2021年, 第28卷, 第5期　刊出日期：2021-05-25

  

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  基于ANSYS生死单元技术的铜冷却壁热表面渣皮分布数值模拟

  石泉，唐珏，储满生

  钢铁研究学报(英文版). 2021, 28(5): 507-519.
  https://doi.org/https://doi.org/10.1007/s42243-021-00559-5

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  铜冷却壁长寿的核心是保证渣皮均匀分布且稳定，不产生过厚渣皮。基于ANSYS“生死单元”有限元技术建立了铜冷却壁渣皮厚度分布模型。模型计算并分析了煤气温度和炉渣性质发生变化时铜冷却壁热面渣皮的厚度及其分布情况，以表征高炉炉况变化时铜冷却壁的挂渣能力。结果表明，煤气温度的升高将导致铜冷却壁热面渣皮厚度迅速减薄，壁体温度快速上升。当煤气温度升高至1400 ℃时，燕尾槽内部的渣皮逐渐被熔化，同时铜冷却壁壁体最高温度接近安全工作温度120 ℃。另外，铜冷却壁的挂渣能力对煤气温度的变化十分敏感，提高挂渣温度有利于提高铜冷却壁的挂渣能力。然而，当挂渣温度为1150 ℃，煤气温度低于1250 ℃时，铜冷却壁的热表面容易形成过厚渣皮，且稳定性差。提高炉渣导热系数有利于在铜冷却壁热表面形成均匀且稳定的渣皮，尤其在燕尾槽内。当炉渣的导热系数高于1.8 W m^-2 ℃^-1时，尽管煤气体温度高达1500 ℃，燕尾槽内的炉皮也没有被熔化。
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  双流连铸生产中的组炉问题及混合优化方法

  易剑，贾树晋，杜斌

  钢铁研究学报(英文版). 2021, 28(5): 520-529.
  https://doi.org/https://doi.org/10.1007/s42243-021-00578-2

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  炉次计划是炼钢-连铸生产中的组批问题之一，其优化将有利于后续的浇次计划。本文研究了双流连铸生产过程中的组炉问题，其奇、偶流的浇铸宽度可能不同。考虑到两流使用不同的浇铸宽度、由此产生的平衡重和炼钢-连铸的工艺约束，建立了一个多目标优化模型，使组炉后的炉数、双流宽度对个数、余材和钢种升级成本最小化。在此基础上，提出了一种结合启发式与基于变异的分布估计算法的混合优化方法来求解该模型。对宝钢实际生产订单中采集的几组试验数据进行了试验研究。计算结果表明，该方法比人工方法能得到更好的解，本文所提出的模型和方法证明是有效和实用的。
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  Fe(NO₃)₃和Mn(NO₃)₂对椰壳活性炭理化性质改性机理

  龙红明，黄帮福，施哲，刘兰鹏，汪德富，李露

  钢铁研究学报(英文版). 2021, 28(5): 530-537.
  https://doi.org/https://doi.org/10.1007/s42243-021-00599-x

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  Fe负载能增加活性炭表面酸性和活性位，Mn负载可使活性炭具有高化学氧。为探明Fe-Mn复合改性对椰壳活性炭理化性质改性机理，本文先后采用HNO₃、Fe(NO₃)₃和Mn(NO₃)₂对椰壳活性炭进行活化和改性，对改性前后孔隙结构和表面化学特性进行SEM、BET、XRD和FT-IR表征，系统研究了AC、HNO₃/AC和Fe-Mn/AC材料表面形貌、孔隙结构、活性组元和官能团变化规律。结果表明：HNO₃改性使椰壳活性炭微孔变形、相邻孔合并，能构造出更多沟堑和空隙结构；Fe-Mn/AC表面呈现不同程度团聚，活性物质MnFe₂O₄和FeMn₂O₄构造出更多孔隙结构；AC和HNO₃/AC存在大量微孔，Fe-Mn负载质量比越高、Fe-Mn/AC比表面积越大；Fe-Mn/AC-1、Fe-Mn/AC-2、Fe-Mn/AC-3、Fe-Mn/AC-4催化剂的主要活性物质依次为MnFe₂O₄、Mn_0.43Fe_2.57O₄、Mn₃O₄和α-Fe₂O₃。AC与HNO₃/AC表面官能团主要为含氧官能团；Fe-Mn改性条件对活性炭表面官能团类型影响不大，但有利于Fe/AC增加含氧官能团。研究成果可为Fe-Mn/AC催化剂进行脱硫、脱硝提供帮助。
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  氧气炼钢的热平衡

  N. Madhavan, G.A. Brooks, M.A. Rhamdhani, B.K. Rout, A. Overbosch

  钢铁研究学报(英文版). 2021, 28(5): 538-551.
  https://doi.org/https://doi.org/10.1007/s42243-020-00491-0

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  能量平衡是分析冶金流程中热量需求的一种常用基本方法。通过计算氧气转炉的热量输入和输出的各组成部分，引入热平衡方程。根据Healy和McBride的计算对开发的模型进行了验证。以往研究中未分析的总热损失通过反算塔塔钢铁公司提供的35项工业数据的热损失进行了定量描述。该模型的结果表明，热损失为总热输入的1.3％~5.9％，可以通过优化铁水中的硅含量、添加的废料量和过烧比来进行控制。该模型预测表明，铁水提供的显热占总热量输入的大约66％，其余热量来自放热氧化反应。放热反应产生34%热量，其中20％~25％的热量是由碳氧化为一氧化碳和二氧化碳产生的。这个模型可用于预测任何顶部吹氧炼钢技术的热平衡，但对不同的氧气炼钢操作和条件需要进一步验证。
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  Al₂O₃和MgO对CaO-SiO₂-B₂O₃基无氟保护渣结晶行为与熔体结构的影响

  陈俊宇，王万林，周乐君，潘子航

  钢铁研究学报(英文版). 2021, 28(5): 552-562.
  https://doi.org/https://doi.org/10.1007/s42243-020-00439-4

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  本文主要研究了CaO-SiO₂-B₂O₃基无氟保护渣的结晶行为和熔体结构。研究结果表明，随着无氟渣中Al₂O₃的含量从4 wt.%增加到12 wt.%，无氟渣的结晶能力先减弱后增强；而对MgO来说，在整个成分范围内（2-10 wt.%）都起到了增强无氟渣结晶能力的作用。红外和拉曼光谱的结果表明，Al₂O₃的含量在4-8 wt.%区间时，其在保护渣熔体结构内主要起到网络形成体的作用，而在8-12 wt.%区间时，表现为网络破坏体并向保护渣熔体提供O^2-。此外，当MgO含量在2-6 wt.%范围时，在Mg²⁺的电荷补偿以及O^2-破坏网状结构的共同作用下，保护渣熔体中生成了一些典型的T-O-T（Al-O-Al、B-O-B等）和更简单的结构单元（Q⁰(Si)、[BO₂O^-]中的B-O-等），从而提升了无氟渣的结晶能力；而MgO含量在6-10 wt.%范围时，随着熔体中O^2-含量的增加，进一步解聚了熔体结构，促进了保护渣的结晶。
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  数据驱动的冷轧板形预测及优化

  孙杰，单鹏飞，魏臻，胡耀辉，王青龙，彭文，张殿华

  钢铁研究学报(英文版). 2021, 28(5): 563-573.
  https://doi.org/https://doi.org/10.1007/s42243-020-00505-x

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  在冷轧过程中，板形调控功效系数可以有效描述多种调控机构对板形的影响效果，准确的调控功效系数是充分发挥调控机构的能力，实现高精度板形控制的基础。然而，轧制过程有着多变量、非线性等特点，其内在机理非常复杂，难以获得准确的数学模型。本文采用数据驱动的方法，将正交信号校正法和偏最小二乘算法相结合，基于冷轧生产数据获取板形调控功效系数。结果表明，OSC-PLS法得到的功效系数比PCA法或经验法得到的功效系数更精确。此外，提出了KPLS-ANN板形预测模型，并在预测模型基础上，采用梯度下降法实现了板形设定优化。结果表明，KPLS-ANN具有良好的预测性能，与KPLS和ANN相比，KPLS-ANN具有较低的均方根误差、平均绝对误差、平均绝对百分比误差，分别为0.51 IU、0.34 IU和0.09。对所有机架进行优化时，采用KPLS-ANN模型使板形平均标准差由4.10 IU降至2.22 IU，优化效果显著。
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  混合润滑状态下轧机垂直-水平耦合非线性振动特性

  侯东晓，徐良，时培明

  钢铁研究学报(英文版). 2021, 28(5): 574-585.
  https://doi.org/https://doi.org/10.1007/s42243-020-00528-4

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  考虑到轧辊振动对轧制变形区中润滑油膜厚度的动态影响，基于Karman平衡理论，分别得到了垂直、水平方向上与润滑油膜厚度有关的非线性动态轧制力。基于动态轧制力并考虑轧机的机械振动，建立了垂直-水平耦合非线性振动动力学模型。采用多尺度法得到了系统的主共振幅频响应方程。最后利用1780轧机参数进行数值仿真，分析了系统在稳态和非稳态下的振动位移和润滑膜厚度的时域响应曲线，得到了界面接触比、非线性参数和外扰力等参数变化对轧机主共振幅频特性的影响规律，为抑制轧机振动提供了理论参考。
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  钒元素的添加对于Al_0.5Cr_0.9FeNi_2.5多主元合金组织和性能的影响

  郝德喜，张楠楠，张悦，李德元

  钢铁研究学报(英文版). 2021, 28(5): 586-596.
  https://doi.org/https://doi.org/10.1007/s42243-020-00466-1

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  本文使用真空电弧熔炼的方法制备了Al_0.5Cr_0.9FeNi_2.5V_x（x=0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0）多主元合金，研究了钒元素的添加对其组织和性能产生的影响。结果表明：所有成分的合金均为单相FCC结构。随着钒元素的添加，合金组织由树枝晶转变为等轴晶，枝晶组织明显细化，并且出现了片层状的CrV相，这种组织在一定程度上提高了合金性能。性能测试表明，合金的屈服强度有一定的提升，所有合金均表现出良好的塑性变形能力。当V含量达到0.8 mol时，合金屈服强度为600 MPa，且没有发生断裂。摩擦磨损试验表明，随着钒元素的添加，试样表面磨屑量逐渐减少。当钒含量为0.4 mol时，磨损表面犁沟较浅，磨屑明显减少，磨损机理主要为磨料磨损，合金的耐磨性能最好。极化曲线表明，当钒含量为0.2 mol时，钝化区间达到了900 mV，腐蚀电位和自腐蚀电流密度分别为-496.299 mV以及2.759 μA/cm²，合金耐腐蚀性能最好。
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  Y、Nb微合金化对软磁性Co₇₅B₂₅合金的非晶形成能力和热稳定性的影响

  暴丰，李艳辉，朱正旺，梁欣宇，张岩，张伟

  钢铁研究学报(英文版). 2021, 28(5): 597-603.
  https://doi.org/https://doi.org/10.1007/s42243-020-00489-8

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  本工作通过在Co-B二元合金添加微量Y和Nb元素，制备出不含Fe元素的软磁性Co基Co-Y-Nb-B块体非晶合金（BMGs）。在Co₇₅B₂₅合金中添加3-4 at. %的Y可使合金出现了明显的玻璃转变现象而提高了过冷液体稳定性并改善了软磁性，其中Co_71.5Y_3.5B₂₅非晶合金具有33 K的过冷液相区间（ΔT_x）和1.5 A/m的矫顽力（H_c）。进而在Co_71.5Y_3.5B₂₅合金中添加2-4 at. %的Nb，不仅使合金的ΔT_x增加到50 K，还明显增大合金的非晶形成能力，制备出临界直径达2 mm的BMGs。合金的晶化行为研究结果表明，添加Nb合金的初始晶化相为复杂面心结构的(Co, Nb, Y)₂₃B₆相，其形成需构成原子长距离扩散和重排，从而使合金的过冷液体稳定性提高；添加Nb还可增大合金熔体在凝固过程中的过冷度，这是改善合金非晶形成能力的原因之一。Co-Y-Nb-B BMGs具有良好的软磁性能和力学性能，其H_c、饱和磁感应强度、压缩屈服强度和塑性应变以及维氏硬度分别在0.9-1.2 A/m、0.36-0.57 T、3877-3930 MPa和0.2%-0.3%以及1156-1201的范围。
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  SA508Gr.4N核压力容器用钢热变形过程静态再结晶行为

  乔士宾，何西扣，谢常胜，刘正东

  钢铁研究学报(英文版). 2021, 28(5): 604-612.
  https://doi.org/https://doi.org/10.1007/s42243-020-00536-4

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  采用双道次等温热压缩方法研究了不同热变形条件对Ni-Cr-Mo系SA508Gr.4N低合金钢静态再结晶行为的影响，道次间隔时间1~300 s，温度为950~1150 ℃，应变速率为0.01~1 s^-1，真应变为0.1~0.2，初始奥氏体晶粒尺寸为175~552 μm。可以得出，随着变形温度、应变速率、应变和道次间隔的增加和初始晶粒尺寸的下降，静态再结晶体积分数逐渐增加，这主要是由于变形储能和位错增多所致。应变诱导晶界迁移是SA508Gr.4N低合金钢静态再结晶的形核机制。根据应力-应变曲线，建立的静态再结晶动力学模型预测值与实验值吻合较好，计算出SA508Gr.4N钢的静态再结晶热激活能为264,225.99 J/mol。
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  Cl对合金元素M（M = Fe, Ni, Mn, Si, Mo, Cu, Y）掺杂Cr₂O₃影响的第一性原理研究

  牛亚楠，董楠，刘思，杨静，韩培德，吴玉程

  钢铁研究学报(英文版). 2021, 28(5): 613-620.
  https://doi.org/https://doi.org/10.1007/s42243-020-00494-x

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  通过第一性原理方法，研究了Cl对合金元素M（M = Fe, Ni, Mn, Si, Mo, Cu, Y）掺杂Cr₂O₃的影响。Cl吸附导致所有掺杂体系的层间距不同程度地增大，当有Mo或Y掺杂时，掺杂体系结构最为稳定。通过计算体系的吸附高度、键布居数及差分电荷密度图，发现Mo和Y都可以抑制Cl在掺杂体系表面的吸附，减弱与表面的相互作用，从而提高钝化膜的耐蚀性。同时计算了多种合金元素共同掺杂Cr₂O₃体系，Mo和Y同时掺杂时，体系的耐蚀性最为显著；CrMoY掺杂体系要优于单元素掺杂体系及其他合金元素共掺杂体系。
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  充氢对Ti-0.3Mo-0.8Ni合金氩弧焊接接头压缩变形行为的影响

  张朝晖，刘全明，傅莉，杨海瑛，刘世锋

  钢铁研究学报(英文版). 2021, 28(5): 621-628.
  https://doi.org/https://doi.org/10.1007/s42243-020-00509-7

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  研究了充氢对Ti-0.3Mo-0.8Ni 合金氩弧焊接接头压缩变形行为的影响，详细讨论了氢致流变应力演变机制。结果表明：随充氢量增加，包含层片α和针状氢化物相在内的全片层组织的拉伸和弯曲程度持续增加，动态再结晶（DRX）晶粒的形态由近似等轴状趋于转变为大层片状，DRX晶粒数量和动态再结晶程度显著增加。大量位错集中分布在氢化物周围。随充氢量增加，稳态应力持续下降，而充氢0.12 wt.%焊缝的峰值应力先降至最小值，后缓慢增加。充氢0.05 wt.%焊缝的流变应力因较软β相体积分数有限的增加而略有下降。氢诱导α相动态再结晶和氢化物与位错之间的强相互作用致位错运动改善直接导致了充氢0.12和0.21 wt.%焊缝的流变应力急剧下降。固溶氢也通过促进局部软化而在一定程度上协助了充氢0.12和0.21 wt.%焊缝流变应力的急剧下降，这导致了连续再结晶行为和更多可移动位错参与位错滑移或攀爬。氢化物的强化效应及塑性变形和固溶氢引发的β相固溶强化最终使充氢0.21 wt.%焊缝在真应变0~0.36范围内流变应力增加。
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  深冷处理促进M₂₃C₆型碳化物的析出和Si偏聚加剧超级马氏体不锈钢点腐蚀

  何潇，吕新杨，吴志伟，李绍宏，雍岐龙，梁剑雄，苏杰，周烈兴，李俊，赵昆渝

  钢铁研究学报(英文版). 2021, 28(5): 629-640.
  https://doi.org/https://doi.org/10.1007/s42243-020-00514-w

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  本文通过X射线、场发射扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）以及电化学等方法研究了深冷处理对超级马氏体不锈钢的组织演变和耐点蚀性能的影响。结果表明，超级马氏体不锈钢回火后的组织主要为逆变奥氏体、回火马氏体和M₂₃C₆型碳化物。深冷处理促进马氏体板条的细化和碳化物的析出。TEM分析结果表明，在碳化物与马氏体的界面处，出现了Si原子的偏聚。深冷处理样品的点蚀电位随回火温度的升高而降低，在650 ℃回火温度下点蚀电位最低。点蚀电位的降低主要归因于M₂₃C₆型碳化物的析出以及Si原子的偏聚。Si原子的偏聚使得M₂₃C₆的周围形成贫Cr区，且阻碍了其恢复。