一、研究的背景與問題

精品鋼是鋼鐵強(qiáng)國的重要標(biāo)志，對(duì)制造業(yè)具有重要支撐作用，我國精品鋼整體上與國外先進(jìn)水平存在較大差距，與日本、德國等裝備制造業(yè)發(fā)達(dá)國家相比，我國鋼鐵材料的質(zhì)量穩(wěn)定性、加工和使用性能與國外先進(jìn)水平存在明顯差距，無法滿足高端裝備制造業(yè)的需求，急需在相關(guān)基礎(chǔ)理論、關(guān)鍵共性技術(shù)以及應(yīng)用等方面開展追趕工作，以滿足高端制造業(yè)快速發(fā)展需求。

鋼水潔凈度和均質(zhì)化對(duì)精品鋼的質(zhì)量和材料性能有重大影響，是煉鋼工藝控制的重點(diǎn)和難點(diǎn)，已成為我國高端鋼鐵材料制備的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，成為我國重大裝備發(fā)展的“痛點(diǎn)”，高潔凈均質(zhì)化關(guān)鍵工藝技術(shù)亟待突破?，F(xiàn)有技術(shù)存在的突出問題和技術(shù)難點(diǎn)：

1、現(xiàn)有煉鋼單工序數(shù)理模擬與工藝優(yōu)化研究較多，但煉鋼全流程高潔凈均質(zhì)化關(guān)鍵技術(shù)模擬研究較少，技術(shù)難度大、工作量大，鋼包狹縫型與彌散型透氣磚非對(duì)稱底吹、連鑄回轉(zhuǎn)臺(tái)鋼包待澆位與澆注位組合軟吹工藝模擬研究與開發(fā)，尚屬國際空白。

2、現(xiàn)有LF精煉周期受限、夾雜物去除率低，已成為長期制約煉鋼潔凈化、高效化生產(chǎn)的卡脖子問題，連鑄鋼包澆注過程軟吹新工藝急需開發(fā)，而連鑄回轉(zhuǎn)臺(tái)鋼包底吹氬自動(dòng)對(duì)接、自適應(yīng)控制技術(shù)是工業(yè)化應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)難題，亟待突破。

3、煉鋼過程中一些經(jīng)驗(yàn)控制、習(xí)慣操作對(duì)鋼中夾雜物控制有重大危害，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性和高端產(chǎn)品研發(fā)有重大影響，對(duì)鋼中夾雜物精準(zhǔn)控制，是提高產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性和制備先進(jìn)鋼鐵材料的關(guān)鍵技術(shù)支撐，急需開發(fā)。

二、解決問題的思路與技術(shù)方案

圖1 項(xiàng)目總體思路

針對(duì)現(xiàn)有精品鋼潔凈化冶煉的突出問題和行業(yè)難題，課題組經(jīng)系統(tǒng)調(diào)研，確定了項(xiàng)目的主要研究內(nèi)容、關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)和主要研究方法，確立了項(xiàng)目總體思路。見圖1.

三、主要?jiǎng)?chuàng)新性成果

項(xiàng)目通過產(chǎn)學(xué)研用合作，創(chuàng)建和依托“山東省潔凈鋼工藝開發(fā)工程實(shí)驗(yàn)室”為平臺(tái)，通過系統(tǒng)的理論研究、實(shí)驗(yàn)室模擬研究和工業(yè)化應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)，取得以下技術(shù)創(chuàng)新成果：

1.創(chuàng)建了煉鋼全流程數(shù)值物理模擬平臺(tái)，模擬研究與開發(fā)了鋼包狹縫型與彌散型透氣磚非對(duì)稱底吹及連鑄回轉(zhuǎn)臺(tái)鋼包待澆位與澆注位組合軟吹新工藝、中間包外來夾雜物控制、連鑄坯凝固末端精準(zhǔn)預(yù)報(bào)等鋼水潔凈化、均質(zhì)化關(guān)鍵技術(shù)，開創(chuàng)了由LF精煉后期鋼包靜態(tài)軟吹模式向連鑄鋼包澆注過程中動(dòng)態(tài)軟吹模式的技術(shù)變革，填補(bǔ)國內(nèi)技術(shù)空白。

2.首次研發(fā)了連鑄大包回轉(zhuǎn)臺(tái)鋼包組合軟吹的自動(dòng)對(duì)接、自動(dòng)吹掃、自適應(yīng)控制的關(guān)鍵工藝裝備，開發(fā)了多功能鋼包透氣磚集成式在線處理系統(tǒng)與“一鍵式”復(fù)通技術(shù)，突破了鋼包全程吹氬工業(yè)化應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)，攻克了LF精煉周期長、軟吹夾雜物去除率低的行業(yè)難題。

3.開發(fā)了鋼中夾雜物精準(zhǔn)控制技術(shù)，創(chuàng)建了“夾雜物分析與控制實(shí)驗(yàn)室”，建立了煉鋼全工序夾雜物表征數(shù)據(jù)庫，開發(fā)了精煉精準(zhǔn)控制、基于多元復(fù)合夾雜物控制的氧化物冶金精準(zhǔn)控制、連鑄機(jī)全保護(hù)吹氬流量精準(zhǔn)控制等關(guān)鍵技術(shù)，搭建了鋼中夾雜物檢測(cè)、溯源、控制一體化平臺(tái)，形成了一套高效、精準(zhǔn)控制鋼中夾雜物的方法，突破了傳統(tǒng)的煉鋼過程夾雜物經(jīng)驗(yàn)控制模式。

四、應(yīng)用情況與效果

項(xiàng)目整體技術(shù)自2018年12月開始應(yīng)用于山東鋼鐵股份有限公司特鋼產(chǎn)線，2019年10月開始在萊蕪鋼鐵集團(tuán)銀山型鋼有限公司120t轉(zhuǎn)爐煉鋼產(chǎn)線，提高了鋼水的潔凈度和均質(zhì)化，實(shí)現(xiàn)了品種、質(zhì)量升級(jí)。本項(xiàng)目已授權(quán)發(fā)明專利16項(xiàng)，在審發(fā)明專利8項(xiàng)，所開發(fā)的夾雜物控制技術(shù)達(dá)到國際領(lǐng)先水平。成功創(chuàng)建“山東省潔凈鋼工藝開發(fā)工程實(shí)驗(yàn)室”，成功搭建潔凈鋼工藝開發(fā)與生產(chǎn)平臺(tái)，推動(dòng)了潔凈鋼技術(shù)進(jìn)步。

1、解決了LF精煉周期長、軟吹夾雜物去除率低、長期制約煉鋼潔凈化、高效化生產(chǎn)的卡脖子問題。鋼包組合軟吹新工藝實(shí)施后，將現(xiàn)有LF精煉后期的鋼包軟吹部分轉(zhuǎn)移到連鑄機(jī)大包回轉(zhuǎn)臺(tái)鋼包組合軟吹，縮短了LF精煉周期4-8分鐘，夾雜物去除率由原工藝40%-50%提高到65%-70%，鑄坯中夾雜物數(shù)量同比減少27%以上，見表1：

表1 新工藝應(yīng)用前后---鑄坯中夾雜物檢測(cè)結(jié)果對(duì)比

2、攻克了現(xiàn)有彌散型透氣磚易堵塞、透氣性差、使用壽命低的行業(yè)難題。項(xiàng)目技術(shù)應(yīng)用后，彌散型透氣磚免燒率由20%-30%提高到90%以上，透氣磚復(fù)通率大于99%，彌散型透氣磚壽命由20-25爐次大幅提高到40-45爐次。

3、特鋼產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)了品種質(zhì)量升級(jí)。齒輪鋼潔凈度和淬透性明顯改善，齒輪鋼中夾雜物數(shù)量明顯降低，T.O含量穩(wěn)定控制在10ppm以內(nèi)；氮含量穩(wěn)定控制在70ppm以內(nèi)，平均含量為45ppm。J9和J15兩點(diǎn)的淬透性帶寬控制在4個(gè)HRC以內(nèi)，同一爐號(hào)不同支淬透性試樣的同一距離檢測(cè)值散差最大值為3.0HRC；同一淬透樣A、B面淬透性偏差≤3.0HRC。

表2 20CrMnTi系列齒輪鋼中夾雜物檢測(cè)結(jié)果

圖2 20CrMnTi系列齒輪鋼中N、O含量

軸承鋼的潔凈度與接觸疲勞壽命大幅提高，軸承鋼GCr15中T.O含量控制在6 ppm，氮含量控制在30-60 ppm，A、B、C、D、Ds類夾雜物總級(jí)別控良好。

表3  GCr15鋼中夾雜物檢測(cè)結(jié)果

測(cè)試了軸承鋼的各項(xiàng)力學(xué)性能，疲勞壽命達(dá)到了2.6930×107次，硬度值達(dá)到64HRC以上。

表4  滾動(dòng)接觸疲勞壽命試驗(yàn)結(jié)果

圖3 接觸疲勞壽命P-N曲線

4、轉(zhuǎn)爐產(chǎn)線支撐了先進(jìn)鋼鐵材料研發(fā)與生產(chǎn)。應(yīng)用于近終形異型坯大H型鋼生產(chǎn)線，鑄坯中全氧含量由平均0.0042%降低至0.0015%以下，夾雜物大部分尺寸小于10μm，實(shí)現(xiàn)了球形彌散分布，潔凈度顯著提升，成功開發(fā)生產(chǎn)了H1000超大規(guī)格355～390MPa級(jí)耐低溫H型鋼、500MPa級(jí)高強(qiáng)H型鋼，實(shí)現(xiàn)了國標(biāo)、歐標(biāo)、俄標(biāo)H1000及以下規(guī)格系列耐低溫H型鋼批量化生產(chǎn)。

寬厚板產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)品種質(zhì)量升級(jí)，站穩(wěn)國內(nèi)A類梯隊(duì)。鑄坯中T.O含量穩(wěn)定控制在15ppm以內(nèi)，夾雜物大部分尺寸小于10μm，成功開發(fā)生產(chǎn)了200kJ/cm大線能量焊接用鋼EH36，國內(nèi)率先開發(fā)出420MPa級(jí)高強(qiáng)風(fēng)電鋼板，年產(chǎn)量突破9萬噸，國內(nèi)市場(chǎng)占率第一。