2024年, 第59卷, 第8期　刊出日期：2024-08-15

  

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综合论述
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  钢铁流程协同利用有机固废研究进展

  彭程, 龙红明, 范春龙, 丁龙, 钱立新, 吴正怡, 叶程康

  钢铁. 2024, 59(8): 1-12.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230677

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  钢铁流程协同利用有机固废具有天然优势,高温条件和完善的污染物治理体系有利于有机固废无害化处置,不会对环境造成二次污染。有机固废作为燃料替代化石能源,既降低了钢铁生产成本,又减少了CO₂排放,实现变“废”为“宝”。钢铁流程协同利用有机固废具有绿色发展、保护生态环境等多重效益,符合钢铁企业的发展需求。总结了钢铁流程处置有机固废的研究进展,概述了有机固废在铁矿烧结、高炉炼铁、转底炉以及电弧炉炼钢等钢铁生产工序中的利用现状和所面临的技术瓶颈。结合转底炉工艺在固废处置领域的优势和特色,提出了以转底炉为中心的多炉窑集成有机固废处理新技术,包括有机固废热裂解系统、转底炉系统、氢等离子体熔融热解炉系统和烟气污染物控制系统。利用热解气化炉对有机固废进行热解,得到可燃气和热解碳。可燃气用以替代天然气为转底炉提供能源。热解碳可替代焦粉、煤粉与铁锌尘泥制备含碳球团,在转底炉冶炼条件下得到有价金属粉尘和金属化球团,有价金属粉尘富集后通过火法-湿法联合工艺得到高附加值的锌锭、铅锭、铟锭等金属,金属化球团则通过氢等离子体熔融热解炉生产铁水。整套工艺的烟气在转底炉烟气处理系统中集中减排实现污染物超低排放,为钢铁流程协同处理城市有机固废提供新思路。
原料与炼铁
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  钒钛磁铁矿还原-磨选工艺分离铁钛试验

  罗林根, 庞建明, 李新, 宋耀欣, 王华, 林银河, 郑权, 柴先义

  钢铁. 2024, 59(8): 13-18.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20240014

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  以攀西钒钛磁铁矿为研究对象,分析了攀西钒钛磁铁矿综合利用工艺方案现状。考虑到传统工艺采用碳质还原剂或加入添加剂还原后产品中有过量的碳和添加剂残留,将对制得的产品造成污染,尤其是钠盐添加剂更是一种环境污染因子,工业化处理成本较高等弊端,提出采用氢气还原-磨选工艺处理钒钛磁铁矿以实现铁、钛2种元素的分离。研究过程先对钒钛磁铁矿用氢气还原,使矿中的铁氧化物绝大部分还原为金属铁,再通过细磨磁选分离钛和铁元素。研究表明,在1 200 ℃还原4 h,钒钛磁铁矿金属化率可达86.21%;还原钒钛磁铁矿经细磨60 min,得到粒度D₅₀约为10.5 μm的微粒,在磁场强度为80 mT条件下进行湿式磁选,可得到TFe质量分数为89.34%、TiO₂质量分数为 0.83%、V₂O₅质量分数为 0.33%的金属铁粉和TFe质量分数为6.22%、TiO₂质量分数为36.82%、V₂O₅质量分数为2.35%的非磁性物,从而实现铁钛元素的分离。还原-磨选工艺应用于钒钛磁铁矿的铁、钛元素分离有较好的效果,获得的金属铁粉铁含量高、铁收率高,同时渣中钒、钛元素得到有效富集有利于后续提取钒、钛元素;氢气作为还原剂不会带来二次污染。还原-磨选工艺有望实现钒钛磁铁矿综合利用,有较好的应用前景,可进一步开展更大规模试验研究。
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  喷吹城市生活垃圾对高炉冶炼过程的影响

  刘思贤, 王广, 乔宇峰, 王静松, 薛庆国

  钢铁. 2024, 59(8): 19-26.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230712

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  中国城市生活垃圾产生量大,其蕴含的能量也十分可观,且城市生活垃圾中的其他垃圾主要成分为碳氢物质,热值较高,可用于钢铁行业部分工序使用,既能实现城市生活垃圾中碳氢组分的资源化利用,又能降低自身化石燃料消耗及对应的碳排放。基于物料平衡和热平衡计算,在高炉喷吹城市生活垃圾后对煤比、理论燃烧温度、煤气性质及高炉碳排放的影响进行分析讨论。研究结果表明,城市生活垃圾的分解热为1 731.69 kJ/kg,高于煤粉分解热;固定理论燃烧温度为2 121 ℃时,城市生活垃圾代替煤粉喷吹的最大喷吹量为73 kg,固定鼓风氧体积分数为22%时,城市生活垃圾代替煤粉喷吹的最大喷吹量为83 kg;炉腹煤气量随城市生活垃圾喷吹量的增大而减小;炉腹煤气中H₂占比随城市生活垃圾喷吹量的增大而增大;40%城市生活垃圾粒化产物1∶1代替煤粉进行喷吹时,生产1 t生铁最多可降低碳排放169 kg。基于物质平衡和热平衡计算,城市生活垃圾代替煤粉进行高炉喷吹的最大值为83 kg,与国外高炉喷吹废塑料的喷吹量接近。喷吹城市生活垃圾后高炉理论燃烧温度保持在中国经验值范围内,炉腹煤气中还原气体占比增大、炉腹煤气指数降低、高炉利用系数提高、碳排放降低。研究结果可为高炉炼铁过程协同处置城市生活垃圾减污降碳技术的开发提供理论基础。
炼钢
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  铁水预脱磷温度对脱磷渣结构及行为的分析与探讨

  周朝刚, 陈庆功, 闫占辉, 赵长亮, 刘道正, 王连全, 单庆林, 王书桓

  钢铁. 2024, 59(8): 27-39.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20240064

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  为探究不同铁水温度下脱磷熔渣结构演变对脱磷效果及磷迁移富集行为的影响,在铁水温度为1 340~1 420 ℃条件下进行了实验室试验,利用XRD、SEM-EDS、FTIR和Raman光谱对试验后脱磷终渣的结构进行了表征。热力学理论分析表明,随着温度的升高,磷的分配比逐渐降低。铁水脱磷试验表明,当铁水温度为1 380 ℃时,铁水脱磷效率最高,温度过高或过低均不利于脱磷,且铁水硅质量分数随着温度的升高逐渐降低。XRD和SEM-EDS分析结果表明,磷主要富集在2CaO·SiO₂结晶区,富磷相由2CaO·SiO₂-3CaO·P₂O₅固溶体组成,温度的升高会降低富磷相的比例。拉曼和红外分析结果表明,Si—O—Si键受温度升高的影响较小。当温度较低时,炉渣中Q¹（Si）、Q²（Si）和Q³（Si）的含量增加。当温度升至1 380 ℃时,Si—O—Si键断裂,Q⁰（Si）增大。低聚合度的硅酸盐结构促进磷的迁移和聚集,以Q¹（P）形式存在的磷逐渐增加。当温度为1 380~1 420 ℃时,较高的铁水温度抑制了磷的迁移,进入渣中的硅往往以高聚合度的形式存在,随着脱硅反应的进行,渣的聚合度逐渐增加。此外,由于FeO₆八面体的显著增加和硅酸盐聚合度的提高,磷向硅氧网络结构中的迁移受到抑制,以Q⁰（P）形式存在的磷逐渐增加,磷在炉渣中的扩散程度增加。可以为钢铁企业解决铁水磷质量分数超标问题和控制合理的预脱磷温度提供理论指导和参考。
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  基于耦合反应机理的转炉冶炼模型

  张强, 杨勇, 戴雨翔, 林路

  钢铁. 2024, 59(8): 40-49.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230675

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  转炉内部发生着复杂的多元多相耦合反应,由于静态控制模型只能考虑转炉冶炼过程的始态和末态,无法获知整个冶炼过程中连续的熔池钢水成分和温度变化情况,导致难以对转炉炼钢终点进行精确控制,因此转炉冶炼过程的机理模型搭建对实际生产具有重要的指导意义。在静态模型的基础上基于耦合反应机理建立了转炉冶炼过程模型,并使用C#语言编写了能够用于模型计算的软件。该模型可以计算出冶炼过程中所需造渣剂、冷却剂和耗氧量等,并可以计算熔池温度、熔池成分和熔渣成分随吹炼时间的变化,对钢水终点温度、成分以及熔渣成分进行较为精准地预测。通过改变模型的操作参数,研究了不同供氧强度对脱碳速率的影响和底吹氩气流量对脱磷速率的影响。研究结果表明,供氧强度的变化对脱碳过程前期和中期的影响较为明显,对脱碳过程后期影响较小。底吹氩气流量的增大对脱磷过程前期的影响较大,可以增加脱磷反应的速率,但随着氩气流量的增加,渣中的FeO含量降低,导致脱磷速率降低。通过对比某钢厂转炉100炉实际数据与模型计算结果发现,钢水终点碳质量分数偏差为-0.02%~0.02%的命中率为89%,终点钢水温度偏差为（t±10）℃的命中率为83.0%,实际测量数据和理论计算值在一定范围内的偏差较小,具有指导实践生产的意义。
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  拉速对MCCR工艺生产低碳铝镇静钢轧板中夹杂物的影响

  杨文, 王乐瑶, 刘金刚, 袁天祥, 张立峰, 杨光, 李阳, 闫占辉

  钢铁. 2024, 59(8): 50-57.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230719

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  多模式薄板坯连续铸轧生产线（MCCR）既不同于传统连铸-轧制工艺,又异于传统薄板坯连铸连轧工艺,目前在国内外只有一条产线。MCCR工艺生产采用高拉速浇铸,具有大的通钢量,拉速对此工艺生产的轧板洁净度尤其是钢中非金属夹杂物特征影响较大。基于此,采用自动扫描电镜探究了4.7~5.2 m/min范围内拉速对MCCR工艺生产的低碳铝镇静钢轧板中非金属夹杂物特征的影响规律。结果表明,轧板中夹杂物主要为Al₂O₃-CaO类型,夹杂物中Al₂O₃质量分数为69%~72%、CaO质量分数为16%~22 %,夹杂物成分随着拉速的增加基本不发生改变。轧板中5 μm以上夹杂物随拉速的变化规律与2 μm以上夹杂物随拉速的变化规律相反。随着拉速的增加,轧材中尺寸大于2 μm夹杂物的数密度和面积分数整体呈小幅上升趋势,但平均尺寸变化不大。然而,随着拉速由4.7 m/min升高到5.0 m/min的过程,轧板中尺寸大于5 μm夹杂物的数密度、面积分数和检测到的最大尺寸均呈现减小趋势,且在轧板宽度方向的波动也减小。拉速升至5.0 m/min以上后轧板中尺寸大于5 μm夹杂物特征变化不大。从凝固前沿夹杂物受力的角度解释了钢中大尺寸夹杂物数量随拉速升高而降低的现象。基于研究结果,建议MCCR工艺生产低碳铝镇静钢时宜采用5.0 m/min以上的连铸拉速。
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  浇注末期堵流操作对中间包内钢液特性的影响分析

  吴正义, 武豪, 江雪婷, 孙陶安, 夏云进, 操瑞宏, 邓爱军

  钢铁. 2024, 59(8): 58-69.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230676

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  以某钢厂八流方坯中间包为研究对象,通过数值模拟和物理模拟互相结合及相互验证的方式对浇注末期中间包堵流操作后的温度场、流场、液面波动、死区分布以及夹杂物去除率情况进行了研究分析,综合确定了最佳堵流方案,为现场生产提供理论指导。结果表明,堵流操作会使死区体积分数达到原来的2.0~2.5倍,液面波高变化增强。其中Outlet1被堵时4号位波动最强,数值、物理模拟以及死区可视化结果下死区体积分数分别为24.9%、31.7%以及26.2%,Outlet3和Outlet4被堵时5号位波动最强,数值、物理模拟以及死区可视化结果下死区体积分数分别为23.5%、29.6%以及24.3%左右。相较于正常浇注时的死区分布情况及夹杂物去除率情况,Outlet1被堵时远流区域死区扩大、夹杂物去除率平均提高4.87 %,Outlet3被堵时中间区域死区扩大、夹杂物去除率平均提高5.29%,Outlet4被堵时近流区域死区扩大、夹杂物去除率平均提高7.61%。另外,Outlet1被堵时,数值和物理模拟下出口最大响应时间差分别为14 s和9 s,最大平均停留时间差分别为27 s和18 s,停留时间分布曲线（RTD）重合度较高,温度场也较为均匀。因此,基于多角度表征结果来看,实际生产过程中若出现必要堵流操作时,为保持中间包内钢液原有流动特性,以减少堵流操作的无序性和盲目性,堵Outlet1流为最佳方案。此外, 流体死区临界速率0.008 8 m/s可用于流体死区速率标定,其准确性通过数值模拟和物理模拟得到了相互验证。
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  电磁制动对FTSC结晶器内流场和钢渣界面的控制

  史敬培, 尚晓娴, 李学凯, 张彩军, 朱立光

  钢铁. 2024, 59(8): 70-82.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20240048

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  针对高拉速时薄板坯连铸结晶器内流场及钢渣界面不稳定问题,以某钢厂FTSC（flexible thin slab caster）结晶器和多模式电磁制动MM-EMBr（multi-module electromagnetic braking）系统为研究对象,采用LES+VOF模型对不同电磁感应强度条件下的结晶器流场进行多物理场耦合计算,重点研究在水口浸入深度为190 mm、拉速为6 m/min条件下不同磁感应强度对结晶器内流场和钢-渣界面的影响。研究结果表明,无电磁制动时,结晶器内流场随着冲击深度的增加由最初的双环流逐渐转变成单环流模式,钢渣界面不稳定,起伏波动大,最大速度值超过0.65 m/s,最大波高值超过40 mm,出现卷渣甚至“渣眼”现象,部分上返流钢液的湍动能转化为势能,使钢-渣界面位置逐渐上升,液渣层减薄;开启多模式电磁制动系统后,当水口正下方位置C处磁感应强度不低于0.09 T时,可以有效控制主射流的速度和角度,使窄面冲击点在一定范围内上下波动,从而控制结晶器内流场;随着磁感应强度的增加,结晶器内湍动能总值逐渐减小,当AB、C、DE的磁感应强度增加到0.17、0.15、0.12 T时,能将钢渣界面的最大速度值控制在0.30 m/s以内,最大波高值控制在10 mm以内,钢渣界面位置平均高度控制在-2~2 mm,钢渣界面的湍动能控制在0.045 J/kg以内,此时电磁制动效果最理想,结晶器内流场和钢渣界面的稳定性最好;继续增大磁感应强度时,结晶器内和钢渣界面的湍动能反而增加,这说明磁感应强度并不是越大越好,需要各模块协同配合才能达到最佳制动效果。
压力加工
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  CVC工作辊热辊型演变机理及其对板形的影响

  赵海金, 李旭, 张君婷, 邢俊芳, 廖哲, 陈丰, 田志强

  钢铁. 2024, 59(8): 83-93.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20240040

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  CVC技术是20世纪80年代出现的先进的板形控制技术,该技术通过轧机工作辊轴向横移获得所需辊缝凸度,从而控制出口带钢板形。热轧过程中CVC工作辊的热辊型变化对辊缝凸度影响显著,精确预报工作辊的热辊型对提高带钢板形控制精度和减小轧辊磨损有着重要的意义。以某厂1 780 mm带钢热连轧生产线为研究对象,运用大型有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA分别建立第4机架的工作辊三维热凸度有限元仿真模型和三维有限元轧制仿真模型。分析不同轧制时间、轧制速度、轧制间隙时间等轧制工艺对热辊型的影响。将不同轧制工艺下得到的热辊型代入到轧制仿真模型中,分析不同轧制工艺下的热辊型对带钢板形的影响。轧制初期工作辊热辊型发生明显变化,工作辊热凸度增加,带钢凸度降低,4 000 s后工作辊热辊型达到稳定状态,带钢凸度不再变化;轧制速度对热辊型影响较小,在热凸度稳定后对板形影响较小;工作辊随着轧制间歇时间的增加,冷却时间增加,热膨胀量减小,导致带钢凸度增加;随着带钢宽度的增大,工作辊边部吸收热量增加,工作辊热辊型边部发生明显变化,带钢凸度增大。仿真结果表明,轧制时间、轧制间隙时间、带钢宽度对板形影响较大,轧制速度影响较小,研究成果能为现场轧辊原始辊型曲线设计和板形控制提供参考。
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  变厚度轧制平面形状预测控制多段条元法

  杨实禹, 刘宏民, 王东城, 王国栋, 曹晓峥, 王宁

  钢铁. 2024, 59(8): 94-103.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20240060

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  纵向变厚度轧制是实现轧制产品轻量化、低损耗的有效技术手段。与常规轧制不同,纵向变厚度轧制过程中辊缝连续变化,导致轧制力、摩擦力、变形区长度等重要轧制参数随之改变,形成了非稳定的轧制状态,使轧后平面形状预测与控制更加困难。为解决变厚度轧制过程的平面形状预测难题,提出一种多阶段稳态化处理方法,将变厚度轧制区沿纵向划分为多个轧制阶段,各阶段近似为稳定轧制状态,使变厚度轧制平面形状预测问题转化为多阶段等厚稳定轧制的平面形状预测问题。再将各稳定轧制阶段沿横向划分为多个条元,根据条元变分法原理,将各条元节线的横向位移作为待定参数列出变形区内形变功率函数,根据能量趋小原理和变分法计算得到各条元节线轧制出口横向位移函数。再通过对各稳态轧制阶段整体进行变分计算,可得到条元节线轧后横向位移值。提出以条元边界的中点为平面形状特征点,将边部条元的特征点按稳态轧制阶段的划分顺序进行排列,可组成边部平面形状特征数列,实现对轧件边部形状的预测。基于金属体积不变原理,根据各条元的宽展和厚度可计算得出各条元的轧后纵向延伸值。将各阶段条元的纵向延伸按顺序排列并进行求和,得到各同位条元纵向长度。根据变形区内前后滑区金属流动特性,将变厚度轧制的轧后条元纵向长度分布转化为端部平面形状特征数列,实现轧件端部平面形状的预测。通过试验验证了此方法的正确性与可行性。
钢铁材料
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  Mo对Nb-V-N微合金钢复合碳氮化物析出行为的影响

  侯蹬云, 张婧, 辛文彬, 赵志博, 彭军, 童炀

  钢铁. 2024, 59(8): 104-116.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230687

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  钢中微合金碳氮化物的析出行为与其强度直接相关,为揭示Nb-V-Mo-N四元微合金钢中MX（M为Nb、V、Mo,X为C、N）复合碳氮化物的析出规律,通过Thermo-Calc热力学计算软件分析了平衡条件下不同Mo含量微合金钢的析出热力学相图,MX第二相在奥氏体和铁素体基体相中的析出驱动力、界面能及合金元素在奥氏体中的固溶规律,并利用场发射扫描电镜、透射电镜及电子探针研究了非平衡条件下试验钢中MX碳氮化物的析出特征。结果表明,0Mo钢中MX碳氮化物主要有FCC_A1#1富Nb高温析出相和FCC_A1#2富V中温析出相,0.26Mo和0.50Mo钢则在此基础上增加了MC_ETA即（V,Mo）C低温析出相;当Mo质量分数由0增加到0.50%时,FCC_A1#1和FCC_A1#2相的析出温度和最大析出量变化不明显,但有利于MC_ETA相析出。非平衡条件下,高温奥氏体区析出的富Nb-MX亚微米颗粒能够在钉扎晶界的同时,异质形核诱导针状铁素体形成;中温（奥氏体+铁素体）两相区相间析出和低温铁素体区任意析出的富V-MX纳米颗粒可与位错相互作用,有效阻碍其运动。此外,0Mo试验钢的室温组织由块状铁素体和珠光体组成,当Mo质量分数由0增加到0.26%时,钢中块状铁素体和珠光体所占比例减少,但促进了针状铁素体和少量贝氏体形成,当Mo质量分数进一步增加到0.50%时,铁素体占比明显减少而贝氏体增多;铁素体晶粒尺寸由（10.2±0.42）µm不断细化至（6.7±0.42）µm。试验钢的显微硬度由（223±13.8）HV_0.1逐渐增大至（318±19.9）HV_0.1,屈服强度和抗拉强度分别由（496±5.3）MPa和（618±9.7）MPa提高至（554±6.7）MPa和（823±13.3）MPa。通过发挥Nb-V-Mo-N四元微合金体系中各合金元素的协同作用,优化MX碳氮化物的析出,有利于提升工程结构用钢的强度。
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  停冷温度对含Nb高强耐候钢组织性能的影响

  史根豪, 王恩睿, 张志强, 孙毅, 王青云, 于强, 王倩

  钢铁. 2024, 59(8): 117-124.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230673

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  高强耐候钢凭借其高强、耐候、轻量化的优势在结构钢中发挥着重要的作用,现阶段高强耐候钢通常采用高Ti的成分设计,但Ti含量过高不可避免地产生含Ti夹杂物从而恶化性能,因此这种高Ti含量的高强钢需要通过适当降Ti增Nb、优化控冷来弥补性能的缺失。针对不同停冷工艺下含Nb高强耐候钢,利用金相显微镜、扫描电镜及背散射电子衍射进行了微观组织表征,并测定了拉伸、冲击性能,分析了停冷温度对含Nb高强耐候钢微观组织和力学性能的影响。结果表明,在575~650 ℃的停冷温度范围内,各试验钢组织均为铁素体和粒状贝氏体。随着停冷温度的降低,铁素体的形貌由块状逐渐转变为针状,M/A组元的含量逐渐减少,平均晶粒尺寸细化。同时,屈服强度、抗拉强度、屈强比和冲击功均逐渐提高,伸长率逐渐降低。随着停冷温度的降低,晶粒细化效果显著,晶界强化所占比例逐渐增大,屈服强度逐渐升高;大角度晶界的数量增多,冲击裂纹扩展所需的能量增多,冲击功得以改善。同时,停冷温度降低,一方面使得M/A组元含量减少,应变硬化能力减弱,导致屈强比升高;另一方面,过冷度增大,使位错密度增加和晶粒尺寸减小,使位错滑移过程中的阻力增大,导致断后伸长率降低。对于本试验钢来说,停冷温度控制的最佳范围为600~625 ℃。
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  锰元素添加对氧化铁皮共析转变的影响

  王畅, 韩赟, 于洋, 惠亚军, 王林, 张亮亮

  钢铁. 2024, 59(8): 125-137.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230711

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  氧化铁皮结构控制是评价铁皮黏附力的重要指标,直接影响产品冲压过程铁皮掉粉量以及表面质量。目前高强系列钢种中普遍添加Mn元素提高产品强度级别,为了研究Mn元素添加对氧化铁皮结构以及共析转变的影响机理,以Mn质量分数为1.8%~1.9%的大梁钢和Mn质量分数为0.15%~0.25%的低碳钢为分析对象,首先利用热重分析仪和电镜分析手段观察了含Mn钢不同温度下FeO转变特点,分析发现高温下随着保温时间增加,在靠近Fe₃O₄交界的FeO层中氧含量容易达到过饱和状态而发生分解,形成以先共析Fe₃O₄层状转变为主的特点;低温条件下Fe离子迁移扩散速率降低表现为短距离扩散特点,FeO分解特点转变为中部析出花瓣状Fe₃O₄;同时明确了含Mn钢FeO共析转变的鼻尖温度在450 ℃附近,共析反应始于FeO和Fe₃O₄交界位置处,源自两相区的交界面处存在的相起伏与能量起伏为新相的形核和长大创造有利驱动力。对比含Mn钢（1.8%）和低Mn钢（0.18%）在450 ℃保温60 min下FeO的共析转变存在差异,含Mn钢FeO共析转变比例为18%而低Mn钢高达60%;含Mn钢的共析片层间距平均为350 nm而低Mn钢片层间距为250 nm。针对生产热卷样品铁皮结构分析发现,相同工艺条件下含Mn钢热卷铁皮中FeO比例存在升高趋势。结合扫描电镜和电子探针分析明确了含Mn钢FeO共析转变过程中共析组织（Fe₃O₄和α-Fe）存在明显的排Mn特点,引起临近区域未分解的FeO内Mn元素出现升高趋势;根据二元相图分析发现MnO在FeO中的溶解可以稳定FeO相,使相变驱动力减小,造成总体上含Mn的FeO共析转变得到抑制的现象。由此可见,针对含Mn高强钢（热系-冷系）需要考虑MnO-FeO对氧化铁皮结构转变的影响,冷轧高强钢从易破鳞酸洗角度,热轧黑皮钢从共析铁皮比例控制角度,结合热轧连续冷却特点,有差异性匹配卷取温度和冷却模式是下一步继续研究的方向。
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  镁处理对船板钢中钉扎粒子的作用机制

  李慧蓉, 孙立根, 张鑫, 王博, 张彩军, 朱立光

  钢铁. 2024, 59(8): 138-150.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230724

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  镁处理可以大幅提高船板钢的大线能量焊接性。钢中加入镁一方面可以实现夹杂物的细化,提高了夹杂物对IAF诱发的概率;另一方面镁可以增强钢中第二相粒子的高温稳定性,有效抑制了大线能量输入下HAZ原奥氏体晶粒的粗化。其中钢中第二相粒子稳定的钉扎作用是镁氧化物冶金作用实现的关键,但相关领域的研究,特别是镁对钉扎粒子的影响机制还有待进一步深入。为此从不同焊接线能量的热模拟试验出发,系统分析了焊接线能量对钉扎粒子构成的影响,并结合粒子析出和MgO生成热力学、化合物晶体学关系和钢中元素的扩散行为等进行分析和讨论,以期确定镁对钢中钉扎粒子的影响机制。研究结果表明,对于镁处理船体钢,当焊接线能量超过200 kJ/cm时,钢中的钉扎粒子会出现部分解钉失效的现象。而随着焊接线能量的增大,HAZ中的钉扎粒子尺寸经历了先减小后增大的变化过程,并且焊接线能量越大,大尺寸的TiN粒子越多。此时的钉扎粒子多为以TiN-MgO-Al₂O₃为基体、表层附着部分含NbC的复合粒子。粒子析出热力学、MgO生成热力学、粒子析出错配度关系和钢中元素扩散系数分析结果表明,由于MgO生成和TiN析出的温度区间较为接近,且两者为共格析出,在长时间的高温作用下会生成MgO-TiN复合析出物,使钢中第二相粒子的高温稳定性大幅增强。基于焊接热模拟试验和理论分析结果可以看出,钢液经过镁处理后,在连铸和大线能量焊接过程中均有可能生成高温稳定的MgO-TiN-Al₂O₃复合粒子。但对于试验钢,钢中MgO的量远低于TiN析出量,TiN的溶解势必会影响钢中第二相粒子的钉扎效果,因此,提高钢中镁含量是提高镁处理船体钢大线能量焊接性的关键。
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  热带海洋环境全浸区E690钢的局部腐蚀行为

  胡杰珍, 林国栋, 邓培昌, 吴敬权, 黄欢

  钢铁. 2024, 59(8): 151-157.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20240077

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  随着海洋资源的不断开发和利用,高强钢的需求量不断提高。海洋平台的悬臂梁、桩腿和升降电动齿轮等都需要高强钢强度达到690 MPa以上,并且耐腐蚀性能要较好,E690钢是目前强度较高、综合性能优异的海洋平台用高强钢。随着海洋资源开发深度的不断提高,海洋平台用高强钢所处环境越来越严酷,在海水全浸区长期受到海水侵蚀和生物的污损,还要经受海浪、低温和海流等恶劣海况的破坏,其腐蚀问题越来越突出。基于阵列电极技术在湛江实海环境全浸区进行E690钢腐蚀暴露试验,通过对电连接状态下E690钢腐蚀速率、腐蚀形貌和极化曲线的测试与分析,研究了E690钢在实海环境全浸区电连接状态下的局部腐蚀行为。 研究结果表明,在暴露试验初期,随着深度的增加,腐蚀电流密度增加,腐蚀速率提高。处于全浸区上部试样腐蚀速率出现最低值、下部试样腐蚀速率出现峰值,由于温度和溶解氧的影响,在电连接状态下,E690钢形成了宏观腐蚀电池,发生电偶腐蚀,下部试样作为阳极金属腐蚀速率较大,上部试样作为阴极受到保护,腐蚀较轻。随着暴露时间的延长,在试验后期,E690钢的腐蚀电流密度和腐蚀速率明显降低,腐蚀产物和附着生物对基体的保护作用,抑制了E690钢的阳极溶解反应,这是影响金属腐蚀的主要因素,电偶腐蚀影响较小。
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  激光选区熔化点阵结构316L不锈钢性能

  梁宽, 刘岩, 赵定国, 王书桓, 吴朋越, 苏新磊, 张白扬, 周朝刚

  钢铁. 2024, 59(8): 158-168.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20240168

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  针对桁架类结构压缩过程不稳定且力学性能不足的问题,基于板式蜂窝结构设计了一种类蜂窝桁架结构。通过调整结构高度给出高宽比分别为1.5、1.0、0.5这3种不同参数,并采用激光选区熔化（selective laser melting,SLM）的方式使用316L不锈钢进行结构制备;利用光学显微镜以及电子显微镜对样件内部组织进行分析,发现样件晶粒细小且内部缺陷少,没有宏观缺陷,整体成型质量良好;同时,通过理论、试验以及仿真手段研究了该结构的力学性能。研究结果表明,采用0.5、1.0、1.5这3种高宽比升级后的结构样件屈服强度分别为256、142、106 MPa,比原始结构分别增加了524%、306%、279%,其中以高宽比为0.5的样件性能最为优异;相同相对密度条件下,升级后样件的屈服强度比原始结构的提高了159%;随着高宽比的降低,样件压缩过程更加稳定,且其应力-应变曲线在屈服阶段趋于平缓。利用ABAQUS软件对升级后的结构进行准静态压缩模拟,通过模拟结果可以发现,高宽比为1.5的结构准静态压缩模拟过程不稳定,局部杆件出现紊乱现象;随着高宽比的降低,整个过程逐步稳定且杆件屈服强度提升。该有限元分析验证了调整结构高宽比可以改善构件压缩稳定性的观点,且模拟结果与试验结果相符。此蜂窝桁架结构的设计方式可以应用到其他桁架点阵结构的设计之中,同时该结构还能作为点阵结构的基本单元以及增材制造支撑单元,可以为提高点阵结构316L不锈钢样件的力学性能提供思路。
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  EBSM成形24CrNiMo合金钢组织演变和摩擦磨损性能

  王岩, 郑浩, 高军恒, 魏瑛康, 王建勇, 张亮亮, 贾文鹏, 刘世锋

  钢铁. 2024, 59(8): 169-180.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20240171

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  24CrNiMo合金钢具有优异的强韧性、淬透性和耐磨性,广泛应用于高速列车制动盘。铸锻造制备高速列车制动盘存在铸造缺陷、成品率低、成形结构受到限制等问题。电子束选区熔化（electron beam selective melting,EBSM）是一种以电子束为能量源,逐点、逐线、逐面扫描堆叠,成形三维实体的金属增材制造技术,对成形结构复杂、加工困难、精度高的零件一体化制备有着天然优势,可制备出晶粒尺寸细小、成分均匀、力学性能优异的金属材料。通过电子束选区熔化制备了24CrNiMo合金钢,探讨了在不同工艺参数下对试样致密度、显微组织、硬度和摩擦磨损的影响规律。 研究结果表明,随着能量密度的增加,致密度有先增大后减小的趋势。在电流流束为13 mA、扫描速度为5 m/s的工艺参数下成形试样的致密度和硬度最高,分别达到98.96%和355HV_0.3。EBSM成形的24CrNiMo合金钢的显微组织主要由粒状贝氏体（GB）和准贝氏体（Bm）组成,基体为贝氏体铁素体（BF）。随着能量密度的增大,热输入增加,晶粒取向由随机分布向（101）和（001）方向优先织构,晶粒尺寸逐渐增大,残余奥氏体含量增多。摩擦磨损试验发现能量密度为39 J/mm³的成形试样具有最高的耐磨性。磨损机制主要为黏着磨损和磨粒磨损。残余奥氏体含量和缺陷是造成摩擦磨损性能不同的主要原因。为后续开展EBSM制备制动盘提供了一定的基础研究和理论指导。
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  固溶Fe-24Mn-6Si-9Cr-6Ni合金的微观结构和拉伸行为

  王耀勉, 张梦琦, 杨换平, 苏晓东

  钢铁. 2024, 59(8): 181-188.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20240114

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  为了揭示Fe-24Mn-6Si-9Cr-6Ni铁基形状记忆合金的微观结构和力学性能随固溶温度的变化规律,首先对其在950、1 050和1 100 °C进行固溶处理,然后采用金相显微镜、X射线衍射仪、扫描电子显微镜和透射电子显微镜对合金的微观结构进行表征,并利用室温拉伸试验测试力学性能。试验结果表明,随着固溶温度升高,奥氏体晶粒尺寸显著增大,同时热诱发ε马氏体的片层长度和孪晶尺寸也随之增加。固溶合金主要由γ奥氏体和热诱发ε马氏体构成。当固溶温度提高到1 100 °C时,在合金中出现了α′马氏体,这是比较新颖的现象。TEM分析证实α′马氏体可在热诱发ε马氏体的交叉处形成。拉伸试验表明950 ℃固溶合金的屈服强度和抗拉强度最高,分别达到350 MPa和805 MPa,伸长率约为50%。当固溶温度升高至1 050 ℃时,由于晶粒尺寸增加导致强度降低,但伸长率可以达到70%以上。随着固溶温度进一步增加,合金的强度和伸长率均降低,但伸长率仍然高于60%。在塑性变形初期合金的加工硬化率显著降低,随应变继续增加,加工硬化率的降低逐渐趋于平缓。在相同的塑性应变下合金的加工硬化率随着固溶温度升高而降低。采用Hollomon方程对应力应变关系进行拟合,发现当塑性应变高于0.1后,合金的加工硬化指数随着固溶温度升高而增加。
环保与能源
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  活性组分对羰基硫水解效率与脱硫效果的影响

  王宏涛, 潘程, 何子祥, 陈倍倍, 孟庆民, 龙红明

  钢铁. 2024, 59(8): 189-199.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230702

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  高炉煤气前端精脱硫技术已成为当前研究的热点,其关键在于开发低温高活性长寿命有机硫（主要为羰基硫COS）水解催化剂。以活性炭为载体、金属氧化物为活性组分,采用共浸渍法制备活性炭基催化剂,研究金属氧化物种类与负载量对催化剂脱硫率和COS水解率的影响规律,同时利用现代分析测试技术揭示脱硫过程中硫化物的转化机理。研究结果表明,纯活性炭催化剂对COS的脱除效果较差,脱硫率和COS水解率均低于30%。负载金属氧化物可以改善催化剂的脱硫性能,当铁氧化物负载量为3%时,催化剂高活性脱硫（脱硫率大于99%）时间为48 min,穿透硫容为63.72 mg/g。随着铁氧化物负载量的增加,催化剂比表面积、总孔容和微孔体积均有所减小,但仍具有丰富的孔隙结构,且脱硫率、COS水解率和穿透硫容均呈现先增加后降低的趋势,当铁氧化物负载量为16%时,催化剂的脱硫性能较好,高活性脱硫时间和高活性水解（COS水解率大于99%）时间约为78 min,穿透硫容达到104.21 mg/g。通过BET、XRD、XPS和SEM等表征手段发现在催化剂的作用下,COS首先发生水解反应转化为H₂S,然后在氧化官能团和金属离子的作用下H₂S转化为硫酸盐和单质硫,并附着在催化剂孔隙中,从而实现硫化物的脱除。
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  AOD不锈钢渣中Ca高效浸出及其间接碳酸化

  秦松, 李俊国, 王亚军, 张建宝, 彭丽杰, 高爱民

  钢铁. 2024, 59(8): 200-209.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230720

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  钢渣中钙含量较高,利用钢渣替代天然矿石作为钙源进行碳酸化反应固存CO₂是一种前景广阔的固废利用与碳减排方法。采用间接湿法碳酸化,不仅能显著提高固碳效率,还可实现制备高纯度、高附加值的碳酸钙产品。以AOD不锈钢渣（AOD渣）为材料,首先对其进行化学分析和矿相分析,确定其具有较高的固碳潜力;然后基于间接湿法加速碳酸化过程,探究AOD渣中钙的高效浸出规律,采用正交试验和单因素试验探究浸出温度、盐酸物质的量浓度、液固比和搅拌转速对钙浸出效率的影响;最后进行碳酸化反应并利用X射线衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜（SEM-EDS）和热重分析仪（TG-DTG）研究钙离子转化率、碳酸钙纯度和微观形貌。试验结果表明,盐酸物质的量浓度和液固比是影响钢渣中钙浸出的主要因素;随着浸出反应进行,硅基团溶解生成的硅酸胶体会阻碍AOD渣内部元素进一步溶出;升温和提高酸浓度可有效消除硅酸胶体的影响,促进钙溶出。以1.5 mol/L 盐酸为浸出剂,在85 ℃、液固比为50 mL/g、搅拌速度为600 r/min的浸出条件下,AOD渣中钙的浸出率可达90.51%,通过热重试验分析,经间接碳酸化后制备的CaCO₃产物纯度为96.04%,钙的转化率达到83.96%。研究结果可为利用钢渣钙碳酸化固碳并协同制备高附加值CaCO₃产物的冶金固废高效资源化利用提供试验和理论基础。