2024年, 第34卷, 第10期　刊出日期：2024-10-15

  

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技术综述
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  分形维数在钢中非金属夹杂物中的应用综述

  陈洁冰, 周秋月, 张立峰

  中国冶金. 2024, 34(10): 1-15.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20240194

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  钢中簇状非金属夹杂物由大量细小、分布均匀的固态夹杂物碰撞聚合而成,并且具有不规则分形的特征,因此,可以采用分形维数对其形貌进行定量描述。为了定量化描述钢中非金属夹杂物的形貌,系统整理了簇状夹杂物的分形维数研究。首先,总结了分形维数的定义、不同分形维数的计算方法、三维分形维数(D₃)的测量方法以及三维和二维分形维数之间相互转化的计算模型。其次,分析了影响夹杂物分形维数大小的主要因素,包括夹杂物成分和计算误差。在计盒维数计算方法中,计算误差来源于覆盖盒子最大尺寸的选取,当0.25≤ε/dmax≤1(ε为覆盖盒子的尺寸,dmax为夹杂物最大直径)时,夹杂物分形维数计算误差较小。最后,总结了分形维数在夹杂物研究上的应用。不规则簇状夹杂物在钢液中的理论上浮速度可以通过分形维数进行计算,且夹杂物的分形维数越大,夹杂物的上浮速度越大。分形维数可以用于簇状夹杂物碰撞聚合形成的聚集体形貌研究。分形理论发展出的有限扩散凝聚模型(DLA模型)可用于钢中夹杂物聚合的模拟研究,结果表明,随着粒子释放点到种子之间距离的减小、粒子尺寸的增加以及种子尺寸的增加,夹杂物聚集度增加,解释了塞棒或水口结瘤的原因。研究结果为深入研究钢中簇状夹杂物的碰撞聚合过程对其从钢液中上浮去除和有效提升钢水的洁净度提供了一定参考。
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  钢渣资源化技术及展望

  崔心宇, 那贤昭

  中国冶金. 2024, 34(10): 16-25.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20240287

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  随着中国钢铁产量不断提高,钢铁工业面临着严重的资源和环境问题,在钢渣的处理和利用方面尤为突出。目前的钢渣处理工艺中,钢渣热能大量浪费,金属铁回收过程能源消耗大;大部分钢渣填埋堆存,尾渣综合利用水平较低。“双碳”背景下,发展低碳绿色钢渣资源化技术势在必行。总结了目前主流的钢渣处理工艺并分析讨论了不同方法的优缺点;归纳了钢渣主要的资源化利用途径,对近年来钢渣综合利用的技术进行分析。结合钢渣处理和利用现状,讨论并展望了钢渣资源化技术的发展方向。在“双碳”目标下,应该利用好熔融钢渣的热能,发展余热回收和热态钢渣提铁技术,利用钢渣碳化技术制备高附加值产品,实现热、铁、尾渣资源的全面回收与利用。
专题研究
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  精炼渣中Al₂O₃质量分数对U71Mn重轨钢中夹杂物影响

  高梓淇, 张瑜, 任强, 张立峰

  中国冶金. 2024, 34(10): 26-36.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20240230

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  精炼渣对钢液洁净度有着非常显著的影响,主要起兼顾脱氧、脱硫及吸附夹杂物的作用。MnS是重轨钢中常见的非金属夹杂物,大尺寸长条状MnS对钢的性能有极大危害。基于促进MnS在氧化物表面非均质形核、减小A类夹杂物危害的思想,结合工业试验与热力学计算,讨论了渣中Al₂O₃对夹杂物成分、尺寸、分布的影响,发现渣中Al₂O₃质量分数由13.72%降低至7.23%时,钢中总铝质量分数由0.002 4%降低至0.002 0%,钢轨夹杂物中Al₂O₃质量分数由83.35%降低到75.07%,氧化物夹杂数量密度由2.90 个/mm²增加到5.69 个/mm²,有利于增加MnS非均质形核位点,促进MnS在氧化物表面析出。评级结果表明,随着渣中Al₂O₃质量分数的降低,A法MnS评级粗系级别由2.0级下降至1.5级,细系级别由1.0级下降至0.5级;B法MnS评级粗系由0.744级下降至0.621级,细系保持在0.500级。热力学计算结果表明,渣中Al₂O₃含量通过影响渣中Al₂O₃活度来影响钢液中[Al]含量,从而影响夹杂物中Al₂O₃含量。控制MnS夹杂物在氧化物表面析出,有利于提高成品钢轨A类夹杂物的合格率。
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  精炼渣w(CaO)/w(Al₂O₃)对铝脱氧高强钢夹杂物去除的影响

  苏赵民, 杨文, 高志滨, 李四军, 付常伟, 张立峰

  中国冶金. 2024, 34(10): 37-46.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20240182

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  钢中非金属夹杂物对钢的性能有重要影响,大尺寸夹杂物对钢的性能具有很大破坏性。为了研究在LF精炼工艺中精炼渣w(CaO)/w(Al₂O₃)对铝脱氧高强钢中非金属夹杂物的去除效果,以Q690高强钢为研究对象,开展不同w(CaO)/w(Al₂O₃)精炼渣工业试验并通过热力学计算进行定量分析。3炉精炼渣w(CaO)/w(Al₂O₃)分别为1.58、1.77和2.22,其中w(CaO)/w(Al₂O₃)为2.22的精炼渣对夹杂物去除效果最好。在LF精炼阶段,夹杂物数量密度从13.89 个/mm²减小到6.56 个/mm²,变化率为53%;面积分数从0.012 2%减小到0.003 4%,变化率为72%;平均直径从4.82 μm减小到3.44 μm,变化率为29%。通过引入精炼渣的夹杂物容量Zh数并将其用于含一定固相成分的精炼渣热力学计算,3炉工业试验精炼渣的Zh数分别为0.001 940、0.000 307和0.000 320,由于w(CaO)/w(Al₂O₃)为2.22精炼渣的Zh数最大,其对夹杂物去除效果最好。根据夹杂物容量预测云图,Zh数在渣中CaO质量分数大于55%的液相线上达到最大。在实际生产中为了保证夹杂物去除效果,当精炼渣中SiO₂质量分数为15%时,精炼渣w(CaO)/w(Al₂O₃)为2.04~3.05;当精炼渣中SiO₂质量分数为10%时,精炼渣w(CaO)/w(Al₂O₃)为1.73~2.22;当精炼渣中SiO₂质量分数为5%时,精炼渣w(CaO)/w(Al₂O₃)为1.51~1.55。随着精炼渣中SiO₂含量降低,合适的精炼渣w(CaO)/w(Al₂O₃)逐渐减小且范围变小。通过调节精炼渣w(CaO)/w(Al₂O₃),可为铝脱氧高强钢提供生产指导。
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  Ce对曲轴钢49MnVS3中硫化物形态的影响

  马彦硕, 李阳, 姜周华, 孙萌, 李天赐, 马帅, 刘航

  中国冶金. 2024, 34(10): 47-57.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20240163

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  曲轴是一种极为重要的机械零部件,通常应用于各种发动机中,是内燃机将直线运动转化为旋转运动的重要部件。针对曲轴钢49MnVS3中硫化物形态控制问题,通过Olympus金相显微镜、Zeiss扫描电子显微镜以及OTS钢铁夹杂物自动分析系统对不同Ce含量铸锭中硫化物形态、尺寸、分布及数量进行统计和分析,通过电解侵蚀的方法对硫化物的三维形态进行观察,并通过热压缩试验评价不同种类硫化物的变形能力。研究结果表明,随着钢中Ce含量的增加,钢中的大尺寸长条状MnS夹杂物逐渐转变为弥散分布的小尺寸球状(Ce, Mn)S复合夹杂物。钢中硫化物夹杂的长宽比和密度均发生了较大变化,夹杂物尺寸从4.6 μm降到2.3 μm,长宽比由2.9降到1.8,单位面积(mm²)夹杂物数量由32个增加到65个,铸锭中夹杂物的球化率显著提高。热压缩后,未添加Ce的试验钢中MnS夹杂物尺寸为20 μm左右,呈垂直压缩方向的长线状,而加入Ce的试样中含Ce夹杂物未发生明显变形,仍保持了良好的弥散分布特征,这为高品质非调质钢制备技术的发展提供理论指导与技术支撑。
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  快速冷凝对高氮高锰钢氮含量控制的影响

  刘吉猛, 吕博, 赵定国, 陈晨, 王书桓, 张福成

  中国冶金. 2024, 34(10): 58-66.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20240146

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  随着人们对高锰钢材料更高强度、韧性、耐磨性及耐蚀性要求的提出,高氮高锰钢应运而生。目前高氮高锰钢主要采用高压凝固方式生产,成本较高。为此提出在冶炼末期向钢液加入过饱和氮、在钢液凝固时采用快速冷凝方式减少钢液中氮的逸出以控制其氮含量的方法。用高温立式熔炼炉将氮质量分数为0.218%的高氮高锰钢熔化后分别进行空冷和水冷,检测不同冷却条件下高氮高锰钢的氮含量、微观组织和一次枝晶间距等,并建立一次枝晶间距计算模型。结果表明,空冷试样氮质量分数为0.181%、钢中氮逸出率为17%,水冷试样氮质量分数为0.206%、钢中氮逸出率仅为6%;空冷试样的平均一次枝晶间距为63.34 μm,水冷试样的平均一次枝晶间距为41.67 μm,水冷试样凝固微区较小;空冷试样局部含氮显微气孔较大,并且分布比较集中,呈疏松状态,水冷试样宏观上含氮显微气孔尺寸很小,在20 μm以下,且显微气孔数量少;钢液凝固过程中显微气泡的形核长大动力学模型表明,环境压力越高,外界直接抑制力越大,显微气泡越难生成,凝固微区长度越小;一次枝晶间距计算模型表明,随着界面生长速度和温度梯度的增加,枝晶间距逐渐减小,可至50 μm以下,钢中凝固微区也减小,有利于抑制氮的逸出。因此对高氮高锰钢进行快速冷凝、减少凝固过程钢液中氮的逸出是提高高锰钢中氮含量的有效方法。
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  冷速对20MnCr5齿轮钢凝固偏析影响

  张媛婷, 白云, 王锦, 陈玉凤, 孙烨, 杨树峰, 刘威, 魏光升

  中国冶金. 2024, 34(10): 67-75.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20240235

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  齿轮钢作为航空航天、铁路运输和机械传动等领域的关键材料,其性能直接影响齿轮的使用寿命和可靠性。针对齿轮钢在较低冷却速率凝固时带状组织会使其性能恶化的问题,通过原位激光共聚焦扫描显微镜(CLSM)、电子探针X射线显微分析仪(EPMA)以及JMatPro软件等多种试验和理论计算相结合的方法,对20MnCr5齿轮钢在不同冷却速率下微观结构和溶质元素的微观偏析行为进行了探究。结果表明,随着冷却速率的加快,二次枝晶臂间距由318.63 μm减小至138.08 μm。20MnCr5齿轮钢凝固过程中,主要发生L→L+δ→γ的相变。随着温度的降低,铬和锰元素在晶界处有偏聚的倾向,同时,MnS、TiN和碳化物等相继析出。构建了一个溶质元素微观偏析模型,预测了齿轮钢凝固过程中元素的偏析行为,其结果与EPMA面扫元素分布一致,可为连铸工艺优化控制与铸坯质量控制提供依据。
生产技术
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  干熄焦系统焦炭烧损率实时测算及其变化规律

  徐荣广, 崔利芳, 刘森林, 王文斌, 彭军山

  中国冶金. 2024, 34(10): 76-83.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20240367

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  干熄焦系统中硫化物和CO主要源自焦炭烧损,而焦炭烧损普遍存在于干熄焦工艺中。通过研究干熄焦系统中焦炭烧损率变化规律,可为相关污染物治理提供理论支撑。基于干熄焦系统气态碳平衡推导焦炭烧损率的实时测算方法,需要先获得干熄焦环境除尘气中CO和CO₂的体积分数。为此,研究了干熄焦环境除尘气组分变化规律,其中的CO₂、CO以及少量NO均呈周期性变化,在装焦作业时含量快速升高并出现峰值,随后快速降低并趋于平缓。结合上述检测数据,最终得到真实的焦炭烧损率变化规律。正常生产时焦炭烧损率呈周期性变化,而一定时间内未装焦时其呈下降趋势。装焦作业造成焦炭烧损率出现峰值,其对干熄焦系统焦炭烧损率的贡献比例约为10%。对比焦炭烧损率3种实时测算方法可知,由导入空气法得到的焦炭烧损率数值偏高,而碳(放散气)平衡法得到的焦炭烧损率数值偏低。当循环气体中CO浓度控制过低时焦炭烧损率偏高,通过提高循环气体中CO浓度等措施,可将焦炭烧损率降低至设计水平。
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  双层预烧结支撑工艺

  刘杰, 张辉, 徐礼兵, 靳珣, 宫作岩, 钟强

  中国冶金. 2024, 34(10): 84-90.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20240433

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  为实现鞍钢本部高炉和烧结产能的匹配,提高烧结矿产量,并解决高比例精矿烧结时料层厚度难以超过900 mm的难题,鞍钢集团开发了双层预烧结工艺,但在实际生产过程中出现了烧结矿成品率下降、[5, 10) mm准粉末级别烧结矿升高的问题,为此在实验室开展了1 000 mm双层预烧结支撑工艺的基础研究。结果表明,双层预烧结时,在第二次点火后CO₂和CO体积分数升高,O₂体积分数急剧下降到8%左右,底部混合料层一定时间内为低氧气氛燃烧。双层预烧结时透气性指数变化分为3个过程,加入支架后,第1阶段平均提高10.37%,第2阶段平均提高12.61%,第3阶段中最低处平均提高28.95%;加入支架后,氧含量最低点时间提前,氧含量提高,烧结矿转鼓强度下降,但成品率上升,利用系数可以达到2.12 t/(m²·h),[5, 10) mm的准粉末级别比例明显下降,350 mm支架较400 mm支架能取得更好的技术指标。支架烧结在实验室证明可以解决双层预烧结应用的关键难题,可以进一步释放其提产能力。
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  烧结料面燃料分加耦合低温点火碳减排新技术

  赵改革, 喻维纲, 郑浩翔, 汤乐云, 范晓慧, 方天任, 甘敏

  中国冶金. 2024, 34(10): 91-98.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20240215

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  为降低烧结过程的能源消耗和碳排放,提出一种烧结料面燃料分加耦合低温点火的新技术。通过在烧结料层表面分加占总燃料量5%~7%的燃料,并利用耙料器和平料板等设备使燃料均匀分布于表层,能在保证点火效果的前提下大幅降低点火温度,从而减少固体燃料和点火煤气的消耗。本技术在湘钢烧结厂获得工业应用,实践结果表明,采用低温点火技术后,3台烧结机点火温度下降16%~27%、煤气流量下降640~1 900 km³/h,烧结矿的点火能耗下降0.007~0.038 GJ/t,同时转鼓强度保持原有水平,吨矿固体燃耗有所降低,烟气中SO₂和NO_x含量明显下降。新技术的应用取得良好的节能减碳效果。
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  转炉炼钢底吹O₂-CO₂的熔池搅拌功及冶金效果

  张英嘉, 胡绍岩, 王德勇, 王春江, 朱荣, 王德永

  中国冶金. 2024, 34(10): 99-107.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20240192

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  底吹气体是强化炼钢熔池搅拌的重要手段,气体介质的基础物性及其与炼钢熔池之间的反应特性直接影响熔池搅拌效果。为探究不同种类气体介质对熔池搅拌的影响,通过耦合搅拌功计算理论模型、转炉炼钢熔池脱碳规律和熔池升温规律,建立考虑碳氧反应的顶底复吹转炉熔池搅拌功计算模型,揭示底吹反应性气体(O₂、CO₂)和底吹惰性气体(N₂)熔池搅拌功随冶炼时间的变化规律。计算结果表明,底吹N₂的搅拌功主要受熔池温度影响,随熔池温度的升高而小幅增大;而底吹O₂和CO₂的搅拌功与炉内脱碳速率密切相关,在冶炼的开始阶段和结束阶段,底吹O₂的搅拌功极低,在底吹O₂中混入CO₂可以改善该阶段的熔池搅拌,还有助于降低终点钢水的平衡氮含量。120 t转炉工业试验表明,相比于底吹O₂-N₂/Ar,底吹O₂-CO₂可以获得更加优异的脱磷、控氧、脱氮效果,超低磷(磷质量分数不大于0.005%)钢水的炉次比例由4%提高至24%,平均碳氧积由0.001 9降至0.001 7,平均氮质量分数由0.003 3%降低至0.002 9%。结果可为转炉底吹O₂-CO₂新工艺的喷吹制度设计提供计算依据。
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  超深冲汽车板“砂眼”缺陷成因分析及工艺优化

  姜丽梅, 刘素丽, 韩闯闯, 曹晓恩, 程迪

  中国冶金. 2024, 34(10): 108-117.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20240260

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  伴随着汽车工业的快速发展,国内外各大主机厂对汽车板表面质量要求日益苛刻,特别是超深冲大减薄量复杂成形汽车板在冲压过程中基板表面“砂眼”现象,成为限制汽车板高质量发展的制约因素。针对超深冲大减薄量汽车板冲压“砂眼”缺陷,借助扫描电镜(SEM)及能谱(EDS)等分析手段,明确了浸入式水口富集的Al₂O₃夹杂物脱落是导致汽车板冲压“砂眼”缺陷的根本原因。通过炼钢关键工艺与“砂眼”缺陷对应性影响分析,表明转炉终点氧、RH出站顶渣TFe含量、结晶器液面波动、连铸炉次交接坯等是诱发基板表面“砂眼”缺陷的主要原因。采取降低钢液氧含量、优化RH渣中TFe含量降低渣/金界面传氧、保护浇注防止钢水二次氧化、优化结晶器流场减少液面波动以及中间包液位稳态控制等措施可提高钢水洁净度,有效改善超深冲大减薄量汽车板“砂眼”缺陷,缺陷发生率由0.086%降低至0.026%。研究结果为超低碳钢高洁净度冶炼提供了技术支撑,可为超深冲大减薄量汽车板表面质量提升提供参考。
节能环保
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  冷轧退火炉烟气脱硝轻量化技术

  任伟超, 王晓斌, 蒋晓刚, 王杰青, 王喆, 张涛

  中国冶金. 2024, 34(10): 118-126.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20240350

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  针对冷轧退火炉半封闭式烟气排放系统因冷风吸入量大而导致脱硝成本高的问题,进行烟气脱硝轻量化技术研究。通过建立烟气排放量计算模型,得到燃烧过程和排放过程中的冷风吸入是退火炉烟气排放量增加的主要原因;通过设计“山”形柔性连接装置,在解决烟气排放过程中冷风吸入问题的同时,实现了设备改造不停机作业。烟气脱硝轻量化技术应用后,国内某机组退火炉南区和北区的 NO_x 排放浓度降幅分别为 37.36%、41.81%,烟气排放量降幅分别为 59.34%、65.25%,烟气温度增幅分别为 67.77%、117.51%。除减少脱硝设备一次性投资费用和不停机改造所带的效益共计 1 524.31 万元外,每年可实现经济效益 571.27 万元。
装备技术
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  开浇过程湍流抑制器消能行为的数值模拟

  林鹏, 金焱, 甘菲芳, 马国军, 刘子钰, 程常桂

  中国冶金. 2024, 34(10): 127-141.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20240249

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  中间包开浇过程中钢液流速大,极易造成钢液飞溅。有关开浇过程钢液流场的研究较少,缺乏相关机理性研究。根据钢液流动特性,引入水力学消能的概念,对中间包开浇过程中钢液流场变化以及内旋型湍流抑制器对开浇钢液的消能效果进行研究,并对不同结构湍流抑制器的消能效果及影响因素进行分析,得出开浇过程中钢液流场变化情况和内旋型湍流抑制器消能效果的作用机理。方形湍流抑制器通过挑流消能方式消能;波浪形湍流抑制器主要通过底流消能,次级消能方式为挑流消能;月牙形湍流抑制器通过形成表面旋流的面流、窄缝式消能等消能方式对钢液进行消能;内旋型湍流抑制器通过面流、窄缝式消能、旋滚流消能和孔流消能等结合的方式对钢液进行消能。内旋型湍流抑制器多种消能机理相结合的方式,对钢液的消能效果最明显。研究结果表明,内旋型湍流抑制器的综合消能表现最佳,可以有效降低开浇过程中钢液飞溅的高度,降低卷入的空气量。研究结果为湍流抑制器优化设计提供了理论基础及参考数据,可以有效提高湍流抑制器的利用率,降低生产成本,有较好的应用前景。
冶金科技英才
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  龙木军

  中国冶金. 2024, 34(10): 142-142.

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冶金科学技术奖
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  光伏产业用铁镍基合金宽厚板制造技术与产品开发

  中国冶金. 2024, 34(10): 143-143.

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  热连轧智能工厂高效集约生产和精益管控技术创新

  中国冶金. 2024, 34(10): 144-144.

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