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随着汽车船舶、机械制造、国防军工等领域的飞速发展, 钢铁产品在市场上的需求也日益提升, 并且对其质量要求也愈发严格。热轧带钢作为钢铁产品的重要组成部分, 既能作为冷轧原料又能作为成品直接使用, 从而对制造业的发展有着重要影响。然而, 由于热轧带钢生产过程中伴随着复杂的传热、变形、物理冶金等因素, 使得带钢内部容易形成残余应力。残余应力的存在会引发一系列问题, 例如导致材料尺寸发生变化、降低材料的耐应力腐蚀性能和抗疲劳性能, 并且会对后续结构的强度产生严重的负面影响。特别对于板带钢而言, 残余应力是导致平坦度缺陷的根源性因素。当残余应力超过一定阈值时, 会引发带钢的屈曲变形, 进而产生表观平坦度缺陷; 而当残余应力虽未达到引发屈曲的程度时, 会形成潜在的平坦度缺陷, 这种潜在缺陷往往会在后续的切割过程中导致带钢发生变形。鉴于上述情况, 对热轧带钢残余应力问题的研究具有重要意义, 是突破钢铁行业发展瓶颈的关键所在。为此从残余应力的形成机理出发, 聚焦于残余应力问题最为突出的热轧板带生产流程, 深入探讨残余应力的研究进展和分析方法, 并对残余应力在线调控技术的发展趋势进行前瞻性展望。
为了实现炼钢区段层流专线化高效运行, 以进一步提升炼钢区段生产效率, 针对某钢厂炼钢区段工艺路径复杂多变、交叉点多、运行路线存在诸多不确定性以及工序节奏慢且发散造成工序间匹配性较差、生产效率有待提升等问题, 基于该厂炼钢区段工艺路径与装备现状, 系统解析典型钢种炼钢区段各工序及亚界面运行时间情况, 整体优化了炼钢区段铁水物质流工艺路径, 规范了炼钢区段各工序操作, 建立基于多炉连浇的炼钢区段专线化高效运行仿真模型及多层次规则, 为炼钢区段实现专线化高效协同运行提供有力支撑。结果表明, 通过对炼钢区段工艺路径优化, 将原有的48条工艺路径简约为8条, 路径交叉点由15个减少至0个, 为实现恒拉速条件下各工序准等节奏协同运行扫清障碍。在此基础上, 通过实施炼钢区段铁素物质流工艺路径优化、各工序快节奏高效稳定冶炼以及专线化高效运行仿真与多层次规则制定等技术, 实现全钢种全量铁水KR脱硫预处理, KR深脱硫在站处理时间由37.5 min降至27.4 min, 转炉冶炼周期由35.7 min降至32.6 min, 提升RH处理比例至33.5%且冶炼周期由33.8 min降至27.1 min; 炼钢-连铸过程钢包周转时间由230.4 min缩短至197.4 min, 典型钢种A和钢种B采用RH直上路径从KR进站到连铸开浇时间分别由249.9、256.2 min缩短至187.5、201.9 min, 相当于增加1.5炉钢的产量, 生产效率提升效果显著。
“十四五”期间, 中国经济由高速增长阶段转向高质量发展阶段, 钢铁行业和下游行业对产品质量管控提升提出了更高的要求; 随着新兴信息技术应用, 工业大数据助力钢铁行业向高质量转型发展。当前钢铁行业仍存在数据孤立、质量追溯分析困难等问题, 没有系统全面地处理错综复杂的关联数据, 导致质量分析效率低、成本高; 同时高端特殊钢具有成分复杂、生产批量小且高性能、高纯净度、高精度、高稳定性的特点, 对质量的要求极为苛刻。为此, 兴澄特钢将企业全流程、多源异构的生产数据充分汇聚融合, 利用工业大数据、人工智能和数字孪生等技术, 构建了1+N的质量体系架构; 该质量体系架构以1个质量大数据平台为基础, 建设了多个质量管理子系统, 实现了质量全流程管控。基于工业大数据的高端特殊钢质量管控的成功应用实践为钢铁行业质量管控提供了新的思路和方法, 具有重要的参考和推广价值。
烧结工序作为钢铁长流程能耗大户, 占吨钢总能耗8.8%, 是制约钢铁行业实现"双碳"目标的关键环节, 其中约80%能耗来源于固体燃料燃烧供热。借助燃烧热重分析及烧结烟气成分分析, 综合评价不同燃料结构燃烧特征参数及对烧结过程影响规律, 确定烧结燃料适宜焦煤比。结果表明, 随着焦煤比逐步提高, 可燃性指数、燃料综合燃烧性能指数及最大燃烧速率均呈先下降后增长趋势。在焦煤比为3∶1和4∶1时, 烧结成品率分别达到67.49%和68.87%, 转鼓指数分别升至64.67%和65.33%, 且固耗水平相对较低, 分别为68.41 kg/t和66.91 kg/t。[JP]通过对烧结烟气中燃烧比定量分析, 随着焦煤比提高, 燃烧比先减小后增大。研究结果为烧结过程适宜燃料结构确定及固耗控制提供了数据支撑。
在全球"碳中和""碳达峰"的大背景下, 高比例球团矿作为入炉原料是大势所趋。而球团质量取决于生球的性能, 因此, 保证生球质量是研究球团制备工艺较为重要的环节。在生球制备的过程中, 造球加水量与造球时间在很大程度上影响着生球性能及球团成球过程。因此, 分析了不同造球总水量、滴水量雾水量之比以及造球时间对生球性能以及球团过程的影响机理。研究表明, 适宜的造球加水量与滴水量雾水量之比有利于提高生球强度。在其他造球参数一定的情况下, 试验所用原料在造球加水质量分数为10%~11%时, 生球性能最好, 生球的平均抗压强度可达到14.42 N/P左右, 平均落下强度在6.3次/个左右, 爆裂温度为661 ℃。当滴水量雾水量之比为1.4∶1时, 生球的平均抗压强度可达到14.78 N/P, 平均落下强度为6.2次/个, 爆裂温度为608 ℃, 生球性能最佳。当造球总水量与滴水量雾水量之比过高或过低时, 生球性能均会下降。对于成球过程而言, 成品球平均粒径及成球平均速率随着造球加水量的提高而增大; 滴水量雾水量之比的变化对成品球平均粒径及成球平均速率影响较小。另外, 延长造球时间有助于提高生球性能但会降低球团生产效率。研究结果为制备优质生球提供理论支撑, 为提高生球性能以及球团生产效率提供重要指导。
为定量评估周转过程中钢包的蓄热及各表面散热对钢液温度的影响, 实现转炉出钢温度的精准控制, 以210 t钢包为研究对象, 通过全隐式格式对偏微分方程进行离散化, 建立了基于有限体积法的钢包二维非稳态传热数学模型。采用迭代法对方程进行求解, 并利用C编程语言实现了数值算法, 且使计算速度满足了在线工业应用的时效性要求。结果表明, 钢包正常周转过程中, 工作层温度变化最为显著, 其内表面温度变化可达630 K。包壳外表面温度分布从下至上呈逐渐上升趋势, 其表面温差可达160 K。钢包蓄热及各表面散热造成的钢水温降主要集中在21~28 K, 出钢、满包无盖及满包传搁过程中, 钢包蓄热及各表面散热造成的钢液温降速率分别约为0.74、1.32、0.31 K/min。该模型已部署在企业生产过程管理系统上, 得到实际运用, 其计算结果为合理制定钢包温度制度提供了一定的依据, 也为继续深入探究钢包热状态对钢液温度的影响奠定了基础。
为了了解高锰高炉钢中夹杂物的特点, 进一步指导实际工业生产, 探讨了20Mn23AlV无磁钢中含钙夹杂物的演变机理。通过扫描电子显微镜和能谱仪确定钢样中含钙夹杂物的特征。结合工业试验和热力学计算, 阐明钢中含钙夹杂物的形成机理。氩氧脱碳炉(AOD)阶段铝脱氧后, 主要夹杂物为球形Ca-Al-Si-Mn-O夹杂物。第1次加铝后, 球形Ca-Al(富)-Si-Mn-O和球形Ca-Al-Mn-O成为主要夹杂物。钢包精炼炉(LF)钙处理后, 典型的夹杂物为聚集的CaS-CaO夹杂物。在中间包中, 夹杂物类型为CaS和CaS(富)-CaO, 夹杂物的尺寸、数量大幅减小。热力学分析表明, 随着铝质量分数增加到约2%, 形成了高Al2O3含量的夹杂物, 这些夹杂物在炼钢过程中极易去除。钙处理并未起到改性Al2O3夹杂物的作用, 反而促进了聚集的CaS-CaO夹杂物的形成, 这与在低铝钢中, 通过钙处理将夹杂物改性为液态夹杂物来防止水口堵塞的思路有所不同。
为了研究不同生产操作工艺对真空精炼炉(VD)处理后钢液洁净度的影响, 开展了VD处理前排渣与不排渣工业试验研究。对生产过程数据变化进行了分析, 并对钢中非金属夹杂物的演变、数量、尺寸等进行了统计分析。工业试验结果表明, 钢液在VD真空处理前进行排渣操作炉渣中w(TFe+MnO)、w(SiO2)减少量只是正常炉次的18.6%、62.7%。夹杂物变化方面, 正常炉次夹杂物数量由1.44个/mm2减少到1.02个/mm2, 排渣炉次夹杂物数量由1.50个/mm2减少到0.84个/mm2; 正常炉次夹杂物平均等效粒径由5.5 μm增加到15.4 μm, 而排渣炉次的夹杂物平均等效粒径由5.4 μm增加到7.1 μm。经过VD处理后夹杂物进一步向钙铝酸盐类转变, 同时钢中出现了含SiO2夹杂物, 排渣炉次钢中夹杂物CaO质量分数均值由8.0%增加到17.6%。排渣炉次钢材中小于10 μm的夹杂物中纯尖晶石类数量是正常炉次的2倍, 钢材T[O]的质量分数基本达到10×10-6以内, 比正常炉次的低2×10-6。采用排渣操作后, 经过VD真空处理, VD破空后钢中夹杂物的钙质量分数相比正常炉次少9.5%, 夹杂物成分更加偏离炉渣成分, 钢-渣间的反应减少。采用排渣冶炼可以进一步提高钢中夹杂物去除率, 有效减少VD真空处理后钢中大尺寸夹杂物数量, 提高钢的洁净度。
针对薄板坯连铸连轧生产过程中氧化铁皮压入带钢表面、隧道炉炉辊结瘤、氧化烧损率高等问题引发的炉辊寿命短和轧线成材率低的问题, 通过实验室模拟与产线生产试验相结合的方法, 研究了普碳钢薄板坯无头轧制过程中的铸坯表面氧化行为和隧道炉烧损控制方法, 并采用Gleeble热模拟机和STA449C型热重分析仪, 分析了试验模拟铸区和炉区的氧化增重规律, 解决了氧化铁皮压入、隧道炉炉辊结瘤以及铸机区域积渣等问题。试验结果表明, 铸区扇形段内的氧化积渣量大幅降低, 炉内氧化烧损率约为0.4%, 轧线成材率大于99.1%, 氧化铁皮降级率小于0.3%, 不仅显著降低了产线生产成本, 而且提升了产品表面质量, 为提升薄板坯连铸连轧产品的表面质量和生产过程的稳定性提供了新方法。
为了研究实际工况下铸态、锻造态、热轧态、固溶态的不同N、Ni含量304L奥氏体不锈钢中铁素体相的组织演变行为特征, 采用金相、扫描电镜和能谱分析等方法进行分析。结果表明, 304L奥氏体试验钢中有少量铁素体存在, 随着N、Ni元素含量逐渐增加, 试验钢的奥氏体稳定性增强, 铁素体含量逐渐减少。实际工业生产中不同状态的试验钢具有不同的组织形貌, 铸态试验钢中主要由奥氏体基体相和骨架状铁素体构成; 锻造态试验钢中, 粗大奥氏体晶粒碎化, 而铁素体形貌演变为孤岛状; 热轧态试验钢中可观察到明显的动态再结晶行为特征, 奥氏体相演变为细小等轴晶粒, 而铁素体相呈条状、沿轧制方向分布于奥氏体晶界处; 固溶态试验钢组织则由奥氏体基体与少量等轴化铁素体构成。着重阐述不同状态试验钢中残留铁素体的形貌、含量以及影响因素, 以期为提高304类奥氏体不锈钢铁素体控制水平提供理论依据。
镍基高温合金以稳定的高温力学性能广泛应用于航空发动机关键热端部件, 然而多级固溶冷却策略对高γ'含量镍基高温合金的组织及变形机制影响还未有明确量化分析。采用不同冷却策略对多模态γ'相分布的新型镍基高温合金进行固溶处理。量化分析了强化相的尺寸和形貌, 并在双级固溶冷速条件下研究了合金800 ℃高温拉伸性能。结果表明, 单级冷速的加快导致二次相从立方体向球形转变, 尺寸减小; 而双级冷速可产生双模态强化相分布。随着拐点温度的升高, 三次相体积分数升高, 二次相尺寸及体积分数降低; 剪切强化机制逐渐向层错剪切作用转变并实现强度性能的升高。尽管三次相对屈服强度有贡献, 但在双模态强化相分布条件下对强度性能的贡献比例随其体积分数的增加而降低。因此, 为实现更好的强塑性配合, 未来双级冷速策略可适当升高中断温度及保证更快的第二级冷速, 以追求相对较小的二次相和更高体积分数三次相的双峰分布。
随着中国"深海"战略的推进, 海洋工程装备对近β钛合金强度和塑性匹配提出了越来越高的要求, 热处理是优化该类合金强度和塑性的最关键工艺环节。探讨了不同热处理方式对近β钛合金Ti-3Al-5Mo-4Nb-4Cr-2Zr组织和室温拉伸性能的影响, 针对该合金进行了3种热处理, 即单相区固溶加时效处理(SSA)、双相区固溶加时效处理(DSA)和单相区固溶处理后缓冷加时效处理(BASCA), 并通过扫描电子显微镜和透射电子显微镜观察微观组织, 利用拉伸试验机测试室温拉伸性能。结果表明, 相对于热处理前合金, 经过3种热处理后合金的室温拉伸性能得到了提高。当采用500 ℃/6 h时效处理时, 3种热处理方式均使合金强度提高, 经过SSA后, 析出相对最为细小弥散的针状αs相, 强度提高最为显著, 抗拉强度和屈服强度分别为1 360 MPa和1 318 MPa, 其次为BASCA和DSA, 但合金塑性均下降, SSA合金断后伸长率为最低的4.9%。当采用650 ℃/6 h时效处理时, 3种热处理方式均使合金塑性提高, SSA合金塑性提高最为显著, 其次为DSA和BASCA。当采用BASCA(500 ℃/6 h时效)时, 合金的强塑性匹配相对最佳, 其屈服强度、抗拉强度和断后伸长率分别为1 292 MPa、1 333 MPa和6.1%。
Al-Si镀层热成形钢激光搭接焊过程中，镀层熔化易进入焊缝，在搭接熔合线及焊缝内部形成大量软相δ-铁素体。为消除铁素体，通常向焊缝添加含强奥氏体元素材料，具体包括搭接界面预制中间层或填充丝材。然而，预制中间层工序复杂且难以确保焊缝均匀，填充高合金丝材的成本也较高。因此，为提高焊接效率、降低生产成本，通过向焊缝填充低成本的C-Mn焊丝对Al-Si镀层热成形钢进行激光搭接焊。结果显示，未填充焊丝时，热冲压后焊缝中含有39%(体积分数)的铁素体，搭接熔合线处存在大块状δ-铁素体。焊缝平均硬度仅为母材的67%，接头的最大拉剪载荷为8.5 kN，裂纹萌生于δ-铁素体处，并迅速扩展至焊缝内部，断裂方式为脆性断裂。随送丝速度的增加，搭接熔合线处δ-铁素体减小，焊缝内部马氏体比例升高，焊缝平均硬度及界面拉剪载荷逐渐提升。当送丝速度为3 m/min时，焊缝中铁素体体积分数减少至6%，焊缝硬度达母材的95%，最大拉剪载荷为10.1 kN，较未填丝工艺提高18%，拉剪断裂方式以韧性断裂为主；送丝速度增至4 m/min时，丝材难以稳定熔化，焊缝中出现宏观缺陷。
钢铁生产流程中，焦炉排放的NOx对环境危害严重，分级燃烧和烟气再循环等低NOx燃烧技术已广泛应用于焦炉立火道的设计。但随着环保对NOx排放标准要求越来越高，对焦炉燃烧减排提出了更高的要求，通过改变焦炉煤气入口位置和高度，结合分级燃烧与烟气再循环，有望改善焦炉高向加热均匀性并进一步降低NOx生成，其中焦炉煤气入口管砖在实际生产过程中被称为“灯头砖”，因此该技术也被称为“高低灯头”低NOx燃烧技术。基于计算流体力学方法耦合燃烧、传热以及热力型NOx生成模型，建立了焦炉立火道内焦炉煤气流动、燃烧、传热以及NOx生成多场耦合三维数学模型，系统研究了灯头砖高度、灯头砖横向位置和纵向位置对焦炉温度分布及NOx生成的影响。结果表明，随着灯头砖高度由0 mm增加至400 mm，立火道高向温度均匀性提升，但出口NOx质量浓度由304 mg/m3增加至535 mg/m3；随着灯头砖横向距离由27 mm增大至227 mm，立火道高向温差减小至166 ℃，出口NOx浓度先减小后增大，最小质量浓度为304 mg/m3；随着灯头砖纵向距离由70 mm增大至230 mm，高向温度均匀性变差，高向温差从152 ℃增大至273 ℃，灯头砖纵向距离在150 mm时，出口NOx浓度达到最低，为304 mg/m3。综合单因素分析结果可得，最佳灯头砖几何参数为灯头砖高度100 mm、灯头砖横向距离177 mm、灯头砖纵向距离150 mm。这对焦炉高效节能和清洁生产的设计有一定的指导作用。
钒钛磁铁矿因其丰富的储量和钒钛资源的重要性而受到关注，但由于其矿石成分复杂且元素共生严重，高炉冶炼难度较大。氢气还原因其环保性和还原性强在处理钒钛磁铁矿方面具有优势而备受关注。然而，钛和钒形成的固溶体会影响还原过程中气体的渗透性和反应动力学，因此钒钛磁铁矿球团需要有更高的孔隙率。为提高孔隙率，采用杨木粉和高钛型钒钛磁铁矿进行球团化试验，研究了复合球团在不同气氛下焙烧产物的物相变化及生物质配比对球团抗压强度和孔隙率的影响。结果表明，空气焙烧产物主要为Fe3O4和少量Fe2O3，氩气焙烧产物以FeO和Fe3O4为主。在低生物质添加量下，孔隙率提升不明显，而高生物质添加量时，抗压强度较低。配加7%生物质制备的碳铁物质的量比值为0.08的复合球团，焙烧后的抗压强度为1 870 N，孔隙率为14.3%，且其还原度显著高于原矿球团，满足直接还原工艺要求。
双侧吹铜熔炼过程机理复杂、参数耦合性强、在线检测困难，导致工艺参数的协同优化难以实现。针对这一难题，运用数值模拟与正交试验的方法，揭示关键工艺参数对熔炼过程的作用规律，并提出多工艺参数协同优化方案; 构建了基于体积分数(VOF)的熔炼多相流数值仿真模型，设计了针对风口送风流量等3个关键工艺参数的3水平正交试验方案。通过多次数值模拟试验与模拟结果后处理，获得气流穿透深度等流动特征数据。综合运用机理分析、多目标优化以及极差分析方法，研究了工艺参数对双侧吹熔池熔炼多相流动特征的综合影响规律，发现熔炼过程对3个工艺参数的敏感性排序为风口送风流量＞风口浸没深度＞熔池宽度；最优参数组合为送风流量1 650 m3/h、熔池宽度2.55 m和浸没深度0.60 m。研究结果对提升双侧吹铜熔炼过程熔炼效率与稳定性具有参考价值。
为缓解烧结矿环冷机在余热回收中存在的漏风和余热利用率低等问题，以某钢铁生产厂日产量11 500 t的环冷机系统为研究对象，设计了阶梯分段式自密封新型烟罩，对环冷机内抽风系统结构进行了优化。通过数值模拟对有无设计烟罩下系统流场分布和温度提升等综合表现进行了分析。结果表明，环冷带有烟罩结构显著提高了冷热抽风口热烟气的温度，当抽口静压为500 Pa时，冷、热抽风口烟气分别提高约46.8、2.5 ℃，有助于提升环冷机余热利用效率与可用能。与无烟罩结构系统相比，安装烟罩结构可明显减少环冷带热矿料入口的漏风量，当抽口静压为500 Pa时，入口界面处漏风量减少约4.32×104 m3/h，显著提升了高温段热烟气温度品质。
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