【中國耐火材料網(wǎng)】
一、研究的背景與問題
鋼鐵工業(yè)是我國國民經(jīng)濟(jì)的重要基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)和實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的支柱產(chǎn)業(yè)。我國的粗鋼產(chǎn)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(qiáng)國轉(zhuǎn)變的進(jìn)程中，對高品質(zhì)鋼提出了更加嚴(yán)格的要求，然而我國鋼鐵工業(yè)還存在著自主創(chuàng)新水平不高、產(chǎn)品穩(wěn)定性不高、部分關(guān)鍵高品質(zhì)鋼材品種還需依賴進(jìn)口等問題。高品質(zhì)鋼的制備要滿足四個要求：潔凈化、精準(zhǔn)化、均質(zhì)化、和細(xì)晶化。精準(zhǔn)化主要是指冶煉過程窄窗口穩(wěn)定控制，潔凈化主要指鋼中雜質(zhì)元素和非金屬夾雜物的控制，均質(zhì)化主要是指元素的偏析以及各種析出相的均勻分布，細(xì)晶化主要是指鋼的晶粒組織細(xì)化。其中，潔凈化和精準(zhǔn)化的影響工序貫穿鋼鐵生產(chǎn)的煉鋼→精煉→連鑄→軋制的全流程，在影響鋼鐵材料質(zhì)量穩(wěn)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(zhǔn)化引起的，因此，建立完善鋼鐵材料潔凈化和精準(zhǔn)化基礎(chǔ)理論具有良好的國家戰(zhàn)略意義和巨大國民經(jīng)濟(jì)效益。
在潔凈鋼冶金過程中，冶金熱力學(xué)能明確冶金反應(yīng)的方向和極限，并在一定程度上指導(dǎo)冶金工藝；冶金反應(yīng)動力學(xué)研究化學(xué)反應(yīng)的微觀機(jī)理、步驟和速度。先進(jìn)的冶金熱力學(xué)和動力學(xué)數(shù)據(jù)、理論和方法可以用于指導(dǎo)鋼鐵材料潔凈化生產(chǎn)，促進(jìn)鋼鐵材料潔凈化水平的提升，保證鋼鐵材料質(zhì)量穩(wěn)定性的精準(zhǔn)控制，解決高品質(zhì)鋼鐵材料的卡脖子難題。在熱力學(xué)方面，國內(nèi)外老一輩研究學(xué)者已經(jīng)開展了大量研究工作并出版了一系列經(jīng)典熱力學(xué)數(shù)據(jù)手冊。隨著現(xiàn)有熱力學(xué)計算需要的元素含量、元素種類和反應(yīng)溫度的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，一些現(xiàn)有熱力學(xué)參數(shù)結(jié)果仍存在爭議，有必要對現(xiàn)有部分熱力學(xué)進(jìn)行補(bǔ)充與測定。在動力學(xué)方面，國內(nèi)外研究熱點(diǎn)主要集中在冶金過程多元復(fù)雜反應(yīng)動力學(xué)耦合計算，仍需進(jìn)一步深入完善。然而，到目前為止我國計算鋼鐵熱力學(xué)和動力學(xué)所應(yīng)用的計算軟件工具全部來自國外，歐美國家對熱力學(xué)和動力學(xué)軟件的開發(fā)主要開始于歐美國家對冶金熱力學(xué)和動力學(xué)軟件的開發(fā)起源于1981-2001年，包括加拿大和德國FactSage熱力學(xué)軟件、瑞典Thermo-Calc 熱力學(xué)軟件、美國Pandat熱力學(xué)軟件、瑞典DICTRA動力學(xué)軟件、英國JMatPro動力學(xué)軟件等，實(shí)現(xiàn)了化學(xué)反應(yīng)、相圖計算、元素擴(kuò)散、性能的有效計算，廣泛應(yīng)用材料、化工、冶金、礦業(yè)、化學(xué)等多個領(lǐng)域。可以說，歐美國家對冶金熱力學(xué)和動力學(xué)軟件的開發(fā)起源已經(jīng)領(lǐng)先我國20~30年。
此前，我國已經(jīng)具備國際領(lǐng)先的鋼鐵冶金生產(chǎn)裝備，然而國內(nèi)一些關(guān)鍵鋼材質(zhì)量和穩(wěn)定性與國外領(lǐng)先水平仍有較大差距，一些關(guān)鍵鋼種還無法實(shí)現(xiàn)自主生產(chǎn)，其重要原因之一就是我國在冶金熱力學(xué)和動力學(xué)軟件開發(fā)領(lǐng)域與國際先進(jìn)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(chǎn)權(quán)的冶金相關(guān)熱力學(xué)和動力學(xué)軟件，開發(fā)一款屬于中國冶金熱力學(xué)和動力學(xué)計算軟件已經(jīng)非常急迫。
（2）我國在復(fù)雜冶金反應(yīng)過程中熱力學(xué)和動力學(xué)耦合計算方法方面研究較少，國外計算軟件中包含了先進(jìn)計算方法但不完全公開，制約了我國相關(guān)研究發(fā)展。
（3）我國沒有建立完整的冶金反應(yīng)器過程中相關(guān)熱力學(xué)和動力學(xué)數(shù)據(jù)庫，國外計算軟件中整合了大量相關(guān)熱力學(xué)和動力學(xué)數(shù)據(jù)，并通過多種方法對其進(jìn)行優(yōu)化選擇，但是這些數(shù)據(jù)庫都完全保密，且購買使用權(quán)價格昂貴，制約了我國相關(guān)研究發(fā)展。
（4）當(dāng)前已有國外軟件的熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫部分參數(shù)仍存在爭議，例如鎂、鈣和稀土等強(qiáng)脫氧合金元素，軟件計算結(jié)果與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果存在一定的偏差，需要對其熱力學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)充和更新。
（5）當(dāng)前已有國外軟件應(yīng)用領(lǐng)域范圍太廣，大多不是專門針對鋼鐵冶金領(lǐng)域，很多冶金反應(yīng)過程缺少針對性、無法實(shí)現(xiàn)。因此，有必要開發(fā)一款具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的潔凈鋼冶金熱力學(xué)和動力學(xué)相關(guān)計算軟件平臺，為我國鋼鐵材料的潔凈化和精準(zhǔn)化水平提升堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
基于上述關(guān)鍵難題，張立峰教授團(tuán)隊(duì)經(jīng)過近十年基礎(chǔ)研究和技術(shù)開發(fā)，開發(fā)了一款具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的潔凈鋼冶金熱力學(xué)和動力學(xué)相關(guān)計算軟件平臺，建立了完整的冶金反應(yīng)器過程中相關(guān)熱力學(xué)和動力學(xué)數(shù)據(jù)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(yù)報，為我國鋼鐵材料的潔凈化和精準(zhǔn)化水平提升堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。該軟件是國內(nèi)第一套從基礎(chǔ)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(shù)原理
潔凈鋼冶金熱力學(xué)與動力學(xué)計算平臺構(gòu)建思路如圖1所示，平臺主要由熱力學(xué)和動力學(xué)兩個部分組成。熱力學(xué)平臺功能為計算冶金反應(yīng)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(xué)平臺功能為針對精煉、中間包和結(jié)晶器，通過輸入成分、反應(yīng)器尺寸和操作條件等冶煉參數(shù)，實(shí)現(xiàn)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(yù)測。
圖1 潔凈鋼冶金熱力學(xué)與動力學(xué)計算平臺構(gòu)建思路
熱力學(xué)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(xué)平衡，計算輸出反應(yīng)后鋼液和渣相活度，可計算不同溫度條件下化學(xué)平衡反應(yīng)的轉(zhuǎn)變，最終輸出計算反應(yīng)平衡后鋼液和渣相成分。同時，構(gòu)建潔凈鋼冶金反應(yīng)熱力學(xué)數(shù)據(jù)平臺，根據(jù)目前文獻(xiàn)中已有的對熱力學(xué)計算結(jié)果及熱力學(xué)數(shù)據(jù)的報道，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，利用其自組織及自適應(yīng)能力等特性，采用大數(shù)據(jù)及機(jī)器學(xué)習(xí)的思路，對現(xiàn)有數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘。首先進(jìn)行數(shù)據(jù)篩選，抽取需要的數(shù)據(jù)至數(shù)據(jù)倉庫中后清理確實(shí)及異常的數(shù)據(jù)等，之后將篩選后的數(shù)據(jù)加載到數(shù)據(jù)倉庫中，使得到的結(jié)果更具有代表性、得到的結(jié)果更加準(zhǔn)確與真實(shí)。然后建立物理化學(xué)、數(shù)學(xué)等理論多元非線性映射模型，優(yōu)化現(xiàn)有的熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)對不同鋼液溫度及成分下對化學(xué)反應(yīng)的精準(zhǔn)預(yù)測。
圖2 潔凈鋼冶金反應(yīng)熱力學(xué)計算平臺構(gòu)建機(jī)理圖
動力學(xué)平臺原理如圖3所示。首先，對于精煉反應(yīng)器，通過數(shù)學(xué)模擬仿真計算不同條件下的精煉反應(yīng)器內(nèi)鋼液流動和反應(yīng)速率的影響，計算不同攪拌和真空等操作條件下，精煉反應(yīng)器內(nèi)每一時刻的化學(xué)反應(yīng)；其次，對于中間包反應(yīng)器，通過模擬簡化中間包化學(xué)反應(yīng)器，建立開澆、換包和穩(wěn)態(tài)澆鑄條件下中間包內(nèi)化學(xué)反應(yīng)計算模型；再次，對于結(jié)晶器反應(yīng)器，重點(diǎn)考慮凝固冷卻和元素偏析對化學(xué)反應(yīng)的影響，建立結(jié)晶器到鑄坯的全連鑄過程中三維空間分布內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)。
圖3 多元反應(yīng)模型耦合計算示意圖
三、主要創(chuàng)新性成果
1、完善了潔凈鋼冶煉反應(yīng)熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫，通過耦合締合物的UIPF模型、共存理論和平衡常數(shù)法熱力學(xué)計算方法，精準(zhǔn)預(yù)測冶金反應(yīng)過中渣-鋼-夾雜物之間的熱力學(xué)平衡反應(yīng)
本成果完善了鋼液復(fù)合脫氧熱力學(xué)（圖4）。實(shí)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(xué)計算結(jié)果很難指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)過程鋼液中的夾雜物控制。本成果完善了各種鋼種的實(shí)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(jù)實(shí)際鋼液中復(fù)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(shí)現(xiàn)有效預(yù)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(shí)現(xiàn)夾雜物的液態(tài)化容易導(dǎo)致水口結(jié)瘤，過多的加鈣量容易導(dǎo)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(yè)傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)化喂鈣處理的操作方式，可根據(jù)不同的鋼液成分、溫度和控制目標(biāo)精準(zhǔn)預(yù)測最優(yōu)加鈣量。
冶金反應(yīng)過程中存在著渣-鋼-夾雜物的復(fù)雜反應(yīng)，本成果建立渣-鋼-夾雜物平衡反應(yīng)熱力學(xué)模型（圖5），可以預(yù)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(diǎn)、耐火材料侵蝕的綜合影響，可以快速實(shí)現(xiàn)不同鋼種最優(yōu)精煉渣的有效設(shè)計。成果應(yīng)用于指導(dǎo)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(shí)際鋼液鋁鈣復(fù)合脫氧夾雜物生成熱力學(xué)計算
圖5 自主編程熱力學(xué)計算的精準(zhǔn)鈣處理和渣精煉結(jié)果
2、建立了"夾雜物-鋼-渣-合金-耐材-空氣"冶金反應(yīng)動力學(xué)耦合計算模型，解決了冶金過程多元復(fù)雜反應(yīng)預(yù)測的難題，實(shí)現(xiàn)了每一時刻鋼液成分和夾雜物成分的精準(zhǔn)化過程控制
冶金反應(yīng)器內(nèi)存在著渣、鋼、夾雜物、合金、耐材、空氣等之間的復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)，各個反應(yīng)"耦合"發(fā)生且相互影響。本成果根據(jù)動力學(xué)理論結(jié)合多元反應(yīng)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(yīng)動力學(xué)耦合計算模型，考慮了各個相之間的界面反應(yīng)的種類和速率常數(shù)，解決了冶金過程多元復(fù)雜反應(yīng)預(yù)測的難題，目前該模型應(yīng)用于轉(zhuǎn)爐出鋼的脫氧合金化混勻過程、鋼包精煉的渣鋼反應(yīng)過程、鋼液鈣處理改性過程、耐材侵蝕過程、鋼包鎮(zhèn)定過程、以及連鑄的穩(wěn)態(tài)澆鑄和非穩(wěn)態(tài)澆鑄過程，對不同時刻的鋼液和夾雜物化學(xué)成分的瞬態(tài)變化進(jìn)行有效預(yù)報，如圖6。有助于實(shí)現(xiàn)對高品質(zhì)鋼中非金屬夾雜物的在線精準(zhǔn)智能控制，對提升我國高品質(zhì)鋼質(zhì)量穩(wěn)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(yīng)耦合計算模型典型計算結(jié)果
3、提出連鑄和熱處理過程熱力學(xué)-動力學(xué)-凝固傳熱耦合計算方法，實(shí)現(xiàn)了連鑄坯中非金屬夾雜物三維空間分布的有效預(yù)報，為鋼產(chǎn)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(guān)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(zhuǎn)變行為及其機(jī)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(zhuǎn)變行為，完善了鋼凝固、冷卻和熱處理過程溫度變化固態(tài)鋼中夾雜物的生成熱力學(xué)，為最終能固體鋼產(chǎn)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(xué)-動力學(xué)-凝固傳熱進(jìn)行耦合計算方法，根據(jù)現(xiàn)場鋼液成分、連鑄坯尺寸、拉速、冷卻條件等工藝參數(shù)，首次實(shí)現(xiàn)了連鑄坯中夾雜物成分三維分布的有效預(yù)報，填補(bǔ)了國內(nèi)外該領(lǐng)域的理論空白，如圖7。模型根據(jù)鋼產(chǎn)品質(zhì)量和性能要求，優(yōu)化設(shè)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(yù)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(yīng)用情況與效果
通過本成果的應(yīng)用潔凈鋼冶金熱力學(xué)與動力學(xué)基礎(chǔ)理論應(yīng)用，解決高品質(zhì)鋼中夾雜物關(guān)鍵難題。本成果軟件適用于鋼鐵企業(yè)煉鋼工序的所有鋼種實(shí)踐，在不增加新型精煉設(shè)備的情況下，顯著提升高品質(zhì)鋼的潔凈化和精準(zhǔn)化水平，解決了多項(xiàng)高品質(zhì)鋼生產(chǎn)的世界性難題，顯著提升了鋼產(chǎn)品質(zhì)量及其穩(wěn)定性，開發(fā)了一批以前不能生產(chǎn)的"卡脖子"鋼種，具有重要國家戰(zhàn)略意義和巨大經(jīng)濟(jì)價值。安全高鐵軌道用鋼應(yīng)用于北京-雄安高鐵"國家大計"建設(shè)，長壽重載鋼軌用鋼應(yīng)用于中國重載第一線"大秦鐵路"建設(shè)，高表面質(zhì)量不銹鋼成功供貨iPhone、華為等表面質(zhì)量要求極高的手機(jī)Logo制造，高牌號電工鋼應(yīng)用于三峽白鶴灘水電站建設(shè)，免扒皮汽車鋼板應(yīng)用于高端汽車鋼制造，超潔凈軸承鋼應(yīng)用于飛機(jī)等發(fā)動機(jī)關(guān)鍵軸承制造，耐疲勞彈簧鋼應(yīng)用于汽車發(fā)動機(jī)氣門彈簧，高性能齒輪鋼應(yīng)用于精密儀器制造用齒輪，切割絲用鋼應(yīng)用于太陽能硅片φ60-200 μm切割絲，如圖8所示。
圖8 實(shí)現(xiàn)一批先進(jìn)制造用"卡脖子"關(guān)鍵鋼種的穩(wěn)定生產(chǎn)
該成果廣泛應(yīng)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(yùn)豐等28個國內(nèi)鋼鐵企業(yè)。企業(yè)分布面廣、產(chǎn)量占比大。應(yīng)用企業(yè)分布于中國東、南、西、北、中部，覆蓋全國大部分區(qū)域，且包含全國產(chǎn)量排名靠前的多個鋼鐵企業(yè)，如寶武集團(tuán)、河鋼集團(tuán)、鞍鋼集團(tuán)、首鋼集團(tuán)等，特別是包含京津冀地區(qū)和"一帶一路"沿線省份。
應(yīng)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(fēng)電鋼、硬線鋼、冷鐓鋼、石油套管鋼、馬口鐵、螺紋鋼、碳素結(jié)構(gòu)帶鋼等19個鋼種系列的生產(chǎn)實(shí)踐中。應(yīng)用的高端鋼種包含了中國制造業(yè)幾大關(guān)鍵鋼種，如精細(xì)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(yīng)。應(yīng)用的常規(guī)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(chǎn)量大，覆蓋面廣，與國民經(jīng)濟(jì)以及生產(chǎn)生活密切相關(guān)。
（來源：燕山大學(xué)）