一、 研究的背景与问题
自上世纪末日本新日铁成功开发氧化物冶金技术以来，其第三代钛?镁复合技术的典型工程化应用，使镁冶金的技术优势得到国内外学者的广泛认可。镁具有优异的热力学及动力学优势，其脱氧产物细小弥散，既可作为异质形核点细化组织，又能作为钉扎质点，抑制奥氏体晶粒长大，还能协同调控氧化物、硫化物、碳化物、氮化物等析出相，是目前最具有应用潜力的夹杂物改质元素。
近30年来，国内也围绕镁氧化物冶金开展了大量理论与实验研究，形成了一批具有代表性的学术成果与专利技术，系统揭示了镁在炼钢过程中的作用机理与冶金效果，尤其在大线能量焊接用钢的氧化物冶金应用方面取得了丰硕进展。相关研究逐步形成了镁预处理与复合处理的技术路线，实现了镁处理技术的工业化应用验证。尽管镁氧化物冶金的技术优势已得到充分证实，但目前该技术普遍存在理论多、应用少；试点多、推广少的问题，镁处理技术仍未实现全流程稳定、规模化、标准化的工业推广，大量工艺模型与适配方案尚未形成，潜在技术价值未能充分发挥。
二、解决问题的思路与技术方案
1、系列含镁包芯线及喂线工艺的开发
镁冶金技术在工业化推广中，长期面临加镁反应剧烈、现场喷溅严重、镁收得率低且波动大等关键瓶颈，严重制约了工程化应用与规模化落地，也带来安全风险与成本压力。为破解上述行业共性难题，上海大学付建勋教授团队立足工业化实际需求，系统构建从源头到过程再到检测的全链条解决方案。
团队以缓和反应行为、稳定镁收得率、实现镁含量精准可控为核心目标，突破传统包芯线成分单一、喂线模式粗放的技术局限，围绕反应调控—过程优化—检测保障三大关键环节开展一体化设计：
基于热力学开展包芯线成分设计，结合工业试验优化芯粉配比，从源头抑制剧烈反应；针对反应瞬时性与传输距离问题，创新喂线制度；围绕钢液洁净度与收得率稳定性，配套优化渣系与软吹镇静工艺；同时通过光谱通道校准提升镁含量检测精度，最终形成专用包芯线设计制备—精准喂线—在线分析检测—渣系与软吹协同控制的成套技术路线，为实现镁冶金过程稳定、高效、可控提供了完整解决方案，有力支撑该项技术从实验室研究走向工业化大规模应用。
2、铝脱氧钢的镁弥散化冶金工艺的开发
针对传统钙处理工艺存在的成分窗口窄、调控难度大，导致夹杂物数量增多，钢液洁净度下降等问题。付建勋教授团队研发了铝脱氧钢镁弥散化冶金工艺，系统阐明了镁在钢液中的溶解与反应规律，揭示了MgO与Al2O3原位反应机制及MgAl2O4尖晶石形核长大机制，如图1所示。通过镁处理将Al2O3改质为细小弥散的 MgAl2O4（或 MgAl2O4+MgO），反应产物临界形核半径小，与钢液润湿角小，相互作用力弱，不易聚集长大，呈弥散分布状态，避免了水口结瘤，显著提升钢液洁净度。
图1 镁对钢中夹杂物改质机理
团队面向管线钢、船板钢、低温容器钢、高强结构板、车辆用钢、耐磨钢及高强工程机械用钢等多系列洁净钢开展镁弥散化冶金工艺的推广应用，完成镁合金包芯线设计、喂线工艺、活度氧、镇静时间及连铸过热度等关键参数优化，建立了全流程稳定调控方案，开发镁弥散化冶金工艺预测模型，实现镁的精准控制。在宝钢股份、南钢股份、华凌湘钢、营口中板工业生产中取得显著效果，产品的洁净度明显改善、低温冲击性能大幅提升，镁冶金技术获南钢优秀专有技术奖。
3、非铝脱氧钢镁-稀土复合弥散化技术开发
重轨钢夹杂物的控制水平是重轨钢最关键的评价指标，重轨钢严格禁铝，但重轨钢弱脱氧工艺叠加铁矿原料高硫因素导致的大尺寸硫化物和氧化铝（合金带入）问题成为包钢重轨钢品质进一步提升的核心技术瓶颈。
项目团队将镁冶金技术与包钢稀土优势相结合，设计二十多组冶炼方案，摸索稀土单独添加、镁单独添加、镁-稀土不同顺序不同量复合添加对重轨钢改质规律。高活性镁能快速生成微细弥散分布的镁氧化物作为异质形核点，既提高了钢液洁净度也避免形成大尺寸夹杂物对钢的危害。稀土添加则能球化夹杂物，优化其形貌，工业添加范围内生成MnS-MgO-Al2O3-CeO复合夹杂物一般是球形，有助于提高钢材抗疲劳性能。重轨钢镁和稀土协同调控规律如图2所示。通过镁与稀土协同作用解决夹杂物尺寸、洁净度和分布等多个问题。基于实验研究，结合重轨钢冶炼特点，确定适宜的重轨钢镁调控工艺和镁-稀土复合调控工艺。
图2 重轨钢镁和稀土协同调控规律
4、中高碳合金钢、模具钢的镁弥散化冶金技术开发
对中高碳合金钢、模具钢而言，共晶（液析）碳化物控制是制约产品质量的关键。团队基于原创夹杂物三维腐刻技术，利用碳化物与钢基体导电性差异，用电流选择性溶解钢基体组织，原位暴露碳化物的三维形貌及分布。项目团队针对中高碳合金钢、模具钢等各类钢种成分及基体组织的不同，实现了各类高合金钢中M23C6、M7C3、MC、M2C等液析碳化物的原位观察与分析，为高合金钢碳化物-凝固偏析状态-固态相变耦合机制研究提供核心表征手段，也为镁弥散化冶金效果的定性定量评价提供数据支撑。通过精准识别碳化物演变规律，反向优化镁处理工艺参数，实现夹杂物无害化改质与碳化物可控析出，显著提升中高碳合金钢的洁净度与组织均匀性，为高端合金钢的质量升级提供核心技术保障。图3为三维腐刻设备和原理，以及所获取的典型液析碳化物三维形貌。
图3 钢中碳化物的三维腐刻分析表征
三、主要创新性成果
1.镁冶金技术专用包芯线开发及镁包芯线喂线工艺优化
基于反应调控—过程优化—检测保障三大关键环节的开发思路，研究团队与包芯线厂商合作，自主设计了镁铝-铁、镁硅-铁、镁镍-铁等系列含镁包芯线成分体系，在镁铝、镁硅等中间合金基础上，通过添加适量的工业铁粉占比调控加镁反应的剧烈程度，反应剧烈、喷溅严重问题得到有效控制。团队还开发了间歇式喂线工艺及配套的软吹镇静工艺，进一步减少喷溅，确保连铸坯镁收得率高于30%；团队还提出六点校准镁光谱通道的方法，提供校正标样用于校准镁的光谱通道，实现镁含量的在线快检，为镁冶金技术大规模工业推广奠定基础。
2.铝脱氧钢的镁弥散化冶金工艺开发
对铝脱氧中厚板材，研究确定了获得稳定镁处理效果的脱氧、造渣、钢液氧活度、钢液镁含量的工艺参数范围，采用镁处理替代传统的铝脱氧钢钙处理工艺，大幅提升了钢材洁净度，细化了夹杂物，显著改善钢材的低温韧性和焊接性。工业化应用效果显著：
（1）南钢X80管线钢采用镁冶金工艺技术后，与钙处理相比，夹杂物面积分数降低 60% 以上，数密度降低一半，夹杂物改质调控规律如图4所示。夹杂物1.0级合格率由89.5%提升至93.5%以上，-60℃平均低温冲击功由220J提高至330J以上，20℃DWTT剪切面积由85%提升至90%以上，焊接热影响区韧脆转变温度由-20℃降至-60℃以下，镁弥散化冶金工艺效果突出。镁冶金技术在南钢大范围推广至低温容器钢、高强结构板、车辆用钢、耐磨钢等品种，均取得显著的效果。其中，9Ni低温容器钢的探伤合格率提升至99.33%，-183℃的液氮冲击功平均提高20J，钢材均匀性Cpk值提升了0.83。镁弥散化冶金工艺在南钢实现规模化应用。
图4 X80管线钢夹杂物改质调控规律
（2）上海大学与营口中板公司开展镁弥散化冶金的实践，大量弥散分布的含镁复合夹杂，在焊接热循环过程中钉扎奥氏体晶界、抑制晶粒异常长大，显著提升大线能量焊接性能。产品通过多国船级社认证，夹杂物调控与组织细化效果显著。镁冶金技术在该厂成功推广至抗酸管线钢、低温容器钢、耐磨钢、高强钢、高强工程机械用钢等多个品种，相关中厚板产品成功出口至十余个国家和地区，成为国内最大的中厚板出口基地之一。
（3）宝钢股份（宝山基地）针对裂纹敏感性较强的船板钢、高强结构钢等宽厚板产品，采用镁冶金技术提升了铸坯中心等轴晶比例，细化了奥氏体晶粒尺寸。在稳定提升产品质量的同时，降低了贵重合金添加量，提高了生产经济效益。基于转炉吹炼制度、脱氧制度、氧活度、炉渣性质及镁添加量之间的耦合关系，建立了镁冶金工艺预测模型，为实现镁弥散化工艺的在线精准控制奠定了基础。
（4）基于特厚板的凝固特征，针对大尺寸夹杂、组织不均匀等难题，湖南华菱湘潭钢铁有限公司与上海大学付建勋教授团队开展合作，优化了成分体系与镁处理工艺方案，夹杂物面积分数降低 30%~50%，产品洁净度与均匀性显著提升。
3.非铝脱氧钢镁-稀土复合弥散化工艺开发及应用
针对重轨类硅锰脱氧钢，开发了镁弥散化、镁-稀土复合弥散化夹杂物调控工艺。在工业生产过程中，项目团队确定LF末期添加稀土，真空后再进行镁改质的工艺路线。稀土和镁复合添加后单独的硫化锰、氧化铝夹杂物几乎完全消失，重轨夹杂物长宽比改善效果显著，大尺寸夹杂物数量减少且主要为球形复合夹杂，重轨钢K法评级明显改善，钢材耐磨性和抗疲劳性得到提升。该工艺重轨经铁科院13套指标全方位检测，完全满足标准，镁弥散化冶金工艺及镁-稀土复合调控工艺为包钢重轨钢下一代夹杂物调控技术的制定奠定坚实的基础。
4.中高碳合金钢、模具钢的镁弥散化冶金工艺开发及应用
团队利用镁处理技术对中高碳合金钢中的夹杂物及碳化物进行调控，将铝脱氧产物改质为不易聚集长大的细小氧化物，诱导钢基体异质形核，细化凝固组织，镁原子在固液界面降低晶面表面能，使得固相沿各晶向生长速率一致，促进等轴晶形成，并作为碳化物形核质点抑制液析碳化物的长大。同时，镁原子还会向晶界或相界偏聚，降低碳和合金元素扩散速率，抑制碳化物的粗话，促进球化。与传统工艺相比，镁改质的21-4N气阀钢基本消除共晶碳化物，晶粒度也显著细化，如图5所示。
针对高碳铬不锈钢、中碳非调质/调质钢易出现仿晶界铁素体、带状组织、裂纹等问题。团队对95Cr18高碳轴承钢实施镁弥散化冶金工艺，利用镁脱氧产物调控碳氮化物的析出，进而抑制仿晶界铁素体形成，最终95Cr18带状组织缺陷几乎完全消除。
图5 镁对中高碳合金钢夹杂物及碳化物调控
此外，利用镁脱氧生成的MgAl2O4、MgO与TiN、NbCN的低晶格错配度，作为后者的析出过程有效形核质点，弥散化TiN和NbCN，抑制其聚集长大，基本消除钢中聚集状或大尺寸TiN和NbCN。宝钢46MnVNbS5含铌非调质钢添加15ppm微量镁后，大尺寸NbCN和MnS耦合析出现象得到抑制，有效降低了连铸坯角部裂纹的发生几率。镁对大尺寸TiN的调控作用如图6所示。
图6 镁对大尺寸TiN弥散化调控
四、应用情况与效果
2010–2013年，付建勋教授在台湾成功大学工作期间，主持台湾中钢《镁氧化物冶金理论与实验研究》项目，开展船板钢镁冶金应用探索，揭示镁的晶粒细化机制与大线能量焊接控制规律，获日本、中国台湾、中国大陆发明专利，撰写学术专著《钢铁冶炼之二次冶炼与氧化物冶金》。
2013–2019年，在上海大学主持国内苏钢、济源钢铁、中天钢铁、宝钢、南钢、淮钢、宝特韶关、长城特钢、马钢、韶钢等十余钢厂硫化物调控项目，实现镁对硫化物形态与分布的高效调控；自主研发系列含镁包芯线、间歇式喂线及软吹镇静工艺，解决反应剧烈与喷溅问题，镁收得率稳定高于30%；建立镁含量在线快检方法，为镁冶金工业化奠定基础。
2020–2025年，团队将镁弥散化冶金技术规模化应用于南钢、宝钢、营口中板、湘钢等企业，覆盖管线钢、船板钢、容器钢、汽车板、耐磨钢、IF钢等多品种，成效显著：南钢管线钢洁净度与低温韧性大幅提升，供货沙特2万余吨，获省级认证及企业优秀专有技术奖；营口中板船板钢通过九大船级社认证；宝钢实现合金降本；湘钢突破150mm特厚板偏析与韧性控制；包钢开发重轨钢镁–稀土复合工艺，显著提升洁净度、耐磨性与疲劳性能；青山钢铁、申源特钢等将技术用于耐热钢、轴承钢、模具钢，实现碳化物高效调控。
目前，相关技术已获专利及软著22项、发表论文80篇，撰写学术专著1本，并在舞钢、新钢、涟钢、河南钢铁、攀钢、宝武高晶等企业开展试验与立项，正快速向中高碳钢、高合金钢领域拓展，应用前景广阔。
信息来源：上海大学
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