本文分析了钢铁行业数字化发展趋势,系统梳理了数字钢铁全国重点实验室(DSL)在轧钢领域的工作。针对热轧、冷轧与热处理等工艺过程,构建了数据、机理与经验知识融合的系列高精度数字孪生模型,设计了适用于生产现场的智能优化方法并应用于国内外大型钢铁企业,显著提升了钢铁材料三维尺寸精度、组织和力学性能等质量指标。最后,展望了“AI+钢铁”的研究与应用前景。

在热轧带钢生产过程中,终轧温度的控制精度直接影响带钢的组织性能,是保证带钢尺寸精度和板形良好的关键因素。由于轧制过程具有复杂性、多变量、强耦合特性,传统的机理模型在预测精度上存在明显不足,难以满足高精度、高性能产品控制精度的要求。本文结合国内某2 250 mm热连轧精轧机组,利用梯度提升决策树(Gradient Boosting Decision Tree,GBDT)算法,结合机理模型,开发了融合机理和数据的热轧带钢终轧温度预测模型。该模型既具有机理模型的物理可解释性,又能够充分发挥GBDT算法在数据挖掘的优势,实现历史数据和实时反馈的不断学习和调整,从而保持模型预测性能的稳定性和可靠性;同时,该模型具有自训练与闭环控制功能,可实现自动闭环控制。将该模型在线应用后,带钢头部终轧温度长遗传预报偏差由14.55 ℃降至9.85 ℃,表明该模型计算精度高,能够满足换钢种规格、换工况下的终轧温度精度控制要求,从而能够提高带钢轧制稳定性和头部终轧温度控制精度,提升产品竞争力。

钢板凸度是厚板产品重要的质量指标之一,其控制水平代表着企业生产能力及市场竞争力。随着人工智能技术的蓬勃发展,智能控制成为目前钢铁行业发展的核心思路。但目前如何将大数据等人工智能技术应用在提升产品质量,尤其是针对厚板轧制过程的板凸度控制水平提升,尚且缺乏相关研究。本文聚焦于厚板轧机钢板凸度控制技术,将机理模型与数据模型结合,构建了厚板凸度智能预测模型,板凸度±80 μm内命中率达到83.04%;同时,基于该模型理论框架和大数据分析技术,优化了精轧机工作辊的辊形曲线,提高了厚板轧机产品凸度控制能力,延长了厚板轧机工作辊轧制周期,提升了轧机产能和成材率。

钢材伸长率作为表征材料塑性的核心指标,直接影响钢材的成形加工性能与服役安全性。针对现有伸长率预测模型存在的跨钢种泛化性不足、缺乏机理支撑、依赖破坏性实验等问题,本文提出了一种机理与数据融合的贝叶斯优化-LightGBM预测模型。基于工业生产数据,构建了“常规工艺/成分特征+机理特征”的多维输入体系,其中机理特征包括碳当量(C_eq)、焊接裂纹敏感性系数(P_cm)及下游道次压下率;采用贝叶斯优化算法,对LightGBM的关键超参数进行高效搜索;最后通过消融实验、多模型对比实验验证模型性能。实验结果表明,本文模型的决定系数(R²)达0.898 4,误差在±3%以内的命中率达96.6%,能够为钢材生产质量控制提供可靠的技术支撑。

不锈钢板生产中,传统接触式测量方法尽管能够实现钢板表面缺陷深度检测,但直接接触钢板表面易引发损伤,进而影响测量精度和评估可靠性。针对上述问题,本文提出了基于点云层次分析的方法PC-LDA(Point Cloud Layered Depth Analysis),以弥补现有技术的不足,满足工业应用中对修磨后不锈钢板表面缺陷深度检测精度和可靠性的要求。利用蓝色双目结构光系统获取高精度点云数据,并通过预处理与去噪提升数据质量;随后采用最小二乘法进行平面拟合,计算法向量并依据法向量方向区分修磨区域与正常表面区域。对于修磨区域的点云数据,基于点到平面的距离信息进行深度分层化处理,以及分析各层次点云数据的密集度分布,识别局部的波峰与波谷;通过计算局部波峰与相邻波谷的峰值宽度,并结合欧氏距离对区间内点云数据进行遍历,最终求得层次平均值与总体平均值,从而精确地恢复修磨区域的深度信息。为验证PC-LDA算法的精度与实用性,选择1.0~1.1 mm的标准块以及实际生产的不锈钢板修磨表面作为测试对象,进行单规格和多规格标准块的实验,结果表明,PC-LDA算法的深度测量平均偏差为0.015 mm,小于0.03 mm,能够高精度测量不锈钢板表面的深度,并捕捉修磨后微小起伏的几何特征,具有良好的可靠性和一致性,可满足不锈钢板修磨质量评估与二次修磨的技术需求。

碳捕获、利用与封存技术(Carbon Capture, Utilization and Storage, CCUS)作为当前实现化石能源近零排放的唯一途径,对大幅减少CO₂排放、助力实现我国“双碳”战略目标至关重要。其中,作为连接CO₂捕获地和储存地的大规模、长距离CO₂输送管线对确保CCUS项目的高效运营具有决定性作用。本文以CO₂的相态特征及输送状态为切入点,梳理了国内外重要CO₂输送管线工程建设情况,总结了含水量、杂质气体及输送工艺等因素对CO₂输送管线内腐蚀行为的影响机理和耐蚀管材、涂层及缓蚀剂等防腐蚀方法的研究进展,并对未来CO₂输送管线的发展方向进行了展望。与CCUS项目需求和国际上成熟的CO₂输送管线技术相比,我国在长距离、大规模的CO₂输送管线建设和经验等方面仍存在一定差距,亟须深化超临界CO₂输送管线技术的工程实践研究。当前,CO₂输送管线的研究多集中在实验室环境中,且部分研究结果存在差异,无法有效指导我国的CO₂输送管线建设及实际工程应用,亟须建立中试实验平台并开展大量实验研究,揭示实际复杂工况环境下多因素的交互作用机制;此外,建议采用高性价比的双金属复合管,并研发配套新型高效耐蚀涂层和缓蚀剂,以形成CO₂输送管线成套防护新技术。

为提高船舶和海洋工程结构的安全性,本文采用氢渗透、氢微印、热脱附和慢应变速率拉伸等实验,分析了DH36钢在不同充氢条件下的氢原子扩散、氢陷阱分布及氢脆敏感性变化规律。结果表明,在电流密度为10 mA/cm²下进行电化学充氢,DH36钢的可逆氢陷阱与不可逆氢陷阱密度分别为3.12×10¹⁸cm^-3和2.09×10¹⁸cm^-3。氢原子主要存在于晶界、夹杂物位置,在晶粒内分布较少,随着充氢时间的增加,氢原子在晶界和夹杂物处的聚集程度增加。充氢时间分别为8 min 和80 min时,在65.2 ℃与445.6 ℃、28.7 ℃与470.5 ℃均出现氢原子脱附峰,且随充氢时间的增长,氢原子的脱附量增加。充氢时间逐渐增至80 min,DH36钢屈服强度和抗拉强度先升高后略下降,伸率长不断降低,氢脆敏感性不断增大。

近年来,钛/钢复合板凭借优异的综合性能在石化领域获得广泛应用,但其轧制复合工艺窗口较窄,制约了产品的稳定化生产。为此,基于真空轧制复合技术,制备出TA10/14Cr1MoR复合板,通过电子探针(EPMA)、扫描电镜(SEM)、电子背散射衍射(EBSD)和剪切试验等手段,研究了加热温度对其复合界面的显微组织、元素扩散行为和界面结合性能的影响。结果表明,随着加热温度升高,复合界面脱碳层、界面反应层和β-Ti层的厚度均逐渐增加,其中界面反应层的产物及分布状态决定了界面的结合性能。850 ℃和900 ℃加热及随后相同轧制条件下,Fe元素在α-Ti中扩散较弱,界面仅形成TiC层,平均剪切强度分别为254 MPa和328 MPa,断裂主要发生在TA10基体中,其剪切强度差异主要与不同温度下TA10基体组织相关;而950 ℃加热及随后轧制时,C元素在界面富集程度降低,Fe元素与Ti元素的扩散反应加剧,导致界面产生不均匀的TiC+FeTi金属间化合物反应层,从而使剪切裂纹主要沿界面扩展发生脆性断裂,其剪切强度较低并呈现较大波动。与工业纯钛相比,TA10钛合金因具有较高的β相变温度,其复合板的加热温度可提高至900 ℃,同时扩大了钢基体组织性能调控工艺窗口。

不锈钢/碳钢复合板因具有优异的强塑性和耐蚀性,被广泛应用于石油化工、水利水电、海洋工程等工业领域,是一种非常重要的结构材料。但该材料在工程应用中面临焊接工艺复杂、焊接质量难以保证的难题。本文以提高不锈钢/碳钢复合板焊接应用性为研究目的,开发了2 mm +6 mm厚不锈钢/碳钢单面复合板双面激光拼焊工艺,利用激光能量密度高,焊接深度控制精确的特点,分别从复合板的不锈钢侧和碳钢侧进行自熔焊,获得了性能优异的焊接接头。所设计的焊接工艺具有良好的焊接工艺性,获得的焊接接头熔池小、热影响区小、焊缝均匀、板件变形小。此外,本文还对不锈钢侧焊缝的耐腐蚀性能进行了检测和分析,结果表明,新工艺下不锈钢侧焊缝化学成分均匀,耐腐蚀性能良好。

针对BTNM450-RE和BTNM450两种试验材料,从显微组织、力学性能、连续冷却转变行为、焊接热影响区韧性热模拟实验等方面,分析了添加稀土元素Ce对耐磨钢BTNM450-RE焊接性能的影响。研究结果表明:添加稀土元素Ce后,BTNM450-RE钢板显微组织中马氏体含量增加;在相同焊接热循环条件下,BTNM450-RE钢过热区中马氏体组织存在时间更长,马氏体转变终了温度高于BTNM450钢,过热区硬度普遍高于BTNM450钢;BTNM450-RE钢淬透性优于BTNM450钢,其焊接热影响区金相组织形态较为理想,硬度和韧性优于BTNM450钢;BTNM450-RE钢抗氢致冷裂纹的能力优于BTNM450钢,其淬硬倾向大于BTNM450钢。

针对先进高强钢(AHSS)在退火过程中由于Mn的外部选择性氧化严重破坏钢表面Zn的润湿性而影响锌镀层质量的问题,本文研究了AHSS在不同温度和气氛条件下的还原反应动力学及产物特性。实验采用ZRT-B热重分析仪,在500~900 ℃的温度范围内,分别使用无水蒸气和体积分数4.5%水蒸气的氢氮混合气体对实验钢进行还原反应。结果表明,实验钢还原动力学曲线呈现“S”形特征,分为诱导期、加速期和减速期;随着还原反应温度的升高,孕育期逐渐缩短;随还原反应温度的升高,还原产物形态从多孔铁逐渐转变为致密铁;在两种还原气氛中,当温度升高至800~900 ℃时,在基体的亚表面形成了Mn的内氧化物,在4.5%水蒸气气氛下,由于水蒸气增大了还原气氛中的氧分压,促进了氧离子向内扩散,且氧离子向内扩散的速率远大于Mn离子向外扩散的速率,因此促进了内氧化物的形成。

40Cr13钢是制造塑料模具的重要材料,塑料模具压制过程中会释放氯化物和酸,加剧模具钢的表面点蚀,影响制品的表面质量。本文利用X射线衍射仪、光学显微镜、扫描电子显微镜、硬度测试、电化学测试和浸泡试验,研究了固溶温度对40Cr13钢显微组织和耐Cl^-腐蚀的影响。结果表明,40Cr13钢经热轧和空冷,基体为铁素体,颗粒状富Cr型M₂₃C₆弥散分布于基体;随着固溶温度升高,原奥氏体晶粒尺寸增大,M₂₃C₆逐渐回溶。当固溶温度为900 ℃和980 ℃时,基体组织为马氏体。当固溶温度提高至1 050 ℃和1 130 ℃时,基体组织由板条马氏体和残余奥氏体组成,残余奥氏体含量随着固溶温度升高而增加。电化学测试与浸泡试验结果表明,相比于热轧态试样,固溶处理有助于提高40Cr13钢的耐Cl^-腐蚀性能;当固溶温度为1 050 ℃时,40Cr13钢的腐蚀减重和腐蚀电流密度最小,腐蚀电位和点蚀电位最高,电容弧直径和|Z|_{0.01 Hz}最大,相位角接近85°。大量回溶于基体的M₂₃C₆、较少的残余奥氏体含量和适中的原奥氏体晶粒尺寸是1 050 ℃固溶试样获得最优耐蚀性能的主要原因。

在热连轧机组定宽机减宽过程中,不同减宽量条件下轧件的狗骨断面形状不同,经平辊轧制后狗骨回复量的差异较大,从而影响了宽度控制效果。因此,研究粗轧减宽过程中金属的流动规律对改善后续平轧宽度控制有重要意义,可以为后续轧制过程的高精度控制提供理论基础。本文研究了轧件不同侧压量、初始厚度及轧件的变形抗力梯度对轧件大塑性变形过程中金属流动规律的影响,利用ANSYS/WorkBench建立了SSP定宽过程有限元模型,分析了各参数对狗骨断面峰值、中部变形区及狗骨变形区的影响规律,建立了狗骨形状预测模型,分析了轧件减宽过程应力应变变化规律,获得了轧件变形抗力梯度对平轧后轧件自由宽展的影响规律。研究结果表明:有限元模拟数据与现场数据相比,轧件狗骨峰值、中部厚度、狗骨变形区长度和狗骨变形后区长度的误差分别为1.82%、0.65%、1.43%和1.94%,验证了有限元模型的准确性;预测模型数据与实际数据相比,轧件狗骨断面峰值、狗骨变形区长度的预测精度从96.31%、96.53%提升至98.68%、98.32%,中部厚度和狗骨变形区长度的预测精度达到98.57%和98.62%,验证了预测模型的有效性;分析得出轧件的变形抗力梯度对应力分布影响较小,与应力大小呈正相关关系,变形抗力越大,宽度应变越大,变形渗透量越大,平轧后的自由宽展越小。

本文研究了退火工艺对321不锈钢极薄带微观结构和力学性能的影响。实验采用不同冷轧压下率的321不锈钢极薄带,通过设定不同退火温度、保温时间,并采用炉冷与空冷两种冷却方式,探讨了热处理工艺对实验带钢组织及力学性能的影响。结果表明,随着退火温度的升高,带钢屈服强度降低而伸长率提高,表明高温退火有助于改善带钢的塑性;较短的保温时间和快速冷却方式有利于获得细小均匀的奥氏体晶粒,从而增强带钢的强度与塑性协同效应。相对而言,长时间的保温和缓慢冷却促进了M₂₃C₆碳化物和σ相的析出,虽然提高了带钢的硬度,但也导致其塑性的降低。综合考量,1 050 ℃退火温度+短时间保温+快速冷却工艺的热处理工艺,能够有效提升321不锈钢极薄带的综合力学性能。

针对某钢厂生产的超低碳SPHD冷轧板塑韧性较差,纵向折弯严重开裂的问题,采用夹杂物自动扫描分析仪、EPMA、OM、SEM和TEM检测了SPHD冷轧板中元素偏析、组织状态、夹杂物和析出相,综合分析了对其塑韧性的影响因素以及折弯开裂的原因。结果发现,晶界碳化物呈链状析出以及磷元素的带状偏析是造成SPHD冷轧板塑韧性较差而发生折弯开裂的主要原因。为了改善超低碳钢SPHD冷轧板的折弯性能,一是应尽量降低其碳含量,避免三次渗碳体沿晶界大量析出;二是可以加入少量的Ti元素固定C元素生成Ti(C,N),从而抑制三次渗碳体析出;三是应降低钢中P和S等有害杂质元素含量,以及大尺寸硫化物夹杂数量,提高钢的塑韧性。

连续热镀锌带钢生产过程中,镀层表面亮点缺陷严重影响产品耐腐蚀性能。本文通过多尺度表征技术(SEM-EDS、AFM)分析了亮点缺陷的形貌及成分,揭示其成因主要为锌渣夹杂、气孔聚集及局部合金化异常。提出基于机器视觉的亮点缺陷在线检测方法,采用改进U-Net网络实现亮点缺陷的实时分类,最终实现98.2%及以上的分类准确率,满足连续热镀锌带钢高速生产线对亮点缺陷检测的实时性与高精度要求。研究了镀层厚度控制精度与抑制亮点缺陷的关联性,设计了融合动态权重调整的模糊PID控制器,集成激光测厚仪反馈数据,实现了镀层厚度自适应控制(控制误差不大于±1.5 μm)。实验结果表明,该方案使缺陷发生率降低63%,镀层厚度合格率提升至99.1%。

硅钢冷轧时使用乳化液作为润滑剂,但经常会在带钢表面形成乳化液斑,影响表面质量。本文使用SEM、EDS、XPS、XRD和AFM多种微观表征测试方法研究了硅钢带钢表面乳化液斑的形成机理。结果表明,带钢表面发生氧化形成线条状的Fe₃O₄产物,覆盖在带钢表面,使表面变得粗糙而导致乳化液的残留,乳化液中的水会挥发,而乳化液中的油则保留在该区域,形成黑色乳化液斑。硅钢带钢表面乳化液斑的组成即为Fe₃O₄产物和油污。根据乳化液斑形成机理,精准控制带钢板形和加强乳化液管理可以有效减少乳化液斑的形成。

针对HRB400E钢筋Mn元素含量较高及采用传统高温精轧+轧后穿水冷却工艺,成品表面易出现红锈的问题,本文对轧制工艺温度制度进行了优化,即开轧温度控制在960~1 000 ℃,进精轧机组温度控制在830~850 ℃,进减径机温度控制在830~850 ℃,上冷床前不穿水冷却,并进行了生产实验。结果表明,所生产的14 mm HRB400E钢筋晶粒度为11级,屈服强度为452 MPa,抗拉强度为655 MPa,最大力总伸长率为14.5%,钢筋表面氧化铁皮致密完整且未出现红锈,同时可将钢筋Mn的质量分数降低0.1%,为HRB400E钢筋绿色低碳生产及力学性能、表面质量的提升提供了依据。

随着钢铁行业对工业炉窑烟气排放标准的不断提高,多项针对轧钢加热炉烟气NO_x超低排放浓度的标准陆续出台,由2020年前的300 mg/m³逐步降至50 mg/m³(基准氧含量8%)。控制NO_x的过程中会造成加热炉运行效率降低,导致热轧产能受限。本文研究了轧钢加热炉NO_x的生成机理及控制措施,采用仿真模拟方式研究了分级燃烧对NO_x形成的影响,并通过试验分析了氧浓度对NO_x实际产生值和折算值的影响,同时根据加热炉的运行特点,分析了SNCR高温脱硝在加热炉应用的可行性。结果表明,通过强化分级燃烧、控制燃烧气氛、炉温限幅优化等技术,能够将NO_x排放浓度由200 mg/m³降至100 mg/m³以下;应用SNCR高温脱硝技术,可将NO_x排放浓度由100 mg/m³降至50 mg/m³以下。

针对车厢用高强钢冷轧过程中产生边裂,造成设备损耗严重以及成材率降低,影响轧制稳定性的问题,本文利用扫描电镜、显微硬度仪、热膨胀相变仪等,分析了冷轧边裂的原因。结果表明,冷轧带钢边部组织为过冷组织M-A岛+铁素体, 由于M-A岛与其周围铁素体基体的冷变形能力不匹配,在变形过程中其界面处易产生相间开裂,在大张力轧制下发展成边裂缺陷。为此,提出了将终轧温度控制在900 ℃以上;层冷过程开启边部遮蔽功能;卷取温度提升至750 ℃,并采用U形卷取工艺,带钢头尾不投入层冷以最大限度提高带钢头尾的卷取温度;热卷下线后规定入缓冷坑温度不低于600 ℃的措施,使带钢边部组织形成铁素体+珠光体;同时,将冷轧总压下率优化控制在45%~50%,并对张力及弯辊力设定进行优化,将边裂缺陷发生降低至1%以下。

本文基于理论设计,结合模拟软件与现场应用实测数据及反馈,对缝式冲击射流在镀后冷却设计中的应用进了分析研究,总结出冷却风箱结构参数与风箱压力及速度系数的计算公式,可以精确风机选型,为工程设计提供了参考。同时,在相同能耗的情况下,对风箱结构进行了优化,使其冷却能力最佳,达到提效节能的效果;同时,给出了最优结构参数的拟合公式,为该技术的工程推广应用提供了便捷可行的参考方案。

针对某企业酸轧机组生产中米巴赫激光焊机焊缝高差频发的问题,将焊缝高差划分为搭接式和厚差式两种类型,并分析了其产生原因。结果表明:带钢对接间隙的大小及带钢长度的变化对焊缝搭接影响显著,带钢厚度与下支撑轮高度对焊缝厚差有较大影响。通过将剪刃侧面的平行度控制在0.05 mm以内,保证夹钳夹持力,离焦量由原-5 mm 优化为-7 mm, 以及加强带钢质量缺陷控制,保证双切剪、夹钳、支撑轮和预碾压轮关键设备的精度等措施,将日均焊缝高差报警次数从9次降至3次。

为了提高产品尺寸精度,本文对高速线材减定径机组3个圆孔型的变形规律进行了详细分析。从延伸系数分配、孔型结构特征两个方面对圆形轧件在定径机组内的变形和金属流动特点进行了讨论,;指出圆-圆-圆孔型内的金属流动不同于椭圆-圆孔型的“压下-宽展”模式,是沿孔型圆周方向的全压缩变形;分析了减径机最后一架轧机所轧制的轧件经过两架定径机规圆后对成品质量的影响;对减定径机组独有的成品缺陷成因进行了分析,指出减定径机组工艺控制的关键在于减径机圆轧件的精准控制,此处所产生的缺陷不能通过定径机消除。

针对60R2槽型轨“头重、脚轻、腰薄”(轨头金属量是轨底的1.8倍)极不对称的断面特征造成的冷却后弯曲度大、轨腰矫偏等问题,本文分析了其技术要求和生产控制难点,并对平直度控制技术,包括轧件倒置方式、预弯工艺、矫直辊设计、矫直压下量设计,进行了研究及生产试验。结果表明,通过采用大变形分段非均匀预弯、短力臂上水平矫直辊辊型设计等技术方案,随机测量的134支钢轨端部水平方向平直度均值为0.11 mm,标准差为0.08 mm,最大值为0.36 mm;垂直方向平直度均值为0.16 mm,标准差为0.09 mm,最大值0.45 mm,均满足相关标准中不大于0.8 mm的规定