一、研究的背景與問題
鋼鐵工業(yè)對(duì)我國國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和國家建設(shè)有著舉足輕重的地位。高品質(zhì)鋼具有潔凈化、均質(zhì)化和細(xì)晶化的要求，其中潔凈化指的是鋼中非金屬夾雜物。所有鋼都有夾雜物的問題，解決了夾雜物的問題就解決了所有鋼種的三分之一以上的問題。合金結(jié)構(gòu)鋼中的脆性夾雜物會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品的開裂失效，非調(diào)質(zhì)鋼和易切削鋼中硫化物沿晶界析出會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品的疲勞傷損，大型鑄鍛件模鑄過程聚合形成的大型夾雜物會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品的探傷不合。因此，鋼中非金屬夾雜物的特征直接影響鋼產(chǎn)品的質(zhì)量和性能，同時(shí)高熔點(diǎn)夾雜物會(huì)引起鋼連鑄過程浸入式水口結(jié)瘤。鈣處理技術(shù)是改性鋼中非金屬夾雜物的最常用、最直接、最有效的方法，在過去的幾十年里，鈣處理在減少水口結(jié)瘤和夾雜物控制等方面一直扮演著無可替代的角色。
然而，由于鈣金屬本身化學(xué)性質(zhì)活潑以及沸點(diǎn)低等特性，導(dǎo)致工業(yè)生產(chǎn)鈣處理過程存在著喂鈣量經(jīng)驗(yàn)化、鈣合金收得率波動(dòng)大、改性夾雜物效果不穩(wěn)定的行業(yè)瓶頸難題。因此，有必要針對(duì)高品質(zhì)鋼鈣處理改性夾雜物的精準(zhǔn)性和穩(wěn)定性開展深入和系統(tǒng)的研究，使鈣處理技術(shù)始終處于最優(yōu)效果，準(zhǔn)確有效地實(shí)現(xiàn)鋼中夾雜物數(shù)量、成分和形態(tài)的穩(wěn)定控制，為我國高端特殊鋼產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定提升和自主生產(chǎn)制備提供技術(shù)支撐。
二、解決問題的思路與技術(shù)方案
1、鋼液鈣處理過程中鈣收得率穩(wěn)定提升關(guān)鍵技術(shù)
技術(shù)思路：由于鈣元素沸點(diǎn)低（1484oC）、密度低（1550kg/m3，而渣的密度為3500kg/m3，鋼液密度為7000kg/m3）和化學(xué)性質(zhì)活潑等特點(diǎn)，在煉鋼溫度下鈣元素極易氣化燒損導(dǎo)致其收得率低，并引起鋼液噴濺產(chǎn)生安全隱患。在生產(chǎn)過程中受到鋼液成分、溫度、喂鈣參數(shù)等復(fù)雜因素的影響，鈣元素的收得率低且波動(dòng)較大，一般在5-15%之間，導(dǎo)致鋼中夾雜物沒有達(dá)到精準(zhǔn)目標(biāo)而引起鋼產(chǎn)品質(zhì)量缺陷，而且，由于鈣收得率低導(dǎo)致生產(chǎn)成本增大并存在安全隱患。
技術(shù)內(nèi)容：（1）發(fā)明了厚壁無縫鈣線制備新方法，通過鈣合金包芯線的厚壁鋼殼焊接的創(chuàng)新方法，替代了傳統(tǒng)薄壁鋼殼的機(jī)械壓合工藝，增大鈣合金包芯線外殼厚度和強(qiáng)度，有效增加了鈣合金包芯線在鋼液中的喂入深度，喂鈣線的鈣收得率穩(wěn)定達(dá)到35%，解決了鈣處理過程噴濺嚴(yán)重的難題。（2）提出了利用硅鐵合金中固有的微量伴生鈣元素改性鋼中夾雜物的新方法，有效實(shí)現(xiàn)了鋼中夾雜物從固態(tài)到半液態(tài)化的改性，將硅鐵合金的鈣元素收得率大幅提升至85%以上，顯著提升鈣收得率的穩(wěn)定性，部分鋼種可以用含鈣硅鐵合金替代喂鈣線技術(shù)，避免了鈣處理過程造成的渣和鋼液噴濺的問題。（3）建立了鈣處理過程鈣收得率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)報(bào)模型，引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)分析技術(shù)，開發(fā)了鈣收得率在線預(yù)報(bào)軟件，并在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，根據(jù)每一爐次的鋼液成分、溫度、喂鈣速度等參數(shù)精準(zhǔn)預(yù)報(bào)并穩(wěn)定提升鈣收得率，實(shí)現(xiàn)鈣處理過程鈣收得率的精準(zhǔn)預(yù)報(bào)。
圖1鈣處理收得率精準(zhǔn)提升關(guān)鍵技術(shù)
2、鈣處理對(duì)鋼中非金屬夾雜物的精準(zhǔn)改性方略
技術(shù)思路：傳統(tǒng)上鈣處理的主要目的是將鋁脫氧鋼中固態(tài)氧化鋁夾雜改性成為液態(tài)鈣鋁酸鹽夾雜物，避免水口結(jié)瘤。然而，鈣處理后不同成分的夾雜物的特征和性質(zhì)不同，對(duì)鋼鐵材料產(chǎn)品性能的影響也不同。因此，有必要根據(jù)鋼鐵產(chǎn)品的性能需求，對(duì)鈣處理改性夾雜物進(jìn)行定制化設(shè)計(jì)。
技術(shù)內(nèi)容：（1）揭示了非金屬夾雜物液相分?jǐn)?shù)與連鑄過程水口結(jié)瘤概率的定量關(guān)系，應(yīng)用高溫共聚焦顯微鏡原位觀察揭示了不同液相分?jǐn)?shù)夾雜物的尺寸變化規(guī)律，結(jié)合工業(yè)試驗(yàn)取樣分析，針對(duì)不同鋼種提出了夾雜物20%液相分?jǐn)?shù)的精準(zhǔn)控制目標(biāo)，形成了通過鈣處理把鋼中夾雜物轉(zhuǎn)變?yōu)椴糠忠簯B(tài)而不是完全液態(tài)的控制方略，有效避免了固態(tài)夾雜物引起水口結(jié)瘤的同時(shí)也避免了大尺寸純液態(tài)夾雜物的生成并難以從鋼液中去除的難題。（2）提出了鈣處理提升鋼中氧化物夾雜變形能力的新方法，確定了夾雜物熔點(diǎn)和楊氏模量分別是鋼熱加工和冷加工過程鋼中夾雜物變形能力的決定性因素，通過鈣處理改性對(duì)鋼中夾雜物變形能力進(jìn)行定制化控制，顯著提升了鋼產(chǎn)品的潔凈化水平。（3）發(fā)明了鋼中硫化物夾雜彌散化析出的新技術(shù)，通過鈣處理促進(jìn)高硫鋼鋼液中CaS夾雜物的優(yōu)先形成，確定了凝固后固體鋼中夾雜物成分上CaS/(CaS+MnS)>5%即可保證硫化物不形成長(zhǎng)條狀形貌的控制準(zhǔn)則，有效抑制冷卻過程中鋼晶界處MnS夾雜物的網(wǎng)狀析出，同時(shí)避免了鋼液中過量固態(tài)CaS夾雜物引起的水口結(jié)瘤問題，實(shí)現(xiàn)了高硫鋼中硫化物的彌散分布控制。
圖2鈣處理對(duì)鋼中非金屬夾雜物的精準(zhǔn)改性方略
3、精準(zhǔn)鈣處理改性鋼中夾雜物的在線控制軟件
技術(shù)思路：在工業(yè)生產(chǎn)的鋼液鈣處理過程中，不同鋼種的夾雜物控制目標(biāo)不同，其最優(yōu)加鈣量不同；相同鋼種不同爐次的鋼液成分和溫度等條件也不同，其最優(yōu)加鈣量也不同。然而，當(dāng)前大多數(shù)鋼廠還都是憑借經(jīng)驗(yàn)確定鈣處理過程的喂鈣量，嚴(yán)重制約了鈣處理改性鋼中夾雜物的精準(zhǔn)性，當(dāng)前用于鋼中夾雜物成分控制的熱力學(xué)計(jì)算軟件都是國外擁有知識(shí)產(chǎn)權(quán)，除了價(jià)格昂貴之外，還不知道內(nèi)部程序所用的理論和熱力學(xué)參數(shù)的細(xì)節(jié)，也就無法確定軟件計(jì)算結(jié)果的正確性。如果將來某一天國外不再允許我們使用其冶金熱力學(xué)軟件，則成為國內(nèi)鋼鐵行業(yè)科研中熱力學(xué)計(jì)算的“卡脖子”問題。因此，有必要自主研發(fā)精準(zhǔn)鈣處理的熱力學(xué)計(jì)算軟件，并用于工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的在線指導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)鋼中非金屬夾雜物的精準(zhǔn)鈣處理改性。
技術(shù)內(nèi)容：（1）完善了鈣處理改性夾雜物的熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫，優(yōu)化和補(bǔ)充了鋼液鈣處理相關(guān)的熱力學(xué)參數(shù)，形成締合物、共存化合物和純物質(zhì)的完整鈣處理熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫，提升了鈣處理計(jì)算的準(zhǔn)確性。（2）提出了固態(tài)鋼中夾雜物轉(zhuǎn)變和析出的計(jì)算方法，建立了鋼液凝固、冷卻和熱處理過程中夾雜物成分轉(zhuǎn)變的模型，實(shí)現(xiàn)了固體鋼加熱過程中夾雜物成分和性質(zhì)的精準(zhǔn)控制，為實(shí)現(xiàn)鋼材產(chǎn)品中夾雜物的有效控制拓展了新方法。（3）建立了鈣處理改性鋼中夾雜物成分預(yù)測(cè)的熱力學(xué)模型，基于最小吉布斯自由能原理完善了鈣處理改性夾雜物的計(jì)算方法。（4）自主開發(fā)了精準(zhǔn)鈣處理的熱力學(xué)計(jì)算和在線控制成套軟件，并用于在線指導(dǎo)實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)鈣處理操作過程，實(shí)現(xiàn)了鈣處理過程的精準(zhǔn)控制和在線控制。
圖3開發(fā)精準(zhǔn)鈣處理改性鋼中夾雜物的在線控制軟件
三、主要?jiǎng)?chuàng)新性成果
1、發(fā)明了厚壁無縫鈣線制備新方法，提出了利用硅鐵合金中微量伴生鈣元素改性鋼中夾雜物的新思路，開發(fā)了鈣處理收得率大數(shù)據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)報(bào)模型及其控制軟件，解決了鈣處理過程噴濺嚴(yán)重和鈣收得率低的難題，實(shí)現(xiàn)了鈣收得率的大幅度提升，喂鈣線的收得率穩(wěn)定達(dá)到35%，硅鐵合金中微量伴生鈣元素的收得率達(dá)到85%。
2、揭示了鋼液中氧化物夾雜中液相分?jǐn)?shù)與連鑄過程水口結(jié)瘤概率的定量關(guān)系，提出了鈣處理提升鋼中氧化物夾雜變形能力的新方法，揭示了鈣處理有效抑制鋼凝固和冷卻過程中MnS夾雜物沿晶界析出的機(jī)理，形成了鋼中非金屬夾雜物精準(zhǔn)鈣處理改性的方略，實(shí)現(xiàn)了鋼中夾雜物定制化控制。
3、完善了鈣處理改性夾雜物的熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫，提出了固態(tài)鋼中夾雜物轉(zhuǎn)變和析出的計(jì)算方法，建立了鈣處理改性鋼中夾雜物成分預(yù)測(cè)的熱力學(xué)模型，形成了精準(zhǔn)鈣處理成套軟件，實(shí)現(xiàn)了高品質(zhì)鋼中夾雜物的精準(zhǔn)控制，突破了冶金用熱力學(xué)軟件目前完全被國外軟件控制的問題，促進(jìn)了我國冶金工業(yè)軟件的自主研發(fā)。
表1與國內(nèi)外同類技術(shù)對(duì)比
四、應(yīng)用情況與效果
“高品質(zhì)鋼精準(zhǔn)鈣處理關(guān)鍵技術(shù)與在線控制軟件開發(fā)及應(yīng)用”的研發(fā)由北方工業(yè)大學(xué)張立峰教授領(lǐng)軍，帶領(lǐng)北京科技大學(xué)、北方工業(yè)大學(xué)和燕山大學(xué)的“高鋼中心”研發(fā)團(tuán)隊(duì)一起進(jìn)行了已經(jīng)進(jìn)行了十余年的研發(fā)。
解決瓶頸難題，推動(dòng)技術(shù)升級(jí)。本項(xiàng)目通過自主編寫程序完善了潔凈鋼鈣處理熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫，發(fā)明了潔凈鋼精準(zhǔn)鈣處理在線控制平臺(tái)，初步解決了冶金熱力學(xué)工業(yè)軟件和科研軟件目前被國外完全控制和將來國外可能禁止我們使用其軟件造成的“卡脖子”的難題，為將來實(shí)現(xiàn)潔凈鋼冶金熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)軟件上的全面突破奠定基礎(chǔ)。應(yīng)用精準(zhǔn)鈣處理在線控制軟件和鈣處理收得率控制關(guān)鍵技術(shù)，針對(duì)不同鋼種的性能需求提出鈣處理改性夾雜物定制化設(shè)計(jì)方略，穩(wěn)定提升鈣處理過程中鈣的收得率，實(shí)現(xiàn)了鋼中夾雜物的在線精準(zhǔn)改性，推動(dòng)我國潔凈鋼鈣處理技術(shù)的穩(wěn)定應(yīng)用。
促進(jìn)行業(yè)發(fā)展，保障民生需求。成果廣泛應(yīng)用于首鋼、河鋼、寶武、包鋼、北港新材料等近20個(gè)鋼鐵企業(yè)的大型鑄鍛件、管線鋼、不銹鋼、齒輪鋼、重軌鋼、電工鋼、非調(diào)質(zhì)鋼、深沖鋼等近20個(gè)鋼種系列的生產(chǎn)實(shí)踐，涉及鋼種既包含了與國家重大需求相適應(yīng)的制造業(yè)幾大關(guān)鍵鋼種，也包含了與國民經(jīng)濟(jì)和生產(chǎn)生活密切相關(guān)的常規(guī)鋼種。企業(yè)包含全國產(chǎn)量排名靠前的多個(gè)鋼鐵企業(yè)，特別是包含京津冀地區(qū)和“一帶一路”沿線省份。有效提升了高端特殊鋼的潔凈化和精準(zhǔn)化水平，助力中國的鋼鐵強(qiáng)國建設(shè)。
助力“中國制造”，服務(wù)國家戰(zhàn)略。本發(fā)明應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了一批“卡脖子”鋼種的穩(wěn)定制備，產(chǎn)品應(yīng)用于多個(gè)國家重點(diǎn)工程建設(shè)，具有重要國家戰(zhàn)略意義和巨大經(jīng)濟(jì)價(jià)值。助力大型管板鍛件實(shí)現(xiàn)了303噸海南EO反應(yīng)器核心部件超大管板的國產(chǎn)化，大型水電鍛件產(chǎn)品應(yīng)用于三峽白鶴灘水電站關(guān)鍵部件中低壓轉(zhuǎn)子的自主制備，高表面質(zhì)量不銹鋼成功供貨iPhone、華為等表面質(zhì)量要求極高的手機(jī)Logo制造，高牌號(hào)電工鋼促進(jìn)我國新能源汽車電機(jī)的節(jié)能低碳化運(yùn)行，高性能齒輪鋼應(yīng)用于精密儀器制造用齒輪，管線鋼應(yīng)用于國家“西氣東輸”工程建設(shè)，如圖5所示。項(xiàng)目應(yīng)用的管線鋼、汽車鋼等產(chǎn)品出口到緬甸、土庫曼斯坦、土耳其等“一帶一路”沿線國家，為這些國家的建設(shè)與發(fā)展做出了貢獻(xiàn)。
