超低碳钢精炼过程中Fe-Al-Ti-O类复合氧化物夹杂的演变与控制

超低碳钢是一种重要的汽车用钢材料, 钢中通常添加钛元素, 使其形成析出物, 提高钢材的深冲性.然而钛元素作为一种脱氧能力较强的元素, 进入钢液中通常首先形成氧化物.为了减少含钛氧化物夹杂的生成, 基于"转炉-RH-连铸"的超低碳钢生产流程, 对RH精炼过程进行系统取样, 分析了铝脱氧剂加入后及合金化元素钛加入后的氧、氮气体含量变化及夹杂物特征变化, 并使用FactSage热力学计算软件对Fe-Al-Ti-O夹杂物稳定相图进行计算.研究结果显示, 含钛类氧化物夹杂通常以Al₂O₃类夹杂物作为形核质点, 对其形成包裹状夹杂物.若避免含Ti夹杂物的生成, 当钢中Ti质量分数为0.1%时, 钢中溶解Al质量分数应在0.01%以上.对含钛氧化物的生成及长大流程进行研究, 通过对Al₂O₃夹杂物及Ti₂O₃夹杂物粗化率的计算及附着功的比较可知, Ti₂O₃夹杂物在1600℃时的熟化生长速率较Al₂O₃较大且Ti₂O₃夹杂物与Al₂O₃夹杂物相比不容易相互碰撞融合并从钢液中去除.若提高精炼过程中的氧化物夹杂物去除率, 应严格控制含钛氧化物类夹杂物的生成.      

首钢烧结配加扬地粉试验研究

介绍了首钢原料条件下配加扬地粉对烧结生产影响的实验室研究.随着扬地粉配入量的增加,烧结矿转鼓强度、成品率改善,燃耗有少量上升,利用系数增加,低温还原粉化指数变差.研究结果表明:在首钢目前条件下,配入10%～20%的扬地粉是可行的.二烧车间进行了扬地粉工业试验,其最高配比达到30%,工业试验时烧结各项指标变化与实验室试验结果基本一致.     

Interfacial reaction between CO2-CO gas and molten iron oxide containing P2O5

The interfacial reaction between CO₂-CO gas and molten iron oxide containing P₂O₅ was investigated by the ¹³CO₂-CO isotope exchange technique at 1773 K with CO₂/CO=1.0. The apparent rate constant rapidly decreased with the addition of P₂O₅ up to 2.86 mol pct PO_2.5 and the Fe³⁺/Fe²⁺ ratio kept constant at approximately 0.2. By the classic site blockage model, in which the reaction only occurs on the vacant sites, and the modified site blockage model, in which the reaction occurs on the vacant sites and the sites occupied by phosphorus simultaneously, the effect of the addition of P₂O₅ was analyzed and the reaction mechanism of CO₂ dissociation was discussed. It may be concluded that the dissociation of the adsorbed CO₂ molecule is reasonable as a rate-determining step and that the effect of phosphorus on the interfacial reaction is caused by the decrease in the number of active sites with the increase of phosphorus content as a surface active element in molten iron oxide.     

Development of a small DMFC bipolar plate stack for portable applications

The direct methanol fuel cell (DMFC) is regarded as a promising candidate in portable electronic power applications. Bipolar plate stacks were systematically studied by controlling the operating conditions, and by adjusting the stack structure design parameters, to develop more commercial DMFCs. The findings indicate that the peak power of the stack is influenced more strongly by the flow rate of air than by that of the methanol solution. Notably, the stack performance remains constant even as the channel depth is decreased from 1.0 to 0.6 mm, without loss of the performance in each cell. Furthermore, the specific power density of the stack was increased greatly from ∼60 to ∼100 W l⁻¹ for stacks of 10 and 18 cells, respectively. The current status of the work indicates that the power output of an 18-cell short stack reaches 33 W in air at 70 °C. The outer dimensions of this 18-cell short stack are only 80 mm × 80 mm × 51 mm, which are suitable for practical applications in 10–20 W DMFC portable systems.     

Phase equilibria of the Al2O3–CaO–SiO2-(0%, 5%, 10%) MgO slag system for non-metallic inclusions control

Al₂O₃–CaO-(MgO–SiO₂) inclusions are one of the dominant inclusions in Al-deoxidized spring steel, the compositions changes of which are closely related to refining slags and deoxidization process. The Al₂O₃–CaO–SiO₂–MgO system can represent the primary ingredients of the Al₂O₃–CaO inclusions. According to analyzed compositions and predicted liquidus temperature ranges of inclusions and refining slag, equilibra experiments under high temperature, water quenching technique and subsquent electron probe X-ray microanalysis (EPMA) has been conducted to ascertain detailed thermodynamic database for inclusions control. Liquidus temperatures within the dominant phase fields of Ca₃SiO₅, Ca₂SiO₄, CaAl₂O₄, Ca₃Al₄O₉, spinel and MgO with the intervals of 20 °C from 1350 to 1560°C were identified. To further promote inclusions control, the influences of mass ratios of Mass(Al2O3)Mass(Al2O3+SiO2+CaO) and MgO contents on equilibrated phases and liquidus temperature changes have been explored. To further enhance modification levels of Al₂O₃–CaO-(MgO–SiO₂) system inclusions, it is suggested that refining time could be suitably prolonged.     

稀土元素铈对钢中非金属夹杂物改性和腐蚀影响的第一性原理研究

通过原位腐蚀观察和基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,从微观角度研究了稀土元素铈（Ce）对J5不锈钢中夹杂物的改性和夹杂物诱导腐蚀的机理。采用扫描电子显微镜与能谱分析了稀土元素Ce改性夹杂物的过程中夹杂物成分和类型的变化,观察到的代表夹杂物为CeAlO₃?Ce₂O₂S、Ce₂O₃?Ce₂O₂S、MnS等。根据形成能计算,经稀土元素Ce处理后,生成了稳定的Ce₂O₃、Ce₂O₂S、CeAlO₃夹杂物。通过表面能判断了晶面的稳定性,Fe(100)-2面的表面能经收敛测得为2.4374 J·m?2,该晶面的功函数为4.7352 eV。通过对比夹杂物与钢基体的功函数与计算电势差,分析了不同含Ce夹杂物诱导点蚀的趋势,探讨了不同原子位置、原子数量和不同slab模型对功函数的影响。研究表明,与Fe (100)-2面的电子功函数相比,MnS以及改性后3种夹杂物CeS、Ce₂O₃和Ce₂O₂S电势差大多小于0,CeAlO₃的电势差在0 eV左右。夹杂物不同晶面对功函数影响很大,O、S等非金属原子数量多的晶面功函数平均值较高,添加稀土元素Ce可以有效降低晶面功函数。5种夹杂物和钢基体的平均功函数大小顺序为CeAlO₃>Fe>MnS>CeS>Ce₂O₂S>Ce₂O₃。结合不锈钢中复合夹杂物的实验结果可知,Ce₂O₃诱导点蚀发生的概率最高,CeAlO₃可以有效提高钢的耐腐蚀能。      

胀断连杆用高碳微合金钢连铸大方坯的铸态组织

胀断连杆是汽车精密传动用高端产品,需具高强高韧和裂解加工脆性解理断裂特性。连铸化生产高碳易切削胀断连杆用微合金非调质钢是当前的发展方向。基于大方坯连铸生产典型工艺及其铸态组织、成分均匀性分析,研究了胀断连杆加工过程常见断口形貌不合的钢坯遗传性因素。以常用德系C70S6钢为例,采用250 mm×280 mm断面弧形连铸机,解析其在一定结晶器电磁搅拌条件下所浇铸大方坯的铸态低倍结构和枝晶形貌,并分析其不同晶区的成分分布特点。结果表明,当前连铸条件下大方坯中心缩孔和后续热轧棒材探伤合格率可控,但铸坯初凝坯壳凝固前沿发生明显的C、S负偏析白亮带区及其柱状晶偏转现象。金相试样图像分析和相场法凝固模拟表明,铸坯中柱状晶具有逆流生长特征,其偏转角是一次枝晶尖端向旋流方向逆向生长的结果。自铸坯角部至宽、窄面中心,实测柱状晶区的一次枝晶偏转角约在?7°到27°之间。利用X射线能谱分析（EDS）进一步检测了钢中主要合金元素Si、Mn、Mo在铸坯不同晶区的分布,揭示了其铸态偏析特征与差异性。据此,探讨了这种铸态组织和成分偏析对后续热轧棒材和连杆成品组织的遗传性,以及对其胀断加工断口不合的影响,可为源头铸态质量的控制提供依据。      

钙处理时机对LF-RH精炼过程Al2O3基夹杂物的影响

为研究LF-RH精炼工艺生产Q690钢时不同钙处理时机下夹杂物特征的变化,开展工业试验对RH精炼前后钙处理炉次取样进行定量分析对比。钙处理后夹杂物中CaO质量分数持续增加,CaS质量分数瞬态增加,夹杂物熔点降低。RH精炼前钙处理炉次中,RH精炼过程夹杂物的成分接近低熔点区,结束时夹杂物数量密度和面积分数分别为15个/mm2和0.01%。RH精炼后钙处理炉次中,RH精炼过程夹杂物依旧为高熔点Al₂O₃-MgO类型,结束时夹杂物数量密度和面积分数分别降至1个/mm2和0.002 5%。RH精炼前钙处理会使RH精炼过程夹杂物熔点以及夹杂物与钢液间的接触角降低,导致夹杂物去除驱动力降低,从而抑制夹杂物的去除。因此LF-RH精炼工艺生产铝脱氧钢时,为提高精炼过程钢中非金属夹杂物的去除效率,应在RH精炼后进行钙处理操作。     

连铸高铝氮积齿轮钢第三脆性区形成机制与控制

钢中的Al、N含量对连铸及其后续加工热塑性和奥氏体晶粒度控制有重要影响,这也是高温渗碳钢与各种Al脱氧钢广泛关注的问题。使用Gleeble 3800热/力学模拟试验机测定了一种轨道交通用高铝氮积齿轮钢(SCM420H)的高温热塑性,并结合差示扫描量热仪(DSC)分析、AlN析出热力学模型以及Schwerdtfeger热塑性特征值计算模型揭示了其第三脆性区的形成机制与调控途径。结果表明,高铝氮积齿轮钢第三脆性区低谷温度范围为750~850 ℃,这是由应力诱导先共析铁素体膜的产生与AlN粒子的大量析出共同导致的。Schwerdtfeger热塑性特征值计算模型可以较准确地预测高铝氮积齿轮钢第三脆性区的上限温度与最小面缩率,但由其预测的热塑性曲线下限温度偏高,应进一步考虑先共析铁素体膜析出的影响,并依据Ar3温度对其进行修正。高Al高N齿轮钢第三脆性区的下限温度取决于其先共析铁素体开始析出温度,主要与钢种成分和铸坯冷却速率相关,连铸生产中可控性有限;但其上限温度则与铸坯应变速率、冷却速率以及钢中的Al、N含量和AlN析出行为均有关联,调控空间较大,应该是连铸生产中合理控制铸坯热塑性与表面裂纹倾向的正确途径。     

K2O和Na2O对高Al2O3炉渣组元活度和MgO含量的影响

 随着高品位铁矿石消耗的加快,资源逐渐趋于贫化,钢铁企业可利用的铁矿石原料逐渐向中低品位原料转变,尤其是高铝铁矿,这类原料的使用无疑会增加高炉渣中Al₂O₃质量分数,影响高炉现有的操作制度。Al₂O₃质量分数为15%～17%的高炉渣,由于Al₂O₃含量高而使高炉渣的冶金性能变差,为了保证高炉渣的冶金性能,必须在其中添加8%左右的MgO。然而,Al₂O₃含量相似的浦项钢铁的高炉渣,其MgO质量分数仅为4%左右,高炉实现了高效、稳定、顺行。因此,从高炉CaO-SiO₂-Al₂O₃-MgO四元渣系的物理化学机理出发,研究了K₂O、Na₂O对高炉渣四元渣系CaO-SiO₂-Al₂O₃-MgO中各组元活度的影响;研究了“渣-气”平衡条件下渣中碱金属氧化物和气体中碱金属的关系;计算了K₂O、Na₂O和MgO对黏度的影响。结果显示,在考虑高炉渣CaO-SiO₂-Al₂O₃-MgO中各组元活度、碱金属在渣-气间的分布和炉渣黏度的情况下,当碱金属氧化物K₂O和Na₂O存在时,可以适当减小MgO含量,并可以保证高炉渣各组元活度及炉渣黏度基本不变。这不仅有助于减少高炉原料中添加含镁熔剂、提高原料品位、高效排碱、降低碱危害、减少碳排放、延长高炉寿命及降低成本,还能促进钢铁企业实现节能减排的目标。