钢铁研究学报杂志

钢铁研究学报杂志2025年第3期

• 高温合金涡轮叶片损伤修复技术研究进展

  王志成^1,2, 秦海龙^1,2, 周海晶^1,2, 乔立捷³, 冯可云³, 郝琛³, 袁晓飞^1,2, 谢锦丽^1,2, 毕中南^1,2

  高温合金涡轮叶片是航空发动机和地面燃气轮机最关键的热端部件之一,其长期工作在复杂的温度场、应力场及燃气腐蚀环境下,易出现多种类型的损伤。如果将仅存在微小损伤的叶片直接报废处理,将会显著增加航空发动机和地面燃气轮机的维护/维修成本,造成资源的极大浪费,因此开展高温合金涡轮叶片损伤修复技术研究对于降低高温合金涡轮叶片修复制造成本具有重大意义。首先阐述了涡轮叶片损伤修复技术研究的必要性,其次对高温合金涡轮叶片的主要损伤形式进行了分类总结,包括表观损伤和内部冶金组织损伤。对目前各种修复技术进行了总结,包括焊接修复技术、激光熔覆修复技术、激光成形修复技术和恢复热处理技术等,分析了各种修复技术的发展情况、优劣及其适用性;最后对未来高温合金涡轮叶片损伤修复技术的发展方向进行了展望。

• 取向电工钢生产技术进步与发展

  储双杰^1,2, 周博皓^1,2, 潘振东^1,3, 毛博¹

  取向电工钢(Grain Oriented Electrical Steel, GOES)是现代电力能源系统建设的重要基础材料之一,在高效能输变电中发挥着至关重要的作用。由于其制备过程复杂、装备功能精度要求高且工艺控制难度大,实现高性能取向电工钢的生产需要在制造装备及工艺技术方面同步取得重大突破。阐述了取向电工钢在成分设计、显微组织控制及加工工艺等全流程中的技术进展和发展水平。具体分析了取向电工钢中各类合金元素的作用及实现目标成分的关键制备技术;总结了其在轧制和热处理过程中的显微组织演变规律;探讨了轧制和热处理过程中关键工艺参数对显微组织的影响;并概述了关键后加工涂层和磁畴磁化技术的特点。最后结合取向电工钢发展面临的严峻挑战,阐明了该领域未来的研究方向和发展趋势。

• 工业化生产生物质水热炭高炉混煤燃烧性能研究

  王广伟¹, 李海波¹, 吴君毅¹, 孙国军¹, 宁晓钧¹, 王川²

  高炉喷煤技术是降低炼铁生产成本和提升高炉冶炼效率的主要措施。生物质作为一种可再生的低碳能源,将其用于高炉 (Blast Furnace, BF)喷吹工序是实现低碳炼铁的关键技术之一。以3种工业化生产的生物质水热炭为研究对象,探究了低品质生物质燃料水热提质产物应用于高炉喷吹的可行性。结果表明:生物质水热炭具有较高的挥发分含量和较低的发热值,橘子皮和橄榄渣水热炭具有较低的灰分和碱金属含量,可以作为烟煤的替代物进行高炉喷吹。生物质水热炭混煤实验表明,生物质水热炭具有强爆炸性,无烟煤与生物质水热炭混合能够有效抑制爆炸性。当生物质水热炭的配加比例小于20%时,混合样品无爆炸性。生物质水热炭具有较低的着火点和优良的燃烧性能,随生物质水热炭掺混比例的增加,混合样品着火点降低,燃烧曲线向低温区移动,燃烧性逐渐得到改善。研究表明,以橘子皮和橄榄渣为原料生产的生物质水热炭可以作为高炉喷吹燃料使用,混煤中生物质水热炭添加比例控制在20%以下为宜。

• 煤中高挥发分促进Fe3O4非等温还原动力学机制研究

  杨永坤, 王冠杰, 周欣, 申雯婷, 王伟安, 王国华, 李小明

  随电炉炼钢的发展,对于直接还原铁的需求也将增加,使用煤低温还原优选磁铁矿是直接还原铁的重要来源。为了研究煤中高挥发分对直接还原Fe₃O₄的促进机制,使用气相色谱仪和热重-质谱联用装置分析了广汇煤热解气体成分与热解特性,采用非等温热分析方法对活性炭与广汇煤还原Fe₃O₄进行了研究,利用FWO、KAS、Starink 3种方法计算了反应活化能,使用Satava-Sestak法拟合反应模型,着重比较了活性炭与广汇煤还原Fe₃O₄的动力学机制差异。结果表明:广汇煤的干馏煤气组成主要为H₂、CH₄、CO和CO₂,在还原温度区间H₂体积分数可达55%、CO体积分数可达25%,为Fe₃O₄的还原提供了良好的气氛条件;活性炭还原温度区间在980~1 140 ℃,初始阶段活化能为319.66 kJ/mol,而广汇煤还原温度区间为680~1 030 ℃,初始阶段活化能为288.62 kJ/mol,表明广汇煤中挥发分在还原过程中起到了促进作用,显著降低了还原温度及活化能。

• 基于工业生产料层解析的超高料层低碳烧结技术

  徐良平¹, 阳习端^1,2, 赵玉潮^1,3, 熊林^1,4, 张铁梁⁵, 钟强¹, 李光辉¹, 姜涛¹

  超高料层烧结是钢铁行业减碳的重要措施,但随着料层高度增加,产品质量严重不均,对高炉冶炼产生不利影响。通过对10余台料高不小于900mm的烧结机台车取样分析发现,烧结矿质量不均主要体现在台车纵向、横向及台车间,其根本原因在于台车上混合料粒度、成分和热量的不合理,无法实现均质成矿。针对以上问题,研究构建了均质烧结理想料层结构,开发出基于液相成分调控的优化配矿技术、强化混匀制粒技术、混合料仓-台车协同布料技术、风量重构烧结技术等,通过优化烧结液相成分范围,调控料层液相生成与热量相匹配,提高热量与风量的利用效率,实现均质成矿。系列技术实施后,烧结固体燃耗降低1.2~7.9kg/t;烧结矿转鼓强度提高3%~6%、极差减少至5.08%;烧结矿冶金性能改善,RDI_+3.15mm提高10%、RDI_-0.5mm极差减小至1.99%;高炉利用系数提高,每吨铁燃料比最高降低6.58kg/t。

• MgO对红土镍矿高炉冶炼渣流动性及热稳定性的影响

  任奕泽, 邢相栋, 吕明, 蔺旭辉, 余志恒, 王保荣, 郭鹏辉

  研究了MgO对红土镍矿冶炼渣黏度及熔化性温度的影响,并结合红外光谱和拉曼光谱分析熔渣结构特征,计算炉渣热焓及极限热值,明确了MgO对红土镍矿高炉冶炼渣性能的影响机制。结果表明,红土镍矿冶炼渣的黏度随着渣中MgO的增加而降低,熔化性温度略微升高。熔炼温度高于1 450 ℃时,黏度均低于1.0 Pa·s,展现出良好的流动性。炉渣热容、焓变以及极限热值均随MgO含量的升高呈逐渐升高的趋势。MgO能够增加渣中<i>Q</i>⁰单体和<i>Q</i>¹二聚体结构单元,明显降低<i>Q</i>²链状和<i>Q</i>³片状结构单元,且在实验研究范围内,炉渣网络聚合度(NBO/Si)平均数随MgO含量增加从1.79增大至2.06,炉渣结构变简单,流动性改善。MgO不仅能够有效改善红土镍矿高炉冶炼渣的流动性,也能够提高红土镍矿冶炼渣的热稳定性。

• 基于POD正交分解和BPNN神经网络的钢包底吹精炼快速预测模型

  聂忠赋^1,2, 代威^1,2, 贾琪^1,2, 贺铸^1,2, 李光强^1,2, 王强^1,2

  为满足实时获取钢包底吹精炼三维流场数据的需求,建立了一种基于计算流体力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)和本征正交分解(Proper Orthogonal Decomposition, POD)的钢包底吹三维流场快速预测模型。通过建立钢包底吹数值模型和水模型对其进行了模拟计算和实验,并建立了钢包单底吹的三维流场数据集,采用POD方法对数据集进行了模态与模态系数提取,通过反向传播神经网络(Back Propagation Neural Network, BPNN)构建了工况参数与模态系数间的映射关系,实现了对未来时刻钢包底吹内速度场和三相体积分数的快速预测。结果表明:所建立模型可以通过少量模态重构出钢包内流场的主要特征。POD-BPNN预测模型的计算结果准确率较高,计算结果平均相对误差均在4%以内。模型计算速度快,获取钢包内流场的平均计算时间由CFD全阶模拟所需的约246 h减小至快速预测模型所需的约54.6 h。

• CO2-CO气氛对3.5%Si硅钢脱碳效果影响

  钱娜, 艾立群, 洪陆阔, 孙彩娇, 周美洁, 佟帅, 孙伶艳, 陈建松

  采用短流程工艺,用CO₂-CO气氛制备超低碳硅钢,试验以厚度为0.5 mm Fe-0.1%C-3.5%Si(质量分数)合金薄带为研究对象,通过热力学软件计算Fe-C-Si合金薄带的热力学平衡相图,开展在CO₂-CO气氛下固态脱碳试验。结果表明:温度在800~1 300 ℃、<i>P</i>_CO₂/<i>P</i>_CO(CO₂、CO分压比)的值低于0.22时,合金薄带表面优先生成SiO₂;表面XRD物相分析与热力学结果分析作对比,其结果基本一致。当<i>P</i>_CO₂/<i>P</i>_CO=0.08时,脱碳10 min后,碳质量分数为0.005 97%脱碳效果较佳;脱碳温度1 150 ℃,脱碳25 min后,碳质量分数为0.002 62%,脱碳效果较好,符合超低碳硅钢的碳含量的要求;Fe-0.1%C-3.5%Si 合金薄带厚度越薄,脱碳速率越快,氧化层生长速度也越快。通过对动力学的研究计算可得,不同厚度下Fe-0.1%C-3.5%Si 合金薄带平均碳含量随时间变化呈指数关系;1 mm厚的Fe-0.1%C-3.5%Si 合金薄带气固反应脱碳可近似为表观一级反应,表观脱碳速率常数<i>k</i>可近似为0.083 49。

• 采用曲率积分法的中厚板冷矫直过程解析模型

  韩文¹, 马炜师², 胡典章¹, 刘睿², 李洪波²

  为提高中厚板产线钢板冷矫直效果及效率,使用曲率积分法建立9辊冷矫直工艺解析模型,探讨不同钢板因素及工艺策略对曲率比、矫直力等主要参数的影响规律,经验证,模型总矫直力偏差在10%以内。借助该模型分析了不同钢板因素对矫直力和残余曲率的影响,其中钢种、板厚的影响较大,初始曲率比的影响较小;借助该模型分析了1、2、8、9号矫直辊压下量对矫直的影响,其中,矫后残余曲率比和总矫直力均随压下量的增大而增大,8号辊对矫后残余曲率比调控能力最强,2号辊对总矫直力的影响最大,相比而言,1、9号辊的影响均较小。参考研究成果调整现场矫直策略,需矫直3道次及以上的钢板数量占比由30%～35%降低至10%～15%,效果较明显。

• Nb-Ti微合金钢奥氏体晶粒尺寸及分布模型

  李明杰, 张欣悦, 王斯乔, 张欣瑶, 周晓光, 刘振宇

  为了探究奥氏体化工艺对Nb-Ti微合金钢奥氏体晶粒长大行为的影响,通过热模拟实验研究了实验钢在奥氏体化温度(1 140～1 220 ℃)和保温时间(180～540 s)范围内奥氏体晶粒长大行为,并建立了奥氏体晶粒长大及分布的数学模型。结果表明,当保温时间一定时,随着奥氏体化温度的升高,奥氏体晶粒尺寸逐渐增大其分布趋近于均匀化;当奥氏体化温度一定时,随着保温时间的延长,奥氏体晶粒增长速率减慢,晶粒尺寸分布同样趋于均匀化;建立的奥氏体平均晶粒尺寸及其分布的数学模型均与实测值拟合良好;耦合出不同奥氏体化工艺条件下实验钢的奥氏体平均晶粒尺寸和晶粒尺寸分布参数的等高线图,为确定合理的实验钢奥氏体化工艺奠定了理论基础。

• 退火温度对20Mn23AlV无磁结构钢的影响

  狄彦军¹, 平玲玲², 唐兴昌^2,3, 张志坚³, 程刚虎²

  通过对无磁结构钢热轧板进行不同温度退火处理来研究不同温度下微观组织、力学性能和磁性能的变化。研究结果表明,随着退火温度增加,无磁结构钢热轧板的抗拉强度呈现下降趋势,伸长率缓慢上升。不同状态的无磁结构钢经过拉伸后奥氏体晶粒内部会产生大量的形变孪晶,这些形变孪晶能够阻碍位错运动和晶面滑移,增加了无磁结构钢的硬度。XRD分析结果显示无磁结构钢热轧板经过不同温度退火后并没有发生相转变。同时磁导率测试结果显示,相对磁导率在1.002 18和1.002 06之间浮动,符合无磁结构钢对磁性能要求。

• DC53/42CrMo双金属复合材料的组织与性能

  张赛康¹, 曹玉龙^1,2, 张中心³, 马崇圣¹, 李光强^1,2

  采用自制电渣重熔设备成功制备板状DC53/42CrMo复合铸坯,经过750 ℃退火处理后,采用OM、SEM、EBSD对其显微组织、成分、界面元素过渡进行研究,并对双金属复合界面处的力学性能进行表征。结果表明:所制备的DC53/42CrMo双金属复合铸坯无夹渣、无孔洞界面结合良好;复合界面处发生元素扩散,其中C元素由含量低的42CrMo侧向含量高的DC53侧发生上坡扩散,双金属液固复合的过程中42CrMo中C的活度远大于DC53;42CrMo侧为铁素体基体+片层状珠光体组织,42CrMo侧靠近结合界面处存在宽度约为100 μm的热影响区组织为铁素体,DC53侧存在宽度约为30 μm的元素扩散影响区,DC53侧为珠光体基体和未溶碳化物组成,复合材料的显微硬度从42CrMo向DC53呈先下降再上升趋势,42CrMo侧热影响区硬度最低,平均硬度为192.9HV;复合试样界面的平均抗拉强度为632.73 MPa,剪切强度为586.12 MPa,复合试样拉伸断裂位置位于42CrMo侧而非结合界面处,表明复合界面不是薄弱区,界面结合性能良好。探究了界面结构及性能之间的内在联系,为双金属复合刀圈的制备提供参考。

• 两相区淬火对Q890高强钢微观组织和析出相的影响

  安涛^1,2, 郭呈宇^1,2, 李天怡^1,2, 代春朵^1,2, 张弛^1,2, 张哲^1,3

  采用ThermoCalc计算软件、透射电镜、拉伸试验机等设备对Q890高强度结构用钢进行了热动力学计算、显微组织观察和力学性能测试,从而探究不同两相区淬火温度和回火温度对试验钢微观组织和析出相的影响规律。结果表明:随着两相区淬火温度(840、800、760 ℃)降低,试验钢铁素体相占比升高;析出相体积分数和平均直径降低,而粒子种类增加。840和800 ℃淬火后的试验钢力学性能相近,而当两相区淬火温度降低至760 ℃后,试验钢屈服强度降低约200 MPa,伸长率提高至18.5%。随着回火温度(200、400、600 ℃)的提高,试验钢位错密度降低,基体软化;析出相粒子种类增加,平均直径和体积分数增大;试验钢屈服强度(1210、1120、817 MPa)逐渐降低,断后伸长率逐渐提高(14.0%、14.2%、21.8%)。