高品質鋼鐵材料，如精品鋼（電工鋼、新能源汽車用鋼、管線鋼、船板鋼、不銹鋼等）和特殊鋼工模具鋼、齒輪鋼、軸承鋼、彈簧鋼等廣泛應用于能源、交通、智能制造、航空航天、船舶、國防等領域，年市場需求近萬億元，在國民經濟建設中意義重大。但我國精品鋼和特殊鋼（精特鋼）質量與國外發達國家存在顯著差距，進口價格高出國產同類產品數倍，部分產品和材料甚至被發達國家禁售。其中的關鍵根源在于精特鋼的冶金質量一直難以有效提升，導致最終產品性能參差不齊，無法滿足國民經濟重大戰略需求，甚至成為卡脖子材料。精特鋼材料冶金質量的提升在于制備環節中，如何實現高潔凈、高均質和超細晶的高冶金質量目標。

聚焦冶煉高效提質

連鑄及電渣重熔精煉過程是眾多精特鋼制備中最為重要和最具挑戰性的冶金工序。典型的，如高檔汽車外板代表著鋼鐵冶金的最高技術水平，其優質品率穩定提升一直是行業難題。高檔汽車外板對連鑄坯的振痕、裂紋、表面皮下氧化皮、夾雜物含量有著嚴格的要求，是決定其優品率的核心指標。對于大型模具或關鍵裝備如核電、火電、水電、航空、高速鐵路等的核心部件而言，由于對材料安全可靠性要求極高，均需經過電渣重熔過程進行二次精煉。然而，隨著電渣錠型的擴大，冷卻強度顯著降低，凝固時間顯著延長，導致枝晶發達、枝晶間距顯著增加、碳化物網狀粗大、夾雜物和雜質超標等問題的出現。

上述兩個冶煉工序中，結晶器中鋼液流動的控制至關重要，而現有的工藝，對連鑄重熔結晶器中的鋼液熔體流場缺乏有效控制手段，導致連鑄坯重熔錠坯的冶金質量一直無法提高。國外兩家企業分別提出了在結晶器外施加單頻電磁場，利用非接觸的電磁力來主動調控結晶器內鋼水流場從而實現連鑄坯質量控制的技術，但由于具有較高的技術門檻且對國內眾多鋼企封鎖，兩家公司長期處于壟斷地位。因此，迫切需要具有自主知識產權的、高效的、近終型的超常冶金新技術及關鍵裝備來提升國內精特鋼材料冶金質量，突破國外技術封鎖。

自上世紀九十年代中期，上海大學高性能結構功能材料冶金與制備團隊一直聚集于精特鋼冶金制備領域的工作，對于鋼液流動的控制，團隊負責人鐘云波教授提出：鋼液熔體流場控制具有三大難點：不可透視看不見；高溫侵蝕摸不著；因素復雜控不準，常規手段很難調控。團隊基于多年在電磁場領域的研究基礎，發現了電磁場對于金屬熔體獨特的力能作用，通過設計磁場的分布對結晶器內金屬熔體的流動行為進行控制，進而將電磁場獨特的無接觸力能效應與電磁流體力學原理相結合，提出磁控超常冶金制備新思路。

模擬還原精準控流

想要對鋼液的流動進行控制，就需要搞清楚鋼液真實的流動行為。但是由于煉鋼過程中高溫強熱等工況環境的制約，無法真實測量其流場。國際上，通常采用水模擬技術還原鋼液流動，但由于水介質不導電的缺點，造成相關研究結果存在不準確、不真實的現象。項目組設計構建了基于低熔點液態金屬的電磁流動控制平臺，以金屬模擬金屬，克服鋼液高溫難測量的特點，成功地對結晶器內鋼液的流動行為進行了還原。開發了電磁場流場溫度場離散相運動行為等多場多相多界面全耦合的數學模型，系統計算了電磁場作用下結晶器內鋼水的流動、凝固行為，使金屬液流場看得見、摸得著。從冶金學角度提出了電磁控流結晶器流場優劣的定量評價指標，開發了結晶器電磁控流冶金效果評價和強化方法；提出了結晶器傳輸行為的評價指數，闡明了電渣重熔除雜新機制，提出磁控三段深度除雜新方法，使得電磁調控結晶器流場控得準

對于連鑄及電渣重熔過程，由于其鋼液流動差異巨大，采用同一種控流模式顯然是行不通的。團隊設計并制作了多種磁場分布的控流裝備并進行驗證，最終，針對中厚板坯連鑄中結晶器空間大、拉速慢、易凍鋼的特征，提出交變電磁促進流動的主動控流技術；針對薄板坯連鑄中結晶器空間狹窄、拉速快、沖擊深的特征，提出恒定磁場降低流速的隨動控流技術；針對電渣重熔過程存在多尺度流動影響冶金質量的特征，在國際上首次提出電磁振蕩復合熱電磁流的復合控流技術。

成套裝備推廣應用

經過多年的推廣應用，團隊已開發出成套中厚板坯連鑄結晶器主動控流技術及裝備、薄板坯連鑄結晶器隨動控流技術及裝備、特殊鋼磁控電渣重熔技術及裝備。其中，主動控流技術及裝備已由寶信軟件股份有限公司實現成果轉化，在寶鋼湛江鋼鐵、寶鋼股份、馬鋼、德勝不銹鋼、梅鋼等鋼鐵企業裝備上線，已完成七套裝備生產并形成使用規范，工藝裝備上線運行多年狀態良好，用戶使用報告顯示使用該技術后汽車板坯質量提升明顯，在同等試驗條件下汽車外板和汽車內板鋼質不良率分別降低到0.23%0.13%，均優于進口裝備的鋼質不良率（0.58%0.42%），間接經濟效益達數億元。薄板坯連鑄結晶器隨動控流技術及裝備中低熔點金屬連鑄結晶器電磁控流技術物理模擬平臺及多物理場耦合數值模擬系統已在華菱漣鋼技術中心得到應用，指導了漣鋼薄板坯連鑄過程參數的選擇及優化。薄板坯連鑄結晶器電磁高效控流技術及裝備已在漣鋼CSP線兩臺連鑄機上推廣應用，在提高連鑄的拉速和提升產量的同時，使薄板連鑄坯的夾雜物數量、裂紋缺陷產生頻率均顯著降低，鑄坯中大型夾雜物的總量降低了22%。磁控電渣重熔項目已開發出成套特殊鋼磁控電渣重熔裝備，涵蓋0.5t-20t級別電渣錠，在浙江精瑞工模具有限公司推廣應用。經檢測，磁控電渣重熔高速鋼電渣錠相比傳統電渣重熔，共晶碳化物評級提升級，夾雜物指數降低48%，鍛軋態無缺口沖擊功提升19.2%，成材率提升15-20%。相關技術的應用實現了精特鋼連鑄及電渣重熔錠坯材高潔凈、高均質、三細化的高冶金質量目標使電磁調控流場技術及裝備用得好

本項目獲授權發明專利46項，PatYee全球專利檢索結果表明，本項目相關專利的價值度顯著高于其他專利，核心專利價值度是其他專利的十倍，且為全球最早提出；發表高水平論文65篇，引用一千余次；磁控超常冶金技術在寶鋼股份、寶武集團、湖南漣鋼、浙江精瑞等企業三十余條產線應用，近三年生產高性能鋼鐵材料一千百余萬噸，直接效益逾11億元，新技術還有望用于航母、核潛艇、核電等國之重器和新能源關鍵材料制備等領域，經濟和社會效益顯著。查新報告表明，未見相同的文獻報道。金屬學會成果鑒定（干勇院士和毛新平院士為正副組長）認為：本項目技術總體國際領先。曾獲2018年美國TMS學會Nagy El-Kaddah最佳論文獎、2014年教育部科技進步獎二等獎和EPM 2015最佳墻報獎等。后期團隊將繼續圍繞國家重大需求，積極探索技術突破，開發具有獨立自主知識產權的控流技術及裝備，早日實現進口精特鋼產品的全替代。

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