鋼鐵產(chǎn)業(yè)是我們國家的重要基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)鋼鐵材料是支撐我國制造強(qiáng)國建設(shè)的關(guān)鍵戰(zhàn)略材料。我國大型鋼鐵企業(yè)已經(jīng)擁有世界先進(jìn)的生產(chǎn)裝備，但水電主軸、核電管道、重型容器、精密軸承、新能源汽車電機(jī)鐵芯、高速重載鐵路鋼軌等先進(jìn)制造用關(guān)鍵鋼鐵材料的質(zhì)量和穩(wěn)定性與國際領(lǐng)先水平仍有差距，部分鋼種仍然依賴進(jìn)口，嚴(yán)重制約了關(guān)鍵領(lǐng)域的戰(zhàn)略發(fā)展重要原因之一就是鋼潔凈化制備的理論基礎(chǔ)和控制技術(shù)尚未完善。鋼中非金屬夾雜物控制是鋼潔凈化制備的最大難點(diǎn)，直接決定了鋼鐵產(chǎn)品的服役性能，如夾雜物惡化軸承鋼疲勞壽命和電工鋼磁性能、造成百噸級(jí)以上超大型核電主管道和水電主軸探傷不合、重軌鋼疲勞斷裂等，如圖。夾雜物不是鋼的所有問題，但所有鋼都有夾雜物的問題

先進(jìn)制造用高品質(zhì)鋼過程中的潔凈化難題

鋼中非金屬夾雜物控制是高品質(zhì)鋼潔凈化制備的百年傳統(tǒng)難題和世界性共性難題，存在夾雜物近極限去除困難大、夾雜物成分定制化改性難度高、夾雜物全流程預(yù)報(bào)和控制精度低三大難點(diǎn)針對(duì)此北京科技大學(xué)和北方工業(yè)大學(xué)張立峰教授團(tuán)隊(duì)與首鋼、寶武、中信、河鋼、攀鋼等單位合作，經(jīng)過多年“產(chǎn)學(xué)研用”協(xié)同創(chuàng)新，針對(duì)高品質(zhì)鋼的潔凈化要求和服役性能需求，形成了先進(jìn)制造用高品質(zhì)鋼潔凈化制備關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用成果。實(shí)現(xiàn)了鋼中夾雜物數(shù)量、尺寸、成分和空間分布的精準(zhǔn)控制，攻克了高品質(zhì)鋼潔凈化的“卡脖子”難題，推動(dòng)了我國先進(jìn)制造用高品質(zhì)鋼的潔凈化大規(guī)模生產(chǎn)，助力國家重大工程應(yīng)用。成果獲發(fā)明專利41（國際專利）、標(biāo)準(zhǔn)10項(xiàng)，出版專著部，發(fā)表論文200余篇，獲2022年北京市科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)、2020年教育部科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)、2020年河北省科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)和2017年美國鋼鐵年會(huì)Fruehan獎(jiǎng)。中國金屬學(xué)會(huì)組織的科學(xué)技術(shù)成果評(píng)價(jià)專家委員會(huì)認(rèn)為本成果達(dá)到國際領(lǐng)先水平。

創(chuàng)新點(diǎn)：鋼中非金屬夾雜物近極限去除關(guān)鍵技術(shù)。成體系地構(gòu)建了鋼中非金屬夾雜物形核、長大、去除的全周期基礎(chǔ)理論，建立了區(qū)別于純鐵液的實(shí)際鋼液多元素脫氧熱力學(xué)，提出了精煉渣夾雜物容量：

形成了轉(zhuǎn)爐低氧出鋼、精煉渣定制化設(shè)計(jì)和中間包全密閉保護(hù)澆鑄等鋼中非金屬夾雜物近極限去除關(guān)鍵技術(shù)，在將軸承鋼中總氧含量降低至4 ppm、汽車鋼沖壓缺陷率從0.02%降低至0.001%等方面取得了顯著效果，如圖所示。技術(shù)內(nèi)容：（）構(gòu)建了夾雜物從分子到毫米粒子的跨尺度形核、碰撞長大、氣泡浮選、運(yùn)動(dòng)和去除理論，預(yù)測了鋼液中夾雜物的長大和去除行為，促進(jìn)了夾雜物在鋼液中的上浮去除。（）率先提出了精煉渣的夾雜物容量，實(shí)現(xiàn)了不同鋼種的精煉渣成分定制化設(shè)計(jì)，促進(jìn)了夾雜物在精煉渣中的溶解去除。（）開發(fā)了鋼中非金屬夾雜物轉(zhuǎn)爐精煉連鑄全流程多級(jí)去除關(guān)鍵技術(shù)，包括轉(zhuǎn)爐大流量底吹技術(shù)、精煉低粘度預(yù)熔渣和動(dòng)態(tài)吹氣攪拌技術(shù)、連鑄全密閉中間包和下渣預(yù)報(bào)與調(diào)控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了鋼中夾雜物的極限去除

鋼中非金屬夾雜物近極限去除關(guān)鍵技術(shù)

創(chuàng)新點(diǎn)：鋼中非金屬夾雜物定制化改性關(guān)鍵技術(shù)。提出了鋼潔凈度指數(shù)_clean·T.O+·(Al，形成不同成分系列鋼種的夾雜物控制目標(biāo)體系建立了精煉過程鋼夾雜物多相多元體系成分預(yù)測熱力學(xué)模型，開發(fā)了鋼中非金屬夾雜物定制化改性技術(shù)，包括精準(zhǔn)鈣處理改性技術(shù)、合金化改性技術(shù)、渣精煉改性技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了鋼中夾雜物成分的無害化處理，在單重300噸超大鋼錠中夾雜物塑性化改性、.1 mm規(guī)格簾線鋼斷絲率降低至.5噸等方面取得了顯著效果，如圖所示。技術(shù)內(nèi)容：）提出了考慮夾雜物數(shù)量和成分因子的鋼潔凈度指數(shù)_clean·T.O+·(Al，形成不同成分系列鋼種的夾雜物控制目標(biāo)體系。（）提出夾雜物半液態(tài)化控制目標(biāo)，形成精準(zhǔn)鈣處理技術(shù)，開發(fā)了鈣收得率在線預(yù)報(bào)軟件，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜工況下鋁脫氧鈣處理鋼中夾雜物20-50%液相分?jǐn)?shù)的精準(zhǔn)控制。（）提出基于熔點(diǎn)和楊氏模量的夾雜物塑性化控制目標(biāo)，建立渣精煉改性模型，開發(fā)了合金化渣精煉協(xié)同控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)無鋁脫氧鋼夾雜物無鋁化控制。

鋼中非金屬夾雜物定制化改性關(guān)鍵技術(shù)

創(chuàng)新點(diǎn)：鋼中非金屬夾雜物全流程預(yù)報(bào)和控制關(guān)鍵技術(shù)。建立了轉(zhuǎn)爐吹煉過程脫碳耦合反應(yīng)和精煉過程渣夾雜物合金耐火材料多元反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型、連鑄坯和大鑄錠中夾雜物空間分布全信息預(yù)報(bào)模型，形成了煉鋼精煉鑄造加熱軋制（鍛壓）全流程鋼中夾雜物精準(zhǔn)預(yù)報(bào)和控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了鋼中夾雜物數(shù)量、尺寸和成分空間分布的精準(zhǔn)預(yù)測和控制，在提升新能源汽車電機(jī)用鋼的磁性能等方面取得了顯著效果，如圖所示。技術(shù)內(nèi)容）完善了冶煉過程鋼液夾雜物合金耐火材料空氣耦合動(dòng)力學(xué)計(jì)算方法，實(shí)現(xiàn)了鋼液中渣、鋼和夾雜物成分的預(yù)測；提出澆鑄過程多物理場耦合計(jì)算方法，實(shí)現(xiàn)了從結(jié)晶器到最終凝固過程中整個(gè)連鑄坯斷面內(nèi)夾雜物成分的分布規(guī)律預(yù)測。（）建立全流程潔凈度預(yù)報(bào)模型，包括轉(zhuǎn)爐吹煉反應(yīng)模型、精煉過程中渣夾雜物合金耐火材料多元反應(yīng)模型、鋼凝固和冷卻過程中夾雜數(shù)量、尺寸和成分空間分布動(dòng)態(tài)演變的預(yù)報(bào)模型，將夾雜物控制技術(shù)由冶煉精煉拓展至連鑄軋制熱處理全工序，實(shí)現(xiàn)了連鑄坯（鑄錠）中夾雜物數(shù)量、尺寸和成分三維空間分布的精準(zhǔn)預(yù)報(bào)和控制。（）構(gòu)建潔凈鋼冶金過程多元多相反應(yīng)熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)不同鋼種冶煉過程渣、鋼、夾雜物成分的精準(zhǔn)預(yù)報(bào)和定制化調(diào)控，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)爐吹氧、精煉渣成分、合金加入量等工藝進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和對(duì)不同反應(yīng)器進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化和精準(zhǔn)調(diào)控。

高品質(zhì)鋼生產(chǎn)全流程夾雜物演變精準(zhǔn)預(yù)報(bào)和控制關(guān)鍵技術(shù)

該成果完善了非金屬夾雜物從形核、長大到軋制（鍛造）變形的全周期基礎(chǔ)理論，開發(fā)了一系列關(guān)于鋼中非金屬夾雜物的近極限去除、定制化改性和全流程精準(zhǔn)預(yù)報(bào)等集成關(guān)鍵技術(shù)，這些基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)已出版成本專著，促進(jìn)了冶金學(xué)科發(fā)展，使得鋼中非金屬夾雜物和鋼潔凈化的研究處于世界領(lǐng)跑地位。該成果開發(fā)的系列關(guān)鍵技術(shù)成功應(yīng)用于首鋼集團(tuán)、寶武集團(tuán)、中信特鋼、河鋼集團(tuán)等20余個(gè)鋼鐵企業(yè)的軸承鋼、汽車鋼、管線鋼、齒輪鋼、重軌鋼、不銹鋼、百噸級(jí)以上超大型鑄鍛件等150多個(gè)鋼種的生產(chǎn)實(shí)踐，顯著提升了我國鋼鐵材料的潔凈化水平實(shí)現(xiàn)了新能源汽車電機(jī)鐵芯、百噸級(jí)以上管板鋼等十余個(gè)先進(jìn)鋼種的檔次提升和國產(chǎn)化替代，助力鋼鐵強(qiáng)國建設(shè)。通過整體技術(shù)應(yīng)用，首鋼股份高端電工鋼產(chǎn)品磁性能顯著提升，應(yīng)用特高壓輸電線和新能源汽車電機(jī)鐵芯等領(lǐng)域。軸承鋼中大顆粒夾雜物和總氧含量大幅度降低，其中總氧含量降低至4.0 ppm，軸承鋼產(chǎn)品供貨美國鐵姆肯、德國博世、日本NSK。汽車面板鋼缺陷率顯著降低，產(chǎn)品穩(wěn)定供貨寶馬、奔馳、本田等全球汽車企業(yè)。中國一重水電、石化容器等百噸級(jí)以上超大型碳錳鋼鍛件超聲波探傷合格率由原來的70%大幅提高至98%，成功應(yīng)用于水電站主軸和法蘭用鋼、EO反應(yīng)器管板等。

該成果應(yīng)用產(chǎn)品助力百噸級(jí)以上大型管板鍛件應(yīng)用于華龍一號(hào)核電主管道、國和一號(hào)核電反應(yīng)器、三峽白鶴灘水電站主軸，支撐了國家重大工程建設(shè)；取向硅鋼變壓器產(chǎn)品已成功應(yīng)用于三峽白鶴灘、烏東德水電站等國家重點(diǎn)工程，保障了民生需求；無取向硅鋼產(chǎn)品應(yīng)用于新能源汽車電機(jī)鐵芯，實(shí)現(xiàn)全球新能源汽車銷量TOP10車企全覆蓋，國內(nèi)新能源汽車TOP10車企全覆蓋；鋼軌用鋼應(yīng)用于京雄高鐵等，保障鐵路安全，如圖

本成果產(chǎn)品應(yīng)用于國家重大工程建設(shè)

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