随着经济的快速发展，社会上对碳素结构钢的生产和质量提出了更高的要求。碳素结构钢属于大批量生产的钢种，在钢的总产量中占 70%以上。碳素结构钢的种类众多，包括各种钢板、钢管、钢带、钢条以及各种型钢、条钢等，主要用作焊接、铆接和螺栓连接的钢结构，广泛用于建筑、桥梁、铁道、车辆、船舶、化工设备等，是一种价格低廉、用途广泛的工业钢种。按照脱氧方式不同，碳素结构钢可分为沸腾钢、半镇静钢和镇静钢，对于 Al 镇静钢，钢中大颗粒夹杂物是导致钢材在弯折时出现断裂的主要原因。此外，一般情况下，碳素结构钢中的氧含量较高，导致非金属夹杂物含量也较高，可以应用氧化物冶金技术利用碳素结构钢中非金属夹杂物，以提高碳素结构钢的力学性能。（1）Al 脱氧碳素结构钢脱氧方式优化技术。对于采用 Al 脱氧方式的碳素结构钢，钢中非金属夹杂物主要成分为 Al 2 O 3 -SiO 2 -MnO 系，夹杂物中 Al 2 O 3 含量越高，夹杂物尺寸越大，而这一类非金属夹杂物属于低熔点夹杂物，在轧制过程中容易 118 / 298变形为细长条状，严重影响钢基体的连续性，在冲击过程中引发钢材的断裂。减少钢材断裂的关键是控制钢中 Al 2 O 3 含量较高的非金属夹杂物，这一类非金属夹杂物是在转炉出钢时加入脱氧剂脱氧时产生的。在转炉出钢时，可采用以下 3种脱氧方式减少 Al 2 O 3 含量高的大尺寸夹杂物的生成。a.先用 Si-Mn 合金进行预脱氧，后用 Al 合金进行终脱氧；b.减低转炉出钢氧含量，减少 Al 合金的用量；c. 采用 Al-Ti 符合脱氧方式，避免大尺寸夹杂物的生成。（2）Ti 微合金化氧化物冶金技术。在含 Ti 低碳钢中细小弥散的氧化物质点在很宽的温度范围内热力学上是稳定，Ti 脱氧生成的 Ti 2 O 3 粒子周围会形成贫锰区，贫锰区的形成被认为是晶内铁素体非均质形核的主要驱动力。向钢中添加少量Ti 合金，形成 Al-Ti 复合脱氧制度，形成具有氧化物冶金效果的钛氧化物，明显细化了铸坯的原奥氏体晶粒尺寸，大幅提高了钢材的冲击韧性。

随着我国国民经济的不断发展，对不锈钢表面质量提出了更高的要求。超洁净不锈钢被广泛地应用于高端电子产品 Logo、高端装饰行业、以及核电行业等对表面质量严格要求的领域。高等级光亮表面不锈钢板对成品表面质量几乎是零表面缺陷要求，此类钢产品时炼钢冶炼难度极高，主要是由于其钢中非金属夹杂物控制存在以下三个难题： （1）高熔点的夹杂物造成了冷轧板产品线鳞缺陷； （2）冷轧板表面抛光后不变形夹杂物引起的麻点类缺陷；（3）氮化钛夹杂物引起的冷轧板达到米级别的长条纹缺陷。此前，我国超洁净不锈钢产品完全依赖于国外进口。因此，开发超洁净不锈钢冶炼关键技术为打破此领域国外产品及技术垄断、实现国内自主生产做出了卓越贡献。（1）不锈钢冶炼脱氧及原辅料成分设计技术。对于不锈钢冶炼原材料的控制方面，国内企业生产时更倾向于买价格低廉的铁合金等原材料，从而降低生产成本，但是对于铁合金及铁合金对不锈钢冶炼的影响研究几乎为空白。国外学者对于铁合金做过一些研究，但主要是集中于铁合金洁净度对碳钢的影响，关于铁合金对奥氏体不锈钢夹杂物的研究很少。同时，国外学者研究铁合金的种类主要集中在铝含量上，然而对铁合金中钙含量对不锈钢的影响却未见报道。本项目首先提出了使用低铝无钙铁合金，降低钢中的酸溶铝含量，同时降低钢中 Al2O3含量，从而提升夹杂物变形能力，但此类铁合金成本较高。在此基础上又提出了使用高铝高钙铁合金，此类铁合金只是在冶炼传统高铝无钙铁合金添加小部分的钙，成本增加极低，但是由于钙的添加，可以在最初夹杂物生成之时就显著提升夹杂物中的 CaO 含量，从而显著提升夹杂物变形能力。（2）超洁净不锈钢精炼渣成分设计技术. 传统的铝脱氧不锈钢都是通过高碱度精炼渣提升钢材的洁净度，减少钢中夹杂物数量。但是本项目发现即使把钢中总氧降低到 10 ppm 以下也不能解决其高 Al 2 O 3 含量的夹杂物造成的线鳞缺陷。因此通过对硅脱氧不锈钢中精炼渣碱度由原来的 2.3 降低到了现在的 1.6，虽然夹杂物的总数量没有降低，但是成功的把钢中的夹杂物控制在低熔点区，显著地提升了夹杂物的变性能力，有效地改善了高表面质量奥氏体不锈钢产品的线鳞缺陷和表面抛光缺陷。此外，本项目对调整精炼渣成分的研究非常全面，国内学者研究的炉渣碱度对钢中夹杂物的影响，其中只研究碱度为 1.0 和 1.5 的个别情况，这样很难确定出最优精炼渣成分；本项目研究应用 FactSage 热力学计算软件建立了渣-钢-夹杂物平衡反应热力学模型，通过模型研究了不同精炼渣成分对钢液成分、脱硫、夹杂物成分、夹杂物熔点、耐火材料侵蚀等的影响。通过对 400 种不同精炼渣系进行设计优化，确定精炼渣成分；同时，在实验研究方面，本项目从碱度 1.0-2.3，连续考虑了 9 中不同的碱度对不锈钢中夹杂物的影响，此外还研究了4种不同渣中MgO含量和4种不同渣中Al 2 O 3 含量对不锈钢中夹杂物的影响，从而更系统准确地确定了有利于超洁净不锈钢夹杂物控制的最优精炼渣成分（3）不锈钢精准钙处理改性夹杂物模型。通过可用改性处理的方法将钢中的夹杂物改性为低熔点的液态夹杂物，增强其轧制过程的变形能力以减小其对钢材质量的危害，也可避免水口堵塞现象。然而，钙处理喂钙线量的多少对钢中夹杂物的变性效果影响很大。但是大多数钢铁企业只是知道需要钙处理，对于钙处理时最优喂钙线量并没有太多理论研究，因此，在实际生产过程中经常出现钙处理效果不好、甚至钙处理后产品质量更差的现象。本项目通过对超洁净不锈钢不同钢液成分条件下钙处理进行的计算，确定了超洁净不锈钢的不同成分条件下最优的喂钙线量，可实现在线对不锈钢中夹杂物的精确钙处理改性控制，与国外同类型模型相比，实现了了不锈钢生产过程在线应用，考虑的反应物和产物更全面，计算结果更直观。

含硫齿轮钢中 S 含量通常为 0.015-0.02%，同时为了保证钢水可浇性，生产过程中采用钙处理。目前是先喂 Ca 线，软吹后再喂入 S 线，由于 CaS 的生成，导致 Ca 和 S 的损耗大，收得率不稳定。由以上可知，目前制约含硫齿轮钢生产过程中的主要因素之一是钢中非金属夹杂物，因此，很有必要对含硫齿轮钢生产过程中洁净度进行控制与提升。（1）高硫齿轮钢中硫化物控制技术。开展硫化物生成热力学计算，确定不同钢液成分对钢中硫化物析出种类及析出温度的影响；进行硫化物析出及长大的相关动力学计算，确定硫化物析出尺寸及析出量随温度、反应物浓度的变化。同时研究了氧化物和硫化物的联合控制研究，研究总氧含量对硫化物夹杂含量及形貌的影响，研究不同类型氧化物与钢中析出的硫化物的大小、数量和分布的关系，确定有利于钢中 MnS 弥散分布的氧化物夹杂种类，实现高硫齿轮钢钢中氧化物和硫化物的联合控制，降低 A 类夹杂物评级。（2）高硫齿轮钢精准钙处理改性夹杂物模型。高硫齿轮钢生产时采用 Al脱氧使得钢中生成大量的以 Al 2 O 3 为主的高熔点夹杂物，为了避免浇注过程水口结瘤以及减小高熔点 Al 2 O 3 夹杂物在后续轧制过程中对钢材质量的危害，生产过程中需要进行钙处理将钢中的高熔点夹杂物改性为低熔点的液态夹杂物。然而，钙的加入量存在一个合适的范围，过多的钙加入形成的大量的 CaS 同样会导致水口结瘤。本项目基于吉布斯自由能最小的原理，对“高硫齿轮钢-夹杂物”进行热力学平衡计算，并根据“高硫齿轮钢-夹杂物”反应平衡相图，得到“液态窗口”的加钙范围，实现了高硫齿轮钢生成过程中的精准钙处理控制。

汽车工业是衡量一个国家经济发展水平的重要标志，汽车齿轮是汽车上重要的传动零件，齿轮质量的高低决定着汽车性能的好坏。通常，高质量的齿轮钢应具有四个方面的质量指标，即窄的末端淬透性宽、洁净度高、细小均匀的晶粒度和优良的表面质量。齿轮钢的洁净度对于齿轮钢产品性能具有重要影响，其中大颗粒的脆性点状不变形夹杂、呈串状分布的 Al 2 O 3 对齿轮钢的疲劳寿命最有害。而为了细化晶粒，通常需要在齿轮钢中保持一定的酸溶铝含量（0.010%-0.040%）。因此，必须解决如何在保持一定酸溶铝含量的情况下尽量减少钢中的 Al 2 O 3 夹杂物含量的难题。（1）齿轮钢精准钙处理改性夹杂物模型。为控制齿轮钢中的串状脆性点状不变形 Al 2 O 3 夹杂物，同时进一步改善齿轮钢的水口结瘤，需要对于齿轮钢中的Al 2 O 3 夹杂进行改性处理。通过改性处理的方法将钢中的 Al 2 O 3 夹杂物改性为低熔点的液态夹杂物，增强其轧制过程的变形能力以减少大颗粒脆性串状不变形夹杂对齿轮钢疲劳寿命的影响，也可改善水口结瘤现象。但必须要关注的是，喂钙量对于夹杂物的改性效果具有重要的影响，喂钙量过低无法将钢液中高熔点的Al 2 O 3 及 Al 2 O 3 ·MgO 完全改性，而喂钙量过高则导致生成更高熔点的 CaS 及 CaO生成，从而恶化齿轮钢产品质量。同时钢液成分对于钙处理具有较大影响，而目前大多数企业还仅通过钙铝比指导现场的喂钙操作。本项目基于不同喂钙速度、钙线插入深度的统计，得到最优喂钙速度和钙线插入深度下稳定的钙收得率，并结合喂钙操作过程中导致的钢液增氧以及喂钙后至中间包浇注钙损，对超洁净齿轮钢不同钢液成分条件下钙处理进行热力学计算，确定了超洁净齿轮钢的不同成分条件下最优的喂钙线量，并结合精准钙处理软件，实现超洁净齿轮钢在线精准钙处理，通过理论计算并结合现场钙收得率，进一步优化现场的喂钙操作。（2）电磁搅拌对超洁净齿轮钢铸坯中夹杂物的影响研究。电磁搅拌使钢液在交变电磁场中产生电流，通过电磁力来控制钢液的流动、传热及凝固过程。目前国内普遍认为电磁搅拌可以提升铸坯的表面质量、提高钢的洁净度、扩大铸坯的等轴晶区、降低元素中心偏析，同时减轻或消除中心疏松和中心缩孔等作用。但也有报道随着结晶器电磁搅拌强度的增加，铸坯表层附近的负偏析更加严重，同时加剧枝晶转变区域的正偏析，恶化铸坯的均质性。为进一步明晰结晶器电磁搅拌对于超洁净齿轮钢夹杂物的影响，本项目通过对于有结晶器电磁搅拌和无结晶器电磁搅拌两种工况下，铸坯全断面夹杂物扫描，研究不同电磁搅拌条件对齿轮钢铸坯中夹杂物的影响，结合铸坯宏观偏析、微观组织等结果，优化结晶器电磁搅拌参数，从而提高齿轮钢的产品质量。

项目背景：为满足汽车行业更安全、更轻量化、更环保以及更经济油耗的需求，AHSS(Advanced High Strength Steel 先进高强钢)一直是近年来钢铁工业材料研发工作的重点。双相（DP）钢、相变诱导塑性（TRIP）钢、热成形（HF）钢等先进高强度钢已在汽车中得到大量应用。随着各大钢铁企业高强汽车用钢产品比例的逐渐提高，陆续暴露出一系列的装备设计、控制策略、数学模型等方面的问题，严重影响高强钢生产的稳定性和产品质量。基于二十多年的研究和实践，结合金属材料、数学模型、自动控制、质量优化控制等交叉学科的研究成果，工程技术研究院逐渐形成了高效实用的高强汽车用钢冷轧关键工艺控制改进和质量控制成套技术。关键工艺技术：（1）酸轧机组数学模型的结构、工艺参数优化及系统优化改进；（2）高强钢冷轧轧制稳定性关键疑难问题研究及成套解决方案；（3）酸轧、连退、镀锌机组高强钢焊接及生产稳定性解决方案；（4）冷连轧厚度、板形、成材率等质量控制策略优化及改进；（5）宽幅带钢连退、镀锌生产线跑偏机理及改进研究；（6）平整/光整机组板形及表面质量控制综合技术等；

钢中夹杂物的成分、形态、尺寸、以及分布的直接影响着钢材的工艺性能夹杂物的控制是生产高品质钢的重中之重。通常，我们会尽可能的将钢中的夹杂物去除，以提高钢材的洁净度；然而，钢中的夹杂物不可能被完全去除，存留的引起缺陷使钢材失效，同时可能会引起水口堵塞，因此，我们通常采用改性处理的方法将钢中的夹杂物改性为低熔点的液态夹杂物，以减小其对钢材质量的危害，也可避免水口堵塞现象，保证钢铁生产的顺行。近年来，我们利用 MnS 夹杂物的易变形性能来提升钢材的易切削性能，还可以利用纳米级的夹杂物来钉扎奥氏体晶界或微米级的夹杂物诱导晶内铁素体的形成，以达到细化晶粒、提升钢材韧性的目的，称此为“第二相粒子冶金”。（1）高品质钢中非金属夹杂物成分设计。根据不同高品质钢的使用性能要求不同，通过熔点、硬度和变形能力等因素对钢中夹杂物进行成分设计，确定钢中非金属夹杂物的成分目标。（2）钢中非金属夹杂物多维无损表征技术。利用夹杂物自动分析仪、酸浸蚀、小样电解和大样电解、高分辨同步辐射等多种方法定量三维表征揭示了不锈钢表层夹杂物分布规律，实现钢中（尤其是表层）非金属夹杂物的有效控制。（3）钢液脱氧过程中非金属夹杂物成分热力学研究。通自主编写的计算程序和热力学算进计算，实际钢液多元复合脱氧条件下钢中各类非金属夹杂物的生成条件。（4）高品质钢精炼渣成分设计研究。通过模型对大量不同精炼渣系进行优化，对渣-钢-夹杂物多元热力学反应进行预测，根据钢中非金属夹杂物的成分需求，对夹杂物进行精准控制。（5）高品质钢脱氧剂和辅料设计研究。通过控制高洁净钢的合金和辅料的成分，实现高品质钢中非金属夹杂物的有效控制，从而提升高品质钢产品的洁净度。（6）耐火材料影响机理研究。通过研究渣-钢-耐火材料的浸蚀机理、界面反应和润湿行为，研究其对高品质钢洁净度和夹杂物成分、数量等的影响，确定最优的耐火材料。（7）钢中非金属夹杂物去除行为研究。通过实验、物理水模拟和数学模拟相结合的方法，研究冶金反应过程不同时刻和不同工况下非金属夹杂物的数量、尺寸和分布，确定最优的操作工艺，实现钢中非金属夹杂物的有效去除。（8）钢液二次氧化过程非金属夹杂物行为研究。通过研究空气、渣和耐火材料等对高品质钢中非金属夹杂物的影响，确定不同二次氧化条件下，钢中非金属夹杂物的行为，通过多种手段减少钢液二次氧化。（9）钢液凝固、冷区和热处理过程非金属夹杂物的变化行为。通过研究凝固和冷却过程中非金属夹杂物的成分、数量、尺寸和分布行为的变化，实现对最终钢产品中非金属夹杂物行为的变化。

悬赏金额：10万元 发榜企业：韶关市曲江金扬耐磨材料有限公司 产业集群：先进材料产业集群 需求领域：金属材料 技术关键词：高强韧性,马氏体钢,耐磨性能

本项目采用投资最小和工艺最简单的焊接——拉拔复合工艺生产不锈钢/碳素钢复合管，具有投资小、成本低、产品范围广、质量稳定、成才率高等优点。该产品在研发过程中，攻克了临界变形量、轧头优化等关键技术，实现了碳素钢与不锈钢之间的良好结合，综合了二者的优势，工艺技术处于国内领先水平。由于不锈钢/碳素钢复合管是替代不锈钢管和镀铬钢管的节省镍铬的环保型新材料，市场前景十分广阔。

成果简介本项目采用投资最小和工艺最简单的焊接——拉拔复合工艺生产不锈钢/碳 素钢复合管， 具有投资小、 成本低、 产品范围广、 质量稳定、 成才率高等优点。 该产品在研发过程中， 攻克了临界变形量、 轧头优化等关键技术， 实现了碳素钢与不锈钢之间的良好结合， 综合了二者的优势， 工艺技术处于国内领先水平。 由于不锈钢/碳素钢复合管是替代不锈钢管和镀铬钢管的节省镍铬的环保型新材料， 市场前景十分广阔。成熟程度和所需建设条件焊接-拉拔复

铁素体不锈钢作为一种以铬为主要合金元素的钢种，具有含镍不锈钢所具有的成型性、耐蚀性、抗氧化性等性能，同时由于成本低、耐应力腐蚀性能优异等显著特点，被称为经济型不锈钢，而被广泛的应用于电梯面板、建筑装饰和汽车排气系统等领域。在超纯铁素体不锈钢生产过程中，为了有效固定不锈钢中的 C、N 元素，Ti 元素常常作为合金元素而被大量加入。如果控制得当，生成的 TiN夹杂物将作为铁素体异质形核的核心，促进等轴晶的生长，同时还能起到细化晶粒、沉淀强化等作用。然而，如果控制不当，在连铸坯表面生成大量的 TiN 夹杂物，将严重影响冷轧板的表面质量，如导致白色条纹缺陷等。因此，很有必要开展铁素体不锈钢中非金属夹杂物控制关键技术研究。（1）铁素体不锈钢冶炼 Ti-N 积控制技术。在超纯铁素体不锈钢冶炼过程中，常常加入 Ti 元素固定不锈钢中的 C、N 元素，形成的 TiN 夹杂物能够促进等轴晶的生长，起到细化晶粒、沉淀强化等作用。然而 Ti-N 积如果控制不当，会在连铸坯中形成分布不均匀的 TiN 夹杂物，轧制过程中密集分布的 TiN 夹杂物将沿轧制方向延展，最终在冷轧板表面形成白色条纹缺陷。图 1 所示为不同 Ti-N 积条件下对应的冷轧板表面白色条纹缺陷发生率：当 Ti-N 积大于 0.0025 时，白色条纹缺陷率急剧增加同时也将大于 20%。因此需要将 Ti-N 积控制在 0.0025 以下。（2）氧化物异质形核技术。铁素体不锈钢连铸坯中 TiN 夹杂物的形核主要包括两种方式，即均质形核与异质形核。异质形核可以影响 TiN 夹杂物在连铸坯中的数量、尺寸以及分布，更有利于 TiN 夹杂物均匀地分布在连铸坯中。对由 Mg、Al、Si、Ca 四种元素组成的共 15 种氧化物进行异质形核核心的考察发现，促进TiN 形核的氧化物主要包括五种，分别为 CaO、Al 2 O 3 、Al-Ca 氧化物、Mg-Al 氧化物和 Mg-Al-Ca 氧化物，而这其中又以含 Ca 的氧化物，即 CaO、Al-Ca 氧化物和Mg-Al-Ca 氧化物为主。值得注意的是，钢中的含 Si 氧化物，即 SiO 2 、Si-Ca 氧化物、Al-Si 氧化物、Mg-Si 氧化物、Mg-Al-Si 氧化物、Mg-Si-Ca 氧化物、Al-Si-Ca氧化物以及 Mg-Al-Si-Ca 氧化物均不能有效的促进 TiN 夹杂物异质形核。而钢中未发现MgO作为TiN夹杂物的异质形核核心的原因可能为钢中没有纯的MgO夹杂物。（3）连铸坯表面精准扒皮技术。采用 Aspex 观测和统计 TiN 夹杂物在铁素体不锈钢连铸坯表层的分布情况，结果表明：越远离连铸坯的表面，TiN 夹杂物的数量密度呈减小的趋势，平均尺寸呈增大趋势。尤其是在连铸坯表层下 4mm 范围内，TiN 夹杂物的数量密度很大并且由表层向内呈快速递减的趋势。同时在连铸坯表层 10mm 内，TiN 夹杂物的数量在平行于內弧面的分布是不均匀的，尤其是在连铸坯表层 4mm 内，TiN 夹杂物的数量密度很大并且分布极不均匀。因此，为了避免在超纯铁素体不锈钢冷轧板表面生成白色条纹，建议将连铸坯表层的扒皮厚度为 4mm。