2024年, 第41卷, 第04期　
刊出日期：2024-07-26

  

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  安徽工业大学曾杰教授获“第十二届中国化学会-巴斯夫公司青年知识创新奖”

  安徽工业大学学报（自然科学版）. 2024, 41(04): 345-345.

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  <正>6月15日,中国化学会第34届学术年会开幕式在广州市白云国际会议中心举行,颁发中国化学会系列学术奖励。安徽工业大学曾杰教授因“聚焦二氧化碳催化转化,提出催化剂设计新理念,开辟催化转化新路径”荣获“第十二届中国化学会-巴斯夫公司青年知识创新奖”,全国仅4人获此殊荣。
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  “电工钢技术开发与应用”专刊序

  仇圣桃

  安徽工业大学学报（自然科学版）. 2024, 41(04): 347-347.

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  <正>电工钢作为磁性材料中应用最为广泛的功能材料之一,主要用于制造电机、电变压器和电感器等电力设备的核心部件,其以优异的磁性特性在电能转换和传输领域发挥至关重要的作用,为全球能源利用绿色化、二氧化碳减排低量化做出了重大贡献。随着现代科技的发展和社会对能源需求的不断增加,电工钢的技术水平也在不断提升。为了进一步促进电工钢产品性能的提升和产业的可持续发展,紧跟全球低碳化趋势和能源结构变革的步伐,践行国家“双碳”战略和“能效升级”政策,《安徽工业大学学报(自然科学版)》编辑部于2024年2月特别邀请北京科技大学项利教授担任专刊主编,宝武马钢集团技术中心主任助理裴英豪高级工程师、宝武新钢集团硅钢薄板事业部硅钢研究所副所长付兵高级工程师、内蒙古工业大学樊立峰教授、安徽工业大学王海军副教授、中国钢研科技集团有限公司乔家龙博士担任专刊副主编,共同策划组织出版“电工钢技术开发与应用”专刊。
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  驱动电机用无取向硅钢开发与性能调控研究综述

  仇圣桃, 牛宇豪, 乔家龙, 王海军

  安徽工业大学学报（自然科学版）. 2024, 41(04): 350-364.

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  实现“碳达峰”“碳中和”是贯彻新发展理念、构建新发展格局、推动高质量发展的内在要求,在落实“双碳”战略、推动绿色发展的背景下,我国新能源汽车产业得到了迅猛发展。驱动电机作为新能源汽车能量转化的核心装置,直接决定新能源汽车的驾乘体验和续航性能,而无取向硅钢作为驱动电机铁芯的关键软磁材料,其性能直接影响驱动电机的能量转换效率、变频加速能力、使用寿命、制造成本等特性。基于驱动电机对高性能无取向硅钢的现实需求,归纳总结国内外典型硅钢生产企业新能源汽车驱动电机用硅钢研发现状,综述驱动电机用硅钢在磁性能、力学性能提升及磁性能与力学性能协同提升方面的研究进展。针对新一代驱动电机的高效率、高转速、大转矩等特点,未来驱动电机用高性能无取向硅钢的研发在成分优化、微观结构控制与薄规格产品开发的基础上,在进一步提高硅钢产品精度和生产效率的同时突破自粘结涂层限制,融合冶金学、材料科学与物理学等多学科理论,进一步实现高性能无取向硅钢开发与驱动电机设计的协同调控。
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  脱碳退火温度对晶粒取向纯铁组织、织构及磁性能的影响

  王海军, 尹萍, 牛宇豪, 乔家龙, 仇圣桃

  安徽工业大学学报（自然科学版）. 2024, 41(04): 365-371.

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  为促进晶粒纯铁制造过程获得更高的磁性能,以实验室自制晶粒取向纯铁冷轧板为研究对象,对其进行脱碳退火实验,利用金相显微镜、电子背散射衍射扫描电子显微镜、磁性能测量仪测试表征其组织性能,研究脱碳退火温度对晶粒取向纯铁初次再结晶组织、织构及高温退火样品磁性能的影响。结果表明:脱碳退火板中仍存在部分聚集分布的细小晶粒,多数集中在样品中心位置附近;脱碳退火2 min、退火温度为775,800℃时,部分聚集的细小晶粒导致平均晶粒尺寸分别为6.12,6.39μm,825℃时平均晶粒尺寸为6.85μm;不同温度脱碳退火板的主要织构类型基本相同,α取向线上主要织构分布在{112～223}<110>附近,γ取向线上主要织构分布在{111}<112>和{111}<110>附近,其中{111}<112>织构强度始终最高,其余织构强度随脱碳退火温度升高变化不大;825℃×2 min脱碳退火时,成品板表现出最佳的磁感应强度,其中B800为2.00 T,B10000为2.13 T;成品中存在“孤岛”,织构类型为{110}<112>～<115>,“孤岛”的产生与均热温度较低有关,铸锭中的抑制剂质点没有完全固溶,抑制能力不足,在高温退火过程中导致{110}<112>～<115>位向的晶粒不同程度长大。“孤岛”的存在侧面表明晶粒取向纯铁的磁感应强度有进一步提升的空间。
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  冷轧方式与退火温度对无取向硅钢组织、织构及磁性能的影响

  裴英豪, 王东戈, 夏雪兰

  安徽工业大学学报（自然科学版）. 2024, 41(04): 372-379+456.

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  以连续式和可逆式冷轧无取向硅钢为研究对象,对其进行退火实验,采用金相显微镜、X射线衍射仪（XRD）表征分析不同冷轧方式无取向硅钢在不同退火温度（920～1 070℃）下的组织和织构,探讨轧制方式与退火温度对无取向硅钢磁性能的影响。结果表明:在920～1 070℃退火后,连续式冷轧样品平均晶粒尺寸分布在20.7～134.4μm范围,可逆式冷轧样品平均晶粒尺寸分布在17.3～155.5μm范围,随退火温度的提升,2种冷轧方式退火板晶粒总体上均在不断长大;冷轧板织构主要由强的旋转立方织构组成,可逆式和连续式冷轧样品退火板织构以γ纤维和α纤维织构为主,γ纤维织构主要聚集在{111}<112>处,α纤维织构主要聚集在{111}<110>处,γ纤维织构强度随退火温度升高而显著降低,α纤维、Goss和旋转立方织构强度变化很小;可逆式与连续式冷轧板{111}<110>织构强度相近,可逆式冷轧退火板{111}<112>织构强度始终高于连续式冷轧退火板。1 040℃退火时,可逆式和连续式冷轧退火板的P_1.5/50（50 Hz下,磁感应强度为1.5 T时的损耗）均达最低,分别为2.512,2.445 W/kg;1 070℃退火时,可逆式与连续式冷轧退火板的P_1.5/50有所增长,最终分别为2.625,2.494 W/kg。随退火温度升高,2种冷轧方式退火板的P_1.5/50均先降后升,且连续式冷轧退火板的P_1.5/50始终更低、B₅₀更高（磁场强度为5 000 A/m时的磁感应强度）。
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  渗氮温度对低温高磁感取向硅钢氮化物析出行为的影响

  付兵, 廖建军, 胡金文, 王海军

  安徽工业大学学报（自然科学版）. 2024, 41(04): 380-391.

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  采用扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）,结合能谱仪（EDS）与选区电子衍射（SEAD）对渗氮条件下低温高磁感取向硅钢析出相进行表征分析,探讨渗氮过程氮化物析出与转变的机制。结果表明:渗氮处理前,硅钢中固有氮化物以AlN,AlN+MnS与AlN+Cu_xS为主,尺寸分布在40～150 nm,析出相在基体中的分布较为弥散,主要在晶粒内部析出,晶界上的析出量较少;经750,900℃渗氮处理,渗氮板表层出现大量新析出的氮化物,析出相均分布于晶界及附近与晶粒内部,随渗氮温度的升高,析出相的种类与形貌更复杂多样,尺寸分布范围由50～150 nm减至20～100 nm,其中在120 nm以下析出相的分布密度由9.449×10～8个/cm²增至1.649×10～9个/cm²,平均尺寸由90 nm减至55 nm,体积分数由5.55%减至3.63%;氮化物析出相沿整个渗氮板厚度方向分布不均匀,但900℃渗氮板中心层析出相的分布密度与含量明显更高,平均尺寸明显更小,提高渗氮温度可大幅改善渗氮板中的氮含量与氮化物在板厚方向上分布的均匀性;渗氮温度由750℃升高至900℃,氮化物析出种类由非晶结构富Mn的Si₃N₄→正交晶体结构的MnSiN₂或（Si,Mn）N→（Si,Mn,Al）N或（Si,Al,Mn）N→（Al,Si,Mn）N或（Al,Si）N进行转变;渗氮温度对氮化物的热稳定性、氮原子的扩散路径与扩散系数的影响是造成氮化物种类与分布发生变化的主要原因。
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  退火对单/双相区热轧无取向硅钢组织织构的影响

  余驰昊, 魏佳龙, 张德龙, 潘洪江

  安徽工业大学学报（自然科学版）. 2024, 41(04): 392-402.

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  硅钢热轧后的退火处理对其组织织构具有显著的影响,通过控制热轧条件制备单相区和双相区热轧无取向硅钢试样,并对试样进行退火处理实验(900,1 200℃退火15 min),研究退火对单相区和双相区热轧硅钢组织织构的影响。结果表明:热轧硅钢试样中的动态再结晶区域退火后进一步发生静态再结晶,而热轧后未发生动态再结晶的形变组织退火后仍未发生静态再结晶;本文退火条件下试样未发生明显的相变,总体上静态再结晶不利于{100}织构的提高,热轧过程中的剪切变形程度越大,越有利于退火后{100}织构的形成;单相区热轧试样中的动态再结晶是由剪切变形形成的,而双相区热轧试样中的动态再结晶主要是由铁素体-奥氏体相变形成的,由此导致单相区和双相区热轧试样在不同温度退火后的静态再结晶晶粒尺寸和主要织构组分等存在显著差异。
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  高牌号无取向硅钢全尺寸夹杂物表征

  乔家龙, 付兵, 帅勇, 刘坚锋, 郭飞虎

  安徽工业大学学报（自然科学版）. 2024, 41(04): 403-411.

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  采用大样电解、扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）检测分析3.0%Si-0.85%Al-0.27%Mn高牌号无取向硅钢铸坯和成品板中全尺寸夹杂物的形貌、数量,并基于夹杂物种类分析主要夹杂物的来源。结果表明:铸坯中大型夹杂物的含量为2.18 mg/10 kg,引起无取向硅钢成品板表面线状缺陷的大型夹杂物来源于保护渣、顶渣及耐材的复合夹杂物;成品板中尺寸为0.50～5.00μm的显微夹杂物主要为A1₂O₃,mCaO·nAl₂O₃,mAl₂O₃·nSiO₂,mMgO·nAl₂O₃,AlN和硫化物等夹杂物,形貌分布多样化;0.10～1.00μm微细夹杂物的平均尺寸为0.30μm,分布密度为4.95×10～4个/mm²,尺寸主要分布在0.10～0.30μm范围;小于500 nm的析出相主要为球形或近球形的MnS和Cu₂S、矩形的AlN和TiN及部分形貌较为复杂的细小氧化物,尺寸主要分布在50～200 nm范围;50～100 nm析出相的分布密度为5.23×10～5个/mm²。钢液温降和二次氧化过程生成的细小氧化物、后序热处理中析出的Cu₂S和均热过程未析出的AlN,TiN,MnS均以微细夹杂物析出,钉扎晶界,严重影响晶粒的生长,恶化无取向硅钢磁性能。
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  热轧加热对无取向硅钢中AlN和MnS析出相的影响

  左锐, 陆勤阳, 刘志鹏, 李娜, 王永强, 夏雪兰, 裴英豪

  安徽工业大学学报（自然科学版）. 2024, 41(04): 412-422.

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  AlN和MnS等析出相对无取向硅钢的磁性能有重要影响,受热轧加热工艺影响,无取向硅钢中的析出相与免常化工艺实现的效果紧密相关。以1.5%Si-0.3%Al无取向硅钢锻造坯为研究对象,利用热力学软件计算钢中可能的析出相,使用箱式电阻炉在不同温度和保温时间下对实验钢进行热轧加热实验,利用光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)表征分析析出相的形貌、尺寸及样品晶粒尺寸,研究热轧加热温度和保温时间对实验钢中AlN和MnS析出相的影响。结果表明:实验钢中夹杂物主要为AlN和MnS,当加热温度为1 050℃时,保温时间由1h延长至3 h,细小的AlN和MnS析出相(直径小于1μm)占比由33%降至19%,平均晶粒尺寸从100.0μm增加到149.7μm;保温时间为1h时,加热温度由1 050℃提高至1 150℃,细小的AlN和MnS析出相占比由33%降至7%,平均晶粒尺寸从100.0μm增加到124.3μm。不改变其他实验条件,热轧加热温度的提高与保温时间的延长都会使实验钢中AlN和MnS析出相与晶粒尺寸变大,有利于绿色低碳的无取向硅钢免常化生产工艺的实现。
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  取向硅钢板坯凝固结构调控的工业化试验研究

  时朋召, 刘红军, 谢建府, 苏风光, 周军军

  安徽工业大学学报（自然科学版）. 2024, 41(04): 423-431.

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  对取向硅钢板坯在不同连铸工艺条件进行工业化试验,研究过热度、拉速、电磁搅拌参数与电磁搅拌结构等对铸坯凝固结构的影响,探讨调控取向硅钢凝固结构的有效手段。结果表明:过热度由20℃提高到25℃时,铸坯的等轴晶率由66.6%降至63.4%;电磁搅拌电流由200 A提高到900 A时,铸坯的等轴晶率由33.3%提高到66.6%;在拉速0.9,1.0,1.1 m/min条件下铸坯柱状晶倾角分别为5°,8°和12°。综合考虑拉速、过热度与电磁搅拌对取向硅钢铸坯凝固结构的影响,电磁搅拌是取向硅钢调控凝固结构最有效的手段。
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  低温HiB钢全流程组织、织构演变及成品磁性能

  李泽超, 郭飞虎, 时朋召, 仇圣桃

  安徽工业大学学报（自然科学版）. 2024, 41(04): 432-440.

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  以低温高磁感取向硅钢（HiB钢）全流程生产过程中各工序段的热轧板、常化板、冷轧板、脱碳渗氮板和成品板为研究对象,采用光学显微镜、X射线衍射仪（XRD）和电子背散射衍射仪（EBSD）表征其组织与织构,分析低温HiB钢生产全流程组织与织构的演变规律,探究其对低温HiB钢成品板磁性能的影响。结果表明:低温HiB钢热轧板、常化板的组织和织构在厚度方向上存在显著差异,Goss晶粒起源于热轧板1/4次表层,热轧板与常化板的织构种类相同,仅织构强度存在差异,中心层主要织构为{118}<110>;冷轧板为纤维状变形组织,形成了较强的α纤维织构和γ纤维织构,{111}<110>的织构强度最高,为14.4;脱碳渗氮板以α*纤维和γ纤维织构为主,分别集中在{114}<481>和{111}<112>处,Goss晶粒周围主要为{114}<481>和{111}<112>取向晶粒,尺寸小于其他晶粒,不具有数量和生长优势。磁性能为B₈≥1.89 T,P_1.7/50≤0.97 W/kg的成品板Goss晶粒发展完善,晶粒尺寸达到厘米级,晶界呈锯齿状,Goss织构锋锐;磁性能为B₈=1.83 T,P_1.7/50=1.27 W/kg的成品板中多为异常长大的非高斯与高斯位向偏离角较大的取向晶粒,且晶界光滑;大部分晶粒未发生二次再结晶的成品板组织为细晶组织,磁性能B₈=1.77 T,P_1.7/50=1.48 W/kg。
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  铸坯凝固结构对硅钢热轧织构的影响机制

  郭飞虎, 时朋召, 李泽超, 仇圣桃

  安徽工业大学学报（自然科学版）. 2024, 41(04): 441-449.

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  基于某钢厂不同电磁搅拌参数调控的Fe-3.2%Si取向硅钢连铸坯凝固结构及热轧工业试验,采用光学显微镜(OM)、X射线衍射(XRD)和电子背散射衍射(EBSD)等检测技术,表征分析连铸过程电磁搅拌参数对铸坯凝固结构中柱状晶率的影响,探讨柱状晶率对热轧板织构的影响机制。结果表明:电磁搅拌器的工作电流(3 Hz)由900 A降到200 A,铸坯凝固结构中柱状晶率由40.1%增加到68.5%,柱状晶初始尺寸也随之增大;热轧板表层以铜型和黄铜织构为主,次表层以Goss织构为主,中心层主要为沿轧向延伸的α纤维织构及较弱的γ纤维织构。随铸坯柱状晶率的提高(40.1%～68.5%),热轧板再结区晶粒尺寸增加,有利于次表层Goss织构的保留;提高铸坯柱状晶率可降低热轧板中心层再结晶程度,中心层变形晶粒变大,不利于{114}<481>织构晶粒的形核与长大,且明显提高了织构强度梯度。
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  热轧板厚度对高牌号无取向硅钢磁性能的影响

  朱玉秀, 张建法, 刘世德, 张保磊, 项利, 李泽琳, 徐厚军

  安徽工业大学学报（自然科学版）. 2024, 41(04): 450-456.

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  基于高牌号无取向硅钢现场生产实验,将相同炉次的连铸板坯热轧至不同厚度（2.1,2.3,2.6 mm）的板卷,经常化均热工艺调控,获得晶粒较为均匀的常化板组织,再经85.7%～88.5%压下率冷轧,得到相同厚度（0.3 mm）的冷轧板,最终采用相同的退火工艺得到退火板;结合组织、织构和磁性能的相关检测分析,研究热轧板增厚对高牌号无取向硅钢产品磁性能的影响。结果表明:随高牌号无取向硅钢热轧板厚度的增加（在2.1～2.6 mm范围,即冷轧压下率降低）,退火板组织中{111}晶粒占比提高,γ纤维织构强度逐渐增强,织构发生恶化;随热轧板厚度的增加,磁性能中铁损P_1.0/400线性增加,磁感强度B₅₀线性降低。热轧板厚度由2.1 mm增至2.3 mm时,P_1.0/400平均恶化0.20 W/kg,P_1.5/50平均恶化0.04 W/kg,B₅₀平均恶化0.005 T;热轧板厚度由2.3 mm增至2.6 mm时,P_1.0/400平均恶化0.24 W/kg,P_1.5/50平均恶化0.04 W/kg,B₅₀平均恶化0.009 T。
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  KR法脱硫中搅拌工艺与桨叶尺寸对脱硫剂分散行为的影响

  程功, 操瑞宏, 廖建军, 钟巍, 李明晖, 王海军

  安徽工业大学学报（自然科学版）. 2024, 41(04): 457-465.

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  根据相似理论,按模型与原型尺寸的1:5建立铁水包物理模型,用于进行固液两相流实验,研究搅拌桨插入深度与转速对铁水包内粒子分散行为的影响;在此基础上,采用Fluent软件中的流体体积（VOF）模型与离散相模型（DPM）模拟分析桨叶尺寸对铁水包流场及脱硫剂分散效果的影响。结果表明:搅拌桨插入深度为95～125 mm时,随插入深度的增加,铁水包底部的粒子数先增后减;插入深度在105～115 mm区间粒子分散效果较好。转速为112～180 r/min时,随转速的增加,铁水包底部的粒子数先明显增多后略有减少;转速大于180 r/min时,底部粒子数基本不受转速影响,粒子混合效果较好的物理模拟工况为搅拌桨插入深度115 mm、转速147 r/min。旋转桨叶下方存在弱流区,流场速度低于0.4 m·s^-1,增加桨叶直径,流场整体速度增加,漩涡深度加深,弱流区有减小趋势;桨叶直径超过1 440 mm时,弱流区基本不变,同时随桨叶直径的增加,铁水包底部区域脱硫剂含量增加,有利于提高脱硫剂利用率,节约成本;桨叶直径为1 540 mm时,搅拌桨上表面中心部分裸露,桨叶直径过大易出现卷吸空气的现象,降低铁的收得率;桨叶距离铁水包包壁较近,会增大流体对铁水包壁面的冲刷作用,有损铁水包的工作寿命。综合搅拌效果与脱硫剂分散程度,搅拌桨直径1 440 mm时粒子混合与脱硫剂分散效果较好,搅拌桨桨叶与铁水包最优直径比为0.401。