钢铁产业是我们国家的重要基础产业，钢铁材料是支撑我国制造强国建设的关键战略材料。我国大型钢铁企业已经拥有世界先进的生产装备，但水电主轴、核电管道、重型容器、精密轴承、新能源汽车电机铁芯、高速重载铁路钢轨等先进制造用关键钢铁材料的质量和稳定性与国际领先水平仍有差距，部分钢种仍然依赖进口，严重制约了关键领域的战略发展，重要原因之一就是钢洁净化制备的理论基础和控制技术尚未完善。钢中非金属夹杂物控制是钢洁净化制备的最大难点，直接决定了钢铁产品的服役性能，如夹杂物恶化轴承钢疲劳寿命和电工钢磁性能、造成百吨级以上超大型核电主管道和水电主轴探伤不合、重轨钢疲劳断裂等，如图1。夹杂物不是钢的所有问题，但所有钢都有夹杂物的问题。
图1 先进制造用高品质钢过程中的洁净化难题
钢中非金属夹杂物控制是高品质钢洁净化制备的百年传统难题和世界性共性难题，存在夹杂物近极限去除困难大、夹杂物成分定制化改性难度高、夹杂物全流程预报和控制精度低三大难点。针对此，北京科技大学和北方工业大学张立峰教授团队与首钢、宝武、中信、河钢、攀钢等单位合作，经过多年“产学研用”协同创新，针对高品质钢的洁净化要求和服役性能需求，形成了先进制造用高品质钢洁净化制备关键技术开发与应用成果。实现了钢中夹杂物数量、尺寸、成分和空间分布的精准控制，攻克了高品质钢洁净化的“卡脖子”难题，推动了我国先进制造用高品质钢的洁净化大规模生产，助力国家重大工程应用。成果获发明专利41件（国际专利3件）、标准10项，出版专著8部，发表论文200余篇，获2022年北京市科技进步奖一等奖、2020年教育部科技进步奖一等奖、2020年河北省科技进步奖一等奖和2017年美国钢铁年会Fruehan奖。中国金属学会组织的科学技术成果评价专家委员会认为本成果达到国际领先水平。
创新点1：钢中非金属夹杂物近极限去除关键技术。成体系地构建了钢中非金属夹杂物形核、长大、去除的全周期基础理论，建立了区别于纯铁液的实际钢液多元素脱氧热力学，提出了精炼渣夹杂物容量：
并形成了转炉低氧出钢、精炼渣定制化设计和中间包全密闭保护浇铸等钢中非金属夹杂物近极限去除关键技术，在将轴承钢中总氧含量降低至4 ppm、汽车钢冲压缺陷率从0.02%降低至0.001%等方面取得了显著效果，如图2所示。技术内容：（1）构建了夹杂物从分子到毫米粒子的跨尺度形核、碰撞长大、气泡浮选、运动和去除理论，预测了钢液中夹杂物的长大和去除行为，促进了夹杂物在钢液中的上浮去除。（2）率先提出了精炼渣的夹杂物容量，实现了不同钢种的精炼渣成分定制化设计，促进了夹杂物在精炼渣中的溶解去除。（3）开发了钢中非金属夹杂物转炉-精炼-连铸全流程多级去除关键技术，包括转炉大流量底吹技术、精炼低粘度预熔渣和动态吹气搅拌技术、连铸全密闭中间包和下渣预报与调控技术，实现了钢中夹杂物的近极限去除。
图2 钢中非金属夹杂物近极限去除关键技术
创新点2：钢中非金属夹杂物定制化改性关键技术。提出了钢洁净度指数Iclean=x·T.O+y·(Al2O3)，形成不同成分系列钢种的夹杂物控制目标体系，建立了精炼过程钢-渣-夹杂物多相多元体系成分预测热力学模型，开发了钢中非金属夹杂物定制化改性技术，包括精准钙处理改性技术、合金化改性技术、渣精炼改性技术，实现了钢中夹杂物成分的无害化处理，在单重300吨超大钢锭中夹杂物塑性化改性、0.1 mm规格帘线钢断丝率降低至1.5次/吨等方面取得了显著效果，如图3所示。技术内容：（1）提出了考虑夹杂物数量和成分因子的钢洁净度指数Iclean=x·T.O+y·(Al2O3)，形成不同成分系列钢种的夹杂物控制目标体系。（2）提出夹杂物半液态化控制目标，形成精准钙处理技术，开发了钙收得率在线预报软件，实现了复杂工况下铝脱氧钙处理钢中夹杂物20-50%液相分数的精准控制。（3）提出基于熔点和杨氏模量的夹杂物塑性化控制目标，建立渣精炼改性模型，开发了合金化-渣精炼协同控制技术，实现无铝脱氧钢夹杂物无铝化控制。
图3 钢中非金属夹杂物定制化改性关键技术
创新点3：钢中非金属夹杂物全流程预报和控制关键技术。建立了转炉吹炼过程脱碳耦合反应和精炼过程渣-钢-夹杂物-合金-耐火材料多元反应动力学模型、连铸坯和大铸锭中夹杂物空间分布全信息预报模型，形成了炼钢-精炼-铸造-加热-轧制（锻压）全流程钢中夹杂物精准预报和控制技术，实现了钢中夹杂物数量、尺寸和成分空间分布的精准预测和控制，在提升新能源汽车电机用钢的磁性能等方面取得了显著效果，如图4所示。技术内容：（1）完善了冶炼过程钢液-渣-夹杂物-合金-耐火材料-空气耦合动力学计算方法，实现了钢液中渣、钢和夹杂物成分的预测；提出浇铸过程多物理场耦合计算方法，实现了从结晶器到最终凝固过程中整个连铸坯断面内夹杂物成分的分布规律预测。（2）建立全流程洁净度预报模型，包括转炉吹炼反应模型、精炼过程中渣-钢-夹杂物-合金-耐火材料多元反应模型、钢凝固和冷却过程中夹杂数量、尺寸和成分空间分布动态演变的预报模型，将夹杂物控制技术由冶炼-精炼拓展至连铸-轧制-热处理全工序，实现了连铸坯（铸锭）中夹杂物数量、尺寸和成分三维空间分布的精准预报和控制。（3）构建洁净钢冶金过程多元多相反应热力学与动力学平台，实现不同钢种冶炼过程渣、钢、夹杂物成分的精准预报和定制化调控，实现对转炉吹氧、精炼渣成分、合金加入量等工艺进行优化设计和对不同反应器进行参数优化和精准调控。
图4 高品质钢生产全流程夹杂物演变精准预报和控制关键技术
该成果完善了非金属夹杂物从形核、长大到轧制（锻造）变形的全周期基础理论，开发了一系列关于钢中非金属夹杂物的近极限去除、定制化改性和全流程精准预报等集成关键技术，这些基础理论和关键技术已出版成8本专著，促进了冶金学科发展，使得钢中非金属夹杂物和钢洁净化的研究处于世界领跑地位。该成果开发的系列关键技术成功应用于首钢集团、宝武集团、中信特钢、河钢集团等20余个钢铁企业的轴承钢、汽车钢、管线钢、齿轮钢、重轨钢、不锈钢、百吨级以上超大型铸锻件等150多个钢种的生产实践，显著提升了我国钢铁材料的洁净化水平，实现了新能源汽车电机铁芯、百吨级以上管板钢等十余个先进钢种的档次提升和国产化替代，助力钢铁强国建设。通过整体技术应用，首钢股份高端电工钢产品磁性能显著提升，应用于特高压输电线和新能源汽车电机铁芯等领域。轴承钢中大颗粒夹杂物和总氧含量大幅度降低，其中总氧含量降低至4.0 ppm，轴承钢产品供货美国铁姆肯、德国博世、日本NSK。汽车面板钢缺陷率显著降低，产品稳定供货宝马、奔驰、本田等全球汽车企业。中国一重水电、石化容器等百吨级以上超大型碳锰钢锻件超声波探伤合格率由原来的70%大幅提高至98%，成功应用于水电站主轴和法兰用钢、EO反应器管板等。
该成果应用产品助力百吨级以上大型管板锻件应用于华龙一号核电主管道、国和一号核电反应器、三峡白鹤滩水电站主轴，支撑了国家重大工程建设；取向硅钢变压器产品已成功应用于三峡白鹤滩、乌东德水电站等国家重点工程，保障了民生需求；无取向硅钢产品应用于新能源汽车电机铁芯，实现全球新能源汽车销量TOP10车企全覆盖，国内新能源汽车TOP10车企全覆盖；钢轨用钢应用于京雄高铁等，保障铁路安全，如图5。
图5 本成果产品应用于国家重大工程建设