高品質(zhì)鋼鐵材料，如精品鋼（電工鋼、新能源汽車用鋼、管線鋼、船板鋼、不銹鋼等）和特殊鋼(工模具鋼、齒輪鋼、軸承鋼、彈簧鋼等)廣泛應(yīng)用于能源、交通、智能制造、航空航天、船舶、國防等領(lǐng)域，年市場需求近萬億元，在國民經(jīng)濟建設(shè)中意義重大。但我國精品鋼和特殊鋼（精/特鋼）質(zhì)量與國外發(fā)達國家存在顯著差距，進口價格高出國產(chǎn)同類產(chǎn)品數(shù)倍，部分產(chǎn)品和材料甚至被發(fā)達國家禁售。其中的關(guān)鍵根源在于精/特鋼的冶金質(zhì)量一直難以有效提升，導(dǎo)致最終產(chǎn)品性能參差不齊，無法滿足國民經(jīng)濟重大戰(zhàn)略需求，甚至成為“卡脖子”材料。精/特鋼材料冶金質(zhì)量的提升在于制備環(huán)節(jié)中，即如何實現(xiàn)高潔凈、高均質(zhì)和超細晶的高冶金質(zhì)量目標(biāo)。
聚焦冶煉高效提質(zhì)
連鑄及電渣重熔精煉過程是眾多精/特鋼制備中最為重要和最具挑戰(zhàn)性的冶金工序。典型的，如高檔汽車外板代表著鋼鐵冶金的最高技術(shù)水平，其優(yōu)質(zhì)品率穩(wěn)定提升一直是行業(yè)難題。高檔汽車外板對連鑄坯的振痕、裂紋、表面皮下氧化皮、夾雜物含量有著嚴格的要求，是決定其優(yōu)品率的核心指標(biāo)。對于大型模具或關(guān)鍵裝備如核電、火電、水電、航空、高速鐵路等的核心部件而言，由于對材料安全可靠性要求極高，均需經(jīng)過電渣重熔過程進行二次精煉。然而，隨著電渣錠型的擴大，冷卻強度顯著降低，凝固時間顯著延長，導(dǎo)致枝晶發(fā)達、枝晶間距顯著增加、碳化物網(wǎng)狀粗大、夾雜物和雜質(zhì)超標(biāo)等問題的出現(xiàn)。
上述兩個冶煉工序中，結(jié)晶器中鋼液流動的控制至關(guān)重要，而現(xiàn)有的工藝，對連鑄/重熔結(jié)晶器中的鋼液/熔體流場缺乏有效控制手段，導(dǎo)致連鑄坯/重熔錠坯的冶金質(zhì)量一直無法提高。國外兩家企業(yè)分別提出了在結(jié)晶器外施加單頻電磁場，利用非接觸的電磁力來主動調(diào)控結(jié)晶器內(nèi)鋼水流場從而實現(xiàn)連鑄坯質(zhì)量控制的技術(shù)，但由于具有較高的技術(shù)門檻且對國內(nèi)眾多鋼企封鎖，兩家公司長期處于壟斷地位。因此，迫切需要具有自主知識產(chǎn)權(quán)的、高效的、近終型的超常冶金新技術(shù)及關(guān)鍵裝備來提升國內(nèi)精/特鋼材料冶金質(zhì)量，突破國外技術(shù)封鎖。
自上世紀九十年代中期，上海大學(xué)高性能結(jié)構(gòu)功能材料冶金與制備團隊一直聚集于精/特鋼冶金制備領(lǐng)域的工作，對于鋼液流動的控制，團隊負責(zé)人鐘云波教授提出：“鋼液熔體流場控制具有三大難點：不可透視—看不見；高溫侵蝕—摸不著；因素復(fù)雜—控不準，常規(guī)手段很難調(diào)控。”團隊基于多年在電磁場領(lǐng)域的研究基礎(chǔ)，發(fā)現(xiàn)了電磁場對于金屬熔體獨特的力能作用，通過設(shè)計磁場的分布對結(jié)晶器內(nèi)金屬熔體的流動行為進行控制，進而將電磁場獨特的無接觸力能效應(yīng)與電磁流體力學(xué)原理相結(jié)合，提出磁控超常冶金制備新思路。
模擬還原精準控流
想要對鋼液的流動進行控制，就需要搞清楚鋼液真實的流動行為。但是由于煉鋼過程中高溫強熱等工況環(huán)境的制約，無法真實測量其流場。國際上，通常采用水模擬技術(shù)還原鋼液流動，但由于水介質(zhì)不導(dǎo)電的缺點，造成相關(guān)研究結(jié)果存在不準確、不真實的現(xiàn)象。項目組設(shè)計/構(gòu)建了基于低熔點液態(tài)金屬的電磁流動控制平臺，以金屬模擬金屬，克服鋼液高溫難測量的特點，成功地對結(jié)晶器內(nèi)鋼液的流動行為進行了還原。開發(fā)了電磁場-流場-溫度場-離散相運動行為等“多場多相多界面”全耦合的數(shù)學(xué)模型，系統(tǒng)計算了電磁場作用下結(jié)晶器內(nèi)鋼水的流動、凝固行為，使金屬液流場“看得見、摸得著”。從冶金學(xué)角度提出了電磁控流結(jié)晶器流場優(yōu)劣的定量評價指標(biāo)，開發(fā)了結(jié)晶器電磁控流冶金效果評價和強化方法；提出了結(jié)晶器傳輸行為的評價指數(shù)，闡明了電渣重熔除雜新機制，提出磁控三段深度除雜新方法，使得電磁調(diào)控結(jié)晶器流場“控得準”。
對于連鑄及電渣重熔過程，由于其鋼液流動差異巨大，采用同一種控流模式顯然是行不通的。團隊設(shè)計并制作了多種磁場分布的控流裝備并進行驗證，最終，針對中厚板坯連鑄中結(jié)晶器空間大、拉速慢、易凍鋼的特征，提出交變電磁促進流動的主動控流技術(shù)；針對薄板坯連鑄中結(jié)晶器空間狹窄、拉速快、沖擊深的特征，提出恒定磁場降低流速的隨動控流技術(shù)；針對電渣重熔過程存在多尺度流動影響冶金質(zhì)量的特征，在國際上首次提出電磁振蕩復(fù)合熱電磁流的復(fù)合控流技術(shù)。
成套裝備推廣應(yīng)用
經(jīng)過多年的推廣應(yīng)用，團隊已開發(fā)出成套中厚板坯連鑄結(jié)晶器主動控流技術(shù)及裝備、薄板坯連鑄結(jié)晶器隨動控流技術(shù)及裝備、特殊鋼磁控電渣重熔技術(shù)及裝備。其中，主動控流技術(shù)及裝備已由寶信軟件股份有限公司實現(xiàn)成果轉(zhuǎn)化，在寶鋼湛江鋼鐵、寶鋼股份、馬鋼、德勝不銹鋼、梅鋼等鋼鐵企業(yè)裝備上線，已完成七套裝備生產(chǎn)并形成使用規(guī)范，工藝裝備上線運行多年狀態(tài)良好，用戶使用報告顯示使用該技術(shù)后汽車板坯質(zhì)量提升明顯，在同等試驗條件下汽車外板和汽車內(nèi)板鋼質(zhì)不良率分別降低到0.23%和0.13%，均優(yōu)于進口裝備的鋼質(zhì)不良率（0.58%和0.42%），間接經(jīng)濟效益達數(shù)億元。薄板坯連鑄結(jié)晶器隨動控流技術(shù)及裝備中低熔點金屬連鑄結(jié)晶器電磁控流技術(shù)物理模擬平臺及多物理場耦合數(shù)值模擬系統(tǒng)已在華菱漣鋼技術(shù)中心得到應(yīng)用，指導(dǎo)了漣鋼薄板坯連鑄過程參數(shù)的選擇及優(yōu)化。薄板坯連鑄結(jié)晶器電磁高效控流技術(shù)及裝備已在漣鋼CSP線兩臺連鑄機上推廣應(yīng)用，在提高連鑄的拉速和提升產(chǎn)量的同時，使薄板連鑄坯的夾雜物數(shù)量、裂紋缺陷產(chǎn)生頻率均顯著降低，鑄坯中大型夾雜物的總量降低了22%。磁控電渣重熔項目已開發(fā)出成套特殊鋼磁控電渣重熔裝備，涵蓋0.5t-20t級別電渣錠，在浙江精瑞工模具有限公司推廣應(yīng)用。經(jīng)檢測，磁控電渣重熔高速鋼電渣錠相比傳統(tǒng)電渣重熔，共晶碳化物評級提升1級，夾雜物指數(shù)降低48%，鍛軋態(tài)無缺口沖擊功提升19.2%，成材率提升15-20%。相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用實現(xiàn)了精/特鋼連鑄及電渣重熔錠坯材高潔凈、高均質(zhì)、三細化的高冶金質(zhì)量目標(biāo),使電磁調(diào)控流場技術(shù)及裝備“用得好”。
本項目獲授權(quán)發(fā)明專利46項，PatYee全球?qū)＠麢z索結(jié)果表明，本項目相關(guān)專利的價值度顯著高于其他專利，核心專利價值度是其他專利的十倍，且為全球最早提出；發(fā)表高水平論文65篇，引用一千余次；磁控超常冶金技術(shù)在寶鋼股份、寶武集團、湖南漣鋼、浙江精瑞等企業(yè)三十余條產(chǎn)線應(yīng)用，近三年生產(chǎn)高性能鋼鐵材料一千三百余萬噸，直接效益逾11億元，新技術(shù)還有望用于航母、核潛艇、核電等國之重器和新能源關(guān)鍵材料制備等領(lǐng)域，經(jīng)濟和社會效益顯著。查新報告表明，未見相同的文獻報道。金屬學(xué)會成果鑒定（干勇院士和毛新平院士為正副組長）認為：本項目技術(shù)總體國際領(lǐng)先。曾獲2018年美國TMS學(xué)會Nagy El-Kaddah最佳論文獎、2014年教育部科技進步獎二等獎和EPM 2015最佳墻報獎等。后期團隊將繼續(xù)圍繞國家重大需求，積極探索技術(shù)突破，開發(fā)具有獨立自主知識產(chǎn)權(quán)的控流技術(shù)及裝備，早日實現(xiàn)進口精/特鋼產(chǎn)品的全替代。
