2023年, 第33卷, 第6期　刊出日期：2023-06-15

  

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专家论坛
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  高品质IF钢的炼钢流程和关键技术解析

  赵沛, 邓小旋, 杨利彬

  中国冶金. 2023, 33(6): 1-8.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20230132

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  高品质IF钢板主要应用于汽车面板和轿车油箱等超深冲部件,对碳、氮间隙元素控制和表面质量均有很高的要求。对于高品质IF钢板的生产,大多数国内外钢铁企业选择转炉→RH真空精炼→板坯连铸的炼钢工艺流程,也有少数企业根据实际情况选择转炉→LF钢包精炼→VD真空精炼→板坯连铸的炼钢工艺流程。结合国内外生产实例,对高品质IF钢的炼钢流程和其中关键技术进行详细介绍和分析。
技术综述
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  高纯铁制备的研究现状及展望

  于盼盼, 周雪娇, Aiman Mukhtar, 王树申, 黄日清, 吴开明

  中国冶金. 2023, 33(6): 9-20.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20230026

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  高纯铁作为一种高新产业发展所需的特殊材料,比传统纯铁及铁基材料具有更优异的耐腐蚀性能、磁学和电学性能,在航空航天、能源及新型半导体等诸多工业领域都具有广阔的应用前景,受到人们的广泛关注。简要介绍了几种典型的高纯铁制备方法,如区域熔炼、电磁悬浮熔炼、电解精炼等,重点总结了近年来高纯铁电解制备的研究现状,并详细分析了电解过程对纯铁质量的影响,最后对电解制备高纯铁的未来发展趋势进行了展望,为中国非晶材料、钢铁材料的发展提供参考。
专题研究
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  碱金属富集对焦炭微观结构的影响

  史春雷, 程欢, 肖璐颖, 侯健, 韩艳伟, 孙章

  中国冶金. 2023, 33(6): 21-32.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20230068

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  碱金属在高炉中循环富集,对焦炭微观结构的侵蚀是导致其强度降低的重要因素之一。为全面阐明碱金属富集对焦炭微观结构的影响,采用单层蒸碱法对一种冶金焦炭Coke A开展了碱蒸气量为5%的纯K、纯Na和K-Na联合吸附试验,并利用多种手段对碱金属富集前后焦样的微观结构进行了综合表征。结果表明,相同碱蒸气量条件下,Coke A对Na的吸附量高于K,K富集会对焦炭宏观形貌产生明显破坏作用,扫描电镜图像显示K富集在组织中产生了扩孔和明显裂纹。碱金属富集浓度由外向内降低,侵蚀效果逐渐减弱。碱金属富集对微米孔有明显扩孔作用,而K、Na对纳米孔的影响恰好相反。碱金属富集能显著减少粗粒镶嵌组织含量,这可能是导致焦炭宏观性能降低的重要原因,其中K对焦炭宏观结构影响程度更大,可能与其对微晶结构产生较大破坏作用有关。本研究为深入认识碱金属富集对焦炭微观结构的侵蚀作用奠定了重要基础。
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  不同条件下Al₂O₃质量分数对CaO-SiO₂-MgO-Al₂O₃-B₂O₃
  渣系黏流行为的影响

  梁子明, 储满生, 柳政根, 李淑宝

  中国冶金. 2023, 33(6): 33-42.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20230087

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  钢铁企业在高炉冶炼中使用廉价的硼铁矿和高铝矿是降本增效的重要措施之一,但其容易引起高炉渣中Al₂O₃和B₂O₃质量分数的变化,会为高炉操作带来影响。因此,系统研究不同条件下Al₂O₃质量分数对含硼高铝渣的影响对高炉渣系的优化调控有重要的意义。基于旋转柱体法研究了不同条件下Al₂O₃质量分数对CaO-SiO₂-MgO-Al₂O₃-B₂O₃渣系黏流行为的影响。研究表明,当w(MgO)/w(Al₂O₃)变化时,Al₂O₃质量分数从12.28%增加到19.95%,黏度η1 500 ℃从0.236 Pa·s升高到0.272 Pa·s,熔化性温度TBr从1 258 ℃上升至1 310 ℃,熔渣中硅铝酸盐网络结构逐渐聚集、聚合度升高,炉渣流动性变差;当Al₂O₃质量分数从12.28%增加到14.51%时,黏流活化能E_η从144.92 kJ/mol缓慢变化至152.68 kJ/mol,当Al₂O₃质量分数从14.51%增加到19.95%时,E_η从152.68 kJ/mol显著增加到176.70 kJ/mol,炉渣的热稳定性急剧变差。当w(MgO)/w(Al₂O₃)为0.47并保持不变时,Al₂O₃质量分数从11.00%增至13.00%,炉渣η1 500 ℃从0.243 Pa·s缓慢降至0.242 Pa·s,TBr从1 243 ℃缓慢升至1 251 ℃,当Al₂O₃质量分数从13.00%增至19.00%时,炉渣η1 500 ℃从0.242 Pa·s显著升至0.264 Pa·s,TBr从1 251 ℃显著升至1 313 ℃,熔渣中硅铝酸盐网络结构聚集,炉渣的流动性恶化;E_η呈现整体升高趋势,变化范围为156.76~174.46 kJ/mol,炉渣的热稳定性变差。综上所述,当w(MgO)/w(Al₂O₃)变化时,Al₂O₃质量分数为14.51%的炉渣具有较好的黏流行为;当w(MgO)/w(Al₂O₃)保持0.47不变时,Al₂O₃的质量分数不高于13.00%的炉渣具有较好的黏流行为。本研究可为在高炉冶炼中使用硼铁矿提供理论指导。
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  浸入式水口对板坯结晶器卷入渣滴影响的物理模拟

  彭笑萱, 孙宇, 段豪剑, 陈威, 张立峰

  中国冶金. 2023, 33(6): 43-53.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20230030

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  结晶器卷渣是导致连铸坯表面产生缺陷的主要原因。结晶器内钢液的流动状态与卷渣的发生及卷入渣滴的运动行为有着密切联系,而结晶器浸入式水口的结构对钢液流动有直接影响。因此,研究浸入式水口对结晶器内流体流动及卷渣现象的影响有着重要意义。通过建立相似比为1∶2的板坯结晶器水模型,系统研究了浸入式水口内径、出口角度、水口底部形状和浸入深度等对结晶器卷渣的影响。采用高速摄像机和PIV测速仪对结晶器内弯月面卷渣行为及流场分布进行了测量,同时通过图像后处理软件对数据进行了可视化分析,确定了不同工况条件下发生卷渣的临界拉速,定量统计了不同水口参数和不同吹气流量下卷入渣滴直径的变化。结果表明,卷入渣滴的运动轨迹与结晶器内流场流态存在关联。在一定范围内,采取增加水口内径、增大水口出口角度、增大水口浸入深度、采用凹底型水口等措施可降低结晶器卷渣概率,并且减小卷入渣滴直径,缩短渣滴重新上浮至渣层的时间。本研究可为优化连铸工艺参数提供技术指导。
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  连铸工艺对轴承钢大方坯凝固结构及其棒材碳化物带影响

  沈腾飞, 张壮, 牛帅, 江野, 王德炯, 张家泉

  中国冶金. 2023, 33(6): 54-64.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20220983

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  针对高碳铬轴承钢棒材碳化物带控制要求,研究了大方坯凝固结构中点状偏析在轧材组织中的遗传性及连铸工艺参数对铸态点状偏析的影响。采用低倍侵蚀、枝晶侵蚀、电子探针元素扫描、统计分析等手段,分析了点状偏析的形貌特征及分布,对比研究了不同工艺条件下铸坯中点状偏析在尺寸、数量及成分上的差异性及其与后续轧材碳化物带宽度的关联性。结果表明,高碳铬轴承钢铸坯中心等轴晶区存在大小不一的点状偏析,其中均存在较突出的C、Cr元素正偏析。通过调控浇注过热度、结晶器电磁搅拌(M-EMS)、浸入式水口使用工艺,可以有效控制大方坯凝固结构中的等轴晶区,进而改善点状偏析形貌和后续棒材碳化物带宽度。其中,在较高过热度、关闭结晶器电磁搅拌和采用4孔水口旋转45°的安装工况下,大方坯铸态中心等轴晶率较原工艺降低26.80个百分点,点状偏析最大尺寸由3.94 mm降低为1.45 mm,等效直径100 μm以上的点状偏析数量也由314个降为54个。2种改进连铸工艺条件下的大方坯棒材中碳化物带最大平均带宽由原工艺的105.75 μm分别降低为57.25 μm 和75.75 μm,产品碳化物带评级合格率得到显著提升。
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  42CrMo钢圆坯芯部热裂形成条件热模拟

  陈美成, 赵宇, 郭庆涛, 林增煌, 仲红刚, 翟启杰

  中国冶金. 2023, 33(6): 65-72.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20230020

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  芯部裂纹是大断面连铸圆坯的主要缺陷,严重影响铸坯及轧材质量。由于缺乏定量判据,铸坯芯部裂纹的准确预测成为业界难题。结合数值模拟和凝固过程热模拟方法,研究了42CrMo钢连铸圆坯芯部热裂纹形成条件,并对铸坯芯部热裂风险进行了评估。首先,通过有限元模型计算了42CrMo钢圆坯芯部冷却速率和凝固末期的应变速率,为热模拟试验提供控制参数;然后,利用凝固裂纹热模拟装置再现了铸坯芯部凝固过程并在凝固末期主动加载,获得42CrMo钢圆坯芯部热裂纹形成的临界应变速率为2.12×10^-4~2.82×10^-4 /s,热裂温度为1 452 ℃,断裂应力为0.67 MPa。比较数值模拟与热模拟结果表明,当前连铸条件下铸坯中心热裂风险高,极易形成热裂纹。本研究也为连铸坯热裂风险评估提供了新的途径。
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  LNG储罐用高锰钢合金化设计及强韧性

  陈俊, 刘宁, 刘振宇, 王国栋

  中国冶金. 2023, 33(6): 73-80.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20230009

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  近年来,以液化天然气(Liquefied Natural Gas,LNG)双燃料动力为主的绿色船舶数量急剧增加,LNG储罐用高锰钢作为其关键低温材料之一引起越来越多的关注。为通过合金化设计提高LNG储罐用高锰钢的强韧性,系统研究了合金元素种类和增量等对强度和低温冲击韧性的影响规律,分析了低温轧制和轧后冷却方式对组织性能的影响。结果表明,置换固溶元素Ni、Mo和Al可提高屈服强度,而Cr对屈服强度影响不大,Mn降低屈服强度;除Mo之外,其他合金元素均降低抗拉强度;但置换固溶元素均可改善低温冲击韧性。间隙固溶元素C可同时提高屈服强度和抗拉强度,但会损害低温冲击韧性。微合金元素Nb和V主要通过抑制再结晶来提高强度,且部分再结晶组织恶化低温韧性,另外,添加质量分数为0.3%的Nb或0.5%的V才可产生显著的强化效果。高锰钢的强化往往伴随低温冲击韧性的恶化,使得高强韧高锰钢开发存在困难,但本研究发现基于Al添加的固溶强化、细晶强化以及变形机制调控可在有效提高强度的同时获得优异的低温冲击韧性。确定了获得优异低温冲击韧性的室温层错能范围为40~44 mJ/m²,估算了Ni、Mo、Cr、Mn、Al和C的固溶强化系数分别为7.0、32.0、0.5、-3.0、22.0和290.0 MPa/%。本研究为高强韧高锰钢的设计提供试验支撑。
生产技术
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  含钙熔剂对首钢股份喷吹煤燃烧性的影响及动力学分析

  赵满祥, 王申洋, 贾国利, 张建良, 徐慧如, 徐润生

  中国冶金. 2023, 33(6): 81-86.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20230115

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  为了提高首钢股份喷吹煤的燃烧性,通过消石灰、碳酸钙、白灰3种含钙熔剂与首钢股份喷吹煤的混合燃烧试验及动力学分析,系统研究了不同含钙熔剂添加量对煤粉燃烧行为的影响。试验结果表明,3种含钙熔剂与煤粉混合后在燃烧过程中存在协同效应,在反应初期会对燃烧有一定抑制作用,但在燃烧后期对煤粉燃烧有促燃作用。根据动力学计算结果,消石灰的添加量(质量分数)为1%时反应活化能最低为20.56 kJ/mol,对煤粉燃烧的促进效果最好;碳酸钙和白灰的添加量分别为3%和5%时,活化能最低分别为23.68 kJ/mol和21.38 kJ/mol,最有利于煤粉燃烧。研究结果对高炉喷煤过程中选择适宜的熔剂种类及添加量提供了理论指导。
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  2 600 m³高炉炉缸侵蚀特征数值模拟

  赵鸿波, 王凤民, 张福, 迟臣焕, 周振兴, 张建良

  中国冶金. 2023, 33(6): 87-94.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20230015

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  高炉炉缸炉底耐材侵蚀制约着炉缸长寿,通常认为炉缸炉底耐材侵蚀的主要原因有铁水环流、热应力、死料柱铁水渗透和碱金属富集。为了研究炉缸耐材侵蚀特征,基于本钢炼铁厂5号高炉炉缸实际砌筑结构建立1∶1三维物理模型,借助ANSYS-Fluent软件对炉缸设计炉型进行数值模拟研究,结合破损调查结果分析了炉缸侵蚀特征的形成原因,并计算了炉缸死料柱空隙度、高炉产量对炉缸流场和温度场的影响。炉缸流场和温度场分布特征表明,铁口区域喇叭状异常侵蚀是铁口区域铁水汇流高速流动和铁水高温直接接触双重作用的结果,铁口下方象脚侵蚀是由于无焦区沿炉缸侧壁铁水环流与涡流的剧烈冲刷。死料柱空隙度通过影响死料柱内部铁水流动行为影响了无焦区铁水环流速度,足够的空隙度往往会减轻炉缸侧壁炭砖的侵蚀;高炉高产时,铁水流速增加,炉缸侧壁温度升高,炭砖侵蚀加剧,因此高产量须配合足够的死料柱空隙度、炉缸活性以及冷却性能。
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  双流板坯中间包加高提升钢液洁净度的数理模拟

  谢旭琦, 方庆, 王家辉, 张利超, 李米佳, 张华

  中国冶金. 2023, 33(6): 95-107.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20230074

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  连铸过程逐渐向大断面高拉速方向发展,中间包容量成为制约生产效率和铸坯质量的关键因素。以某厂双流板坯中间包为对象,通过数理模拟分析不同加高高度下的流场、停留时间分布(Residence Time Distribution, RTD)曲线及夹杂物去除率。结果表明,随着中间包包壁加高和容量相应增大,钢液平均停留时间延长,中间包净化钢液的能力也相应提高。当挡墙随中间包抬高200 mm时,相比于原型和其他加高扩容方案,中间包内钢液平均停留时间延长12.1~153.6 s,死区体积分数减小0.31~2.53个百分点,冲击区自由液面平均速度减小6.7%~15.6%,中间包内钢液额外温降不明显,夹杂物总去除率提高1.63个百分点。此外,中间包加高200 mm时,拉速由1.35 m/min提高到1.50 m/min,使钢液平均停留时间由743.7 s降至677.9 s,仍比原型低拉速时高88.0 s,且死区体积分数降低了2.18个百分点,体现了扩容中间包在高拉速连铸中的优势。本研究可为钢铁企业进行中间包加高扩容及高拉速浇注工业计划的实施提供理论指导。
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  热镀锌工艺对1 180 MPa级双相钢组织性能的影响

  余灿生, 郑之旺, 常智渊, 龚 慧, 刘庆春, 张龙超

  中国冶金. 2023, 33(6): 108-114.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20230031

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  为了探索1 180 MPa级热镀锌双相钢生产可行性,开展关键工艺对其组织性能影响的研究。利用连续退火模拟机研究了均热温度、缓冷温度及镀锌(均衡)温度等关键工艺参数对1 180 MPa级热镀锌双相钢组织性能的影响。研究结果表明,当缓冷温度和镀锌(均衡)温度分别为720 ℃和460 ℃时,随着均热温度的升高,试验钢中铁素体含量及尺寸减小、马氏体总量及自回火马氏体含量增加,试验钢屈服强度增大、抗拉强度先升高后趋于稳定;当均热温度和镀锌(均衡)温度分别为820 ℃和460 ℃时,随着缓冷温度升高,试验钢中铁素体含量降低、马氏体和自回火马氏体总量增加,导致其抗拉强度小幅增加,但断后伸长率保持稳定;当均热温度和缓冷温度分别为820 ℃和720 ℃时,随着镀锌(均衡)温度的升高,马氏体自回火程度增加,试验钢的屈服强度增加、抗拉强度略有下降,但断后伸长率变化不大。当均热温度、缓冷温度和镀锌均衡温度分别为820、720、460 ℃时,1 180 MPa级热镀锌双相钢可获得最佳的力学性能,即屈服强度为887 MPa、抗拉强度为1 212 MPa、断后伸长率为7.0%、屈强比为 0.732,其微观组织为30%铁素体(平均晶粒尺寸为1.5 μm)+35%马氏体+35%自回火马氏体(体积分数)。本研究可为1 180 MPa级热镀锌双相钢的工业生产提供参考。
有色冶金
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  铝灰中有害元素脱除及钙化转相制备铝酸钙

  谢明壮, 单迪, 韩金珊, 吴泽港, 刘风琴, 赵洪亮

  中国冶金. 2023, 33(6): 115-121.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20230038

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  铝灰是铝工业产生的危险固体废弃物,其中含有氯、氮等有害元素和较多的氧化铝,具备危废和资源的双重属性。为了实现铝灰中有害物质的脱除和氧化铝资源的回收利用,基于铝灰化学成分及物相组成分析,开展铝灰高温脱氮除氯及钙化转相制备铝酸钙试验,研究铝灰制备铝酸钙反应过程热力学、配比及温度对产物物相的影响。研究结果表明,在1 300 ℃下焙烧1 h,铝灰中的有害组分在高温下得以有效脱除,氮和氯元素脱除率分别为98.16%和99.33%;当物料Al₂O₃和CaO的质量比为0.36~1.79、控制焙烧温度为1 320 ℃时,可获得以7Al₂O₃·12CaO为主要物相的低熔点铝酸钙产品,所得到的铝酸钙产品可满足普通型炼钢用预熔型铝酸钙产品质量标准要求。
装备技术
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  高炉冷却壁冷却水管破损处理与数值模拟

  李佳, 陈帅, 罗石元, 蒋俊, 张正东, 国宏伟

  中国冶金. 2023, 33(6): 122-132.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20230040

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  为了降低高炉炉壳表面的温度,增加高炉冷却柱的利用效率,分析了高炉冷却壁上不同冷却水管损坏时安装冷却柱的情况,并优化了其中一种冷却柱的排列布局,同时为了进一步降低冷却壁冷却水管损坏时的炉壳温度,提出了板柱结合的新方法。数值模拟结果表明,当冷却壁上不同冷却水管损坏后,安装冷却柱相比于未安装冷却柱的炉壳表面温度均有明显的下降;通过遗传算法得到的冷却柱排列,使得炉壳表面最高温度为60.9 ℃、平均温度为48.1 ℃,相比于工厂未优化的冷却柱排列,炉壳表面最高温度降低了6.8%、平均温度降低了4.1%;板柱结合的炉壳表面最高温度为61.4 ℃、平均温度为49.7 ℃,相比于未安装冷却板的排列,最高温度降低了25.2%、平均温度降低了28.1%。本数值模拟研究结果可为冷却壁冷却水管损坏时冷却柱的安装提供理论依据。
节能环保
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  面向转炉高废钢比冶炼工艺的废钢比与碳排放理论计算

  杨建平, 姚柳洁, 高攀, 李海波, 赵晓东, 孙永林

  中国冶金. 2023, 33(6): 133-140.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20230097

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  提高转炉废钢比是降低高炉-转炉长流程碳排放的重要手段。为了定量评价不同废钢比提升工艺的降碳效果,基于热量平衡理论,构建面向预热废钢、添加补热剂、提高二次燃烧率3种常用废钢比提升工艺的废钢比与碳排放计算模型,并以国内某大型钢铁企业的A厂210 t转炉和B厂300 t转炉为例进行相关计算。研究结果表明,1 000 ℃预热温度下,废钢烘烤热利用率对吨钢水CO₂排放量的影响是燃料燃烧热利用率的6.25倍,提高废钢烘烤热利用率更有利于吨钢水CO₂排放量的降低。A、B两厂使用硅质补热剂提升废钢比的效果优于碳质补热剂,但硅质补热剂碳排放因子较高,若热量利用率较低,可能会导致吨钢水CO₂排放量增加。A厂转炉二次燃烧率增大20%、燃烧热利用率为50%时,废钢比由基准态的15.0%提高至21.0%,吨钢水CO₂排放量由基准态的1.661 t降低至1.545 t。随着二次燃烧率的提高,燃烧热利用率对废钢比和吨钢水CO₂排放量的影响越发显著。
冶金科技英才
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  张存生

  中国冶金. 2023, 33(6): 141-141.

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  张永青

  中国冶金. 2023, 33(6): 142-142.

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冶金科学技术奖
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  长流程钢厂固废全量利用及厂内协同处理关键技术研发与应用

  中国冶金. 2023, 33(6): 143-143.

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  高强韧钢中纳米相深氢陷阱的基础研究与工程应用

  中国冶金. 2023, 33(6): 144-144.

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