一种多阶段的ICME框架，用于在分阶段脱氧过程中设计功能性的铝硅酸盐熔体

《Materials & Design》：A multi-scale ICME framework for designing functional aluminosilicate melts in staged deoxidation processes

　　刘子宇|高超|刘子扬|刘宇航|刘青|王波|高芳|包彦平
北京科技大学先进冶金国家重点实验室，北京，中国

摘要
本文提出了一种合理的熔渣材料设计策略，以实现氧化夹杂物和炼钢工艺经济性的协同控制。针对CaO–Al2O3–SiO2–6%MgO体系，提出了一种分阶段精确脱氧方法，将碳预脱氧与铝最终脱氧分离。通过结合热力学平衡分析和分子动力学模拟的ICME框架，建立了工艺-结构-性能关系。通过调整渣的碱度和碳与铝的脱氧比例，揭示了原子尺度上的结构演变及其对传输性能和热力学行为的关键影响。这种基于计算的设计在工业试验中得到了验证。采用的中低碱度渣系在分阶段脱氧过程中同时提高了钢的清洁度和成本效益，使夹杂物密度降低了1.5个/平方毫米，铝消耗量减少了60%以上。这项工作展示了功能性冶金材料的主动多尺度设计范式，整合了原子尺度洞察、预测模拟和工业验证，以应对性能和成本的双重挑战。

1. 引言
现代高端装备制造业对钢的纯净度要求严格，控制氧化夹杂物已成为进一步优化性能的瓶颈。液态铝硅酸盐在钢精炼过程中对氧化物的吸附和溶解中起着关键作用，并形成新的聚合物网络结构[1][2]。为了减少和消除合金脱氧产物对钢性能的损害，我们团队提出采用无污染的脱氧方法，如C脱氧、H2脱氧和基于渣-钢平衡的扩散脱氧，以实现钢中夹杂物的最大减少，这种技术被称为更清洁的脱氧技术[3][4]。同时，考虑到炼钢过程中每个环节的流动要求，通过合理的界面分配技术将无污染脱氧方法与其他脱氧方法结合使用，以实现有效脱氧[5]。

近年来，许多学者对更清洁的脱氧技术进行了相关研究。刘[6]研究了超低碳钢中氢脱氧的机制和反应效率，结果表明氢脱氧可将钢中的氧含量降低到10×10^-6以下，相比传统的铝脱氧方法，夹杂物数量减少超过50%。戴[7]研究了真空碳脱氧处理后M2高速钢的氧含量变化及夹杂物特性，发现氧含量从30×10^-6降至3×10^-6，夹杂物减少了70%。王[8]提出了一种非铝脱氧工艺，包括硅锰合金预脱氧、LF添加硅脱氧剂扩散脱氧以及RH真空深度碳脱氧，生产出的轴承钢氧含量约为8×10^-6。尤[9]利用LF+RH模型优化了ULC钢的脱氧策略，表明在LF处理开始时进行碳预脱氧可将铝消耗量减少36%，降低渣中FeO和MnO含量30%，并减少总夹杂物含量50%，从而提高钢的清洁度并降低精炼成本。在中高碳钢的生产中，出钢时的大气压碳预脱氧过程强烈且难以控制，因此通常采用碳预脱氧后跟合金最终脱氧的组合工艺来确保效率和安全性[10]。然而，关于碳预脱氧所用渣系的选择研究较少，不同碱度渣系下碳脱氧与合金脱氧比例的渣-钢行为也尚未进行全面研究。

由于高温实验的复杂性和观测难度，从微观角度解释宏观变化机制较为困难。许多学者采用多种方法从多个角度探索这些研究[11][12][13]。刘[6]使用Factsage的开源计算方法迭代计算了不同氢吹量下钢中氧含量的变化。杨[14]通过分子动力学模拟研究了渣热导率的成分依赖性，发现系统中的Al2O3含量增加到9摩尔%时，渣热导率提高了约10-40%，但进一步增加到15摩尔%时没有显著变化。Siakati[15]利用分子动力学方法研究了CaO-FeO-SiO2渣系的结构，发现Fe主要与4-5个氧原子配位形成四面体和金字塔/三角双锥体多面体结构。蒋[16]研究了MgO/Al2O3对高炉渣结构和性能的影响，结果表明随着MgO/Al2O3比的增加，[SiO4]4-和[AlO4]5-四面体变弱，桥接氧和非桥接氧的比例降低，这可以通过控制MgO/Al2O3来实现高炉炼铁的稳定运行。杨[17][18][19][20]也通过原子模拟研究了炼钢脱磷、双渣工艺和含TiO2转炉操作过程中的渣微观结构和演变行为。

基于上述背景，本研究创新性地提出了“分阶段精确脱氧”策略，将脱氧过程分为两个连续阶段：碳预脱氧和铝最终脱氧。通过调节渣系，该策略积极控制熔钢中夹杂物的形成及渣-金属界面的反应环境。该策略的核心在于识别“C/Al脱氧比”和“渣碱度”作为两个可协同调节的过程变量，并系统揭示它们对渣系统微观结构和宏观性能的综合影响。这使得渣系的设计能够同时实现高性能、低成本和有效夹杂物控制。本研究采用集成计算材料工程（ICME）的先进范式，构建了一个涵盖宏观过程设计、热力学、微观结构演变和性能预测以及生产验证和优化的研究框架，为分阶段脱氧工艺的应用设计提供了新的视角，并通过多尺度集成展示了经过实际验证的工艺设计和工程应用案例。

2. 材料与方法
2.1. 热力学计算方法
本研究考察了精炼渣的行为及其对基于工业实践的新型清洁净化脱氧方法中的脱氧行为的影响。使用的精炼渣初始组成为CaO/Al2O3 = 1.5，MgO = 6%，R(CaO/SiO2)值为2、4和6。热力学计算在1600°C的恒定温度下进行，假设初始熔钢氧含量为500×10^-6（质量ppm）。碳预脱氧比例分别为0%、25%、50%和100%，表示通过碳脱氧去除的初始溶解氧的比例。具体而言，在25%碳脱氧时，25%的初始500×10^-6氧以CO气体形式去除，剩余的375×10^-6氧随后通过铝脱氧去除。这种方法能够系统研究碳与铝脱氧比例变化对渣成分和性能演变的影响。具体实验模型见表1。由于C脱氧产物为气态CO，不会改变渣系的成分，计算使用不同碳预脱氧比例后的氧含量条件来代表不同模型的初始条件。碳脱氧比例被视为一个独立的过程变量，决定最终脱氧所需的铝量，并用于评估熔钢中的碳含量。计算使用的软件是Factsage 7.2，选择了Equilib模块，使用的数据库为FToxid、FactPS和FTmisc，渣钢的平衡计算采用开源计算方法进行。渣的数量取为熔钢质量的1.5%，每次添加5×10^-6的铝，循环添加500次，记录达到目标氧含量10×10^-6时添加的铝量以及整个脱氧过程中熔钢的相应渣成分和关键参数。结果渣系是碳脱氧比例和初始渣碱度共同作用的结果。

表1. 实验建模方案
碳脱氧百分比
模型 | CaO（wt.%） | MgO（wt.%） | Al2O3（wt.%） | SiO2（wt.%） | 初始碱度
--- | --- | --- | --- | --- | ---
100% | C4R24 | 3.38 | 6.00 | 28.92 | 21.69 |
2 | C4R4 | 49.04 | 6.00 | 32.70 | 12.26 |
4 | C4R6 | 51.27 | 6.00 | 34.18 | 8.55 |
6 | A1C3R24 | 3.38 | 6.00 | 28.92 | 21.69 |
2 | A1C3R4 | 49.04 | 6.00 | 32.70 | 12.26 |
4 | A1C3R6 | 51.27 | 6.00 | 34.18 | 8.55 |
50% | A2C2R2 | 3.38 | 6.00 | 28.92 | 21.69 |
2 | A2C2R4 | 49.04 | 6.00 | 32.70 | 12.26 |
4 | A2C2R6 | 51.27 | 6.00 | 34.18 | 8.55 |
6 | A3C1R2 | 3.38 | 6.00 | 28.92 | 21.69 |
2 | A3C1R4 | 49.04 | 6.00 | 32.70 | 12.26 |
4 | A3C1R6 | 51.27 | 6.00 | 34.18 | 8.55 |
25% | A3C1R2 | 3.38 | 6.00 | 28.92 | 21.69 |
6 | A3C1R4 | 49.04 | 6.00 | 32.70 | 12.26 |
2 | A3C1R6 | 51.27 | 6.00 | 34.18 | 8.55 |

2.2. 仿真方法与参数选择
本研究应用分子动力学模拟来研究在不同碳脱氧比例下，初始渣系条件下脱氧产物对渣微观结构和性能的影响。用于仿真的渣系组成见表S1，基于渣-钢平衡计算的结果。渣系密度的计算使用公式（1）、（2）中的渣比体积进行：
(1) ρ_slag0 = 0.45wSiO2% + 0.285wCaO% + 0.367wMgO% + 0.402wAl2O3% (1400°C)
(2) ρ_slag = ρ_slag0 + 0.071400 - T
(1)

在本研究中，使用Buckingham势函数计算CaO-Al2O3-SiO2-MgO渣系的结构和性能。Buckingham势函数可用于模拟原子间相互作用，不仅能描述离子间的短程排斥力，还能描述长程范德华力[21]。该函数在多组分复杂系统的模拟中表现良好，尤其是在研究熔融冶金渣的性能方面得到了成功应用[22][23][24]。当前系统中使用的势函数参数见表2，Buckingham势函数见公式（3）：
V(rij) = ziizi e24πε0rij + Aije(-rijρij) - Cijrij6

表2. 原子有效电荷和Buckingham势函数参数[25][26]
元素 | 原子有效电荷(e) | Buckingham势参数Aij (eV) | ρij (?) | Cij (eV·?^-6)
--- | --- | --- | --- | ---
Ca+ | 1.277 | 47.18 | 30.25 |
Al+ | 1.270 | 63.49 | 07.0 |
Mg+ | 1.270 | 63.49 | 07.0 |
Al+ | 1.812 | 20.19 | 56.28 |
Si+ | 2.413 | 70.21 | 9.21 |

本研究使用LAMMPS[27]（大尺度原子/分子并行模拟器）软件进行分子动力学模拟。模拟的渣系总原子数约为20,000个，周期性边界条件下的非物理图像相关性可以忽略不计。计算中设置12 ?为截断半径，以确保短程相互作用的准确计算，长程库仑相互作用通过PPPM算法处理，计算精度设定为10^-6 eV。能量最小化采用共轭梯度（cg）方法进行。模拟在NPT系综下进行，运动方程使用Verlet算法积分，恒温通过Nose-Hoover热浴方法维持。模拟步长设为1 fs。初始温度设定为5000 K进行系统松弛，然后以10^13 K/s的速率冷却至1873 K。系统达到目标温度后保持1 ns以确保达到平衡，期间记录原子轨迹。为了深入分析渣系结构的微观机制，本研究使用了OVITO[28]、Matlab[29]和VMD[30]等工具定量理解渣系结构的微观变化。渣系结构和性能的计算方法在补充材料中有详细说明。

3. 结果与讨论
3.1. 夹杂物行为和渣成分分析
在当今钢铁行业中，为了满足对更高品质钢的需求，减少钢中非金属夹杂物的生成，并推动整个生产过程的绿色化，本研究提出了一种结合常压下碳的脱氧能力和铝的最终脱氧效果的脱氧方法，旨在实现更环保、高效的钢净化过程。通过系统比较不同碳预脱氧和铝最终脱氧工艺的比例，深入分析了这些工艺对熔钢的影响。根据更清洁的脱氧技术，碳的脱氧产物是CO气体，它形成气泡上升并通过熔钢逸出。在传统的铝脱氧过程中，生成的脱氧产物Al2O3可能会经历浮选、聚集、迁移到渣-钢界面、穿过渣-钢界面并溶解在渣中。为了阐明脱氧产物的具体行为，根据平衡结果计算了渣中Al2O3含量的变化。图1显示了渣中Al添加量与Al2O3含量之间的关系。结果表明，影响渣中Al2O3含量的主要因素是渣的碱度，而与初始碳脱氧比率没有明显的相关性。此外，图2显示了渣成分的具体变化。这里的碳脱氧比率指的是通过碳预脱氧完成的脱氧任务的比例。从成分来看，随着Al2O3在渣中的溶解，渣中的CaO含量和SiO2含量显著降低，而Al2O3含量则呈单调增加。具体的渣成分见表S1，这部分将研究这种成分变化对渣体系结构和性质的影响。

3.2. 渣的结构特征
3.2.1. 局部结构特征
基于渣-钢平衡后的渣体系组成，使用MD方法计算了其结构和性质。首先，计算了不同碱度渣体系在不同碳脱氧比率下渣中主要离子O的配对分布函数，如图3所示，第一峰位置见表S2。Si-O和Al-O的第一配位距离分别为1.62 ?和1.74 ?，这与现有文献研究[31]、[32]、[33]报告的值1.62 ?和1.71–1.76 ?非常吻合。Ca-O和Mg-O的第一配位距离分别为2.34 ?和1.98 ?。对于Ca-O，现有研究得到的原子间距离范围为2.3 ?至2.85 ?[32]、[34]；对于Mg-O，从头算计算得到的键长为1.95 ?[35]，分子动力学模拟得到的键长为1.95 ?至1.99 ?[35]、[36]、[37]，这与计算结果一致。对于不同的初始碱度，配对分布函数的第一配位距离在不同模型间表现出较弱的相关性，这为系统的短程有序性提供了理论支持。

3.3. 渣的性质
3.3.1. 运输性质
在了解了碳脱氧比率和初始渣碱度对渣结构的影响后，进一步研究了其对渣体系性能的影响。渣的扩散系数是表征渣体系的主要特征之一，代表了渣的运输性质。分析了各种元素的分布和所有模型的总扩散系数，如图7所示。可以看出，渣中元素的扩散能力顺序为Mg2+>Ca2+>O2–>Al3+>Si4+。在初始碱度较低时，O2–和Al3+的扩散系数接近。对于整个熔体的扩散系数，从100%碳脱氧到75%碳脱氧，整体扩散系数呈现上升趋势；而在初始碱度较高时，从75%碳脱氧到0%碳脱氧，整体扩散系数呈现下降趋势。当初始碱度为6时，随着碳脱氧比率的增加，熔体扩散系数从2.42×10^-6 cm2/s降低到2.19×10^-6 cm2/s。这种变化与BO含量的减少有关，因为BO含量的降低减少了离子扩散的约束。BO含量与扩散系数之间的负相关关系进一步证实了氧网络结构对渣体系运输性质的控制作用。

3.3.2. 粘度
在确认了系统的短程有序性后，计算了不同模型中氧的类型，以获得体系的网状结构特征，如图6所示。对于冶金渣体系，渣中的主要氧类型包括自由氧(FO)、非桥接氧(NBO)、桥接氧(BO)和三聚体氧(TO)，这些类型由它们所连接的网络形成体的数量决定。在相同碱度下，随着净碳脱氧百分比的降低，体系中BO和TO的含量增加，而NBO和FO的含量减少。这种变化在低碱度渣中更为明显。当碳脱氧比率从100%降至0%时，渣体系在平衡点的BO和TO含量分别增加了8.21%和1.46%，而FO和NBO的含量分别减少了0.93%和8.74%。在相同的碳脱氧比率下，随着渣碱度的增加，BO和TO的含量呈下降趋势，而FO和NBO的含量呈上升趋势。当碳脱氧百分比为50%时，随着初始渣碱度从2增加到6，FO和NBO的含量分别增加了2.59%和6.72%，而BO和TO的含量分别减少了8.64%和0.67%。结果表明，提高净脱氧百分比和初始渣碱度有助于降低体系的聚合程度。

为了阐明这一过程中变化的原因，详细计算了各种氧类型的分布情况，如图S2所示。在初始碱度为2时，随着碳脱氧百分比从100%降至0%，Al-O型NBO增加了2.27%，Si-O型NBO减少了11%，这导致体系中BO含量增加。Al-O-Al型BO的含量增加了11.85%，而Al-O-Si和Si-O-Si型BO的含量分别减少了2.05%和1.58%，共同促进了BO含量的增加。TO中的(Al, Al, Al)-O成分是主要成分，其含量从0.84%增加到2.24%。在相同的碳脱氧百分比和不同初始渣碱度条件下，Al-O增加了13.75%，Si-O减少了7.03%，Al-O-Al增加了4.13%，Al-O-Si和Si-O-Si分别减少了11.25%和1.51%。当初始碱度从2增加到6时，(Al, Al, Al)-O减少了0.39%，(Al, Al, Si)-O减少了0.27%。这一结果有助于解释初始碱度和净脱氧比率对渣体系组成和结构的影响，从而为选择适合不同净脱氧比率的渣体系提供了依据。

3.3.3. 粘度
在了解了碳脱氧比率和初始渣碱度对结构的影响后，进一步研究了其对渣体系性能的影响。渣的扩散系数是表征渣体系的主要特征。分析了各种元素的分布和所有模型的总扩散系数，如图7所示。可以看出，渣中元素的扩散能力顺序为Mg2+>Ca2+>O2–>Al3+>Si4+。在初始碱度较低时，O2–和Al3+的扩散系数接近；而在完全脱氧条件下，Al3+的扩散系数大于O2–的扩散系数。对于整个熔体的扩散系数，从100%碳脱氧到75%碳脱氧，整体扩散系数呈现上升趋势；而从75%碳脱氧到0%碳脱氧，整体扩散系数呈现下降趋势。当初始碱度较高时，随着碳脱氧比率的增加，熔体扩散系数从2.42×10^-6 cm2/s降低到2.19×10^-6 cm2/s。在碳脱氧比为50%时，随着初始渣碱度的增加，熔体扩散系数从1.45×10^-6 cm2/s增加到2.26×10^-6 cm2/s，这与BO含量从50.85%降低到42.21%有关。BO含量的减少表明网络聚合程度降低，从而减弱了对离子扩散的约束。BO含量与扩散系数之间的负相关关系进一步证实了氧网络结构对渣体系运输性质的控制作用。当初始碱度为2时，三种模型的粘度分别增加了0.006 Pa·s、0.03 Pa·s和0.002 Pa·s；而在一定程度的碳脱氧下，随着碱度的增加，系统的粘度呈现下降趋势。当碳脱氧比为50%时，碱度从2增加到6时，根据三种模型，粘度分别减少了0.07 Pa·s、0.056 Pa·s和0.004 Pa·s。尽管绝对值存在定量差异，但这三种方法一致预测粘度随着碳脱氧比的降低而增加，随着碱度的增加而减少，这证实了这一趋势的可靠性。相应的熔体扩散系数增加了0.81 × 10-6 cm2/s，而BO含量减少了8.64%。这些趋势表明，粘度与扩散系数相对于碱度和碳脱氧比的变化呈反比关系。这种反比行为从根本上受到渣网络聚合程度的控制。较高的碱度降低了BO含量，从而形成了较少聚合的结构，促进了离子扩散，进而降低了粘度。

图8显示了基于不同模型计算的不同渣系的粘度变化。图9展示了在不同碱度和不同碳脱氧比共同作用下渣-钢行为的平衡状态示意图。图中底部钢中的反应由公式(7)表示。它表示在不同比例的绿色脱氧剂作用下钢中产生的夹杂物比例。当x接近0时，碳脱氧是主导机制，CO是主要的脱氧产物；当x接近1时，铝脱氧占主导地位，生成Al2O3作为主要产物。图9中间部分展示了在全碳脱氧情况下，CaO-Al2O3-SiO2-6%MgO渣体系在低、中、高碱度条件下的初始微观结构示意图。在这个体系中，作为网络形成剂的Si和Al通过与氧的共价键连接，主要形成[SiO4]4-四面体和[AlO4]5-结构，共同构成了稳定渣体的基本网状结构。Ca2+和Mg2+作为网络改性元素存在于该网络的间隙中。结果表明，与初始渣相比，脱氧结束后达到平衡的渣体具有较低的CaO/Al2O3比例、较高的CaO/SiO2比例、粘度的增加以及扩散性能的下降。

图10显示了脱氧后平衡渣体系的液相线温度变化。图11基于平衡计算分析了不同碳脱氧比下的渣-钢平衡情况，得到了添加的铝含量和钢中氧含量的平衡曲线。结果表明，在最终添加铝脱氧之前，平衡氧含量之间的差异随着初始碳预脱氧百分比的增加而减小；在碳脱氧量为25%时，R=6的渣体系的平衡初始氧含量比R=2的渣体系低21.4 × 10-6；在碳脱氧量为75%时，这一差值降至51.3 × 10-6；在全铝脱氧的情况下，这一差值达到66.9 × 10-6。当初始碳脱氧比相同时，达到脱氧终点的铝添加量较少。不同碳脱氧比和渣碱度下的平衡曲线之间有明显的差距，这些差距的出现不仅取决于化学反应，还取决于渣-钢平衡。在高碱度条件下，渣体的Al2O3溶解度较高，因此全铝脱氧和分段脱氧过程的平衡氧含量都较低。相比之下，在低碱度条件下，渣体结合Al2O3的能力较弱，平衡氧含量较高。这种差异导致了观察到的差距。此外，随着碳预脱氧比的增加，铝脱氧步骤的起始氧水平降低，整组曲线向左移动，意味着达到终点所需的铝量减少，相应地差距也向左移动。

随后，分析了不同碳预脱氧比以及不同渣碱度下脱氧合金铝的添加情况（见图12）。在理想条件下，每增加25%的碳预脱氧，可以节省25%的脱氧合金铝用量。然而，这一比率仅在高碱度渣(R=6)的情况下能够实现。在R=2的渣体系中，每增加25%的碳预脱氧仅能减少16%的铝消耗量；在R=4的渣体系中，这一减少量增加到23%。对于相同的碳脱氧分析，达到脱氧终点的铝合金消耗量顺序为R2 > R4 > R6。当铝脱氧占比为25%时，R6的渣体系比R2的渣体系减少了69%的合金消耗量，而全铝脱氧仅节省了39%的合金消耗量。R=4和R=6的渣体系中使用的脱氧合金量更为接近。

为了验证理论发现并展示渣碱度和分段清洁脱氧策略的协同优化效果，对采用BOF + LF工艺生产的45#钢进行了工业试验。具体成分见表S4。试验比较了传统的全铝脱氧方案和包含预碳脱氧后的分段铝脱氧方案。表3列出了添加的脱氧合金的具体量，相应的夹杂物数量密度和渣成分见图13。结果证实了目标渣化学设计的关键作用。分段脱氧的最终渣平均碱度为3.03，低于铝脱氧工艺得到的5.71。这种方法不仅将铝消耗量减少了60%以上，还使得精炼过程中夹杂物密度持续降低，铸坯中的夹杂物数量减少了1.5个/mm2。碳预脱氧降低了初始氧含量并减少了氧化物夹杂物的形成。分子动力学模拟显示，一旦Al2O3的生成显著减少，渣体系可以根据去除夹杂物的主要标准进行调整。这些结果证实了协调渣碱度与脱氧比率可以实现有效的脱氧、成本减少和钢质量的提高。

总之，本研究采用多尺度研究方法，结合热力学计算、分子动力学模拟和工业验证，系统地揭示了CaO-Al2O3-SiO2-6%MgO熔渣在特定阶段精确脱氧策略下的结构演变模式、性能响应机制及其对钢质量的影响。主要发现如下：
(1) 熔渣表现出短程有序结构特征，其聚合程度受到成分和脱氧途径的协同调节。在不同的碳脱氧比和碱度条件下，熔体始终表现出稳定的短程有序结构，Si–O和Al–O主要以四面体形式保持协调。随着初始碱度和碳脱氧比的降低，渣中的BO和TO含量显著增加，而NBO和FO含量相应减少，表明渣的聚合程度增强。当初始碱度为2且碳脱氧比从100%降至0%时，BO和TO含量分别增加了8.21%和1.46%，促进了更连通的铝硅酸盐网络的形成。
(2) 渣体系的传输性能和热力学特性显著依赖于成分和处理参数，结构变化是宏观性能演变的基本原因。熔渣的粘度随着碳脱氧比的降低而增加，随着碱度的升高而降低，与其扩散系数呈现相反趋势。这表明可以通过调节碱度和脱氧途径来定向调整渣体系的流动性和质量传递能力。液相线温度的变化进一步证实了渣体系的热力学行为受初始成分和脱氧产物溶解的共同影响。对于高碱度渣，液相线温度随着碳脱氧比的降低而降低了76.29°C；而对于低碱度渣，则上升了19.55°C。这为实际生产中控制渣的绝缘性和流动性提供了理论基础。
(3) 工业试验验证了计算设计的可行性，表明使用中等低碱度渣(R=3.03)进行分段碳预脱氧后结合铝最终脱氧可以减少超过60%的铝消耗量，并使铸坯中的夹杂物密度减少了1.5个/mm2。这些定量改进证实了协调渣碱度与脱氧比率可以协同优化钢的质量和成本效益。渣碱度是影响最终氧含量和合金消耗量的主要因素，高碱度渣显著增强了Al2O3的去除效果，同时减少了铝的消耗量。脱氧过程受到化学反应和渣-钢平衡的共同影响，平衡曲线之间的差异反映了高碱度渣和低碱度渣脱氧行为的差异，这种差异在氧含量降低时更加明显。本研究提供了一个以性能为导向、多尺度集成且经过实际验证的材料设计和工程应用示例，为过程制造行业的功能材料设计和工艺优化提供了宝贵见解。