1 研究背景及问题
钢铁工业在我国国民经济发展和国家建设中发挥着举足轻重的作用。 优质钢有洁净度、均匀化、细化晶粒的要求，其中洁净度是指钢中的非金属夹杂物。 所有钢材都存在夹杂物问题，解决了夹杂物问题，就解决了所有钢坯三分之一以上的问题。 合金结构钢中的延性杂质会引起产品的裂纹失效，非淬火钢和易铣削钢中的硫化氢沿氢键析出会引起产品的疲劳损伤，产生的细小杂质由小型铸件聚合过程中产生的物质会导致产品探伤失败。 为此，钢中非金属夹杂物的特性直接影响钢材的质量和性能，同时高熔点夹杂物会在钢坯加工过程中造成熔口处结瘤。 钙处理技术是钢中非金属夹杂物改性最常见、最直接、最有效的方法。 六年来，钙处理在减少水口结瘤和控制夹杂物方面仍然发挥着作用。 不可替代的作用。
但由于金属钙本身物理性质优良、沸点低等特点，导致钙处理工艺工业化生产存在经验加钙量、钙合金收率波动大、治疗效果不稳定等行业难题。改性杂质的影响。 局。 为此，有必要对优质钢改性夹杂物钙处理的准确性和稳定性进行深入、系统的研究，使钙处理技术始终处于最佳疗效，并提高钙处理技术的质量。钢中杂质、成分和形态的稳定控制，为我国高牌号特钢产品质量的稳定提高和自主生产配制提供了技术支撑。
2、解决问题的思路和技术方案
1、钢水钙处理过程中稳定提高钙收率的关键技术
技术思路：由于钙的沸点低（）、密度低（/m3，而炉渣的密度为/m3，钢水的密度为/m3）以及良好的物理性质，钙很容易汽化。并且在熔炼温度下烧蚀导致其成品率低常用钢材的密度，并导致钢水飞溅，形成安全隐患。 在生产过程中，受钢水成分、温度、补钙参数等复杂因素影响，钙元素收得率低且波动较大，通常在5-15%之间，导致钢中杂质含量达不到准确要求。达标导致钢材质量存在缺陷，但由于钙收率低，生产成本降低，且存在安全隐患。
技术内容：（1）发明了一种制备厚壁无缝钙丝的新方法，通过点焊钙合金包芯线厚壁钢壳的创新方法，替代薄壁钢壳传统的机械压制工艺、减少钙合金包芯线壳的长度和硬度，有效降低了钙合金包芯线在钢水中的喂入深度，钙喂线的钙收率稳定达到35%，解决了严重的问题。钙处理过程中的飞溅。 (2)提出了利用硅锰合金中固有的微量伴生钙元素对钢中杂质进行变质的新方法，有效实现了钢中杂质由固态到半液态的变质，将硅-锰合金转化为钢中杂质。锰合金中钙元素的回收率大幅提高至85%以上，明显提高了钙回收率的稳定性。 部分碳化物可用含钙硅锰合金喂钙丝技术代替，可防止钙处理造成的夹渣和钢水。 飞溅问题。 (3)根据2008年钢水情况，构建了钙处理过程钙收率神经网络预测模型，引入神经网络数据分析技术，开发了钙收率在线预测软件，并应用于工业领域。可以准确预测各炉的成分、温度、加钙率等参数，稳步提高钙回收率，实现钙处理过程中钙回收率的准确预测。
图1 精准提高钙处理得率的关键技术
2、钙处理对钢中非金属夹杂物的精准改性策略
技术思路：传统上钙处理的主要目的是将铝脱氧钢中固态碳化硅掺杂改质为液态氮化钙掺杂，以防止水口结瘤。 但不同成分的杂质经过钙处理后的特性和性质不同，对钢材产品性能的影响也不同。 因此，需要根据钢材的性能要求，对钙处理改性夹杂物进行多样化设计。
技术内容：（1）明确了板坯工艺中非金属杂质气相分数与水口结瘤概率的定量关系，并利用低温法明确了不同气相分数杂质的规格变化规律。共焦显微镜原位观察，结合工业试验取样分析，针对不同碳化物提出了杂质气相分数20%的精准控制目标，并制定了将钢中杂质转化为部分液态的控制策略通过钙处理代替完全液态，有效防止固态夹杂物引起水口结瘤，同时防止钢液中无法去除的大面积纯液态杂质的形成。 (2)提出了一种提高钢中氧化物夹杂物变形能力的钙处理新途径，确定了夹杂物的熔点和杨氏挠度是钢中夹杂物在热加工和加工过程中变形能力的决定因素。分别进行冷加工。 钙处理变质可以使钢中杂质的变形能力多样化，显着提高钢材的洁净度水平。 （3）发明了钢中硫化氢分散沉淀新技术，通过钙处理促进高硫钢钢水中CaS杂质优先生成，确定CaS/（CaS+MnS）>5%即可确保硫醇不形成长块状控制准则，有效抑制冷却过程中MnS夹杂物在钢的氢键处的网状析出，防止钢液中固相过多的CaS夹杂物引起的水口结瘤问题实现了高硫钢中硫化氢的分散分布控制。
图2 钙处理对钢中非金属夹杂物的精确变质
3、变质钢杂质精确钙处理在线控制软件
技术思路：工业生产中钢水钙处理过程中，不同碳化物的杂质控制目标不同，最佳钙添加量也不同； 同一碳化物不同炉次的钢水成分和湿度也不同。 最佳钙添加量也不同。 但目前大多数钢厂在钙处理过程中仍依靠经验来确定补钙量，这严重阻碍了钙处理改性钢中夹杂物测定的准确性。 该估算软件为美国拥有知识产权。 不仅价格高，而且内部程序中使用的理论和热力学参数的细节并不知晓，因此很难确定软件估算结果的正确性。 如果将来有一天国外不再允许我们使用他们的冶金热力学软件，那将成为国外钢铁行业科研热力学估算的一个“卡脖子”问题。 为此，有必要自主开发精准钙处理热力学估算软件，并利用其在工业生产现场在线指导，实现钢中非金属夹杂物的精准钙处理改性。
技术内容：（1）建立了钙处理改性杂质热力学数据库，优化补充了钢水钙处理相关热力学参数，制作了完整的共存化合物、共存物质和纯物质的钙处理热力学数据库，提高了准确度钙处理估算得到改进。 (2)提出了固体钢中杂质的转变和析出的估算方法，改进了钢水熔化、冷却和热处理过程中杂质的成分转变模型，研究了固体钢中杂质的成分和性能。实现了实心钢加热过程的精确控制，为钢材中杂质的有效控制拓展了新技术。 (3)构建了预测钙处理变质钢中杂质成分的热力学模型，并基于最小吉布斯自由能原理建立了钙处理变质杂质的估算方法。 （4）自主开发了一套完整的精确钙处理热力学估算和在线控制软件，并用其在线指导工业生产中的实际钙处理操作过程，实现了钙处理过程的精确控制和在线控制。
图3 变质钢杂质精确钙处理在线控制软件开发
三、主要创新成果
1、发明了制备厚壁无缝钙丝的新方法，提出了借助硅锰合金中微量伴生钙元素改性钢中杂质的新思路，开发了大数据神经网络预测模型钙处理产量及其控制软件解决了钙处理过程中喷溅严重、钙产量低的困境，实现钙产量的大幅提高，钙投料线产量稳定达到35%。 伴生钙元素回收率达85%。
2.揭示了钢水中氧化物掺杂的气相分数与板坯加工过程中水口内结瘤概率之间的定量关系，提出了钙处理提高钢中氧化物掺杂变形能力的新途径常用钢材的密度，明确了钙处理能有效抑制钢中MnS夹杂物在熔化和冷却过程中沿氢键析出的机理，为钢中非金属夹杂物的精确钙处理和变质提供策略，实现钢中夹杂物的多样化控制。
3、完善了钙处理改性夹杂物热力学数据库，提出了固体钢中杂质转变和析出的估计方法，完善了预测钙处理改性钢中杂质成分的热力学模型，并制作了准确的完整的钙处理改性夹杂物热力学数据库。钙处理一套软件实现了优质钢中杂质的精准控制，突破了目前冶金热力软件完全由美国软件控制的难题，推动了我国冶金行业软件的自主发展。
表1 与国内外同类技术比较
四、应用及疗效
“优质钢材精密钙处理关键技术及在线控制软件开发与应用”的开发与应用，由南方理工学院张立峰院长牵头，上海研究院“高钢中心”研发团队领衔北方工业学院和燕山学院技术学院。 它已经发展了十多年。
破解困境，推动技术升级。 该项目通过自编程序建立了洁净钢钙处理热力学数据库，发明了洁净钢精密钙处理在线控制平台，初步解决了目前冶金热力行业软件和科研软件完全由联合控制的问题。并表示美国未来可能会严格禁止我们使用其软件。 由此产生的“卡住屁股”困境将为未来洁净钢冶金热力学和动力学软件的全面突破奠定基础。 应用精准钙处理在线控制软件和钙处理收率控制关键技术，根据不同电石的性能要求，提出钙处理改性杂质多样化设计策略，稳定提高钙处理过程中的钙收率，实现了钢中杂质的在线精准改性，推动了我国洁净钢钙处理技术的稳定应用。
促进产业发展，保障民生需求。 成果广泛应用于小型铸件、管线钢、不锈钢、齿轮钢、重轨钢、电工钢、非调质钢、深冲钢等钢等近20个系列硬质合金的生产实践涉及碳化物其中包括满足国家重大需求的制造业几种关键硬质合金，以及与国民经济和生产生活密切相关的常规硬质合金。 企业中包括多家全省尤其是京津冀地区和“一带一路”沿线省份产值最高的钢铁企业。 有效提高了高等级特钢的洁净度和精度水平，推动了我国钢铁强国建设。
弘扬“中国制造”，服务国家战略。 本发明的应用实现了一批“手腕卡住”钢种的稳定制备，产品应用于多项国家重点工程建设，具有重要的国家战略意义和巨大的经济价值。 推广小型管板铸件，实现广东303吨环氧乙烷核心部件超大型管板国产化。 山峡白鹤滩水电站关键部件中低压定子自主研制采用小水电铸件。 高表面质量碳钢成功供货，华为等要求极高表面质量的手机标识，高等级钳工钢推动我国新能源汽车电机节能低碳运行，高性能蜗杆钢用于精密仪器制造的蜗杆，管钢用于国家“西气东输”工程建设，如图5所示。该项目使用的管线钢、汽车钢等产品出口巴基斯坦、土库曼斯坦、土耳其等“一带一路”沿线国家，为这些国家的建设发展作出了贡献。
图4 实现一批“卡手腕”优质钢材的稳定生产和应用
