2025冶金科学技术奖简介 | 高品质钢铁材料磁控超常冶金制备技术

高品质钢铁材料，如精品钢（电工钢、新能源汽车用钢、管线钢、船板钢、不锈钢等）和特殊钢工模具钢、齿轮钢、轴承钢、弹簧钢等广泛应用于能源、交通、智能制造、航空航天、船舶、国防等领域，年市场需求近万亿元，在国民经济建设中意义重大。但我国精品钢和特殊钢（精特钢）质量与国外发达国家存在显著差距，进口价格高出国产同类产品数倍，部分产品和材料甚至被发达国家禁售。其中的关键根源在于精特钢的冶金质量一直难以有效提升，导致最终产品性能参差不齐，无法满足国民经济重大战略需求，甚至成为卡脖子材料。精特钢材料冶金质量的提升在于制备环节中，如何实现高洁净、高均质和超细晶的高冶金质量目标。

聚焦冶炼高效提质

连铸及电渣重熔精炼过程是众多精特钢制备中最为重要和最具挑战性的冶金工序。典型的，如高档汽车外板代表着钢铁冶金的最高技术水平，其优质品率稳定提升一直是行业难题。高档汽车外板对连铸坯的振痕、裂纹、表面皮下氧化皮、夹杂物含量有着严格的要求，是决定其优品率的核心指标。对于大型模具或关键装备如核电、火电、水电、航空、高速铁路等的核心部件而言，由于对材料安全可靠性要求极高，均需经过电渣重熔过程进行二次精炼。然而，随着电渣锭型的扩大，冷却强度显著降低，凝固时间显著延长，导致枝晶发达、枝晶间距显著增加、碳化物网状粗大、夹杂物和杂质超标等问题的出现。

上述两个冶炼工序中，结晶器中钢液流动的控制至关重要，而现有的工艺，对连铸重熔结晶器中的钢液熔体流场缺乏有效控制手段，导致连铸坯重熔锭坯的冶金质量一直无法提高。国外两家企业分别提出了在结晶器外施加单频电磁场，利用非接触的电磁力来主动调控结晶器内钢水流场从而实现连铸坯质量控制的技术，但由于具有较高的技术门槛且对国内众多钢企封锁，两家公司长期处于垄断地位。因此，迫切需要具有自主知识产权的、高效的、近终型的超常冶金新技术及关键装备来提升国内精特钢材料冶金质量，突破国外技术封锁。

自上世纪九十年代中期，上海大学高性能结构功能材料冶金与制备团队一直聚集于精特钢冶金制备领域的工作，对于钢液流动的控制，团队负责人钟云波教授提出：钢液熔体流场控制具有三大难点：不可透视看不见；高温侵蚀摸不着；因素复杂控不准，常规手段很难调控。团队基于多年在电磁场领域的研究基础，发现了电磁场对于金属熔体独特的力能作用，通过设计磁场的分布对结晶器内金属熔体的流动行为进行控制，进而将电磁场独特的无接触力能效应与电磁流体力学原理相结合，提出磁控超常冶金制备新思路。

模拟还原精准控流

想要对钢液的流动进行控制，就需要搞清楚钢液真实的流动行为。但是由于炼钢过程中高温强热等工况环境的制约，无法真实测量其流场。国际上，通常采用水模拟技术还原钢液流动，但由于水介质不导电的缺点，造成相关研究结果存在不准确、不真实的现象。项目组设计构建了基于低熔点液态金属的电磁流动控制平台，以金属模拟金属，克服钢液高温难测量的特点，成功地对结晶器内钢液的流动行为进行了还原。开发了电磁场流场温度场离散相运动行为等多场多相多界面全耦合的数学模型，系统计算了电磁场作用下结晶器内钢水的流动、凝固行为，使金属液流场看得见、摸得着。从冶金学角度提出了电磁控流结晶器流场优劣的定量评价指标，开发了结晶器电磁控流冶金效果评价和强化方法；提出了结晶器传输行为的评价指数，阐明了电渣重熔除杂新机制，提出磁控三段深度除杂新方法，使得电磁调控结晶器流场控得准

对于连铸及电渣重熔过程，由于其钢液流动差异巨大，采用同一种控流模式显然是行不通的。团队设计并制作了多种磁场分布的控流装备并进行验证，最终，针对中厚板坯连铸中结晶器空间大、拉速慢、易冻钢的特征，提出交变电磁促进流动的主动控流技术；针对薄板坯连铸中结晶器空间狭窄、拉速快、冲击深的特征，提出恒定磁场降低流速的随动控流技术；针对电渣重熔过程存在多尺度流动影响冶金质量的特征，在国际上首次提出电磁振荡复合热电磁流的复合控流技术。

成套装备推广应用

经过多年的推广应用，团队已开发出成套中厚板坯连铸结晶器主动控流技术及装备、薄板坯连铸结晶器随动控流技术及装备、特殊钢磁控电渣重熔技术及装备。其中，主动控流技术及装备已由宝信软件股份有限公司实现成果转化，在宝钢湛江钢铁、宝钢股份、马钢、德胜不锈钢、梅钢等钢铁企业装备上线，已完成七套装备生产并形成使用规范，工艺装备上线运行多年状态良好，用户使用报告显示使用该技术后汽车板坯质量提升明显，在同等试验条件下汽车外板和汽车内板钢质不良率分别降低到0.23%0.13%，均优于进口装备的钢质不良率（0.58%0.42%），间接经济效益达数亿元。薄板坯连铸结晶器随动控流技术及装备中低熔点金属连铸结晶器电磁控流技术物理模拟平台及多物理场耦合数值模拟系统已在华菱涟钢技术中心得到应用，指导了涟钢薄板坯连铸过程参数的选择及优化。薄板坯连铸结晶器电磁高效控流技术及装备已在涟钢CSP线两台连铸机上推广应用，在提高连铸的拉速和提升产量的同时，使薄板连铸坯的夹杂物数量、裂纹缺陷产生频率均显著降低，铸坯中大型夹杂物的总量降低了22%。磁控电渣重熔项目已开发出成套特殊钢磁控电渣重熔装备，涵盖0.5t-20t级别电渣锭，在浙江精瑞工模具有限公司推广应用。经检测，磁控电渣重熔高速钢电渣锭相比传统电渣重熔，共晶碳化物评级提升级，夹杂物指数降低48%，锻轧态无缺口冲击功提升19.2%，成材率提升15-20%。相关技术的应用实现了精特钢连铸及电渣重熔锭坯材高洁净、高均质、三细化的高冶金质量目标使电磁调控流场技术及装备用得好

本项目获授权发明专利46项，PatYee全球专利检索结果表明，本项目相关专利的价值度显著高于其他专利，核心专利价值度是其他专利的十倍，且为全球最早提出；发表高水平论文65篇，引用一千余次；磁控超常冶金技术在宝钢股份、宝武集团、湖南涟钢、浙江精瑞等企业三十余条产线应用，近三年生产高性能钢铁材料一千百余万吨，直接效益逾11亿元，新技术还有望用于航母、核潜艇、核电等国之重器和新能源关键材料制备等领域，经济和社会效益显著。查新报告表明，未见相同的文献报道。金属学会成果鉴定（干勇院士和毛新平院士为正副组长）认为：本项目技术总体国际领先。曾获2018年美国TMS学会Nagy El-Kaddah最佳论文奖、2014年教育部科技进步奖二等奖和EPM 2015最佳墙报奖等。后期团队将继续围绕国家重大需求，积极探索技术突破，开发具有独立自主知识产权的控流技术及装备，早日实现进口精特钢产品的全替代。

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