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轻量化是解决汽车行业大气污染, 实现“碳达峰”“碳中和”的重要途径。锰质量分数为3%~12%的中锰Fe-Mn-Al-C钢因密度低、力学性能优良, 且具备显著的低成本和生产加工优势, 在汽车结构材料领域具有广阔应用前景。基于国内外研究现状系统介绍了中锰Fe-Mn-Al-C低密度钢的强化机制, 总结了不同热处理工艺条件对中锰低密度钢力学性能和变形过程中残余奥氏体稳定性的影响和作用机理。结合研究现状指出目前中锰低密度钢力学性能较传统汽车用钢仍有差距, 尚难满足整车应用需求。聚焦发展历史和研究现状归纳了淬火-配分工艺的特点, 分析了淬火-配分钢的强化机制, 从加热温度、淬火温度、配分温度、配分时间的角度探讨了影响中锰钢力学性能的因素。基于当前中锰Fe-Mn-Al-C低密度钢性能提升的需求并结合其元素组成和微观组织形貌特性, 指出通过淬火-配分工艺可增加中锰Fe-Mn-Al-C低密度钢中残余奥氏体体积分数和稳定性, 进而实现力学性能提升。未来需要关注的研究方向, 一是如何设计合理的Q&P工艺参数避免钢中粗大的κ-碳化物析出, 二是需探究中锰低密度钢中κ-碳化物强化与TRIP效应之间是否存在多元强化机制的协同作用, 三是查清Q&P处理是否会通过影响原始奥氏体晶粒尺寸大小等进而改变相变过程中马氏体组织的不均匀性, 以及不同马氏体亚结构特性对残余奥氏体形核位点和形貌特征的作用规律, 以为该工艺在生产中的普及和优化改进提供参考。
随着球团矿需求量的增大, 越来越多的劣质铁矿资源用于球团生产, 但其经过细磨深选后的铁精矿具有嵌布粒度微细、比表面积大等特点。采用典型的超细铁精矿, 开展了超细铁精矿制备氧化球团的试验研究, 并分析了球团的高温固结行为。结果表明, 对混合矿进行5次高压辊磨预处理, 添加质量分数为1%膨润土A的黏结剂, 在优化后的预热焙烧制度下, 生球落下强度、抗压强度和爆裂温度分别为5.2次、12.71 N和450 ℃; 预热球和焙烧球抗压强度分别为499 N和2 509 N。超细铁精矿球团干燥过程应保持在300 ℃, 此时生球干燥速率大, 球团完全干燥所需时间为3 min。超细铁精矿球团矿的主要矿物为赤铁矿和硅酸盐, 黏结方式以Fe2O3再结晶固结为主, Fe2O3晶粒发育优良, 晶粒间互联程度高, 晶粒互相交织成一个整体, 球团结构紧密均质。
超高纯度(UHP) AISI 316L奥氏体不锈钢是半导体设备部件的关键材料, 采用真空感应熔炼(VIM)加真空自耗重熔(VAR)工艺生产的材料称为A料, 采用氩氧脱碳炉(AOD)加VAR工艺生产的材料称为B料。为了寻找国内生产与进口的超高纯316L不锈钢的质量差距, 选取了不同厂商生产的8种超高纯316L不锈钢A料和B料, 采用金相显微镜、扫描电子显微镜及配套能谱、Thermo-Calc热力学软件开展了夹杂物解析。结果表明, 国内甲厂B料夹杂物密度和面积分数最小, 洁净度最高, 其次为国内甲厂A料、日本进口A料、日本进口B料以及国内乙厂A料; 国内甲厂夹杂物控制水平达到国际先进水平, 采用稀土Ce改质夹杂物, 夹杂物主要为Ce2S3以及Ce2O2S, 日本进口A料和国内丙厂A料夹杂物主要为Al2O3, 美国进口A料较高的Mn含量导致夹杂物主要为MnO·Al2O3和MnS, 国内乙厂A料与日本进口B料采用Mg改质处理, 因此夹杂物主要为MgO·Al2O3和Al2O3, 国内乙厂B料夹杂物主要为大尺寸的Cr2O3和Al2O3。Thermo-Calc 2020b计算冷却过程中夹杂物演变结果与试验结果基本吻合。
铁路运输的重载化和高速化对钢轨材质的洁净度提出了更加严苛的要求。国内某厂生产高速重轨钢的过程中, 存在精炼阶段氧、硫含量控制不稳定的问题, 继而造成钢中非金属夹杂物控制水平不稳定的问题。为了研究重轨钢中氧、硫元素质量分数对氧化物夹杂的影响, 以此厂生产的重轨钢为研究对象, 开展实验室热模拟研究, 调整钢中初始硫和全氧质量分数分别为0.007%~0.016%和0.001 2%~0.004 4%, 统计钢渣反应前后钢中氧化物夹杂数量密度、尺寸和成分的变化规律。结果表明, 随着钢中氧、硫元素质量分数增加, 氧化物夹杂的去除率呈升高趋势, 氧化物夹杂的平均尺寸呈减小趋势。钢厂可在保证渣成分稳定、钢液温度降幅不大且精炼时长稳定的情况下, 改变以往过分追求低硫指标的生产习惯, 利用表面活性元素氧、硫对界面张力的影响, 适当提高LF进站前钢中氧、硫元素质量分数, 可提高氧化物夹杂的去除率, 同时降低夹杂物尺寸。
为实现双相钢材料“素化”, 采用低成本成分设计, 通过2种退火工艺处理, 得到不同的相组成, 从而获得F/M和F/B 2种不同力学性能特征的高强双相钢材料, 并分析了微观组织形貌和力学性能特征。结果表明, F/M双相钢由62%铁素体和38%马氏体组成; 铁素体存在再结晶和取向附生铁素体2种形态, 晶粒平均直径约为3.9 μm, 块状马氏体晶粒直径为0.5~2.5 μm; 其断后伸长率达到17.6%, 而屈服强度及屈强比较低, 分别为588 MPa和0.547。F/B双相钢由40%铁素体、49%粒状贝氏体及11%残留奥氏体组成; 铁素体只存在再结晶铁素体1种形态, 晶粒平均直径约为3.4 μm; 其扩孔率和强塑积均较高, 分别为33%和20.38 GPa·%。不同于F/M钢的微孔长大聚集型断裂, F/B双相钢在三相协调变形作用下强塑匹配性有效提高, 断后伸长率为16.2%, 同时屈服强度和抗拉强度分别达到812、1 258 MPa, 相较于F/M双相钢, 其提高幅度分别达到38.1%和17.0%。F/M双相钢中两相交界处存在较大的界面能级差, 扩孔过程中微裂纹会直接在F/M两相交界处迅速扩展直至断裂; 而对于F/B双相钢, 贝氏体内部岛状组织尺寸不一, 其强度可有效削弱或钝化微裂纹尖端所承受的局部应力作用, 从而提高其扩孔性能, 扩孔率达到33%。研究结果对高强双相钢材料实现高性能以及多用途的设计和制造具有一定的参考意义。
针对ER50-6气保焊丝盘条在拉拔过程中出现的断丝率过高问题, 通过金相显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、CCT曲线热模拟测定等研究方法, 分析了盘条微观组织、断口形貌及相转变规律。研究结果表明, 盘条微观组织均匀性差, 存在轻微混晶及少量贝氏体组织, 致使焊丝拉拔过程中变形能力不协调, 是拉拔断裂的主要原因。基于此, 结合产线装备能力, 对焊丝钢控轧控冷工艺进行优化, 将精轧开轧温度由(880±20)℃提高至(920±20)℃, 风冷辊道冷却速度不高于0.5 ℃/s。工艺优化后, 轧材组织混晶问题得到了解决, 同时避免了贝氏体组织的大量产生, 拉拔断丝率由大于1.2次/t降低至小于0.6次/t, 极大提升了产品市场竞争力。
为研究智能决策对炼铁-炼钢界面铁水温降的影响, 分析了唐钢新区炼铁-炼钢界面铁水罐周转过程, 总结了铁水罐周转过程影响因素, 构建了炼铁-炼钢界面智能决策系统。通过统计唐钢新区KR进站铁水温度指标分布、铁水罐周转各环节时间分布, 分析炼铁-炼钢界面KR进站铁水温度较低的影响环节, 对高炉配罐智能决策单元、尾罐转场智能决策单元和铁水运输调度智能决策单元进行了研究。结果表明, 通过应用炼铁-炼钢界面智能决策系统, 有效缩短了铁水罐周转时间, 尾罐受铁间隔时间中位值缩短了22 min, 尾罐和非尾罐周转各环节时间均得到明显改善。对于KR进站铁水罐整体, 铁水温度超过1 380 ℃的比例提升了4.58个百分点, 达到74.70%。尾罐转场智能决策单元能够有效改善尾罐转场不及时的现状, 对于KR进站尾罐, 铁水温度超过1 380 ℃的比例提高了12.63个百分点。其中, 对于KR进站转场尾罐和未转场尾罐, 铁水温度超过1 380 ℃的比例分别为75.19%和39.41%, 说明智能决策系统可以显著提升炼铁-炼钢界面KR进站铁水罐整体铁水温度。
无缺陷铸坯的生产对于实现连铸-热轧工序的高效衔接、降低能耗和确保热轧生产计划的顺行具有至关重要的作用, 是钢铁企业节能降耗、提升生产效率的重要途径之一。国内某钢厂生产的SCM420H齿轮钢大方坯角部裂纹缺陷频发, 缺陷修复与铸坯再加热不仅给轧制生产计划带来扰动, 还加剧了能量的无效损耗。分析了二冷区各段喷嘴的喷淋水量分布特征, 采用切片法建立考虑连铸坯表面真实水量分布的凝固传热数学模型, 并通过现场红外测温进行模型验证。结果表明, 当前工艺下, 铸坯内弧表面中心最大回温速率为83.54 ℃/m, 满足一般冶金准则要求; 在矫直区铸坯角部温度为705.83 ℃, 落入其第三脆性温度区, 相应的断面收缩率为55.26%, 这是导致铸坯产生角部裂纹缺陷的主要原因。为提高SCM420H钢连铸坯角部质量, 提出提高二冷区“中段水量+末段喷嘴高度”的二冷工艺优化方案。采用优化方案后, 二冷3段、4段铸坯角部内外弧边部24 mm区域喷淋水量所占比例由0分别提升至3.79%、0.68%, 侧弧边部24 mm区域喷淋水量所占比例由1.22%、0分别提升至7.62%、7.07%, 铸坯宽面中心最大回温速率由83.54 ℃/m降低至83.38 ℃/m, 在矫直点处铸坯角部温度由705.83 ℃降低至688.02 ℃, 相应的断面收缩率由55.26%升高至60.42%。所提出的优化方案能够有效预防SCM420H钢角部裂纹缺陷的产生, 可保证连铸-热轧工序之间的高效衔接。
以废木料为原料, 采用水热耦合热解方法制备炼铁用高品质生物质炭, 研究了水热耦合热解工艺参数对制备生物质炭物化属性的影响。结果表明, 水热炭化能够高效脱除生物质原料中水溶性矿物元素, 废木料水热炭中碱金属质量分数为0.032 9%, 达到特低碱度煤的水平。水热过程对挥发分的脱除效果稍差, 废木料水热炭挥发分质量分数为64.83%, 远高于高炉用烟煤和无烟煤的水平, 需要结合热解炭化进一步提升品质。废木料水热炭热解过程挥发分得到了有效脱除, 废木料热解炭(H-PC)挥发分质量分数为4.18%~29.74%, 固定碳含量和热值也得到明显提升, 600 ℃下热解30 min的H-PC热值、质量收得率和能量收得率相对最佳, 分别达到了33.63 MJ/kg、45.18%、61.67%。热解温度对H-PC的物化属性的影响远大于热解时间, 随热解温度和时间升高, H-PC比表面积先增加而后减小, 碳微晶结构逐渐致密, 有机官能团的种类和数量逐渐减少, H-PC样品的芳香化程度逐渐加深。以上系统研究表明, 采用水热耦合热解方法制备的生物质炭能够满足高炉炼铁对固体燃料的性能要求, 热解温度为600 ℃、热解时间为30 min时制备的样品性能与无烟煤接近, 可以作为低碳燃料应用于高炉炼铁生产。发展水热耦合热解炭化技术是实现生物质资源在高炉炼铁工序中高效利用的关键, 该研究可为制备高炉低碳燃料的研究提供参考。
在全球气候变暖和环境治理的大背景下, 针对烧结工序CO排放量大、减排压力紧迫的问题, 阐述了中国烧结CO排放和治理现状。探讨了铁矿烧结过程中CO的产生机理, 揭示了烧结过程中CO生成的主要途径, 包括碳的氧化反应、燃料的不完全燃烧等, 并分析了这些途径对CO排放量的影响。在此基础上, 提出富氢燃气喷加和富氧点火2项关键的CO减排技术, 采用数值模拟和烧结杯试验方法, 考察其对烧结过程CO减排的作用机理和作用效果, 并在中天钢铁烧结机上实施了这2项技术的工业应用。应用结果表明, 通过富氢燃气喷加技术, 可以实现烧结工序CO减排14.8%;通过富氧点火技术, 可以实现烧结工序CO减排5.8%。研究结果为烧结行业的CO减排提供了新的技术途径。
在烧结过程中产生的烧结烟气含有大量NO以及CO, 烟气中的各个组分在热力学与动力学条件合适的情况下, 能够互相反应并放出热量。为了研究烧结烟气在不同条件下发生化学反应的过程中CO与NO质量分数的变化规律, 使用了CHEMKIN软件中的完全搅拌反应器(PSR)模块对反应过程进行建模, 并针对CO和NO质量分数以及系统温度3个指标进行了化学反应路径以及敏感性的分析。研究结果表明, 在反应过程中, 温度、氧气质量分数以及水蒸气质量分数在反应过程中都会对CO和NO质量分数产生影响, 其中温度对降低NO和CO质量分数的影响最大, 水蒸气其次, 氧气质量分数影响最小。
钒钛磁铁矿是一种综合利用价值极高的复合型矿物, 然而高炉冶炼钒钛磁铁矿所产生的含钛高炉渣利用难度较大, 导致炉渣的堆积量越来越大。以攀钢高炉渣为原料、B2O3为改性剂, 利用高温管式炉进行炉渣高温改性试验, 系统研究了B2O3添加量、保温时间、冷却速度3个因素对改性高炉渣中富钛相结晶行为的影响规律, 并利用SEM-EDS、X射线衍射对试验的改性高炉渣进行分析。试验结果表明, B2O3改性剂的添加可以显著促使炉渣中的富钛相由钙钛矿向黑钛石转变, 富钛相黑钛石在改性渣中以块状和长条状晶体的形式存在, 保温时间的延长与冷却速率的减小均有利于改性炉渣中黑钛石晶体的析出、长大。同时, 得到黑钛石结晶的最佳工艺参数, 即当含钛高炉渣中B2O3添加量(质量分数)为6%, 并在1 500 ℃的温度下熔化、再以1 ℃/min冷却至1 300 ℃并保温90 min时, 黑钛石结晶效果最好。该条件下黑钛石的结晶量(体积分数)为26.14%, 晶粒尺寸为180.85 μm。研究结果对含钛高炉渣的资源利用具有指导意义。
随着“碳达峰”“碳中和”对节能减排的迫切需求和废钢产量的不断增长, 高废钢比炼钢技术已经成为转炉炼钢发展的重要方向。某大型钢铁企业将转炉废钢比逐步提高到27.01%, 吨钢废钢消耗达到361 kg, 在铁水资源不足的情况下大幅度提升了钢产量, 较高的废钢比也造成钢铁料消耗快速升高。为了研究高废钢比下钢铁料消耗升高的原因, 寻找解决措施, 有必要针对性开展炼钢工艺分析与研究。随着废钢比的升高, 转炉炉内热量不均衡, 炉内废钢不熔化; 转炉终点氧化性增强, 终渣全铁质量分数从14%升高至19%;冶炼前期低温喷溅率升高7.7个百分点。研究发现, 通过提升铁水目标[Si]质量分数至0.40%~0.50%、铁水罐废钢预热至800 ℃、转炉加增温剂增加转炉热量来源, 调整枪位控制模式、采取少渣冶炼优化转炉操作模式, 减小入炉废钢尺寸14.3%、优化装入制度、探索精炼加废钢多渠道促进废钢熔化, 回收利用炉下渣和连铸铸余减少金属料流失等措施, 遏制了钢铁料消耗升高的趋势, 钢铁料实物量消耗由1 094.5 kg/t降低并稳定在1 088 kg/t以下, 为企业在严峻的市场环境竞争中保持盈利打下了坚实的基础。
铜电解永久不锈钢阴极法因其自动化程度高、生产成本低等优点, 已广泛应用于铜冶炼行业。然而, 诸如悬垂度、短路率及铜析出质量等关键技术指标仍需进一步优化, 才能提升铜电解的电流效率并降低生产成本。因此, 选用316L_2D、JCPMn8_2D这2种材质及圆角、方角导电棒的不锈钢阴极板, 开展不锈钢阴极板的电解试验, 对不锈钢阴极板的铜析出质量、槽电压、阴极板电流、电解前后阴极板电阻、短路率和电流效率等综合性能进行分析。结果表明, 不同结构和材质的不锈钢阴极板电解前后电阻和槽电压变化较小; 不锈钢阴极板选用圆角导电棒不锈钢阴极板并控制基板中的Mn元素含量, 可以改变铜结粒分布范围和尺寸, 其最大结粒尺寸由38 mm缩减至30 mm; 不锈钢阴极板的短路率从27.10%下降至14.38%, 电流效率从90.52%提高至97.60%。研究结果可为选择最佳不锈钢阴极板生产工艺、提高铜电解过程中的电流效率、降低返修成本提供参考。
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