高品質(zhì)鋼鐵材料，如精品鋼（電工鋼、新能源汽車(chē)用鋼、管線(xiàn)鋼、船板鋼、不銹鋼等）和特殊鋼工模具鋼、齒輪鋼、軸承鋼、彈簧鋼等廣泛應(yīng)用于能源、交通、智能制造、航空航天、船舶、國(guó)防等領(lǐng)域，年市場(chǎng)需求近萬(wàn)億元，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中意義重大。但我國(guó)精品鋼和特殊鋼（精特鋼）質(zhì)量與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家存在顯著差距，進(jìn)口價(jià)格高出國(guó)產(chǎn)同類(lèi)產(chǎn)品數(shù)倍，部分產(chǎn)品和材料甚至被發(fā)達(dá)國(guó)家禁售。其中的關(guān)鍵根源在于精特鋼的冶金質(zhì)量一直難以有效提升，導(dǎo)致最終產(chǎn)品性能參差不齊，無(wú)法滿(mǎn)足國(guó)民經(jīng)濟(jì)重大戰(zhàn)略需求，甚至成為卡脖子材料。精特鋼材料冶金質(zhì)量的提升在于制備環(huán)節(jié)中，如何實(shí)現(xiàn)高潔凈、高均質(zhì)和超細(xì)晶的高冶金質(zhì)量目標(biāo)。

聚焦冶煉高效提質(zhì)

連鑄及電渣重熔精煉過(guò)程是眾多精特鋼制備中最為重要和最具挑戰(zhàn)性的冶金工序。典型的，如高檔汽車(chē)外板代表著鋼鐵冶金的最高技術(shù)水平，其優(yōu)質(zhì)品率穩(wěn)定提升一直是行業(yè)難題。高檔汽車(chē)外板對(duì)連鑄坯的振痕、裂紋、表面皮下氧化皮、夾雜物含量有著嚴(yán)格的要求，是決定其優(yōu)品率的核心指標(biāo)。對(duì)于大型模具或關(guān)鍵裝備如核電、火電、水電、航空、高速鐵路等的核心部件而言，由于對(duì)材料安全可靠性要求極高，均需經(jīng)過(guò)電渣重熔過(guò)程進(jìn)行二次精煉。然而，隨著電渣錠型的擴(kuò)大，冷卻強(qiáng)度顯著降低，凝固時(shí)間顯著延長(zhǎng)，導(dǎo)致枝晶發(fā)達(dá)、枝晶間距顯著增加、碳化物網(wǎng)狀粗大、夾雜物和雜質(zhì)超標(biāo)等問(wèn)題的出現(xiàn)。

上述兩個(gè)冶煉工序中，結(jié)晶器中鋼液流動(dòng)的控制至關(guān)重要，而現(xiàn)有的工藝，對(duì)連鑄重熔結(jié)晶器中的鋼液熔體流場(chǎng)缺乏有效控制手段，導(dǎo)致連鑄坯重熔錠坯的冶金質(zhì)量一直無(wú)法提高。國(guó)外兩家企業(yè)分別提出了在結(jié)晶器外施加單頻電磁場(chǎng)，利用非接觸的電磁力來(lái)主動(dòng)調(diào)控結(jié)晶器內(nèi)鋼水流場(chǎng)從而實(shí)現(xiàn)連鑄坯質(zhì)量控制的技術(shù)，但由于具有較高的技術(shù)門(mén)檻且對(duì)國(guó)內(nèi)眾多鋼企封鎖，兩家公司長(zhǎng)期處于壟斷地位。因此，迫切需要具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的、高效的、近終型的超常冶金新技術(shù)及關(guān)鍵裝備來(lái)提升國(guó)內(nèi)精特鋼材料冶金質(zhì)量，突破國(guó)外技術(shù)封鎖。

自上世紀(jì)九十年代中期，上海大學(xué)高性能結(jié)構(gòu)功能材料冶金與制備團(tuán)隊(duì)一直聚集于精特鋼冶金制備領(lǐng)域的工作，對(duì)于鋼液流動(dòng)的控制，團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人鐘云波教授提出：鋼液熔體流場(chǎng)控制具有三大難點(diǎn)：不可透視看不見(jiàn)；高溫侵蝕摸不著；因素復(fù)雜控不準(zhǔn)，常規(guī)手段很難調(diào)控。團(tuán)隊(duì)基于多年在電磁場(chǎng)領(lǐng)域的研究基礎(chǔ)，發(fā)現(xiàn)了電磁場(chǎng)對(duì)于金屬熔體獨(dú)特的力能作用，通過(guò)設(shè)計(jì)磁場(chǎng)的分布對(duì)結(jié)晶器內(nèi)金屬熔體的流動(dòng)行為進(jìn)行控制，進(jìn)而將電磁場(chǎng)獨(dú)特的無(wú)接觸力能效應(yīng)與電磁流體力學(xué)原理相結(jié)合，提出磁控超常冶金制備新思路。

模擬還原精準(zhǔn)控流

想要對(duì)鋼液的流動(dòng)進(jìn)行控制，就需要搞清楚鋼液真實(shí)的流動(dòng)行為。但是由于煉鋼過(guò)程中高溫強(qiáng)熱等工況環(huán)境的制約，無(wú)法真實(shí)測(cè)量其流場(chǎng)。國(guó)際上，通常采用水模擬技術(shù)還原鋼液流動(dòng)，但由于水介質(zhì)不導(dǎo)電的缺點(diǎn)，造成相關(guān)研究結(jié)果存在不準(zhǔn)確、不真實(shí)的現(xiàn)象。項(xiàng)目組設(shè)計(jì)構(gòu)建了基于低熔點(diǎn)液態(tài)金屬的電磁流動(dòng)控制平臺(tái)，以金屬模擬金屬，克服鋼液高溫難測(cè)量的特點(diǎn)，成功地對(duì)結(jié)晶器內(nèi)鋼液的流動(dòng)行為進(jìn)行了還原。開(kāi)發(fā)了電磁場(chǎng)流場(chǎng)溫度場(chǎng)離散相運(yùn)動(dòng)行為等多場(chǎng)多相多界面全耦合的數(shù)學(xué)模型，系統(tǒng)計(jì)算了電磁場(chǎng)作用下結(jié)晶器內(nèi)鋼水的流動(dòng)、凝固行為，使金屬液流場(chǎng)看得見(jiàn)、摸得著。從冶金學(xué)角度提出了電磁控流結(jié)晶器流場(chǎng)優(yōu)劣的定量評(píng)價(jià)指標(biāo)，開(kāi)發(fā)了結(jié)晶器電磁控流冶金效果評(píng)價(jià)和強(qiáng)化方法；提出了結(jié)晶器傳輸行為的評(píng)價(jià)指數(shù)，闡明了電渣重熔除雜新機(jī)制，提出磁控三段深度除雜新方法，使得電磁調(diào)控結(jié)晶器流場(chǎng)控得準(zhǔn)

對(duì)于連鑄及電渣重熔過(guò)程，由于其鋼液流動(dòng)差異巨大，采用同一種控流模式顯然是行不通的。團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并制作了多種磁場(chǎng)分布的控流裝備并進(jìn)行驗(yàn)證，最終，針對(duì)中厚板坯連鑄中結(jié)晶器空間大、拉速慢、易凍鋼的特征，提出交變電磁促進(jìn)流動(dòng)的主動(dòng)控流技術(shù)；針對(duì)薄板坯連鑄中結(jié)晶器空間狹窄、拉速快、沖擊深的特征，提出恒定磁場(chǎng)降低流速的隨動(dòng)控流技術(shù)；針對(duì)電渣重熔過(guò)程存在多尺度流動(dòng)影響冶金質(zhì)量的特征，在國(guó)際上首次提出電磁振蕩復(fù)合熱電磁流的復(fù)合控流技術(shù)。

成套裝備推廣應(yīng)用

經(jīng)過(guò)多年的推廣應(yīng)用，團(tuán)隊(duì)已開(kāi)發(fā)出成套中厚板坯連鑄結(jié)晶器主動(dòng)控流技術(shù)及裝備、薄板坯連鑄結(jié)晶器隨動(dòng)控流技術(shù)及裝備、特殊鋼磁控電渣重熔技術(shù)及裝備。其中，主動(dòng)控流技術(shù)及裝備已由寶信軟件股份有限公司實(shí)現(xiàn)成果轉(zhuǎn)化，在寶鋼湛江鋼鐵、寶鋼股份、馬鋼、德勝不銹鋼、梅鋼等鋼鐵企業(yè)裝備上線(xiàn)，已完成七套裝備生產(chǎn)并形成使用規(guī)范，工藝裝備上線(xiàn)運(yùn)行多年?duì)顟B(tài)良好，用戶(hù)使用報(bào)告顯示使用該技術(shù)后汽車(chē)板坯質(zhì)量提升明顯，在同等試驗(yàn)條件下汽車(chē)外板和汽車(chē)內(nèi)板鋼質(zhì)不良率分別降低到0.23%0.13%，均優(yōu)于進(jìn)口裝備的鋼質(zhì)不良率（0.58%0.42%），間接經(jīng)濟(jì)效益達(dá)數(shù)億元。薄板坯連鑄結(jié)晶器隨動(dòng)控流技術(shù)及裝備中低熔點(diǎn)金屬連鑄結(jié)晶器電磁控流技術(shù)物理模擬平臺(tái)及多物理場(chǎng)耦合數(shù)值模擬系統(tǒng)已在華菱漣鋼技術(shù)中心得到應(yīng)用，指導(dǎo)了漣鋼薄板坯連鑄過(guò)程參數(shù)的選擇及優(yōu)化。薄板坯連鑄結(jié)晶器電磁高效控流技術(shù)及裝備已在漣鋼CSP線(xiàn)兩臺(tái)連鑄機(jī)上推廣應(yīng)用，在提高連鑄的拉速和提升產(chǎn)量的同時(shí)，使薄板連鑄坯的夾雜物數(shù)量、裂紋缺陷產(chǎn)生頻率均顯著降低，鑄坯中大型夾雜物的總量降低了22%。磁控電渣重熔項(xiàng)目已開(kāi)發(fā)出成套特殊鋼磁控電渣重熔裝備，涵蓋0.5t-20t級(jí)別電渣錠，在浙江精瑞工模具有限公司推廣應(yīng)用。經(jīng)檢測(cè)，磁控電渣重熔高速鋼電渣錠相比傳統(tǒng)電渣重熔，共晶碳化物評(píng)級(jí)提升級(jí)，夾雜物指數(shù)降低48%，鍛軋態(tài)無(wú)缺口沖擊功提升19.2%，成材率提升15-20%。相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了精特鋼連鑄及電渣重熔錠坯材高潔凈、高均質(zhì)、三細(xì)化的高冶金質(zhì)量目標(biāo)使電磁調(diào)控流場(chǎng)技術(shù)及裝備用得好

本項(xiàng)目獲授權(quán)發(fā)明專(zhuān)利46項(xiàng)，PatYee全球?qū)＠麢z索結(jié)果表明，本項(xiàng)目相關(guān)專(zhuān)利的價(jià)值度顯著高于其他專(zhuān)利，核心專(zhuān)利價(jià)值度是其他專(zhuān)利的十倍，且為全球最早提出；發(fā)表高水平論文65篇，引用一千余次；磁控超常冶金技術(shù)在寶鋼股份、寶武集團(tuán)、湖南漣鋼、浙江精瑞等企業(yè)三十余條產(chǎn)線(xiàn)應(yīng)用，近三年生產(chǎn)高性能鋼鐵材料一千百余萬(wàn)噸，直接效益逾11億元，新技術(shù)還有望用于航母、核潛艇、核電等國(guó)之重器和新能源關(guān)鍵材料制備等領(lǐng)域，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益顯著。查新報(bào)告表明，未見(jiàn)相同的文獻(xiàn)報(bào)道。金屬學(xué)會(huì)成果鑒定（干勇院士和毛新平院士為正副組長(zhǎng)）認(rèn)為：本項(xiàng)目技術(shù)總體國(guó)際領(lǐng)先。曾獲2018年美國(guó)TMS學(xué)會(huì)Nagy El-Kaddah最佳論文獎(jiǎng)、2014年教育部科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)和EPM 2015最佳墻報(bào)獎(jiǎng)等。后期團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)圍繞國(guó)家重大需求，積極探索技術(shù)突破，開(kāi)發(fā)具有獨(dú)立自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的控流技術(shù)及裝備，早日實(shí)現(xiàn)進(jìn)口精特鋼產(chǎn)品的全替代。

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