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2020年  42卷  第S期

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稀土Ce对含磷高强IF钢铸轧全过程MnS夹杂物影响
王皓, 包燕平, 智建国, 高帅, 王敏, 史超
2020, 42(S): 1-8. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.04.06.s11
摘要:
对含磷高强IF钢中MnS夹杂物控制进行了分析。通过对含磷高强IF钢中添加稀土进行对比试验,借助扫描电镜等设备对铸坯1/8、1/2、7/8厚度方向的试样以及热轧、冷轧、连退工序的带钢试样进行了夹杂物统计及二维形貌的观测对比,并对铸坯试样中小样电解的夹杂物及轧制各工序试样中原貌提取的夹杂物进行三维形貌的观测对比。结果表明:铸坯中心MnS夹杂物数量分布明显大于铸坯近表面,稀土的加入,先与钢中S相结合,并在凝固过程中较MnS提前析出,生成了小尺寸的球状夹杂物,可明显降低铸坯各位置MnS夹杂物的尺寸及数量;未加稀土钢在带钢轧制各工序中MnS夹杂物尺寸为10 μm左右,且具有遗传性,在轧制过程中压延变长,但没有碎化弥散。加入稀土后形成了S–O–Ce类夹杂物,形态呈球形,尺寸为2~5 μm,且独立弥散分布,不会对带钢组织连续性造成影响,有利于产品各相关性能。
Mg脱氧夹杂物对大线能量焊接HAZ组织的影响
徐龙云, 杨健, 王睿之
2020, 42(S): 9-13. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.04.05.s10
摘要:
研究了夹杂物对Mg脱氧钢焊接热影响区(HAZ)组织及冲击韧性的影响。研究结果表明,MgO–MnS复合夹杂物形貌随着Al的添加发生显著变化。当Al质量分数为0.001%时,由中心单一MgO粒子与外围MnS相组成;当Al质量分数为0.020%时,其形貌为夹杂物中多个细小的MgO粒子嵌入MnS相中。前者可诱发晶内针状铁素体(IAF)形核,而后者不具备该能力,故HAZ中主要晶内组织分别为塑性IAF、脆性侧板条铁素体。因此,未添加Al钢的400 kJ·cm−1大线能量焊接HAZ韧性优于添加Al钢。
不锈钢中夹杂物三维形貌及其热力学计算
张一民, 孙彦辉, 白雪峰, 卓超
2020, 42(S): 14-20. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.03.25.s13
摘要:
采用无水电解法提取不锈钢中存在的典型夹杂物,通过扫描电子显微镜观察夹杂物三维形貌,并根据元素组成对夹杂物进行分类和形貌分析,对具有相同化学成分但不同三维形貌的夹杂物进行了表征和归纳。利用FactSage 7.0热力学软件,对不同夹杂物的平衡状态进行了计算,研究了温度和钢液成分对于夹杂物平衡的影响,并得到相应的平衡相图。结果表明,无水电解可以有效地将不锈钢中夹杂物完整地提取出来,避免了金相法带来的误差,可以更加清晰的观测夹杂物的三维形貌;经扫描电子显微镜观察和测量,较大的氧化铝夹杂物表面较为容易出现钛元素的富集区域,且大部分夹杂物形貌主要为球状和表面较为光滑的多面体状,直径一般不大于5 μm。通过热力学计算得到,钢中夹杂物的生成与钢中元素质量分数密切相关,在1873 K时,Mg、Ti、Si元素质量分数的不同会导致生成不同的夹杂物。
外加Y2Ti2O7纳米粒子对CLAM钢夹杂物的影响
王佳喜, 王东伟, 邱国兴, 蔡南, 战东平, 姜周华
2020, 42(S): 21-26. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.04.15.s07
摘要:
在真空感应炉中加入Y2Ti2O7纳米粒子制备CLAM钢,通过扫描电子显微镜(SEM)、X射线能谱分析仪(EDS)、X射线衍射仪(XRD)和万能试验机,探究Y2Ti2O7纳米粒子对CLAM钢中夹杂物的影响,分析CLAM钢的力学性能。结果表明,Y2Ti2O7+Fe纳米粒子成功加入CLAM钢,添加粒子后的CLAM钢中的夹杂物尺寸为0.5~1.5 μm,其形貌近似球形,成分为Y–Ti–O–Mn–C–Ta–W–V–Cr–Fe,属于包裹状复合夹杂物,主要是因为Ta、V是强碳化物形成元素以及部分Y2Ti2O7粒子可能发生了团聚。当Y2Ti2O7粒子添加量(质量分数)为0.5%时,外加的Y2Ti2O7粒子使得钢中夹杂物改性变质为稀土氧化物的复合夹杂类型,钢的强度为1356 MPa,伸长率和断面收缩率分别为13.44%和63.15%。在部分拉伸断口韧窝中还可以观察到第二相粒子,其尺寸为≤1 μm,呈球状,其成分较为复杂,主要为Y–Ti–O–C–Ta–W相。
夹杂物对Q235钢耐腐蚀行为的影响
杨轶轩, 阳晋, 张威, 王敏, 李岚昕, 李新
2020, 42(S): 27-33. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.03.25.s05
摘要:
海洋环境对于金属的腐蚀具有明显的加速作用,尤其在高铁海底隧道环境中,金属比正常的服役时间变短,这种腐蚀情况下会影响高铁的安全和准点运行。基于以上背景,通过夹杂物自动扫描、钢的加速腐蚀及电化学测试对钢中的夹杂物诱发腐蚀行为进行系统分析,重点分析了高铁轨旁信号设备连接金属件(Q235)中夹杂物在盐雾环境下的腐蚀行为。结果表明:钢中主要夹杂物为氧化物、硫化物或者其复合夹杂,而这两类夹杂物对于诱发钢基体点蚀的原因不同。其中数量最多、尺寸小于5 μm类型的夹杂物为硫化物夹杂和氧硫复合类型夹杂物;数量少、尺寸大于5 μm的夹杂物为氧化物夹杂。在服役过程中,钢中硫化物夹杂易溶解脱落形成点蚀坑,而氧化物夹杂周围基体会先溶解引起夹杂物脱落形成点蚀坑,复合类夹杂物也是诱发钢发生腐蚀的因素,不同复合类型的夹杂物腐蚀方式不同,硫化物夹杂和氧硫复合夹杂对碳钢影响较大。电化学测试表明自腐蚀电位约为为−0.1 V,Q235钢本身抗腐蚀能力不强。夹杂物在腐蚀过程中参与了腐蚀,引起阳极极化曲线的波动,加快了Q235钢的腐蚀情况。研究结果对于认识和改善钢的耐腐蚀性能有指导意义。
碳铝硅在铁液中对氮溶解速率的影响
范越文, 胡晓军, 王鹏栋, 李远
2020, 42(S): 34-38. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.03.15.s18
摘要:
通过15N-14N同位素气体交换技术消除液相传质的影响,利用在线质谱分析仪测定了在1873 K下,铁液中氮溶解的界面反应速率常数。结果表明,总流量为600~800 mL·min−1时可以忽略气相传质的影响,保护气中增加H2的比例有利于降低钢液中杂质元素的浓度。铁液中加入一定量碳、铝、硅,分析得到这三种元素对氮溶解速率是抑制的。依据本实验的数据利用空位解离模型建立反应速率常数ka与氧、硫、碳、铝、硅的活度关系,吸附系数分别是KO=0.96,KS=9.32,KC=0.02,KAl=0.51,KSi=1.16。纯铁液中氮的溶解反应表观速率常数为ka=4.8×10−6 mol·m−2·s·Pa。
电弧炉炼钢炉渣成分实时预报模型
杨凌志, 薛波涛, 宋景凌, 魏光升, 郭宇峰, 谢鑫, 刘全胜
2020, 42(S): 39-46. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.04.05.s12
摘要:
为了实现冶炼过程中对炉渣成分的实时预测,给电弧炉炼钢过程中加料等工艺操作提供帮助,对影响炉内炉渣成分的因素(炉内反应、加料与流渣)进行了研究,构建了电弧炉炼钢炉渣成分实时预报模型。结果显示,该模型能够实时预测炉内炉渣质量和成分变化,预报炉内铁元素氧化状况,可为冶炼过程中添加辅料与流渣等工艺操作提供指导作用。通过与现场炉渣取样检测结果进行对比,得到炉渣中CaO、SiO2和FeO实测成分与模型预测成分的平均相对误差分别为12.66%、11.17%和19.16%。
金属熔池埋入式气–固喷吹冲击的特征规律
魏光升, 朱荣, 田博涵, 董凯, 杨凌志
2020, 42(S): 47-53. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.04.05.s03
摘要:
电弧炉炼钢以废钢为基本原料,熔清后磷含量波动大,且受炉型结构限制,反应动力学条件差,深脱磷困难;全废钢冶炼熔清碳含量低,熔池内C–O反应缺乏,气泡产生数量少;且吹氧强化搅拌造成渣中FeO含量高、钢液易过氧化。电弧炉熔池内气–固喷吹冶炼新工艺,通过向熔池内部直接喷射石灰粉或碳粉,有效解决上述问题。本文通过数值模拟和水力学模拟实验研究了金属熔池内埋入式气体喷吹和气–固喷吹的冲击特征规律。熔池内射流水平和竖直冲击深度随气体喷吹流量增加而增加,而当气体喷吹流量一定时,随着喷枪安装角度的增大,熔池内射流竖直冲击深度增加,而水平冲击深度减少。同时发现,粉剂颗粒提高了气体射流的冲击动能,增加了气体射流的冲击穿透深度。
拉瓦尔喷管结构模式对超音速射流流动特性的影响
刘福海, 朱荣, 董凯, 魏光升, 李易霖
2020, 42(S): 54-59. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.03.15.s15
摘要:
首先对喷管内流动特性进行了研究,结果表明传统拉瓦尔喷管在喷管内部易形成大量明显的波系结构,抑制了超音速氧气射流的初始冲击效果,而利用特征线设计的曲线拉瓦尔喷管可有效解决该问题。其次,分析了不同供氧流量下,传统拉瓦尔喷管及曲线拉瓦尔喷管在高温条件下的射流马赫数分布、动压及射流卷吸特性。研究结果表明基于特征线法设计的曲线拉瓦尔喷管应用于转炉氧枪喷头时,可延长氧气射流核心段长度,增大氧气射流对熔池的搅拌能力,并提高氧气在熔池内的传质效果。
电弧炉内长电弧等离子体的数值模拟
姚聪林, 朱红春, 姜周华, 潘涛
2020, 42(S): 60-67. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.04.08.s04
摘要:
全废钢连续加料电弧炉内长电弧作为炉内主要的能量来源,对废钢熔化及钢液升温至关重要。采用磁矢量势的磁流体动力学方法建立了电弧炉内电弧的数值模型,并基于该数值模型对电弧炉内电磁场、温度场和流场进行耦合求解,研究了电流大小、弧长对电弧炉内电弧的温度、速度、压力及气体剪切力特性的影响。结果表明,全废钢连续加料电弧炉内电弧等离子体呈“长钟型”分布,电弧柱较细长;随着电流增大,电弧有效作用范围增大,阳极表面电弧压力和气体剪切力增大;随着弧长增加,电弧有效作用范围减小,阳极表面的电弧压力和气体剪切力减小。短弧操作对熔池冲击剧烈,长弧操作熔池较为平稳,合理控制电流和弧长能有效提高电弧热效率。
中间包等离子加热的物理模拟
王勇, 赵梦静, 杨树峰, 李京社, 张贯旭, 习小军
2020, 42(S): 68-75. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.03.25.s16
摘要:
为了提高实际生产中中间包等离子加热热效率,改善中间包内钢液流动状态,本文根据某钢厂中间包原型,通过物理模拟对比研究了有无等离子加热和不同等离子加热位置下中间包内温度场和流场的变化情况。研究结果表明,在无等离子加热条件下,中间包内死区比例较高,达到了36%,死区主要集中在中间包挡墙外侧上部区域;当加热位置位于挡墙外侧时,中间包内死区比例与不加热时相差不大,靠近加热位置处的温度急剧上升,挡墙内外两侧的温度差较大,中间包内整体温度分布不均匀;加热位置位于挡墙内侧时,中间包死区比例明显降低,达到29.2%,平均停留时间约增加57 s,出水口温度明显上升(约7 ℃),中间包内温度分布更均匀。
集束氧枪结构参数对射流流场分布特征的影响
魏光升, 朱荣, 陈书江, 刘福海, 董凯, 姚柳洁
2020, 42(S): 76-82. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.03.20.s17
摘要:
采用数值模拟及热态燃烧实验方法,分析了3种不同集束氧枪末端几何结构在常温及高温条件下的射流速度场及温度场分布特性,并重点研究了常用枪位条件下射流动压对熔池的冲击形貌特点的影响. 研究结果表明,采用收束式约束集束氧枪可有效抑制射流能量向径向的扩散,从而延长伴随流高温区长度,达到提高超音速射流核心段长度及熔池搅拌效果的目的.
LF精炼过程砷脱除的工业试验
李文博, 赵海泉
2020, 42(S): 83-88. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.03.20.s02
摘要:
基于炼钢生产过程中残余元素砷较难脱除的特点,并结合以往实验室热态脱砷研究结果。通过钢包精炼炉(Ladle furnace refining furnace, LF炉)钢液脱砷工业试验,研究了LF精炼炼钢过程中有关砷的脱除方法。采用Al–Mg–Ca合金作为脱砷剂,研究发现,LF炉可以实现钢液精炼脱砷,但钢液精炼过程中硫和钙的含量是实现工业条件下脱砷的限制环节。因此,必须控制钢液中硫和钙的含量以保证钢液脱砷效果。LF炉精炼脱砷之前必须将钢液中的硫含量降至低于0.01%,加入Al–Mg–Ca合金后钢液中钙含量需高于0.0055%。
AOD精炼双相不锈钢2101去碳保铬研究
易天龙, 吴华杰, 孙悦, 刘颖辉
2020, 42(S): 89-94. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.04.25.s06
摘要:
双相不锈钢2101生产成本低,性能优异,近年来被逐渐重视。采用“电炉+AOD+模铸”的工艺生产2101双相不锈钢,在AOD精炼过程中,研究了温度和主要成分Cr、C、Si的变化情况,结果显示,AOD炉有很好的脱碳效果,能将C质量分数(w[C])由2.5%脱至0.03%以下,在还原期,Si对Cr有很好的还原效果。精炼过程中,最重要的是脱碳,但将碳脱至0.1%以后,所需要的条件变得苛刻。通过热力学计算公式,研究了双相不锈钢2101去碳保铬的影响因素,结果表明,碳铬平衡主要受CO分压和温度的影响,CO分压越低、温度越高越有利于脱碳。在CO分压一定,w[C]<0.1%时,w[C]越低,碳铬平衡曲线的斜率越大,脱碳需要的温度越高,脱碳越困难,降低CO分压可进一步脱碳。在PCO/P0= 0.4,w[Cr]=21.5%条件下,为将w[C]脱至0.03%以下,需要将炉内温度升到1746.1 ℃以上。
基于F曲线的中间包流场优化
王汝栋, 苏旺, 崔衡, 严进宝, 刘建华, 王福良
2020, 42(S): 95-101. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.03.20.s14
摘要:
针对某厂三流异型坯中间包,建立了相似比为1∶2的水模型,使用F曲线对不同控流装置下的中间包流场特性进行分析与优化。实验内容包括原型控流装置、湍流抑制器无挡坝、湍流抑制器加挡坝组合。结果表明,原型中间包中部水口存在短路流,水口间流动的差异性较大,可能导致三个铸流的铸坯温度和洁净度不均匀,进而发生同炉次各铸坯质量稳定性差的问题。采用湍流抑制器无挡坝控流装置,湍流抑制器导流孔夹角为60°时,短路流出现在中部;导流孔夹角为86°时,无短路流,各流一致性变好;导流孔夹角为110°时,两侧水口出现短路流,各流一致性优于前两个角度。中间包的各流一致性与死区比例并无相关性,一致性良好的中间包流场,其死区比例并不一定小。优化后的中间包湍流抑制器导流孔夹角为110°,挡坝距离中间包中心2400 mm,中间包内无短路流,1#、2#水口一致性最佳,死区由17.89 %减小到9.67 %,减小率为11.25 %,F曲线标准差最大值由0.3减小到0.016。
连铸工艺参数对SWRH82B高碳钢碳偏析的影响
吕明, 米小雨, 张朝晖, 支旭波, 冯璐
2020, 42(S): 102-108. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.03.20.s09
摘要:
高碳钢连铸生产技术工艺优化是当前连铸技术研究的主要内容之一。针对国内某钢厂SWRH82B高碳钢生产过程中出现碳偏析、网状渗碳体组织缺陷的问题,采用数值模拟与实验相结合的方法,利用Fluent软件建立了八机八流连铸机凝固传热模型,数值模拟计算凝固传热特征;研究了八机八流连铸机在不同浇注速度、过热度和末端电磁搅拌参数条件下对SWRH82B高碳钢铸坯碳偏析和夹杂物的影响;分析了SWRH82B高碳钢连铸过程中的主要要素与组织性能之间的关系。研究结果表明:铸坯中心碳偏析是网状渗碳体主要诱导因素,通过调整过热度和浇注速度有利于促进钢液成分的均匀化,降低夹杂物含量;当过热度降低至25 ℃,浇注速度提高至2 m·min−1,铸坯中心平均碳偏析指数由1.17降低为1.11,索氏体化率达到89%,网状渗碳体级别由四级下降到一级,基本消除C类夹杂物;通过设置末端电磁搅拌参数为电流370 A、频率7 Hz时,碳偏析指数最低值下降到1.04。通过优化连铸生产工艺参数,解决了企业SWRH82B高碳钢生产过程中的缺陷,为高碳钢的高质量生产提供理论与实践支撑。
气氛保护电渣重熔过程中氧化物–CaS复合夹杂物的演变
刘伟建, 史成斌, 徐昊驰, 郑顶立, 吕士刚, 李晶, 郭宝善
2020, 42(S): 109-118. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.03.12.s08
摘要:
利用扫描电镜分析了自耗电极和电渣重熔钢中夹杂物的特征,结合热力学计算,分析了氧硫复合夹杂物在电渣重熔过程中的转变机理。结果表明,电渣重熔采用气氛保护结合脱氧操作可以将自耗电极全氧质量分数由0.0017%降低至0.0008%。电渣重熔之后钢中小于3 μm夹杂物的比例显著增加。自耗电极中的夹杂物为CaS与含质量分数3%和11%左右MgO的CaO–Al2O3–SiO2–MgO结合的两类复合夹杂物。电渣过程未被去除的氧化物夹杂中的SiO2被钢液中酸溶铝还原,保留至电渣锭中。电渣锭中含约1%MgO和2%SiO2且成分均匀的CaO–Al2O3–SiO2–MgO是在电渣过程中新生的夹杂物。自耗电极中的CaS通过分解为钢液中溶解Ca和S,以及通过与液态氧化物夹杂中Al2O3反应的途径在电渣过程被去除。电渣锭中低熔点氧化物夹杂周围环状CaS是钢液凝固过程中溶解S、酸溶铝Al与氧化物夹杂中CaO的反应产物,高熔点氧化物夹杂周围环状CaS是钢液凝固过程中Ca和S偏析后反应新生的夹杂物。复合夹杂物中补丁状CaS是在电渣重熔钢液冷却过程中由复合夹杂物熔体中析出的。
Incoloy825合金电渣重熔低氟渣系设计的热力学研究
巨建涛, 杨康帅, 棘广恒, 安家良, 刘诗薇
2020, 42(S): 119-127. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.03.07.s01
摘要:
为控制Incoloy825合金中的Al、Ti含量,并减少电渣过程中氟化物的挥发。借助FactSage热力学软件,建立渣−金反应的热力学模型。设计出适宜控制Al、Ti含量的低氟渣系,探究了渣中组元与Al2O3和TiO2活度比的关系,并通过高温渣–金平衡实验进行验证。结果表明:当渣中CaO和Al2O3含量增加,导致\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}值升高,即合金中Ti含量降低,Al含量升高;与此相反,渣中TiO2含量升高,使\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}值降低,即Ti含量增加,Al含量减少;渣中CaF2和MgO含量的增加对\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}的影响较小。合金中Al、Ti含量相差较大时,合金中Ti元素易氧化;Al、Ti含量相差较小时,Al元素易氧化。渣中CaO的质量分数为30%~33%、Al2O3的质量分数为30%~33%、TiO2的质量分数为6%~12%、CaF2的质量分数为20%~30%、MgO的质量分数为1%~5%时,能够有效控制合金中Al、Ti元素含量。