科技新进展：高品质钢中纳米级、微米级和大型夹杂物特性化调控技术与应用

一、研究的背景与问题

近年来，我国钢铁产量维持在10亿吨左右的超大规模，世界占比超过50%，但是部分关键钢铁材料的质量和稳定性与国际领先水平仍有差距，严重制约了部分关键国民经济与国防领域的战略发展。钢中的夹杂物直接影响冷轧薄板表面质量，厚板的大线能量焊接性能，导致齿轮钢高温渗碳过程晶粒异常长大，无缝钢管表面与内部缺陷，管线钢探伤缺陷，中高锰钢高温热塑性等，因此，对这些高品质钢而言，夹杂物控制意义重大。炼钢技术发展的现状是钢液纯净化，即杂质元素去除问题已基本解决；钢中夹杂物控制，由于影响机理复杂，仍是高品质钢质量控制尚待解决的关键技术难题。钢材性能与夹杂物尺寸的关系密切，如图1所示，随着夹杂物尺寸增大，对于钢材性能危害加大，钢材性能显著下降。

图1 纳米级、微米级和大型夹杂物对高品质钢材性能的影响

关于各种尺寸夹杂物特性化调控技术仍有三个技术难题尚未攻克。

1、纳米级析出物尺寸小，在高温下容易固溶，造成纳米析出物在高温下作用发挥难稳定；

2、微米级夹杂物种类繁多，各种特性化需求的微米夹杂物的精准调控难协调；

3、钢中大型夹杂物来源于夹杂物聚集长大、大包下渣、中间包覆盖剂和连铸保护渣卷渣、二次氧化、耐材侵蚀与水口堵塞物脱落等众多复杂高温过程，导致大型夹杂物超洁净控制难实现。

二、解决问题的思路与技术方案

围绕着上述三大技术难题，上海大学杨健教授团队在国家重点研发计划，基金重点项目等多个国家项目的支持下，经过与国内重点钢铁企业宝山钢铁股份有限公司，江苏沙钢钢铁有限公司，首钢京唐钢铁联合有限责任公司，江阴兴澄特种钢铁有限公司，衡阳华菱钢管有限公司协同攻关创新，针对重点高品质钢中夹杂物的特性化需求，形成了钢中纳米级、微米级、大型夹杂物特性化调控技术，攻克了高品质钢中不同尺寸夹杂物特性化调控难题，推动了夹杂物特性化调控技术在重点高品质钢的大规模生产应用，助力了国家重大工程和重大装备的发展。

三、主要创新性成果

1、高品质钢中纳米级析出物特性化调控技术。

如图2所示。开发了Mg、Ca脱氧大线能量焊接厚板中纳米析出物控制技术。开发Mg/Ca处理，结合Ti/N比和钢液氧位控制技术，成功实现纳米TiN粒子的增量细化析出。Mg脱氧钢TiN粒子的数量密度增加10倍以上，平均尺寸降低40%，HAZ平均晶粒尺寸从常规钢材的452 μm，降低到Mg脱氧钢的61 μm。对于Mg脱氧钢，在500 kJ/cm大线能量焊接条件下，-20°C的HAZ冲击功从31 J提高到181J。开发了Nb、B微合金化大线能量焊接厚板中纳米析出物控制技术。揭示了大线能量焊接1400°C高温下，降低Nb含量可以提高(Ti, Nb)N粒子高温稳定性，减小HAZ晶粒尺寸。加Nb使奥氏体晶粒尺寸从90 μm增大至190 μm，-40°C的HAZ低温冲击韧性从127 J降低至58 J。另外，利用B易在HAZ原奥氏体晶界偏聚的特性，通过添加B，将晶界铁素体(GBF)占比从30%降低到10%，晶内针状铁素体(IAF)的占比从42%提高到73%，-40°C的HAZ低温冲击韧性从40 J提高至141J。开发了Nb微合金化齿轮钢奥氏体晶粒度稳定性控制技术。开发了Nb微合金化和控轧控冷技术，通过纳米Nb(C, N)粒子钉扎晶界结合控轧控冷细化晶粒，将奥氏体晶粒稳定控制温度由常规≤930°C提高至960-1000°C，实现了980 °C下齿轮钢的晶粒度为7.5级。

图2 高品质钢中纳米级析出物特性化调控技术

 2、高品质钢中微米级夹杂物特性化调控技术

如图3所示。开发了Mg、Ca脱氧大线能量焊接用厚板中微米级夹杂物控制技术。开发了Mn、Ti、Al和Mg/Ca处理的钢液复合脱氧技术，促进MgO-Ti₂O₃-MnS-TiN和CaO- Ti₂O₃-MnS-TiN复合夹杂物的析出，大幅提高HAZ的IAF占比和冲击韧性。在500 kJ/cm的大线能量焊接条件下，Mg脱氧钢焊接热影响区IAF组织占比达到55.4%，Ca脱氧钢焊接热影响区IAF组织占比达到82%。对比常规钢材，焊接热影响区低温冲击韧性Mg脱氧钢从27 J提高到179 J，Ca脱氧钢从5 J提高到158 J。开发了中高锰钢微米夹杂物控制技术。该成果阐明了中高锰钢中夹杂物的行为以及对连铸坯高温热塑性的影响。在宝钢300吨转炉连铸产线成功地进行了锰含量为16%，铝含量为1.5%的高锰高铝TWIP钢的工业生产，有力支撑了宝钢中高锰钢产品的开发与生产。

图3 高品质钢中微米级夹杂物特性化调控技术

 3、高品质钢中大型夹杂物特性化调控技术

如图4和图5所示。开发了高表面质量冷轧薄板大型夹杂物特性化调控技术。采用大样电解的方法实现了连铸坯中稀少分布的大型夹杂物的检出与解析。通过中间包覆盖剂成分优化、大包下渣控制优化成功实现了大包换包过程中连铸交接坯中大型夹杂的显著降低。再通过深度动态渣改质、高碱度覆盖剂等技术开发，实现了超低碳钢炼钢连铸全流程低氧控制，大幅降低了大型夹杂物含量。开发了降低高品质无缝钢管缺陷的大型夹杂物特性化调控技术。该成果针对冷拔油缸无缝钢管的内壁线状缺陷进行解析，揭示了造成无缝钢管壁线状缺陷的夹杂为CaO Al₂O₃·SiO₂大型夹杂物，对于精炼与连铸工艺进行了针对性改进，将质量异议从7起/万吨降低到≤1起/万吨，同时将“白点”缺陷发生率从2020年的0.50%降低到2024年的小于0.20%。开发了降低管线钢探伤缺陷的大型夹杂物特性化调控技术。针对生产管线钢的特宽特薄连铸机，通过优化连铸工艺参数和浸入式水口倾角，实现了结晶器流场的精准调控，大幅度降低了卷渣和夹杂缺陷，使管线钢边部探伤合格率提高到99.2%。

图4 高品质钢中大型夹杂物特性化调控技术

图5 汽车外板表面条状缺陷中卷渣颗粒的分布

四、应用情况与效果

该成果助力沙钢应用该成果所制备的大线能量焊接用厚板钢，产品供应上海外高桥造船厂生产世界最大吨位（46万吨）的海上浮式生产储油船（FPSO船），焊接接头低温韧性控制技术达到国际领先水平。宝钢汽车板产品获得了2022年广汽本田优秀供应商，2022年一汽丰田特殊贡献奖，2023年沃尔沃质量卓越奖，2024年广汽丰田绿色工厂奖，2024年上汽通用优秀供应商，2025年红旗核心供应商等奖项。京唐公司冷轧薄板产品已实现赛力斯、宝马、大众、奥迪、比亚迪等70余家国内外汽车主机厂的供货。兴澄特钢所开发的冷温锻等温退火齿轮钢产品国内市场占有率达到95%以上。兴澄管线钢产品覆盖国家管网、中石油、中石化、沙特阿美、壳牌等国内外重点用户。衡钢钢管的高端工程机械用无缝钢管的主要性能指标达到国际领先水平，产品应用于中联重科，三一重工等国内核心工程机械公司。

图6 本成果产品应用效果

信息来源：上海大学