近年来，我国高品质轴承钢的生产技术有了重要进步，部分企业的轴承钢实物质量已经达到国际先进水平；但是大部分企业在轴承钢实物质量的稳定性方面，与国际领先水平还有差距。目前，国内外生产高品质轴承钢主要采用铝脱氧工艺，通过控制脱氧条件和高碱度渣快速降低钢液中氧含量和夹杂物数量，部分企业的高品质轴承钢全氧含量已经可以控制在5 ppm以下。铝脱氧钢中常见的夹杂物包括尖晶石、钙铝酸盐和氮化钛，其中钙铝酸盐和尖晶石被认为是对轴承钢疲劳寿命影响大的夹杂物，这也是服役过程导致铝脱氧轴承钢失效的重要原因之一。 在铝脱氧方式下，为了提高轴承钢的质量，现在普遍采用的方法是降低钢中全氧含量，以减少钢中夹杂物的数量。一般认为钢中的全氧含量与夹杂物数量有很好的对应关系，全氧含量越少，夹杂物越少。然而这种脱氧方式并不能消除尖晶石和钙铝酸盐。同时采用铝脱氧方式也带了很多问题，（1）是钢中全氧要控制极低，大大增加了炼钢生产的难度和成本；（2）由于采用铝脱氧工艺，恶化了钢液的流动性，钢液的连浇炉数大大减少，影响了连铸坯质量和生产成本；（3）钢液中的高Al含量容易还原渣中的Ti，从而影响钢中氮碳化钛的控制水平，进一步影响轴承钢的疲劳寿命。 为了避免高品质轴承钢采用铝脱氧带来的上述问题，本项目采用非铝组合脱氧方式（硅锰预脱氧+扩散脱氧+真空脱氧）冶炼轴承钢，解决了由于连铸水口堵塞带来的钢质量波动，从源头上减少了轴承钢中的钙铝酸盐和尖晶石类夹杂物，同时降低了生产成本。

本技术非铝组合脱氧方式（硅锰预脱氧+扩散/沉淀脱氧+真空脱氧）冶炼轴承钢，由于硅锰合金的脱氧能力较铝脱氧弱，仅依靠硅锰合金脱氧不足以将钢液中的全氧含量控制在10ppm以下，而一般工艺采用的铝脱氧方法可以将全氧含量稳定控制在5ppm左右。因此，本技术中采用RH真空精炼方法，利用碳在高真空度条件下具有极强的脱氧能力的特点，对高碳轴承钢钢液进行深度脱氧，以弥补硅锰弱脱氧造成的脱氧能力不足的问题，将钢液的全氧含量控制在5-9ppm。加料过程中严格控制流程中铝的带入量，保证全流程低铝操作，严格控制钢中的铝含量，以减少钢中含铝类夹杂物的生成；同时采用碱度为1-1.5的低碱度精炼渣，降低渣中的氧化钙含量，将精炼渣成分控制在低熔点范围内，使钢中夹杂物主要为塑性夹杂物。这种工艺大大减少了钢中钙铝酸盐类和尖晶石类夹杂物的含量，形成了以硅酸盐类夹杂物为主要氧化物夹杂物类型的塑性夹杂物体系，保证了钢中D类和Ds类夹杂的极低量控制。同时有效的减少了钢中含铝类夹杂物的数量，大大提高了连铸可浇性，连铸过程中无水口堵塞现象，连浇17炉后水口内壁光滑无絮瘤物。解决了铝脱氧钢连铸结瘤率高，浇注不稳定，大颗粒夹杂物剥落导致的疲劳寿命异常问题。

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。

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。

（1）项目开发出一种圆形上升管-椭圆下降管的RH新型真空槽装置，循环流量显著提升，脱碳效率大幅提升，RH脱碳至30ppm的时间缩短3分钟，RH脱碳至13ppm的时间缩短4分钟，并开发模型实现了RH精炼过程脱碳反应的准确预报，为RH高效化提供了保障。 （2）建立了RH精炼过程渣-钢-夹杂物反应热力学和动力学精准控制模型，开发了RH精炼氧含量控制和深脱硫技术，实现了IF钢铸坯全氧稳定控制在15ppm以下，高牌号无取向硅钢[S]≤15ppm的比例由30%提高至80%。 （3）建立了精炼过程“钢液-渣相-夹杂物-合金-耐火材料-空气”多元反应耦合成分预报动力学模型，搭建了RH精炼钢液窄成分控制大数据平台，取向硅钢产品[Al]±15ppm和[N]±5ppm的命中率从90%提升至98%以上，显著提升了RH精炼过程钢液成分的稳定控制，为RH成分精准稳定化生产提供了技术支撑。

环保型圆珠笔头用超易切削不锈钢丝是一种不含铅的碲、磷、铋、硫复合的兼具超易切削性、耐磨性、耐墨水腐蚀性的超易切削钢丝。本项目开展了一下研究工作： （1）对日本的无铅型样品材料SF20E进行全面解析，分析了其化学成分、晶粒度、机械性能、夹杂物等所有技术指标。 （2）以三相有衬电渣炉作为冶炼基本手段，研究了三相有衬电渣炉不同阶段的温度控制及其对渣的影响，通过渣组分的分析，研究了渣碱度、炉渣及脱氧制度与硫元素回收率的关系。 （3）研究了Mn/S非金属夹杂物由铸态到冷拉态成品的加工过程中的演变规律，及其数量、大小、分布及形貌与笔头制造过程及笔头质量之间的对应关系。 （4）对比解析了日本材料和首钢吉泰安新材料有限公司研制的无铅型材料，比较了表层及材料内部夹杂物变化的基本规律，机械性能、晶粒度等所有技术指标。 （5）将本项目试验成果材料提供给客户试用，发现了碗口开裂、后外圆开裂、刀具磨损等系列问题，一一进行了研究和改进。

摸索铁水经济KR脱硫模式；优化转炉终点钢水氧化性及终点温度、创立合金模型预脱氧；优化转炉出钢脱氧、脱硫、渣洗工艺，实现快速脱硫；CSP线普钢采用硅脱氧工艺和LF炉不钙处理；改善钢水洁净度提高钢水可浇性，达到实现低成本、快节奏高效冶炼。

项目研发团队以电弧炉炼钢绿色、高效、优质生产为目标，依托国家和企业重大项目,首次提出并开发绿色洁净电弧炉炼钢关键技术及装备。以自主研发出超大容量（140MVA）、供电操作模型及高智能型电极调节系统；电弧炉炼钢埋入式喷粉脱磷脱氮、出钢过程在线喷粉脱氧、电弧炉CO2-Ar动态底吹等新方法；电弧炉炼钢“四位一体”绿色节能清洁化生产技术及装备；开发了电弧炉炼钢数字化生产平台，实现了终点控制和炼钢系统的一体化集成。2012年，项目完成创新性研究并实现工程化应用。