中國冶金報(bào) 中國鋼鐵新聞網(wǎng)
記者 褚召忍 報(bào)道
“千淘萬漉雖辛苦，吹盡狂沙始到金。”鋼鐵行業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新之路，恰似這淘沙取金的漫長征程，充滿挑戰(zhàn)與艱辛。在高品質(zhì)鋼材生產(chǎn)中，夾雜物的精準(zhǔn)控制是冶金技術(shù)的難點(diǎn)，一直存在著諸多難以跨越的局限。在此背景下，上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授付建勛團(tuán)隊(duì)，懷揣著如淵似海的專業(yè)知識(shí)，秉持著鍥而不舍的探索精神，在鎂彌散化冶金技術(shù)領(lǐng)域取得了一系列突破性成果，為鋼鐵行業(yè)的發(fā)展開辟了新的道路。
4月的風(fēng)裹著泥土的芬芳，柳條垂落如少女梳妝，櫻花飄落似粉雪紛揚(yáng)。4月14日，《中國冶金報(bào)》記者走進(jìn)上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，與在鎂彌散化冶金技術(shù)領(lǐng)域深耕多年的付建勛團(tuán)隊(duì)展開了一場(chǎng)深入交流，探尋在鋼鐵生產(chǎn)中閃耀光芒的鎂彌散化冶金技術(shù)創(chuàng)新之路。
創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)，聚焦鎂冶金學(xué)前沿研究
鎂，在鋼鐵行業(yè)內(nèi)并不陌生。早在20世紀(jì)70年代，德國、日本率先開發(fā)出鐵水噴鎂脫硫技術(shù)，通過載氣將鎂顆粒噴入鐵水包深處，實(shí)現(xiàn)高效脫硫。該技術(shù)在20世紀(jì)80至90年代被寶鋼、鞍鋼等企業(yè)引入，并逐步實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化；隨后，鋼鐵研究總院、中冶、河鋼、沙鋼等單位對(duì)其進(jìn)行了本土優(yōu)化改進(jìn)與自主開發(fā)，推動(dòng)了鎂在傳統(tǒng)冶金過程中的初步應(yīng)用。
20世紀(jì)90年代，日本新日鐵公司率先提出“氧化物冶金”概念，在煉鋼過程中引入鎂元素，促進(jìn)形成穩(wěn)定的氧化物顆粒，實(shí)現(xiàn)對(duì)晶界的釘扎，結(jié)合控軋控冷工藝，成功開發(fā)X120管線鋼等一些列全球領(lǐng)先產(chǎn)品，為高性能鋼材的開發(fā)指明了方向。國內(nèi)多家科研機(jī)構(gòu)圍繞鎂冶金領(lǐng)域，從不同角度開展鎂冶金機(jī)制及工藝效果的研究。但整體而言，鎂冶金技術(shù)在國內(nèi)鋼鐵行業(yè)應(yīng)用中面臨諸多技術(shù)瓶頸，導(dǎo)致該技術(shù)尚未形成規(guī)模化、工業(yè)化應(yīng)用。
付建勛自2010年起投身鎂領(lǐng)域研究，在中國臺(tái)灣“中鋼”的資助下開展鎂冶金理論及應(yīng)用研究。歷時(shí)2年，他與中國臺(tái)灣“中鋼”團(tuán)隊(duì)通力合作，對(duì)多種含鎂鋼進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析，逐步了解鎂在鋼鐵材料中的特性。基于此，他成功開發(fā)出具有創(chuàng)新性的鎂冶金技術(shù)，并先后獲得日本、中國大陸、中國臺(tái)灣地區(qū)的專利授權(quán)。2011年，他主編的鎂冶金學(xué)術(shù)專著順利出版。2013年，他作為上海市東方學(xué)者特聘教授加入上海大學(xué)，此后10余年間始終專注于鎂冶金領(lǐng)域的研究。
圖為付建勛在做實(shí)驗(yàn)
談及鎂冶金技術(shù)的潛力，付建勛充滿信心地表示：“這是一項(xiàng)低成本、高效的冶金技術(shù)，可解決鋼鐵生產(chǎn)中多個(gè)關(guān)鍵難題。鋼液鎂處理后，不但將鋼中氧含量控制在極低水平，而且產(chǎn)生的納米顆粒可促使氧化物、硫化物、碳氮化物彌散化，并細(xì)化鋼材組織。”
“多年潛心研究，10余家鋼廠的推廣應(yīng)用，讓我們對(duì)鎂冶金技術(shù)的應(yīng)用潛力有了充分信心。”付建勛表示，他們將該技術(shù)稱為“鎂彌散化冶金技術(shù)”，這是一種面向多尺度組織與夾雜物精準(zhǔn)調(diào)控的技術(shù)路徑，能夠顯著提升鋼材的強(qiáng)度、韌性與疲勞性能，是新一代高性能鋼鐵材料設(shè)計(jì)的關(guān)鍵支撐技術(shù)之一。
突破封鎖，攻克關(guān)鍵核心技術(shù)壁壘
“千磨萬擊還堅(jiān)勁，任爾東西南北風(fēng)。”鎂彌散化冶金技術(shù)工業(yè)化并非一帆風(fēng)順。反應(yīng)劇烈、噴濺嚴(yán)重、收得率低等問題，橫亙?cè)谒袊L試者面前，成為技術(shù)推廣的主要障礙。
這項(xiàng)技術(shù)，經(jīng)歷諸多磨煉，才有今天的成果。“當(dāng)時(shí)國內(nèi)沒有現(xiàn)成的鎂線，我們摸著石頭過河，自己設(shè)計(jì)制造鎂包芯線。”付建勛回憶道，2015年在蘇鋼首次工業(yè)實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于他設(shè)計(jì)的包芯線鎂含量過高，現(xiàn)場(chǎng)劇烈燃燒，鋼液噴濺嚴(yán)重，鋼水將喂線機(jī)出線口封死，渣鋼嚴(yán)重混卷，連鑄水口當(dāng)場(chǎng)斷流，80多噸鋼水直接報(bào)廢；含鋁含硫鋼現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)時(shí)，也遭遇了塞棒上漲、水口結(jié)瘤導(dǎo)致連澆中斷的困境。現(xiàn)場(chǎng)獲得的認(rèn)知比任何書本都更加深刻，知曉癥結(jié)所在，解決問題的方向自然就有了。
圖為鎂線
“一次次工業(yè)實(shí)踐，我們逐漸摸清了鎂的脾氣、性格，形成一整套應(yīng)對(duì)方案。”付建勛回憶道，純鎂添加反應(yīng)劇烈，企業(yè)很難接受；鎳鎂合金冶金穩(wěn)定性最好，但其成本顯著增高，企業(yè)也很難接受。他們用鎂鋁、鎂硅合金做包芯線，配加適當(dāng)比例鐵粉進(jìn)行稀釋，降低現(xiàn)場(chǎng)反應(yīng)劇烈程度，使之與喂鈣線相當(dāng)，甚至更穩(wěn)定，滿足現(xiàn)場(chǎng)安全環(huán)保的要求。付建勛進(jìn)一步解釋，他們提出了間歇式喂線技術(shù)，減輕現(xiàn)場(chǎng)的反應(yīng)程度。他們結(jié)合渣量、渣層厚度靈活調(diào)節(jié)，針對(duì)不同鋼種控制鋼液過熱度、氧活度、軟吹強(qiáng)度和鎮(zhèn)靜時(shí)間，系統(tǒng)提升鎂的收得率，確保多爐連澆過程穩(wěn)定順行。
鎂在線快檢是鎂彌散化冶金技術(shù)推廣的重要一環(huán)。缺乏商業(yè)標(biāo)樣，鎂的添加量就無法精準(zhǔn)控制，標(biāo)樣采購周期冗長，付建勛團(tuán)隊(duì)在特定鋼種添加鎂制備系列含鎂樣品，經(jīng)權(quán)威機(jī)構(gòu)檢測(cè)，篩選6個(gè)梯度的試樣，用來校準(zhǔn)直讀光譜儀鎂檢測(cè)通道。
冶金效果是最好的試金石。付建勛團(tuán)隊(duì)將碳、鋁、硫含量與鋼液氧位、鎂添加量等工藝因素進(jìn)行耦合，建立基于不同鋼種的鎂冶金效果預(yù)測(cè)模型，基于百余爐次工業(yè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行校驗(yàn)修正，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工藝條件優(yōu)化鎂冶金工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了鎂彌散化冶金效果的精準(zhǔn)調(diào)控。
技術(shù)引領(lǐng)，強(qiáng)化自主創(chuàng)新獨(dú)特優(yōu)勢(shì)
鎂作為一種強(qiáng)脫氧元素，在冶金過程中展現(xiàn)出獨(dú)特的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)優(yōu)勢(shì)。它如同一匹桀驁不馴的列馬，在馴服之前，狂暴難以駕馭。可一旦掌握其脾性，順而治之，它就是一匹溫順的千里良駒，能帶來諸多意外的驚喜。
圖為付建勛研發(fā)團(tuán)隊(duì)合影（左一為上海大學(xué)副研究員徐翔宇，右一為上海大學(xué)副研究員沈平）
鎂沸點(diǎn)較低，蒸氣壓高，現(xiàn)場(chǎng)反應(yīng)劇烈，一旦將鎂線成功喂入鋼包底部，鎂氣泡自帶攪拌，可確保均勻分布，是其他元素?zé)o法比擬的。鎂脫氧產(chǎn)物不易聚集長大，是天然的納米顆粒，極其微小添加量，就帶來神奇效果。
管線鋼、重軌鋼、非調(diào)質(zhì)鋼等控硫鋼中長條狀硫化物，是制約產(chǎn)品質(zhì)量的主要瓶頸，遇到鎂后立馬就變得“內(nèi)硬外軟”，不再變形，評(píng)級(jí)得到顯著提升。
傳統(tǒng)鋁脫氧鋼通常需要鈣處理改善連澆性，但產(chǎn)生的液態(tài)夾雜物常常污染鋼液，改用鎂處理后夾雜物顯著細(xì)化，夾雜物面積減少幅度2/3，潔凈度大幅提升。南鋼2萬余噸管線鋼統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，應(yīng)用鎂處理技術(shù)夾雜物1.0級(jí)合格率超94.6%，零下60攝氏度平均沖擊功從220焦耳大幅提升至330焦耳。
鋁脫氧鋼中殘留氧化鋁不變形夾雜物，是鍍鋅板、彩涂板、搪瓷鋼等冷軋板表面缺陷的最主要誘因，鎂處理后鋼中氧化鋁夾雜物缺陷幾乎完全消除。
鋼中大尺寸液析碳化物控制是高合金鋼、高碳鋼存在的難題，鑒于沒有更加有效的解決手段，熱處理成為產(chǎn)品質(zhì)量的最后守門員。鎂添加后為高合金鋼大尺寸液析碳化物提供無數(shù)彌散形核點(diǎn)，大幅度、甚至完全消除液析碳化物。對(duì)奧氏體氣閥鋼、H13熱作模具鋼、C12MoV冷作模具鋼進(jìn)行鎂處理后，液相碳化物受到顯著抑制，橫向沖擊功大幅提升。
大尺寸碳氮化鈮是幾乎所有含鈮鋼的伴生缺陷，合金偏析導(dǎo)致產(chǎn)生大量10余微米的碳氮化鈮，裂紋缺陷率居高不下，扒皮處理成為各鋼廠普遍的補(bǔ)救手段。應(yīng)用鎂彌散化冶金技術(shù)有效解決了大尺寸碳氮化鈮析出問題，裂紋缺陷迎刃而解。
“工欲善其事必先利其器。”在鎂彌散化冶金技術(shù)探索中，付建勛團(tuán)隊(duì)自主開發(fā)的夾雜物三維刻蝕技術(shù)，為夾雜物調(diào)控效果解析提供了強(qiáng)有效的支撐。15分鐘至30分鐘快速實(shí)現(xiàn)夾雜物原位三維暴露，真實(shí)呈現(xiàn)其空間形貌與分布狀態(tài)，成為鎂冶金研發(fā)中不可或缺的技術(shù)支撐。
實(shí)踐深耕，創(chuàng)新成果彰顯卓越實(shí)力
“潮平兩岸闊，風(fēng)正一帆懸。”鎂彌散化冶金技術(shù)在國內(nèi)10多家骨干鋼廠成功應(yīng)用后，正成為中國鋼鐵企業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的新引擎，揚(yáng)起奔赴未來的遠(yuǎn)航風(fēng)帆。
圖為付建勛向記者展示研發(fā)成果
“在與南京鋼鐵的合作中，鎂彌散化冶金技術(shù)成功替代鈣處理工藝，效果顯著；項(xiàng)目原定實(shí)驗(yàn)3個(gè)鋼種、30爐工業(yè)實(shí)驗(yàn)，項(xiàng)目結(jié)項(xiàng)時(shí)，已在9Ni鋼、高強(qiáng)鋼、罐體鋼、耐磨鋼等10多個(gè)鋼種大規(guī)模推廣，僅管線鋼就累計(jì)生產(chǎn)突破2萬噸，出口至沙特阿拉伯等國家。2023年，該技術(shù)獲得南鋼優(yōu)秀專有技術(shù)獎(jiǎng)；同年還獲得江蘇省新產(chǎn)品新工藝證書。”付建勛介紹。
在與寶鋼寬厚板的合作項(xiàng)目中，鎂彌散化冶金技術(shù)同樣展現(xiàn)出卓越成效。寶鋼股份2萬余噸產(chǎn)品數(shù)據(jù)顯示，低碳鋼全氧由21ppm降低至15ppm，在穩(wěn)定質(zhì)量前提下，有效降低了昂貴的合金用量，節(jié)約生產(chǎn)成本。同時(shí)，鎂處理使寬厚板鑄坯中心等軸晶比例平均提升10.7%，為后續(xù)軋制提供更優(yōu)的坯料。
在與營口中板聯(lián)合開發(fā)的EH 40船板項(xiàng)目中，40毫米與80毫米厚度鋼板在257千焦/厘米、547千焦/厘米熱輸入下大線能量焊接，接頭抗拉強(qiáng)度超過535兆帕，熔合線熱影響區(qū)零下40攝氏度沖擊功達(dá)210焦耳，硬度穩(wěn)定在135 HV5（維氏硬度）以上。該技術(shù)助力營口中板順利通過挪威船級(jí)社大線能量焊接認(rèn)證。
在與包鋼重軌鋼的合作中，付建勛團(tuán)隊(duì)將鎂的彌散效應(yīng)與重軌生產(chǎn)技術(shù)融合，開發(fā)出鎂-稀土復(fù)合夾雜調(diào)控技術(shù)。在保障連鑄前提下，將硫化錳、氧化鋁幾乎全部轉(zhuǎn)化為近球狀復(fù)合夾雜物，1.5級(jí)以上大尺寸夾雜物顯著減少，夾雜物總量減少近一半，K法評(píng)級(jí)得到明顯改善，為重軌質(zhì)量提供關(guān)鍵技術(shù)保障，鎂彌散化冶金技術(shù)也在無鋁脫氧鋼應(yīng)用領(lǐng)域邁出重要一步。
與浙江青山、長城特鋼、申源特鋼的高合金鋼合作項(xiàng)目中，該技術(shù)控制了高合金鋼中液析碳化物的形成，顯著提升產(chǎn)品穩(wěn)定性。該技術(shù)還有效抑制高碳鉻不銹鋼中先共析鐵素體偏析導(dǎo)致的帶狀組織缺陷，使異常帶狀組織發(fā)生率從原先的20%降至不足1%，為高端不銹鋼產(chǎn)品質(zhì)量插上了騰飛的“翅膀”。
前瞻布局，拓展多元應(yīng)用產(chǎn)業(yè)藍(lán)圖
“長風(fēng)破浪會(huì)有時(shí)，直掛云帆濟(jì)滄海。”隨著鋼鐵行業(yè)對(duì)產(chǎn)品性能與組織控制提出更高要求，付建勛堅(jiān)信鎂彌散化冶金技術(shù)將在更廣闊領(lǐng)域大有可為。
鎂彌散化冶金技術(shù)在日本、韓國等國家已實(shí)現(xiàn)規(guī)模化工業(yè)應(yīng)用，其以低成本、高效率、強(qiáng)適應(yīng)性的優(yōu)勢(shì)，展現(xiàn)出強(qiáng)勁的競(jìng)爭(zhēng)力。相比傳統(tǒng)技術(shù)路徑，鎂彌散化冶金技術(shù)無需增加額外設(shè)備，幾乎不增加成本，能有效改善鋼材基體組織與夾雜物狀態(tài)，顯著提升潔凈度與綜合性能。這個(gè)特性更讓鎂彌散化冶金技術(shù)如虎添翼。正如付建勛所說：“我們不僅做到國外鋼企做到的，我們還做得更深更廣。”
付建勛每年近一半時(shí)間奔波在國內(nèi)各鋼廠的生產(chǎn)實(shí)踐和技術(shù)交流中，每個(gè)鋼廠的工藝路線、控制參數(shù)、產(chǎn)品質(zhì)量、缺陷原因，都了然于胸。目前，付建勛團(tuán)隊(duì)正與湘鋼、舞陽鋼鐵合作解決超大模鑄鋼錠、特厚板中心偏析及心部缺陷等關(guān)鍵難題。利用鎂的冶金特性改善“V型通道偏析”，抑制縮孔、縮松，可以有效地提高特厚板芯部質(zhì)量，提高其成材率。
截至目前，付建勛團(tuán)隊(duì)鎂冶金領(lǐng)域獲發(fā)明專利及軟件著作權(quán)22項(xiàng)，發(fā)表學(xué)術(shù)論文100多篇，為鋼中組織及夾雜物調(diào)控提供一套高效方案，也為高性能鋼鐵材料開發(fā)提供一個(gè)低成本工藝選擇。放眼未來，鎂彌散化冶金技術(shù)“朋友圈”正在不斷拓展。該團(tuán)隊(duì)已在寶武高金、張宣高科、黑龍江建龍鋼鐵開展實(shí)驗(yàn)工作，正與越南河靜鋼廠商洽技術(shù)輸出。
從靈感乍現(xiàn)到實(shí)驗(yàn)室探索，再到工業(yè)化應(yīng)用的全面落地，付建勛團(tuán)隊(duì)用智慧與堅(jiān)守，點(diǎn)燃了鎂冶金的創(chuàng)新火種。這把火，正在以燎原之勢(shì)，照亮中國鋼鐵工業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)之路，也為實(shí)現(xiàn)鋼鐵行業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展注入了持續(xù)而強(qiáng)大的技術(shù)動(dòng)力。
