工程科學學報

稀土Ce對含磷高強IF鋼鑄軋全過程MnS夾雜物影響

2020-12-25

對含磷高強IF鋼中MnS夾雜物控制進行了分析。通過對含磷高強IF鋼中添加稀土進行對比試驗，借助掃描電鏡等設備對鑄坯1/8、1/2、7/8厚度方向的試樣以及熱軋、冷軋、連退工序的帶鋼試樣進行了夾雜物統計及二維形貌的觀測對比，并對鑄坯試樣中小樣電解的夾雜物及軋制各工序試樣中原貌提取的夾雜物進行三維形貌的觀測對比。結果表明：鑄坯中心MnS夾雜物數量分布明顯大于鑄坯近表面，稀土的加入，先與鋼中S相結合，并在凝固過程中較MnS提前析出，生成了小尺寸的球狀夾雜物，可明顯降低鑄坯各位置MnS夾雜物的尺寸及數量；未加稀土鋼在帶鋼軋制各工序中MnS夾雜物尺寸為10 μm左右，且具有遺傳性，在軋制過程中壓延變長，但沒有碎化彌散。加入稀土后形成了S–O–Ce類夾雜物，形態呈球形，尺寸為2～5 μm，且獨立彌散分布，不會對帶鋼組織連續性造成影響，有利于產品各相關性能。

工程科學學報. 2020 42(S): 1-8. Published 2020-12-25

連鑄工藝參數對SWRH82B高碳鋼碳偏析的影響

2020-12-25

高碳鋼連鑄生產技術工藝優化是當前連鑄技術研究的主要內容之一。針對國內某鋼廠SWRH82B高碳鋼生產過程中出現碳偏析、網狀滲碳體組織缺陷的問題，采用數值模擬與實驗相結合的方法，利用Fluent軟件建立了八機八流連鑄機凝固傳熱模型，數值模擬計算凝固傳熱特征；研究了八機八流連鑄機在不同澆注速度、過熱度和末端電磁攪拌參數條件下對SWRH82B高碳鋼鑄坯碳偏析和夾雜物的影響；分析了SWRH82B高碳鋼連鑄過程中的主要要素與組織性能之間的關系。研究結果表明：鑄坯中心碳偏析是網狀滲碳體主要誘導因素，通過調整過熱度和澆注速度有利于促進鋼液成分的均勻化，降低夾雜物含量；當過熱度降低至25 ℃，澆注速度提高至2 m·min<sup<?1</sup<，鑄坯中心平均碳偏析指數由1.17降低為1.11，索氏體化率達到89%，網狀滲碳體級別由四級下降到一級，基本消除C類夾雜物；通過設置末端電磁攪拌參數為電流370 A、頻率7 Hz時，碳偏析指數最低值下降到1.04。通過優化連鑄生產工藝參數，解決了企業SWRH82B高碳鋼生產過程中的缺陷，為高碳鋼的高質量生產提供理論與實踐支撐。

工程科學學報. 2020 42(S): 102-108. Published 2020-12-25

氣氛保護電渣重熔過程中氧化物–CaS復合夾雜物的演變

2020-12-25

利用掃描電鏡分析了自耗電極和電渣重熔鋼中夾雜物的特征，結合熱力學計算，分析了氧硫復合夾雜物在電渣重熔過程中的轉變機理。結果表明，電渣重熔采用氣氛保護結合脫氧操作可以將自耗電極全氧質量分數由0.0017%降低至0.0008%。電渣重熔之后鋼中小于3 μm夾雜物的比例顯著增加。自耗電極中的夾雜物為CaS與含質量分數3%和11%左右MgO的CaO–Al<sub<2</sub<O<sub<3</sub<–SiO<sub<2</sub<–MgO結合的兩類復合夾雜物。電渣過程未被去除的氧化物夾雜中的SiO<sub<2</sub<被鋼液中酸溶鋁還原，保留至電渣錠中。電渣錠中含約1%MgO和2%SiO<sub<2</sub<且成分均勻的CaO–Al<sub<2</sub<O<sub<3</sub<–SiO<sub<2</sub<–MgO是在電渣過程中新生的夾雜物。自耗電極中的CaS通過分解為鋼液中溶解Ca和S，以及通過與液態氧化物夾雜中Al<sub<2</sub<O<sub<3</sub<反應的途徑在電渣過程被去除。電渣錠中低熔點氧化物夾雜周圍環狀CaS是鋼液凝固過程中溶解S、酸溶鋁Al與氧化物夾雜中CaO的反應產物，高熔點氧化物夾雜周圍環狀CaS是鋼液凝固過程中Ca和S偏析后反應新生的夾雜物。復合夾雜物中補丁狀CaS是在電渣重熔鋼液冷卻過程中由復合夾雜物熔體中析出的。

工程科學學報. 2020 42(S): 109-118. Published 2020-12-25

Incoloy825合金電渣重熔低氟渣系設計的熱力學研究

2020-12-25

為控制Incoloy825合金中的Al、Ti含量，并減少電渣過程中氟化物的揮發。借助FactSage熱力學軟件，建立渣?金反應的熱力學模型。設計出適宜控制Al、Ti含量的低氟渣系，探究了渣中組元與Al<sub<2</sub<O<sub<3</sub<和TiO<sub<2</sub<活度比的關系，并通過高溫渣–金平衡實驗進行驗證。結果表明：當渣中CaO和Al<sub<2</sub<O<sub<3</sub<含量增加，導致<inline-formula<<tex-math id="M1"<\begin{document}$\lg \left( {{{a_{{\rm{A}}{{\rm{l}}_{\rm{2}}}{{\rm{O}}_{\rm{3}}}}^2} / {a_{{\rm{Ti}}{{\rm{O}}_{\rm{2}}}}^3}}} \right)$\end{document}</tex-math<<alternatives<<graphic xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xlink:href="s01_M1.jpg"/<<graphic xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xlink:href="s01_M1.png"/<</alternatives<</inline-formula<值升高，即合金中Ti含量降低，Al含量升高；與此相反，渣中TiO<sub<2</sub<含量升高，使<inline-formula<<tex-math id="M2"<\begin{document}$\lg \left( {{{a_{{\rm{A}}{{\rm{l}}_{\rm{2}}}{{\rm{O}}_{\rm{3}}}}^2} / {a_{{\rm{Ti}}{{\rm{O}}_{\rm{2}}}}^3}}} \right)$\end{document}</tex-math<<alternatives<<graphic xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xlink:href="s01_M2.jpg"/<<graphic xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xlink:href="s01_M2.png"/<</alternatives<</inline-formula<值降低，即Ti含量增加，Al含量減少；渣中CaF<sub<2</sub<和MgO含量的增加對<inline-formula<<tex-math id="M3"<\begin{document}$\lg \left( {{{a_{{\rm{A}}{{\rm{l}}_{\rm{2}}}{{\rm{O}}_{\rm{3}}}}^2} / {a_{{\rm{Ti}}{{\rm{O}}_{\rm{2}}}}^3}}} \right)$\end{document}</tex-math<<alternatives<<graphic xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xlink:href="s01_M3.jpg"/<<graphic xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xlink:href="s01_M3.png"/<</alternatives<</inline-formula<的影響較小。合金中Al、Ti含量相差較大時，合金中Ti元素易氧化；Al、Ti含量相差較小時，Al元素易氧化。渣中CaO的質量分數為30%～33%、Al<sub<2</sub<O<sub<3</sub<的質量分數為30%～33%、TiO<sub<2</sub<的質量分數為6%～12%、CaF<sub<2</sub<的質量分數為20%～30%、MgO的質量分數為1%～5%時，能夠有效控制合金中Al、Ti元素含量。

工程科學學報. 2020 42(S): 119-127. Published 2020-12-25

不銹鋼中夾雜物三維形貌及其熱力學計算

2020-12-25

采用無水電解法提取不銹鋼中存在的典型夾雜物，通過掃描電子顯微鏡觀察夾雜物三維形貌，并根據元素組成對夾雜物進行分類和形貌分析，對具有相同化學成分但不同三維形貌的夾雜物進行了表征和歸納。利用FactSage 7.0熱力學軟件，對不同夾雜物的平衡狀態進行了計算，研究了溫度和鋼液成分對于夾雜物平衡的影響，并得到相應的平衡相圖。結果表明，無水電解可以有效地將不銹鋼中夾雜物完整地提取出來，避免了金相法帶來的誤差，可以更加清晰的觀測夾雜物的三維形貌；經掃描電子顯微鏡觀察和測量，較大的氧化鋁夾雜物表面較為容易出現鈦元素的富集區域，且大部分夾雜物形貌主要為球狀和表面較為光滑的多面體狀，直徑一般不大于5 μm。通過熱力學計算得到，鋼中夾雜物的生成與鋼中元素質量分數密切相關，在1873 K時，Mg、Ti、Si元素質量分數的不同會導致生成不同的夾雜物。

工程科學學報. 2020 42(S): 14-20. Published 2020-12-25

外加Y<sub<2</sub<Ti<sub<2</sub<O<sub<7</sub<納米粒子對CLAM鋼夾雜物的影響

2020-12-25

在真空感應爐中加入Y<sub<2</sub<Ti<sub<2</sub<O<sub<7</sub<納米粒子制備CLAM鋼，通過掃描電子顯微鏡(SEM)、X射線能譜分析儀（EDS）、X射線衍射儀（XRD）和萬能試驗機，探究Y<sub<2</sub<Ti<sub<2</sub<O<sub<7</sub<納米粒子對CLAM鋼中夾雜物的影響，分析CLAM鋼的力學性能。結果表明，Y<sub<2</sub<Ti<sub<2</sub<O<sub<7</sub<+Fe納米粒子成功加入CLAM鋼，添加粒子后的CLAM鋼中的夾雜物尺寸為0.5～1.5 μm，其形貌近似球形，成分為Y–Ti–O–Mn–C–Ta–W–V–Cr–Fe，屬于包裹狀復合夾雜物，主要是因為Ta、V是強碳化物形成元素以及部分Y<sub<2</sub<Ti<sub<2</sub<O<sub<7</sub<粒子可能發生了團聚。當Y<sub<2</sub<Ti<sub<2</sub<O<sub<7</sub<粒子添加量(質量分數)為0.5%時，外加的Y<sub<2</sub<Ti<sub<2</sub<O<sub<7</sub<粒子使得鋼中夾雜物改性變質為稀土氧化物的復合夾雜類型，鋼的強度為1356 MPa，伸長率和斷面收縮率分別為13.44%和63.15%。在部分拉伸斷口韌窩中還可以觀察到第二相粒子，其尺寸為≤1 μm，呈球狀，其成分較為復雜，主要為Y–Ti–O–C–Ta–W相。

工程科學學報. 2020 42(S): 21-26. Published 2020-12-25

夾雜物對Q235鋼耐腐蝕行為的影響

2020-12-25

海洋環境對于金屬的腐蝕具有明顯的加速作用，尤其在高鐵海底隧道環境中，金屬比正常的服役時間變短，這種腐蝕情況下會影響高鐵的安全和準點運行。基于以上背景，通過夾雜物自動掃描、鋼的加速腐蝕及電化學測試對鋼中的夾雜物誘發腐蝕行為進行系統分析，重點分析了高鐵軌旁信號設備連接金屬件（Q235）中夾雜物在鹽霧環境下的腐蝕行為。結果表明：鋼中主要夾雜物為氧化物、硫化物或者其復合夾雜，而這兩類夾雜物對于誘發鋼基體點蝕的原因不同。其中數量最多、尺寸小于5 μm類型的夾雜物為硫化物夾雜和氧硫復合類型夾雜物；數量少、尺寸大于5 μm的夾雜物為氧化物夾雜。在服役過程中，鋼中硫化物夾雜易溶解脫落形成點蝕坑，而氧化物夾雜周圍基體會先溶解引起夾雜物脫落形成點蝕坑，復合類夾雜物也是誘發鋼發生腐蝕的因素，不同復合類型的夾雜物腐蝕方式不同，硫化物夾雜和氧硫復合夾雜對碳鋼影響較大。電化學測試表明自腐蝕電位約為為?0.1 V，Q235鋼本身抗腐蝕能力不強。夾雜物在腐蝕過程中參與了腐蝕，引起陽極極化曲線的波動，加快了Q235鋼的腐蝕情況。研究結果對于認識和改善鋼的耐腐蝕性能有指導意義。

工程科學學報. 2020 42(S): 27-33. Published 2020-12-25

碳鋁硅在鐵液中對氮溶解速率的影響

2020-12-25

通過<sup<15</sup<N-<sup<14</sup<N同位素氣體交換技術消除液相傳質的影響，利用在線質譜分析儀測定了在1873 K下，鐵液中氮溶解的界面反應速率常數。結果表明，總流量為600～800 mL?min<sup<?1</sup<時可以忽略氣相傳質的影響，保護氣中增加H<sub<2</sub<的比例有利于降低鋼液中雜質元素的濃度。鐵液中加入一定量碳、鋁、硅，分析得到這三種元素對氮溶解速率是抑制的。依據本實驗的數據利用空位解離模型建立反應速率常數<i<k</i<<sub<a</sub<與氧、硫、碳、鋁、硅的活度關系，吸附系數分別是<i<K</i<<sub<O</sub<=0.96，<i<K</i<<sub<S</sub<=9.32，<i<K</i<<sub<C</sub<=0.02，<i<K</i<<sub<Al</sub<=0.51，<i<K</i<<sub<Si</sub<=1.16。純鐵液中氮的溶解反應表觀速率常數為<i<k</i<<sub<a</sub<=4.8×10<sup<?6</sup< mol?m<sup<?2</sup<?s?Pa。

工程科學學報. 2020 42(S): 34-38. Published 2020-12-25

電弧爐煉鋼爐渣成分實時預報模型

2020-12-25

為了實現冶煉過程中對爐渣成分的實時預測，給電弧爐煉鋼過程中加料等工藝操作提供幫助，對影響爐內爐渣成分的因素（爐內反應、加料與流渣）進行了研究，構建了電弧爐煉鋼爐渣成分實時預報模型。結果顯示，該模型能夠實時預測爐內爐渣質量和成分變化，預報爐內鐵元素氧化狀況，可為冶煉過程中添加輔料與流渣等工藝操作提供指導作用。通過與現場爐渣取樣檢測結果進行對比，得到爐渣中CaO、SiO<sub<2</sub<和FeO實測成分與模型預測成分的平均相對誤差分別為12.66%、11.17%和19.16%。

工程科學學報. 2020 42(S): 39-46. Published 2020-12-25

金屬熔池埋入式氣–固噴吹沖擊的特征規律

2020-12-25

電弧爐煉鋼以廢鋼為基本原料，熔清后磷含量波動大，且受爐型結構限制，反應動力學條件差，深脫磷困難；全廢鋼冶煉熔清碳含量低，熔池內C–O反應缺乏，氣泡產生數量少；且吹氧強化攪拌造成渣中FeO含量高、鋼液易過氧化。電弧爐熔池內氣–固噴吹冶煉新工藝，通過向熔池內部直接噴射石灰粉或碳粉，有效解決上述問題。本文通過數值模擬和水力學模擬實驗研究了金屬熔池內埋入式氣體噴吹和氣–固噴吹的沖擊特征規律。熔池內射流水平和豎直沖擊深度隨氣體噴吹流量增加而增加，而當氣體噴吹流量一定時，隨著噴槍安裝角度的增大，熔池內射流豎直沖擊深度增加，而水平沖擊深度減少。同時發現，粉劑顆粒提高了氣體射流的沖擊動能，增加了氣體射流的沖擊穿透深度。

工程科學學報. 2020 42(S): 47-53. Published 2020-12-25

拉瓦爾噴管結構模式對超音速射流流動特性的影響

2020-12-25

首先對噴管內流動特性進行了研究，結果表明傳統拉瓦爾噴管在噴管內部易形成大量明顯的波系結構，抑制了超音速氧氣射流的初始沖擊效果，而利用特征線設計的曲線拉瓦爾噴管可有效解決該問題。其次，分析了不同供氧流量下，傳統拉瓦爾噴管及曲線拉瓦爾噴管在高溫條件下的射流馬赫數分布、動壓及射流卷吸特性。研究結果表明基于特征線法設計的曲線拉瓦爾噴管應用于轉爐氧槍噴頭時，可延長氧氣射流核心段長度，增大氧氣射流對熔池的攪拌能力，并提高氧氣在熔池內的傳質效果。

工程科學學報. 2020 42(S): 54-59. Published 2020-12-25

電弧爐內長電弧等離子體的數值模擬

2020-12-25

全廢鋼連續加料電弧爐內長電弧作為爐內主要的能量來源，對廢鋼熔化及鋼液升溫至關重要。采用磁矢量勢的磁流體動力學方法建立了電弧爐內電弧的數值模型，并基于該數值模型對電弧爐內電磁場、溫度場和流場進行耦合求解，研究了電流大小、弧長對電弧爐內電弧的溫度、速度、壓力及氣體剪切力特性的影響。結果表明，全廢鋼連續加料電弧爐內電弧等離子體呈“長鐘型”分布，電弧柱較細長；隨著電流增大，電弧有效作用范圍增大，陽極表面電弧壓力和氣體剪切力增大；隨著弧長增加，電弧有效作用范圍減小，陽極表面的電弧壓力和氣體剪切力減小。短弧操作對熔池沖擊劇烈，長弧操作熔池較為平穩，合理控制電流和弧長能有效提高電弧熱效率。

工程科學學報. 2020 42(S): 60-67. Published 2020-12-25

中間包等離子加熱的物理模擬

2020-12-25

為了提高實際生產中中間包等離子加熱熱效率，改善中間包內鋼液流動狀態，本文根據某鋼廠中間包原型，通過物理模擬對比研究了有無等離子加熱和不同等離子加熱位置下中間包內溫度場和流場的變化情況。研究結果表明，在無等離子加熱條件下，中間包內死區比例較高，達到了36%，死區主要集中在中間包擋墻外側上部區域；當加熱位置位于擋墻外側時，中間包內死區比例與不加熱時相差不大，靠近加熱位置處的溫度急劇上升，擋墻內外兩側的溫度差較大，中間包內整體溫度分布不均勻；加熱位置位于擋墻內側時，中間包死區比例明顯降低，達到29.2%，平均停留時間約增加57 s，出水口溫度明顯上升（約7 ℃），中間包內溫度分布更均勻。

工程科學學報. 2020 42(S): 68-75. Published 2020-12-25

集束氧槍結構參數對射流流場分布特征的影響

2020-12-25

采用數值模擬及熱態燃燒實驗方法，分析了3種不同集束氧槍末端幾何結構在常溫及高溫條件下的射流速度場及溫度場分布特性，并重點研究了常用槍位條件下射流動壓對熔池的沖擊形貌特點的影響. 研究結果表明，采用收束式約束集束氧槍可有效抑制射流能量向徑向的擴散，從而延長伴隨流高溫區長度，達到提高超音速射流核心段長度及熔池攪拌效果的目的.

工程科學學報. 2020 42(S): 76-82. Published 2020-12-25

LF精煉過程砷脫除的工業試驗

2020-12-25

基于煉鋼生產過程中殘余元素砷較難脫除的特點，并結合以往實驗室熱態脫砷研究結果。通過鋼包精煉爐（Ladle furnace refining furnace, LF爐）鋼液脫砷工業試驗，研究了LF精煉煉鋼過程中有關砷的脫除方法。采用Al–Mg–Ca合金作為脫砷劑，研究發現，LF爐可以實現鋼液精煉脫砷，但鋼液精煉過程中硫和鈣的含量是實現工業條件下脫砷的限制環節。因此，必須控制鋼液中硫和鈣的含量以保證鋼液脫砷效果。LF爐精煉脫砷之前必須將鋼液中的硫含量降至低于0.01%，加入Al–Mg–Ca合金后鋼液中鈣含量需高于0.0055%。

工程科學學報. 2020 42(S): 83-88. Published 2020-12-25

AOD精煉雙相不銹鋼2101去碳保鉻研究

2020-12-25

雙相不銹鋼2101生產成本低，性能優異，近年來被逐漸重視。采用“電爐+AOD+模鑄”的工藝生產2101雙相不銹鋼，在AOD精煉過程中，研究了溫度和主要成分Cr、C、Si的變化情況，結果顯示，AOD爐有很好的脫碳效果，能將C質量分數（<i<w</i<<sub<[C]</sub<）由2.5%脫至0.03%以下，在還原期，Si對Cr有很好的還原效果。精煉過程中，最重要的是脫碳，但將碳脫至0.1%以后，所需要的條件變得苛刻。通過熱力學計算公式，研究了雙相不銹鋼2101去碳保鉻的影響因素，結果表明，碳鉻平衡主要受CO分壓和溫度的影響，CO分壓越低、溫度越高越有利于脫碳。在CO分壓一定，<i<w</i<<sub<[C]</sub<<0.1%時，<i<w</i<<sub<[C]</sub<越低，碳鉻平衡曲線的斜率越大，脫碳需要的溫度越高，脫碳越困難，降低CO分壓可進一步脫碳。在<i<P</i<<sub<CO</sub</<i<P</i<<sub<0</sub<= 0.4，<i<w</i<<sub<[Cr]</sub<=21.5%條件下，為將<i<w</i<<sub<[C]</sub<脫至0.03%以下，需要將爐內溫度升到1746.1 ℃以上。

工程科學學報. 2020 42(S): 89-94. Published 2020-12-25

Mg脫氧夾雜物對大線能量焊接HAZ組織的影響

2020-12-25

研究了夾雜物對Mg脫氧鋼焊接熱影響區（HAZ）組織及沖擊韌性的影響。研究結果表明，MgO–MnS復合夾雜物形貌隨著Al的添加發生顯著變化。當Al質量分數為0.001%時，由中心單一MgO粒子與外圍MnS相組成；當Al質量分數為0.020%時，其形貌為夾雜物中多個細小的MgO粒子嵌入MnS相中。前者可誘發晶內針狀鐵素體（IAF）形核，而后者不具備該能力，故HAZ中主要晶內組織分別為塑性IAF、脆性側板條鐵素體。因此，未添加Al鋼的400 kJ·cm<sup<?1</sup<大線能量焊接HAZ韌性優于添加Al鋼。

工程科學學報. 2020 42(S): 9-13. Published 2020-12-25

基于<i<F</i<曲線的中間包流場優化

2020-12-25

針對某廠三流異型坯中間包，建立了相似比為1∶2的水模型，使用<i<F</i<曲線對不同控流裝置下的中間包流場特性進行分析與優化。實驗內容包括原型控流裝置、湍流抑制器無擋壩、湍流抑制器加擋壩組合。結果表明，原型中間包中部水口存在短路流，水口間流動的差異性較大，可能導致三個鑄流的鑄坯溫度和潔凈度不均勻，進而發生同爐次各鑄坯質量穩定性差的問題。采用湍流抑制器無擋壩控流裝置，湍流抑制器導流孔夾角為60°時，短路流出現在中部；導流孔夾角為86°時，無短路流，各流一致性變好；導流孔夾角為110°時，兩側水口出現短路流，各流一致性優于前兩個角度。中間包的各流一致性與死區比例并無相關性，一致性良好的中間包流場，其死區比例并不一定小。優化后的中間包湍流抑制器導流孔夾角為110°，擋壩距離中間包中心2400 mm，中間包內無短路流，1#、2#水口一致性最佳，死區由17.89 %減小到9.67 %，減小率為11.25 %，<i<F</i<曲線標準差最大值由0.3減小到0.016。

工程科學學報. 2020 42(S): 95-101. Published 2020-12-25