2024年, 第34卷, 第9期　刊出日期：2024-09-15

  

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技术综述
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  高炉含铁炉料高温交互作用研究进展

  丁智锋, 邢相栋, 折媛, 沈正华, 李纪萱, 李惠子, 吕明

  中国冶金. 2024, 34(9): 1-14.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20240225

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  高炉软熔带是保证煤气流合理分布,实现低碳冶炼的关键性因素之一,其位置和形状主要受到含铁炉料的冶金性能及高温交互作用影响。综述了烧结矿、球团矿以及块矿等不同含铁炉料之间的高温交互作用机理、影响因素以及高温交互作用对炉料软熔性能与渣相形成的影响。指出适当调整炉料化学成分和混匀度、优化炉料结构以及改善炉料的还原条件等均能优化含铁炉料间的交互作用,改善炉料的软熔滴落性能和透气性。未来可加强冷压球团、金属化球团和熔剂型球团等优质球团与其他含铁炉料的交互作用机理研究,加深炉料交互作用过程中物相演变及不同含铁炉料的扩散动力学行为的相关性研究,从而为炉料的软熔性能和透气性优化提供参考。
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  特殊钢线材在线等温热处理(QM)技术研究进展

  李阳, 邓铁松

  中国冶金. 2024, 34(9): 15-24.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20240189

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  特殊钢线材在线等温热处理(QM)是指线材吐丝后利用其轧后余热直接在线浸入恒温盐浴槽来控制冷却的新型在线等温热处理技术。QM技术具有冷速快、温域宽的特点,可用于超高强高碳珠光体钢、中碳贝氏体非调质钢和免退火低碳合金钢等特殊钢线材产品。超高强高碳珠光体钢盘条用于制造桥梁缆索镀锌铝钢丝,实现抗拉强度2 130 MPa、扭转次数18次以上。中碳贝氏体非调质钢在不添加贵重合金元素的前提下通过控冷工艺获得全贝氏体组织,满足8.8级紧固件的强度要求,同时可实现1/6冷顶锻不开裂。免退火低碳合金钢经QM处理后,盘条断面收缩率均明显高于传统缓冷工艺,变形能力更高,可实现免退火拉拔加工。QM技术免除了二次热处理并实现了合金元素减量化,“双碳”背景下具有广阔的市场推广前景。介绍了QM工艺流程、技术原理及相关产品的最新研发进展。
专题研究
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  富氢气氛下球团矿还原过程中热态抗压强度

  王宏涛, 朱士鑫, 王寅, 孟庆民, 龙红明

  中国冶金. 2024, 34(9): 25-33.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20240229

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  富氢冶炼和提高入炉球团矿比例是实现低碳高炉炼铁的重要途经。以铁矿氧化球团为对象,研究了还原气氛和温度对球团矿还原过程中热态抗压强度的影响,阐明了不同条件下球团矿热态抗压强度的演变规律。结果表明,等温还原过程中,随着还原气(CO或H₂)浓度的提高,球团矿热态抗压强度均呈现降低趋势,且900 ℃时球团矿热态抗压强度降低幅度明显高于700 ℃时的降低幅度。当H₂体积分数由0增加至40%时,700 ℃还原时球团矿热态抗压强度由865 N缓慢降低至757 N,900 ℃还原时球团矿热态抗压强度由632 N显著降低至29 N。非等温还原过程中,当还原温度由500 ℃升高至900 ℃时,惰性气氛下球团矿热态抗压强度由1 551 N逐渐降低至1 016 N,非富氢气氛下球团矿热态抗压强度由1 495 N降低至244 N,富氢气氛下球团矿热态抗压强度由1 275 N下降至289 N。当温度小于800 ℃时,富氢气氛下球团矿热态抗压强度高于非富氢气氛下球团矿热态抗压强度,当温度大于800 ℃时,富氢气氛下球团矿热态抗压强度略低于非富氢气氛下球团矿热态抗压强度。本研究可为高炉富氢冶炼和大比例球团冶炼提供理论基础与数据支撑。
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  气淬高炉渣珠强化冷却凝固过程数值仿真

  孙瑞靖, 康月, 邵宸, 邢宏伟, 李学东, 刘超

  中国冶金. 2024, 34(9): 34-44.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20240179

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  高炉熔渣强化破碎工艺是利用高速气体混入强化介质将熔渣破碎成渣珠,强化介质的加入能大幅度增大粒化过程中的破碎动能,改善熔渣破碎粒化效果,加大渣珠冷却速率,提高粒化高炉渣珠非晶态含量和高炉渣资源化利用价值。以固态粉状熔渣作为强化冷却介质研究渣珠凝固换热过程,采用流体力学计算方法建立单颗粒渣珠强化冷却二维模型,探究有冷核渣珠和无冷核渣珠的凝固换热温度场、速度场和压力场差异,研究了不同气流速度、渣珠直径和冷核直径对渣珠完全凝固时间和冷却速率的影响规律。结果表明,气淬高炉熔渣液滴在冷核和外部气流共同作用下冷却凝固,强化冷却介质的加入使冷却速率增加;在直径为2.0 mm、相对速度为20 m/s、加入直径为0.5 mm的冷核条件下,渣珠凝固时间较无冷核缩短0.65 s;完全凝固时间随着气流速度的增加、渣珠直径的减小及冷核直径的增大而缩短;冷却速率随着气流速度的增加、渣珠直径的减小及冷核直径的增大而增大。研究结果可为高炉渣高值资源化利用提供理论支撑。
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  Cr12MoV钢铸坯碳化物解析

  郑鹏, 刘松涛, 徐翔宇, 刘斌, 付建勋

  中国冶金. 2024, 34(9): 45-54.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20240212

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  Cr12MoV钢是应用最广泛的冷作模具钢,属于高铬高碳莱氏体钢,钢中碳化物的形态、数量、大小和分布对Cr12MoV钢的性能有重要影响。采用金相显微镜、扫描电镜、夹杂物三维腐刻装置、X射线衍射仪和能谱分析仪对某厂生产的Cr12MoV模铸坯中碳化物类型、形态及分布情况进行解析,使用Thermo-Calc 2020b计算Cr12MoV冷作模具钢的相转变和碳化物析出行为。结果表明,Cr12MoV冷作模具钢碳化物类型为富铬富铁的M₇C₃型碳化物和M₂₃C₆型碳化物,M₇C₃型碳化物所含主要元素为铬、铁、碳、钼,M₂₃C₆型碳化物所含主要元素为铁、铬、钼、碳。铸坯中碳化物形貌主要可以分为4类,颗粒状碳化物、块状碳化物、棒状碳化物、网状碳化物。颗粒状碳化物尺寸为2~5 μm,块状碳化物尺寸为10~15 μm,棒状碳化物尺寸为30~40 μm,网状碳化物由颗粒状、块状、棒状碳化物聚集形成,其尺寸达80 μm。从边部到芯部碳化物形态的演变规律为颗粒状→块状→棒状→网状,边部到芯部碳化物不均匀性逐渐增强,边部碳化物呈颗粒状弥散分布,1/4处碳化物呈长棒状,芯部碳化物偏聚成网状;铸坯从边部到芯部,碳化物的平均等效直径由边部的5.7 μm增加到芯部的8.5 μm,碳化物面积比例由边部的8.2%增长到芯部的9.5%,碳化物的密度由边部的2 961个/mm²下降到芯部的1 189个/mm²。通过解析Cr12MoV钢铸坯中碳化物的类型、形态与分布,寻找碳化物在铸坯中的分布规律,为工厂调控钢中碳化物形态、优化钢的性能提供理论依据。
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  电渣重熔对K4002合金易氧化元素影响

  刘浩杰, 董艳伍, 姜周华, 潘嘉伟, 张阳

  中国冶金. 2024, 34(9): 55-67.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20240156

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  针对K4002合金电渣重熔过程中易氧化元素Hf、Al、Ti的控制问题,以七元渣系CaF₂-CaO-Al₂O₃-MgO-TiO₂-HfO₂-SiO₂为基,通过理论研究和试验研究相结合的方法,利用基于离子-分子共存理论建立的热力学模型探究组元含量变化对Hf、Al、Ti含量的影响,同时通过渣-金平衡试验验证了模型的有效性。研究结果表明,渣中组元含量变化对合金中Ti含量没有明显影响,而对Hf和Al的含量有较大影响。向渣中加入HfO₂可以抑制Hf的氧化烧损,但同时会加剧Al的氧化烧损;升高温度可以抑制Hf的烧损,降低温度可以抑制Al的烧损。渣中组元抑制Hf氧化烧损的能力依次为HfO₂>SiO₂>TiO₂>MgO;CaO质量分数不大于30%时,渣中组元加剧Hf氧化烧损的能力依次为CaO>Al₂O₃>CaF₂,CaO质量分数高于30%时,渣中组元加剧Hf氧化烧损的能力为Al₂O₃>CaF₂>CaO。随着熔渣中钙铝比C/A的增大,平衡时合金中Hf含量先降低后增加,并在C/A=1.2时达到最小值。能够有效降低K4002合金电渣重熔过程中Hf、Al、Ti元素氧化烧损的渣系主要组元的最佳配比为HfO₂质量分数10%~12%、Al₂O₃质量分数20%~25%、CaO质量分数10%~15%。渣-金平衡后合金中S质量分数从22×10^-6降低至7×10^-6以下,表明试验所用渣系均具有较强的脱S能力。研究为电渣重熔K4002合金过程中易氧化元素及杂质元素的控制提供一定的理论指导。
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  管线钢及其连铸坯夹杂物钙处理改性

  刘冀伟, 王伟健, 任英, 代平, 李世良, 张立峰

  中国冶金. 2024, 34(9): 68-77.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20240180

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  管线钢的生产普遍运用钙处理技术,本试验主要探究钙处理程度对钢液以及连铸坯中非金属夹杂物改性的影响。研究结果表明,随着钢液中TCa的质量分数从0.000 5%增加到0.002 0%,钢中非金属夹杂物的平均成分先靠近液相区后远离液相区,并且钢中Al₂O₃夹杂物的质量分数由68.14%减小到48.89%,同时CaO夹杂物的质量分数由21.8%增加到27.8%;连铸坯中非金属夹杂物的平均尺寸从4.02 μm减小到3.83 μm,非金属夹杂物数密度在钢液中TCa质量分数为0.002 0%时为6.61 个/mm²,为最小值。通过Factsage热力学计算得到,管线钢连铸坯中MnS质量分数随着钢液中钙含量的增加由10.65%减小到4.84%,MnS夹杂物的析出温度由1 340 ℃降低到1 220 ℃,热力学计算与工业试验得出的结果有一致性。
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  基于MD探究划痕速率对单晶FeO/Fe断裂的影响

  龚建雄, 周存龙, 樊铭洋, 李兴玉, 王天翔

  中国冶金. 2024, 34(9): 78-85.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20240196

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  氧化皮的断裂行为及力学性能是影响无酸除鳞工艺参数设定的关键因素。通过分子动力学软件Lammps模拟划痕速率对氧化皮断裂行为的影响,从载荷-位移关系、中心对称参数(CSP)、原子堆积、位错、温度、原子位移矢量、径向分布函数等多角度分析不同划痕速率对单晶FeO/Fe界面分离的影响,并对430不锈钢表面氧化皮进行划痕试验验证。模拟结果表明,随着划痕速率从100 m/s增加至200 m/s,划至相同距离时,法向和切向峰值载荷逐渐增加,FeO/Fe界面处紊乱程度逐渐增大,温度升高,FeO层软化,位错长度及数量、原子键合强度等减小,促进了FeO/Fe界面的分离;试验结果表明,随着划痕速率从0.5 mm/min增加至2.0 mm/min,430不锈钢氧化皮断裂临界点提前,从距起始点1.26 mm提前至1.05 mm处,断裂临界载荷和结合强度逐渐降低,临界载荷由0.439 N降低至0.362 N,结合强度由15.2 MPa降低至14.1 MPa,与模拟结果趋势相对应。本研究为掌握氧化皮的断裂机理提供理论支撑、为提高无酸除鳞工艺参数设置的精确性提供重要指导。
生产技术
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  低碱金属膨润土在球团矿生产中的应用

  赵路遥, 刘长江, 乔红梅, 韩英广, 田筠清, 马丽

  中国冶金. 2024, 34(9): 86-94.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20240325

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  降低球团矿中碱金属含量有利于降低高炉碱负荷,因此研究了2种低碱金属膨润土在球团矿生产中的应用情况。研究表明,同样配比条件下,使用2种低碱金属膨润土的球团矿生球落下强度(0.5 m)分别由5.0次提高至5.2次和8.8次,碱金属质量分数分别由基准的0.203%降低至0.142%和0.146%,还原膨胀指数分别由基准的13.8%降低至11.9%和12.7%,低温还原粉化指数IRD, >6.3 mm、IRD, >3.15 mm和IRD, >0.5 mm均有向好趋势。利用其中1种低碱金属膨润土在某钢厂球团矿生产中进行工业试验,结果表明,配加低碱金属膨润土球团矿碱金属质量分数降低0.055个百分点,抗压强度变化不大,还原膨胀指数有降低趋势。在球团矿生产中应用低碱金属膨润土,有利于降低球团矿中碱金属含量,对高炉正常冶炼和高炉长寿均有积极作用。
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  5 500 m³高炉低渣比冶炼下的炉渣黏度试验与分析

  李宏伟, 陈艳波, 霍吉祥, 纪鹏飞, 郭宏烈, 邓勇

  中国冶金. 2024, 34(9): 95-102.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20240374

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  某大型钢铁公司5 500 m³高炉采用高比例球团冶炼后,渣铁比由300 kg/t左右下降到220 kg/t左右,也带来了高炉脱硫能力减弱、铁水中硫升高、炉渣排碱能力下降等问题。根据5 500 m³高炉渣系特点,通过试验研究低渣比条件下炉渣中的碱度、MgO、Al₂O₃、MnO、TiO₂及温度对炉渣黏度性能的影响,从而为高炉生产提供更好的技术支撑。结果表明,炉渣碱度升高,液相线温度升高,但当温度高于1 375 ℃后,炉渣黏度随着碱度的升高呈现逐渐降低的趋势,且温度越高碱度对黏度影响程度越大;随着MgO含量增加,黏度呈现逐渐降低的趋势,但液相线温度变化不大;随着Al₂O₃含量升高,黏度呈现升高趋势,且当Al₂O₃质量分数升至16%以上时,黏度显著升高,而液相线温度随着Al₂O₃含量的增加而升高;随着镁铝比升高,熔化性温度下降,炉渣黏度呈降低趋势,但在同等镁铝比条件下,低铝的炉渣性能更佳;MnO质量分数在1.0%以下时,炉渣的黏度随着MnO含量的增加而逐渐降低;TiO₂质量分数在5%以下时,炉渣的黏度随着TiO₂含量的升高呈下降趋势。此外,通过对3座高炉现场渣样分析,证实炉渣黏度控制在0.30~0.50 Pa·s时,炉渣具有较好的性能,且炉渣黏度越低越能获得较好的经济指标。
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  各类型夹杂物对轴承钢疲劳失效的作用与评价

  陈峰, 汪峥, 童忆, 罗海文

  中国冶金. 2024, 34(9): 103-112.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20240144

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  夹杂物是影响轴承钢疲劳性能的重要因素。以国产超洁净GCr15轴承钢为研究对象,通过ASPEX扫描电镜对钢中氧化夹杂物、氧硫复合夹杂物、硫化夹杂物及TiN夹杂物4类夹杂物进行检测统计,并使用极值分析方法中的极值(SEV)法和广义Pareto分布(GPD)法分别预测钢中这4类夹杂物的最大特征尺寸;另外,通过旋转弯曲疲劳试验来发现引起疲劳失效的夹杂物。将这2类方法所得结果进行对比分析,发现氧硫复合夹杂物引起的疲劳失效最多,且通过旋转弯曲试验检测到的引起疲劳裂纹的该夹杂物最大尺寸与GPD法的预测值更接近;虽然硫化夹杂物尺寸最大、数量最多,但未在疲劳断口上观察到,说明单一硫化物对疲劳断裂的危害最小;尽管TiN夹杂物数量稀少,但是依然可观察到其导致的疲劳失效,说明TiN对疲劳性能的危害很大;未观察到氧化夹杂物引起的疲劳失效,且检测到的氧化夹杂物最大尺寸约为10.7 μm、GPD法预测的最大特征尺寸约为12.4 μm,这说明单一氧化夹杂物不具有疲劳危害性的临界尺寸可能为10.7~12.4 μm。研究结果为GCr15轴承钢疲劳性能的改善提供了理论指导。
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  配炭模式对超低碳连铸保护渣烧结特性的影响

  朱立光, 刘瑶, 王杏娟, 袁志鹏, 朴占龙

  中国冶金. 2024, 34(9): 113-121.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20240139

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  低碳不锈钢生产过程中普遍存在增碳现象,严重影响生产稳定性。某厂生产430不锈钢过程中铸坯出现严重质量问题,采用进口粉末型超低碳保护渣有效解决了这一难题,但又出现渣圈发达问题。针对这一难题,以进口粉末型超低碳保护渣为基础渣系,结合全自动熔点熔速仪设备开展熔化速度试验,剖析进口粉末型超低碳保护渣配炭模式,利用厢式电阻炉设备研究其烧结特性,并优化配炭模式,得到与基础渣系具有相同理化特性且烧结率较低的保护渣。研究发现,当中超炭黑与粗粒度鳞片石墨质量分数比为1:3时,保护渣平均熔化速度为58.6 s,700~1 000 ℃下烧结率为53.47%~85.71%,与基础渣系的熔化速度相近;当中超炭黑与390石墨质量分数比为4:1时,保护渣平均熔化速度为58.4 s,700~1 000 ℃下烧结率降低了19.96~39.64个百分点;优化配炭模式后炭黑含量(质量分数)增加1.58个百分点,石墨粒径降低了102.5 μm,同时比表面积也增加了186.547 m²/kg,保护渣烧结过程中的固相反应温度提高了100 ℃,烧结率显著降低。研究结果为超低碳连铸保护渣的开发提供了基础数据和理论支持。
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  风电齿轮钢超声探伤缺陷的形成原因分析

  俞杰, 申文君, 李占春, 李义龙, 张云天, 成国光

  中国冶金. 2024, 34(9): 122-131.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20240238

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  超声波探伤是大规格风电用齿轮钢的缺陷检测手段之一,而探伤缺陷的出现意味着使用性能的不合格。为了改善风电齿轮钢中超声探伤缺陷频出的问题,探究了这种缺陷的形成原因。通过缺陷观察和精炼过程取样分析,明确了缺陷的类型和形成阶段。再结合热力学计算得出缺陷夹杂物的形成原因,并提出工艺改进措施。结果表明,这些探伤缺陷是由固态的镁铝尖晶石与液态的CaO-MgO-Al₂O₃-SiO₂夹杂物聚集而成的大尺寸夹杂物,且外围附着少量CaS,尺寸为30~100 μm。缺陷夹杂物的主体是CaO-MgO-Al₂O₃-SiO₂夹杂物,而该夹杂物源自VD过程产生的高SiO₂含量的CaO-MgO-Al₂O₃-SiO₂夹杂物。分析发现,VD过程钢液中过低的[Al]含量是高SiO₂含量的CaO-MgO-Al₂O₃-SiO₂夹杂物形成的根本原因。由于[Al]含量过低,钢液中的[Si]将夹杂物中的Al₂O₃还原,形成高SiO₂含量的CaO-MgO-Al₂O₃-SiO₂夹杂物;随着钢液中[Al]含量重新升高,夹杂物中的SiO₂被部分还原,但是仍然有高SiO₂含量的CaO-MgO-Al₂O₃-SiO₂夹杂物残留。提高VD过程钢液中的[Al]质量分数至0.010%以上是减少高SiO₂含量的CaO-MgO-Al₂O₃-SiO₂夹杂物出现的合理措施,从而可以达到有效降低风电齿轮钢中探伤缺陷出现率的目的。
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  1 300 MPa级中厚板的奥氏体连续冷却行为及淬透性分析

  朱海宾, 赵燕青, 石帅, 黄新贵, 王学敏

  中国冶金. 2024, 34(9): 132-141.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20240186

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  超高强中厚板因其超高的强度、良好的塑韧性以及焊接性能被广泛应用于工程机械以及工业防护领域。为研究1 300 MPa级中厚板的奥氏体连续冷却行为及淬透性高低,通过热模拟试验研究了试验钢在奥氏体连续冷却过程中的组织演变、硬度以及几何必须位错密度变化规律并绘制了CCT(Continuous Cooling Transformation)曲线,通过端淬试验测定了试验钢的淬透性,并依据上述试验结果进行了中试试验。研究结果表明,随着冷速增加,试验钢组织由铁素体+粒状贝氏体逐步转变为贝氏体+马氏体,硬度和几何必须位错密度不断增加;当冷速大于5 ℃/s后可得到全马氏体组织,此时硬度和几何必须位错密度趋于稳定,进行调质处理时的淬火冷速宜控制在5~10 ℃/s。试验钢的淬硬层深度约为30 mm,淬透性优异、可满足30 mm及以下中厚板的淬透性要求。30 mm厚中试试验钢经850 ℃淬火+180 ℃回火的调质处理后形成回火马氏体组织,其屈服强度为1 328 MPa、抗拉强度为1 684 MPa、伸长率为13.4 %、-40 ℃冲击功为24.3 J,达到1 300 MPa级超高强钢水平,更高的位错密度和大角度晶界密度是其拥有高强度和良好塑韧性的主要原因,为试验钢的后续热处理工艺制定提供了依据。
冶金科技英才
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  徐大可

  中国冶金. 2024, 34(9): 142-142.

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冶金科学技术奖
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  分层供热低碳富氢烧结技术的研发与应用

  中国冶金. 2024, 34(9): 143-143.

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  特高压及新能源装备用超薄取向硅钢开发与应用

  中国冶金. 2024, 34(9): 144-144.

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