先进制造用高品质钢洁净化制备关键技术开发与应用

钢铁产业是我国的重要基础产业，钢铁材料是支撑我国制造强国建设的关键战略材料。我国大型钢铁企业已拥有世界先进的生产装备，但水电主轴、核电管道、重型容器、精密轴承、新能源汽车电机铁芯、高速重载铁路钢轨等先进制造用关键钢铁材料的质量和稳定性与国际领先水平仍有差距，部分钢种仍依赖进口，严重制约了关键领域的战略发展。造成这种局面的重要原因之一是钢洁净化制备的理论基础和控制技术尚不完善。

钢中非金属夹杂物控制是钢洁净化制备的最大难点，直接决定钢铁产品的服役性能。例如，夹杂物会恶化轴承钢疲劳寿命和电工钢磁性能，会造成百吨级以上超大型核电主管道和水电主轴探伤不合格，还会引发重轨钢疲劳断裂等问题。虽然夹杂物不是钢的唯一问题，但是所有钢都存在夹杂物问题。

钢中非金属夹杂物控制是高品质钢洁净化制备的百年传统难题，也是世界性共性难题，主要存在三大难点：夹杂物近极限去除难度大、夹杂物成分定制化改性难度高、夹杂物全流程预报与控制精度低。针对上述难点，北京科技大学和北方工业大学张立峰教授团队与首钢、宝武、中信、河钢、攀钢等单位合作，经过多年“产学研用”协同创新，围绕高品质钢的洁净化要求和服役性能需求，形成了先进制造用高品质钢洁净化制备关键技术开发与应用成果。该成果实现了对钢中夹杂物数量、尺寸、成分和空间分布的精准控制，攻克了高品质钢洁净化的核心难题，推动了我国先进制造用高品质钢的洁净化规模化生产，助力国家重大工程应用。

该成果获发明专利41件（其中国际专利3件）、标准10项，出版专著8部，发表论文200余篇，获2022年北京市科技进步奖一等奖、2020年教育部科技进步奖一等奖、2020年河北省科技进步奖一等奖和2017年美国钢铁年会Fruehan（弗鲁汉）奖。中国金属学会组织的科学技术成果评价专家委员会认为该成果达到国际领先水平。

创新点1：钢中非金属夹杂物

近极限去除关键技术

该技术成体系构建了钢中非金属夹杂物形核、长大、去除的全周期基础理论，建立了区别于纯铁液的实际钢液多元素脱氧热力学，提出了精炼渣夹杂物容量公式，并形成了转炉低氧出钢、精炼渣定制化设计和中间包全密闭保护浇铸等钢中非金属夹杂物近极限去除关键技术。该技术将轴承钢中总氧含量降低至4ppm、将汽车钢冲压缺陷率从0.02%降低至0.001%。

钢中非金属夹杂物近极限去除关键技术包含以下内容：

一是构建了夹杂物从分子到毫米粒子的跨尺度形核、碰撞长大、气泡浮选、运动与去除理论，预测钢液中夹杂物的长大与去除行为，促进夹杂物在钢液中的上浮去除。

二是率先提出精炼渣的夹杂物容量，实现不同钢种精炼渣成分的定制化设计，促进夹杂物在精炼渣中的熔解去除。

三是开发钢中非金属夹杂物转炉—精炼—连铸全流程多级去除关键技术，包括转炉大流量底吹技术、精炼低黏度预熔渣与动态吹气搅拌技术、连铸全密闭中间包及下渣预报与调控技术，实现钢中夹杂物的近极限去除。

创新点2：钢中非金属夹杂物

定制化改性关键技术

该技术提出钢洁净度指数，形成不同成分系列钢种的夹杂物控制目标体系；建立精炼过程钢—渣—夹杂物多相多元体系成分预测热力学模型；开发钢中非金属夹杂物定制化改性技术，包括精准钙处理改性技术、合金化改性技术、渣精炼改性技术，实现钢中夹杂物成分的无害化处理。该技术在单重300吨超大钢锭夹杂物塑性化改性、将0.1毫米规格帘线钢断丝率降低至1.5次/吨等方面取得显著效果。

钢中非金属夹杂物定制化改性关键技术包含以下内容：

一是提出考虑夹杂物数量与成分因子的钢洁净度指数 ，形成不同成分系列钢种的夹杂物控制目标体系。

二是提出夹杂物半液态化控制目标，形成精准钙处理技术，开发钙收得率在线预报软件，实现复杂工况下铝脱氧钙处理钢中夹杂物液相分数（20%~50%）的精准控制。

三是提出基于熔点与杨氏模量的夹杂物塑性化控制目标，建立渣精炼改性模型，开发合金化与渣精炼协同控制技术，实现无铝脱氧钢夹杂物的无铝化控制。

创新点3：钢中非金属夹杂物

全流程预报与控制关键技术

该技术建立转炉吹炼过程脱碳耦合反应与精炼过程渣—钢—夹杂物—合金—耐火材料多元反应动力学模型，以及连铸坯和大铸锭中夹杂物空间分布全信息预报模型，形成炼钢—精炼—铸造—加热—轧制（锻压）全流程钢中夹杂物精准预报与控制技术，实现钢中夹杂物数量、尺寸与成分空间分布的精准预测和控制，在提升新能源汽车电机用钢磁性能等方面取得显著效果。

钢中非金属夹杂物全流程预报与控制关键技术包含以下内容：

一是完善冶炼过程钢液—渣—夹杂物—合金—耐火材料—空气耦合动力学计算方法，实现钢液中渣、钢与夹杂物成分的预测；提出浇铸过程多物理场耦合计算方法，实现从结晶器到最终凝固过程中连铸坯断面内夹杂物成分分布规律的预测。

二是建立全流程洁净度预报模型，包括转炉吹炼反应模型、精炼过程中渣—钢—夹杂物—合金—耐火材料多元反应模型，以及钢凝固和冷却过程中夹杂物数量、尺寸与成分空间分布动态演变的预报模型；将夹杂物控制技术由冶炼—精炼拓展至连铸—轧制—热处理全工序，实现连铸坯（铸锭）中夹杂物数量、尺寸与成分三维空间分布的精准预报与控制。

三是构建洁净钢冶金过程多元多相反应热力学与动力学平台，实现不同钢种冶炼过程渣、钢、夹杂物成分的精准预报与定制化调控，实现对转炉吹氧、精炼渣成分、合金加入量等工艺的优化设计，以及对不同反应器参数的优化与精准调控。

该成果完善了非金属夹杂物从形核、长大到轧制（锻造）变形的全周期基础理论，开发了钢中非金属夹杂物近极限去除、定制化改性和全流程精准预报等集成关键技术。相关基础理论与关键技术已出版8本专著，促进了冶金学科发展，使我国钢中非金属夹杂物与钢洁净化研究处于国际前列。

该成果开发的系列关键技术已成功应用于首钢、宝武、中信特钢、河钢等20余家钢铁企业的轴承钢、汽车钢、管线钢、齿轮钢、重轨钢、不锈钢的150多个钢号和百吨级以上超大型铸锻件的生产实践，显著提升我国钢铁材料的洁净化水平，实现新能源汽车电机铁芯、百吨级以上管板钢等10余个先进钢种的档次提升与国产化替代，助力钢铁强国建设。

通过整体技术应用，首钢股份高端电工钢产品磁性能显著提升，应用于特高压输电和新能源汽车电机铁芯等领域。中国一重水电、石化容器等百吨级以上超大型碳锰钢锻件超声波探伤合格率由原来的70%提高至98%，成功应用于水电站主轴和法兰用钢、EO（环氧乙烷）反应器管板等。

应用该成果的产品助力百吨级以上大型管板锻件应用于华龙一号核电主管道、国和一号核电反应器、三峡白鹤滩水电站主轴，支撑国家重大工程建设；取向硅钢变压器产品已成功应用于三峡白鹤滩、乌东德水电站等国家重点工程，保障民生需求；无取向硅钢产品应用于新能源汽车电机铁芯，实现全球新能源汽车销量TOP10车企全覆盖、国内新能源汽车TOP10车企全覆盖；钢轨用钢应用于京雄高铁等，保障铁路安全。（中国冶金报）