【中國耐火材料網】
一、研究的背景與問題
鋼鐵工業是我國國民經濟的重要基礎產業和實現工業化的支柱產業。我國的粗鋼產量從1990年的5153萬噸提升至2019年的9.96億噸，在我國正由鋼鐵大國向鋼鐵強國轉變的進程中，對高品質鋼提出了更加嚴格的要求，然而我國鋼鐵工業還存在著自主創新水平不高、產品穩定性不高、部分關鍵高品質鋼材品種還需依賴進口等問題。高品質鋼的制備要滿足四個要求：潔凈化、精準化、均質化、和細晶化。精準化主要是指冶煉過程窄窗口穩定控制，潔凈化主要指鋼中雜質元素和非金屬夾雜物的控制，均質化主要是指元素的偏析以及各種析出相的均勻分布，細晶化主要是指鋼的晶粒組織細化。其中，潔凈化和精準化的影響工序貫穿鋼鐵生產的煉鋼→精煉→連鑄→軋制的全流程，在影響鋼鐵材料質量穩定和自主制備的"卡脖子"難題中，很多都是由鋼鐵材料潔凈化和精準化引起的，因此，建立完善鋼鐵材料潔凈化和精準化基礎理論具有良好的國家戰略意義和巨大國民經濟效益。
在潔凈鋼冶金過程中，冶金熱力學能明確冶金反應的方向和極限，并在一定程度上指導冶金工藝；冶金反應動力學研究化學反應的微觀機理、步驟和速度。先進的冶金熱力學和動力學數據、理論和方法可以用于指導鋼鐵材料潔凈化生產，促進鋼鐵材料潔凈化水平的提升，保證鋼鐵材料質量穩定性的精準控制，解決高品質鋼鐵材料的卡脖子難題。在熱力學方面，國內外老一輩研究學者已經開展了大量研究工作并出版了一系列經典熱力學數據手冊。隨著現有熱力學計算需要的元素含量、元素種類和反應溫度的應用范圍不斷擴大，一些現有熱力學參數結果仍存在爭議，有必要對現有部分熱力學進行補充與測定。在動力學方面，國內外研究熱點主要集中在冶金過程多元復雜反應動力學耦合計算，仍需進一步深入完善。然而，到目前為止我國計算鋼鐵熱力學和動力學所應用的計算軟件工具全部來自國外，歐美國家對熱力學和動力學軟件的開發主要開始于歐美國家對冶金熱力學和動力學軟件的開發起源于1981-2001年，包括加拿大和德國FactSage熱力學軟件、瑞典Thermo-Calc 熱力學軟件、美國Pandat熱力學軟件、瑞典DICTRA動力學軟件、英國JMatPro動力學軟件等，實現了化學反應、相圖計算、元素擴散、性能的有效計算，廣泛應用材料、化工、冶金、礦業、化學等多個領域。可以說，歐美國家對冶金熱力學和動力學軟件的開發起源已經領先我國20~30年。
此前，我國已經具備國際領先的鋼鐵冶金生產裝備，然而國內一些關鍵鋼材質量和穩定性與國外領先水平仍有較大差距，一些關鍵鋼種還無法實現自主生產，其重要原因之一就是我國在冶金熱力學和動力學軟件開發領域與國際先進水平存在明顯差距，主要存在如下局限性：
（1）我國到目前為止還沒有一個具有自主知識產權的冶金相關熱力學和動力學軟件，開發一款屬于中國冶金熱力學和動力學計算軟件已經非常急迫。
（2）我國在復雜冶金反應過程中熱力學和動力學耦合計算方法方面研究較少，國外計算軟件中包含了先進計算方法但不完全公開，制約了我國相關研究發展。
（3）我國沒有建立完整的冶金反應器過程中相關熱力學和動力學數據庫，國外計算軟件中整合了大量相關熱力學和動力學數據，并通過多種方法對其進行優化選擇，但是這些數據庫都完全保密，且購買使用權價格昂貴，制約了我國相關研究發展。
（4）當前已有國外軟件的熱力學數據庫部分參數仍存在爭議，例如鎂、鈣和稀土等強脫氧合金元素，軟件計算結果與實際試驗結果存在一定的偏差，需要對其熱力學數據進行補充和更新。
（5）當前已有國外軟件應用領域范圍太廣，大多不是專門針對鋼鐵冶金領域，很多冶金反應過程缺少針對性、無法實現。因此，有必要開發一款具有我國自主知識產權的潔凈鋼冶金熱力學和動力學相關計算軟件平臺，為我國鋼鐵材料的潔凈化和精準化水平提升堅實基礎。
基于上述關鍵難題，張立峰教授團隊經過近十年基礎研究和技術開發，開發了一款具有我國自主知識產權的潔凈鋼冶金熱力學和動力學相關計算軟件平臺，建立了完整的冶金反應器過程中相關熱力學和動力學數據庫，可以用于鋼液成分、渣成分和夾雜物成分及尺寸變化的在線預報，為我國鋼鐵材料的潔凈化和精準化水平提升堅實基礎。該軟件是國內第一套從基礎理論起步能夠用于潔凈化控制的軟件，符合目前的鋼鐵冶金材料基因組的方向。
二、解決問題的思路或技術原理
潔凈鋼冶金熱力學與動力學計算平臺構建思路如圖1所示，平臺主要由熱力學和動力學兩個部分組成。熱力學平臺功能為計算冶金反應過程主要由輸入鋼液成分（包含鋼液、合金和空氣）、渣相（包含渣、夾雜物和耐火材料）成分和溫度的初始條件。動力學平臺功能為針對精煉、中間包和結晶器，通過輸入成分、反應器尺寸和操作條件等冶煉參數，實現精煉和連鑄過程中不同操作工藝條件下每一時刻鋼液、夾雜物和精煉渣的有效預測。
圖1 潔凈鋼冶金熱力學與動力學計算平臺構建思路
熱力學平臺原理如圖2所示。通過先后求解鋼液相活度、求解渣相活度和求解熱力學平衡，計算輸出反應后鋼液和渣相活度，可計算不同溫度條件下化學平衡反應的轉變，最終輸出計算反應平衡后鋼液和渣相成分。同時，構建潔凈鋼冶金反應熱力學數據平臺，根據目前文獻中已有的對熱力學計算結果及熱力學數據的報道，基于神經網絡算法，利用其自組織及自適應能力等特性，采用大數據及機器學習的思路，對現有數據進行挖掘。首先進行數據篩選，抽取需要的數據至數據倉庫中后清理確實及異常的數據等，之后將篩選后的數據加載到數據倉庫中，使得到的結果更具有代表性、得到的結果更加準確與真實。然后建立物理化學、數學等理論多元非線性映射模型，優化現有的熱力學數據庫，實現對不同鋼液溫度及成分下對化學反應的精準預測。
圖2 潔凈鋼冶金反應熱力學計算平臺構建機理圖
動力學平臺原理如圖3所示。首先，對于精煉反應器，通過數學模擬仿真計算不同條件下的精煉反應器內鋼液流動和反應速率的影響，計算不同攪拌和真空等操作條件下，精煉反應器內每一時刻的化學反應；其次，對于中間包反應器，通過模擬簡化中間包化學反應器，建立開澆、換包和穩態澆鑄條件下中間包內化學反應計算模型；再次，對于結晶器反應器，重點考慮凝固冷卻和元素偏析對化學反應的影響，建立結晶器到鑄坯的全連鑄過程中三維空間分布內的化學反應。
圖3 多元反應模型耦合計算示意圖
三、主要創新性成果
1、完善了潔凈鋼冶煉反應熱力學數據庫，通過耦合締合物的UIPF模型、共存理論和平衡常數法熱力學計算方法，精準預測冶金反應過中渣-鋼-夾雜物之間的熱力學平衡反應
本成果完善了鋼液復合脫氧熱力學（圖4）。實際鋼液中的合金元素不同其夾雜物的生成條件也不同，純鐵液中熱力學計算結果很難指導實際生產過程鋼液中的夾雜物控制。本成果完善了各種鋼種的實際鋼液中一元脫氧、多元脫氧下鋼中的氧含量和夾雜物的生成條件，根據實際鋼液中復雜的多元合金元素成分，對最終鋼中非金屬夾雜物的成分和種類實現有效預測。
鈣處理是改性鋼中非金屬夾雜物的有效手段，然而加鈣量較少無法實現夾雜物的液態化容易導致水口結瘤，過多的加鈣量容易導致鋼中生成大尺寸夾雜物。本成果通過建立鋼液在線鈣處理模型（圖5），突破鋼鐵企業傳統經驗化喂鈣處理的操作方式，可根據不同的鋼液成分、溫度和控制目標精準預測最優加鈣量。
冶金反應過程中存在著渣-鋼-夾雜物的復雜反應，本成果建立渣-鋼-夾雜物平衡反應熱力學模型（圖5），可以預測不同精煉渣成分對鋼液成分、脫硫、夾雜物成分、夾雜物熔點、耐火材料侵蝕的綜合影響，可以快速實現不同鋼種最優精煉渣的有效設計。成果應用于指導軸承鋼、彈簧鋼、齒輪鋼、簾線鋼、重軌鋼、易切削鋼、電工鋼、不銹鋼等多個鋼種中的夾雜物控制，有效提升鋼水潔凈度。
圖4 純鐵液和實際鋼液鋁鈣復合脫氧夾雜物生成熱力學計算
圖5 自主編程熱力學計算的精準鈣處理和渣精煉結果
2、建立了"夾雜物-鋼-渣-合金-耐材-空氣"冶金反應動力學耦合計算模型，解決了冶金過程多元復雜反應預測的難題，實現了每一時刻鋼液成分和夾雜物成分的精準化過程控制
冶金反應器內存在著渣、鋼、夾雜物、合金、耐材、空氣等之間的復雜化學反應，各個反應"耦合"發生且相互影響。本成果根據動力學理論結合多元反應耦合計算方法，建立了"夾雜物-鋼-渣-合金-耐材-空氣"多元體系下冶金反應動力學耦合計算模型，考慮了各個相之間的界面反應的種類和速率常數，解決了冶金過程多元復雜反應預測的難題，目前該模型應用于轉爐出鋼的脫氧合金化混勻過程、鋼包精煉的渣鋼反應過程、鋼液鈣處理改性過程、耐材侵蝕過程、鋼包鎮定過程、以及連鑄的穩態澆鑄和非穩態澆鑄過程，對不同時刻的鋼液和夾雜物化學成分的瞬態變化進行有效預報，如圖6。有助于實現對高品質鋼中非金屬夾雜物的在線精準智能控制，對提升我國高品質鋼質量穩定性提升和智能制造水平具有重要意義。
圖6夾雜物-鋼-渣-合金-耐材-空氣"多元體系反應耦合計算模型典型計算結果
3、提出連鑄和熱處理過程熱力學-動力學-凝固傳熱耦合計算方法，實現了連鑄坯中非金屬夾雜物三維空間分布的有效預報，為鋼產品中夾雜物的控制提供定制化操作
此前非金屬夾雜物相關研究主要集中在鋼液中夾雜物的形成、改性和去除，然而對鋼液凝固、冷卻和加熱過程夾雜物的轉變行為及其機理鮮有報道。本成果揭示了凝固、冷卻和熱處理過程不銹鋼、管線鋼、軸承鋼、簾線鋼、重軌鋼等鋼種鋼中非金屬夾雜物的轉變行為，完善了鋼凝固、冷卻和熱處理過程溫度變化固態鋼中夾雜物的生成熱力學，為最終能固體鋼產品中非金屬夾雜物的成分控制提供新思路。本成果提出了連鑄和熱處理過程熱力學-動力學-凝固傳熱進行耦合計算方法，根據現場鋼液成分、連鑄坯尺寸、拉速、冷卻條件等工藝參數，首次實現了連鑄坯中夾雜物成分三維分布的有效預報，填補了國內外該領域的理論空白，如圖7。模型根據鋼產品質量和性能要求，優化設計連鑄和熱處理操作，為連鑄和熱處理中非金屬夾雜物的控制提供定制化控制方略。
圖7模型預報的連鑄全凝固過程鑄坯中非金屬夾雜物的成分三維分布
四、應用情況與效果
通過本成果的應用潔凈鋼冶金熱力學與動力學基礎理論應用，解決高品質鋼中夾雜物關鍵難題。本成果軟件適用于鋼鐵企業煉鋼工序的所有鋼種實踐，在不增加新型精煉設備的情況下，顯著提升高品質鋼的潔凈化和精準化水平，解決了多項高品質鋼生產的世界性難題，顯著提升了鋼產品質量及其穩定性，開發了一批以前不能生產的"卡脖子"鋼種，具有重要國家戰略意義和巨大經濟價值。安全高鐵軌道用鋼應用于北京-雄安高鐵"國家大計"建設，長壽重載鋼軌用鋼應用于中國重載第一線"大秦鐵路"建設，高表面質量不銹鋼成功供貨iPhone、華為等表面質量要求極高的手機Logo制造，高牌號電工鋼應用于三峽白鶴灘水電站建設，免扒皮汽車鋼板應用于高端汽車鋼制造，超潔凈軸承鋼應用于飛機等發動機關鍵軸承制造，耐疲勞彈簧鋼應用于汽車發動機氣門彈簧，高性能齒輪鋼應用于精密儀器制造用齒輪，切割絲用鋼應用于太陽能硅片φ60-200 μm切割絲，如圖8所示。
圖8 實現一批先進制造用"卡脖子"關鍵鋼種的穩定生產
該成果廣泛應用于寶鋼不銹、寶鋼梅鋼、寶鋼德盛、寶鋼八鋼、武鋼昆鋼、首鋼京唐、首鋼遷鋼、首鋼智新、首鋼水鋼、鞍鋼、河鋼邯鋼、河鋼石鋼、河鋼宣鋼、河鋼唐鋼、南鋼、太鋼、青島特鋼、中天鋼鐵、包鋼、攀鋼、三鋼、凌源鋼鐵、唐山新寶泰、北海誠德、恒眾冶金、黑龍江建龍、中石油、武安運豐等28個國內鋼鐵企業。企業分布面廣、產量占比大。應用企業分布于中國東、南、西、北、中部，覆蓋全國大部分區域，且包含全國產量排名靠前的多個鋼鐵企業，如寶武集團、河鋼集團、鞍鋼集團、首鋼集團等，特別是包含京津冀地區和"一帶一路"沿線省份。
應用的鋼種包括軸承鋼、齒輪鋼、簾線鋼、彈簧鋼、奧氏體不銹鋼、鐵素體不銹鋼、無取向電工鋼、取向電工鋼、重軌鋼、IF鋼、管線鋼、汽車大梁鋼、風電鋼、硬線鋼、冷鐓鋼、石油套管鋼、馬口鐵、螺紋鋼、碳素結構帶鋼等19個鋼種系列的生產實踐中。應用的高端鋼種包含了中國制造業幾大關鍵鋼種，如精細不銹鋼、取向硅鋼、IF鋼、高級別管線鋼、高端軸承鋼、簾線鋼等，這些鋼種與國家重大需求相適應。應用的常規鋼種涉及如冷鐓鋼、Q195帶鋼、Q235鋼等，這些鋼種雖然附加值相對更低，但是產量大，覆蓋面廣，與國民經濟以及生產生活密切相關。
（來源：燕山大學）