中国冶金

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电磁辅助优化高速钢组织与性能研究进展

叶承欢, 张世民, 朱守豪, 陈湘茹, 翟启杰

中国冶金. 2024, 34(8): 1-10.
https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20240096

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制造业的迅猛发展对高速钢品质提出了更高的要求,对高品质高速钢的需求也逐步提升。高速钢的力学性能主要取决于其微观组织,尤其是其中碳化物的形貌、尺寸、数量、分布。随着物理和材料科学与技术的进步,电磁场在材料制备中的应用受到了冶金与材料工作者的关注,并成为近年来研究的热点。总结了国内外通过外加电磁场改善高速钢微观组织和性能的研究成果,包括利用电磁场调控高速钢凝固组织、优化高速钢热处理微观组织和高速钢刀具服役性能,并展望了这一领域未来研究重点和应用前景。

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钇、锆对非调质钢中MnS及组织力学性能的影响

邱国兴, 张红钊, 路峰, 缪德军, 杨永坤, 李小明

中国冶金. 2024, 34(8): 11-19.
https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20240195

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MnS调控一直是高品质非调质钢开发的重点和难点。为改善钢中MnS形态和分布同时提高其力学性能,在实验室利用真空感应炉熔炼3炉试验钢,并对钢锭进行锻造,以研究Y、Zr对钢中夹杂物、显微组织及力学性能的影响。采用扫描电镜对铸态(A1~A3)和锻态(B1~B3)试样中夹杂物进行了统计分析;利用金相显微镜对锻态钢组织进行了观察;利用万能材料试验机和冲击试验机对试验钢性能进行了测试。结果表明,添加Y、Zr后,A2和A3铸态钢中夹杂物多为Ⅲ类和Ⅰ类MnS,平均直径为2.9 μm和1.8 μm。氧含量不是影响MnS形态和分布的主要因素,钢中生成的YAlO₃、Y₄Zr₃O₁₂与MnS具有较小晶格错配度,凝固过程中MnS易以氧化物为核心异质形核析出。以氧化物为核心的MnS在锻造过程中表现出良好的抗变形能力。Y、Zr合金化后,试验钢晶粒尺寸减小,晶内铁素体所占比例增加,平均晶粒尺寸由36.5 μm(B1)降低至22.8 μm(B2)和11.4 μm(B3);晶内铁素体比例由2.4%(B1)提高至6.2%(B2)和11.1%(B3)。晶粒尺寸最小、晶内铁素体比例最高、MnS尺寸最小的B3钢具有最优的力学性能,其屈服强度为840 MPa,室温冲击功为52 J。研究结果为改善非调质钢中MnS和力学性能提供了理论参考。

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高速铁路车轮钢中大尺寸CaO-Al₂O₃-SiO₂类夹杂物的形成机理

鲍道华, 成国光, 张锦文, 王之香, 李伟, 李尧, 张涛

中国冶金. 2024, 34(8): 20-28.
https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20240140

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为了研究高速铁路车轮钢中大尺寸CaO-Al₂O₃-SiO₂类夹杂物的形成机理,利用扫描电镜(SEM)和能谱分析仪(EDS)对夹杂物的特征进行分析,并通过FactSage热力学软件对夹杂物的形成过程进行计算。研究表明,车轮钢连铸坯中的夹杂物为CaO-Al₂O₃-SiO₂类,可分为2种类型,第1种是在钢液降温和凝固过程中形成的小尺寸固态和半固态夹杂物,第2种是来源于精炼过程中的大尺寸液态夹杂物。在液态夹杂物中,尺寸大于10 μm夹杂物所占比例高达43%,可追溯到精炼过程中的钙处理阶段。钢液经过钙处理后会反应形成液态的CaO-Al₂O₃-SiO₂类夹杂物,这类夹杂物由于与钢液的接触角较小,只有40°左右,不易从钢液中去除,最终会遗传到连铸坯中。热力学计算结果表明,仅控制Al含量无法抑制液态CaO-Al₂O₃-SiO₂类夹杂物的形成,还需要控制合适的Ca含量才能避免此类夹杂物的出现。在钢液的钙处理阶段,Al质量分数为0.013%的条件下,当将Ca质量分数控制在0.000 7%时,能够形成液相比例为20%的夹杂物,这种夹杂物既不会影响钢液的浇注,又易于从钢液中去除。而如此精确的Ca含量需要精准的钙处理工艺以及合理的Al含量和精炼渣成分才能得到。该研究结果为车轮钢中大尺寸夹杂物的精确控制提供一定的指导。

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H₂O+CO₂气氛下焦炭的溶损行为及气孔结构演变

韩嘉伟, 窦明辉, 吕叶飞, 付佳旭, 孙章

中国冶金. 2024, 34(8): 29-37.
https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20240088

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探究含水气氛下焦炭气孔结构的溶蚀演化规律对认识焦炭在富氢高炉内的溶损劣化行为具有重要意义。采用自制连续进水的焦炭反应性测定装置开展柱状焦炭在CO₂、N₂+20%H₂O和CO₂+20%H₂O气氛的溶损试验,运用图像分析法结合环形测试方式逐层检测焦炭剖面的气孔结构特征,在空间尺度上探究焦炭溶损过程中气孔结构的演化规律。研究结果表明,柱状焦炭在H₂O+CO₂气氛下溶损反应中气孔结构呈现“类锥形”演化,H₂O的存在使得焦炭气孔分布呈现出未侵蚀焦芯距离减小、溶损扩散深度减弱的特征。焦炭小气孔含量随反应深度增加呈二次线性增大,H₂O的存在使得拟合方程的通径减小,表明焦炭内外层气孔结构差异增大。基于焦炭气孔溶蚀的溶损层体积和反应性,提出碳素单位溶损体积比参数,定量表征溶损反应的扩散深度,H₂O的存在使得碳素单位溶损体积比减小24.4%,焦炭未侵蚀焦芯所占比例增加9.78%。因此,反应气氛中H₂O含量增加导致溶损反应主要集中于焦炭表面,水煤气反应使得焦炭深层反应减弱、缩核程度增强。研究结果可为加深认识富氢高炉内焦炭劣化行为、完善焦炭质量评价体系提供试验基础和理论依据。

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中间包结构优化对钢液流动状态的影响

李顶涵, 段豪剑, 孙亮, 张立峰

中国冶金. 2024, 34(8): 38-50.
https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20240103

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为了去除夹杂物,提高钢液洁净度,有必要对中间包进行结构优化以改善中间包内部钢液的流动状态。通过物理模拟或数值模拟获得停留时间分布(RTD)曲线,并进一步对停留时间和流场区域进行分析是中间包结构优化的重要手段。通过调研将不同文献中单流或者两流中间包的数据转化成无量纲数并筛选、整理、总结,分析了中间包本体的宽度、液位高度、入出口间距、侧壁倾角,中间包湍流抑制器的高度、横截面积以及挡墙和挡坝的位置、高度等结构参数对停留时间和流场的影响,总结归纳了中间包本体和控流装置不同结构参数的最佳比例。研究发现,中间包的宽度与长度之比应为0.15~0.30,液位高度与长度之比应为0.15~0.30,入出口间距与长度之比应为0.8~0.9,侧壁倾角应为10°~15°;湍流抑制器高度与中间包液位高度之比应为0.1~0.2,横截面积与中间包底部横截面积之比应约为0.15,挡墙与长水口之间的距离与中间包长度之比应约为0.2,挡坝高度与中间包液位高度之比应约为0.4或0.7,挡墙与挡坝之间的距离与中间包长度之比应为0.05~0.10,挡坝高度与中间包液位高度之比应约为0.3。研究结果为中间包的结构设计提供了一定程度的指导。

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首钢股份球团回转窑结圈机制与优化实践

乔红梅, 张景瑜, 许佳, 田筠清, 赵路遥, 刘长江

中国冶金. 2024, 34(8): 51-58.
https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20240320

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针对首钢股份球团链箅机-回转窑结圈问题,研究分析了各工序球团性能特征及结圈物形态与物相组成。结果发现,机头干球未充分氧化、煤粉燃烧、高挥发分煤粉颗粒聚集和沉积、喷吹煤粉使用不当以及窑头粉末量大等是影响回转窑结圈的重要因素。为了解决回转窑结圈问题,对矿粉全辊磨工艺进行了优化,通过调整链箅机的风量、风温等参数实现热工制度的合理匹配,通过控制回转窑温度、优化燃烧器及调整燃料结构等措施,有效改善了回转窑结圈程度,提高了生产效率,稳定了球团矿质量。本研究可为其他球团生产线解决相关问题提供参考。

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基于图像增强及改进霍夫检测算法的球团粒度检测

张学锋, 秦继洋, 黄刘松, 龙红明, 余正伟

中国冶金. 2024, 34(8): 59-68.
https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20240071

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为解决球团图像过曝失真及球团粘连难以识别的问题,提出一种改进的对比度限制自适应直方图均衡化方法实现图像增强,并引入多尺度霍夫检测算法实现对球团的有效检测。首先,引入细节保护机制,使用对比度增强函数来调整对比度限制自适应直方图均衡化(CLAHE)的输出结果,从而限制对比度增强的幅度,同时保留图像中更多的细节信息;其次,通过自适应中值滤波对增强图像噪声进行过滤;最后,引入多尺度的霍夫检测算法,解决粘连球团识别问题,实现对球团粒度的准确、实时、高效检测和统计。某钢厂实际应用结果表明,此方法对球团粒度识别的准确度达到94.44%,对合格球团个数的检测准确度可达96.72%,能够达到球团制备工艺的要求,对提高生产效率、降低人工成本、提高球团制备合格率等具有积极作用。

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M100大型电渣重熔板坯表面裂纹成因与控制

李健, 赵刚, 柴锋, 张友鹏, 罗小兵, 潘涛

中国冶金. 2024, 34(8): 69-82.
https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20240109

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M100钢是一种采用电渣工艺生产的高强度船体结构用钢,其在电渣重熔过程中产生的表面裂纹会对产品的成材率和表面质量产生不利影响。针对M100大型电渣板坯出现的表面裂纹问题,利用残余应力、低倍组织、裂纹形貌、微观组织分析及硬度测试等方法,对电渣板坯表面裂纹特征及形成机理进行了研究。结果表明,电渣板坯表面裂纹多沿粗大柱状晶晶界分布,其断口呈典型的沿晶断裂特征;裂纹处存在明显氧化现象,表明裂纹主要产生于电渣板坯凝固冷却阶段。对电渣板坯表面裂纹形成机理进行了分析,发现表层金属在结晶器较大冷却强度作用下,所形成的粗大马氏体柱状晶晶间结合力弱,受马氏体相变瞬间产生的组织拉应力作用而开裂,是试验电渣板坯产生表面沿晶裂纹的主要原因。基于表面裂纹形成机理,提出了将结晶器冷却水流量由130 m³/h降低至80 m³/h的工艺优化措施并进行了工业试验,验证电渣板坯主要由马氏体和贝氏体混合组织组成,平均硬度较优化前的电渣板坯降低约40HV10,表面未发现裂纹,表明所采取的结晶器冷速优化措施合理有效。研究结果可为马氏体型合金钢大型板坯电渣生产中表面质量的控制提供参考。

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Q690钢LF精炼渣系优化及工业试验

刘文凭, 高山, 高志滨, 刘忠建, 王忠刚

中国冶金. 2024, 34(8): 83-98.
https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20240111

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为控制Q690钢中T[O]含量和夹杂物,提高钢的洁净度,寻求合适的精炼渣系,首先对原工艺精炼渣系及夹杂物控制状况进行调研,使用Aspex自动扫描电镜对钢中尺寸大于2 μm的夹杂物的形貌、尺寸和成分进行检测分析,确定了钙处理时机;其次采用FactSage软件对精炼渣-钢液-夹杂物的平衡进行热力学计算,分析精炼渣组分对钢中夹杂物成分的影响,同时开展了实验室试验,基于试验结果和理论模型计算得到了1 550 ℃和1 600 ℃温度条件下Al₂O₃在CaO-Al₂O₃-SiO₂渣中的溶解速率云图;最后确定了合适的Q690钢精炼渣渣系,降低了原工艺渣系的钙铝比,优化后的渣系w(CaO)/w(Al₂O₃)控制在1.8～2.0,碱度控制在5.0～7.0。工业试验结果表明,渣系优化后Q690钢在RH出站后钢中T[O]质量分数可降至7×10^-6以下,夹杂物由调研阶段的最大直径40～60 μm降至10～20 μm;钢中检测到的夹杂物面积分数、数密度和最大直径显著降低,铸坯钢样夹杂物数密度可降低至1个/mm²以下,夹杂物面积分数可降至16×10^-6以下,最大直径可降至18 μm以下。轧板中D类和DS类夹杂物均小于1.0级,达到了高级优质钢的要求。研究结果为洁净钢的稳定生产提供了一定的参考。

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汽车高强钢簇状翘皮缺陷成因分析及控制

倪有金, 朱克然, 龚坚, 黄福祥, 亢小敏, 吴友谊, 王彦峰, 陈瑾

中国冶金. 2024, 34(8): 99-106.
https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20240317

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为了减少590 MPa级别汽车高强钢板表面簇状翘皮缺陷,对该缺陷的成因和机制进行了分析和调查。结果表明,该缺陷起源于铸坯上表面宽度1/4和3/4区域的皮下微裂纹,此类包晶高Nb钢和中高铝钢对裂纹较为敏感的主要原因是NbCN和AlN在矫直区温度下大量析出造成晶界脆化,包晶钢凝固坯壳不均匀和高铝钢由于渣-钢变性反应导致的深振痕加大了应力集中和裂纹敏感性。结合钢种凝固特性,分别采取了控制钢水N元素质量分数不高于0.004 0%、按w([Ti])/w([N]) =4~5添加Ti、设计开发新型保护渣以及优化连铸工艺等措施,裂纹指数由12~20个/m降低到0.03~0.20个/m,簇状翘皮缺陷发生率由29.8%降低到0.5%以下。

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钢铁生产过程焦化工序能耗剖析与节能途径

籍杨梅, 张琦, 刘嘉龙, 顾菁华, 李宇涛, 张云龙

中国冶金. 2024, 34(8): 107-116.
https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20240131

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随着节能工作的不断深入,钢铁企业的节能改造越发困难。焦化工序作为钢铁企业的能源转化单元,是钢铁生产过程中的重要环节,全面剖析焦化工序能耗的影响因素,深度挖掘焦化工序的节能潜力,对钢铁企业的节能减排工作具有重要意义。以焦化工序为研究对象,基于投入-产出、热平衡的分析方法,全面剖析了能源转化差、炼焦耗热量对工序能耗的影响;并以热平衡为基础,进一步探究煤挥发分、水分、焦炉热损和煤气消耗比例对焦化工序能耗的影响。除此之外,围绕焦化生产过程的反应机理,采用热力学方法,对相应的生产工艺进行假设,基于实际的原料、燃料参数和反应条件,计算了焦化工序的理论极限能耗,为准确判断焦化工序的节能潜力提供理论依据。同时结合目前焦化工序的能耗特征、技术应用现状和极致能效工作实施路径,分析焦化工序的节能途径。综上,通过挖掘焦化工序能耗的影响因素,并分析焦化工序的理论极限能耗,以期为钢铁生产流程极致能效工作提供理论依据,助力钢铁行业“碳达峰”“碳中和”目标的实现。

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草酸-草酸铵浸出氰化尾渣中赤铁矿机理及动力学

党晓娥, 李康瑞, 王碧侠, 李林波

中国冶金. 2024, 34(8): 117-127.
https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20240098

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焙烧氰化尾渣处置是目前制约黄金冶炼工业可持续发展的瓶颈,为了提高金的回收率和实现尾渣中铁的高附价值利用,在草酸(H₂C₂O₄)、草酸-草酸铵(H₂C₂O₄-(NH₄)₂C₂O₄)浸出焙烧氰化尾渣中赤铁矿试验结果的基础上,对H₂C₂O₄-(NH₄)₂C₂O₄浸出赤铁矿的机理以及浸出动力学进行研究,主要考察浸出温度、H₂C₂O₄与(NH₄)₂C₂O₄物质的量之比n(H₂C₂O₄)/n((NH₄)₂C₂O₄)以及C₂O^2-₄总浓度c(C₂O^2-₄)_TOT对铁的浸出率的影响。结果表明,适当降低n(H₂C₂O₄)/n((NH₄)₂C₂O₄)、提高c(C₂O^2-₄)_TOT和浸出温度,可提高铁的浸出率,缩短赤铁矿达到浸出平衡的时间。H₂C₂O₄-(NH₄)₂C₂O₄浸出赤铁矿的反应表观活化能为41.72 kJ/mol,浸出反应受界面化学反应-内扩散混合控制。在n(H₂C₂O₄)/n((NH₄)₂C₂O₄)=1和n(C₂O^2-₄)_TOT/n(Fe³⁺)_TOT≥3时,浸出液中的Fe³⁺全部以Fe(C₂O₄)^3-₃形式存在,通过对浸出液进行蒸发、浓缩、冷却、结晶,制备出用途较为广泛的(NH₄)₃Fe(C₂O₄)₃·3H₂O,为氰化尾渣中巨量铁资源的综合利用提供了新途径。研究结果对黄金工业的可持续发展具有重要意义。

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基于有限元分析的转炉熔炼区耐火衬体优化设计及应用

戴晨晨, 赵进宣, 聂波华, 钱凡, 黄启国, 何苗

中国冶金. 2024, 34(8): 128-137.
https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20240083

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近年来,由于市场对高品质洁净钢的强烈需求,加速推动转炉炼钢不断朝大型、高效、洁净与绿色化发展。为契合当前冶炼技术发展、提高转炉耐火材料整体使用寿命,采用ANSYS软件的热-结构耦合模块,对传统“翻身砖”式转炉熔炼区耐火衬体的温度场与应力场进行了有限元分析计算。根据计算结果提出了炉衬设计优化方案,并对该方案进行有限元分析验证和工业化应用。结果表明,传统转炉熔炼区耐火衬体在第一、第二转向区发生了严重的热应力集中现象,并对应形成热应力峰值,其中第一转向区峰值最大,高达153.56 MPa,约为镁碳砖固有强度的10余倍。针对传统熔炼区热应力集中问题,创新采用“双圆弧砌体”“面-面衔接”等先进结构元素和“应力吸收缓冲层”设计理念,提出并实施了“DC-P”结构优化设计方案;再次利用ANSYS方法对其进行分析时,发现该创新结构可有效将熔炼区耐火衬体工作面最大热-结构耦合应力降至8.5 MPa以下,并未在第一、第二转向区出现热应力“双峰”,达到了预期效果。将“DC-P”结构设计方案整体应用于国内某260 t转炉后,该转炉炉衬底角始终保持圆滑过渡形貌,全炉役未现“底角深坑”;与“翻身砖式”炉衬相比,整体炉龄提高36%,平均耐材单耗下降33%,可较好地满足高品质洁净钢冶炼技术需求。本研究提出的“DC-P”式转炉熔炼区耐火衬体结构设计具有良好的推广应用前景。

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基于改进型进气口结构的循环烟罩数值模拟

杨亚朋, 李杰, 郝鑫涛, 杨爱民, 张遵乾

中国冶金. 2024, 34(8): 138-148.
https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20240089

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中国钢铁行业能源消耗巨大,为解决烧结过程中能源消耗高、污染排放量大等问题,对某钢铁企业196 m²烧结机烟气循环系统进行研究,建立三维物理模型,将其作为整个计算域进行模拟仿真。模拟发现在现有生产条件下无任何导流装置的烟气循环罩内,来流烟气速度过大且其聚于一点、进而向外扩散的方式会导致烟罩内产生大量的低速回流区,不利于烟气的均匀分布。通过改进烟气循环罩结构,引入浸入式水口理念并与烧结烟气循环罩有机结合,以实现烟气的分流和均匀分布。结果表明,相较于原烟气循环罩结构,改进进气口结构后,中心来流偏斜度减小了85%,进入烧结料层的最高流速为3.138 1 m/s;烧结料层水平截面的速度方差为0.36,相比于原结构降低了84.1%;改进后的结构消除了烟气偏斜和料面速度过大的问题,烟气循环罩内烟气分布均匀,改进型进气口结构与烧结烟气循环罩协同作用,使得烟气和料层能够更有效的交互,进而得到更高的烧结效率和更少的废气排放。

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丰涵

中国冶金. 2024, 34(8): 149-149.

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苏伟

中国冶金. 2024, 34(8): 150-150.

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钢铁流程多工序协同优化和系统能效提升技术

中国冶金. 2024, 34(8): 151-151.

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清洁环保型热回收焦炉耐材砌筑关键技术及应用

中国冶金. 2024, 34(8): 152-152.

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2024年, 第34卷, 第8期　刊出日期：2024-08-15

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