2024年, 第34卷, 第6期　刊出日期：2024-06-15

  

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技术综述
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  基于数据治理的钢铁材料数字化研发

  王军生, 林利, 张宇, 刘鑫

  中国冶金. 2024, 34(6): 1-13.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20240026

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  针对国内钢铁行业在数据治理、数字化和智能化应用技术方面的现状与挑战,提出将高通量试验、材料集成计算、大数据分析相结合的材料数字化研发思想,以推动钢铁材料数字化革新。分析了当前钢铁行业数字化研发的背景及其在全球范围内的发展趋势,强调了在数据治理中数字材料基因(DMG)在材料科学中的中心地位,并提出了用于数字材料研发的试验-计算-数据-整合(ECDC)的系统框架,包括高通量试验驱动模式、计算驱动模式、数据驱动模式和整合策略。这些模式不仅促进了材料的快速开发和性能优化,还实现了工艺和材料设计的高效整合。通过详细介绍数字化研发在温成形中锰钢、吉帕级海工钢、第三代Q&P钢开发等具体案例中的应用,以展示数字化方法有效解决材料的高强、高韧、高耐蚀等设计难点的途径。材料数字化研发思想为钢铁材料的数字化研发提供了理论和实践指导,通过整合和优化不同的技术方法,数字化研发体系有望显著提高钢铁材料研发的效率和质量,推动钢铁行业的高效可持续发展。
  
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  舰船用钛合金制备技术的研究进展

  王梓骄, 贾雷, 苗庆东, 李明宇, 赵朋, 刘威, 杨树峰

  中国冶金. 2024, 34(6): 14-25.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20230733

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  钛合金因其出色的综合性能在船舶、汽车、航空及医疗领域起着不可替代的作用,且钛合金铸件具有良好的耐腐蚀性,是舰船制造的理想材料。但钛合金在使用过程中还存在一些问题,例如成本高、冶炼难度大等,在一定程度上限制了其在船舶上的应用和发展。综述了真空自耗电弧炉熔炼、电子束冷床炉熔炼、等离子冷床炉熔炼、粉末冶金及增材制造5种制备钛合金产品技术的工艺原理、产品特点及国内外的发展状况,对各种工艺的数值模拟成果做出总结,并对未来中国钛合金体系做出展望,以期对钛合金产品制备工艺的优化提供参考。
  
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  超超临界电站用含Nb马氏体/奥氏体耐热钢的合金化现状

  王敬忠, 涂凯, 包汉生, 周杰, 张伟, 王硕, 敬仕煜

  中国冶金. 2024, 34(6): 26-35.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20230742

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  为了提高耐热钢的高温强度,在钢中添加微量合金元素是合金设计时的一种有效措施,其中Nb微合金化为耐热钢的主要强化方式,一直是耐热钢研究的热点。围绕Nb的应用,阐述了蒸汽发电机转子用马氏体耐热钢、超超临界锅炉用马氏体耐热钢和奥氏体耐热钢的合金化发展历程及现状。大多数转子用马氏体耐热钢中均含有少量的Nb,尤其近40年来开发的马氏体转子用钢中均含质量分数约为0.05%的Nb;蒸汽轮机中小部件用马氏体耐热钢中一般Nb质量分数约为0.05%~0.25%;蒸汽轮机壳体用马氏体耐热钢中Nb质量分数约为0.05%~0.10%;主蒸汽管道和换热管用T/P91和T/P92钢中Nb质量分数为0.04%~0.25%。在马氏体耐热钢中Nb通常和V复合使用,V含量约为Nb的2~4倍。典型奥氏体耐热钢中Nb的含量比在马氏体耐热钢中高约1个数量级,在奥氏体耐热钢中Nb通常单独添加,或与少量Ti复合添加。整体而言,随电站锅炉蒸汽参数的提高,马氏体耐热钢和奥氏体耐热钢的合金化程度越来越高,钢中合金元素的种类也越来越多;对奥氏体耐热钢而言,控制和改善一次富Nb相的存在形态是未来一定时期的主要研究热点;而随着钢中强化因素的增多,强化因素间的定性/定量作用也可能成为未来的重点研究方向。
冶金英才特约
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  低合金螺纹钢腐蚀机理与耐蚀性调控研究现状

  陈永峰

  中国冶金. 2024, 34(6): 36-43.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20240113

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  螺纹钢的腐蚀是钢筋混凝土结构中常见的问题,严重影响结构的安全和使用寿命。随着工程建设不断发展,对具有优异耐久性的高性能钢筋混凝土的需求越来越迫切。混凝土中钢筋的服役寿命由其中侵蚀介质的传输速度和钢筋自身耐蚀性共同决定,服役环境中大量的腐蚀粒子加速钢筋锈蚀是导致钢筋结构被破坏的最主要因素。从钢筋自身入手,优化钢筋基体成分、组织和微结构特征以提高钢筋锈蚀各阶段的耐蚀性,是从根本上解决钢筋锈蚀问题的有效方法。在普通钢筋中添加合金元素是一种低成本、易操作的防腐技术,国内外已经开发出系列化的耐蚀钢和系列化的微合金元素调控技术。归纳了螺纹钢的腐蚀机理,综述了环境因素、合金元素等对螺纹钢耐蚀性的影响以及螺纹钢的防护手段。合理选择并应用合金元素可以延长螺纹钢混凝土结构的使用寿命,确保结构的耐久性和安全性。低合金螺纹钢腐蚀与防护机理的研究对混凝土结构的设计、建设和维护具有重要意义。
  
专题研究
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  不同球团工艺条件下PFC1精矿球团制备特性

  朱德庆, 杨钰萍, 宋清诗, 王伟, 潘建, 杨聪聪, 郭正启, 李思唯

  中国冶金. 2024, 34(6): 44-54.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20240059

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  优质球团精粉短缺是制约现阶段“烧结转球团”、提高高炉球团矿入炉比例、促进高炉铁前降碳的瓶颈问题之一,因而拓宽球团原料来源具有重要意义。针对巴西赤铁精粉(PFC1)研究了其基本性质和矿物学特征,并揭示了在链箅机-回转窑工艺以磁铁矿为主和带式焙烧机工艺以赤铁矿为主2种典型配矿结构下PFC1使用比例,以及对混合精矿造球性能、球团焙烧特性和高温冶金性能的影响规律。结果表明,在链箅机-回转窑工艺以磁铁矿为主(磁铁矿比例70%~100%)的配矿结构下,用10%PFC1取代磁铁精矿时,改善了混合精矿的成球性,制备出了力学强度良好的焙烧球团,同时球团还原性、还原膨胀指数等高温冶金性能也得到改善;在带式焙烧机工艺以赤铁矿为主(赤铁矿比例40%~75%)的配矿结构下,添加10%~20%PFC1时,生球强度良好且热稳定性有所提升,同时球团焙烧特性和还原膨胀性能有所改善,而对球团还原性和低温还原粉化性能有一定不利影响,但均能达到入炉要求。对于链箅机-回转窑工艺和带式焙烧机工艺,PFC1取代磁铁矿和赤铁矿的比例可达10%~20%。研究结果为拓宽球团原料来源、指导钢厂应用PFC1赤铁精矿提供了重要参考和指导。
  
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  球团氧化焙烧过程磁铁矿与红土镍矿界面反应行为分析

  韩振, 张峰, 江祥红, 岑玉龙, 赵朝显

  中国冶金. 2024, 34(6): 55-63.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20230723

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  为了揭示球团氧化焙烧过程中磁铁矿和红土镍矿之间的固结机制,采用扩散偶法研究该过程磁铁矿与红土镍矿界面反应。结果表明,在1 300 ℃下氧化焙烧120 min后,未与红土镍矿接触的磁铁矿中Fe₃O₄绝大部分氧化为赤铁矿(Fe₂O₃),一些硅酸盐相填充孔隙辅助固结,这层主要以Fe₂O₃再结晶为主,固结强度高;磁铁矿与红土镍矿交界处形成了一层扩散层,该扩散层中的主要物相为镁铁尖晶石((Mg,Fe)O·Fe₂O₃),少量硅酸盐液相填充其中辅助固结;大量镁由红土镍矿向磁铁矿扩散,扩散之后形成了镁铁尖晶石,镁铁尖晶石的形成阻碍了磁铁矿的氧化再结晶,不利于球团抗压强度的提高;未与磁铁矿接触的红土镍矿主要由镁橄榄石、玻璃质及赤铁矿组成,其中镁橄榄石含量最多,玻璃质填充于镁橄榄石之间的缝隙中,而赤铁矿则存在于玻璃质中,红土镍矿中Fe₂O₃含量较少,分散的Fe₂O₃在高温焙烧过程中由于大量镁橄榄石的阻隔彼此之间接触较少,Fe₂O₃晶体难以有效联结长大,大量Fe₂O₃呈细小的晶体状态零散分布在整个红土镍矿中,因此该部分固结强度差。研究结果为制备高强度的含铬镍铁矿氧化球团提供了理论依据。
  
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  椭圆钢包内部流场优化与夹杂物去除分析

  李林博, 陈超, 王佳, 陶鑫, 刘涛, 赵岩松, 戎志仁

  中国冶金. 2024, 34(6): 64-73.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20240068

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  为了提高某厂实际生产过程中夹杂物的去除效率,以某厂220 t椭圆形钢包为原型,在相似原理的基础上建立了相似比为1∶7的水模型,分析了常规的墨水示踪剂传输过程、盐水示踪剂的混匀、渣眼面积所占比例等过程和参数,并创新地采用粒子图像测速(Particle Image Velocimetry,PIV)技术研究了油层存在时水模型中的流速变化。同时进行了工业试验,分析不同方案中夹杂物数量密度的变化规律。综合探究了3种方案钢液的流场、混匀过程以及夹杂物去除情况。研究结果表明,从长轴一侧AB孔进行流量为150 L/min的等流量吹气时(方案1),其示踪剂传输过程与偏心单孔吹气情况类似,即钢液通过靠近表面的强循环流进行混匀,且混匀时间为所有方案最低;而其两孔形成的渣眼发生聚合,渣眼面积为所有方案最大。当中心对称呈180°夹角布置的AC孔以150 L/min等流量吹气时(方案2),靠近表面钢液的水平流动有所减弱,钢包整体流速下降,但渣眼面积所占比例依然较高。对于AC孔分别以50、100 L/min差流量弱吹时(方案3),渣眼面积比例大幅度降低,减弱了钢液的二次氧化。因受表面渣层(油层)影响,靠近表面钢液流动有所增强,有利于夹杂物的去除。利用工业试验对比了方案1和方案3,发现相比方案1,延长方案3的软吹时间可明显减少10 μm以上夹杂物数量。综上,钢包内钢液混匀和去除夹杂物的效果并不能兼得,还需深入研究。
  
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  热轧工艺对Fe-30Mn-9Al-1C-3Cu低密度钢组织性能的影响

  齐程伟, 董福涛, 代鑫, 胡宝佳, 田亚强, 陈连生

  中国冶金. 2024, 34(6): 74-82.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20230789

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  随着高端设备对轻量化和高性能的需求,钢铁材料的轻量化及高强韧性研发成为热点。新型的Fe-Mn-Al-C低密度钢具有密度低、强塑性高和冲击韧性良好等优异性能,在能源、运输产业和极端环境结构等领域具有广阔的应用前景。借助OM、SEM、拉伸和冲击试验等检测手段研究了热轧工艺对Fe-30Mn-9Al-1C-3Cu低密度钢的组织、强塑性和冲击韧性的影响。研究发现,试验钢热轧后组织为单相奥氏体,晶粒内部有大量退火孪晶;由于具有较高的层错能,试验钢的塑性变形方式主要以产生位错滑移带为主,通过微带、滑移带等结构产生动态Hall-Petch效应,从而实现动态细晶强化,提高材料的强塑性。高温终轧和单道次大压下的热轧工艺获得的大尺寸晶粒组织更有利于提升奥氏体低密度钢的强塑性和低温冲击韧性。随着冲击温度的降低,冲击韧性明显下降,断口形貌发生韧窝→浅韧窝→浅韧窝+沿晶断裂+穿晶解理断裂的转变。通过试验丰富了Fe-Mn-Al系低密度钢力学性能及组织变化的研究成果,并有助于掌握低密度钢性能控制的工艺参数关键点。
  
生产技术
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  低硅碱性球团矿配加灰石筛下物试验与工业应用

  董相娟, 田筠清, 青格勒, 孙大为, 李明, 吴巍

  中国冶金. 2024, 34(6): 83-91.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20240157

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  钙质熔剂与铁料混合经细磨后配入球团矿的方法在国内炼铁行业中应用较少。将灰石筛下物与铁矿粉混磨后配入球团矿,可以提高钙质熔剂的均质化水平,提高熔剂活性,改善球团矿质量,同时实现固废资源的二次利用。首钢京唐钢铁联合有限责任公司进行了球团矿配加灰石筛下物试验及工业实践,通过磨矿功指数检测和过滤性能试验,评估磨矿的经济性和可磨性;通过造球及焙烧试验,得到灰石筛下物与铁料混磨对球团矿质量的影响趋势。结果表明,配加灰石筛下物与铁矿粉混磨产物后熔剂钙质分布更均匀,与铁矿粉结合更紧密;球团矿固结质量保持在较高水平,抗压强度在3 196 N/P以上;还原性能有所改善,还原膨胀率从14.5%降低至13.8%,还原度从84.8%提高至86.9%。
  
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  烧结过程中Pb元素的迁移规律及控制措施

  李嘉雨, 张朝晖, 李红红, 郭胜兰, 折媛, 邢相栋

  中国冶金. 2024, 34(6): 92-99.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20240058

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  为了明确烧结过程中Pb的迁移规律,以某钢铁企业烧结机为研究对象,采用离子色谱法作为检测手段,分析Pb的收支平衡;结合热力学分析,得出Pb在烧结工序内的反应行为以及不同烧结温度时的平衡相组分变化特征,进而提出预防Pb超标的技术控制措施。结果表明,混匀矿和烧结矿分别占据了Pb收入项中96.16%和Pb支出项中的79.82%。该企业烧结工序Pb的脱除率为20.18%。此外烧结工序Pb负荷为0.06 kg/t,烟气排放因子为1.22 g/t。在烧结过程中大部分含Pb化合物会发生反应,导致含Pb物料产生物相转变;在企业当前物料条件下,Pb在原料中主要以PbS形式存在,在烧结过程温度低于740 ℃时,Pb主要以PbSO₄形式存在于烧结矿中,而PbCl₂以气态方式进入烟气被脱除;温度升高至1 300 ℃过程中,PbSO₄转变为PbSiO₃和Pb单质,在1 300 ℃以上进一步转变为气态PbO被脱除。在现有条件下,控制含Pb固废物料的利用比例,并提升固废物料与铁矿粉的混匀效果以稳定烧结矿中Pb含量、改进除尘设备来促进挥发性含Pb物质排出是控制Pb危害的重要途径。
  
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  碱度对高TiO₂保护渣流动、结晶和结构的影响

  王时松, 王文洪, 陈守杰, 孙明玮, 张旭彬, 何生平

  中国冶金. 2024, 34(6): 100-109.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20240036

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  针对传统保护渣浇注高钛钢时钢渣反应引起TiO₂增加和渣变性的问题,采用旋转黏度测量仪、半球点测试仪、FactSage热力学计算、原位观察和拉曼光谱等方法,研究了碱度对高钛钢保护渣流动、结晶行为以及结构的影响,便于通过成分变化对含TiO₂保护渣的性能进行调控。研究表明,当保护渣(TiO₂质量分数为8%)的碱度由0.6增加到1.2,其1 300 ℃的黏度由0.33 Pa·s降低至0.21 Pa·s,保护渣的熔化温度由1 111 ℃增加至1 161 ℃,这是由于受熔渣结构和结晶相析出双重作用的影响;保护渣的转折温度则由1 128 ℃升高为1 264 ℃。随着碱度的增加,热力学计算析出的CaTiO₃晶体比例逐渐增大,同时XRD衍射峰强度有明显的增强。在熔渣微观结构方面,随着碱度的增加,熔渣中简单结构单元Al-O^-和Q⁰、Q¹增加,复杂结构单元Q²和Q³等减少,熔渣整体的聚合度及复杂程度呈下降趋势,这与黏度的变化一致。综合来看,碱度增加会引起保护渣的黏度降低、熔点升高、结晶性能增强,合理控制保护渣的碱度可以优化其基础性能,有利于高钛钢连铸过程的稳定。
  
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  喷雾干燥法制备空心颗粒连铸保护渣

  赵春宝, 何峰, 李晓阳, 陈永彦, 谢峻林

  中国冶金. 2024, 34(6): 110-117.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20230717

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  在连铸成型的过程中,铜结晶器需要在高温条件下连续使用保护渣材料,以满足钢水凝固坯壳与结晶器之间的传热、润滑等工艺要求。连铸成型对保护渣宏观结构、形貌、含水率等理化性能有着非常高的要求。利用旋转黏度仪对不同含水配置的保护渣泥浆黏度进行测试,利用喷雾干燥生产线对不同料性泥浆进行试验性生产,利用DSC-TG、SEM、粒度分析、铺展性测试等手段,对所制得的保护渣结构与性能表征结果开展研究,获得了较优性能的空心颗粒保护渣与其生产工艺参数。结果表明,随着泥浆中水加入量(质量分数)由33.7%增加到53.7%,其黏度由25.1 Pa·s降低到7.6 Pa·s,流动性增强。不同的喷雾干燥进口热风温度可适应的泥浆水含量范围有所不同,且对保护渣中的残余水含量影响较大。保护渣的粒度分布集中在[0.16,0.50) mm,其中[0.35,0.45) mm的保护渣占55%以上,安息角为29^o。通过喷雾干燥方法制备出的保护渣有明显的空心球结构,颗粒的同心度与铺展性能良好。研究结果对利用喷雾干燥方法生产保护渣具有参考意义。
  
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  非直接测量变量对转炉热平衡计算的影响和评估

  江腾飞, 高攀, 黄桂斌, 姚柳洁, 韩少伟, 郭路召, 王伟森, 杨仕存

  中国冶金. 2024, 34(6): 118-124.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20240106

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  为进一步提高转炉热平衡计算的精度、提升终点温度控制水平,基于210 t转炉自动炼钢工业实践,通过工业试验测定、数据回归方法研究了非直接测量变量(铁水温度变化、铁水碳含量、转炉生产过程中的铁水装入、补炉、空炉以及炉衬热状态等因素)对热平衡计算的影响,并提出了具体的算法和经验公式。结果表明,使用铁水中碳的饱和溶解度对直接化验碳含量进行修正,可以更真实地反映铁水碳含量水平,减小热平衡计算过程中总耗氧量的误差。生产中可根据前炉次的平均出钢温度来评估炉衬蓄热能力,从而实现对下炉次热平衡计算的修正,减小热力学理论计算偏差。经过持续优化后,转炉炼钢过程热平衡计算误差显著降低,终点温度命中率由70%提升至90%以上,实现了转炉自动炼钢出钢温度的精准控制。
  
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  YOLO-VDCW:一种新的轻量化带钢表面缺陷检测算法

  刘凤春, 张靖, 薛涛, 张猛, 张春英, 王立亚

  中国冶金. 2024, 34(6): 125-135.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20240022

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  带钢表面的缺陷检测技术对确保带钢产品质量达到标准至关重要。针对目前带钢表面缺陷检测模型存在结构复杂、计算资源利用不足以及检测精度不高等问题,提出一种新的轻量化带钢表面缺陷检测算法YOLO-VDCW。首先,引入VanillaNet模块到YOLOv8中来提高计算资源利用效率,实现模型在主干网络的轻量化;其次,采用C2fDSConv替换C2f模块,以精准传递梯度信息,进一步提升计算资源利用率和性能;此外,在C2fDSConv之后嵌入坐标注意力模块,引入坐标信息以增强目标定位准确率和感知能力;最后,将CIoU损失函数替换为Wise-IoU损失函数,以准确地衡量目标框之间的相似性,提高模型的缺陷检测性能。在NEU-DET数据集上,YOLO-VDCW实现平均检测精度(mAP)达到79.8%,相比YOLOv8n,其平均检测精度提高3.8个百分点,计算量和参数量分别减少34.1%和36.8%,检测速度提升37.9%,模型体积仅有4.9 MB。试验结果表明,YOLO-VDCW相对其他算法,在保证轻量化的同时,可有效提高带钢表面缺陷检测精度和速度。
  
有色冶金
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  电磁在线检测再生铝铸造流程中夹杂物的浓度与粒径分布

  鄢浩, 吴云飞, 王佳豪, 那贤昭, 王晓东

  中国冶金. 2024, 34(6): 136-143.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20240035

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  再生铝由于其绿色、环保、可循环利用等优点成为铝工业未来重要的发展方向,如何实现再生铝中夹杂物的检测和控制成为再生铝技术的研究重点。为研究再生铝铸造流程中夹杂物粒径和浓度变化趋势,通过基于电敏感区法的测量方法对再生铝铸造流程中的夹杂物进行了测量。该方法具有实时、在线、定量测量的特点和优势。设计了可用于再生铝熔体夹杂物检测的测量装置,通过对采样管中凝固的铝液进行金相检测,验证该装置对夹杂物的“捕获”能力,并利用该装置对铸造流程中的夹杂物进行测量。结果表明,夹杂物的粒径分布范围由熔炼前的[20,70] μm降低至过滤后的[10,40] μm;熔炼后浓度最高的粒径由49 μm(1.39×10³个/kg)下降至静置后的39 μm(1.03×10³个/kg)以及过滤后的21 μm(0.74×10³个/kg);过滤后夹杂物的N20~N60指标较熔炼后分别下降了76%、91%、97%、98%、98%。研究结果对再生铝铸造流程及工艺的优化具有参考价值。
  
冶金科技英才
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  陈永峰

  中国冶金. 2024, 34(6): 144-144.

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  彭志伟

  中国冶金. 2024, 34(6): 145-145.

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冶金科学技术奖
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  铁矿烧结低碳与超低排放新技术的开发及应用

  中国冶金. 2024, 34(6): 146-146.

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  智能化高炉关键技术研发与应用

  中国冶金. 2024, 34(6): 147-147.

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