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中年|把钢铁“冰棍”做成钢铁“雪糕”


中年|把钢铁“冰棍”做成钢铁“雪糕”
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文/仲红刚翟启杰
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地球的“钢铁戒指”
钢铁是应用最广泛的结构材料 ， 是基础建设、石化、能源、国防等领域必不可少的关键材料 ， 大如高楼、高速公路、桥梁、高铁、飞机、航母、燃气轮机 ， 小至齿轮、扳手、螺丝钉、笔尖 ， 处处离不开钢铁 。 没有钢铁就没有现代工业、现代军事和现代科技 。
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钢铁的应用非常广泛

钢的生产和消耗量一直是衡量一个国家综合国力的重要标志 。 近年来 ， 我国钢产量一直位居世界首位 ， 2019年中国粗钢产量约9.96亿吨 ， 占全球粗钢产量的53.3% 。 如果将这些钢材轧成直径60厘米的钢筋 ， 可以绕赤道一圈 ， 也就是可以为地球戴上一枚“钢铁戒指” 。
仅以产量而言 ， 我国早已成为当之无愧的钢铁大国 。 但在高端钢材领域 ， 我们仍然缺乏竞争力 。 如何在冶金理论和核心技术上有所突破 ， 把我国由名副其实的钢铁大国变为当之无愧的钢铁强国 ， 是我国冶金工作者孜孜以求的“强国梦” 。
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钢铁的凝固

凝固是指液态到固态的转变过程 ， 它广泛存在于自然界和工程技术领域 。 从雪花凝结到火山熔岩固化 ， 从马踏飞燕、后母戊鼎等历史珍品的制造到广泛使用的铸件生产 ， 均离不开凝固过程 。 可以说 ， 几乎一切金属制品在其生产流程中都要经历一次或多次凝固过程 。 钢的生产也躲不开凝固这一关 ， 通常钢的凝固是通过模铸或连续铸造（简称连铸）实现的 。
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钢铁连铸

连铸技术是把钢水连续不断地浇注并凝固 ， 制成坯料 。 与模铸技术相比 ， 连铸技术大幅提高了生产效率和金属收得率并节约了能源 。 这个技术是20世纪50年代在德国首先被研制成功的 ， 目前全球98%以上的钢都用连铸技术生产 。
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不患寡而患不均的钢铁
通俗来讲 ， 连铸坯的凝固过程就像冰棍的结晶过程 。 冰棍结晶时 ， 冰晶粒从外面一直长到心部 ， 形成贯穿冰棍的大冰碴 ， 把杂质、糖分等都推到了最后结晶的中心部位 ， 所以中心杂质特别多 ， 还可能有孔洞 。 而雪糕由很多细小的冰晶粒组成 ， 这样添加的物质就会比较均匀地分布在各个部位 。
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冰棍和雪糕


连铸坯凝固时像冰棍一样 ， 铸坯从外向内凝固 ， 形成粗大的穿晶组织 ， 把有害的杂质元素和有用的合金元素也推到了铸坯的心部 ， 造成铸坯成分和性能不均匀 。 如果把这样的钢坯轧制成板材或棒材 ， 其不同部位的性能就不均匀 。 如果进一步把这些棒材或板材切成小块 ， 制造成零件 ， 这些零件的性能就会不稳定 。
从全球范围看 ， 随着资源、能源和环境理念的提升 ， 高洁净化、高均质化、超细晶化和低消耗、低污染成为新一代钢铁生产技术的发展方向 。 伴随着钢铁冶金技术装备水平的提高 ， 冶炼洁净化及轧制和热处理细晶化都有了长足进步 ， 凝固均质化成为全球冶金产品质量提升的瓶颈 。
但是 ， 目前人们还没有找到一种适合钢铁冶金工业的令人满意的凝固均质化技术 。 究竟通过什么方法才能解决它 ， 成为钢铁冶金行业工作者必须面对的课题 。
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把连铸坯由“冰棍”做成“雪糕”
上海大学先进凝固技术中心长期致力于钢的凝固问题研究 ， 在揭示了脉冲电流细化金属凝固组织机制的基础上 ， 发明了脉冲磁致振荡（简称PMO）凝固均质化技术 ， 为解决均质化这一长期困扰国际冶金界的技术难题做出了原创性贡献 。
【中年|把钢铁“冰棍”做成钢铁“雪糕”】连铸PMO凝固均质化技术原理示意图

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项目主要完成人翟启杰教授（中）等人在讨论实验结果

通俗地讲 ， PMO就是把连铸坯由“冰棍”做成“雪糕” 。 该技术是将脉冲电流导入环绕在铸坯表面的线圈中 ， 通过电磁感应在铸坯固液界面附近形成特定的物理效应 ， 促进固液界面前沿形成晶核 ， 这些晶核在钢液中漂移、长大、增殖 ， 不断形成大量细小的晶粒 ， 并均匀分布在整个铸坯中 ， 从而达到细化凝固组织的目的 ， 最终达到均匀化的效果 。 该技术不仅适用于钢的方坯连铸 ， 也适用于其他连铸以及模铸等凝固相关的生产工艺 。 对于铝、镁等有色金属及合金 ， 也十分有效 。
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PMO工业装备及连铸现场

目前 ， PMO技术已应用于冶金企业商业生产 ， 成为提升产品质量和生产效率的关键技术 。 将来 ， PMO及其衍生技术将助推我国钢铁质量跻身国际前列 ， 提升我国钢铁制品的国际竞争力 。
（原载于《科学画报》2020年第4期 ， 本文受到上海科委2019年度“科技创新行动计划”科普领域项目资助 。 项目名称：“立足科创中心 ， 传播尖端科技——打造上海重大获奖科技成果科普化融媒体专栏”；项目编号：19DZ2332600 。 ）
本文选自《科学画报》
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