中國冶金報 中國鋼鐵新聞網(wǎng)
記者 褚召忍 報道
“千淘萬漉雖辛苦，吹盡狂沙始到金。”鋼鐵行業(yè)的技術創(chuàng)新之路，恰似這淘沙取金的漫長征程，充滿挑戰(zhàn)與艱辛。在高品質鋼材生產中，夾雜物的精準控制是冶金技術的難點，一直存在著諸多難以跨越的局限。在此背景下，上海大學材料科學與工程學院教授付建勛團隊，懷揣著如淵似海的專業(yè)知識，秉持著鍥而不舍的探索精神，在鎂彌散化冶金技術領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。4月14日，《中國冶金報》記者走進上海大學材料科學與工程學院，與在鎂彌散化冶金技術領域深耕多年的付建勛團隊展開了一場深入交流，探尋在鋼鐵生產中閃耀光芒的鎂彌散化冶金技術創(chuàng)新之路。
創(chuàng)新驅動，聚焦鎂冶金學前沿研究
鎂，在鋼鐵行業(yè)內并不陌生。早在20世紀70年代，德國、日本率先開發(fā)出鐵水噴鎂脫硫技術，通過載氣將鎂顆粒噴入鐵水包深處，實現(xiàn)高效脫硫。該技術在20世紀80至90年代被寶鋼、鞍鋼等企業(yè)引入，并逐步實現(xiàn)國產化；隨后，鋼鐵研究總院、中冶、河鋼、沙鋼等單位對其進行了本土優(yōu)化改進與自主開發(fā)，推動了鎂在傳統(tǒng)冶金過程中的初步應用。
20世紀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，促進形成穩(wěn)定的氧化物顆粒，實現(xiàn)對晶界的釘扎，結合控軋控冷工藝，成功開發(fā)X120管線鋼等一些列全球領先產品，為高性能鋼材的開發(fā)指明了方向。國內多家科研機構圍繞鎂冶金領域，從不同角度開展鎂冶金機制及工藝效果的研究。但整體而言，鎂冶金技術在國內鋼鐵行業(yè)應用中面臨諸多技術瓶頸，導致該技術尚未形成規(guī)模化、工業(yè)化應用。
付建勛自2010年起投身鎂領域研究，在中國臺灣“中鋼”的資助下開展鎂冶金理論及應用研究。歷時2年，他與中國臺灣“中鋼”團隊通力合作，對多種含鎂鋼進行大量實驗與數(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，并先后獲得日本、中國大陸、中國臺灣地區(qū)的專利授權。2011年，他主編的鎂冶金學術專著順利出版。2013年，他作為上海市東方學者特聘教授加入上海大學，此后10余年間始終專注于鎂冶金領域的研究。
圖為付建勛在做實驗
談及鎂冶金技術的潛力，付建勛充滿信心地表示：“這是一項低成本、高效的冶金技術，可解決鋼鐵生產中多個關鍵難題。鋼液鎂處理后，不但將鋼中氧含量控制在極低水平，而且產生的納米顆粒可促使氧化物、硫化物、碳氮化物彌散化，并細化鋼材組織。”
“多年潛心研究，10余家鋼廠的推廣應用，讓我們對鎂冶金技術的應用潛力有了充分信心。”付建勛表示，他們將該技術稱為“鎂彌散化冶金技術”，這是一種面向多尺度組織與夾雜物精準調控的技術路徑，能夠顯著提升鋼材的強度、韌性與疲勞性能，是新一代高性能鋼鐵材料設計的關鍵支撐技術之一。
突破封鎖，攻克關鍵核心技術壁壘
“千磨萬擊還堅勁，任爾東西南北風。”鎂彌散化冶金技術工業(yè)化并非一帆風順。反應劇烈、噴濺嚴重、收得率低等問題，橫亙在所有嘗試者面前，成為技術推廣的主要障礙。
這項技術，經歷諸多磨煉，才有今天的成果。“當時國內沒有現(xiàn)成的鎂線，我們摸著石頭過河，自己設計制造鎂包芯線。”付建勛回憶道，2015年在蘇鋼首次工業(yè)實驗時，由于他設計的包芯線鎂含量過高，現(xiàn)場劇烈燃燒，鋼液噴濺嚴重，鋼水將喂線機出線口封死，渣鋼嚴重混卷，連鑄水口當場斷流，80多噸鋼水直接報廢；含鋁含硫鋼現(xiàn)場實驗時，也遭遇了塞棒上漲、水口結瘤導致連澆中斷的困境。現(xiàn)場獲得的認知比任何書本都更加深刻，知曉癥結所在，解決問題的方向自然就有了。
圖為鎂線
“一次次工業(yè)實踐，我們逐漸摸清了鎂的脾氣、性格，形成一整套應對方案。”付建勛回憶道，純鎂添加反應劇烈，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，配加適當比例鐵粉進行稀釋，降低現(xiàn)場反應劇烈程度，使之與喂鈣線相當，甚至更穩(wěn)定，滿足現(xiàn)場安全環(huán)保的要求。付建勛進一步解釋，他們提出了間歇式喂線技術，減輕現(xiàn)場的反應程度。他們結合渣量、渣層厚度靈活調節(jié)，針對不同鋼種控制鋼液過熱度、氧活度、軟吹強度和鎮(zhèn)靜時間，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推廣的重要一環(huán)。缺乏商業(yè)標樣，鎂的添加量就無法精準控制，標樣采購周期冗長，付建勛團隊在特定鋼種添加鎂制備系列含鎂樣品，經權威機構檢測，篩選6個梯度的試樣，用來校準直讀光譜儀鎂檢測通道。
冶金效果是最好的試金石。付建勛團隊將碳、鋁、硫含量與鋼液氧位、鎂添加量等工藝因素進行耦合，建立基于不同鋼種的鎂冶金效果預測模型，基于百余爐次工業(yè)試驗數(shù)據(jù)對模型進行校驗修正，結合現(xiàn)場工藝條件優(yōu)化鎂冶金工藝參數(shù)，實現(xiàn)了鎂彌散化冶金效果的精準調控。
技術引領，強化自主創(chuàng)新獨特優(yōu)勢
鎂作為一種強脫氧元素，在冶金過程中展現(xiàn)出獨特的熱力學和動力學優(yōu)勢。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)團隊合影（左一為上海大學副研究員徐翔宇，右一為上海大學副研究員沈平）
鎂沸點較低，蒸氣壓高，現(xiàn)場反應劇烈，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，是其他元素無法比擬的。鎂脫氧產物不易聚集長大，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、非調質鋼等控硫鋼中長條狀硫化物，是制約產品質量的主要瓶頸，遇到鎂后立馬就變得“內硬外軟”，不再變形，評級得到顯著提升。
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)計數(shù)據(jù)顯示，應用鎂處理技術夾雜物1.0級合格率超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，熱處理成為產品質量的最后守門員。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，大幅度、甚至完全消除液析碳化物。對奧氏體氣閥鋼、H13熱作模具鋼、C12MoV冷作模具鋼進行鎂處理后，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，合金偏析導致產生大量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救手段。應用鎂彌散化冶金技術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探索中，付建勛團隊自主開發(fā)的夾雜物三維刻蝕技術，為夾雜物調控效果解析提供了強有效的支撐。15分鐘至30分鐘快速實現(xiàn)夾雜物原位三維暴露，真實呈現(xiàn)其空間形貌與分布狀態(tài)，成為鎂冶金研發(fā)中不可或缺的技術支撐。
實踐深耕，創(chuàng)新成果彰顯卓越實力
“潮平兩岸闊，風正一帆懸。”鎂彌散化冶金技術在國內10多家骨干鋼廠成功應用后，正成為中國鋼鐵企業(yè)高質量發(fā)展的新引擎，揚起奔赴未來的遠航風帆。
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，鎂彌散化冶金技術成功替代鈣處理工藝，效果顯著；項目原定實驗3個鋼種、30爐工業(yè)實驗，項目結項時，已在9Ni鋼、高強鋼、罐體鋼、耐磨鋼等10多個鋼種大規(guī)模推廣，僅管線鋼就累計生產突破2萬噸，出口至沙特阿拉伯等國家。2023年，該技術獲得南鋼優(yōu)秀專有技術獎；同年還獲得江蘇省新產品新工藝證書。”付建勛介紹。
在與寶鋼寬厚板的合作項目中，鎂彌散化冶金技術同樣展現(xiàn)出卓越成效。寶鋼股份2萬余噸產品數(shù)據(jù)顯示，低碳鋼全氧由21ppm降低至15ppm，在穩(wěn)定質量前提下，有效降低了昂貴的合金用量，節(jié)約生產成本。同時，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，接頭抗拉強度超過535兆帕，熔合線熱影響區(qū)零下40攝氏度沖擊功達210焦耳，硬度穩(wěn)定在135 HV5（維氏硬度）以上。該技術助力營口中板順利通過挪威船級社大線能量焊接認證。
在與包鋼重軌鋼的合作中，付建勛團隊將鎂的彌散效應與重軌生產技術融合，開發(fā)出鎂-稀土復合夾雜調控技術。在保障連鑄前提下，將硫化錳、氧化鋁幾乎全部轉化為近球狀復合夾雜物，1.5級以上大尺寸夾雜物顯著減少，夾雜物總量減少近一半，K法評級得到明顯改善，為重軌質量提供關鍵技術保障，鎂彌散化冶金技術也在無鋁脫氧鋼應用領域邁出重要一步。
與浙江青山、長城特鋼、申源特鋼的高合金鋼合作項目中，該技術控制了高合金鋼中液析碳化物的形成，顯著提升產品穩(wěn)定性。該技術還有效抑制高碳鉻不銹鋼中先共析鐵素體偏析導致的帶狀組織缺陷，使異常帶狀組織發(fā)生率從原先的20%降至不足1%，為高端不銹鋼產品質量插上了騰飛的“翅膀”。
前瞻布局，拓展多元應用產業(yè)藍圖
“長風破浪會有時，直掛云帆濟滄海。”隨著鋼鐵行業(yè)對產品性能與組織控制提出更高要求，付建勛堅信鎂彌散化冶金技術將在更廣闊領域大有可為。
鎂彌散化冶金技術在日本、韓國等國家已實現(xiàn)規(guī)模化工業(yè)應用，其以低成本、高效率、強適應性的優(yōu)勢，展現(xiàn)出強勁的競爭力。相比傳統(tǒng)技術路徑，鎂彌散化冶金技術無需增加額外設備，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。這個特性更讓鎂彌散化冶金技術如虎添翼。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間奔波在國內各鋼廠的生產實踐和技術交流中，每個鋼廠的工藝路線、控制參數(shù)、產品質量、缺陷原因，都了然于胸。目前，付建勛團隊正與湘鋼、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量，提高其成材率。
截至目前，付建勛團隊鎂冶金領域獲發(fā)明專利及軟件著作權22項，發(fā)表學術論文100多篇，為鋼中組織及夾雜物調控提供一套高效方案，也為高性能鋼鐵材料開發(fā)提供一個低成本工藝選擇。放眼未來，鎂彌散化冶金技術“朋友圈”正在不斷拓展。該團隊已在寶武高金、張宣高科、黑龍江建龍鋼鐵開展實驗工作，正與越南河靜鋼廠商洽技術輸出。
從靈感乍現(xiàn)到實驗室探索，再到工業(yè)化應用的全面落地，付建勛團隊用智慧與堅守，點燃了鎂冶金的創(chuàng)新火種。這把火，正在以燎原之勢，照亮中國鋼鐵工業(yè)的轉型升級之路，也為實現(xiàn)鋼鐵行業(yè)的高質量發(fā)展注入了持續(xù)而強大的技術動力。
