钢铁研究学报杂志

钢铁研究学报杂志2025年第2期

• 钢中典型残余元素危害及其控制技术的研究进展

  王艳平, 胡绍岩, 王德永, 姜云轩, 周兴磊, 李永康

  随着中国“碳达峰、碳中和”战略的提出与实施,冶金行业面临着巨大的碳减排压力。相比于传统高炉-转炉炼钢,电炉炼钢碳排放更低,是近零碳排放炼钢的重要途径之一。电炉炼钢的主要原料是废钢,其含有的残余有害元素,如铜、锡、砷、锑等对生产流程的顺利进行以及钢铁产品的最终性能有着重要影响。综述了典型残余元素的来源及控制标准、危害机制、脱除及减害控制方法等方面的研究进展。残余元素在钢液凝固过程中产生溶质凝固偏析容易产生内部裂纹,在晶界的偏聚行为使晶界强度下降会导致钢的热塑性变差,或造成第二类回火脆性,此外在钢基体和氧化层之间的富集也会造成表面热脆。配料稀释法作为工业生产中控制残余元素危害的主要手段,成本高且不能从根本上解决残余元素问题。而添加抑制元素如硼、稀土等可以生成残余元素化合物上浮去除,或形成竞争偏聚,降低残余元素危害。

• 基于火焰特征提取和PSO-ELM算法的转炉碳温预测

  张强, 杨勇, 戴雨翔, 赵博, 林路

  转炉炉口火焰的颜色和纹理与转炉碳含量及温度存在密切的联系,通过火焰特征提取和神经网络模型预测转炉碳温为转炉终点控制提供了新的思路。基于转炉炉口火焰光谱数据集以及PSO-ELM神经网络建立了转炉碳含量及温度预测模型。针对原始光谱中含有较多的噪声、杂散光等问题,采用小波算法对光谱数据集进行降噪处理。由于炉口火焰光谱数据量大,冗余信息较多,采用Skowron差别矩阵的属性约简算法从给定的2 048维波长数据中找到对决策结果具有显著影响的8个特征指标。通过计算8个特征指标的MIC系数,证明所选指标具有独立性与非共线性,避免了因为指标之间高度相关导致建模不稳定以及过拟合的风险。基于PSO-ELM算法建立了预测模型,针对ELM在初始化时随机产生输入权值和隐含层阈值的缺陷,采用粒子群算法进行了优化。通过将PSO-ELM模型应用到转炉碳温的预测中,实例验证表明该模型在碳温预测上的精度较高,预测效果良好,适用于转炉碳温预测,有较好的工程应用前景。

• 面向转炉炼钢终点碳含量预测的多方向加权复杂网络火焰图像纹理特征提取模型

  刘建勋, 刘辉

  转炉冶炼过程中,对熔池中钢水的碳含量进行精确预测是终点预报技术的核心环节。然而,如何通过解析炉口火焰特性与终点碳含量之间的深层联系,以实现更精准的预测,仍是当前面临的挑战。针对火焰纹理在不同碳含量下呈现不规则性且具有高度相似性的问题,提出了一种多方向加权复杂网络的彩色纹理特征提取模型。该模型利用滑动窗口选出了中心点的邻域顶点以构建邻域关系,利用顶点对之间的色彩距离构建了加权边,从而构建出细致彩色纹理和区域彩色纹理复杂网络,最后用网络顶点度分布特征量化网络特性得到彩色纹理特征描述符,与提取的色彩特征结合得到火焰特征描述符,通过回归模型预测终点碳含量。通过对转炉炼钢实际生产数据的实验研究验证了所提方法的有效性。

• 钙线喂入量对Q355含钛铝镇静钢洁净度的影响

  张雅辰^1,2, 邓志银^1,2, 刘晓峰³, 朱苗勇^1,2

  为了进一步探究钙处理的影响,在国内某钢厂Q355含钛铝镇静钢精炼过程开展工业试验,通过调整喂钙线量研究不同Ca添加量对钢中非金属夹杂物以及洁净度的影响。结果表明,精炼过程夹杂物会向液相CaO-Al₂O₃夹杂物演变,不同钙线喂入量不会影响夹杂物的演变趋势。钙处理后钢中全氧含量升高,夹杂物平均尺寸减小,但会导致钢中大尺寸CaO-Al₂O₃夹杂物出现的频率增加,同时也加剧了耐火材料的侵蚀与剥落。在保证钢液可浇性的前提下,尽可能减少喂钙线量对钢液洁净度是有利的。如果没有钢液可浇性问题,甚至可以考虑取消钙处理。

• 储氢用奥氏体不锈钢设计及抗氢脆性能研究

  毛蓝宇, 骆宗安, 范明荣, 黄昶, 周政启, 王明坤

  发展高压储氢材料已成为推进我国氢能建设的关键目标。奥氏体不锈钢(Austenitic Stainless Steel,ASS)由于具有良好的氢脆抗性、成形性和低温韧性被认为是高压储氢容器的优良候选材料。然而,传统ASS中贵金属含量过高,因而不具备大规模应用的经济性条件且ASS的低强度也会造成安全隐患。为此,采用热力学相图计算方法设计了一种ASS(命名为NEASS),并采用慢速率拉伸和多种微观表征方式评价了其抗氢脆性能。结果表明,NEASS的强度和抗氢脆性能比现有的316L不锈钢高出约15%和70%,其在充氢后的变形过程中展现出特殊的多向滑移机制,缓解了局部应力集中现象,从而有效阻碍了氢致裂纹萌生和氢致断裂失效的发生。

• 回火温度对抗硫油井管用钢组织及力学性能的影响

  白金鹏¹, 刘海春², 周家祥³, 梁小凯¹, 孙新军¹, 贾书君¹

  通过660~740 ℃不同温度的回火实验,研究了回火温度对低合金抗硫油井管用钢组织及力学性能的影响规律,采用OM、SEM、TEM等方法对试验钢的微观组织及析出相进行表征,同时采用物理化学相分析法对析出相进行定量分析,并对多种强化机制进行综合计算。结果表明:随着回火温度的升高,基体中位错发生回复,位错密度显著降低,位错强化增量降低近70 MPa,而在740 ℃回火时温度进入两相区,回火后出现新鲜马氏体组织,位错密度明显提高;马氏体板条出现合并宽化,同时马氏体块发生粗化现象,细晶强化增量降低约40 MPa;固溶强化增量总体呈现先下降再上升的趋势,结合相分析结果分析发现,这是由于在700 ℃时M₃C相析出量达到峰值,此温度下固溶强化增量下降约100 MPa。

• 不同铁素体形态的FB双相钢的扩孔性能和原位拉伸实验研究

  叶校瑛¹, 刘杰¹, 温欣¹, 蒋波², 曾艳¹

  通过对C-Si-Mn-Nb-Ti体系的双相钢进行控轧控冷实验,分别获得了具有多边形铁素体组织和具有针状铁素体组织的铁素体贝氏体(FB)双相钢。在扩孔实验和SEM原位拉伸实验中,具有针状铁素体组织的FB双相钢表现出了更高的扩孔率、屈服强度、抗拉强度和伸长率。在塑性变形过程中,针状铁素体组织中形成的显微孔洞更加细小和分散。由于针状铁素体细小且交错分布,有效地降低应力集中,因此在应力传导过程中导致新的、微小的孔洞生成,可以有效地阻止宏观裂纹的扩展。因此具有针状铁素体组织的FB双相钢具有更低的缺陷敏感性和更好的成形性能。

• 渗碳齿轮轴承钢扭转疲劳性能及快速评价研究

  方彬^1,2, 许自宽², 杨卯生³, 王斌², 张鹏², 张哲峰²

  齿轮和轴承是机械设备中的2种关键零件,常因疲劳而断裂失效,其疲劳强度是关键性能指标。通过对4种渗碳层深度BG801齿轮轴承钢的扭转疲劳行为进行研究,明确渗碳齿轮轴承钢的疲劳开裂机制,并在其基础上构建疲劳强度快速评价方法。结果表明:BG801齿轮轴承钢渗碳层组织主要为马氏体和大量呈长条状或椭球状的碳化物;其疲劳开裂由大尺寸碳化物团簇的解理开裂引起,裂纹萌生平面与加载轴向成45°,由正应力主导。据此提出一种快速评价渗碳齿轮轴承钢疲劳强度的方法,可以通过高应力短寿命样品来预测长寿命条件下的疲劳强度。对于本文的研究材料,预测误差在10%左右,且偏于保守。

• Ni对Q690qENH耐候桥梁钢在模拟工业大气中腐蚀行为的影响

  程鹏, 周庆军, 白会平, 黄先球, 庞涛, 李江文

  为研发和推广应用新型耐候桥梁钢,采用周浸加速腐蚀实验和电化学测试方法,结合扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、电子探针(EPMA)和X射线光电子能谱(XPS),研究了Ni对Q690qENH耐候桥梁钢在工业大气环境中腐蚀行为的影响。结果表明,Ni的添加可以提高Q690qENH钢在工业大气环境下的耐蚀性。添加Ni可以提高Q690qENH钢的自腐蚀电位,增大锈层电阻。Ni在锈层中均匀分布,主要以NiFe₂O₄的形式存在。NiFe₂O₄一方面提高了锈层的离子选择性,阻挡了SO₂向基体渗透;另一方面促进了锈层中γ-FeOOH向α-FeOOH的转化。随着Ni质量分数从0.31%增加到0.52%,锈层中S的富集量明显减少,Q690qENH钢的锈层保护指数<i>α/γ</i>^*值增大,腐蚀速率降低,耐蚀性提高。

• 2507双相不锈钢中铝含量对氧含量及夹杂物的影响

  赵浩恩, 成国光, 鲍道华, 周孟杰, 张涛

  为了探究2507双相不锈钢中铝含量对氧含量及夹杂物影响,使用实验室真空感应炉熔炼不同Al含量的钢锭,检测钢中的O含量,使用扫描电镜和能谱仪观察夹杂物的形貌、成分及尺寸,对实验结果进行了分析统计,并利用FactSage软件计算Al含量对夹杂物种类与含量的影响。在Al含量对O含量影响的研究中发现,钢中O含量先随Al含量的增加迅速降低,并逐渐转变为随Al含量的增加而升高,在Al质量分数为0.1%~0.3%时,O质量分数保持在0.001%左右。在Al含量对夹杂物影响的研究中发现,Al_t质量分数小于14×10^-6时,钢中Al的含量不足以生成Al₂O₃类夹杂物,钢中Si、Mn和Cr元素会与O反应生成SiO₂-MnO-Cr₂O₃类夹杂物。当Al_t质量分数达到44×10^-6时,钢中除了SiO₂-MnO-Cr₂O₃类夹杂物外,还开始出现聚集的Al₂O₃类夹杂物,同时,观察到由于Al不足而未被Al完全还原的SiO₂-MnO-Cr₂O₃类夹杂物。当Al_t质量分数高于98×10^-6时,此时钢液中的Al足以将SiO₂-MnO-Cr₂O₃类夹杂物全部还原,观察到钢中夹杂物全部为Al₂O₃类夹杂物。另外,统计了不同Al含量下钢中夹杂物尺寸,发现当钢中Al含量较低时,SiO₂-MnO-Cr₂O₃类夹杂物的平均尺寸大于Al₂O₃夹杂物的平均尺寸;而随着钢中Al含量的不断升高,Al₂O₃夹杂物的最大尺寸和平均尺寸都逐渐增大。根据热力学计算的结果,为了获得较低O含量及及较小夹杂物尺寸的2507双相不锈钢,需要将钢中铝质量分数控制在72×10^-6以上。

• 低压渗碳工艺对超高强钢硬度与组织的影响

  辛昕¹, 魏云轩², 张宇宇², 高一帆², 曾西军¹, 王振强²

  低压渗碳技术用于第三代超高强齿轮钢表面处理时会存在碳化物聚集、奥氏体软层、渗层质量与渗层厚度矛盾等工艺问题。研究了引入“二次渗碳”工艺对1 900 MPa级航空用低压渗碳齿轮钢的渗层质量、硬度与显微组织的影响。利用SEM、XRD、EPMA、EBSD和TEM等方式对渗层至芯部组织进行了精细表征。结果表明,引入“二次渗碳”工艺后,渗层无网状碳化物,整体碳含量增加,渗层硬度提升约20 HV,相同深度位置的微米级块状或条状富Cr碳化物增多,且位于表层的碳化物类型由M₂₃C₆为主转变成M₇C₃为主,亚微米尺寸M₆C球形碳化物略微减少,亚微米M₂₃C₆、纳米MC及M₆C碳化物大量生成。同时渗碳外壳层变厚,过渡层变窄。此外,“二次渗碳”试样芯部的硬度略微降低,原因是位错密度降低所致。

• 海洋平台用中锰钢气保焊接头组织与性能分析

  齐祥羽^1,2, 严玲^1,2, 王东旭³, 杜林秀⁴

  为研究海洋平台用低碳中锰高强钢的焊接性能,对试验钢板进行了对接焊实验,借助拉伸试验机和摆锤冲击试验机分别检测了焊接接头的室温拉伸性能和低温冲击韧性。结果表明:试验钢板焊接接头拉伸试样于母材处断裂,焊缝金属强度高于母材;焊缝金属、粗晶热影响区、细晶热影响区、临界热影响区和母材各个区域的维氏硬度平均值分别为324 HV、379 HV、402 HV、353 HV和278 HV。由于马氏体组织的强化作用,热影响区中各亚区与母材相比均为局部硬化区。焊缝中心、熔合线、熔合线外侧1 mm、熔合线外侧3 mm和熔合线外侧5 mm处的-40 ℃低温冲击吸收功分别为67、46、51、70和92 J。焊缝的显微组织由大量纵横交错、彼此咬合的针状铁素体和少量高密度大角晶界的多边形铁素体组成,提高了裂纹形成功和裂纹扩展功,因而焊缝具有较高的低温冲击韧性。熔合线处存在微观组织突变,显微组织是由板条马氏体、针状铁素体和少量粒状贝氏体组成的混合组织。粗晶热影响区的再结晶晶粒尺寸粗大,大角晶界密度较低,在一个马氏体板条块内部存在大量相互平行的粗大马氏体板条,降低了裂纹扩展阻力,从而恶化了低温韧性。

• 利用钢渣制备钙基CO2循环吸附材料

  刘军¹, 李宇蒙¹, 曹志众¹, 刘玉峰¹, 陶梦洁^2,3, 赵青^2,3,4,5

  “碳中和2060”背景下研究钢渣碳捕集应用的意义不言而喻。为提高钢渣资源的综合利用,减少钢铁冶炼过程排放的CO₂,采用湿法浸出技术提取了钢渣中的Ca、Mg组元,针对获得的Ca-Mg-Si-Al体系,开展了利用化学共沉淀法、溶胶-凝胶法和水热合成法3种方式制备CO₂吸附剂的实验研究,通过XRF、XRD、SEM、BET等检测手段对吸附剂的物化特性及循环吸附性能进行了表征分析。结果表明,与其他2种方法相比,化学共沉淀法在50 ℃、pH=10和陈化时间2 h条件下制备的吸附剂具有较高的初次吸附容量,为0.258 g/g。制备方式不同,CO₂吸附剂循环吸附性能表现出不同规律。化学共沉淀法制备的CO₂吸附剂吸附容量随循环次数增加呈下降趋势,水热合成法制备的CO₂吸附剂,呈先增高后降低的趋势。