科技新进展：高品质钢炼钢-连铸智能制造关键技术研发与应用

一、研究的背景和问题

近年来，我国钢铁企业在生产装备和技术上不断实现突破创新，然而与国际领先水平相比，在精密轴承、先进船板、高强弹簧等高品质钢的质量和稳定性方面我国仍存在差距，部分钢种仍依赖进口，严重制约了国防、能源等关键领域的自主化高质量发展。作为钢铁生产的核心区段，炼钢-连铸工艺涉及高温、多场、多相、强反应等耦合的复杂物理化学行为，极难连续准确监测和控制；在当前大力发展新质生产力的背景下，高品质钢炼钢-连铸生产面临着诸多行业共性难题：1)数智化理论欠缺，未建立多尺度协同智造理论与方法体系；2)数字化研发能力弱，核心工业软件受制于外国；3)智能化水平不高，工艺质量难以稳定准确控制；4)钢种品类众多，引起生产扰动大且铸坯缺陷频发。因此，开展高品质钢炼钢-连铸智能制造关键技术的研发，对于推进钢铁行业高端化、智能化、绿色化转型具有重要战略与现实意义。

二、解决问题的思路与技术方案

针对炼钢厂面临的数智化理论欠缺、数字化研发能力较弱、工艺智能化水平不高、钢种品类众多且缺陷频发等行业共性难题，本项目依托国家自然科学基金、省部级人才、校企合作等多类项目，通过产学研联合攻关，在数智化理论及方法、数字化仿真云平台、智能化炼钢系统和定制化连铸生产技术等关键理论与技术领域取得了系统性创新成果，突破了高品质钢智能制造的多个制约性技术，实现了关键工业软件和多个高端钢种的国产化替代。

图1 项目技术路线图

三、主要创新性成果

1、创新发展冶金流程学，构建炼钢厂多尺度建模与协同制造新范式

针对钢铁制造流程中炼钢-连铸这一核心且复杂的区段，首创性地提出了炼钢厂多尺度建模与协同制造理论与方法体系，突破了传统局部优化的局限，通过机理与数据的深度融合，以及多层级纵向协同与多工序横向协同，实现了炼钢-连铸流程协同智造的范式转变，填补了从工艺物理系统的角度探索炼钢厂智能化的空白；并基于此，构建了“基础研究-技术开发-工业应用”的闭环产业生态链，相关技术成果在首钢、宝武等20余家钢企成功应用，为核心理论的持续丰富与发展提供了更多的工业应用场景。

图2 冶金流程学支撑的“理论创新-技术开发-工业应用”协同架构

2、构建炼钢-连铸过程仿真云平台，实现多基地在线协同高精度仿真

针对炼钢-连铸过程多物理场-多相流仿真中的精度、效率与实用性难题，在冶金领域首创参数一体化建模+网格划分算法，将结构化网格生成时间由数日缩短至秒级，实现前处理过程超10³倍加速，并保证高质量网格。开发了基于深度学习与物理约束融合的高效CFD仿真算法，通过机器学习代理模型与物理降阶模型结合，在保证精度前提下将推理速度提升百倍以上，实现关键工艺参数的实时预测与优化。构建了高精度多物理场耦合求解模型，实现连铸电磁制动预测模型精度达到96%以上，实现了工业试验的合理替代，开发电磁控制下的大方坯宏观偏析解析模型，显著改善了铸坯断面碳极差。开发了高分辨率多相流仿真模型，提升转炉熔池喷溅行为模型解析精度至0.5 mm，实现连铸结晶器中气泡-夹杂物相互作用行为解析，实现了转炉氧枪顶吹、结晶器水口吹氩等关键工艺的高效优化。整合模拟仿真、智能预测与冶金机理，构建了支持多用户并发的炼钢-连铸仿真云平台。平台采用微服务架构与边缘计算，实现了参数化建模、在线仿真、动态调整与结果可视化的云端协同，并在宝武集团成功应用。

图3 参数一体化建模+网格划分方案与在线仿真云平台运行框架

3、原创智能化炼钢控制系统，破解复杂工况精准调控难题

针对多数炼钢厂主要依赖人工经验调控工艺、关键工艺参数控制精度与稳定性不足等问题，提出了定量表征凹坑形貌的无量纲指数以及提升熔池动力学特性新方法；开发了熔渣固相率修正的液滴脱碳机理模型，并进一步建立了转炉冶炼多区域反应机理综合模型；通过钢-渣平衡实验和冶金热力学分析，提出了CFD-冶金热力学耦合脱硫计算方法，以及硅脱氧钢用精炼渣系设计方法；融合冶金机理和机器学习，分别开发了转炉耗氧量预测混合模型、转炉烟气分析模型、转炉冶炼终点预报模型、LF精炼脱硫模型、钢包底吹氩气调控模型、钢水合金化模型与钢水温度控制等模型；最终，原创研发了高品质钢智能冶炼集成系统，实现了冶炼过程钢水温度和成分的精准控制。其中，转炉冶炼钢水终点碳、磷、锰含量在±0.02%、±0.005%、±0.05%范围内的命中率均达到98%以上；LF精炼单次添加石灰满足脱硫要求的命中率超过96%，钢水温度与合金料加入量命中率高于98%，系统投用率在99.5%以上。

图4 高品质钢智能冶炼集成系统

4、研发定制化连铸生产技术，突破产品缺陷控制工艺极限

针对连铸过程中钢液凝固行为机理不清晰、喷嘴喷淋冷却工艺控制精度低和连铸坯质量缺陷频发等问题，构建了预测钢液凝固组织形成的多物理场相场模型，揭示了凝固参数对枝晶生长的关键作用机制；基于热-动力学计算和多尺度表征方法，形成了微观第二相析出与宏观组织性能之间的跨尺度耦合调控方法，构建了表征钢热塑性随温度连续性变化的定量关系模型；基于网格自适应加密技术和VOF to DPM方法，构建了喷嘴射流及雾化仿真模型，阐明了喷嘴内部流动、射流破碎和雾化冷却机理，开发了连铸二冷“射流破碎-雾化冷却-铸坯传热”耦合模型，提出了基于凝固特性和喷淋冷却特征的喷嘴配置设计优化方法；最终，在系统解析不同类型钢种凝固特性和缺陷形成机理的基础上，开发了合金包晶钢的二冷区“凝固前段强冷”、合金结构钢的“基于拉速调控的凝固弱冷”以及高碳钢的二冷区“凝固末端强冷”等定制化连铸冷却调控方案。投用后，合金包晶钢表面及皮下裂纹率由9.3%降低至0.9%以内，合金结构钢中心裂纹率由10%降低至1%以内，高碳钢坯中心碳偏析指数低于1.05占比超过95%，低合金高强钢材表面裂纹缺陷发生率由16.45%降至1.86%以下。

图5 多模式连铸冷却调控方案及应用案例

四、应用情况与效果

项目在高品质钢炼钢-连铸智能制造关键技术研发与应用方面取得了一系列创新成果。项目获授权美日英等海外发明专利15件，中国发明专利33件、实用新型/外观专利15件，软著30项，发表论文110余篇，出版专著/教材3部(章)，制定钢铁工业智能制造国标2项、行业标准2项、团标5项。获得国际先进材料协会IAAM科学家奖章、世界科学家大奖WSA金奖、世界发明创新大赛奖WIC金奖、韩国首尔国际发明博览会金奖等国际奖励10项。成果入选“2023年度钢铁工业智能制造十大要闻”和“加拿大工程进展AIE”，大幅提升了参研钢企炼钢-连铸的智能化水平，取得了显著的经济和社会效益。

项目在首钢、南钢、宝武等大型钢企实施，相关产品应用于一带一路、西气东输、港珠澳大桥、国产首艘大型游轮、中俄东线管道和世界首台陆上最大风力发电机组等重大工程建设，以及德美日韩等国际汽车和机械制造头部企业。2023-2025年，各参研企业依托高品质钢炼钢-连铸智能制造关键技术项目，开展工艺优化、智能建模、设备升级与产品迭代工作，整体实现提质、增效、降本、绿色发展的多重成效，经济效益显著，社会效益突出，实现新增产值260多亿元，新增利润逾16.5亿元。

信息来源：北京科技大学