为探究稀土在电炉炼钢中的应用前景及发展趋势,系统梳理了电炉炼钢的发展现状与面临挑战,重点分析了稀土在抑制残余元素、控制氮含量、改善夹杂物及提升产品性能等方面的作用。研究表明,作为典型的废钢集中工艺,绿色低碳的电炉钢面临残余有害元素超标、氮含量偏高、夹杂物偏多等质量问题,成为制约其生产高品质钢种的主要瓶颈。稀土元素以其化学性质活泼、添加量少、效果显著等优势,可作为提升电炉钢产品质量的理想添加剂。未来应从微观尺度深入研究稀土在电炉钢中的作用机理,明晰稀土与钢材性能的定量关系,拓宽稀土钢品种,解决影响稀土在电炉钢中应用的技术障碍,从而提升我国在稀土材料制造方面的技术水平。

提高转炉冶炼的废钢占比对我国钢铁工业的降碳减排和绿色转型具有重要意义。综述了转炉高废钢比冶炼中废钢熔化相关的研究进展;概述了国内外废钢利用现状;介绍了废钢在熔池中的熔化过程和机理,重点分析了熔池温度、元素成分、边界层特性、废钢自身属性四个因素对废钢熔化的影响;归纳总结了提高废钢比的主要技术,包括废钢预热、转炉内二次燃烧、添加补热剂和强化熔池搅拌,以解决高废钢比带来的热量不足问题。同时简要介绍了高废钢比对转炉冶炼的影响,最后对现有研究进行了总结并展望了未来发展方向,以期为转炉高废钢比冶炼的理论探究与应用提供参考。

为控制铁水包顶喷脱硫过程的喷溅行为,以某厂180 t铁水包为原型,基于相似原理建立水模型。探索了顶枪喷吹铁水包内喷溅的形成机制,研究了喷枪的喷孔数量、喷孔直径对控制喷溅的影响规律,并采用数值模拟方法计算了水模型内的气液两相流行为。结果表明:上浮至钢渣界面的气泡在其液膜上表面形成液滴,气泡破裂后逸出的气体给予液滴上升动量而形成喷溅;将两孔喷枪改成三孔喷枪,若侧孔直径不变,增设底孔的三孔喷枪并不利于减轻喷溅。这是由于增设底孔使侧孔的流量变小,从而气体的初始速度变小,气泡在液相中的扩散能力变差,气泡集中在喷枪附近;而缩小三个喷孔的直径可以增大气泡的初始速度,使气泡在液相中的扩散增强,同时自由面处气泡的逸出速度也减小。喷孔直径从2.0 mm缩小至1.6 mm,喷溅量从27.5 mg减至25.8 mg,相较于原两孔喷枪,能有效抑制喷溅。该试验最优的三孔喷枪喷孔直径为1.8 mm。工业试验表明,三孔喷枪较常规喷枪脱硫率提升1.2个百分点,喷溅铁损降低5.9 kg/t。

为提高钢铁冶炼过程中KR工艺的脱硫效率,提出一种融合改进灰狼优化算法(IGWO)与深度神经网络(DNN)的脱硫剂添加量预测模型。首先,基于钢厂实际生产数据构建预测样本,采用随机森林(RF)评估特征重要性,筛选出与CaO脱硫剂目标变量显著相关的6项工艺参数;其次,通过引入佳点集策略与延迟非线性收敛因子机制,在标准灰狼优化算法(GWO)框架中平衡全局探索与局部开发阶段的能力;最后,应用IGWO对DNN的初始权值与阈值进行优化,从而提升网络收敛速度与预测精度。试验结果表明,所提IGWO-DNN模型在测试集上的决定系数(R2)达到0.93,平均绝对误差(MAE)和均方根误差(RMSE)分别为105.42和152.18。相较于传统模型,该方法在应对复杂工况与多维参数耦合时,可以有效捕捉脱硫过程中的离散和波动特性,显著提升对实际生产工况的适应性与预测精度。

通过向钢中加入不同质量的硅钙合金,研究了不同钙含量对含硫钢中夹杂物的瞬态演变的影响。在低钙含量条件下,夹杂物成分变化较小,其尺寸和数量随保温时间延长呈增长趋势,夹杂物上浮去除效率较低。在高钙含量条件下,CaS夹杂物分解速度较快且上浮去除效率较高,保温30 min时高低钙含量样品的夹杂物数量与面积分数相近。含硫钢中钙含量较高时能够促进Al?O?夹杂物的改性,形成更多液态和半液态夹杂物,同时提高夹杂物的液相分数。因此采用较高钙含量工艺更有利于实现含硫钢中夹杂物的有效改性和液态窗口的优化调控。

连铸过程中,凝固坯壳的形成与生长直接决定了生产安全与产品质量,而钢液的流动行为则是初始凝固热传输与凝固前沿界面稳定的核心影响因素。建立了连铸结晶器的三维流动-传热-凝固耦合数学模型,系统模拟了吹氩量与拉速变化对结晶器内钢液流场、温度分布及坯壳厚度的影响。结果表明:结晶器内钢液呈双辊流模式,主射流冲击窄面后形成回流,造成不同区域传热强度差异显著;在窄面区域,凝固坯壳厚度与凝固前沿钢液流速存在"先减小、后增大"的变化规律,二者表现出明确的定量关联;而在宽面区域,由于上返流股与宽面中心的强湍流混合作用,坯壳厚度与流速之间未呈现稳定的对应关系。该研究结果可为连铸工艺参数优化与凝固界面稳定性控制提供理论依据。

为精准调控小方坯连铸凝固组织,提升铸坯质量,建立了柱状晶-等轴晶转变CET(Columnar-to-Equiaxed Transition)预测模型,以SWRH82B钢种为基准,确定过热度27 ℃、拉速1.6 m/min条件下的柱状晶→等轴晶CET转变判据常数(柱状晶向等轴晶转变临界参数)为8.93 ℃·s^1/2·mm^-3/2。通过测量SWRH77B钢二次枝晶间距计算冷却速率,并与模型模拟值对比,验证了数学模型的可靠性(误差较小且变化规律一致)。进一步研究过热度、比水量、拉速三个关键工艺参数对等轴晶率的影响规律,结果表明:过热度每升高10 ℃,等轴晶比率下降1~2百分点;比水量每增加0.2 L/kg,等轴晶比率下降约2百分点;拉速每提高0.2 m/min,等轴晶比率下降1~2百分点。研究结果为小方坯连铸工艺优化、改善凝固组织提供了理论依据与实践指导。

高锰钢连铸生产中,钢水与保护渣之间的氧化还原反应导致保护渣发生成分变化,MnO浸入会促使保护渣性能变化,使得连铸工艺极不稳定。为提高连铸工艺生产高锰钢连浇炉数、改善连铸坯表面质量,结合国内外研究学者前期研究工作,阐述了Fe-Mn-C高锰耐磨钢Mn13化学成分、凝固特性以及渣-钢反应特点,通过实验室模拟以及理论分析,研究了连铸保护渣MnO的反应行为及稳定性。试验表明:对于Fe-Mn-C系高锰钢采用CaO-SiO?基保护渣,随着渣-钢反应进行,渣中SiO?含量降低而MnO含量迅速升高,钢中Si含量升高而Mn含量降低,初始MnO的配入量在保护渣中并无阻止反应的作用;随着保护渣中MnO含量提高,保护渣的黏度和转折温度逐渐降低,较低的转折温度延长了液态渣膜的存在时间,起到改善结晶器与铸坯间的润滑作用。研究结果可为Fe-Mn-C系高锰钢连铸生产提供重要的技术支撑。

基于工业试验,系统研究了Ce含量对201-J5低镍奥氏体不锈钢中夹杂物的改性作用及其对耐腐蚀性能和力学性能的影响规律。随着Ce质量分数从0增加至61×10??,钢中夹杂物由Al-Si-Mn-Ca-O和MnS逐步转变为球状Ce-Al-Si-O-S复合夹杂物,夹杂物数量密度从28.9个/mm2降至16.2个/mm2,面积分数从68.9×10??降至39.8×10??,平均尺寸从4.9 μm减小至4.4 μm。当Ce质量分数为37×10??时,不锈钢耐腐蚀性能最佳,Ce质量分数从0增加到37×10??时钢的腐蚀失重速率从0.078 g/(m2·d)降至0.038 g/(m2·d),击穿电位从128.1 mV提升至147.6 mV,晶间腐蚀敏感性明显降低。力学性能方面,稀土元素Ce的添加细化了晶粒组织,晶粒度级别从6.0提升至6.6;同时提高了钢的拉伸性能和冲击韧性,其中横向抗拉强度呈现先增后降趋势,纵向抗拉强度持续增强,断后伸长率稳定提升,冲击吸收功在Ce质量分数为34×10??时达到峰值102 J。此外,稀土元素Ce有效改善了钢的高温塑性,消除了温度在1100~1150 ℃的塑性恶化现象,有效抑制了热轧板表面脱皮缺陷的产生。研究为稀土元素Ce在低镍奥氏体不锈钢工业化应用中的夹杂物控制和性能提升提供了重要依据。

通过系统分析X65MS管线钢抗HIC性能不合格的成因,并结合连铸坯中碳氮化物的分布特征,清晰地揭示了"连铸坯偏析→析出相与有害组织形成→氢致裂纹产生"的演变过程与内在机制。试验结果表明,连铸坯中心偏析区域Nb、Ti、C、N等溶质元素富集,为粗大的碳氮化物的析出、长大提供了驱动力。这些粗大的碳氮化物遗传至钢板中,成为了不可逆氢陷阱,促使HIC形核,并沿连铸偏析导致的带状硬脆组织扩展。热力学计算表明,TiN的起始析出温度约1479.0 ℃,接近固相线温度,说明其先在凝固末期的液相或枝晶间析出;而NbC的起始析出温度约1134.0 ℃,其倾向于在缺陷密度高的连铸坯芯部析出。通过精准调节Ti、N、Nb等元素的含量,能够主动控制碳氮化物的析出温度与析出量。为提升X65MS管线钢的抗HIC性能,建议采取以下综合措施:在连铸中采用低拉速与低过热度,配合强化轻压下,以减轻中心偏析;在轧制中控制适宜加热温度与未再结晶区变形量,并优化冷却工艺,以细化组织、抑制有害析出;同时应严格控制氮含量及适当降低钛铌含量。通过全流程协同调控,有望系统改善钢材抗HIC性能,并为工业生产提供参考。

在中碳钢钛微合金热轧板中发现了大颗粒TiN夹杂物。因此,以钛微合金化中碳钢的连铸坯为研究对象,采用金相显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、ASPEX、体视显微镜(ST)、显微硬度计(MH)等装置对连铸坯中的TiN夹杂物进行了观察,总结了TiN夹杂物在连铸坯厚度方向上的分布规律。创新性地采用显微标记和枝晶侵蚀,证明了铸坯大颗粒氮化钛是在枝晶间析出的;结合大样电解观察了连铸坯TiN夹杂物的三维形貌,证明随着TiN粒度的增加,其形貌呈现枝晶状,证实了大颗粒氮化钛是以枝晶的方式生长。通过超声波清洗电解得到的TiN夹杂物,发现大颗粒枝晶状TiN夹杂物易碎。在轧制成品中发现了链状氮化钛夹杂物,验证了铸坯中枝晶状态下的氮化钛在轧制变形过程中破碎成链。对研究钢种的铸坯内TiN进行标记,并模拟加热炉工艺,证明了现有加热炉工艺条件下TiN夹杂物很难回熔。

针对转炉干法除尘烟道结垢问题,采用XRF、XRD、SEM等设备对除尘烟道内结垢物特性进行分析,结合热力学计算对烟道结垢机理进行分析。研究表明,转炉干法除尘烟道结垢现象主要集中在烟罩、汽化冷却烟道斜坡、烟道末端、蒸发冷却器内部、香蕉弯区域,产生结垢的原因包括物理结垢和化学结垢。吹炼初期金属喷溅是烟罩结垢的主要原因;烟尘中大量存在的CaO与除尘灰基础氧化物Fe?O?高温反应生成CaFe?O?是汽化冷却烟道斜坡结垢的主要原因;烟尘中ZnO与Fe?O?高温反应形成ZnFe?O?是烟道末端、蒸发冷却器内部结垢的主要原因,同时烟尘中CaO与烟气中CO?作用生成CaCO?会加重蒸发冷却器内部结垢。烟气中含有较高含量的NaCl、KCl低熔点物质会促使烟道结瘤物尺寸增大、强度增加。