O₃）可被钢液中[Si]还原,提高渣中（SiO₂）含量、降低温度可抑制熔渣向钢液中增铝。根据热力学分析,尾部试样EB1可由凝固两相区生成AlN,其平衡溶解温度高达1 322 ℃,会保留至锻后的模具钢中。提高S2渣中的SiO₂含量,电渣重熔H13钢后尾部增铝量（质量分数）降至0.017个百分点,抑制了电渣重熔增铝及AlN生成,降低了头尾铝含量的差异,并减小氧化物夹杂的尺寸。经S2渣电渣重熔后,H13钢中仍存在着低熔点CaO（-MgO）-Al₂O₃夹杂,在电渣重熔时难以被熔渣吸附去除,并易于聚集形成大尺寸夹杂物,恶化模具钢性能。钢中铝、钙含量及电极中夹杂物类型会影响电渣重熔后夹杂物的控制效果。
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  板坯连铸全流程铸流三维热力耦合模型及应用

  朱国明, 喻林, 赵培林, 陶涛, 王永明, 康永林

  钢铁. 2025, 60(11): 95-111.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20250272

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  在连铸过程中,钢液凝固、传热传质、流体流动与固体变形等多元冶金物理现象动态耦合,形成复杂的非线性系统。相变应力、热应力、静水压力及机械力（支撑辊接触力、弯曲、矫直力）等多应力场非线性叠加,协同作用于铸流。铸流在长时程运行中呈现应变率低、温度区间及梯度大等特征,导致温度场与应力场的空间分布及时间演变规律呈现高度复杂性。针对230 mm×1 930 mm板坯连铸过程,采用极低变形抗力假设表征液态钢水,通过接触热传导等价简化铸流-结晶器铜板之间的间隙热交换及铸流-二冷喷冷区之间的对流热交换,系统化连铸的全程热交换边界条件,并预设开浇温度铸流模型等。在完成热力耦合算法、材料模型构建、一冷及二冷区热交换边界条件等价简化等技术环节的验证并对其进行详细阐述的基础上,建立了整台铸机的有限元模型并成功完成连铸全流程三维热力耦合数值模拟。深度解析计算结果,揭示连铸全程铸流温度场、应力-应变场、坯壳厚度及凝固前沿形态的时空演变规律与分布特征。研究为连铸过程铸流整体状态研究提供了有效模拟方法,有助于深入剖析应力场相关铸坯缺陷的形成机制与演变过程,同时为铸机结构设计优化与生产工艺改进提供参考。
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  基于入口压力调控的二冷气-水喷嘴内部流场特性解析

  何鑫, 王慧胜, 崔贺楠, 张江山, 陈林恒, 李明, 管敏, 刘青

  钢铁. 2025, 60(11): 112-122.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20250324

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  喷淋冷却是连铸二冷区的主要冷却方式,喷嘴射流行为直接影响喷淋冷却效果,进而影响连铸坯质量。以某钢厂方坯连铸用气-水扇形喷嘴为研究对象,构建了喷嘴射流仿真模型,探究了喷嘴入口处气、水压力变化对喷嘴内部流体速度、湍动能和涡分布的影响规律,揭示了影响喷嘴出口处水流量稳定性的关键因素,提出了相应的调控方法。结果表明,当水压以0.10 MPa的梯度从0.10 MPa增加到0.30 MPa时,液相初始速度逐渐增大,其值分别为2.43、5.45和9.17 m/s;喷嘴内部液相最大速度位置距喷嘴水入口的距离分别为35、29和25 mm,相应的气-液两相速度梯度逐渐降低;液相黏性力增加,湍动能平均值降低,其值分别为367.66、142.43和96.87 m²/s²;喷嘴内中心大涡逐渐减小,喷嘴内壁附近的小涡逐渐消失;喷嘴出口水流量变异系数从0.533分别降低至0.505和0.489,有利于改善喷嘴出口流量稳定性。当气压以0.05 MPa的梯度从0.10 MPa增加至0.20 MPa时,液相初始速度先降低后升高,其变化幅度分别为2.44、1.22 m/s;喷嘴内液相最大速度位置保持不变,液相最大速度先升高1.59 m/s,而后降低1.85 m/s;湍动能平均值逐渐增大,其值分别为165.21、367.66和598.90 m²/s²;喷嘴内中心大涡扩张或分裂为多个中等涡群,小涡数量增加并向中心迁移;喷嘴出口水流量变异系数从0.514提高至0.533和0.575,喷嘴出口流量稳定性降低。当水压为0.30 MPa、气压为0.10 MPa时,喷嘴出口流量稳定性最佳,可为连铸二次冷却工艺调控提供理论和数据支撑。
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  吹氩结晶器内钢液上回流对渣-金界面的影响

  李鹏飞, 陶梦乐, 姜岩, 荣文杰, 霍跃钦, 李宝宽

  钢铁. 2025, 60(11): 123-133.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20250360

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  在连铸结晶器中,钢液上回流直接影响渣-金界面波动的剧烈程度,而渣-金界面的稳定性决定了铸坯表面质量和生产效率。探究吹氩条件下连铸结晶器内钢液上回流对渣-金界面波动行为的影响机制,为解决因界面剧烈波动导致的卷渣、钢液二次氧化及铸坯夹杂物缺陷问题提供理论依据。通过建立1 300 mm×230 mm板坯连铸结晶器的三维数学模型,模拟了不同吹氩量下（0、5.0、7.5、10.0 L/min）,结晶器窄面钢液射流冲击点和上回流涡心的位置变化对渣-金界面波动行为的作用。结果表明,无吹氩时,钢液上回流对窄面处渣-金界面的剪切作用导致该区域波高显著（波高极值达14 mm）。随着吹氩量增加,水口附近界面波动加剧。冲击点深度从396.5 mm上移至345.3 mm,这一偏移现象与氩气泡对钢液的扰动直接相关。冲击点的上移导致上回流对渣-金界面的剪切作用减弱,使窄面附近的波高和速度逐渐降低,有效抑制了卷渣风险。当吹氩量为7.5 L/min时（即冲击点深度为355.6 mm时）,气泡对钢液扰动的强度适中,既能削弱射流动能,又避免水口附近界面波动过大。此外,涡心在宽度方向上距中心对称面15 mm处受吹氩量的影响较大,其余位置相对稳定;其在垂直方向上远离中心对称面方向逐渐下移,说明射流动能逐渐衰减从而导致涡心向下偏移。与此同时,窄面区域波高在远离中心对称面方向逐渐降低,水口附近靠近中心对称面处则显著增加,这均与涡心的偏移现象直接相关,而且该现象使上回流路径分裂,导致不同观测面受多涡心和氩气泡的共同作用,使水口附近的速度分布从“单峰”变为“多峰”,当吹氩量为10.0 L/min时,其主峰强度最强,标准差最低,表明涡心与氩气泡的协同作用最强。该研究揭示了吹氩条件下连铸结晶器内钢液上回流对渣-金界面波动的影响机制,为优化工艺、提升铸坯质量提供了理论依据。
压力加工
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  冷轧18辊轧机的带钢板形预测模型

  张冀, 王智璇, 朱嘉濠, 朱思华, 李素芳, 白振华

  钢铁. 2025, 60(11): 134-147.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20250253

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  18辊轧机凭借其独特的辊系结构和灵活的控制能力,在生产高精度、超薄规格带钢方面具有显著优势。针对S6-High型18辊轧机,深入分析其结构特点和轧制机理,系统研究了18辊轧机辊系的位置关系,并基于影响系数法构建了各轧辊在不同方向上的挠度方程,特别考虑了侧支撑结构带来的三维弯曲变形特性。其次,通过耦合金属变形模型、辊系变形协调方程和出口厚度方程,并补充力与力矩平衡方程,建立了能够反映其复杂相互作用的带钢板形预测物理模型。该模型能够同步求解带钢出口厚度分布、轧制力分布、辊间压力分布及前张力横向分布,进而实现带钢板形的预测。进一步,针对18辊轧机工作辊直径小的特点,在迭代过程中采用指数平滑法对辊间力进行修正,有效保证了模型的收敛性。此外,结合现场大量生产数据,利用粒子群优化算法对模型的输入参数进行了系数优化,显著提升了模型的预测精度。最后,使用某冷轧厂S6-High型18辊轧机的生产数据进行验证,结果表明,对比输入参数系数优化前后的预测性能,优化后的模型对所有钢种的平均板形预测误差降低了6.3 I（带钢的板形使用I单位进行表示）,平均预测精度提升了8.0%,证明了系数优化的必要性;优化后的模型在测试集中板形平均预测误差不超过1.5 I,平均预测精度达到96.5%。这些结果充分表明,建立的冷轧18辊轧机带钢板形预测模型具有较高的预测精度,完全满足工程实际应用的需求。
钢铁材料
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  2 400 MPa级超高强钢粉末及SLM成形合金的组织与性能

  王帅, 王长军, 果春焕, 姜风春, 刘再西, 许帅, 毕中南, 杨丽

  钢铁. 2025, 60(11): 148-160.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20250409

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  折叠屏手机日益轻薄化的发展趋势对3C领域精密转轴部件材料的强度提出了更高要求,但当前用于转轴件生产的金属注塑成型（metal injection molding,MIM）工艺难以同时满足零件的超高强度和良好塑性需求。因此,基于选区激光熔化（selective laser melting,SLM）工艺特点,分别采用真空感应熔炼气雾化（vacuum induction melting gas atomization,VIGA）和等离子旋转电极雾化（plasma rotating electrode process,PREP）法制备了2 400 MPa级超高强钢粉末,并利用SLM方法成形合金试样。利用SEM（scanning electron microscope）、EBSD（electron backscatter diffraction）、XRD（X-ray diffraction）等表征技术,对比研究了VIGA与PREP 2种超高强钢粉末的特性以及SLM合金的微观组织与力学性能。研究表明,VIGA与PREP超高强钢粉末微观组织均以柱状晶和胞状晶为主,但PREP粉末具有更低的气体和杂质含量、更优异的松装密度和流动性。由于PREP制粉工艺极快的冷却速度,使PREP粉末出现晶体择优取向和较少的FCC（face center cubic）相。对SLM成形合金的研究表明,沉积态（as-built,AB态）和热处理态（heat-treated,HT态）下的VIGA试样的位错密度均高于PREP试样,但由于VIGA粉末氧含量较高,SLM VIGA成形件中存在明显氧化物夹杂,导致材料塑性下降。经固溶时效处理后,PREP-HT试样相较于VIGA-HT试样呈现出显著的晶粒细化,提高了材料的强塑性,实现了抗拉强度2 406 MPa和伸长率4.3%的良好匹配。研究结果验证了PREP粉末在SLM超高强钢制备中具有显著优势,为突破3C领域精密零部件的“高强-复杂-轻量化”协同设计瓶颈提供了新的技术路径。
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  稀土添加对抗冻融钢微观组织和低温韧性的影响

  杨邦民, 赵天亮, 侯廷平, 李艳, 崔中雨, 吴开明

  钢铁. 2025, 60(11): 161-174.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20250370

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  稀土（rare earth,RE）能够起到净化钢液、改性夹杂物以及细化晶粒等作用,在提升低合金钢强韧性、低温韧性、耐蚀性等性能方面具有较大潜力,可基于稀土微合金化开发适用于高原冻土、极地等环境的抗冻融低合金钢。通过光学显微镜、扫描电镜、拉伸试验、低温冲击等试验研究了不同稀土质量分数（0.000 4%、0.005 3%、0.012 3%）对抗冻融钢微观组织演变、拉伸性能和低温韧性的影响,揭示了稀土在抗冻融钢中的作用机制。结果表明,La-Ce混合稀土的加入使钢中大尺寸的不规则夹杂物转化为细小的MnS + （La,Ce,AI,Ti）_x（O,N）_y复合夹杂物,平均长宽比由2.43降低至1.57,平均尺寸由2.17 μm降低至1.78 μm,改变了传统夹杂物的形态和结构。当RE质量分数超过0.005 3%后,抗冻融钢中开始产生粒状贝氏体（granular bainite,BG）,同时平均晶粒直径由4.22 μm降低至2.18 μm,平均位错密度由2.66×10¹⁴/m²增加至6.63×10¹⁴/m²。由于RE对夹杂物的改性和对组织演变的影响,提升了钢的冲击性能和拉伸性能。当RE质量分数为0.005 3%时,抗冻融钢表现出最佳的综合力学性能,其屈服强度和抗拉强度分别达到444.62和565.44 MPa,同时其室温与-80 ℃冲击功较未添加稀土时分别提高44%和86%,韧脆转变开始温度由-20 ℃降低至-80 ℃。研究结果表明,稀土在抗冻融钢组织与性能上具有积极作用,为稀土抗冻融钢的开发提供了理论依据。
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  中锰钢变形行为的原位高能X射线衍射分析

  张明赫, 章博遨, 季泽, 李涛, 王书桓, 冯运莉

  钢铁. 2025, 60(11): 175-187.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20250315

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  中锰钢具有优异的强度-塑性匹配,可以实现汽车轻量化,是最具应用潜力的第三代先进汽车用钢。为了深入探究中锰钢的微观组织和变形温度对其力学性能的影响规律,以经650 ℃退火1 h和4 h的Fe-0.12C-10.16Mn-1.87Al中锰钢为研究对象,采用原位同步辐射高能X射线衍射（high-energy X-ray diffraction,HE-XRD）技术研究变形温度（25 ℃和-15 ℃）对中锰钢变形过程中微观力学行为的影响。研究表明,随着退火时间的延长及变形温度的降低,奥氏体稳定性减弱,其在形变过程中向马氏体转变的速率加快。利用混合定律计算了各组成相对流变应力的贡献度,在不同退火时间与变形温度下,形变初期奥氏体和铁素体为主要载荷承担者,而形变后期马氏体对流变应力贡献量增加。将试样的加工硬化率分解为奥氏体相应力变化率、奥氏体与马氏体间的载荷配分、马氏体形成速率,以及奥氏体与铁素体间的载荷配分4个组分。结果表明,随着退火时间的延长与变形温度的降低,与相变诱导塑性（transformation-induced plasticity, TRIP）效应有关的马氏体形成速率及奥氏体与马氏体间载荷配分的贡献量增加,奥氏体相应力变化率贡献所占比例减少。通过对各组分的定量评价与叠加分析,计算所得的加工硬化率与试验测定的加工硬化率趋势基本一致。结果可为深入理解中锰钢与TRIP效应相关的组成相应力配分机制提供理论和技术支撑。
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  焊后截面组织及变体选择对厚板低温冲击韧性影响

  覃皓, 张莉芹, 胡磊, 詹紫龙, 王熙凯

  钢铁. 2025, 60(11): 188-200.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20250306

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  由于焊接时的截面效应,截面不同厚度焊接接头形成了不同的微观组织结构。针对厚度为80 mm的EH690埋弧焊焊接接头,系统研究了粗晶热影响区（coarse grain heat affected zone,CGHAZ）在1/2T处（距中心1/2厚度处）和1/4T处（距中心1/4厚度处）的微观组织演变及其对-60 ℃低温冲击韧性的影响。通过光学显微镜（optical microscope,OM）、扫描电子显微镜（scanning electron microscope,SEM）、电子背散射衍射（electron back scattering diffraction,EBSD）、透射电子显微镜（transmission electron microscope,TEM）等技术手段,揭示了厚板截面冷却速率、元素偏析以及焊接热循环对组织形态的调控规律。结果表明, 1/2T处因为散热速率缓慢、焊接热循环及C、Mn元素的富集生成粗大的层状贝氏体（lamellar bainite, LB）和更多细条状马氏体/奥氏体 （martensite/austenite,M/A）组元,大角度晶界（high angle grain boundaries,HAGB）线密度较低,达（1.18±0.12）/μm²,此外晶界附近形成的重结晶晶粒引发应力集中,冲击功降至160 J;1/4T处因较快冷速形成细小板条贝氏体和以岛状为主的M/A组元,HAGB线密度较高,达（1.53±0.13）/μm²,冲击功达到220 J。通过EBSD技术对CGHAZ的晶体结构进行可视化分析,阐明了不同截面位置的变体选择。结果显示,板条块Block单元所占比例以及变体选择是决定厚板韧性差异的关键因素,1/2T处Block单元及变体对（V1/V2）所占比例明显低于1/4T处。揭示了心部和1/4T处粗晶热影响区的微观组织演变与变体选择机制对厚板低温冲击性能的影响机理,为优化厚板焊接工艺提供了理论依据。
冶金流程工程
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  钢铁生产运行优化的智能化调控技术及工程实践

  郭亮, 郑忠, 刘雪莹, 杨永杰, 杨治朋, 张诗雨, 王永周, 王英

  钢铁. 2025, 60(11): 201-214.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20250296

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  钢铁企业面临产能过剩、市场变化大、盈利能力弱、产能结构不平衡、资源能源消耗高等现实问题,运用智能化手段实施生产运行调控优化,对企业降本增效、节能低碳的可持续发展意义重大。钢铁生产的调控依赖于生产计划调度技术的“程序”优化来实现物质流的动态有序、协同连续的运行优化。通过在京唐钢铁公司开展钢铁制造流程以生产计划调度为核心的运行优化智能化调控技术研究,提出了以订单快速兑现为核心的“客户订单-生产订单-计划排程-生产调度”的智能化管控优化方法和实施路径。针对京唐公司生产运行的设备布局结构与产品制造特点,分析了其制造流程优化调控与生产计划调度相关的运行优化技术特征,提出了面向中厚板产线组板组坯的库存消纳、生产订单转化处理、基于铸坯的组炉组浇和辊期计划编制的多工序生产批量计划协同方法,建立炼钢-连铸-热轧作业计划模型,以及钢厂生产排程和动态调度模型,形成了面向订单交付的多层级多工序协同优化技术。中厚板产线的生产流程智能化调控技术的工程应用实践表明,新技术可实现全流程生产运行优化的智能调控,达成了生产运行优化的统一指挥和多工序协调,模型运行效率较信息系统协助下的人工经验决策综合提升10.65倍,产品收得率平均提升0.84%,且显著提高了全流程生产效率和经济效益,展现出钢铁企业流程智能化转型升级的新技术优势。
环保与能源
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  温度对含钛高炉渣工艺矿物学的影响

  刘丽娜, 方俊, 刘翔硕, 丁嘉诚, 刘磊, 刘剑炜

  钢铁. 2025, 60(11): 215-222.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20250287

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  含钛高炉渣中含有大量的钛元素,但因其分散分布于不同矿物中,综合利用困难。为了探究含钛高炉渣中钛元素的富集及含钛矿物的结晶行为,利用工艺矿物学理论,采用透/反两用偏光显微镜、X射线衍射仪及电子探针等测试手段,对不同温度条件下含钛高炉渣的显微结构、矿物组成及钙钛矿粒度进行了定量分析,对钛元素的赋存状态及迁移规律进行了系统研究。研究结果表明,含钛高炉渣的基本物相组成为钙钛矿、一期尖晶石、二期尖晶石、辉石和玻璃质。钙钛矿和一期尖晶石的结晶温度为1 350 ℃以上,辉石的结晶温度为1 250~1 300 ℃;随着温度从1 350 ℃降低到1 100 ℃,钙钛矿质量分数呈先上升后下降的趋势,粒度先粗化后细化,温度为1 300 ℃时,钙钛矿质量分数达到最大值45.55%,粒度大于20 μm的质量分数达到41.91%;辉石质量分数明显增加,尖晶石质量分数略有降低;含钛高炉渣的显微结构为斑状结构,钙钛矿粒度随着温度降低逐渐均匀化,形态无明显变化,主要呈现针状和树枝状集合体;钛元素主要赋存在钙钛矿和二期尖晶石中,其次分布在玻璃质、辉石以及一期尖晶石中;炉渣中钛元素随着温度降低由钙钛矿中向其他矿物中迁移。综合分析表明,1 300 ℃是钙钛矿富集与粗化的最优温度,这为含钛高炉渣中钛的高效提取提供了理论依据。
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  离心力-空气耦合作用下高炉渣破碎及换热机理

  甄常亮, 高光宇, 程翠花, 赵凯, 万新宇

  钢铁. 2025, 60(11): 223-233.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20250307

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  传统高炉水冲渣工艺存在水资源浪费、环境污染以及余热回收效率低等问题,难以满足现代工业的绿色、高效发展需求。在此背景下,炉渣干法粒化技术以优越的环境友好性、高效的热量回收效率等资源化利用方面的优势,成为推动高炉渣处理技术升级的热点方向。针对离心力-空气耦合的高炉渣干法粒化模式,应用流体力学软件Fluent对高炉渣粒化过程及余热回收进行三维动态数值模拟,直观呈现高炉渣在离心力与冷却风的联合作用下铺展-拉伸-断裂及粒化的连续演变过程,在不同转盘转速、风速等关键参数下,分析了高炉渣粒化粒径分布特征和系统换热效率,揭示了高炉渣干法粒化过程的内在机制和传热规律。研究结果表明,转盘转速对粒化效果影响显著,转盘转速由2 000 r/min提高到4 000 r/min,粒化高炉渣平均粒径由3.20 mm下降到2.55 mm;在此基础上,固定转盘转速为4 000 r/min,加载切向风速由100 m/s提高到500 m/s,粒化高炉渣平均粒径由2.83 mm进一步降低至2.39 mm。粒化室入口风速由100 m/s提高到500 m/s,空气出口温度由357 K提高到986 K,风速的增加显著强化了换热过程;当入口风速为500 m/s时,测算理论换热效率最高可达到73.12%。值得注意的是,在上述高炉渣干法粒化过程中,转盘转数为4 000 r/min、加载切向风速小于200 m/s时,粒化高炉渣平均粒径较无加载切向风时略大,证明此时切向风对高炉渣的粒化产生负面影响。
装备技术
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  AGD管排布对COREX炉叶片磨损的影响

  贾淑雅, 荣文杰, 齐凤升, 李宝宽

  钢铁. 2025, 60(11): 234-245.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20250377

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  COREX工艺是目前非高炉炼铁工业化应用相对成熟的技术。煤气区域分布管道（areal gas distribution, AGD）是COREX竖炉中保障还原气体均匀分布、调控气体流向和流速的重要部件。然而,AGD管的存在会改变炉内物料的运动特性,进而对螺旋排料机叶片的磨损状况产生影响。因此,着眼于研究AGD管排布方式对COREX竖炉螺旋叶片磨损的影响。基于离散单元法（discrete element method, DEM）并运用Hertz-Mindlin无滑移接触模型与Archard Wear磨损模型,系统探究了不同AGD管排布方式下炉料排出过程中颗粒速度、螺旋叶片所受压力及磨损量的分布规律。结果表明,在无AGD管的竖炉中,颗粒下降过程整体比较平稳。在有AGD管的竖炉中,管上方的颗粒下落滞后,而管周围的炉料颗粒下落超前。无AGD管的竖炉中,不同叶片的磨损量分布较为均匀;安装AGD管的竖炉中,AGD管正下方的螺旋叶片磨损量较小。相较于其他排布方式,安装4根AGD管的竖炉中叶片的整体磨损量最小。螺旋叶片上受到的压力和磨损量集中分布在内外侧边缘;叶片的磨损情况首先出现在每根叶片的中段位置,且该段的磨损量较大。依据研究结果,在实际生产中,优先采用4根AGD管交叉排布的方式;其次,建议在叶片易磨损处采用耐磨材料。