一、研究的背景与问题

夹杂物是炼钢过程的必然产物，也是影响钢质量的重要因素，几乎所有钢铁材料缺陷都与夹杂物有着密切的关系。夹杂物控制技术已成为炼钢领域发展的重要方向，也是衡量一个国家洁净钢制造水平的重要标志。随着炼钢技术的不断进步，钢中夹杂物问题已经严重制约了高端钢铁材料的生产，因此，提高夹杂物控制水平，寻找降低夹杂物危害的有效解决方案迫在眉睫。

国内外很早就认识到镁在钢中的良好作用。镁加入钢中能降低氧化铝夹杂物尺寸，减少Ⅱ类硫化物数量;镁可以提高钢的低温冲击功、冷脆转变温度和断裂韧性;镁还有净化晶界、改善碳化物分布、提高钢等轴晶率的良好效果。尽管如此，镁处理技术迟迟未能工业化推广和应用，主要原因是：①金属镁熔点、沸点低，蒸气压高(1873K时，蒸气压为2238kPa)，加入钢液会迅速气化，收得率极低;②部分钢企对钢液加镁存在认识误区，认定生成的尖晶石对钢种有害，却没有考虑夹杂物尺寸减小带来的巨大冶金优势;③钢的镁处理技术被日本等少数国家垄断，如新日铁HTUFF技术，日本爱知制钢开发的镁处理无铅易切削钢新产品等。

为此，开发具有自主知识产权的钢液镁处理新技术，研制高效、洁净、低成本洁净钢新产品，大幅提升产品性能和附加值，为我国钢铁制造的绿色、可持续化发展提供技术支撑，助力我国洁净钢制造水平的提升。

二、解决问题的思路与方案

为了解决钢液镁处理技术工程化应用问题，苏州大学王德永教授团队深入探究了镁元素在洁净钢中的作用机制和影响因素，明确了镁处理技术对不同钢种的适用性;开发了炼钢专用缓释型镁合金包芯线，优化了钢包喂镁线工艺，解决了金属镁加入钢液收得率低的行业难题;提出镁—钛协同夹杂物控制新理论，形成了以镁代钙、以镁降钛、以镁降锰的低成本洁净钢生产新路线，开发了一系列镁处理洁净钢新产品;系统集成镁合金包芯线喂线工艺、镁收得率预报系统、钢中痕量镁在线检测技术等，在我国首次实现了钢液镁处理技术的工程化应用，在提高产品质量、降低生产成本等方面取得显著效果。主要技术路线如图1所示。

图1 “镁处理洁净钢关键技术与新产品开发”技术路线图

三、主要创新性成果

1. 研制了具有自主知识产权的缓释型镁合金包芯线，首次实现了钢液镁处理技术的工程化应用，攻克了钢液加镁收得率低的技术瓶颈，金属镁收得率接近30%，填补了国内空白。

项目组借鉴了喷射冶金原理和钝化镁技术，通过联合攻关，利用镁系中间合金廉价、易于获得的特点，成功研发了炼钢专用缓释型镁合金包芯线，满足不同钢种冶炼需求。该系列包芯线主要特征为：①优化了包芯线芯粉成分、配重等关键参数，提高了钢液对镁的吸收效果;②镁含量范围宽，加入量易于控制和调整;③杂质元素硫、磷等含量低(<0.05%)，不会对钢液产生二次污染。

为了确保镁能安全、稳定、高效地加入钢液，项目组开展了大量的热态试验与模拟仿真工作，系统研究了喂线量、喂线时机、喂线位置、喂线速度、后处理等方式对镁吸收率的影响，对钢包喂线喂线参数进行了系统优化，确保镁的收得率达30%以上。图2为钢液喂镁线工业试验现场效果。其中，图2a为250吨钢包喂镁线过程，试验钢种为低碳微合金钢，工艺流程：BOF→LF→RH→板坯连铸，LF合金化结束后喂入镁线;图2b为100吨钢包微镁线过程，试验钢种为高碳合金钢，工艺流程为：EAF→LF→VD→大圆坯连铸，VD破真空后喂入镁线。

工业试验表明：钢包喂镁线工艺中，金属镁的平均收得率约30%，钢中实测镁含量约为10~30ppm(ICP分析)。目前应用最广泛的钙处理工艺纯钙的收得率仅为15%左右。综合看，镁处理不仅对夹杂物控制效果更优(夹杂物尺寸小、分布弥散)，且合金消耗少，处理成本也更低。

图2 钢液喂镁线工业试验

2. 提出TiN外延生长控制理论，开发了Mg-Ti复合处理夹杂物协同控制新技术，攻克了常规冷速下含钛包晶钢TiN尺寸异常粗大的行业性难题，改善了钢的高温热塑性和凝固组织，显著降低了铸坯裂纹发生率。

理论与实践证明，促进钢中TiN外延生长的前提是：①钢中作为形核质点的氧化物粒子数量密度足够多，尺寸足够小;②控制钢中Mg/Ti比在合理范围内。

项目组在430铁素体不锈钢上进行了镁处理试验，典型夹杂物对比见图3所示。镁处理前，钢中形成的TiN颗粒尺寸较大，成分均一;镁处理后，TiN依附在细小的镁铝尖晶石表面形核，尺寸显著减小，这种“外延生长”形成的TiN对细化高温铁素体具有极好的效果。此外，对钢中纳米级TiN析出行为分析表明：镁处理前，钢中纳米级TiN沿晶界分布，数量较少;镁处理后，TiN平均尺寸变化不大，但数量密度将近增加了一倍，且分布较为弥散，在晶界和晶内均匀析出，解决了常规冷速下含钛钢TiN尺寸异常粗大的行业性难题。

图3 镁处理前后对钢中微米级和纳米级TiN析出行为的影响(a-未处理，b-镁处理)

根据Bramfitt晶格二维错配度关系，得到MgO、MgAl2O4与TiN的晶格错配度分别为0.068%和5.02%，TiN与δ-Fe之间晶格错配度为4.41%，均属于有效形核范围，故含镁的细小夹杂物能促进TiN非均相形核，TiN又可以作为δ-Fe的形核质点，促进高温铁素体形核，对于细化钢的凝固组织具有重要作用。这种依赖镁、钛夹杂物促进第二相和高温铁素体组织“递进形核”的思想，即镁—钛复合处理夹杂物协同控制技术，为本项目首创。

基于镁—钛复合处理夹杂物协同控制理论，项目组提出了镁处理改善含钛包晶钢高温热塑性的技术思路：利用镁处理技术在钢中形成数量多、尺寸小、分布弥散的MgO或尖晶石，促使凝固前沿TiN在氧化物颗粒表面外延生长。当温度降至液相线以下，δ-Fe优先在TiN表面形核，由于形核率提高，δ-Fe尺寸减小。当达到包晶转变温度时，发生包晶转变δ+L→γ，原始奥氏体组织减小，钢的高温热塑性显著提升，从而抑制包晶钢裂纹发生，显著提高铸坯质量，如图4所示。

图4 镁处理改善包晶钢高温热塑性机理示意图

3. 基于镁处理新技术实现了高效、低成本洁净钢生产，开发了低碳微合金钢、含钛包晶钢、热作模具钢、含硫非调质钢、铁素体不锈钢五大类洁净钢新品种。

以RH60车轮钢为例，传统钙处理条件下，主要夹杂物为：Ca-Al-O+(Ca,Mn)S，占比超过98%，尺寸在2~4μm之间;经镁处理后，夹杂物转变为MgAl2O4+MnS，内核尺寸多小于1μm，占比超过80%。相比于钙处理，镁处理钢中夹杂物尺寸减小，但数量增加。较传统钙处理工艺，镁处理车轮钢轧材屈服强度提高了20~30MPa，抗拉强度提高30~40MPa。从疲劳曲线上看(图5)，在相同应力幅值条件下，镁处理新工艺下钢的疲劳寿命要优于钙处理钢工艺，得益于夹杂物平均尺寸的降低，以镁处理代替钙处理对提高低碳微合金钢疲劳寿命具有重要作用。

图5 镁处理钢夹杂物与轧材疲劳性能对比

包晶钢铸坯裂纹是长期困扰冶金行业的难题。采用传统钙处理工艺时，含钛包晶钢铸坯在780℃时的最小断面收缩率低于40%，低于60%临界值的温度“口袋区”保持在710℃~830℃之间，显著降低了连铸矫直区铸坯表面质量。利用Gleeble3800热模拟试验机测定了铸坯高温拉伸性能，结果见图6所示。采用镁处理新技术后，在无外界强制冷却条件下，第三脆性区的断面收缩率最小值高于临界值60%以上，接近日本住友金属开发的SSC(surface structure control cooling )工艺铸坯断面收缩率。钙处理工艺，拉伸断口为典型的沿晶断裂;采用镁处理新工艺，拉伸断口为韧性断裂，证明镁处理对含钛包晶钢高温热塑性具有良好的改善效果。

从梅钢现场生产统计数据看，与传统钙处理工艺相比，采用镁处理新技术后，含钛包晶钢角部裂纹率降低至0.01%，取消了铸坯下线目检和板坯四角清理，降低了能源消耗的同时，大幅降低了工人劳动强度。

图6 镁处理含钛包晶钢高温热塑性对比

图7 镁处理前后铁素体不锈钢铸锭的宏观组织对比

基于镁—钛复合处理夹杂物协同控制理论，项目组与宝钢股份合作开发了镁处理改善铁素体不锈钢等轴晶率新技术。鉴于铁素体不锈钢凝固过程无相变，镁处理能促进TiN外延生长，形成大量尺寸细小、弥散分布的TiN颗粒，从而诱导凝固过程铁素体形核，细化其尺寸，如图7所示。Ta为实际温度分布，TL为平衡液相线温度曲线，在凝固界面前液相内Ta与TL相交，界面前产生由固-液界面前方溶质再分配引起成分过冷区，宽成分过冷条件下凝固时，当固-液界面前方液相中成分过冷最大值大于液相中非均匀形核所需要的过冷度时，形成等轴晶。

感应炉中试显示，镁处理后，铁素体不锈钢铸锭等轴晶比例显著增加，晶粒得到细化。在无电磁搅拌情况下，409L铁素体不锈钢的等轴晶率由常规工艺的10%提高至80%，4003不锈钢的等轴晶率由20%提高至90%以上，439不锈钢的等轴晶率由15%提高至90%。

四、应用情况与效果

自2017年，该技术于先后应用于上海梅山钢铁股份有限公司、宝山钢铁股份有限公司、山东钢铁股份有限公司等企业。基于镁处理新技术开发的高端车轮钢材料疲劳性能媲美国际同类先进产品;无强制冷却条件下，中碳包晶钢板坯角部裂纹率大幅降低;无电磁搅拌条件下，铁素体不锈钢等轴晶率达85%以上;高端模具钢全氧含量稳定控制在12ppm以下，含硫非调质钢横向冲击功提高了25%。近三年，新技术应用共计新增产值超过2亿元，生产的高端车轮钢、含钛包晶钢、热作模具钢、非调质钢等产品已出口至韩国、印度、越南、马来西亚、伊朗、意大利、西班牙、中国台湾等国家和地区。

项目实施期间，申请国家发明专利26件，其中授权发明专利授权9件，实用新型授权2件，软件著作权登记1件。发表论文38篇，并多次受邀在国内外重要学术会议上作学术报告。经中国金属学会组织专家评价，认为钢液镁处理新技术整体指标达到国际先进水平。

镁处理新工艺技术成熟，应用效果良好，具有较好的可移植性和适应性，在国内钢铁企业具有极高的推广和应用价值。经镁处理后，钢中夹杂物控制效果好，镁含量低，缩短了新产品研发周期，具有显著的社会经济效益。

信息来源：苏州大学、上海梅山钢铁股份有限公司供稿