新技术进展：高品质钢中纳米、微米和宏观夹杂物特征调控技术的工业化应用

中国粗钢年产量约为10亿吨，占全球产量的50%以上。然而，部分国产高等级钢材在性能稳定性方面仍落后于世界一流水平，制约了国民经济和国防工业关键装备的发展。

非金属夹杂物是导致钢材质量下降的关键因素。它们会引发冷轧钢板表面缺陷，降低高热输入焊接厚板的热影响区性能，导致齿轮钢晶粒异常长大，无缝钢管和管线钢出现检验缺陷，以及降低中高锰钢的热塑性。

现代炼钢工艺已拥有成熟的杂质去除净化工艺。然而，对多尺寸夹杂物的精确控制仍然是高品质钢生产的主要瓶颈。较大的夹杂物会导致更严重的性能劣化。主要存在三大技术难题：纳米级析出物在高温下易重新溶解，功能不稳定；种类繁多的微米级夹杂物使得多目标协调控制变得困难；宏观级夹杂物来源于炉渣夹带、钢包渣带入、耐火材料侵蚀以及在多个冶金步骤中的再氧化，使得超洁净度难以实现。

由上海大学杨健教授领衔，并在国首页研发计划的支持下，该研究团队与宝钢、沙钢、首钢京堂、兴城特钢、衡阳华林钢管等主要钢铁企业开展合作，开发出一套针对纳米级、微米级和宏观夹杂物的特征调控技术，用于高品质钢材的大规模生产。

关键创新

1. 纳米级沉淀物的调控

Mg/Ca脱氧工艺结合Ti/N比和熔体氧势控制，促进了纳米TiN析出物的细化和增多。对于Mg处理钢，TiN颗粒的数量密度提高了10倍以上，而平均尺寸降低了40%。热影响区晶粒尺寸从452 μm减小到61 μm。在500 kJ/cm高热输入焊接条件下，-20 °C时热影响区的冲击能量从31 J增加到181 J。

对于铌硼微合金化厚板，降低铌含量可提高(Ti,Nb)N析出物的热稳定性。晶界处的硼偏析提高了晶内针状铁素体(IAF)的含量，并显著提高了-40℃时的低温韧性。对于齿轮钢，铌微合金化结合热机械轧制冷却工艺利用了纳米Nb(C,N)颗粒的钉扎效应。稳定的奥氏体晶粒控制温度从≤930℃提高到960-1000℃，并在980℃时达到7.5级晶粒尺寸。

2. 微观尺度夹杂物的调控

采用Mn-Ti-Al-Mg/Ca复合脱氧处理，可生成多组分复杂夹杂物，从而促进焊接热影响区内IAF的形成。在500 kJ/cm焊接条件下，经Mg处理的钢的IAF含量达到55.4%，经Ca处理的钢的IAF含量达到82%，显著提高了低温冲击韧性。

该团队阐明了微夹杂物如何影响中高锰钢的热塑性。16%Mn-1.5%Al TWIP钢在宝钢300吨转炉连铸线上的工业试验已完成，为高锰钢产品的批量开发提供了支持。

3. 宏观内含物的调控

对于高表面质量的冷轧汽车用钢板，采用大样品电解法来表征少量宏观夹杂物。通过优化中间包熔剂、控制钢包渣携带、动态渣处理以及使用高碱度结晶器熔剂，可以抑制转运板坯上的宏观夹杂物缺陷。

根本原因分析表明，CaO-Al₂O₃-SiO₂复合宏观夹杂物是无缝钢管内部线性缺陷的根源。优化后的精炼-连铸工艺流程将客户投诉率从每万吨7例降低至每万吨≤1例。片状缺陷的发生率也从0.50%降至0.20%以下。

对于超宽薄规格管线钢，优化的 SEN 几何形状和模具流场控制可减轻夹渣，使钢坯边缘的超声波检测通过率提高到 99.2%。

工业应用及效益

这些技术已在国内主要钢铁厂得到广泛应用。

资料来源：上海大学