钢帘线被誉为是线材中的顶级产品，被誉为“皇冠上的明珠”。它是伴随着子午线轮胎的发展而发展起来的。以钢帘线为骨架材料的子午线轮胎具有高速、高载、耐久等一系列优良特性。随着汽车工业的发展，用于制造子午线轮胎的钢帘线需求量不断增加，同时对钢帘线的品种、性能及质量提出新的要求。作为生产钢帘线的原材料，帘线钢质量很大程度上决定了帘线的品质。帘线钢的洁净度，元素偏析等级，尤其是钢中夹杂物的形态对后续产品有着极大的影响。非金属夹杂物易引起钢丝拉拔和合股过程中断丝的发生，因此要求帘线钢中夹杂物尺寸小，且在轧制和冷拔等加工过程中具有良好的变形性能。根据子午轮胎产品性能和太阳能级硅产业的发展要求，钢帘线和切割丝向着超高强度（4000 MPa 及以上）方向发展，开发高强度、超高强度帘线钢丝，对实现轮胎的轻量化、降低用燃料的费用、降低生产成本意义重大。目前国内依旧不能稳定、高效的生产高牌号的帘线钢，开发帘线钢冶炼关键技术对提升企业生产技术水平和质量控制水平，取代进口高端钢帘线产品意义重大。 （1）帘线钢冶炼过程原辅料成分设计技术。帘线钢生产过程中一般采用Si-Mn 复合脱氧，但由于合金和辅料中存在 Al 的来源，帘线钢主要的夹杂物为MnO-Al 2 O 3 -SiO 2 系和 CaO-Al 2 O 3 -SiO 2 系两类。其中，MnO-Al 2 O 3 -SiO 2 为脱氧反应产物，CaO-Al 2 O 3 -SiO 2 为钢渣反应生成。不同工序氧化物复合夹杂类型会发生转变，大量研究表明转炉出钢、精炼过程随着钢液成分的变化，夹杂物的成分在不断变化中。实际生产中使用的各种物料，包括合金、脱氧剂及钢包内衬直接影响钢液成分，进而改变钢液中非金属夹杂物的成分。高端帘线钢中非金属夹杂物主要成分为 SiO 2 -MnO，几乎没有 Al 2 O 3 的存在，因此在实际的生产过程中杜绝任何含 Al的原料。国内企业在实际生产时更倾向于使用价格低廉的合金、脱氧剂等原料以降低生产成本，为此本项目不仅研究了合金、脱氧剂、耐材等物料中 Al 的含量，还研究了各物料对钢液成分以及非金属夹杂物成分的影响程度，以选择更高性价比的物料搭配。在使用不同物料后取样分析，发现合金对钢液中非金属夹杂物的影响最大，低铝硅铁和普通硅铁对钢液中非金属夹杂物的成分影响如图 1，可以看出合金的使用直接改变夹杂物的体系。实际生产过程中可根据产品等级和各物料对钢中非金属夹杂物的影响，针对性的使用物料控制生产成本。 （2）帘线钢精炼渣成分设计技术. 炉渣成分对钢液成分有着直接影响，帘线钢精炼一般采用 CaO-SiO 2 -Al 2 O 3 渣系，精炼渣的成分对钢中夹杂物的控制起重要作用。研究表明精炼渣中相同 Al 2 O 3 含量的条件下，钢液中[Al]s 含量随精炼渣碱度增高而增高；相同碱度的条件下，钢液中 Als 含量随精炼渣中 Al 2 O 3 含量增加而增加。当精炼渣的碱度为 1.0 时，钢液中[Al]s 随渣中 Al 2 O 3 含量增加亦呈增加趋势， [Al]s 增量有限。同时，夹杂物中 Al 2 O 3 和 MnO 含量取决于渣-钢间的氧势，如氧势高，则夹杂物中 MnO 含量高。反之，当系统氧势低时，渣中CaO 和 Al 2 O 3 会有少部分被还原进入钢液，夹杂物 CaO 和 Al 2 O 3 含量增加，MnO 含量减少。在实际的冶炼过程中，精炼渣进入钢液是不可能完全避免的，精炼渣进入钢液后将形成含大量 CaO、Al 2 O 3 的夹杂物。对此为控制钢中非金属夹杂物的成分将精炼渣的碱度控制在 CaO/SiO 2 ≤1，实际生产过程中，精炼渣的最佳成分还应根据精炼过程的渣钢比，所使用合金、脱氧剂、耐材等条件进行优化。 （3）帘线钢中夹杂物变形性能评估模型。许多研究认为低熔点夹杂物在轧制和加工过程中变形更好。如果轧制过程中夹杂物是液态的，那这毫无疑问是对的。 102 / 298然而，实际的轧制温度往往大部分都低于夹杂物的熔点。在轧制温度降到夹杂物固相线温度以前，虽然夹杂物不是液态，但是由于软化它们仍然具有一定的变形性。然而，当温度降低至固相线以下时，夹杂物将完全转变为固态。并且，钢的变形不仅包括轧制，还包括其他冷加工，譬如，帘线钢冷拔过程的温度基本为室温，显著低于夹杂物的固相线温度。因此，只用熔点来评估冷拔或冷轧过程中夹杂物的变形性能不太合理或者说不太全面。本项目提出使用低温下夹杂物的杨氏模量评估变形能力的模型，认为氧化物变形能力与杨氏模量大小成反比，并拟合了低温下的氧化物杨氏模量与平均原子体积关系：2.939811 E V ，对Al 2 O 3 -SiO 2 -CaO 系和 Al 2 O 3 -SiO 2 -CaO系氧化物的低温杨氏模量进行了计算，如图 2所示。由于冷拔过程氧化物变形能力与杨氏模量大小成反比，为了降低冷拔过程的断丝率，夹杂物需要控制到图中所示的深蓝色区域，即要求具有很高的 SiO 2含量和极低的 Al 2 O 3 含量。由图还可知，由于具有最大的杨氏模量，Al 2 O 3 对帘线钢中氧化物的变形性能最为有害，这也是为什么帘线钢生产过程中需要严格控制钢中 Al 含量。

汽车板要求优异的深冲性能，主要是 IF 钢，也称超低碳钢，在汽车工业中得到了广泛应用。对于 IF 钢，要获得成品钢材的高延展性、高塑性应变比以及优良的表面性能，要求钢中 C、N、O 含量尽可能低。由于铝具备强脱氧能力，IF钢生产过程采用Al 脱氧，在很短时间内钢中溶解氧即可以降低到 1×10-6 ~3×10 -6 ，同时生成 Al 2 O 3 夹杂。目前 IF 钢生产过程遇到的与夹杂物有关的问题主要包括：（1）钢水可浇性差，易发生浸入式水口堵塞；（2）由铸坯内大型夹杂物引起的冷轧薄板表面长条线状缺陷等。其中针对可浇性问题，主要是要尽可能地减少夹杂物的生成并促进夹杂物的去除，针对表面缺陷问题，主要是促进夹杂物在结晶器内的上浮去除，减少夹杂物被凝固坯壳捕捉。因此，开发了汽车板中非金属夹杂物控制关键技术，为提升国内钢铁企业汽车板的生产效率和产品质量做出了贡献。 （1）RH 精炼能力提升技术。RH 真空精炼是汽车板钢中非金属夹杂物去除的主要场所，RH 精炼能力的提升有利于增加夹杂物的去除效率。而 RH 循环流量的增加是提升其精炼能力的主要手段。以往的研究主要集中于增大提升气体流量或者增大真空度来增加 RH 循环流量，但能够实现的增幅有限。本项目创造性地设计了一种圆形上升管-椭圆下降管的 RH 新型真空槽装置，并应用于企业生产实践。将RH 反应器的下降管替换为椭圆形，在不必增加钢包内径的前提下增大了下降管的截面积，起到增大循环流量并延长钢包使用寿命的效果。该技术可解决 RH 精炼效率提升的瓶颈问题，能够大幅提升 RH 真空精炼的效率和能力。图 1 所示的工业试验结果显示了采用此技术时夹杂物最少。（2）超低碳钢铸坯表层凝固钩预测和控制技术。以往对汽车板钢浇铸过程凝固坯壳对夹杂物的捕获现象研究较少，而通过研究发现浇铸过程钢中夹杂物和气泡容易被铸坯表层凝固钩结构所捕获。凝固钩是在结晶器内弯月面凝固后形成的结构，该结构向结晶器内部延伸，很容易捕获结晶器内上浮的气泡和夹杂物，从而引起铸坯的表层缺陷。尤其是超低碳钢凝固过程中的糊状区较窄，更容易形成大尺寸的凝固钩结构，因此对超低碳钢铸坯表层的凝固钩结构的控制尤为重要。本项目通过对不同浇铸参数下的铸坯凝固钩进行对比，研究了不同浇铸参数对凝固钩深度的影响，并通过建立结晶器初始凝固模型，开发了超低碳钢铸坯表层凝固钩的预测和控制技术。通过该技术的实施可以实现不同浇铸工艺条件下凝固钩深度和长度的预测，并采取针对性的措施对其进行控制。一方面有利于预测汽车板铸坯的扒皮深度，另一方面通过控制措施（较高拉速、较高浇铸温度和较低的结晶器一冷水流量、采用电磁制动等）的实施有效减小凝固钩的尺寸，如图 2 实施，减少其对大尺寸夹杂物和气泡的捕获，从而提升汽车板表面质量。（3）超低碳钢连铸一冷优化模型。结晶器是连铸机的心脏，具有极高的冷却效率。结晶器内的钢液流动和冷却速率对结晶器内的凝固坯壳生产和夹杂物的运动、去除和捕获具有重要影响，尤其是对超低碳钢铸坯表层凝固钩尺寸及其对夹杂物和气泡的捕获影响显著。本项目对超低碳钢连铸一冷优化模型进行了开发。首先建立结晶器内的流动及坯壳凝固模型，综合考虑了结晶器内钢液的流动、钢液及坯壳的传热、坯壳与铜板间的缝隙传热、铜板及冷却水的传热。模型首先通过Fluent 软件进行结晶器内的流场和温度场模拟，然后将得到的固相线处的热流密度导出，作为凝固模型的参数输入到凝固模型中进行计算。运用模型对结晶器的传热进行了计算，模拟了一系列结晶器宽度、拉速及浇铸过热度的结果，并将计算的结晶器水流量进行综合统计，得到了适合现场调水的临界水流量水表。在模型计算过程中，模型不但考虑了钢液流动、钢液及坯壳的传热、缝隙传热、铜板及冷却水传热，还对冷却水核沸等额外瞬间增大的热阻的现象进行了警示。图3 所示为模型计算得到的不同拉速、结晶器宽度下的临界水流量，能够为超低碳钢浇铸过程结晶器一冷水量优化提供指导，一冷水并不是越大越好，在保证安全的情况下适当地降低一冷水量能够有效减小凝固钩尺寸和铸坯表层夹杂物的数量。

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。

研究钢中中夹杂物的行为，对提升钢材产品的质量和实现一些特殊用途的钢材的自主开发具有重要意义。在整个冶炼生产环节中，已经开发了一系列对钢中氧化物夹杂进行控制的方法。然而，在后续的热轧和热处理过程中，氧化夹杂物可能会与不锈钢基体中的高合金元素发生化学反应，这一过程中夹杂物的变化会直接影响最终钢材产品的性能和质量。因此，研究固体钢加热变性钢中非金属夹杂物非常重要。 （1）夹杂物系统检测技术。通过夹杂物自动分析电子显微镜对试样横截面全断面上的夹杂物进行检测，分析夹杂物的成分、数量、尺寸和氧化物夹杂在试样全横截面上二维分布；通过非水溶液电解侵蚀的方法揭示不通时刻氧化物夹杂的三维形貌；通过投射电镜统计不同尺寸夹杂物的特征和与晶粒尺寸的关系。 （2）热处理过程固态中氧化物夹杂的成分变化热力学研究。热力学计算预测研究不同温度下钢中年非金属夹杂物与钢基体反应的可能性，确定在热处理过程中固态钢基体与氧化物夹杂的反应机理和影响因素，实现对热处理过程中钢中氧化物夹杂的有效控制。 （3）热处理过程钢中氧化物夹杂的转变速率动力学研究。建立了一个热处理过程氧化物转变动力学模型，模型考虑了不同尺寸和不同成分的氧化物夹杂与钢基体的传质和化学反应，可以有效预测不同温度下的热处理过程中夹杂物的转变率。

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。

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。

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。

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。

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。

高品质钢的冶炼典型流程为“转炉→精炼→中间包→结晶器”，冶金反应器内存在着合金-钢、钢-渣、钢-夹杂物、钢-耐材、渣-耐材、钢-空气、钢液凝固和元素偏析等反应和过程，各个化学反应“耦合”发生、互相影响。因此，有必要建立智能模型有效地预测不同反应器内夹杂物成分的变化，准确地在线了解精炼和连铸过程的工作状况，使生产全流程始终处于最佳工作状态，从而确保夹杂物的精准控制，最终提高钢产品质量的稳定性和可靠性。同时，通过模型的优化计算，可以根据不同钢种的性能需求，对钢种的生产工艺进行定制化设计。 （1）高品质钢炉精炼过程夹杂物预测研究： − 精炼过程宏观流动数学模拟：计算精炼过程钢液和精炼渣的流场和温度场、夹杂物的运动，同时计算吹氩强度、钢包尺寸等因素对钢包流场、夹杂物运动和去除的影响。− 精炼过程夹杂物成分动力学：研究吹氩强度、钢包尺寸等因素对多元反应速率的影响；耦合计算 LF 炉内“渣-钢-夹杂物-合金-耐材-空气”多元反应过程夹杂物成分变化。 − LF 炉内夹杂物尺寸动力学：建立夹杂物生成、长大和去除的尺寸变化多尺度模型，确定不同条件下夹杂物的尺寸变化行为，预测钢中夹杂物的数量变化和尺寸分布规律。 − LF 炉内夹杂物预测模型：将夹杂物成分和尺寸动力学计算和宏观流动模拟相耦合，建立 LF 炉精炼过程夹杂物成分、数量和尺寸预测模型。 （2）高品质钢中间包连铸过程夹杂物预测研究 − 中间包内宏观流动数学模拟研究：计算中间包内钢液和覆盖剂渣相的流场和温度场、夹杂物运动和去除。计算开浇和换包的非稳态浇注、中间包结构对中间包浇铸过程的影响。 − 中间包内夹杂物动力学研究：耦合计算中间包中“渣-钢-夹杂物-耐材-空气”多元反应中夹杂物成分变化，确定中间包内各位置的反应速率。 − 中间包内夹杂物预测模型的建立将渣-钢-夹杂物-耐材-空气反应和宏观流动模拟相耦合，建立中间包过程多元反应夹杂物成分、数量和尺寸预测模型。 （2）高品质钢结晶器凝固过程夹杂物预测研究 − 结晶器内钢液凝固冷却过程中夹杂物行为研究：通过实验室实验研究钢液凝固和冷却过程中温度变化对原有夹杂物与钢基体的反应的影响，以及不同成分的钢液在冷却和凝固过程中夹杂物新相析出，确定温度变化对夹杂物影响机理。 − 结晶器内宏观凝固和流动数学模拟研究：研究结晶器过程钢液、渣相的运动，使用融化模型研究结晶器过程凝固坯壳的凝固和形成，计算夹杂物在钢-渣界面的去除行为。 − 结晶器内钢液凝固过程夹杂物动力学研究：计算铸坯凝固过程钢液成分偏析，与保护渣-钢-夹杂物反应进行耦合计算，预测铸坯中夹杂物的成分。计算夹杂物被凝固前沿捕捉行为，预测铸坯中夹杂物的数量和尺寸分布。 − 结晶器内钢液凝固夹杂物预测模型的建立：通过将元素偏析、保护渣-钢-夹杂物反应和宏观流动数学模拟相耦合，建立结晶器凝固过程多元反应预测模型，实现铸坯中夹杂物成分、数量和尺寸空间分布的精准预测。 （4）高品质钢制造过程夹杂物智能预测模型在工业生产中的应用 − 模型的验证和优化：高品质钢制造进行全流程取样调研，对建立 LF 炉、中间包和结晶器内夹杂物反应模型进行验证和优化。 − 模型应用：将建立的高品质 LF 炉、中间包