一、研究的背景与问题

随着“中国制造2025”的全面实施，以汽车、新能源、工程机械、国防军工、核工业为代表的高端制造业迎来了快速发展，传统钢铁材料面临着巨大的挑战和机遇。

非金属夹杂物是导致钢铁材料缺陷最直接的诱因，夹杂物已经严重影响了高端钢铁材料的服役寿命。随着钢水洁净度的不断提高，钢中夹杂物含量越来越低，因此，人们从过去单一追求夹杂物的极限去除，逐渐转变为减少钢中有害的大尺寸夹杂物数量并促进小尺寸夹杂物的形成，最大程度地发挥夹杂物的有益作用。在此背景下，镁处理技术应运而生。

图1 钢中非金属夹杂物控制技术发展

国内外研究人员很早就认识到镁在钢中的良好作用。钢液加镁具有四个方面的优势：① 深度净化钢液。铝脱氧加镁进行二次处理可以将溶解氧含量降低至极低水平（3ppm以下）；② 镁能在钢中形成细小、弥散的夹杂物，减少对钢性能的危害；③ 镁、钛复合处理能显著细化钢的凝固组织，提高等轴晶率；④ 细小的含镁复合夹杂物在高温下非常稳定，可以很好地发挥对组织和性能的调控效果（氧化物冶金）。尽管如此，钢液镁处理技术未能大规模推广应用，主要受制于以下难题：纯镁活性极强，加入高温钢液易挥发，吸收率极低；镁的蒸气压比钙高一个数量级，纯镁加入钢液容易引发喷溅等安全事故；镁对钢中夹杂物的改性机理尚不明确，无法为新产品开发提供足够的理论指导。

为此，开发具有自主知识产权的钢液镁处理新技术，探究镁在洁净钢中的作用机制，实现高效、洁净、低成本化洁净钢生产，大幅提升产品的附加值，为我国洁净钢生产的绿色、可持续化发展提供技术支撑，具有重大的现实意义。

二、解决问题的总体思路与技术方案

为了攻克钢液镁处理技术工程化应用瓶颈，上海梅山钢铁公司联合苏州大学等国内高校、企业组成了联合研发团队进行了重点攻关。项目组坚持问题导向、目标导向、结果导向，不断优化实验途径，调整研究思路，聚焦重点和难点，统一思想，集中攻关。提出了如下研发思路，重点解决三个核心问题：提高镁收率、强化夹杂物改性效果、推动镁处理规模化应用。以开发镁合金包芯线和优化镁加入工艺为工作基础，以变质氧化铝、细化TiN、改性MnS为研究核心，选择高端车轮钢、包晶钢、含硫非调质钢等钢种进行工业化试验，取得了良好的试验效果。

经过持续多年的研究与攻关，项目组深入探究了镁处理洁净钢中关键核心问题，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；系统集成了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。

项目主要技术路线如图2所示。

图2 项目技术路线图

三、主要创新性成果

1、成功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，镁的收得率达30%，可满足大多数钢种对夹杂物控制的个性化需求。

研发团队借鉴了喷射冶金和金属钝化原理，通过反复试验，利用中频感应炉成功制备了系列预熔型镁合金，成功研发了炼钢专用缓释型镁合金包芯线，满足不同钢种对夹杂物改性的个性化需求（包括镁铝系、镁硅系、镁钙系）。该系列镁合金包芯线主要技术特点和优势为：①系统优化了芯粉成分、比重等关键参数，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，不会对钢液产生二次污染。此外，开发的预熔型镁合金线与纯钙线价格相当，不会增加处理成本，消除了钢企对成本的顾虑。

根据各钢厂的产线条件和冶炼工艺参数，项目组利用数值模拟与仿真技术优化了钢包喂线工艺，得到了不同钢包最佳的镁处理工艺参数，包括喂线时机、喂线量、喂线位置、喂线速度、后处理模式等，并分别在梅钢、莱钢进行了大量工业化试验。图3为钢液喂镁线工业试验现场效果，其中，图3a为梅钢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3b为莱钢100吨钢包喂镁线过程，试验钢种为高碳合金钢，工艺流程为：EAF→LF→VD→大圆坯连铸，VD破真空后喂入镁合金线。

图3 钢包喂镁线工业试验

工业试验表明：喂线过程反应平稳，钢水无喷溅和大翻现象，金属镁的平均收得率达30%，达到目前应用最广泛的钙处理收得率的最高水平。从效果上看，镁处理对钢中夹杂物控制更优，合金消耗更少，处理成本也更低。

2、明确了镁对钢中不同夹杂物类型的改性机理，提出了钢中夹杂物细化新机制，系统解决了钢中Al₂O₃团聚、TiN尺寸粗化、MnS控制等行业性难题，为夹杂物控制提供了新的解决方案。

钢中Al₂O₃团簇是连铸浸入式水口结瘤的主要原因，也是影响钢表面质量的重要因素（如IF钢和冷轧不锈钢等）。项目组系统测定了不同钢液组分与Al₂O₃、MgO、MgO·Al₂O₃、TiN基板的高温接触角，利用界面张力理论、碰撞聚合理论解释了钢中夹杂物聚并的内在机理，阐明了夹杂物团聚与固—液界面张力之间的定量关系，利用高温激光共聚焦扫描显微镜（CSLM）验证了尖晶石、氧化镁不易聚合的结论。以此为基础，利用镁处理将簇群状Al₂O₃改性为尺寸细小、分布弥散的尖晶石，能有效降低Al₂O₃夹杂对钢性能的危害（结果见图4）。

根据错配度理论计算得到MgO、MgAl₂O₄与TiN的晶格错配度为0.068%和5.02%，因此，MgO和MgAl₂O₄可以作为TiN的形核核心，促进TiN外延生长；TiN与δ-Fe之间的晶格错配度为4.41%，TiN又可以作为δ-Fe的异质形核核心。这种依赖镁、钛夹杂物促进第二相和高温组织形核的思想，即本项目首创的“镁—钛协同处理夹杂物控制技术”。项目组通过工业试验证实了细小弥散的尖晶石或MgO的确能能改变TiN的数量和分布（见图4所示，微米级TiN尺寸减小、纳米级TiN数量增加），解决了常规冷速下TiN尺寸粗化的行业性难题，为改善铸坯高温热塑性和凝固组织奠定了良好基础。

图4 镁处理对氧化铝、MnS和TiN的改性效果

硫在钢中是易偏析元素，冷却过程中硫会在晶界富集，形成Ⅱ类MnS是导致钢性能降低的主要原因。研发团队以非均相形核理论为基础，兼顾夹杂物改性和钢水可浇性，提出镁钙复合处理新技术，在高温钢液形成大量尺寸细小的氧化物质点，使其作为凝固过程MnS的形核核心（见图4所示），减少了硫在晶界的偏聚倾向，解决了中高硫钢MnS抗变形能力差的难题，提高了钢的热加工性和横向冲击性能。

3、在工业生产中应用镁处理新技术，成功解决了高端车轮钢、含钛包晶钢、热作模具钢、含硫非调质钢等典型质量问题，部分指标达到了国际领先水平，实现了绿色、高效洁净钢生产。

传统钙处理工艺下，车轮钢主要夹杂物为Ca-Al-O+(Ca,Mn)S，占比超过95%，尺寸在2~4μm之间；采用镁处理后，夹杂物转变为MgAl₂O₄+MnS，内核尺寸多小于1μm，占比超过80%（见图5所示）。镁处理钢中夹杂物尺寸减小，但数量更多。与传统钙处理工艺相比，镁处理车轮钢轧材屈服强度和抗拉强度均有明显提升，疲劳曲线显示，在相同应力幅值条件下镁处理钢的疲劳寿命明显更高。疲劳寿命的提升，得益于钢中夹杂物形态和尺寸的变化。

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。项目组利用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。对比可知，采用镁处理新技术后，在无外界强制冷却条件下，铸坯第Ⅲ脆性区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 )工艺技术水平。钙处理工艺下，拉伸断口为典型的沿晶断裂；镁处理新工艺下，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。

图6 镁处理含钛包晶钢高温热塑性对比

提高等轴晶率是连铸坯质量控制的重要方向。基于镁—钛复合处理夹杂物协同控制理论，项目组开发了镁处理改善铁素体不锈钢等轴晶率新技术。基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颗粒诱导凝固过程铁素体形核，形成大量等轴晶，其机理如图7所示。T_a为实际温度分布，T_L为平衡液相线温度曲线，在凝固界面前液相内T_a与T_L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。通过感应炉中试试验，不借助电磁搅拌的情况下，镁处理铁素体不锈钢铸锭等轴晶比例增加，晶粒得到了显著细化。

图7 镁处理铁素体不锈钢等轴晶率形成机理及铸锭宏观组织对比

四、应用情况与效果

本项目于2017年率先上海梅山钢铁股份有限公司得到应用，并于2018年开始在宝山钢铁股份有限公司、山东钢铁股份有限公司等企业推广。

工业试验表明：采用镁处理新技术后，宝武梅钢生产的高端车轮钢T.O稳定在15ppm以下，轧材高周疲劳寿命超过100万次以上，达到了国际先进水平。与传统钙处理工艺相比，采用镁处理新技术后，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，降低了现场劳动强度的同时，实现了铸坯的热装、热送，极大地降低了能源消耗。在无电磁搅拌情况下，采用镁处理技术后，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%。

山钢股份莱芜分公司采用镁处理技术后，生产的高端模具钢T.O稳定在12ppm以下，铸坯中心裂纹改善，钢的冲击功提高了近1倍，达到德国、瑞典等国际同类先进产品水平。镁处理含硫非调质钢连浇炉数提高至12炉以上，长宽比<3的硫化物比例从17.4%提高至35.8%，钢的横向冲击功提高了25%。

2018-2020年，镁处理新技术应用共计新增产值2.9亿元，新增利税1.85亿元，增收（节支）0.86亿元。目前，基于镁处理新新技术生产的高端车轮钢、含钛包晶钢、H13热作模具钢、含硫非调制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，受到用户的良好评价。

本成果在研发过程中，共授权发明专利9件，申请发明专利14件，实用新型专利2件、软件著作权登记1件，编写著作2部，培养博士、硕士研究生8人。此外，项目实现了全方位、多层次的产学研用合作，提升了现场工程技术人员的工艺理论水平，为炼钢技术的进一步发展奠定了坚实基础。

2019年11月，中国金属学会在北京组织召开“镁处理洁净钢新产品开发与技术集成”项目成果评价会，评价专家一致认为，钢液镁处理技术具有明显的创新性，项目整体指标达到了国际先进水平。本成果还入选了2021年度中国金属学会科技新进展，2021年8月，正式被授予中国钢铁工业协会、中国金属学会冶金科技进步一等奖（冶奖[2021]1号）。

镁处理技术成熟、成本低、夹杂物改性效果良好，在国内钢铁企业具有极高的推广和应用价值。在当前洁净钢生产背景下，镁处理新技术可与钙处理相互补充，为我国洁净钢生产的绿色、可持续化提供基础支撑。

信息来源：上海梅山钢铁股份有限公司