随着钢铁行业的高速发展，国内外钢铁产量已经达到了饱和状态，提升钢产品的质量成了钢铁行业发展的重要目标。连铸坯的生产是钢材生产的关键，其连铸坯的质量对后续产品的生产及最终产品质量有重要影响，热轧板带表面缺陷大部分是连铸坯表面缺陷遗传而来。高质量铸坯的生产成了连铸生产企业和连铸工作者的主要目标。高温钢液在连铸过程中凝固成型，连铸坯的偏析、裂纹、疏松、夹杂物等质量问题基本上都产生于或源自连铸凝固过程。要实现高质量铸坯的连铸生产，必须减少甚至消除这些质量缺陷。 （1）连铸坯凝固缺陷研究：针对连铸坯偏析、疏松、缩孔、裂纹开展相关调研，探究凝固缺陷产生机理，分析连铸工艺对连铸坯缺陷的影响规律。通过调整结晶器一冷强度、二次冷强度、电磁搅拌、机械压下等技术参数，改善连铸坯凝固缺陷。 （2）中间包研究：模拟中间包内钢液流动过程，分析钢液流动的合理性；主要研究中间包内控流装置位置分布、高度设置、不同装置间的配合使用是否达到最优。具体工作：模拟中间包内钢液流动传热行为，分析钢液温度的变化情况；模拟钢液液面的波动，分析和了解渣-钢界面间的相互作用；模拟中间包内钢水的传质现象，分析钢水在中间包内的停留时间，中间包内的活塞流、全混流以及死区等等。模拟中间包内底吹气体的作用过程，分析和了解吹气对钢液流动特性的影响。 （3）结晶器研究：1)结晶器内流场：确定结晶器类型，改变水口类型，水口浸入深度，拉速，结晶器锥度等工艺参数，研究不同工艺参数对结晶器内流场的影响规律，得到液面波动和表面流速量化结果，为工艺参数优化提供科学依据。2)结晶器卷渣和夹杂物去除的研究：改变水口结构参数（不同水口类型、水口侧孔数、水口倾角、水口底部结构和水口浸入深度等）以及浇铸工艺参数（拉速，浇铸断面，电磁等）会对结晶器内的流场产生影响，进而影响结晶器冷却制度、液面波动、水口开口度等参数。所以本部分内容通过水力学模拟和数值模拟相结合的方式研究不同水口结构参数和工艺参数对流场的影响，进而优化水口结构和浇铸工艺参数。 （4）连铸一冷研究：对结晶器传热过程进行机理分析，并将结晶器铜板和凝固壳之间的保护渣的润滑和摩擦模型、传热模型相结合，开发出结晶器一冷传热计算软件。针对不同铸坯尺寸、拉速的操作条件下，为结晶器一冷提供合理的配水量水表。 （5）连铸二冷研究：细化连铸传热边界条件，建立全面的连铸凝固传热模型，研究连铸坯宏观凝固凝固结构与铸坯质量的关系，提出相应的优化改善新方法，对连铸宏观凝固结构进行优化改善，从而提高连铸坯质量，提高连铸生产率。模拟研究连铸微观凝固结构，并讨论微观凝固结构与夹杂、裂纹之间的关系。为提高连铸坯质量提供理论依据。 （6）连铸坯凝固组织研究：从现场采集相关所需数据，运用商业软件 Procast先对连铸过程温度场进行计算，以计算所得的温度场为基础，计算铸坯的凝固组织形貌，如柱状晶区、等轴晶区以及两者分别所占比例、晶粒尺寸等，并分析一次枝晶间距、二次枝晶间距。分析元素成分、连铸工艺条件如拉速、过热度、二冷强度等对上述研究对象的影响情况，优化成分、连铸工艺参数以获得较好的铸坯凝固组织，为现场生产提供理论依据。 （7）连铸坯宏观偏析研究：根据连铸工艺参数，基于体积平均方法，建立连铸多相多尺度凝固凝固模型，研究热溶质浮力、晶粒沉淀、体积收缩作用下连铸坯凝固两相区液相流动与溶质传输行为。耦合电磁搅拌、机械压下模型，分析电磁搅拌强度、搅拌位置、机械压下区间、压下量、压下模式对连铸坯中心偏析的影响规律，优化结晶器与凝固末端电磁搅拌参数、机械压下参数，为连铸工业生产提供理论指导。 （8）铸坯质量智能设计和判定:1）现场连铸数据采集及热塑性曲线测试:现场调研连铸工艺，记录现场工艺参数。采集不同钢种偏析、疏松、缩孔等质量要求，测试不同钢种的热塑性曲线。2）现场连铸数据采集及热塑性曲线测试:现场调研连铸工艺，记录现场工艺参数。采集不同钢种偏析、疏松、缩孔等质量要求，测试不同钢种的热塑性曲线。3）连铸智能判定和设计模型：建立连铸一冷、二冷动态优化模型，利用该模型对铸坯固相率、角部温度、铸坯偏析、中心疏松缩孔、冶金长度等进行预测，通过大量数值计算，建立钢水初始条件、连铸工艺参数与铸坯质量的数据库，指导现场生产。

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项目成果/简介:1991 年发现的碳纳米管（CNT）以及 2004 年发现的石墨烯（graphene），分别是一维和二维纳米材料的典型代表，被认为是 21世纪的战略性材料。 本项目发明了一类新的催化剂和大量制备 SWNTs 的方法，实现了高质量单壁碳纳米管的宏量制备（图 1），纯度达 70%以上，并达到了产业化规模（达 200 公斤/年以上）。采用机械共混及"原位"聚合 等方法，使SWNTs 有效地分散于高分子基质中，获得了以环氧树脂、ABS 及聚氨酯等为基质材料，电导率达 0.2 S/cm、导电临界含量仅为0.06%、电磁屏蔽效果高达 49dB 的复合材料。 本项目首先发展了一种可大量制备的可溶性功能化石墨烯（SPFGraphene）的方法，实现了石墨烯的百克级制备（图 2）。通过透射电子显微镜（图 3）及原子力显微镜（图 4）确定了石墨烯的二维平面结构。 获得了可溶性石墨烯材料及柔性透明导电薄膜（图 5）；制备了基于石墨烯的高稳定性有机光伏电池及复合材料。 图 5、基于石墨烯的透明电极材料 所研制的单壁碳纳米管及石墨烯已用于数十家科研机构的研究和相关产品/样机的研制，包括应用于国家 863 重大汽车电池项目（中科院物理所）和军工卫星电池项目（中国电子科技集团公司第十八研究所）等。已研制出晶体管、锂离子电池、超级电容器（图 6）以及高性能复合材料等多种产品，具有广阔的应用前景。应用范围:南开大学在碳纳米材料的制备及应用研究方面取得了一批开创性成果，该项目技术的推广，将促进我国新材料、微电子、储能、资源保护等领域的技术进步和发展，为我国在这一新型纳米材料领域占据有利地位，提高国际竞争力，做出重要贡献。