2023年, 第33卷, 第9期　刊出日期：2023-09-15

  

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技术综述
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  真空自耗熔炼钛合金的偏析缺陷及控制研究进展

  李明宇, 杨树峰, 刘威, 贾雷, 赵朋, 鄢宇灿

  中国冶金. 2023, 33(9): 1-10.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20230207

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  钛合金的冶金质量决定了材料的力学性能和服役的稳定性。然而在目前普遍采用真空自耗电弧炉熔炼的钛合金中仍存在微观及宏观偏析缺陷,严重危害产品的使用安全。在总结前人研究与实践的基础上,综述了真空自耗熔炼钛合金中偏析缺陷的类型、危害和控制手段。重点利用熔池流动理论分析了偏析形成的原因,讨论了数值模拟对偏析的控制作用,总结了原料品质、熔炼工艺和熔炼设备层面的控制方法,以期为优化钛合金生产工艺、提高真空自耗熔炼产品品质提供参考。
专题研究
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  钙质熔剂对熔剂性球团矿强度的影响

  徐子轩, 姜鑫, 何佳, 王小艾, 谢云飞, 沈峰满

  中国冶金. 2023, 33(9): 11-18.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20230307

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  近年来受环境保护政策的影响,熔剂性球团的相关技术开发得到普遍关注。以石灰石和生石灰为钙质熔剂,系统研究了熔剂种类及其添加量对生球、预热球团和成品球团抗压强度的影响规律与作用机理。试验结果表明,无论是采用石灰石熔剂还是生石灰熔剂,生球抗压强度均随着碱度的增加先升高后降低,当碱度R=1.0时抗压强度最高;预热球团的抗压强度均随碱度的增加而降低,延长预热时间与提高温度能提高预热球团的抗压强度。焙烧温度为1 200 ℃时,成品球团抗压强度随碱度的升高而下降,碱度由0.06(无碱性熔剂,自然碱度)增加至2.0,石灰石球团和生石灰球团的抗压强度由2 212 N/个分别降低至1 070 N/个和1 010 N/个;焙烧温度为1 250 ℃时,成品球团抗压强度随碱度的升高而先升高后降低,在碱度R=0.5时达到峰值。本试验条件下,熔剂性球团的最佳碱度为 0.5、焙烧温度为1 250 ℃、焙烧时间为20 min。碳酸盐分解产生的CO₂比消石灰(生石灰消化形成)分解产生的H₂O在焙烧过程中对球团内部结构造成的不利影响更大,因此生石灰作为熔剂性球团的钙质熔剂效果更好。研究内容可为生产熔剂性球团矿选择合适的钙质熔剂、碱度与焙烧温度等参数提供理论依据。
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  H₂含量对高球比炉料还原行为的影响

  李铄, 周恒, 李彬, 纪鹏飞, 寇明银, 吴胜利

  中国冶金. 2023, 33(9): 19-25.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20230117

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  为了研究H₂含量对高炉高球比炉料还原行为的影响,针对首钢京唐公司高球比炉料结构,进行不同H₂含量下的还原试验和粉化试验,并与传统高烧比炉料进行对比分析。结果表明,在还原气体中H₂体积分数由0%增加至10%的过程中,高球比炉料的失重量、还原度、还原速率和金属化率均提高,球团之间的黏结现象减弱;同时,900 ℃还原条件下,在还原气体中加入H₂会使高球比炉料的粉化现象减弱。可见,与传统高烧比炉料相比,在还原气体中加入H₂更能发挥高球比炉料的优势。研究结果可为高炉高球比炉料结构下富氢冶炼提供参考。
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  精炼渣对双相钢化学成分和非金属夹杂物的影响

  于会香, 谢辉, 丁航, 佘梦佳, 陈兆平

  中国冶金. 2023, 33(9): 26-34.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20230198

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  为了明晰精炼渣与双相钢之间反应对渣、钢成分及非金属夹杂物的影响,基于双相钢的精炼生产,用MgO质坩埚进行了50%CaO-45%Al₂O₃-5%MgO顶渣分别与A、B两种成分双相钢反应的渣-钢平衡试验。结果表明,未加渣时钢中主要夹杂物为MgO-Al₂O₃类,部分含少量MnS,呈黑色不规则块状,绝大多数尺寸在4 μm 以下,A、B钢中夹杂物数量密度分别为9.19个/mm²和6.19个/mm²。渣-钢反应后,A、B钢中Al含量显著降低,Ti含量降低;渣中CaO含量降低,MgO含量升高;夹杂物中MnS消失,MgO组分增加,夹杂物数量密度显著降低,尺寸变化不大。所用顶渣可以降低钢中S含量、TO含量和夹杂物数量密度,提高钢的洁净度。试验结果和热力学分析表明,双相钢的Al含量较高,其对渣-钢反应前后钢、渣的化学成分和夹杂物有较大影响。结合MgO/MgO-Al₂O₃/Al₂O₃的相稳定图,解释了在本试验条件下渣-钢反应前后钢中主要夹杂物类型为MgO-Al₂O₃的原因。研究结果可为优化双相钢的成分和洁净度控制提供理论指导。
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  高合金不锈轴承钢真空自耗熔炼数值模拟优化

  王杨, 马党参, 杨卯生, 李京社, 杨树峰

  中国冶金. 2023, 33(9): 35-42.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20230249

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  为得到成分更均匀、更洁净的高合金不锈轴承钢产品,借助数值模拟的方法对某厂高合金不锈轴承钢真空自耗熔炼工艺展开优化研究。利用仿真软件MeltFlow-VAR从熔炼速率、熔池温度、冷却水温度对夹杂物粒子的分布影响等方面对真空自耗熔炼过程进行数值计算。结果表明,随着熔炼速率的升高,最大熔池深度增加,熔炼速率应大于3.0 kg/min为宜,结合枝晶间距和晶粒结构等结果考虑,得出最佳熔炼速率为3.5 kg/min;随着熔池温度的增加,最大熔池深度先增加后减小,当熔池温度为1 600 ℃时,熔池深度达到最大,熔池弧度曲线呈现饱满的碗形。通过数值计算预测了不同冷却水温度下铸锭内部夹杂物粒子的分布规律,工业试验验证了数值计算结果的准确性,得出最佳冷却水温度为25 ℃。研究结果对高合金不锈轴承钢生产具有一定指导意义。
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  浇注钢包环出钢口多孔透气塞吹氩去夹杂行为数值模拟

  刘宏强, 郑淑国, 朱苗勇

  中国冶金. 2023, 33(9): 43-51.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20230243

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  针对浇注钢包环出钢口多孔透气塞吹氩去夹杂工艺,以国内某钢厂130 t钢包为研究对象,建立VOF-DPM耦合数学模型,考察了浇注吹氩条件下钢液流场的发展过程以及余钢高度、吹氩流量、透气塞堵塞个数对钢包浇注过程夹杂物去除的影响规律。结果表明,浇注初期,随吹氩时间增加,气液两相区逐渐增大,钢包水口上方的2个循环流逐渐变大,当吹氩时间为12 s时,钢包内形成稳定的气液两相流;随余钢高度的降低,夹杂物的去除率逐渐增加,但当余钢高度从500 mm降至250 mm范围内时,夹杂物去除率增幅变缓;随吹氩流量的增加,夹杂物去除率存在2个局部最优点(30 L/min和60 L/min),在这2个局部最优吹氩流量前后,夹杂物的去除率均呈先增大后减小的趋势;与未堵塞相比,堵塞1个透气塞时,夹杂物的去除率相差不大,而堵塞2、3个透气塞时,夹杂物去除率下降明显。研究结果可为该工艺实际应用提供理论指导。
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  稀土对GCr15轴承钢夹杂物和疲劳性能的影响

  王利, 韩杰, 刘成宝, 王毅, 许荣昌, 杨超云

  中国冶金. 2023, 33(9): 52-62.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20230217

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  为深入探究稀土(La/Ce)对GCr15轴承钢中夹杂物和疲劳性能的影响,采取聚焦离子束技术(FIB)、X射线能谱分析(EDS)、扫描电子显微镜(SEM)、夹杂物无损提取、纳米压痕试验等多种不同的分析测试手段对不同稀土含量的GCr15轴承钢中夹杂物进行了剖析和表征,并通过超高周疲劳试验,对比分析了加入稀土(La/Ce)前后GCr15轴承钢疲劳性能的变化。结果表明,稀土优先与钢中的O、S元素反应,形成稀土氧硫化物,其可以单独存在或与其他夹杂物共生,呈细小颗粒弥散分布在钢中,尺寸在10 μm以下;稀土氧硫化物还可将其他硬质夹杂物如镁铝尖晶石等包裹,改变了夹杂物形貌的不规则性。此外,稀土夹杂物与基体的等效弹性模量和硬度值更为接近,在载荷下变形差异缩小,与基体的协调性增强。稀土变质改性夹杂物改善了轴承钢的抗疲劳性能,在10⁷周次、50%的失效概率条件下,加稀土的GCr15-RE轴承钢疲劳极限比未加稀土的GCr15轴承钢高125 MPa,具有更高的抗疲劳可靠性。以上结论为稀土对轴承钢夹杂物的改性研究及GCr15轴承钢性能优化提供了理论基础。
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  Cr对Fe-28Mn-12Al-1.6C钢κ-碳化物析出行为的影响

  赵康, 吴志方, 孙挺

  中国冶金. 2023, 33(9): 63-70.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20230226

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  随着可持续发展战略的要求,Fe-Mn-Al-C轻质钢逐渐成为汽车工业的主要发展目标之一。采用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、热力学计算和第一性原理研究了Cr元素对Fe-28Mn-12Al-1.6C奥氏体低密度钢κ-碳化物析出行为的影响。结果表明,不同温度固溶处理后,0Cr钢在室温下随着时间延长硬度逐渐增大且增值达到10HRC,通过TEM分析确认0Cr钢室温下析出的为κ-碳化物,并计算其室温析出的吉布斯自由能为-19.580 6 kJ/mol,从而验证了0Cr钢可以在室温下析出κ-碳化物;随着Cr含量的增加,轧制后快速凝固试样中κ-碳化物的质量分数逐渐降低,室温时效的硬度增值减小。Cr含量的增加也显著减小了κ-碳化物的生长速度,κ-碳化物的粒径从60～200 nm细化到20～40 nm和5～27 nm。同时第一性原理计算结果表明,κ-碳化物结构中掺杂Cr原子后,增大了κ-碳化物的形成能,使其形成变得困难。此外,随着Cr含量的增加,γ-奥氏体与κ-碳化物的晶格失配度增加,两相间的弹性应变能增大,导致κ-碳化物的生长速度减慢。研究结果可为后续更高Al含量的Fe-Mn-Al-C钢的成分设计和性能调控提供理论依据。
生产技术
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  链箅机-回转窑球团工艺中结圈物对耐火材料的侵蚀

  姚菲, 张兴凯, 尹啸, 王喆, 郑冰, 徐东

  中国冶金. 2023, 33(9): 71-79.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20230104

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  在链箅机-回转窑球团工艺中,结圈物侵蚀耐火材料问题是生产潜在隐患。基于年产120万t的链箅机-回转窑球团生产过程中出现的实际情况进行研究,分析结圈物侵蚀耐火材料的路径及机理。结果表明,结圈物中Fe₂O₃组分对耐火材料固溶矿化是其侵蚀的主要驱动力,并且Fe₂O₃微晶自由迁移渗透导致耐火材料侵蚀逐步加深;在回转窑喷吹煤粉模式下,整修开炉后失常含壳球团的生成归因于煤粉燃烧产生的低熔点粉煤灰;结合矿相组成分析和失常含壳球团的成因,得知粉煤灰是结圈物对耐火材料侵蚀行为的潜在参与者。研究结果可为回转窑结圈侵蚀控制与预防提供指导。
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  双层预烧结新工艺

  刘杰, 张辉, 徐礼兵, 钟强, 周明顺, 姜涛

  中国冶金. 2023, 33(9): 80-86.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20230319

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  为了探明预烧结时间和上下层厚度的分配等关键参数对双层预烧结工艺的影响,在实验室开展了双层预烧结技术的基础研究。结果表明,在总料层厚度和预烧结时间确定时,上层和下层料层厚度的分配决定了总烧结时间的变化。随着下层厚度的增加,总的烧结时间呈先缩短再延长的趋势,在上层厚度为350 mm、下层厚度为650 mm时总烧结时间最短;在上层和下层料层厚度确定时,随着预烧结时间的增加,烧结总时间呈先缩短后延长趋势,烧结利用系数随预烧结时间的增加则先增大后减小,转鼓强度随预烧结时间的增加保持增大趋势,适宜的预烧结时间应控制在10~12 min。在料层有两个燃烧带同时存在,抽风能力不足时,下层烧结矿含有大量骸晶结构,还伴有部分马蹄形状未完全还原成富氏体的磁铁矿颗粒出现,这表明存在燃烧不充分的现象。以上研究结果为双层预烧结新工艺的完善提供了基础指导。
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  工业纯铁铝氧含量控制工艺

  刘建民, 姜彩伟, 胡显军, 顾晔

  中国冶金. 2023, 33(9): 87-95.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20230279

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  为了降低金刚线芯线用高碳钢盘条拉拔断丝率,控制其氧化铝夹杂物含量,提供满足要求的纯铁,研究了工业纯铁铝氧含量控制工艺。利用真空感应炉并采用双炉次熔炼工艺进行研究,其中第1炉次通过氧铝反应脱铝,设计了两种熔炼方案,分析了氧化铁加入量、氧化铁加入前炉内压力对纯铁液中铝氧含量的影响情况。结果表明,氧化铁加入量为300 g、氧化铁加入前炉内压力为0.1 MPa时,纯铁液内铝质量分数可降低至0.001%以内。第2炉次通过碳氧反应脱氧,研究了碳加入量对纯铁液中铝氧含量的影响情况。结果表明,碳加入量为0.03%时,纯铁液中铝质量分数低于0.002%、氧质量分数低于0.001%。对相关样品夹杂物情况进行统计分析发现,经氧脱铝及低碳脱氧过程的纯铁中夹杂物数量和尺寸大幅降低,没有尺寸大于10 μm的夹杂物,含氧化铝夹杂物基本消失,而高碳脱氧不利于夹杂物的脱除。该工艺用于高品质金刚线芯线的低铝低氧且夹杂物水平较低的原料制备,丰富了工业纯铁的提纯技术。
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  新型结晶器非正弦液压振动波形研究与仿真

  李云博, 唐祎, 何新军

  中国冶金. 2023, 33(9): 96-103.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20230224

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  为了增强结晶器液压振动系统的实用性,并且延长设备的使用寿命,针对液压振动装置的实际振动状况,建立结晶器2种新型非正弦液压振动波形的数学模型,分别为线性-正弦复合与一次分段函数(L-SLPF)和两段式线性-正弦复合函数(TL-SCF)模型。首先,通过设置不同的控制参数,利用MATLAB软件对这2种新型振动波形进行仿真研究;然后,结合2种常用的非正弦振动波形,在偏斜率、振动最大上升速度、最大加速度等振动工艺参数方面,分析并对比了这4种波形。结果表明,新型振动波形优于其他波形,L-SLPF函数的偏斜率连续取值不受限,其范围为0.5~0.7;TL-SCF函数的振动加速度连续光滑,对设备冲击最小,更适用于高振频、高拉速生产。因此,使用新型振动波形,扩展了结晶器液压振动系统的应用范围,可应用于高振频、高拉速连铸机,并且对设备更加友好,可有效延长设备使用寿命。
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  基于有限元仿真的热连轧精轧带钢楔形控制分析

  刘坤, 王晓晨, 张天明, 何海楠

  中国冶金. 2023, 33(9): 104-111.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20230295

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  楔形是热轧带钢板形的关键评价指标,高质量的热轧带钢对楔形指标提出较高的要求。精轧带钢楔形控制与跑偏及单侧浪形等板形问题相耦合,楔形调节难度高。一方面,带钢楔形会引起跑偏造成轧制过程的生产问题;另一方面,板带楔形本身即为精轧出口质量的重要指标之一,若楔形控制不达标,极易引起小厚度的带钢在轧制过程起浪,造成严重的板形问题。同时,对于楔形控制,实际生产中依赖操作工的人工调控,存在严重的主观性及科学性和准确性差、效率低等问题。通过有限元建模并依据轧机两侧辊缝倾斜压下量和出口楔形的关系式,建立F7出口楔形闭环反馈控制模型。基于带钢不同的入口厚度、带钢宽度、整体压下量分析热连轧精轧两侧辊缝倾斜压下量对出口楔形的影响规律,提出基于遗传系数的多机架调控策略和基于楔形调控极限的辊缝倾斜压下量分配策略,形成精轧机组楔形控制的各机架辊缝倾斜压下值计算模型。研究结果已用于工业生产,可保证楔形调节过程中的轧制稳定性,并能避免单机架倾斜压下量过大造成附加板形问题。
装备技术
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  基于凸度转移理念的冷轧支撑辊辊型设计

  李硕, 于洋, 宋浩源, 马家骥, 马宁, 陈彦旭

  中国冶金. 2023, 33(9): 112-117.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20230182

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  在当前冷轧产品品种结构不断丰富的背景下,拓展冷轧机的板形控制能力具有重要意义。针对某钢厂产品规格拓展轧机正凸度提供能力不足、工作辊凸辊使用频率高的问题,提出将工作辊凸度转移到支撑辊上、支撑辊提供部分凸度、工作辊尽量采用平辊的思想,设计CVC、VCL、VCL+这3类支撑辊辊型,建立轧件辊系一体化模型并仿真对比新辊型与原辊型配置下轧机板形控制能力。结果表明,采用VCL140+支撑辊搭配工作辊平辊,可起到代替原支撑辊平辊搭配工作辊凸辊的效果,并可显著改善辊间接触压力的均匀性。新辊型上机应用后,超高强钢边浪板形发生率由33%降至4%,工作辊凸辊使用率由95%降至5%,机组弯辊和窜辊超限的问题得到彻底解决,支撑辊月平均过钢量从原12万t提高到15万t,生产效率得到显著提高。
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  双排料步进梁式加热炉壁面发射率对钢坯温度均匀性影响

  董珂馨, 李宝宽, 徐健祥, 黄松, 高军

  中国冶金. 2023, 33(9): 118-127.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20230309

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  加热炉能耗占钢铁企业总能耗的15%~20%,占轧钢过程能耗的70%,具有很大的研究价值。基于计算流体力学方法建立数学模型,研究双排料步进式加热炉中钢坯的加热过程,通过对比模拟结果与黑匣子数据,验证模型的可行性。根据炉内钢坯沿炉长方向各热通量的变化,研究了炉壁各区域和炉膛发射率对钢坯加热过程的影响。结果表明,提高炉壁发射率对钢坯平均温度影响较小,但对钢坯温差有显著影响;而壁面发射率由0.75提高到0.95时,钢坯的最佳驻炉时间可减少5%~12%;相比于一加段和均热段,烟气预热段、预热段和第2加热段壁面发射率的增加对钢坯加热过程影响更大。综合考虑经济成本和生产效率,现场可以通过在烟气预热段、预热段、第2加热段炉壁应用发射率为0.85的涂层,以增强炉内辐射换热,提升钢坯加热质量。研究结果为加热炉实际生产提供了理论依据。
节能环保
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  铝电解废旧阴极炭块综合利用进展

  郝跃鹏

  中国冶金. 2023, 33(9): 128-133.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20230365

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  铝电解废旧阴极炭块是电解铝生产排放的一种固体废弃物,对环境危害大,但同时含有大量的炭和氟化物,具有很高的回收利用价值。从废旧阴极的产生和性质出发,对废旧阴极无害化和资源化利用技术进行研究,对比分析了不同处理处置技术的优缺点和存在的问题,并对废旧阴极综合利用技术进行了展望,以期为铝电解行业绿色低碳发展提供参考。
冶金科技英才
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  潘料庭

  中国冶金. 2023, 33(9): 134-134.

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冶金科学技术奖
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  钢铁行业设备智能运维系统解决方案研究及应用

  中国冶金. 2023, 33(9): 135-135.

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  油气输送用大口径厚壁不锈钢焊管关键技术与装备研发及应用

  中国冶金. 2023, 33(9): 136-136.

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人物专访
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  访柳州联合众钢董事长——叶安

  中国冶金. 2023, 33(9): 137-137.

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