钢铁行业面临着日益严峻的资源、市场、环保、竞争等重大挑战，迫切需要加快实施转型升级和提质增效。行业普遍面临的重大考验包括：（1）钢铁需求减少，钢铁总体产能过剩；（2）环保压力日益增大；（3）企业间同质化竞争日趋激烈。装备大型化、流程高效化日益成为钢铁工业的发展趋势。 除日韩等少数先进企业采用高效生产外，采用“转炉-RH精炼-板坯连铸”工艺生产低碳、超低碳钢的大部分钢铁企业普遍存在如下问题：（1）连铸拉速普遍较低；（2）转炉和精炼工艺效率不高；（3）转炉出钢温度高；（4）浇铸过程水口易堵塞制约连浇炉数提高。首钢京唐公司致力于建设高效、优质板材生产基地。在项目开展前，也面临着国内外板材生产企业的行业难题：超低碳钢连铸拉速低于1.7m/min；转炉和RH冶炼周期分别为43min和50min，转炉出钢温度1687℃，浇铸超低碳钢4炉更换一次SEN，浇铸后期水口堵塞严重。 从2012年开始，首钢与北京科技大学合作，自主研发了"炼钢全流程高效生产技术"系列项目，创新点如下： （1）创新集成了板坯高拉速连铸技术，开发了结晶器强冷却、无锂高拉速保护渣与高拉速结晶器流场控制技术，解决了高速连铸拉漏和结晶器卷渣两大技术难题，建成了智能浇注平台，常规厚度板坯最大连铸拉速达到2.5 m/min，突破铸机设计最高拉速。 （2）开发了大型转炉强供氧技术、RH高效耦合脱碳技术，300吨转炉冶炼周期从43 min大幅度降至35 min、超低碳钢RH真空处理时间大幅度降低至20 min。超低碳钢转炉出毕至开浇时间降至70 min之内，结合全流程温度管控技术，转炉出钢温度降至1647℃，年产能从900万吨提高至1100万吨。 （3）开发快节奏条件下浸入式水口无粘附技术：通过转炉终点氧含量精准控制、全流程钢-渣反应控制、夹杂物快速去除、中包吹氩密封及浸入式水口防堵技术的开发，超低碳钢中间包钢水平均全氧含量达0.0015%，300t钢包连浇7炉不更换浸入式水口，浇铸结束后水口无堵塞率达90%以上。 （4）从生产组织、过程管理、精细管理三个方面集成了全流程智能化管控系统，解决了复杂品种、规格条件下的组织排产，提高了钢包周转效率，周期缩短22min，每台铸机钢包数量降至4个，实现铁钢界面、钢轧界面和生产过程信息全面感知、智能决策、精准执行，稳定支撑了炼钢全流程高效专线化生产。

本项目属于钢铁冶金学科中的炼钢、连铸技术领域。 按照国家可持续发展的战略要求及集团的整体布局，将承德建龙打造成全球能源用钢的引领者，成立《高品质连铸大圆坯生产关键技术及高端产品研发》项目组，通过不断的技术创新，产品综合质量水平大幅提升，客户档次不断升级，品种结构大幅改善，在相关细分高端用钢领域成为主要的供应商。已为维斯塔斯、西门子、斯伦贝谢、瓦卢瑞克、南高齿、天津钢管等国际国内一流公司稳定供货并形成战略合作。近三年共生产连铸圆坯358万吨，其中φ350~600mm的高品质级别钢材大圆坯产品产量167万吨，圆坯市场占有率连续多年全国第一，取得了明显的经济及社会效益，吨钢盈利能力位居国内前列。 为了充分利用钒钛资源的综合效益优势，必须要攻克高磷、硫钒钛磁铁矿冶炼高洁净钢的技术难点，同时解决连铸大圆坯纯净度、偏析和中心裂纹等问题，满足高端客户对质量的需求，项目主要内容及特点如下： （1）采用“钒渣低钙提钒”、“半钢水KR脱硫”、“半钢补热”等关键技术，达到脱硫后半钢水硫含量≤0.005%，转炉终点磷含量≤0.003%；同时开发了提钒转炉长寿命技术、转炉氧氮气体混吹提钒技术，实现了钒、铬资源的高效利用。 （2）开发了不同品种的专用精炼渣系、钢中低Ti、低Ca控制技术、钢包水口控制吹氩+中包气氛保护+整体水口浇注的连铸保护浇注系统集成技术，结合多孔水口创新设计，实现风电偏航变桨轴承钢、石油阀体钢非金属夹杂物D类、Ds类≤1.0级，耐腐蚀抗硫管线钢非金属夹杂物A类≤0.5级、B类≤1.0级。 （3）开发了“结晶器、末端电磁搅拌+连铸坯超缓冷处理”集成技术，实现了风电轴承、石油阀体等中碳铬钼钢连铸坯横截面碳极差≤0.045%。 （4）开发了高纯净、抗硫化氢腐蚀管线钢；国内首家生产出满足API新标准（API SPECIFICATION 6A-2018, 21st EDITION）的高端石油阀体用连铸圆坯，实现稳定供货，替代了传统钢锭和电渣锭；实现了风电法兰S355NL钢屈服强度≥345MPa（锻件厚度≥150mm），-50℃冲击韧性≥120J；风电轴承达到了使用寿命≥30年所需的国际先进质量指标。 近三年新增产值621455万元，利税246014万元。获批专利16件，其中发明专利9件，发表论文16篇，参与制定石油阀体团体标准1项。

钢水洁净度和可浇性对钢的质量和材料性能有重大影响，是国内外冶金界重点研究课题，是炼钢工艺控制的重点和难点。吹氩是国内外提高钢水洁净度和可浇性常用的炉外精炼手段，LF、RH、VOD、VD等以钢包为基本容器的炉外精炼技术得到长足的发展，以中间包为基本容器的吹氩冶金技术的应用效果不理想，亟待突破。 目前国内外连铸中间包吹氩技术主要有透气上水口吹氩、塞棒吹氩和条形气幕挡墙吹氩。项目立项研发时，因钢水洁净度和可浇性差造成的连铸机浇注超低碳铝镇静钢的水口结瘤及其引发的铸坯质量缺陷，是国际冶金共性技术难题，国内外普遍采用透气上水口吹氩和塞棒吹氩，存在的主要问题：如图1所示，随着透气上水口的透气面黏附和沉积夹杂物，抑制水口结瘤的作用逐步失效，导致连铸机被迫停浇、连浇炉数低，而塞棒吹氩形成的氩气泡被卷入钢流中，部分氩气泡进入结晶器中来不及上浮，易造成铸坯皮下气泡缺陷；

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。

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。