一、研究的背景與問題
精品鋼是鋼鐵強國的重要標志，對制造業(yè)具有重要支撐作用，我國精品鋼整體上與國外先進水平存在較大差距，與日本、德國等裝備制造業(yè)發(fā)達國家相比，我國鋼鐵材料的質量穩(wěn)定性、加工和使用性能與國外先進水平存在明顯差距，無法滿足高端裝備制造業(yè)的需求，急需在相關基礎理論、關鍵共性技術以及應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。
鋼水潔凈度和均質化對精品鋼的質量和材料性能有重大影響，是煉鋼工藝控制的重點和難點，已成為我國高端鋼鐵材料制備的關鍵技術瓶頸，成為我國重大裝備發(fā)展的“痛點”，高潔凈均質化關鍵工藝技術亟待突破?，F(xiàn)有技術存在的突出問題和技術難點：
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化關鍵技術模擬研究較少，技術難度大、工作量大，鋼包狹縫型與彌散型透氣磚非對稱底吹、連鑄回轉臺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)，而連鑄回轉臺鋼包底吹氬自動對接、自適應控制技術是工業(yè)化應用關鍵技術難題，亟待突破。
3、煉鋼過程中一些經(jīng)驗控制、習慣操作對鋼中夾雜物控制有重大危害，對產品質量穩(wěn)定性和高端產品研發(fā)有重大影響，對鋼中夾雜物精準控制，是提高產品質量穩(wěn)定性和制備先進鋼鐵材料的關鍵技術支撐，急需開發(fā)。
二、解決問題的思路與技術方案
圖1 項目總體思路
針對現(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)調研，確定了項目的主要研究內容、關鍵技術開發(fā)和主要研究方法，確立了項目總體思路。見圖1.
三、主要創(chuàng)新性成果
項目通過產學研用合作，創(chuàng)建和依托“山東省潔凈鋼工藝開發(fā)工程實驗室”為平臺，通過系統(tǒng)的理論研究、實驗室模擬研究和工業(yè)化應用關鍵技術開發(fā)，取得以下技術創(chuàng)新成果：
1.創(chuàng)建了煉鋼全流程數(shù)值物理模擬平臺，模擬研究與開發(fā)了鋼包狹縫型與彌散型透氣磚非對稱底吹及連鑄回轉臺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預報等鋼水潔凈化、均質化關鍵技術，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態(tài)軟吹模式的技術變革，填補國內技術空白。
2.首次研發(fā)了連鑄大包回轉臺鋼包組合軟吹的自動對接、自動吹掃、自適應控制的關鍵工藝裝備，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”復通技術，突破了鋼包全程吹氬工業(yè)化應用關鍵技術，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)了鋼中夾雜物精準控制技術，創(chuàng)建了“夾雜物分析與控制實驗室”，建立了煉鋼全工序夾雜物表征數(shù)據(jù)庫，開發(fā)了精煉精準控制、基于多元復合夾雜物控制的氧化物冶金精準控制、連鑄機全保護吹氬流量精準控制等關鍵技術，搭建了鋼中夾雜物檢測、溯源、控制一體化平臺，形成了一套高效、精準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)驗控制模式。
四、應用情況與效果
項目整體技術自2018年12月開始應用于山東鋼鐵股份有限公司特鋼產線，2019年10月開始在萊蕪鋼鐵集團銀山型鋼有限公司120t轉爐煉鋼產線，提高了鋼水的潔凈度和均質化，實現(xiàn)了品種、質量升級。本項目已授權發(fā)明專利16項，在審發(fā)明專利8項，所開發(fā)的夾雜物控制技術達到國際領先水平。成功創(chuàng)建“山東省潔凈鋼工藝開發(fā)工程實驗室”，成功搭建潔凈鋼工藝開發(fā)與生產平臺，推動了潔凈鋼技術進步。
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、高效化生產的卡脖子問題。鋼包組合軟吹新工藝實施后，將現(xiàn)有LF精煉后期的鋼包軟吹部分轉移到連鑄機大包回轉臺鋼包組合軟吹，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 新工藝應用前后---鑄坯中夾雜物檢測結果對比
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。項目技術應用后，彌散型透氣磚免燒率由20%-30%提高到90%以上，透氣磚復通率大于99%，彌散型透氣磚壽命由20-25爐次大幅提高到40-45爐次。
3、特鋼產線實現(xiàn)了品種質量升級。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；氮含量穩(wěn)定控制在70ppm以內，平均含量為45ppm。J9和J15兩點的淬透性帶寬控制在4個HRC以內，同一爐號不同支淬透性試樣的同一距離檢測值散差最大值為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結果
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類夾雜物總級別控良好。
表3 GCr15鋼中夾雜物檢測結果
測試了軸承鋼的各項力學性能，疲勞壽命達到了2.6930×107次，硬度值達到64HRC以上。
表4 滾動接觸疲勞壽命試驗結果
圖3 接觸疲勞壽命P-N曲線
4、轉爐產線支撐了先進鋼鐵材料研發(fā)與生產。應用于近終形異型坯大H型鋼生產線，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，實現(xiàn)了球形彌散分布，潔凈度顯著提升，成功開發(fā)生產了H1000超大規(guī)格355～390MPa級耐低溫H型鋼、500MPa級高強H型鋼，實現(xiàn)了國標、歐標、俄標H1000及以下規(guī)格系列耐低溫H型鋼批量化生產。
寬厚板產線實現(xiàn)品種質量升級，站穩(wěn)國內A類梯隊。鑄坯中T.O含量穩(wěn)定控制在15ppm以內，夾雜物大部分尺寸小于10μm，成功開發(fā)生產了200kJ/cm大線能量焊接用鋼EH36，國內率先開發(fā)出420MPa級高強風電鋼板，年產量突破9萬噸，國內市場占率第一。
