钢铁研究学报杂志

钢铁研究学报杂志2025年第5期

• 桥梁钢结构的腐蚀与防护技术研究进展

  何润¹, 周世康¹, 张琦超², 刘璇³, 蒋以山², 赵欣², 肖锋²

  钢结构因强度高、施工便捷等优点广泛用于桥梁主梁、缆索等关键部位,但其腐蚀问题会严重威胁桥梁安全与服役寿命。全面综述了桥梁钢结构的腐蚀现状,详细分析了桥梁钢结构在各种自然环境下的腐蚀情况,包括海洋环境、内陆环境以及干湿交替等复杂环境下不同部位的腐蚀特征和程度,涉及桥墩、桥身、缆索和支座系统等关键部位的腐蚀情况。在剖析腐蚀机理时,深入探讨了化学腐蚀和电化学腐蚀的特点与区别,进一步细分并解释了电化学腐蚀中的均匀腐蚀和局部腐蚀特征,尤其是局部腐蚀中的点蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀等具体形式,探讨了它们的形成条件和对桥梁钢结构的危害程度。在腐蚀现状的基础上,全面总结并深度整理桥梁钢结构的腐蚀防护措施,包括合理选材、涂料保护、阴极保护等技术手段。通过这些措施的应用和优化,旨在为桥梁钢结构腐蚀防护工作提供坚实的科学依据与强有力的技术支撑,从而有效减少钢结构腐蚀带来的安全隐患,推动桥梁工程领域的技术进步,保障桥梁的长期稳定与安全运行。

• 高废钢比条件下含钛钢中氮化钛夹杂析出与控制

  宋生强^1,2, 可向山^1,2, 齐江华³, 邓之勋³, 阙广荣^1,2, 薛正良^1,2

  在中国双碳战略和欧盟碳关税双重背景下,炼钢原料结构正发生巨大转变:转炉高废钢比及全废钢电炉是未来重要发展趋势。但大量引入废钢会对钢水纯净度及后续钢产品质量带来挑战,尤其是钢中氮含量及氮化钛夹杂影响钢性能的问题。在前期对“氮含量-氮化钛夹杂-材料性能”进行理论和工业试验研究的基础上,综述了钢中氮化钛形成与控制研究进展。从热力学角度分析了钢中氮化钛析出机制,总结了微观偏析及耦合析出模型,定量分析了影响氮化钛析出的关键因素。在剖析炼钢过程氮含量演变的基础上,从冶金原辅料控制、真空脱氮、熔渣脱氮等角度系统研究钢液中氮含量控制方法。综述研究结果可为未来炼钢原料结构变化下高品质含钛钢冶炼提供理论指导。

• 基于时间序列模型的烧结矿FeO含量预测

  李芹芹¹, 宋宝宇¹, 张兆鑫¹, 王奎越¹, 宋君¹, 任伟²

  钢铁冶金行业是基础工业的重要组成部分,其中烧结矿质量稳定性对整个生产流程至关重要。为了精确预测烧结矿中的FeO含量,提出了一种新型的在线预测框架——过程特征序列化和提取预测模型(PFSE)。该框架首先对原始数据进行序列化和差分处理,以增加数据的表达能力。然后,通过灰色关联分析(GRA)和相关系数(CC)等特征提取技术,筛选出关键过程特征。最后,利用循环神经网络(RNN)及其变体长短期记忆网络(LSTM)和门控循环单元(GRU)构建烧结矿FeO含量的预测模型。通过在某钢铁厂2022至2023年的烧结过程数据上进行实验验证,PFSE框架显示出良好的稳定性和准确性,在0.1的误差容忍度内,实现了85.3%的高准确率,验证了该方法的有效性和可靠性。

• 钢包底吹精炼过程渣眼形貌的数值模拟及无量纲化

  王永康^1,2, 刘畅^1,2, 肖爱达³, 李光强^1,2, 王强^1,2

  底吹钢包控制渣眼大小可改善钢液质量。基于钢包底吹氩气工艺,通过耦合离散相(DPM)模型和多相流(VOF)模型,建立三维非稳态多相流水模型,并通过1∶5水模型对数值模拟计算得到的渣眼大小和渣眼界面速度进行验证分析。研究了不同参数(底吹流量、油层厚度和底吹位置)对渣眼大小和渣眼界面速度分布的影响。最后以数据拟合手段获得无量纲渣眼面积和无量纲流量之间的关系。结果表明:渣眼面积随着喷吹流量增加和油层厚度减小而逐渐增大,底吹流量越大越明显;喷嘴的偏心距越远,渣眼面积随喷吹流量的变化越显著;对于偏心底吹此时存在一个流量极值,当喷吹流量达到这个值后渣眼面积反而减小——油层厚度25mm,喷吹流量2.26 L/min的渣眼面积相比于1.87 L/min的渣眼面积减小了180 cm²。

• 连铸坯缩孔缺陷遗传性研究

  姜东滨¹, 谢鑫², 吴晨辉², 任英¹, 张立峰³

  连铸坯缩孔缺陷若在轧制时未完全焊合,将显著降低钢材的机械性能。采用工业计算机断层扫描(CT)、扫描电镜(SEM)和光镜设备,对E355管线钢连铸坯、中间坯和轧材进行分析,研究缩孔缺陷分布特征及其轧制过程中的演变规律。结果表明:连铸坯表层凝固组织致密,缩孔数量少,尺寸小,表现单个孔洞。随距表层距离的增加,缩孔数量增多,尺寸增大,呈现贯通型孔洞。在连铸坯中心,缩孔数密度达到5.510 mm^-3,体积率增至2.191‰,平均和最大尺寸为0.140和1.493 mm。粗轧后缩孔沿轧制方向延展,尺寸减小,数密度增加。中间坯中心位置处,缩孔数密度为61.744 mm^-3,体积率为0.395‰,最大和平均尺寸为0.038和0.023 mm。轧材检测时未发现大尺寸孔洞,因此认为缩孔在精轧时焊合,但在MnS夹杂物附近存在小尺寸孔洞。

• 基于磁化强度的弹性阶段钢筋力-磁效应研究

  袁国波¹, 江胜华^1,2, 何峻峰¹

  目前钢筋力-磁效应研究存在测试设备易受环境干扰磁场影响,且磁场信号和应力规律不明确的问题,针对这一现状,基于磁化强度模型,给出了磁化强度与应力的公式,并使用有限元软件COMSOL 计算弹性阶段钢筋在不同拉应力下的磁感应强度和磁场梯度,使用无磁和弱磁材料研制了钢筋拉伸的磁场试验系统,并采用试验对有限元计算结果进行验证。有限元计算和试验结果均表明,当应力从0 MPa增加到40.9 MPa时,钢筋磁化强度增大,其磁感应强度<i>B_y及磁场梯度B_yz</i>的绝对值也增大;应力从40.9 MPa增加至屈服强度(355.6 MPa)时,钢筋磁化强度降低,其磁感应强度<i>B_y及磁场梯度B_yz</i>的绝对值也减小。钢筋的磁感应强度<i>B_y和磁场梯度B_yz</i>绝对值的平均值与应力的关系曲线均在应力为40.9 MPa时发生反转,反转时的应力未达到屈服强度(355.6 MPa)。

• L360管线钢力学性能评估与疲劳性能研究

  吴娇¹, 万力华², 汪波¹, 龙俨丽¹, 马代强³, 贾丹彬², 龙木军²

  注采管道的力学性能和疲劳性能对于地下储气库的长期安全运行和服役寿命至关重要。对L360管线钢母材与焊缝进行了力学性能测试与显微组织表征,针对注采管道高周疲劳难以实际测试的问题,基于材料实测力学性能,建立了母材与焊缝高周疲劳仿真模型,并通过高载荷疲劳试验验证了模型的准确性,探究了不同加载条件下疲劳寿命演变规律,并对比母材与焊缝试样疲劳性能的差异。结果表明:L360焊缝塑性相较于母材下降明显,母材与焊缝断后伸长率分别为26.1%和21.6%,断裂类型分别为塑性断裂与准解理断裂。母材与焊缝试样疲劳寿命均随着平均拉伸载荷与载荷谱幅值的增大而减小,在相同的加载条件下,母材的疲劳性能优于焊缝。当拉伸载荷为6.5 kN,幅值大于0.075时,焊缝试样疲劳循环次数为母材试样的44.7%。研究结果可为储气库管材选择与管道失效防护提供数据与理论支持。

• H2在Fe2O3晶面的吸附行为:密度泛函理论研究

  胡明伟, 窦安南, 马恒保, 朱国民, 徐其言

  基于密度泛函理论(DFT),采用第一性原理方法研究了H₂在Fe₂O₃(0 0 0 1)和Fe₂O₃(1 $\bar{1}$ 0 2)2个晶面的表面吸附原理。研究聚焦于H₂/Fe₂O₃体系的吸附机制、吸附能以及电子结构的解析,结果表明,H₂在Fe₂O₃(0 0 0 1)和Fe₂O₃(1 $\bar{1}$ 0 2)晶面的吸附均为物理吸附,其中在空位顶端的垂直吸附相较于其他位置更稳定,吸附能分别为20.99和26.44 kJ/mol。通过Mulliken电荷布居分析,H₂与晶面的相互作用主要源于H与Fe的轨道重叠杂化效应,二者之间发生了电子的交换、重组和能量转换。H₂吸附到Fe₂O₃(0 0 0 1)和Fe₂O₃(1 $\bar{1}$ 0 2) 时产生H₂O,与晶面的O原子发生解离分别需要跨越1.999和2.496 eV的能垒,并释放1.894和1.573 eV的能量。H₂在Fe₂O₃(1 $\bar{1}$ 0 2)晶面的吸附能相对较高,说明H₂在Fe₂O₃(1 $\bar{1}$ 0 2)的吸附更加容易、稳定。H₂O分子从Fe₂O₃(0 0 0 1)解离的能垒比Fe₂O₃(1 $\bar{1}$ 0 2)低,意味着反应产物在Fe₂O₃(0 0 0 1)更容易解离。

• 初始微观组织对862 MPa高强油井管性能的影响

  李效华^1,2, 李文冰¹, 吕传涛³, 朱文胜⁴, 王鸿轩⁴, 刘晨曦^5,6, 宋少波⁷

  862 MPa高强度油井管以其卓越的强度、韧性和耐蚀性,在高浓度<i>CO₂、H₂S</i>及单质硫的苛刻工况下特别适用。旨在探究调质热处理前初始微观组织对862 MPa高强度油井管用钢性能的影响,对比不同初始微观组织经相同热处理后的组织与性能差异。结果表明,高晶体缺陷密度的马氏体初始组织经调质后,马氏体板条尺寸显著下降,超50%,其通过细晶强化实现了同步提升强度和韧性。<i>Cr₂₃C₆</i>析出物形态由晶界链状转变为晶内弥散的球形结构,使硫化物应力开裂临界应力场强度因子K_<i>ISSC</i>提升约10%。进一步研究表明,材料的<i>H₂S</i>应力腐蚀失效过程是表面点蚀和氢致开裂协同作用的结果。

• 耐蚀元素对铁素体-珠光体钢力学性能及腐蚀行为的影响

  刘炳驿^1,2, 高博², 周强², 陈润农^2,3, 曹燕光², 黄贞益¹, 李昭东²

  为揭示耐蚀元素对铁素体-珠光体钢力学性能及腐蚀行为的影响,在碳钢的基础上,设计制备了3种耐候钢,依次添加了0.35% Cu、0.32% Cr和0.16% Ni(质量分数)。显微组织及性能表征结果表明,随着Cu、Cr、Ni元素的逐次添加,铁素体-珠光体钢中先共析铁素体含量逐渐降低,珠光体片层间距逐渐细化。室温条件下,含CuCrNi钢相对碳钢屈服强度提高了80 MPa,且塑韧性相较碳钢未造成损害。模拟大气腐蚀环境(NaHSO₃溶液)的电化学及实验室周期性浸润腐蚀试验结果表明,随着Cu、Cr、Ni元素的添加,实验钢自腐蚀电位逐渐升高,抗腐蚀能力提升;腐蚀3~5 d,不同成分实验钢腐蚀速率均随着腐蚀时间的延长逐渐降低,此时Cu钢的腐蚀速率最快,CuCrNi钢的腐蚀速率最慢;腐蚀时间延长至10 d,含Cu钢、含CuCrNi钢的腐蚀速率进一步下降,但含CuCr钢的腐蚀速率略有增加,且高于含Cu钢及含CuCrNi钢,这说明CuCr钢的耐蚀能力有所下降。腐蚀产物的X射线衍射仪分析表明,实验钢腐蚀产物均由α-FeOOH、γ-FeOOH和Fe₃O₄组成,其中α-FeOOH占比最高,其次是γ-FeOOH和Fe₃O₄。腐蚀10 d后,添加Cu、Cr、Ni元素实验钢的α/γ(α-FeOOH/γ-FeOOH)均增加,这说明锈层稳定性有所增加,且CuCr钢的α/γ最小。可见,长时间腐蚀后,含Cr钢锈层稳定性较低,分析认为与Cr³⁺的水解反应有关。进一步添加Ni元素后,有助于形成更加致密的锈层,缓解水解反应的不利影响,提升锈层稳定性,因此CuCrNi钢表现出更高的耐蚀性能。

• 渗碳齿轮钢中残余奥氏体转变与疲劳性能的关系

  薛彦均^1,2,3, 韩磊⁴, 梁江涛^1,3, 肖宝亮^1,3, 王毛球², 闫永明²

  渗碳可以有效提高齿轮的强度和疲劳性能。影响齿轮疲劳性能的因素有很多,其中残余奥氏体是影响齿轮疲劳性能的主要因素之一,但其对齿轮疲劳性能的影响目前还存在争议。以渗碳17Cr2Ni2MoVNb齿轮钢为研究对象,通过旋转弯曲疲劳实验、SEM、TEM、EBSD和硬度检测等方法研究了渗碳齿轮钢中残余奥氏体转变与疲劳性能的关系。结果表明:渗层中块状残余奥氏体在疲劳实验过程中容易发生应力诱导马氏体相变,且随着应力幅的增加,残余奥氏体转变量增多。当疲劳起裂源为夹杂物时,残余奥氏体的转变以及在疲劳实验过程中发生的循环硬化提高了渗层的硬度,从而提高了渗碳齿轮钢的疲劳性能。

• 12Cr13钢在450℃静态饱和氧铅铋合金液中的腐蚀行为

  唐正焮¹, 张文宁², 马国宝¹, 何西扣¹

  研究了12Cr13钢在450 ℃静态饱和氧液态铅铋合金中6 000 h长时间腐蚀行为,分析了腐蚀过程中氧化膜的形貌、组成及腐蚀动力学行为。结果表明,12Cr13钢氧化膜的生长速率缓慢,氧化膜厚度符合抛物线规律,腐蚀3 000 h后形成典型的双层结构氧化膜,内层为Fe-Cr 尖晶石,外层为Fe₃O₄。Cr 在微米尺度的扩散对表面氧化膜的形成和内氧化层的向内稳步推进至关重要。同时,腐蚀3 000 h后存在氧化膜的剥离现象,此现象可能与腐蚀试样原始表面存在的凹凸面有关。基于实验结果提出了12Cr13钢的液态铅铋腐蚀模型。

• 镍、钴对超高强度船体钢组织与性能的影响

  李健¹, 刘浩^1,2, 罗小兵¹, 柴锋¹

  利用SEM、TEM、XRD 和EBSD 等技术系统研究了镍、钴元素对新型NiCrMoV 系船体钢显微组织、第二相析出以及力学性能的影响。结果表明,经过淬火和回火工艺处理,试验钢显微组织均主要由回火马氏体和少量逆转变奥氏体组成,且在回火过程中主要析出了富含Mo、Cr 和V 元素的细针状M₂C 型第二相。经过850 ℃淬火+580 ℃回火工艺,新型NiCrMoV 钢屈服强度可达到1 140 MPa,-84 ℃低温冲击功达到76 J。随着试验钢中Ni 含量的增加,晶粒明显细化、大角度晶界增多、逆转变奥氏体增多,有效抑制了裂纹的形成与扩展,将钢的低温韧性水平提高到82 J。试验钢中添加Co元素后,钢中位错密度增大,析出的M₂C相增多且分布更为弥散,使试验钢达到了1 216 MPa的超高屈服强度。

• 高炉渣-煤协同作用的热力学和能量利用研究

  王阅, 段文军, 李佳琪, 吴宇轩

  在中国“双碳”背景下,钢铁工业的节能降耗面临着巨大挑战,实现高炉熔渣余热回收和煤炭资源的高效清洁利用对于推动钢铁工业绿色发展具有重要意义。将高炉熔渣余热利用与煤气化反应结合,开展熔渣余热驱动煤气化反应的热力学和能量利用研究。基于吉布斯自由能最小原理,建立煤气化反应热力学模型,通过探究不同温度、<i>n</i>(H₂O(g))/<i>n</i>(C)(质量比)及压力条件下的煤气化反应效果,获得反应最佳操作条件。在1 073 K、<i>n</i>(H₂O(g))/<i>n</i>(C)为2.00及0.10 MPa条件下,合成气总产量为3.28 kmol,碳转化率为0.93,合成气产出率为1.56。此外,采用能量分析及?分析的综合分析方法,确定煤气化反应的能量利用效果。结果表明,煤气化反应能量效率达到73.22%、?效率为70.81%。