工程科學學報

高品質鋼冶金前沿技術專刊序言

包燕平 — 2022-09-01

包燕平工程科學學報. 2022 44(9): 1473-1475.

CO₂頂吹比例對轉爐終點控制的影響

董建鋒, 魏光升, 朱榮, 董凱, 張慶南, 張丙龍 — 2022-09-01

董建鋒, 魏光升, 朱榮, 董凱, 張慶南, 張丙龍結合CO₂的高溫反應特性，針對性地制定了CO₂冶煉工藝，并對轉爐頂吹CO₂比例對終點磷、氮和碳氧濃度積的影響進行了工業試驗研究。結果表明：隨著轉爐冶煉前中期CO₂頂吹比例由4.84%逐漸提高到9.68%，轉爐終點磷的質量分數先下降后基本不變，氮的質量分數逐漸下降，碳氧濃度積與渣中TFe變化趨勢基本相同，均為先降低后增加，對于不同指標最佳頂吹CO₂比例不同。試驗轉爐終點磷、氮的質量分數、碳氧濃度積與渣中TFe均下降，下降比例最高分別為20.4%、34.3%、12.92%和8.89%。工程科學學報. 2022 44(9): 1476-1482.

“雙碳”背景下低碳排煉鋼流程選擇及關鍵技術

張福君, 楊樹峰, 李京社, 劉威, 王田田 — 2022-09-01

張福君, 楊樹峰, 李京社, 劉威, 王田田 “碳達峰”、“碳中和”是一個總體的宏觀概念，為中國未來經濟與環境發展提供了籠統的理論框架與基本理念。基于“雙碳”目標的深度解析，中國鋼鐵行業處于“碳鎖定”狀態，只有同時進行技術和制度變革才能實現“碳解鎖”。結合當前鋼鐵工業生產結構、冶煉原材料供應、冶煉能源、節能減排水平以及CO₂排放現狀，給出了合理的碳達峰時間及峰值。未來二三十年中國鋼鐵生產主要流程依然是長流程和短流程并存，氫冶金技術還難以進行工業生產，提升全廢鋼短流程煉鋼的比例是降低碳排放的主要措施。從長遠來看，長流程中煉鐵工藝由碳還原逐漸向氫還原是大勢所趨，煉鐵工序的產品將由原來的高碳鐵水轉變為低碳鐵水或直接還原鐵（DRI），具有較高脫碳的轉爐煉鋼就沒有明顯優勢，發展電弧爐煉鋼流程是必然選擇。但實現“碳中和”還要依靠氫冶金，碳捕集、利用與封存技術的發展和應用，以及制度的變革。基于近年在全廢鋼電弧爐相關方面的理論研究、裝備開發與實踐的深入研究，針對全廢鋼電弧爐冶煉工藝存在的問題，開發了一系列關鍵技術，實現在全廢鋼條件下滿足當前連鑄生產工藝節奏以及鋼液質量的控制，為全廢鋼電弧爐的發展提供理論支持。工程科學學報. 2022 44(9): 1483-1495.

國內外鋼鐵行業低碳發展策略分析

崔志峰, 徐安軍, 上官方欽 — 2022-09-01

崔志峰, 徐安軍, 上官方欽在綠色化、低碳化發展的時代背景下，全球鋼鐵行業紛紛開展低碳研究工作，各類低碳技術層出不窮。首先概述了全球鋼鐵行業CO₂排放現狀，以及主要產鋼國家的碳減排目標，并對其低碳策略進行詳細的分析，指出國際鋼鐵行業的低碳發展方向主要聚焦于發展電爐流程、氫冶金、碳捕集利用與封存和清潔能源利用等方面。隨后聚焦我國鋼鐵行業碳排放現狀，梳理了中國鋼鐵行業實現“雙碳”目標的應對策略，指出減量化發展、流程結構調整是未來我國鋼鐵行業低碳發展的主攻方向。最后，為了使前文所提的宏觀策略更加具體化，又選取我國某一典型鋼鐵企業，以其技術特點、地理位置、資源稟賦、發展規劃為主要依據，針對性地分析并提出了7條適合該企業的減排路徑，為其綠色低碳發展指明方向。工程科學學報. 2022 44(9): 1496-1506.

Ce/Mg處理對M50軸承鋼潔凈度的影響

王禮超, 田家龍, 任吉, 蔣成鋼, 游志敏, 姜周華 — 2022-09-01

王禮超, 田家龍, 任吉, 蔣成鋼, 游志敏, 姜周華采用真空感應熔煉工藝冶煉航空軸承鋼M50，對比分析了Ce處理、Mg處理和Ce–Mg復合處理對氧、硫含量和夾雜物分布特征的影響，結合熱力學計算，闡明了加入Ce、Mg元素對鋼液潔凈度的影響機理。研究發現，Ce具有很強的脫氧、脫硫能力，加入Ce會優先生成Ce₂O₂S夾雜物，隨著鋼液中氧含量的降低，Ce還會與As等有害雜質元素結合，起到凈化鋼液的效果。過量的Ce會加劇其與鎂鋁尖晶石材質耐火材料的反應，導致鋼中夾雜物數量的增加，Ce的質量分數為0.018%時，鋼中夾雜物的尺寸和數量最小；添加Mg不僅可以脫氧、脫硫，還可以抑制Ce與鎂鋁尖晶石耐材的反應，Ce–Mg復合處理可以顯著降低鋼中的夾雜物的尺寸和數量，將鋼中的氧的質量分數降低至0.00075%。工程科學學報. 2022 44(9): 1507-1515.

稀土元素鈰對鋼中非金屬夾雜物改性和腐蝕影響的第一性原理研究

劉瀚澤, 張靜, 張繼, 張立峰, 蓋彥峰 — 2022-09-01

劉瀚澤, 張靜, 張繼, 張立峰, 蓋彥峰通過原位腐蝕觀察和基于密度泛函理論的第一性原理計算方法，從微觀角度研究了稀土元素鈰（Ce）對J5不銹鋼中夾雜物的改性和夾雜物誘導腐蝕的機理。采用掃描電子顯微鏡與能譜分析了稀土元素Ce改性夾雜物的過程中夾雜物成分和類型的變化，觀察到的代表夾雜物為CeAlO₃?Ce₂O₂S、Ce₂O₃?Ce₂O₂S、MnS等。根據形成能計算，經稀土元素Ce處理后，生成了穩定的Ce₂O₃、Ce₂O₂S、CeAlO₃夾雜物。通過表面能判斷了晶面的穩定性，Fe(100)-2面的表面能經收斂測得為2.4374 J·m^?2，該晶面的功函數為4.7352 eV。通過對比夾雜物與鋼基體的功函數與計算電勢差，分析了不同含Ce夾雜物誘導點蝕的趨勢，探討了不同原子位置、原子數量和不同slab模型對功函數的影響。研究表明，與Fe (100)-2面的電子功函數相比，MnS以及改性后3種夾雜物CeS、Ce₂O₃和Ce₂O₂S電勢差大多小于0，CeAlO₃的電勢差在0 eV左右。夾雜物不同晶面對功函數影響很大，O、S等非金屬原子數量多的晶面功函數平均值較高，添加稀土元素Ce可以有效降低晶面功函數。5種夾雜物和鋼基體的平均功函數大小順序為CeAlO₃>Fe>MnS>CeS>Ce₂O₂S>Ce₂O₃。結合不銹鋼中復合夾雜物的實驗結果可知，Ce₂O₃誘導點蝕發生的概率最高，CeAlO₃可以有效提高鋼的耐腐蝕能。工程科學學報. 2022 44(9): 1516-1528.

基于氧化物冶金的微合金化研究

朱立光, 張慶軍 — 2022-09-01

朱立光, 張慶軍介紹了國內外氧化物冶金技術的進展情況；分析了微合金體系中各元素的協同及交互作用以及夾雜物、第二相粒子析出、演變對鋼的相變、組織結構和性能的影響規律；闡述了冶煉、凝固過程中“有益”夾雜物析出的熱力學、動力學研究現狀，分析了夾雜物性質、尺寸、分布等對誘發晶內鐵素體形核的影響；綜述了熱加工和焊接過程對組織演化、晶粒細化、晶內鐵素體優先析出及提高母材鋼和焊接熱影響區強韌性機制。總結了氧化物冶金研究工作進展及存在的問題，結合課題組研究的成果，提出了基于氧化物冶金的微合金化思想并比較了其與傳統微合金化的異同；展望了基于氧化物冶金的微合金化理論方面需要進一步開展的研究工作。工程科學學報. 2022 44(9): 1529-1537.

基于微細異相鋼液潔凈化技術研究進展

王曉峰, 栗紅, 曹東, 康偉, 常桂華, 鄧志銀, 顧超 — 2022-09-01

王曉峰, 栗紅, 曹東, 康偉, 常桂華, 鄧志銀, 顧超高純凈度鋼的生產是鋼鐵企業面臨的重大課題，在鋼液中獲得尺寸可控、彌散分布的氣泡是去除細小夾雜物、生產高品質鋼的重要手段。微細異相凈化鋼液技術是一種基于碳酸鹽分解反應生產微小氣泡與渣滴去除細小夾雜物的技術，近年來該技術的研發越來越受到冶金工作者的重視，部分新技術已被開發并趨于成熟。本文從微細異相凈化鋼水技術原理出發，詳細介紹了微細異相凈化鋼水技術研究的最新進展，歸納總結了微細異相去除細小夾雜物、脫硫、脫磷、渣料遷移、RH快速脫碳及中間包長水口噴粉工藝特點及作用機理，并對其在工程領域應用亟待解決的問題及未來發展方向進行了展望。工程科學學報. 2022 44(9): 1538-1547.

微合金鋼薄板坯連鑄邊角裂紋控制

蔡兆鎮, 朱苗勇 — 2022-09-01

蔡兆鎮, 朱苗勇微合金鋼薄板坯連鑄過程高發邊角部裂紋，致使熱軋卷板邊部產生翹皮、爛邊等質量缺陷，是鋼鐵行業的共性技術難題。本文立足于某鋼廠QStE380TM低碳含鈮鈦微合金鋼薄板坯連鑄生產，檢測分析了鑄坯角部組織金相結構與碳氮化物析出特點、不同冷卻與變形速率條件下鋼的斷面收縮率，并數值仿真研究了不同結構結晶器和二冷區鑄坯溫度與應力的演變規律。結果表明：微合金鋼薄板坯連鑄過程存在明顯的第三脆性區，且變形速率越大，第三脆性區越顯著。傳統薄板坯連鑄工藝條件下，結晶器的中上部及其出口至液芯壓下段的二冷高溫區，鑄坯角部冷速較低，致使其組織晶界含鈮鈦微合金碳氮化物呈鏈狀析出。鑄坯在液芯壓下過程，低塑性角部因受較大變形與應力作用而引發裂紋缺陷。實施沿高度方向有效補償坯殼凝固收縮的窄面高斯凹型曲面結晶器及其足輥區超強冷工藝，可分別提升鑄坯角部冷速至10和20 ℃·s^?1以上，從而促使鑄坯角部組織碳氮化物彌散析出，并促進鑄坯窄面在液芯壓下過程金屬寬展流動而降低角部壓下應力，大幅降低了微合金鋼薄板坯邊角部裂紋發生率。工程科學學報. 2022 44(9): 1548-1557.

連鑄結晶器“自適應保護渣”理論及應用

文光華, 陳富杭, 蔣文波, 侯自兵, 唐萍 — 2022-09-01

文光華, 陳富杭, 蔣文波, 侯自兵, 唐萍連續鑄鋼工藝的成功與保護渣的正確使用密不可分，但保護渣在結晶器內發生的氟化物揮發、卷渣、控熱與潤滑的矛盾又制約了綠色和高效連鑄的發展。重慶大學通過對保護渣在結晶器內進行物理化學研究，發現保護渣中以鋁為代表的網絡形成中間體元素具有適應結晶器工況環境的功效。這些功效包括：（1）抑制保護渣與水之間離子交換程度，起到固氟和固鈉的作用；（2）形成異類網絡結構，使熔渣產生明顯的剪切稀化行為，實現保護渣不同位置黏度大小控制；（3）在低堿度條件下表現出獨特的熱擴散效應，促使玻璃渣膜變成晶體渣膜。在此基礎上，提出連鑄結晶器“自適應保護渣”設計理論，利用這一理論開發出環境友好、非牛頓流體及熱擴散效應保護渣。工業應用結果表明這類保護渣無需降氟就可達到環境友好、降低超低碳鋼冷軋板封鎖率及提升304D高氮不銹鋼板坯表面質量的效果。工程科學學報. 2022 44(9): 1558-1565.

石油套管鋼管壁內缺陷的形成機理

楊文魁, 楊健, 宋景凌, 李恒華, 周旋, 劉合萍 — 2022-09-01

楊文魁, 楊健, 宋景凌, 李恒華, 周旋, 劉合萍針對某石油套管鋼管壁內缺陷，采用掃描電鏡?能譜儀（SEM-EDS）分析，并結合FactSage8.0軟件計算進行研究，結果表明缺陷縱向面主要由淺條紋及深條紋組成，淺條紋處存在大量MgO·Al₂O₃夾雜物，深條紋處有大量的Al₂O₃、MgO·Al₂O₃、CaO·Al₂O₃·SiO₂等夾雜物聚集在一起。缺陷橫截面上的夾雜物主要為CaO·Al₂O₃·SiO₂、CaO·Al₂O₃·MgO和CaO·Al₂O₃·MgO·SiO₂ 3類。推測鋼管壁內缺陷形成機理主要為：①大包鋼水在澆注末期鋼水卷帶鋼包渣進入中間包鋼水中，該渣滴隨后吸附鋼中高Al₂O₃含量的微細xAl₂O₃·yCaO或Al₂O₃夾雜物，導致渣滴中的Al₂O₃含量升高；②大包鋼水在真空脫氣（VD）精煉過程大Ar氣攪拌下卷入了鋼包渣，該渣滴隨后吸附鋼中的微細Al₂O₃夾雜物，導致渣滴中的Al₂O₃含量升高；以上兩種形式形成的渣滴在凝固冷卻過程中，轉變為CaO·Al₂O₃·SiO₂, CaO·Al₂O₃·MgO，CaO·Al₂O₃·SiO₂·MgO 3種類型的夾雜物。圓管坯在穿孔變形過程中，在縱向拉應力和橫向切應力作用下，使卷入的大型渣滴沿縱向及橫截面延伸擴展，最終形成鋼管壁內的缺陷。工程科學學報. 2022 44(9): 1566-1574.

轉爐錳礦熔融還原工業試驗研究

林路, 曾加慶, 李雙江, 吳偉, 王建忠, 李慧峰, 汪成義, 張飛 — 2022-09-01

林路, 曾加慶, 李雙江, 吳偉, 王建忠, 李慧峰, 汪成義, 張飛為打通轉爐煉鋼過程錳礦熔融還原技術路徑，提高錳的收得率，對錳礦熔融還原過程和提高錳收得率的工藝參數進行了熱力學探討，并在某鋼廠200 t轉爐上開展了工業試驗研究。研究結果表明：高效穩定的鐵水“三脫”預處理技術是錳礦熔融還原技術成功的基本前提；通過理論計算，在爐渣中的(MnO)質量分數為5%～10%，終點[C]質量分數控制在0.13%～0.36%時，終點鋼液[Mn]質量分數可控制在0.3%以上。工業試驗主要通過采用雙渣法冶煉操作，在確保前期鐵水低磷的條件下盡可能控制少渣量、降低爐渣中氧化鐵，從而實現加入錳礦后提高錳收得率；并在現有工藝控制條件下，錳礦加入10 kg·t^?1以內時，工業試驗可使錳礦還原過程錳收得率超過40%，平均為51.40%；為進一步提高錳收得率，建議嚴格將錳礦熔融還原渣料總量控制在40～60 kg·t^?以內，石灰加入量控制在10～15 kg·t^?1以內；研究結果為錳礦熔融還原技術的開發和應用提供重要參考。工程科學學報. 2022 44(9): 1575-1584.

汽車車身用新型冷軋薄板研發進展

朱國森, 韓赟, 蔣光銳, 滕華湘 — 2022-09-01

朱國森, 韓赟, 蔣光銳, 滕華湘對近年來汽車車身用新型冷軋薄板的研發進展進行了綜述，重點介紹了國內外增強成形性雙相鋼（Dual phase steel with improved formability，DH）、鋅鋁鎂鍍層鋼板和高鮮映性汽車外板的技術思路、產品優勢和應用情況。DH鋼中適量穩定性較高的殘余奧氏體大幅提高了斷后延伸率及加工硬化率，在解決沖壓開裂、實現車身輕量化方面效果顯著；鋅鋁鎂鍍層特殊的相結構決定了其優異的耐蝕性能和成形性能，在汽車內板和外板得到廣泛應用；成形零件的表面波紋度是評價高鮮映性汽車外板的重要指標，首鋼開發了表面波紋度演變機理及控制技術，解決了鋼板表面粗糙度與波紋度協同控制難題。指出了這些新型冷軋薄板要關注的生產和應用方面問題，如DH鋼中較高Al、Si含量導致的連鑄生產困難和表面質量問題、高合金含量帶來的性能波動問題、高強度級別產品的氫脆問題和鍍層板焊接的液態金屬脆性（Liquid metal embrittlement，LME）問題等；鋅鋁鎂鍍層鋼板焊接、涂裝、粘接、成形等基礎數據還不健全，高耐蝕性能還需得到更多用戶檢驗及認可；高鮮映性汽車外板還需要進一步減少表面缺陷的數量、尺寸，進一步壓制長波的表面輪廓。工程科學學報. 2022 44(9): 1585-1594.

基于數據驅動的轉爐二吹階段鋼水溫度動態預測模型

谷茂強, 徐安軍, 劉旋, 王慧賢 — 2022-09-01

谷茂強, 徐安軍, 劉旋, 王慧賢轉爐鋼水溫度是轉爐終點控制的工藝參數之一，精確的鋼水溫度預測對轉爐終點控制具有重要的指導意義。然而，以往的大多數轉爐終點預測模型屬于靜態模型，只能夠實現對轉爐吹煉終點鋼水溫度的預測，無法實現動態預測，導致模型的作用有限。針對該問題，提出了一種基于數據驅動的轉爐二吹階段鋼水溫度動態預測模型。模型先通過新案例主吹階段的工藝參數，基于案例推理算法找到歷史案例庫中相似案例。再利用相似案例的二吹階段工藝參數并基于長短期記憶網絡（Long short-term memory，LSTM）算法訓練工藝參數與鋼水溫度的變化關系。然后利用訓練好的LSTM模型，計算新案例二吹階段的鋼水溫度變化。最后，利用某鋼廠實際生產數據，研究了不同重用案例個數及神經元個數對模型預測精度的影響，實驗結果表明：模型在重用案例個數為4，神經元個數為10時模型的預測精度最高，此時模型對鋼水溫度的預測誤差在[?5 ℃, 5 ℃]、[?10 ℃,10 ℃]和[?15 ℃,15 ℃]的命中率分別達到40.33%、68.92%和88.33%，模型的性能高于傳統二次方模型和三次方模型。工程科學學報. 2022 44(9): 1595-1606.

基于非鋁脫氧工藝的高品質軸承鋼關鍵冶金技術研究

王仲亮, 包燕平, 顧超, 肖微, 劉宇, 黃永生 — 2022-09-01

王仲亮, 包燕平, 顧超, 肖微, 劉宇, 黃永生我國高品質軸承鋼生產技術已取得了長足進步，部分企業的軸承鋼質量處于世界先進水平，但質量穩定性與世界領先水平仍存在一定差距。目前，國內外主要采用鋁脫氧工藝生產軸承鋼，通過鋁脫氧和造高堿度渣快速降低鋼液中氧含量，高品質軸承鋼中全氧質量分數已經可以控制在5×10^?6以下，但仍存在大顆粒球狀（Ds類）類夾雜物導致疲勞失效的難題，以及超低全氧和鈦含量難以穩定控制、小方坯連鑄水口堵塞等問題。針對上述問題，本研究提出了非鋁脫氧工藝生產軸承鋼，即在轉爐出鋼時加入硅錳合金預脫氧，鋼包精煉爐（LF）向渣面加入硅質脫氧劑擴散脫氧，真空循環脫氣精煉（RH）真空深脫氧，保證鋼液全氧質量分數在8×10^?6左右。在保證鋼液低鋁低鈦的同時，利用低堿度渣改變夾雜物類型，控制夾雜物塑性化，從而有效地解決鋼液流動性問題。利用超聲疲勞試驗機對兩種工藝軸承鋼疲勞壽命進行測定，闡明了不同類型夾雜物對疲勞性能的影響，剖析了不同工藝軸承鋼的疲勞斷裂機理，研究了引起疲勞裂紋的夾雜物臨界尺寸。工程科學學報. 2022 44(9): 1607-1619.