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鐵路作為一種現代化交通運輸工具，在世界范圍內具有廣闊的發展前景。目前鐵路發展的整體趨勢是高速和重載化，對重軌鋼質量提出了更高的要求，不僅要求高潔凈度，高強度、高韌性，而且必須具有良好的抗疲勞性能。重軌鋼生產過程及使用過程中，非金屬夾雜物是影響其質量最重要的原因之一，常引起探傷不合、易產生疲勞裂紋等，主要是由于其鋼中非金屬夾雜物控制存在以下三個難題：（1）夾雜物尺寸大且化學成分復雜；（2）冶煉工藝復雜，尤其在于脫氧及精煉等重要環節；（3）尖晶石類夾雜物突出，嚴重惡化鋼軌性能。因此，合理控制重軌鋼中的非金屬夾雜物，對重軌鋼產品質量的提生及鐵路事業的進步具有重要意義。（1）重軌鋼冶煉脫氧及原輔料成分設計技術。重軌鋼采用無鋁脫氧工藝，但是在脫氧劑的使用方式及用量上缺乏理論指導，因此，重軌鋼脫氧過程中必須對脫氧劑的使用方式及用量進行合理優化控制，本項目提出僅在轉爐出鋼時加入少量硅鈣鋇脫氧劑控氧，同時配合精煉擴散脫氧，能將鋼中 T.O. 含量控制在 10 ppm以下，不僅有效節約了生產成本，而且促進了夾雜物的去除、有效降低了夾雜物的尺寸。在重軌鋼冶煉原材料的控制方面，國內企業生產時更傾向于買價格低廉的鐵合金等原材料，從而降低生產成本，但是對于鐵合金及鐵合金對重軌冶煉的影響研究幾乎為空白。本項目提出了使用低鋁鐵合金，降低鋼中的酸溶鋁含量，抑制鋼中高 Al 2 O 3 夾雜物的形成，從而提升夾雜物變形能力，有效防止因脆性夾雜物造成的疲勞缺陷。（2）重軌鋼中硫化物夾雜控制技術. 由于 MnS 有良好的變形能力，而且重軌鋼軋制過程中變形量大，MnS 夾雜物可能延伸很長，可能成為夾雜物超標和引起超聲波探傷不合的重要原因之一。此外，大尺寸長條狀 MnS 可能成為裂紋的起點，在應力作用下首先在和鋼基體的交界處形成裂紋源。本項目首先通過優化精煉造渣制度進一步去除鋼中 S 含量，提出將鋼中得 S 降低到 40ppm 以下。其次，通過對重軌鋼連鑄坯及鋼軌硫化物的分布進行研究分析，從而對冷卻制度進行優化，提出先若冷后強冷的原則，使激冷層優先析出的大量細小的 MnS，減小其他凝固區的 S 的壓力，從而來控制重軌鋼中硫化物。此外，還提出了使用 CSC（Comparison-Segmentation-Combination）方法，計算了 MnS 在不同溫度下在不同溫度范圍內的準確的熱力學生成曲線，并研究了熱處理工藝升溫速率、保溫溫度和保溫時間等對 MnS 夾雜物的影響，促進已生成的長條狀 MnS 向彌散的紡錘形轉變，從而達到控制 MnS 形態的目的。（3）重軌鋼中尖晶石類夾雜控制技術 重軌鋼采用無鋁脫氧工藝，但是鋼中發現MgO-Al 2 O 3 夾雜物，且部分尺寸較大，嚴重影響產品質量。本項目首先對重軌鋼中尖晶石夾雜物的形成機理進行研究，得出重軌鋼中危害較大的尖晶石類夾雜物來源于鋼中復雜氧化物夾雜在降溫冷卻過程中的析出，從而提出使用低鋁低鎂合金，VD 前扒渣降低耐材侵蝕等減少夾雜物中 Al 2 O 3 和 MgO 含量，抑制尖晶石夾雜物的析出。此外，VD 前扒渣也有利于控制復雜氧化物夾雜中 CaO 含量的成分，對控制夾雜物的尺寸及提高產品質量有重要作用。

隨著我國電力工業的不斷發展，大型發電機組的制造的水平不斷提高，對我國取向硅鋼產品的性能提出了更高的要求。相比于一般鋼鐵產品，取向硅鋼的制造工藝和設備復雜，生產過程影響因素眾多，對化學元素和析出相的控制提出了極高的要求，因此被稱為“鋼鐵中的藝術品”。目前，我國能夠生產取向硅鋼的企業只有寶武集團、首鋼集團等少數企業。取向硅鋼的磁性能受到鋼成分和析出相的影響很大。其中由于其鋼中非金屬夾雜物和析出相控制存在以下兩個難題：（1）取向硅鋼在冶煉過程中，鋼中化學成分要求實現窄成分控制，尤其是在精煉過程中對酸溶鋁（[Al] s ）和鈦（[Ti]）含量等的控制。其中鋼中[Al] s 和[Ti]含量對硅鋼鐵損和磁感強度的影響很大，目前取向硅鋼的[Al] s 很難穩定的達到的要求，鋼中[Al] s 的命中率不高，同時[Ti]控制也不穩定。本項目通過潔凈鋼的冶煉技術，確定當前取向硅鋼中影響硅鋼磁性的主要元素為酸溶鋁和鈦含量，其控制目標為[Al] s =0.0265%±0.001%和[Ti]＜25 ppm。（2）取向硅鋼精煉渣成分設計技術。本項目首先通過工業實驗數據和熱力學計算研究了精煉渣對鋼中酸溶鋁和鈦含量的變化的影響。通過動力學計算，重點研究了鋼包鎮靜過程的不同時刻，鋼中酸溶鋁和鈦含量的變化規律，為取向硅鋼冶煉過程中酸溶鋁和鈦含量的變化的精準控制提供理論指導。本項目得出增加精煉渣堿度可以增加取向硅鋼中[Al] s 含量。為了降低取向硅鋼中[Ti]含量，應當嚴格控制精煉渣中 TiO 2 含量。，從而更系統準確地確定了有利于控制取向硅鋼中[Al] s 和[Ti]含量的最優精煉渣成分。

石油和天然氣是重要的能源礦產和戰略資源，與國民經濟、社會發展和國家安全息息相關。在石油天然氣的運輸過程中，管道輸送具有經濟性、安全性和連續性等優點。管線鋼主要用于加工制造油氣管線，性能上要求高強度、高韌性、良好的焊接性能和良好的抗腐蝕性能。而非金屬夾雜物是影響管線鋼性能的主要因素之一，主要危害有：（1）會造成水口結瘤，影響生產順行；（2）能夠能夠導致管線鋼產生疲勞裂紋；（3）會影響管線鋼的沖擊韌性；（4）會降低管線鋼的抗腐蝕性能，尤其是 A 類和 B 類夾雜物，會造成氫致裂紋的產生；（5）會惡化管線鋼的焊接性能。因此，開發了管線鋼中非金屬夾雜物控制關鍵技術，為我國管線鋼產品質量的提升做出了貢獻。（1）管線鋼精準鈣處理模型以及在線指導軟件。鈣處理是管線鋼夾雜物的最主要方式，通過鈣處理能夠將 MnS 夾雜物改性為 CaS，將 Al 2 O 3 為主的夾雜物改性為鈣鋁酸鹽，從而降低夾雜物對管線鋼性能的危害。然而在大部分企業生產過程中，鈣處理過程的鈣線喂入量都缺乏一個標準，主要是依靠經驗進行操作。由于各爐次的鋼渣成分和溫度等的差異，導致不同爐次間的鈣處理效果波動很大，有些爐次鈣處理后產品性能還發生惡化。本項目建立了管線鋼精準鈣處理模型，通過對管線鋼不同鋼液成分和溫度條件下鈣處理窗口進行的計算，確定了管線鋼的不同成分條件下最優的喂鈣線量。與國外同類型模型相比，考慮的工藝條件更完全，考慮的反應物和產物也更全面，因此也更接近生產實際，準確率更高。同時，以管線鋼精準鈣處理模型為基礎開發出了鈣處理在線指導軟件，可實現管線鋼生產過程中針對每一爐次的工況條件進行精準喂鈣量的在線指導，并已實現了在管線鋼生產中的在線應用，計算結果更直觀。（2）低鈣含量處理控制管線鋼 B 類夾雜物技術。傳統的管線鋼鈣處理一般都是采用高鈣處理路線來使夾雜物改性為高 CaO 含量的較高熔點鈣鋁酸鹽，如圖 2中窗口 B 所示。但是在高鈣含量處理時容易在鈣處理后生成大尺寸鈣鋁酸鹽夾雜物，而且在鈣處理后的過程中由于鋼中 Ca 的揮發或者鋼液二次氧化的消耗，鋼中鈣含量會有所降低，導致高熔點鈣鋁酸鹽往液態鈣鋁酸鹽轉變，當尺寸較大時會在軋板中形成 B 類夾雜物，危害產品性能。因此，本項目從另一角度考慮，開發了低鈣含量處理控制管線鋼 B 類夾雜物技術，如圖 2 中窗口 C 所示，即高 Al 2 O 3一側的 50%液相點至 100%液相開始點所對應的 T.Ca 含量范圍。在此情況下，夾雜物由部分液相和部分固相組成，這樣既不會在澆鑄過程發生水口結瘤，又不至于在軋制過程中形成 B 類夾雜，同時由于喂入的鈣含量較低，整體上夾雜物尺寸要更小。此技術應用到企業的管線鋼生產實踐中，能夠有效減小夾雜物尺寸和降低 B 類夾雜物評級。（3）含 Ca 硅鐵鈣處理技術。在管線鋼生產過程中會添加大量的合金，合金的純凈度會對鋼液成分甚至鋼中夾雜物產生重要影響，一般來說這種影響是有害的或者是無用的。本項目針對硅鐵合金中含有一定量的 Ca，通過研究變廢為寶，開發了含 Ca 硅鐵鈣處理技術，并應用于管線鋼的生成，實現了用硅鐵合金代替鈣線來進行管線鋼夾雜物的鈣處理改性，降低生產成本。首先通過鈣處理模型計算得到夾雜物改性所需的鈣含量，然后在總的硅鐵加入量不變的情況下根據硅鐵合金中的 Ca 含量計算得到在出鋼工序和鈣處理工序的硅鐵合金分配量，進而實現夾雜物的精準鈣處理改性，如圖 3 所示。此技術的優點包括：（1）總的硅鐵合金加入量不變，不會增加額外成本；（2）減少甚至取消了鈣線的喂入，降低了生產成本；（3）硅鐵合金鈣處理過程鈣的收得率高，而且不會造成鋼液的噴濺，因此不會惡化鋼液的潔凈度。

隨著我國國民經濟的不斷發展，對軸承鋼性能提出了更高的要求。超純凈軸承鋼被廣泛地應用于高速鐵路、風電裝備、航空發動機、高檔轎車變速箱、高速精密機床和長壽命冶金軋機等對使用壽命、可靠性、承載能力嚴格要求的領域。超純凈軸承鋼煉鋼冶煉難度極高，主要是由于其鋼中非金屬夾雜物控制存在以下兩個難題：（1）超高潔凈度，總氧含量低于 5 ppm；（2）大顆粒夾雜物數量要求少，尺寸小于 15 μm。近 30 年來，通過引進、消化和吸收，實現了大部分高端裝備的國產化，但對高端裝備用高可靠長壽命軸承的國產化一直沒有解決。因此，開發超純凈軸承鋼中非金屬夾雜物控制關鍵技術，為打破此領域國外產品及技術壟斷、實現國內自主生產有重要意義。（1）超純凈軸承鋼精煉渣成分設計技術. 鋁脫氧軸承鋼都是通過高堿度精煉渣提升鋼材的潔凈度，減少鋼中夾雜物數量。高堿度精煉渣具有很高的脫氧脫硫能力，效率高，可生產超低硫軸承鋼。由于高堿度精煉渣中 CaO 含量高，易被鋼中[Al]還原而進入鋼液，從而生成 Ds 類夾雜，對軸承鋼性能產生不利影響。另外，高堿度使精煉渣熔點變高，成渣慢，爐渣流動性變差，會影響脫氧脫硫效果，有可能引起卷渣。低堿度精煉渣由于堿度低，降低了 CaO-Al 2 O 3 類夾雜的影響，但脫氧能力下降使得氧化物夾雜上升。本項目研究應用 FactSage 熱力學計算軟件，研究了不同精煉渣成分對鋼液成分、夾雜物成分的影響，通過對不同精煉渣系進行設計優化，確定精煉渣成分；同時，本項目在堿度 7-12 范圍內進行工業試驗，考慮了不同堿度精煉渣對軸承鋼潔凈度和夾雜物成分的影響，從而更系統準確地確定了有利于超純凈軸承鋼夾雜物控制的最優精煉渣成分。圖 1 精煉渣堿度對渣中 Al 2 O 3 和 CaO 活度的影響（2）超純凈軸承鋼 VD 精煉控制技術.在真空狀態下吹氬攪拌鋼液，促使夾雜物從鋼液內排除，使鋼的潔凈度提高。VD 精煉過程渣鋼劇烈反應，渣中 CaO、MgO 被還原為[Ca]和[Mg]進入鋼液，與鋼中 Al 2 O 3 夾雜物反應生成鎂鋁尖晶石和鈣鋁酸鹽，導致鋼中 Ds 類夾雜數量增加，可能導致水口結瘤和最終軋材中出現Ds 類夾雜缺陷，影響軸承鋼的質量水平，VD 精煉真空度的控制對于夾雜物的上浮去除和夾雜物成分非常重要。本項目對 VD 真空度進行了優化，使得最終產品夾雜物中的 CaO 含量由 30%左右降低至 5%以下，顯著減少了 CaO-Al 2 O 3 和CaO-Al 2 O 3 -MgO 復合夾雜物的生成，使鋼中夾雜物由 CaO-Al 2 O 3 類轉變為鎂鋁尖晶石類，減輕了 Ds 類夾雜的危害。圖 2 不同 VD 真空度條件下軸承鋼軋材中夾雜物成分（3）熱處理過程夾雜物成分控制技術。對于軸承鋼鋼液中的夾雜物已經形成了一系列脫氧、精煉渣改性、真空精煉等成熟的夾雜物控制方法，可以較好實現冶煉過程從精煉到連鑄過程夾雜物的有效控制。軸承鋼軋制熱處理過程不僅能夠改變鋼的組織結構和性能，也會使得氧化物夾雜與鋼基體發生高溫反應，造成鋼基體成分偏析、原有氧化物夾雜的改變和新氧化物夾雜的析出。同時，熱處理過程鋼基體中氧化物夾雜的種類、性質、尺寸及形貌特征變化直接影響著最終軸承鋼產品的組織和性能。本項目研究了在不同熱處理溫度（1225o C、1300 o C 和1375o ）和熱處理時間條件下，GCr15 軸承鋼中非金屬夾雜物的演變規律，并且發現熱處理過程軸承鋼中的 MgO-Al 2 O 3 -CaO 會逐漸轉變為 MgO-Al 2 O 3 -CaS 夾雜物，小尺寸夾雜物完成轉變所需時間較短，而大尺寸夾雜物完成轉變所需時間較長。在不同熱處理溫度下，鋼中夾雜物尺寸基本不變，但夾雜物轉變速率不同。通過熱力學計算和動力學模型，對軸承鋼熱處理過程中夾雜物的轉變機理進行揭示。

隨著我國電力電機行業的迅猛發展，對資源和能源的高效利用提出了更高的挑戰。無取向硅鋼是廣泛的用于電機和發電機鐵心的軟磁材料。鐵心材料的優異能夠直接影響電機和發電機的效率和能耗。影響無取向電工鋼磁性能的主要因素有雜質元素的含量、夾雜物的種類尺寸含量、織構類型、晶粒尺寸、表面狀態等因素。由于受限于目前所掌握的煉鋼方法的不足，尚不能完全將鋼中的 C、O、S、N 等元素去除。這些夾雜物和析出物在脫氧過程、鋼液凝固過程以及軋制熱處理過程形成和轉變。這些殘留在鋼中的元素最終大部分以碳化物、氧化物、硫化物、氮化物以及他們之間的復合夾雜物形式存在。一方面，這些夾雜物和析出物會在無取向硅鋼磁化過程中阻礙磁疇壁的移動，影響磁性能；另一方面，在再結晶退火過程中，這些夾雜物和析出物還會促進不利取向織構形核和阻礙晶粒長大，從而惡化無取向硅鋼磁的組織，惡化磁性能。因此如何控制這些夾雜物的種類、分布、尺寸等因素對于減小這些夾雜物和析出物對無取向電工鋼的磁性能的影響就顯得尤為重要。（1）不同化學成分體系無取向硅鋼的關鍵夾雜物和析出物預測。無取向硅鋼作為一種功能材料，其最關鍵的性能指標是磁性能，包括鐵損和磁感應強度。化學成分體系是影響其磁性能的最關鍵因素。由于不同牌號，不同生產工藝生產出的無取向硅鋼，其中的夾雜物和析出物的種類、形態、尺寸和數量相差很大。而不同種類的夾雜物和析出物的控制方法又不相同。本項目中通過大量分析不同性能和不同成分體系的無取向硅鋼樣品、采用透射電鏡、場發射掃描電鏡、ASPEX 自動掃描電鏡對無取向硅鋼成品中的微米、亞微米和納米級夾雜物和析出物進行定量分析。并通過商業熱力學計算軟件 FactSage 對不同成分體系下夾雜物和析出物種類進行預測分析。從而能夠預測不同成分體系的無取向硅鋼中應該控制的關鍵夾雜物和析出物種類。（2）無取向硅鋼中鈣處理控制硫化物技術。鈣處理是鋼鐵工業中最常用的改性夾雜物的手段之一。但是通常來說，向鋼中加鈣是為了將固態的 Al 2 O 3 改性為液態的鈣鋁酸鹽，以避免水口結瘤現象的發生。但是同時鈣和硫具有很強的結合能力，可以與硫元素反應生成 CaS，這樣可以避免在無取向硅鋼中生成細小的(Mn,Cu)S，影響磁性能。由于鈣加入鋼中首先會和鋼中的 Al 2 O 3 反應，過量的鈣才會和硫反應。鋼中的氧含量的多少影響著向改性硫化物所需要的鈣含量。我們通過熱力學分析和實驗發現，在降溫過程，鈣鋁酸鹽還會和鋼中的溶解鋁和溶解硫反應，生成 Al 2 O 3 +CaS。通過理論分析，確定了能夠完全將硫控制的最少加鈣量。圖 2 所示為不同的 Ca/S 對鐵損的影響，通過合適的加鈣量，可以有效減少細小(Mn,Cu)S 的數量，從而改善磁性能。但是值得指出的是也要盡可能在鋼液下去除生成的鈣鋁酸鹽，因為大尺寸的夾雜物會在再結晶過程誘導{111}織構生成，從而對磁性能不利。（3）無取向硅鋼中鈰處理控制硫化物技術。稀土元素和氧、硫也具有的很強的結合能力。因此也可以用來改性鋼中的非金屬夾雜物。但是，稀土也面臨著與鈣改性夾雜物同樣的問題，既可以和鋼中的硫反應，還可以和氧元素反應。而目前對于稀土改性夾雜物的研究都停留在定性的解釋上。本研究通過實驗室實驗，詳細的研究了不同鈰含量和氧含量對鈰改性夾雜物和控制無取向硅鋼中細小硫化物的影響。最終建立了稀土改性夾雜物成分預測模型，此模型的預測結果與實驗結果一致。根據此模型結果，可以得出圖 3所示不同 T.Ce/T.S.對固硫率的影響。當 T.Ce/T.S.>2.9 時，可以有效控制細小的硫化物。

鋼簾線被譽為是線材中的頂級產品，被譽為“皇冠上的明珠”。它是伴隨著子午線輪胎的發展而發展起來的。以鋼簾線為骨架材料的子午線輪胎具有高速、高載、耐久等一系列優良特性。隨著汽車工業的發展，用于制造子午線輪胎的鋼簾線需求量不斷增加，同時對鋼簾線的品種、性能及質量提出新的要求。作為生產鋼簾線的原材料，簾線鋼質量很大程度上決定了簾線的品質。簾線鋼的潔凈度，元素偏析等級，尤其是鋼中夾雜物的形態對后續產品有著極大的影響。非金屬夾雜物易引起鋼絲拉拔和合股過程中斷絲的發生，因此要求簾線鋼中夾雜物尺寸小，且在軋制和冷拔等加工過程中具有良好的變形性能。根據子午輪胎產品性能和太陽能級硅產業的發展要求，鋼簾線和切割絲向著超高強度（4000 MPa 及以上）方向發展，開發高強度、超高強度簾線鋼絲，對實現輪胎的輕量化、降低用燃料的費用、降低生產成本意義重大。目前國內依舊不能穩定、高效的生產高牌號的簾線鋼，開發簾線鋼冶煉關鍵技術對提升企業生產技術水平和質量控制水平，取代進口高端鋼簾線產品意義重大。（1）簾線鋼冶煉過程原輔料成分設計技術。簾線鋼生產過程中一般采用Si-Mn 復合脫氧，但由于合金和輔料中存在 Al 的來源，簾線鋼主要的夾雜物為MnO-Al 2 O 3 -SiO 2 系和 CaO-Al 2 O 3 -SiO 2 系兩類。其中，MnO-Al 2 O 3 -SiO 2 為脫氧反應產物，CaO-Al 2 O 3 -SiO 2 為鋼渣反應生成。不同工序氧化物復合夾雜類型會發生轉變，大量研究表明轉爐出鋼、精煉過程隨著鋼液成分的變化，夾雜物的成分在不斷變化中。實際生產中使用的各種物料，包括合金、脫氧劑及鋼包內襯直接影響鋼液成分，進而改變鋼液中非金屬夾雜物的成分。高端簾線鋼中非金屬夾雜物主要成分為 SiO 2 -MnO，幾乎沒有 Al 2 O 3 的存在，因此在實際的生產過程中杜絕任何含 Al的原料。國內企業在實際生產時更傾向于使用價格低廉的合金、脫氧劑等原料以降低生產成本，為此本項目不僅研究了合金、脫氧劑、耐材等物料中 Al 的含量，還研究了各物料對鋼液成分以及非金屬夾雜物成分的影響程度，以選擇更高性價比的物料搭配。在使用不同物料后取樣分析，發現合金對鋼液中非金屬夾雜物的影響最大，低鋁硅鐵和普通硅鐵對鋼液中非金屬夾雜物的成分影響如圖 1，可以看出合金的使用直接改變夾雜物的體系。實際生產過程中可根據產品等級和各物料對鋼中非金屬夾雜物的影響，針對性的使用物料控制生產成本。（2）簾線鋼精煉渣成分設計技術. 爐渣成分對鋼液成分有著直接影響，簾線鋼精煉一般采用 CaO-SiO 2 -Al 2 O 3 渣系，精煉渣的成分對鋼中夾雜物的控制起重要作用。研究表明精煉渣中相同 Al 2 O 3 含量的條件下，鋼液中[Al]s 含量隨精煉渣堿度增高而增高；相同堿度的條件下，鋼液中 Als 含量隨精煉渣中 Al 2 O 3 含量增加而增加。當精煉渣的堿度為 1.0 時，鋼液中[Al]s 隨渣中 Al 2 O 3 含量增加亦呈增加趨勢， [Al]s 增量有限。同時，夾雜物中 Al 2 O 3 和 MnO 含量取決于渣-鋼間的氧勢，如氧勢高，則夾雜物中 MnO 含量高。反之，當系統氧勢低時，渣中CaO 和 Al 2 O 3 會有少部分被還原進入鋼液，夾雜物 CaO 和 Al 2 O 3 含量增加，MnO 含量減少。在實際的冶煉過程中，精煉渣進入鋼液是不可能完全避免的，精煉渣進入鋼液后將形成含大量 CaO、Al 2 O 3 的夾雜物。對此為控制鋼中非金屬夾雜物的成分將精煉渣的堿度控制在 CaO/SiO 2 ≤1，實際生產過程中，精煉渣的最佳成分還應根據精煉過程的渣鋼比，所使用合金、脫氧劑、耐材等條件進行優化。（3）簾線鋼中夾雜物變形性能評估模型。許多研究認為低熔點夾雜物在軋制和加工過程中變形更好。如果軋制過程中夾雜物是液態的，那這毫無疑問是對的。 102 / 298然而，實際的軋制溫度往往大部分都低于夾雜物的熔點。在軋制溫度降到夾雜物固相線溫度以前，雖然夾雜物不是液態，但是由于軟化它們仍然具有一定的變形性。然而，當溫度降低至固相線以下時，夾雜物將完全轉變為固態。并且，鋼的變形不僅包括軋制，還包括其他冷加工，譬如，簾線鋼冷拔過程的溫度基本為室溫，顯著低于夾雜物的固相線溫度。因此，只用熔點來評估冷拔或冷軋過程中夾雜物的變形性能不太合理或者說不太全面。本項目提出使用低溫下夾雜物的楊氏模量評估變形能力的模型，認為氧化物變形能力與楊氏模量大小成反比，并擬合了低溫下的氧化物楊氏模量與平均原子體積關系：2.939811 E V ，對Al 2 O 3 -SiO 2 -CaO 系和 Al 2 O 3 -SiO 2 -CaO 系氧化物的低溫楊氏模量進行了計算，如圖 2所示。由于冷拔過程氧化物變形能力與楊氏模量大小成反比，為了降低冷拔過程的斷絲率，夾雜物需要控制到圖中所示的深藍色區域，即要求具有很高的 SiO 2含量和極低的 Al 2 O 3 含量。由圖還可知，由于具有最大的楊氏模量，Al 2 O 3 對簾線鋼中氧化物的變形性能最為有害，這也是為什么簾線鋼生產過程中需要嚴格控制鋼中 Al 含量。

非調質鋼作為高效節能環保型鋼材在世界范圍內發展迅速。它是指經過精密鍛造或熱軋并控制冷卻后就可以達到調質鋼才能得到綜合性能的一類鋼，由于在使用過程中可以省掉調質工序而得名。由于其具有節省能源、材料、減少淬火變形開裂、工藝簡單等優點，目前備受世界各國的關注，得到迅速發展和使用，使用量日益增大，廣泛用于諸如汽車連桿、曲軸、轉向節軸、驅動軸、前橋等零件和結構件，是汽車用鋼的典型代表。非調質鋼屬于合金結構鋼，為了保證合金結構鋼所制零件的使用壽命，對其潔凈度有嚴格的要求，非調質鋼可以采用各種方式進行冶煉，但其對潔凈度的要求，只能比合金結構鋼更高，而且非調質鋼屬于微合金鋼，要發揮合金元素的作用，其鋼液必須是滿足一定的潔凈度的。因此，開發非調質鋼中非金屬夾雜物控制關鍵技術及其重要。（1）非調質鋼中夾雜物成分控制技術。將不同工序夾雜物成分求平均值，觀察夾雜物在全流程的變化趨勢。從 Al 2 O 3 -SiO 2 -MnO 三元相圖可以看出，夾雜物中主要成分是 Al 2 O 3 和 MnO。隨著冶煉進行，夾雜物中 MnO 含量變化不大；夾雜物中 SiO 2 含量比較穩定，在 10%左右，VD 破真空后夾雜物中 SiO 2 含量有所升高，其余工序幾乎沒有變化。夾雜物平均成分在 Al 2 O 3 -MgO-CaO 2 三元相圖變化表明，鋼中夾雜物中 MgO 含量較低，約在 10%以下，冶煉過程中沒有明顯變化，VD 真空處理后，由于渣線對耐火材料的侵蝕，導致出現部分高 MgO 含量的夾雜物，而良好的渣吸附作用使夾雜物中 MgO 含量沒有明顯變化；夾雜物中 CaO 含量在冶煉過程中有先升高，后降低的趨勢。夾雜物平均成分在 Al 2 O 3 -SiO 2 -CaO 三元相圖變化表明，冶煉過程中 SiO 2 含量穩定；夾雜物中 CaO 含量在 LF 進站時較低，經過 LF精煉后，夾雜物從 Al 2 O 3 -MnO 為主要成分，轉變為 Al 2 O 3 -MnO–CaO；VD 真空精煉對夾雜物成分影響不大，但增 S 操作后，夾雜物中 CaO 含量明顯降低，可能是由于生產 CaS 的緣故；連鑄過程由于二次氧化，使夾雜物中 Al 2 O 3 含量上升，夾雜物 CaO 含量有所下降。全流程夾雜物平均成分在 Al 2 O 3 -MnO-CaO 三元相圖變化表明，電爐出鋼后夾雜物中 Al 2 O 3 含量較高，LF 出站和 VD 真空后夾雜物中 Al 2 O 3 含量有所降低，CaO 含量有所升高，渣鋼平衡反應是其主要原因；夾雜物中 Al 2 O 3和 MnO 含量在增硫之后有所升高，可能是由于連鑄過程中有二次氧化導致。（2）非調質鋼中夾雜物數量和尺寸控制技術。根據 Aspex 掃描結果做出的全流程鋼中硫化物、氧硫化物、氧化物分布圖，如圖 2。對全流程單位面積夾雜物數量結果分析表明，隨著冶煉的進行，氧化物數量在 VD 破真空前持續降低，軟吹后數量有所升高，之后較為穩定，數量約在 12 個/mm2 ，多數氧化物夾雜屬于氧硫化物，在 VD 破真空后明顯降低，較 LF 工序后期降低約 50%，體現了極佳的精煉效果。連鑄過程的氧化物夾雜數量穩定，保護澆鑄較好。鑄坯和軋材橫截面中數量均較低，約 10 個/mm2 。硫化物是最終鋼中主要夾雜物。LF 精煉和 VD真空精煉使鋼中的硫化物數量降低。在 VD 破軟吹后加入 FeS 進行增硫，硫化物數量明顯升高，鑄坯中由于凝固過程有充分的時間讓硫化物聚集長大，因此數量較低，但面積較大。軋材橫縱斷面中硫化物數量較高，但相對鑄坯中尺寸較小，軋材縱截面硫化物的尺寸相對橫截面較大。

彈簧鋼廣泛用于飛機、鐵道車輛、汽車、拖拉機等運輸工具和工程機械等各種設備中，是制造各種螺旋簧、扭簧、板簧及其類似作用的其它形狀彈簧的鋼種。彈簧工作在周期的彎曲、扭轉等交變力條件下，經受拉、壓、沖擊、扭、疲勞腐蝕等多種作用，有時還要承受極高的短時突加載荷。除表面脫碳、表面缺陷外，造成彈簧的疲勞斷裂破壞的主要因素是鋼中非金屬夾雜物。非金屬夾雜物對疲勞性能的影響一方面取決于夾雜物的類型、數量、尺寸、形狀和分布；另一方面，由于鋼基體組織和性質制約，與基體結合力弱的尺寸大的脆性夾雜物和球狀不變形夾雜物的危害最大。鋼的強度水平愈高，夾雜物對疲勞極限的有害影響也愈顯著。因此，提高彈簧的疲勞壽命，關鍵要提高彈簧鋼的潔凈度，因此就要降低氧含量，減少非金屬夾雜物的含量并改善夾雜物形態分布及尺寸。（1）不銹鋼冶煉脫氧及夾雜物預測熱力學。通過熱力學計算預測了彈簧鋼中 Al-O、Si-O、Mg-O、Ca-O 脫氧平衡曲線，以及多元符合脫氧情況下 Al-Si-O、Al-Mg-O、Al-Mg-Ca-O 和 Al-Si-Ca-O 等夾雜物生成相圖。 通過熱力學計算預測了渣鋼反應過程中不同精煉渣成分對于鋼中[Al]s 和[O]含量的影響，研究表明高堿度有利于氧含量的降低，低堿度有利于鋼中鋁含量的去除。通過建立了鋼液凝固和冷卻過程彈簧鋼中夾雜物變化熱力學計算模型，可以預測鋼液凝固和冷過過程中 MnS、TiN 和氧化物夾雜的變化和析出規律。（2）鐵合金潔凈度對彈簧鋼中夾雜物的影響。通過正常合金爐次和合金優化盧比全流程夾雜物演變規律的對比，可以看出，合金的選擇對于夾雜物的性質會有較大的影響。在 LF 合金調整后夾雜物成分相差較大，優化合金可以有效的控制夾雜物中 Al2O3 含量，而對于 MgO 含量影響不大，提升夾雜物塑性化比例。（3）彈簧鋼精煉渣成分改性夾雜物。目前脫氧工藝主要有兩種：一種是降低鋼中總氧，獲得高的潔凈度，即采用強脫氧劑 Al 脫氧，將鋼中絕大部分溶解氧轉化為 Al 2 O 3 ，然后通過爐渣吸收，吹氬或電磁攪拌以及利用真空處理等手段促進夾雜物上浮，達到降低 T.O. 的目的。另一種脫氧路線是采用控制夾雜物種類、形貌、大小、分布的方法，采用 Si 脫氧，嚴格控制鋼中 Al 含量，避免Al 2 O 3 的析出，這種工藝生產的彈簧鋼雖然 T.O. 高于 Al 脫氧鋼，但是夾雜物低熔點的、具有良好變形能力的 CaO-Al 2 O 3 -SiO 2 系夾雜物，疲勞極限優于 Al 脫氧彈簧鋼。

汽車板要求優異的深沖性能，主要是 IF 鋼，也稱超低碳鋼，在汽車工業中得到了廣泛應用。對于 IF 鋼，要獲得成品鋼材的高延展性、高塑性應變比以及優良的表面性能，要求鋼中 C、N、O 含量盡可能低。由于鋁具備強脫氧能力，IF鋼生產過程采用Al 脫氧，在很短時間內鋼中溶解氧即可以降低到 1×10-6 ~3×10 -6 ，同時生成 Al 2 O 3 夾雜。目前 IF 鋼生產過程遇到的與夾雜物有關的問題主要包括：（1）鋼水可澆性差，易發生浸入式水口堵塞；（2）由鑄坯內大型夾雜物引起的冷軋薄板表面長條線狀缺陷等。其中針對可澆性問題，主要是要盡可能地減少夾雜物的生成并促進夾雜物的去除，針對表面缺陷問題，主要是促進夾雜物在結晶器內的上浮去除，減少夾雜物被凝固坯殼捕捉。因此，開發了汽車板中非金屬夾雜物控制關鍵技術，為提升國內鋼鐵企業汽車板的生產效率和產品質量做出了貢獻。（1）RH 精煉能力提升技術。RH 真空精煉是汽車板鋼中非金屬夾雜物去除的主要場所，RH 精煉能力的提升有利于增加夾雜物的去除效率。而 RH 循環流量的增加是提升其精煉能力的主要手段。以往的研究主要集中于增大提升氣體流量或者增大真空度來增加 RH 循環流量，但能夠實現的增幅有限。本項目創造性地設計了一種圓形上升管-橢圓下降管的 RH 新型真空槽裝置，并應用于企業生產實踐。將RH 反應器的下降管替換為橢圓形，在不必增加鋼包內徑的前提下增大了下降管的截面積，起到增大循環流量并延長鋼包使用壽命的效果。該技術可解決 RH 精煉效率提升的瓶頸問題，能夠大幅提升 RH 真空精煉的效率和能力。圖 1 所示的工業試驗結果顯示了采用此技術時夾雜物最少。（2）超低碳鋼鑄坯表層凝固鉤預測和控制技術。以往對汽車板鋼澆鑄過程凝固坯殼對夾雜物的捕獲現象研究較少，而通過研究發現澆鑄過程鋼中夾雜物和氣泡容易被鑄坯表層凝固鉤結構所捕獲。凝固鉤是在結晶器內彎月面凝固后形成的結構，該結構向結晶器內部延伸，很容易捕獲結晶器內上浮的氣泡和夾雜物，從而引起鑄坯的表層缺陷。尤其是超低碳鋼凝固過程中的糊狀區較窄，更容易形成大尺寸的凝固鉤結構，因此對超低碳鋼鑄坯表層的凝固鉤結構的控制尤為重要。本項目通過對不同澆鑄參數下的鑄坯凝固鉤進行對比，研究了不同澆鑄參數對凝固鉤深度的影響，并通過建立結晶器初始凝固模型，開發了超低碳鋼鑄坯表層凝固鉤的預測和控制技術。通過該技術的實施可以實現不同澆鑄工藝條件下凝固鉤深度和長度的預測，并采取針對性的措施對其進行控制。一方面有利于預測汽車板鑄坯的扒皮深度，另一方面通過控制措施（較高拉速、較高澆鑄溫度和較低的結晶器一冷水流量、采用電磁制動等）的實施有效減小凝固鉤的尺寸，如圖 2 實施，減少其對大尺寸夾雜物和氣泡的捕獲，從而提升汽車板表面質量。（3）超低碳鋼連鑄一冷優化模型。結晶器是連鑄機的心臟，具有極高的冷卻效率。結晶器內的鋼液流動和冷卻速率對結晶器內的凝固坯殼生產和夾雜物的運動、去除和捕獲具有重要影響，尤其是對超低碳鋼鑄坯表層凝固鉤尺寸及其對夾雜物和氣泡的捕獲影響顯著。本項目對超低碳鋼連鑄一冷優化模型進行了開發。首先建立結晶器內的流動及坯殼凝固模型，綜合考慮了結晶器內鋼液的流動、鋼液及坯殼的傳熱、坯殼與銅板間的縫隙傳熱、銅板及冷卻水的傳熱。模型首先通過Fluent 軟件進行結晶器內的流場和溫度場模擬，然后將得到的固相線處的熱流密度導出，作為凝固模型的參數輸入到凝固模型中進行計算。運用模型對結晶器的傳熱進行了計算，模擬了一系列結晶器寬度、拉速及澆鑄過熱度的結果，并將計算的結晶器水流量進行綜合統計，得到了適合現場調水的臨界水流量水表。在模型計算過程中，模型不但考慮了鋼液流動、鋼液及坯殼的傳熱、縫隙傳熱、銅板及冷卻水傳熱，還對冷卻水核沸等額外瞬間增大的熱阻的現象進行了警示。圖3 所示為模型計算得到的不同拉速、結晶器寬度下的臨界水流量，能夠為超低碳鋼澆鑄過程結晶器一冷水量優化提供指導，一冷水并不是越大越好，在保證安全的情況下適當地降低一冷水量能夠有效減小凝固鉤尺寸和鑄坯表層夾雜物的數量。

隨著經濟的快速發展，社會上對碳素結構鋼的生產和質量提出了更高的要求。碳素結構鋼屬于大批量生產的鋼種，在鋼的總產量中占 70%以上。碳素結構鋼的種類眾多，包括各種鋼板、鋼管、鋼帶、鋼條以及各種型鋼、條鋼等，主要用作焊接、鉚接和螺栓連接的鋼結構，廣泛用于建筑、橋梁、鐵道、車輛、船舶、化工設備等，是一種價格低廉、用途廣泛的工業鋼種。按照脫氧方式不同，碳素結構鋼可分為沸騰鋼、半鎮靜鋼和鎮靜鋼，對于 Al 鎮靜鋼，鋼中大顆粒夾雜物是導致鋼材在彎折時出現斷裂的主要原因。此外，一般情況下，碳素結構鋼中的氧含量較高，導致非金屬夾雜物含量也較高，可以應用氧化物冶金技術利用碳素結構鋼中非金屬夾雜物，以提高碳素結構鋼的力學性能。（1）Al 脫氧碳素結構鋼脫氧方式優化技術。對于采用 Al 脫氧方式的碳素結構鋼，鋼中非金屬夾雜物主要成分為 Al 2 O 3 -SiO 2 -MnO 系，夾雜物中 Al 2 O 3 含量越高，夾雜物尺寸越大，而這一類非金屬夾雜物屬于低熔點夾雜物，在軋制過程中容易 118 / 298變形為細長條狀，嚴重影響鋼基體的連續性，在沖擊過程中引發鋼材的斷裂。減少鋼材斷裂的關鍵是控制鋼中 Al 2 O 3 含量較高的非金屬夾雜物，這一類非金屬夾雜物是在轉爐出鋼時加入脫氧劑脫氧時產生的。在轉爐出鋼時，可采用以下 3種脫氧方式減少 Al 2 O 3 含量高的大尺寸夾雜物的生成。a.先用 Si-Mn 合金進行預脫氧，后用 Al 合金進行終脫氧；b.減低轉爐出鋼氧含量，減少 Al 合金的用量；c. 采用 Al-Ti 符合脫氧方式，避免大尺寸夾雜物的生成。（2）Ti 微合金化氧化物冶金技術。在含 Ti 低碳鋼中細小彌散的氧化物質點在很寬的溫度范圍內熱力學上是穩定，Ti 脫氧生成的 Ti 2 O 3 粒子周圍會形成貧錳區，貧錳區的形成被認為是晶內鐵素體非均質形核的主要驅動力。向鋼中添加少量Ti 合金，形成 Al-Ti 復合脫氧制度，形成具有氧化物冶金效果的鈦氧化物，明顯細化了鑄坯的原奧氏體晶粒尺寸，大幅提高了鋼材的沖擊韌性。