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洁净钢冶金热力学与动力学计算平台

2021年03月08日 10:59 燕山大学 yyg/文

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一、研究的背景与问题

 钢铁工业是我国国民经济的重要基础产业和实现工业化的支柱产业。我国的粗钢产量从1990年的5153万吨提升至2019年的9.96亿吨,在我国正由钢铁大国向钢铁强国转变的进程中,对高品质钢提出了更加严格的要求,然而我国钢铁工业还存在着自主创新水平不高、产品稳定性不高、部分关键高品质钢材品种还需依赖进口等问题。高品质钢的制备要满足四个要求:洁净化、精准化、均质化、和细晶化。精准化主要是指冶炼过程窄窗口稳定控制,洁净化主要指钢中杂质元素和非金属夹杂物的控制,均质化主要是指元素的偏析以及各种析出相的均匀分布,细晶化主要是指钢的晶粒组织细化。其中,洁净化和精准化的影响工序贯穿钢铁生产的炼钢→精炼→连铸→轧制的全流程,在影响钢铁材料质量稳定和自主制备的"卡脖子"难题中,很多都是由钢铁材料洁净化和精准化引起的,因此,建立完善钢铁材料洁净化和精准化基础理论具有良好的国家战略意义和巨大国民经济效益。

 在洁净钢冶金过程中,冶金热力学能明确冶金反应的方向和极限,并在一定程度上指导冶金工艺;冶金反应动力学研究化学反应的微观机理、步骤和速度。先进的冶金热力学和动力学数据、理论和方法可以用于指导钢铁材料洁净化生产,促进钢铁材料洁净化水平的提升,保证钢铁材料质量稳定性的精准控制,解决高品质钢铁材料的卡脖子难题。在热力学方面,国内外老一辈研究学者已经开展了大量研究工作并出版了一系列经典热力学数据手册。随着现有热力学计算需要的元素含量、元素种类和反应温度的应用范围不断扩大,一些现有热力学参数结果仍存在争议,有必要对现有部分热力学进行补充与测定。在动力学方面,国内外研究热点主要集中在冶金过程多元复杂反应动力学耦合计算,仍需进一步深入完善。然而,到目前为止我国计算钢铁热力学和动力学所应用的计算软件工具全部来自国外,欧美国家对热力学和动力学软件的开发主要开始于欧美国家对冶金热力学和动力学软件的开发起源于1981-2001年,包括加拿大和德国FactSage热力学软件、瑞典Thermo-Calc 热力学软件、美国Pandat热力学软件、瑞典DICTRA动力学软件、英国JMatPro动力学软件等,实现了化学反应、相图计算、元素扩散、性能的有效计算,广泛应用材料、化工、冶金、矿业、化学等多个领域。可以说,欧美国家对冶金热力学和动力学软件的开发起源已经领先我国20~30年。

 此前,我国已经具备国际领先的钢铁冶金生产装备,然而国内一些关键钢材质量和稳定性与国外领先水平仍有较大差距,一些关键钢种还无法实现自主生产,其重要原因之一就是我国在冶金热力学和动力学软件开发领域与国际先进水平存在明显差距,主要存在如下局限性:

(1)我国到目前为止还没有一个具有自主知识产权的冶金相关热力学和动力学软件,开发一款属于中国冶金热力学和动力学计算软件已经非常急迫。

(2)我国在复杂冶金反应过程中热力学和动力学耦合计算方法方面研究较少,国外计算软件中包含了先进计算方法但不完全公开,制约了我国相关研究发展。

(3)我国没有建立完整的冶金反应器过程中相关热力学和动力学数据库,国外计算软件中整合了大量相关热力学和动力学数据,并通过多种方法对其进行优化选择,但是这些数据库都完全保密,且购买使用权价格昂贵,制约了我国相关研究发展。

(4)当前已有国外软件的热力学数据库部分参数仍存在争议,例如镁、钙和稀土等强脱氧合金元素,软件计算结果与实际试验结果存在一定的偏差,需要对其热力学数据进行补充和更新。

(5)当前已有国外软件应用领域范围太广,大多不是专门针对钢铁冶金领域,很多冶金反应过程缺少针对性、无法实现。因此,有必要开发一款具有我国自主知识产权的洁净钢冶金热力学和动力学相关计算软件平台,为我国钢铁材料的洁净化和精准化水平提升坚实基础。

 基于上述关键难题,张立峰教授团队经过近十年基础研究和技术开发,开发了一款具有我国自主知识产权的洁净钢冶金热力学和动力学相关计算软件平台,建立了完整的冶金反应器过程中相关热力学和动力学数据库,可以用于钢液成分、渣成分和夹杂物成分及尺寸变化的在线预报,为我国钢铁材料的洁净化和精准化水平提升坚实基础。该软件是国内第一套从基础理论起步能够用于洁净化控制的软件,符合目前的钢铁冶金材料基因组的方向。

二、解决问题的思路或技术原理

 洁净钢冶金热力学与动力学计算平台构建思路如图1所示,平台主要由热力学和动力学两个部分组成。热力学平台功能为计算冶金反应过程主要由输入钢液成分(包含钢液、合金和空气)、渣相(包含渣、夹杂物和耐火材料)成分和温度的初始条件。动力学平台功能为针对精炼、中间包和结晶器,通过输入成分、反应器尺寸和操作条件等冶炼参数,实现精炼和连铸过程中不同操作工艺条件下每一时刻钢液、夹杂物和精炼渣的有效预测。

 

图1 洁净钢冶金热力学与动力学计算平台构建思路

 热力学平台原理如图2所示。通过先后求解钢液相活度、求解渣相活度和求解热力学平衡,计算输出反应后钢液和渣相活度,可计算不同温度条件下化学平衡反应的转变,最终输出计算反应平衡后钢液和渣相成分。同时,构建洁净钢冶金反应热力学数据平台,根据目前文献中已有的对热力学计算结果及热力学数据的报道,基于神经网络算法,利用其自组织及自适应能力等特性,采用大数据及机器学习的思路,对现有数据进行挖掘。首先进行数据筛选,抽取需要的数据至数据仓库中后清理确实及异常的数据等,之后将筛选后的数据加载到数据仓库中,使得到的结果更具有代表性、得到的结果更加准确与真实。然后建立物理化学、数学等理论多元非线性映射模型,优化现有的热力学数据库,实现对不同钢液温度及成分下对化学反应的精准预测。

 

图2 洁净钢冶金反应热力学计算平台构建机理图

 动力学平台原理如图3所示。首先,对于精炼反应器,通过数学模拟仿真计算不同条件下的精炼反应器内钢液流动和反应速率的影响,计算不同搅拌和真空等操作条件下,精炼反应器内每一时刻的化学反应;其次,对于中间包反应器,通过模拟简化中间包化学反应器,建立开浇、换包和稳态浇铸条件下中间包内化学反应计算模型;再次,对于结晶器反应器,重点考虑凝固冷却和元素偏析对化学反应的影响,建立结晶器到铸坯的全连铸过程中三维空间分布内的化学反应。

 

图3 多元反应模型耦合计算示意图

三、主要创新性成果

1、完善了洁净钢冶炼反应热力学数据库,通过耦合缔合物的UIPF模型、共存理论和平衡常数法热力学计算方法,精准预测冶金反应过中渣-钢-夹杂物之间的热力学平衡反应

 本成果完善了钢液复合脱氧热力学(图4)。实际钢液中的合金元素不同其夹杂物的生成条件也不同,纯铁液中热力学计算结果很难指导实际生产过程钢液中的夹杂物控制。本成果完善了各种钢种的实际钢液中一元脱氧、多元脱氧下钢中的氧含量和夹杂物的生成条件,根据实际钢液中复杂的多元合金元素成分,对最终钢中非金属夹杂物的成分和种类实现有效预测。

 钙处理是改性钢中非金属夹杂物的有效手段,然而加钙量较少无法实现夹杂物的液态化容易导致水口结瘤,过多的加钙量容易导致钢中生成大尺寸夹杂物。本成果通过建立钢液在线钙处理模型(图5),突破钢铁企业传统经验化喂钙处理的操作方式,可根据不同的钢液成分、温度和控制目标精准预测最优加钙量。

 冶金反应过程中存在着渣-钢-夹杂物的复杂反应,本成果建立渣-钢-夹杂物平衡反应热力学模型(图5),可以预测不同精炼渣成分对钢液成分、脱硫、夹杂物成分、夹杂物熔点、耐火材料侵蚀的综合影响,可以快速实现不同钢种最优精炼渣的有效设计。成果应用于指导轴承钢、弹簧钢、齿轮钢、帘线钢、重轨钢、易切削钢、电工钢、不锈钢等多个钢种中的夹杂物控制,有效提升钢水洁净度。

 

图4 纯铁液和实际钢液铝钙复合脱氧夹杂物生成热力学计算

图5 自主编程热力学计算的精准钙处理和渣精炼结果

2、建立了"夹杂物-钢-渣-合金-耐材-空气"冶金反应动力学耦合计算模型,解决了冶金过程多元复杂反应预测的难题,实现了每一时刻钢液成分和夹杂物成分的精准化过程控制

 冶金反应器内存在着渣、钢、夹杂物、合金、耐材、空气等之间的复杂化学反应,各个反应"耦合"发生且相互影响。本成果根据动力学理论结合多元反应耦合计算方法,建立了"夹杂物-钢-渣-合金-耐材-空气"多元体系下冶金反应动力学耦合计算模型,考虑了各个相之间的界面反应的种类和速率常数,解决了冶金过程多元复杂反应预测的难题,目前该模型应用于转炉出钢的脱氧合金化混匀过程、钢包精炼的渣钢反应过程、钢液钙处理改性过程、耐材侵蚀过程、钢包镇定过程、以及连铸的稳态浇铸和非稳态浇铸过程,对不同时刻的钢液和夹杂物化学成分的瞬态变化进行有效预报,如图6。有助于实现对高品质钢中非金属夹杂物的在线精准智能控制,对提升我国高品质钢质量稳定性提升和智能制造水平具有重要意义。

 

图6夹杂物-钢-渣-合金-耐材-空气"多元体系反应耦合计算模型典型计算结果

3、提出连铸和热处理过程热力学-动力学-凝固传热耦合计算方法,实现了连铸坯中非金属夹杂物三维空间分布的有效预报,为钢产品中夹杂物的控制提供定制化操作

 此前非金属夹杂物相关研究主要集中在钢液中夹杂物的形成、改性和去除,然而对钢液凝固、冷却和加热过程夹杂物的转变行为及其机理鲜有报道。本成果揭示了凝固、冷却和热处理过程不锈钢、管线钢、轴承钢、帘线钢、重轨钢等钢种钢中非金属夹杂物的转变行为,完善了钢凝固、冷却和热处理过程温度变化固态钢中夹杂物的生成热力学,为最终能固体钢产品中非金属夹杂物的成分控制提供新思路。本成果提出了连铸和热处理过程热力学-动力学-凝固传热进行耦合计算方法,根据现场钢液成分、连铸坯尺寸、拉速、冷却条件等工艺参数,首次实现了连铸坯中夹杂物成分三维分布的有效预报,填补了国内外该领域的理论空白,如图7。模型根据钢产品质量和性能要求,优化设计连铸和热处理操作,为连铸和热处理中非金属夹杂物的控制提供定制化控制方略。

 

图7模型预报的连铸全凝固过程铸坯中非金属夹杂物的成分三维分布

四、应用情况与效果

 通过本成果的应用洁净钢冶金热力学与动力学基础理论应用,解决高品质钢中夹杂物关键难题。本成果软件适用于钢铁企业炼钢工序的所有钢种实践,在不增加新型精炼设备的情况下,显著提升高品质钢的洁净化和精准化水平,解决了多项高品质钢生产的世界性难题,显著提升了钢产品质量及其稳定性,开发了一批以前不能生产的"卡脖子"钢种,具有重要国家战略意义和巨大经济价值。安全高铁轨道用钢应用于北京-雄安高铁"国家大计"建设,长寿重载钢轨用钢应用于中国重载第一线"大秦铁路"建设,高表面质量不锈钢成功供货iPhone、华为等表面质量要求极高的手机Logo制造,高牌号电工钢应用于三峡白鹤滩水电站建设,免扒皮汽车钢板应用于高端汽车钢制造,超洁净轴承钢应用于飞机等发动机关键轴承制造,耐疲劳弹簧钢应用于汽车发动机气门弹簧,高性能齿轮钢应用于精密仪器制造用齿轮,切割丝用钢应用于太阳能硅片φ60-200 μm切割丝,如图8所示。

 

图8 实现一批先进制造用"卡脖子"关键钢种的稳定生产

 该成果广泛应用于宝钢不锈、宝钢梅钢、宝钢德盛、宝钢八钢、武钢昆钢、首钢京唐、首钢迁钢、首钢智新、首钢水钢、鞍钢、河钢邯钢、河钢石钢、河钢宣钢、河钢唐钢、南钢、太钢、青岛特钢、中天钢铁、包钢、攀钢、三钢、凌源钢铁、唐山新宝泰、北海诚德、恒众冶金、黑龙江建龙、中石油、武安运丰等28个国内钢铁企业。企业分布面广、产量占比大。应用企业分布于中国东、南、西、北、中部,覆盖全国大部分区域,且包含全国产量排名靠前的多个钢铁企业,如宝武集团、河钢集团、鞍钢集团、首钢集团等,特别是包含京津冀地区和"一带一路"沿线省份。

 应用的钢种包括轴承钢、齿轮钢、帘线钢、弹簧钢、奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢、无取向电工钢、取向电工钢、重轨钢、IF钢、管线钢、汽车大梁钢、风电钢、硬线钢、冷镦钢、石油套管钢、马口铁、螺纹钢、碳素结构带钢等19个钢种系列的生产实践中。应用的高端钢种包含了中国制造业几大关键钢种,如精细不锈钢、取向硅钢、IF钢、高级别管线钢、高端轴承钢、帘线钢等,这些钢种与国家重大需求相适应。应用的常规钢种涉及如冷镦钢、Q195带钢、Q235钢等,这些钢种虽然附加值相对更低,但是产量大,覆盖面广,与国民经济以及生产生活密切相关。

(来源:燕山大学)

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