鋼鐵產業(yè)是我們國家的重要基礎產業(yè)鋼鐵材料是支撐我國制造強國建設的關鍵戰(zhàn)略材料。我國大型鋼鐵企業(yè)已經擁有世界先進的生產裝備，但水電主軸、核電管道、重型容器、精密軸承、新能源汽車電機鐵芯、高速重載鐵路鋼軌等先進制造用關鍵鋼鐵材料的質量和穩(wěn)定性與國際領先水平仍有差距，部分鋼種仍然依賴進口，嚴重制約了關鍵領域的戰(zhàn)略發(fā)展重要原因之一就是鋼潔凈化制備的理論基礎和控制技術尚未完善。鋼中非金屬夾雜物控制是鋼潔凈化制備的最大難點，直接決定了鋼鐵產品的服役性能，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

先進制造用高品質鋼過程中的潔凈化難題

鋼中非金屬夾雜物控制是高品質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、夾雜物全流程預報和控制精度低三大難點針對此北京科技大學和北方工業(yè)大學張立峰教授團隊與首鋼、寶武、中信、河鋼、攀鋼等單位合作，經過多年“產學研用”協(xié)同創(chuàng)新，針對高品質鋼的潔凈化要求和服役性能需求，形成了先進制造用高品質鋼潔凈化制備關鍵技術開發(fā)與應用成果。實現(xiàn)了鋼中夾雜物數(shù)量、尺寸、成分和空間分布的精準控制，攻克了高品質鋼潔凈化的“卡脖子”難題，推動了我國先進制造用高品質鋼的潔凈化大規(guī)模生產，助力國家重大工程應用。成果獲發(fā)明專利41（國際專利）、標準10項，出版專著部，發(fā)表論文200余篇，獲2022年北京市科技進步獎一等獎、2020年教育部科技進步一等獎、2020年河北省科技進步一等獎和2017年美國鋼鐵年會Fruehan獎。中國金屬學會組織的科學技術成果評價專家委員會認為本成果達到國際領先水平。

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

形成了轉爐低氧出鋼、精煉渣定制化設計和中間包全密閉保護澆鑄等鋼中非金屬夾雜物近極限去除關鍵技術，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。技術內容：（）構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、運動和去除理論，預測了鋼液中夾雜物的長大和去除行為，促進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，實現(xiàn)了不同鋼種的精煉渣成分定制化設計，促進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爐精煉連鑄全流程多級去除關鍵技術，包括轉爐大流量底吹技術、精煉低粘度預熔渣和動態(tài)吹氣攪拌技術、連鑄全密閉中間包和下渣預報與調控技術，實現(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鍵技術

創(chuàng)新點：鋼中非金屬夾雜物定制化改性關鍵技術。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體系建立了精煉過程鋼夾雜物多相多元體系成分預測熱力學模型，開發(fā)了鋼中非金屬夾雜物定制化改性技術，包括精準鈣處理改性技術、合金化改性技術、渣精煉改性技術，實現(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。技術內容：）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體系。（）提出夾雜物半液態(tài)化控制目標，形成精準鈣處理技術，開發(fā)了鈣收得率在線預報軟件，實現(xiàn)了復雜工況下鋁脫氧鈣處理鋼中夾雜物20-50%液相分數(shù)的精準控制。（）提出基于熔點和楊氏模量的夾雜物塑性化控制目標，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，實現(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鍵技術

創(chuàng)新點：鋼中非金屬夾雜物全流程預報和控制關鍵技術。建立了轉爐吹煉過程脫碳耦合反應和精煉過程渣夾雜物合金耐火材料多元反應動力學模型、連鑄坯和大鑄錠中夾雜物空間分布全信息預報模型，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預報和控制技術，實現(xiàn)了鋼中夾雜物數(shù)量、尺寸和成分空間分布的精準預測和控制，在提升新能源汽車電機用鋼的磁性能等方面取得了顯著效果，如圖所示。技術內容）完善了冶煉過程鋼液夾雜物合金耐火材料空氣耦合動力學計算方法，實現(xiàn)了鋼液中渣、鋼和夾雜物成分的預測；提出澆鑄過程多物理場耦合計算方法，實現(xiàn)了從結晶器到最終凝固過程中整個連鑄坯斷面內夾雜物成分的分布規(guī)律預測。（）建立全流程潔凈度預報模型，包括轉爐吹煉反應模型、精煉過程中渣夾雜物合金耐火材料多元反應模型、鋼凝固和冷卻過程中夾雜數(shù)量、尺寸和成分空間分布動態(tài)演變的預報模型，將夾雜物控制技術由冶煉精煉拓展至連鑄軋制熱處理全工序，實現(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預報和控制。（）構建潔凈鋼冶金過程多元多相反應熱力學與動力學平臺，實現(xiàn)不同鋼種冶煉過程渣、鋼、夾雜物成分的精準預報和定制化調控，實現(xiàn)對轉爐吹氧、精煉渣成分、合金加入量等工藝進行優(yōu)化設計和對不同反應器進行參數(shù)優(yōu)化和精準調控。

高品質鋼生產全流程夾雜物演變精準預報和控制關鍵技術

該成果完善了非金屬夾雜物從形核、長大到軋制（鍛造）變形的全周期基礎理論，開發(fā)了一系列關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預報等集成關鍵技術，這些基礎理論和關鍵技術已出版成本專著，促進了冶金學科發(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跑地位。該成果開發(fā)的系列關鍵技術成功應用于首鋼集團、寶武集團、中信特鋼、河鋼集團等20余個鋼鐵企業(yè)的軸承鋼、汽車鋼、管線鋼、齒輪鋼、重軌鋼、不銹鋼、百噸級以上超大型鑄鍛件等150多個鋼種的生產實踐，顯著提升了我國鋼鐵材料的潔凈化水平實現(xiàn)了新能源汽車電機鐵芯、百噸級以上管板鋼等十余個先進鋼種的檔次提升和國產化替代，助力鋼鐵強國建設。通過整體技術應用，首鋼股份高端電工鋼產品磁性能顯著提升，應用特高壓輸電線和新能源汽車電機鐵芯等領域。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%，成功應用于水電站主軸和法蘭用鋼、EO反應器管板等。

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

本成果產品應用于國家重大工程建設

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