金属凝固过程热模拟技术属于物理模拟方法范畴，它以能够反映连铸坯、铸锭或铸件凝固过程与组织的最小单元（即“特征单元”）作为实验热模拟的关键要素，离线再现特征单元在实际生产条件下凝固的基本条件，形成了基于特征单元的以点见面的金属凝固过程热模拟原创技术。该技术成功地将生产条件下数吨重铸件、数十吨连铸坯以及数百吨铸锭的凝固过程“浓缩”到实验室，用数百克（铸件和连铸坯）和数十千克（大型铸锭）金属进行研究。基于特征单元热相似原理，开发出连铸坯、大铸锭、双辊薄带和热裂纹等一系列生产条件下金属凝固过程热模拟实验装置，为认识生产条件下金属凝固过程的基础科学问题提供了原创性实验手段。

钢液加镁可以生成尺寸细小、分布弥散的尖晶石，尖晶石常被MnS-MgS包裹，具有一定的变形能力，从而改善了钢的性能。钢中加镁还能促进Ⅱ类硫化物转变为Ⅲ类硫化物。但金属镁比重轻，极其活泼，且蒸气压极高，加入钢液非常困难，制约了镁在钢中的大规模应用。此外，镁在不同钢种的作用机理还不明确，对某些特殊钢种（如轴承钢、硅钢等），钢液加镁的风险尚未系统评估。苏州大学与宝钢股份合作实施了“镁洁净钢新产品开发与技术集成”项目。其技术原理是：开发炼钢用镁合金包芯线，实现了镁向钢中高效、安全、稳定加入；开发适合梅钢炼钢产线的钢液镁处理新工艺和新品种；开发镁-钛协同夹杂物控制新技术，改善钢的凝固组织；开发以镁部分代替Nb、Ti、Mn的新方法，降低生产成本；形成钢液镁处理新技术集成，并实现工业化稳定应用。项目实现了如下目标： 1）乘用车车轮钢平均氧含量从18ppm降低至12ppm，夹杂物尺寸细小、分布弥散，车轮钢高周疲劳寿命从106增加至107；同类钢种的疲劳寿命在国内钢企中处于领先水平； 2）镁处理后，低碳微合金钢中Nb可以降低0.01%，Mn可以降低0.1%，吨钢降低成本10元以上； 3）镁处理后，含钛包晶钢的高温热塑性（700-900℃内断面收缩率）从20%提高到60%以上，包晶钢板坯角部质量显著改善。钢的高温热塑性接近新日铁-住金SSC技术获得的高温热塑性值（断面收缩率超过60%）； 4）镁处理后，430铁素体不锈钢等轴晶比例由37%提高到89%，443铁素体不锈钢等轴晶比例高达100%。比较新日铁生产的430不锈钢平均等轴晶率仅为60%。 该成果已经在上海梅山钢铁股份有限公司工业化应用，共涉及两大类钢种，共生产新产品73.77万吨。采用新技术后，低碳微合金钢力学性能显著提升，降低了合金成本；含钛包晶钢板坯质量显著改善，成品热卷废次降降低减少的质量损失。板坯角部裂纹减少，基本取消下线和清理，实现板坯热送，减少了能源消耗。新技术应用产生的直接经济效益6920万元/年，之前因夹杂物控制不稳定引起的乘用车车轮钢用户质量异议基本消除，困扰含钛包晶钢板坯裂纹缺陷的问题也基本得到解决，梅钢产品质量获得用户的极高评价。项目申请国家发明专利14项（授权3项），发表论文11篇。新技术还将在高强钢、管线钢、汽车板钢、不锈钢上推广应用，具有极好的应用前景，是洁净钢生产中一项重要的创新性成果。

本成果针对铁路高速化和重载化发展背景下带来的安全化和长寿化问题，开发了高速和重载钢轨用钢洁净化、均质化和细晶化相关冶金关键技术，为高速轨和重载轨性能提升和安全性提供保障。主要创新点为： （1）基于硅铁和硅钙钡合金中铝和钙元素的洁净度水平，开发了硅钙钡-硅铁合金精准化高效复合脱氧技术，将高速轨和重载轨用钢中总氧含量降低至6.1 ppm的领先水平，显著提升钢轨洁净度。 （2）开发了高洁净钢轨钢中非金属夹杂物精准成分控制技术，突破性提出了非金属夹杂物半液态化的精准成分控制策略，并通过精炼渣和合金成分的协同控制、钢包软吹过程强吹氩搅拌，实现了钢液中大颗粒低熔点非金属夹杂物的有效上浮去除，将大尺寸非金属夹杂物引起的钢轨探伤不合格率降低至0.1%。 （3）开发了大方坯结晶器弱电磁搅拌和末端轻压下协同均质化技术，打破了结晶器强电磁搅拌改善连铸坯元素偏析的传统认识，解决了高速轨和重载轨用钢的大方坯中心偏析和1/4偏析的关键难题，钢轨偏析率降低至1.03%。 （4）开发了高均匀钢轨钢连铸坯控温缓冷技术，首次构建钢轨用钢连铸坯控温缓冷平台，将钢中氢元素的大幅度极限脱除至0.6ppm，有效防止氢致缺陷的产生。 （5）开发了稀土处理钢轨钢性能提升集成关键技术，采用稀土铁合金的稀土加入工艺提升了稀土收得率，显著细化非金属夹杂物尺寸和凝固组织，提升钢轨的综合性能，实现了稀土钢轨的规模化生产。 该成果出版学术专著4部，已获授权专利14项，发表学术论文47篇。该成果实现了包钢高速钢轨和重载钢轨的洁净化和均质化生产，促进了我国铁路钢轨的安全化和长寿化发展，产品广泛应用于“京雄高铁”为代表的高速铁路和“大秦线”为代表的重载铁路，经济效益和社会效益巨大，具有良好的应用前景。

随着城市地下交通的发展，国内对盾构机的需求量逐渐增加。作为大国重器的重要零件，高品质滚刀刀圈的国产化迫在眉睫。在服役状态下，滚刀刀圈处于复杂的地质环境中，与岩体直接接触，在纵向推力作用下，通过刀圈的碾压作用开挖岩石。通常情况下，因刀具损坏而造成的停机时间占总施工时间的16.3%，刀具费用占掘进成本的1/3。 频繁的换刀也严重地影响了施工进度，为减少停机换刀次数，降低刀圈损耗，有必要开发出综合性能更好的滚刀刀圈。这就要求钢中超低氧含量，较低的非金属夹杂物含量以及较小的夹杂物尺寸，致密的凝固组织。 在此背景下，北京科技大学和山东天物成型科技股份有限公司合作开发高品质盾构滚刀近终成形刀圈，从有衬电渣炉冶炼高效脱氧、钢液夹杂物精准控制、滚刀近终成形生产流程集成管控、凝固组织致密性、产品耐磨性等方面开展联合攻关，最终开发了高品质盾构滚刀的近终成形刀圈，保证了高品质盾构刀圈的低成本生产。

钢的均质化问题已成为质量提升的技术瓶颈，控制凝固过程是实现均质化的最重要环节。细化金属凝固组织是实现凝固均质化的最有效手段，许多有色金属可以通过化学法（变质处理、添加形核剂等）获得理想的凝固组织，但是钢铁材料一直缺乏便捷有效的细晶技术。 PMO-EMS组合调控高均质化矩形坯连铸技术根据脉冲磁致振荡（PMO）和电磁搅拌（EMS）技术特点，创新性提出综合利用PMO促进形核并形成结晶雨和EMS的搅拌作用，将PMO形成的结晶雨均匀分布于铸坯心部，从而大幅提高铸坯均质化效果及其稳定性。PMO-EMS组合调控高均质化矩形坯连铸技术处理的220×260矩形坯均质化水平显著优于未处理铸坯，GCr15轴承钢、20CrMnTi齿轮钢和ZTM-S2高碳工具钢等轴晶率均明显增加，铸坯中心碳偏析指数不高于1.04。PMO-EMS组合调控高均质化矩形坯连铸技术可应用于矩形坯、方坯和圆坯连铸，特别适用于品种多、批量小，且对质量要求高的特殊钢连铸坯的生产。对连铸坯凝固组织及宏观偏析有显著且稳定的改善效果，优于末端电磁搅拌和轻压下技术。该技术推广应用将极大地提高钢铁产品品质和竞争力，具有巨大价值。

金属材料凝固控制与加工成形一体化技术是金属材料加工的国际前沿技术，近年来，受到国际材料加工领域研究者的高度重视，在相关机理、工艺技术、装备、以及应用方面相继开展了大量工作并取得了重要进展。随着绿色化制造与节能减排推进，轻量化薄壁化是现代金属铸造成形的发展方向。然而，传统压铸生产的大型薄壁件缺陷多，性能差，尺寸精度低，难以满足应用需求。 本项成果发明了高效低成本铝合金均匀凝固控制新技术，结合压铸工艺生产出高性能大型薄壁件，铸件组织细小均匀、缺陷少、表面质量及性能好、尺寸精度高，产品在电子通讯、汽车和国防等领域得到大批量应用。其技术原理为：通过创新研制开发的铝合金均匀凝固控制系统，高效获得成分、凝固组织均匀的半固态流变浆料，直接通过大型压铸机和模具压铸成具有高性能、高表面质量、内部缺陷极低的高质量大型薄壁成形件。

本项成果发明了高效低成本铝合金均匀凝固控制新技术，结合压铸工艺生产出高性能大型薄壁件，铸件组织细小均匀、缺陷少、表面质量及性能好、尺寸精度高，产品在电子通讯、汽车和国防等领域得到大批量应用。其技术原理为：通过创新研制开发的铝合金均匀凝固控制系统，高效获得成分、凝固组织均匀的半固态流变浆料，直接通过大型压铸机和模具压铸成具有高性能、高表面质量、内部缺陷极低的高质量大型薄壁成形件。

国家自然科学基金委员会关于发布“十三五”第二批重大项目指南及申请注意事项的通告 国科金发计〔2017〕80号 　　重大项目面向科学前沿和国家经济、社会、科技发展及国家安全的重大需求中的重大科学问题，超前部署，开展多学科交叉研究和综合性研究，充分发挥支撑与引领作用，提升我国基础研究源头创新能力。 　　国家自然科学基金委员会（以下简称自然科学基金委）根据《国家自然科学基金“十三五”发展规划》优先发展领域和委党组战略部署，在深入研讨和广泛征求科学家意见的基础上，现发布“十三五”第二批39个重大项目指南（见附件），请申请人及依托单位按项目指南中所述的要求和注意事项提出申请。 申请注意事项 　　1.申请报送日期为2017年8月14日至18日16时。 　　2.申请书由自然科学基金委项目材料接收工作组负责接收，材料接收工作组联系方式如下： 　　通讯地址：北京市海淀区双清路83号自然科学基金委项目材料接收工作组（行政楼101房间） 　　邮　　编：100085 　　联系电话：010-62328591

北京科技大学张立峰教授团队建立开发的数值模拟方法和仿真技术可以准确地计算并预测钢精炼和连铸过程的工作状况，有利于钢洁净度和铸坯质量的精准控制。建立的模型适用于不同钢铁企业、不同钢种、不同生产流程、不同冶金设备。内容包括：钢包吹氩精炼模拟仿真、RH真空精炼模拟仿真、连铸中间包模拟仿真、连铸结晶器模拟仿真、连铸一冷数值计算、连铸二冷数值计算等。自主开发或升级了相关模型，部分模型包括气泡浮选夹杂物模型、夹杂物碰撞聚合模型、夹杂物凝固捕捉模型、结晶器一冷模型等。

　　一、科学目标 　　阐明电磁场影响金属材料凝固温度点变化本质和内在机制及其对金属材料形核影响规律；在深入认识和掌握热电磁力和热电磁对流生成机制及其对凝固组织和偏析影响机理的基础上，建立热、电、磁、力协同作用下凝固组织和偏析演变模型；提出电磁场与温度场等协同控制凝固组织和偏析，以及电磁场控制应力作用下固态相变制备织构材料等技术原理；为提高我国高品质金属材料的生产水平提供理论和技术基础。 　　二、研究内容 　　（一）电磁场下相变形核机理。 　　研究电磁场下合金材料的凝固过冷行为和电磁场对材料过冷度的影响规律；研究电磁场对界面能的影响规律和电磁场下微结构演化规律，建立合金界面能与电磁场强度间的关系；研究电磁场下液-固、固-固、气-固转变形核机制，建立电磁场下凝固结晶分子动力学模型。 　　（二）电磁场下冶金相变动力学。 　　研究电磁场作用下原子扩散规律，并揭示其微观机制和建立基本模型；研究电磁场作用下相变过程位错和晶界生成和运动行为，建立电磁场与位错运动等的关系；研究电磁场下冶金相变速率变化规律、晶体长大行为及形貌演变、溶质分布规律，建立电磁场下晶体生长基本模型。提出电磁场下凝固组织和偏析控制方法和原理。 　　（三）热、电、磁、应力协同作用下相变界面行为与组织形态演变规律。 　　研究热、电、磁协同作用下凝固多尺度流动与溶质传输规律，及其对凝固枝晶形态等的影响规律并建立相应模型；研究热、电、磁协同作用下两相区及凝固组织演化规律；建立凝固两相区、晶粒组织和偏析变化模型；研究电磁场和应力共同作用时固-固转变界面行为及组织演化规律并建立相应模型。提出电磁场控制金属材料组织的新技术原理。 　　三、申请注意事项 　　（一）申请书的附注说明选择“电磁场作用下的冶金相变机理” ，申请代码1选择E0418（以上选择不准确或未选择的项目申请不予受理）。 　　（二）申请人申请的直接费用预算不得超过1500万元/项（含1500万元/项）。 　　（三）本项目由工程与材料科学部负责受理。