梳理了我国厚板生产的发展历史,将我国厚板生产发展划分为起步期、蓄势期、发展期、成熟期、优化期5个阶段,从轧机规格、装备水平、产能规模等方面对各阶段特点进行了分析;阐述了热送热装、加热炉、轧机、矫直机等厚板生产关键工艺及装备的技术进步和发展;论述了特殊船舶用钢、海洋工程用钢等厚板典型产品的开发、应用和发展;展望了我国厚板生产及研发的发展方向并提出了建议。

随着汽车行业对轻量化和安全性要求的不断提高,采用钢/铝/镁/铝/钢复合板替代纯钢板,既可以达到减重的效果,又可以利用复合板的性能优势满足汽车用钢的强度要求。利用轧制工艺成功制备了钢/铝/镁/铝/钢5层复合板,通过光学显微镜、扫描电子显微镜、拉伸试验机,研究了轧制温度(400、450、500 ℃)对复合板界面组织、界面结合强度、拉伸性能和断裂机理的影响。结果表明:在轧制压下率为45%、400~500 ℃轧制温度范围内制备的复合板均可达到良好的结合效果,其中钢/铝界面呈平直线,铝/镁界面呈波浪线且随着轧制温度的升高起伏程度增大;随着轧制温度的升高,镁层晶粒逐渐发生动态再结晶并长大,铝层硅化物析出含量增多,钢/铝界面结合强度提高,铝/镁界面结合强度、复合板的抗拉强度和断后伸长率呈现出先升高后降低的变化趋势。400、450、500 ℃轧制温度下复合板铝/镁界面结合强度、抗拉强度和断后伸长率分别为77.54、88.63、81.14 MPa,310、324、278 MPa,39.9%、40.9%、22.3%,在450 ℃轧制温度下复合板的综合力学性能最优。

为解决矿井液压支架用高强钢由于服役环境复杂经常出现腐蚀的问题,对国内外常用的4种液压支架用钢(国内S890钢、30CrMnSi钢;国外ForeignⅠ和ForeignⅡ钢)经相同热处理工艺处理后的组织性能、腐蚀行为和机理进行了研究,明晰了改善S890钢耐蚀性的方法。结果表明:由国内研发的高Cr、Mo协同添加的S890钢经840 ℃保温2 h后淬火、480 ℃高温回火1 h后的组织为回火索氏体+马氏体,屈服强度和抗拉强度分别为855、905 MPa,-20 ℃冲击功为195 J,力学性能较国内外同类材料优异。对经相同工艺处理后的4种高强钢在体积分数5%HFAE+3%NaCl溶液和体积分数5%HFAS+3%NaCl溶液中进行浸泡实验,发现S890钢在5%HFAE乳化液中的腐蚀速度为0.36 mm/y,优于30CrMnSi钢,接近于ForeignⅠ和ForeignⅡ两种高强钢。对影响S890钢耐蚀性的原因进行分析,发现点蚀坑主要出现在CaS·Aloxide·MnS复合夹杂物处,加速了S890钢的腐蚀。因此,在工业化生产中应该严格控制S890钢中S、P、Ca的含量,减少复合夹杂的数量密度,同时优化热处理工艺,提高组织的均匀性,以提高其耐蚀性。

提高流变应力模型预测精度对于Nb微合金钢实际生产中轧制力的预测具有重要意义。采用动态相变仪对Nb微合金钢进行单道次压缩实验,得到实验钢的真应力-真应变曲线。建立了实验钢物理冶金学、支持向量机和二者结合的流变应力模型,并研究了模型的外延性和提高模型外延性的方法。结果表明:在物理冶金学模型中,修正的MF-B(Fields-Bachofen)模型可以更好地预测Nb微合金钢的流变应力;与单纯的物理冶金学模型和支持向量机模型相比,结合MF-B和支持向量机的模型可以获得更高的流变应力预测精度和较好的外延性。通过多点扩增训练集的方法,可以进一步提高结合MF-B和支持向量机模型的外延性预测精度,更精准地预测Nb微合金钢的流变应力。

针对厚规格NM450耐磨钢板在火焰切割后出现延迟开裂的问题,通过力学性能测试、显微组织分析、硬度分析、开裂面形貌观察、偏析带及夹杂物成分分析等手段,对钢板火焰切割延迟开裂产生的原因进行了分析,并提出了改进措施。结果表明:55 mm厚NM450耐磨钢板火焰切割延迟开裂裂纹起源于钢板火焰切割面热影响区和钢板内部Mn元素偏析带的重合区域,此区域存在的(Nb,Ti)C夹杂物在火焰切割应力的作用下形成微裂纹,又在钢板内应力的作用下进一步扩展,从而产生延迟开裂。减小火焰切割速度可以增大钢板火焰切割面热影响区域宽度,从而减小火焰切割残余应力。通过减小火焰切割速度至150 mm/min,解决了NM450耐磨钢板火焰切割延迟开裂的问题。

针对L360M输氢管线钢屈服强度R_t0.5要求范围窄、生产过程中容易超上限的问题,利用OM、SEM、EBSD和Gleeble-3800热模拟试验机,对不同TMCP工艺下L360M试验钢的组织性能进行了对比分析,并获得了其动态CCT曲线。结果表明:当冷却梯度较大时(高终轧温度+低终冷温度),试验钢易形成针状铁素体+多边形铁素体+贝氏体复相组织,拉伸曲线呈“圆屋顶”型,但强度超标准要求;高终轧温度+高终冷温度、低终轧温度+水冷工艺下,试验钢组织分别为多边形铁素体+珠光体、多边形铁素体+贝氏体,拉伸曲线均出现明显屈服平台,上屈服点较高是导致试验钢R_t0.5超标的主要原因;当晶内析出物越多、小角度晶界比例越高、有效晶粒尺寸越小、多边形铁素体比例越高,试验钢上屈服点越高。基于L360M输氢管线钢的动态CCT曲线,获得其最佳TMCP工艺为:低终轧温度(810 ℃)+低终冷温度(390 ℃),且冷速控制为10~20 ℃/s。

随着汽车用钢向薄规格、高强度方向发展,磷元素作为强化元素被添加到钢中以提升其强度。相比于普通钢,含磷钢由于磷元素的加入使得钢的力学性能发生改变,进而使得轧制力发生改变。为了探究磷含量对含磷钢轧制力的影响,在充分考虑含磷钢性能特点的前提下,利用Zwick拉伸试验机对同一压下量不同磷含量含磷钢进行拉伸试验,并对大量实际生产数据进行回归分析,得到DN0160E4含磷钢碳当量的计算公式,建立了其变形抗力模型及其磷含量与冷连轧轧制力关系模型。最后,以某钢厂1 420 mm冷连轧机组第1机架为例,将实际轧制参数代入模型进行了计算分析。结果表明:添加磷元素,使钢的抗拉强度、屈服强度升高,伸长率下降;在相同压下量的情况下,DN0160E4含磷钢所需的轧制力要比普通钢更大,且轧制力随含磷钢磷含量的增加呈线性增加。

热浸镀锌钢板表面的锌花形貌直接影响镀层组织与性能,而合金元素Al、Sb的偏析行为与锌花凝固过程密切相关。通过OM、LSCM、SEM和EBSD等多种分析手段,对热浸镀Zn-0.26%Al-0.08%Sb钢板表面锌花形貌和组织结构进行了分析。结果表明:锌花由4块晶片组成;根据光反射率的不同,晶片可分为亮晶片、羽毛晶片和暗晶片3类。亮晶片表面粗糙度最小,有极少量AlSb二元相析出;暗晶片表面含有大量直径达100 μm的树枝状AlSb析出相。在羽毛晶片表面含有大量互相平行的大角度晶界,在暗晶片表面含有短而杂乱的小角度晶界,羽毛晶片和暗晶片表面大量的晶界导致其耐蚀性下降。3类晶片的表面形貌与凝固顺序的差异导致了AlSb析出相分布的不同。亮晶片率先凝固,羽毛晶片枝晶臂中的锌液凝固时间较晚,AlSb相集中析出在枝晶臂间,暗晶片最后凝固,Al、Sb元素被排斥在暗晶片中形成大量AlSb相。

针对热镀锌机组沉没辊系(沉没辊、稳定辊、矫正辊)在锌锅内出现“轴端卡死”、“带钢打滑”等转动失效的问题,根据机组设备工艺特点和辊系受力情况,分析了辊系转动失效的机理;根据条元法、能量法和牛顿第二定律,确定了带钢单元临界打滑判断条件,并建立了辊系摩擦驱动力矩、外载荷合力、轴端摩擦阻力矩模型;在此基础上,构建了以转动动力因数为指标衡量沉没辊系转动能力的辊系转动失效临界判据模型。将该模型应用于某热镀锌机组,针对典型规格带钢的生产,分析了带钢张力、矫正辊插入量、刮刀刃辊面径向角度、刮刀力4种工艺参数对沉没辊系转动失效的影响。结果表明:增大带钢张力,对沉没辊转动能力有一定幅度的提升,但对稳定辊、矫正辊转动能力的影响不大;增大矫正辊插入量,沉没辊转动动力因数呈近线性递增,稳定辊转动动力因数先快速增加而后减小,矫正辊转动动力因数先增加而后缓慢递增,但矫正辊插入量增幅不宜大于5 mm;增大刮刀刃辊面径向角度,辊系各辊转动能力都有不同程度的提升;增大刮刀力,辊系各辊转动动力因数大幅减小,在过大的刮刀力设定下,稳定辊、矫正辊面临转动失效风险, 实际生产中建议稳定辊、矫正辊、沉没辊的刮刀力分别小于15、300、800 N。

为获得高扩孔性能的冷轧热镀锌复相钢,采用低C含Cr-Mo-Nb-Ti化学成分体系,充分利用合金元素的相变强化和析出强化作用,成功试制出新型冷轧热镀锌复相钢。对实验钢板组织性能进行了分析,结果表明:实验钢板组织为铁素体+贝氏体+马氏体,其屈服强度在570 MPa及以上,抗拉强度在800 MPa及以上,断后伸长率不小于10%,扩孔率不小于45%,具有良好的焊接性能与凸缘翻边性能。这是由于在裂纹扩展过程中,贝氏体、马氏体组织抵抗并削弱了裂纹尖端应力集中,阻碍了裂纹扩展并改变了裂纹扩展方向,从而提升了实验钢板的扩孔性能。实验结果还发现:扩孔试样表面有微小裂纹,微小裂纹的形成可分散应力,有助于延缓孔洞的聚集,防止微孔洞形成大裂纹而使材料破坏。因此,扩孔试样表面微裂纹越多,实验钢扩孔性能越好。

为提升40Cr冷镦钢热轧盘条的冷加工性能,基于稀土元素的有益作用,通过工业试验研究了稀土La元素对40Cr冷镦钢中夹杂物、凝固组织和热轧组织的影响。结果表明:添加质量分数0.001 8%的La元素后,40Cr冷镦钢中Al₂O₃·MgO·CaO·CaS夹杂物被改性成LaAlO₃·CaO·CaS复合夹杂物,夹杂物的数量减少、尺寸减小,形状趋于球状;40Cr冷镦钢的铸坯凝固组织显著细化,等轴晶区面积分数由30.34%提升至38.27%,(0001)LaAlO₃与(100)δ-Fe之间的晶格错配度仅为5.3%,LaAlO₃类夹杂物可以作为凝固过程中有效的非均质形核核心,细化凝固组织;40Cr冷镦钢热轧盘条的铁素体面积分数从29.4%提升至32.8%,硬度值由221.2HV 0.1/12降低至210.7HV 0.1/12。添加质量分数0.001 8%的La元素后,40Cr冷镦钢中夹杂物的有益化转变、凝固组织的细化、热轧盘条硬度的降低均有益于其冷镦性能的提升,研究结果为开发新型高品质40Cr稀土冷镦钢提供了理论支撑。

优特钢长材生产技术的进步、产品品质的提升和市场需求的扩大,促进了开坯生产工艺的复兴与发展。讨论了开坯生产的坯料选择及准备、加热、轧制、冷却以及在线与离线精整工艺,介绍了开坯生产线的主要布置型式、典型工程以及系列化牌坊式开坯轧机、无牌坊短应力线轧机的选型要求。提出了单机架往复式、半连轧布置可作为专业化开坯线的首选工艺布置方式,为优特钢长材开坯生产线的工程设计、生产应用提供参考。

在板带热连轧智能工厂的建设中,轧钢车间的“无人驾驶”理念深受推崇,而基于先进检测与智能控制技术的智能装备系统,是轧钢主流程远程、少人无人化集控的基础和前提。通过安装粗轧轧件镰刀弯、翘扣头及精轧轧件跑偏智能装备系统,对板带热连轧运行过程中的非对称因素进行高精度追踪和实时智能化管控,实现了对轧件侧弯、楔形、跑偏等非对称因素的粗精轧协同控制,助力板带热轧智能工厂的建设。其中,粗轧轧件运行非对称测控系统包括粗轧轧件镰刀弯测控系统和翘扣头测控系统;精轧轧件运行非对称测控系统包括精轧机架间轧件跑偏在线检测和自动控制系统。应用实绩表明:基于智能装备的板带热连轧轧件运行非对称测控系统在减员、产量提升、成材率提升、节能降耗等方面效果明显,为板带热轧智能工厂的稳定、高效、高质量运行奠定坚实基础。

轧后冷却直接影响热轧钢板的质量,在冷却过程中冷却集管流量是至关重要的控制参数。由于不能对流量进行实时监测会导致实际总流量与设定总流量出现偏差,因此将自学习模型应用在轧后冷却系统的冷却流量预测中可以提高流量的预测准确度。采用ETR自学习模型,以钢板宽度、钢板冷却时间、冷却集管开启组数等8个变量作为影响因素,以AH36钢为例进行冷却流量回归预测并得到预测结果。同时,将网格搜索超参数优化的ETR模型与随机森林模型、RNN神经网络模型、LightGBM模型、默认参数的ETR模型以及DNN神经网络模型的预测结果进行对比,结果表明:使用网格搜索进行超参数优化的ETR模型的预测结果均方根误差和平均绝对误差均较小,决定系数更接近于1,相对于其他模型具有更高的预测准确度,适合应用于轧后冷却系统的冷却总流量预测。

在中厚板生产过程中,中间坯厚度对钢板性能有重要影响,建立精准的中间坯温降模型不但有助于提高钢板性能稳定性,还可以优化轧制节奏,提高生产效率。为此,以工业生产数据为基础,采用Python方法研究了控轧钢板中间坯厚度、中间坯宽度、开始待温温度、结束待温温度以及天气温度等因素对中间坯温降速率的影响。结果表明:待温时间与中间坯厚度有强的正相关关系,与结束待温温度表现为中等程度的负相关关系,与开始待温温度存在弱的负相关关系,与中间坯宽度和天气温度之间的相关性极弱。在此基础上,基于机器学习方法建立了中间坯温降规律预测模型,模型决定系数R²达到0.901 3,经测试验证,温降模型预测精度较高,待温时间预测绝对偏差率介于-6%~6%,为产线工艺制定及轧制节奏优化提供了指导。

为保证高强HRB400E钢筋的力学性能,其化学成分中需添加Si、Mn、Nb、V、Ti等合金元素。我国Ti储量较大,其售价相对较便宜,为进一步降低成本,采用节能减耗的直接轧制工艺对含Ti高强 HRB400E带肋钢筋进行了研发。设计了含Ti高强HRB400E带肋钢筋的化学成分;由于Ti元素易被氧化,金属收得率低,研究了合金加入方式对Ti收得率的影响;开发了铸坯温度均匀性控制系统,以解决直接轧制铸坯头尾温差较大的问题;设计了3种控轧控冷工艺对含Ti高强HRB400E带肋钢筋进行了试制。结果表明:采用在出钢后喂钛包芯线的方式,Ti元素收得率可达到48%~53%;采用直轧铸坯温度均匀性控制系统,连铸坯头尾温度波动由100 ℃缩小到40~50 ℃,满足开轧温度要求;采用控轧控冷工艺,可进一步发挥Ti元素细晶强化作用,且将上冷床温度控制在900~950 ℃范围,HRB400E钢筋组织晶粒度达到10级,钢筋力学性能和表面质量综合性能最佳。

不锈钢/碳钢复合钢筋作为一种复合材料,其开发和生产对耐蚀工程应用具有重大意义。以S22053双相不锈钢为覆层,使用碳当量分别为0.450(1号碳钢)和0.297(2号碳钢)的两种碳钢作为基材,进行了不锈钢/碳钢复合钢筋的工业制备,对复合钢筋的宏观形貌、覆层均匀性、碳钢组织均匀性进行了观察,对力学性能和耐腐蚀性能进行了测试。结果表明:不锈钢/碳钢复合钢筋覆层厚度达到国标要求,基材为1号碳钢和2号碳钢的不锈钢/碳钢复合钢筋均具备高伸长率、低屈强比,其中1号碳钢基材的复合钢筋抗拉强度更高,2号碳钢基材的复合钢筋最大力伸长率更大,直径较小的复合钢筋的基材碳钢组织更为均匀;覆层S22053双相不锈钢的表面经过铜-硫酸铜-16%(质量分数)硫酸溶液煮沸20 h后,未发生晶间腐蚀倾向。所制备的不锈钢/碳钢复合钢筋的力学性能和耐腐蚀性能均满足GB/T 36707—2018要求。

当前,汽车制造企业针对大尺寸车型提出了宽度1 400 mm以上极限规格汽车用高强钢产品的需求,但其生产超过了传统酸轧机组的能力极限, 冷连轧过程中的轧制瓶颈问题日益凸显。为此,打破传统冷连轧“n+1”的轧制模式,提出了基于“等轧制力”模式的全机架轧制工艺,即第1~第5机架均采用大压下率轧制模式。研究了以平衡乳化液冷却和润滑为目标的高强钢润滑工艺技术,设计了乳化液黏度-温度、皂化值、ESI等指标,特别是在供第5机架润滑的S₃箱体采用了乳化液浓度动态调节系统,全压下模式下实现了第5机架9.1%的大压下率。此外,在轧辊制备方面,通过将磨床磨削液浓度提高至2.5%,将工作辊基辊粗糙度减小至0.30 μm,打毛机电流降低至10 A,实现了R_a= 0.75 μm小粗糙度毛化辊的制备,冷轧带钢粗糙度大于0.60 μm,符合后工序镀锌工艺的要求。采用全压下轧制模式后,机组最大轧制力从35 154 kN降低至29 542 kN,轧制力裕量达到11.7%,实现了宽度大于1 400 mm的极限规格1 000 MPa级别的高强钢的稳定轧制。

430不锈钢具有优异的耐腐蚀与冷加工性能,被广泛应用于家电、建筑、化工等行业。针对生产过程中其冷轧板表面出现白点缺陷而降低表面质量的问题,通过扫描电子显微镜对白点缺陷部位进行能谱分析及微观形貌表征,分析了白点缺陷的产生原因,并提出了改进措施。结果表明:430不锈钢冷轧板表面白点缺陷不存在非金属夹杂物和氧化铁皮,为表面凹坑沿轧向延伸形成的白点;抛丸酸洗后热轧板表面存在较深钢丸凹坑与酸洗腐蚀过度的沟槽导致表面粗糙度过大,因此酸洗工艺参数设置不合理是造成冷轧板表面形成沿轧向延伸的白点缺陷的主要原因。结合现场生产实际,通过降低热线抛丸转速至1 750 r/min、控制酸洗HF浓度范围为7~11 g/L,使得热轧酸洗板表面粗糙度由4.0 μm降低至3.0 μm,冷轧板表面白点缺陷比例由3%降低至0.3%以下,有效改善了430不锈钢冷轧板表面的白点缺陷,显著提升产品质量与用户满意度。

针对某镀铝锌机组生产过程中突发的带钢表面“眉毛”状缺陷问题,对带钢缺陷表面宏观及微观形貌进行分析,统计了锌锅面渣数量,对预熔锅锌液、预熔锅溜槽黑色异物取样分析,跟踪研究原料铝锌硅锭的生产工艺,明确了导致“眉毛”状缺陷的根本原因,并提出了改进措施。结果表明:镀铝锌带钢表面的“眉毛”状缺陷是铝锌硅锭中异物渣相引起的镀层缺陷,由于铝锌硅锭生产工艺的变化,导致铝锌硅锭中混入的异物渣相增多是导致“眉毛”状缺陷产生的根本原因。通过规范铝锌硅锭生产工艺及优化设备状态等措施可以严格控制异物渣相的产生。该镀铝锌机组停用含异物渣相的铝锌硅锭后,预熔锅面渣量恢复正常,镀铝锌带钢表面“眉毛”状缺陷得到了根本性的解决。同时,还对可能产生类似缺陷的其他原因进行了分析,提出了严格管控轧硬卷表面残留、防止耐材带入异物等措施。

鞍钢股份有限公司在开发含Ti冷轧超高强钢过程中出现其热轧带钢沿长度方向头尾部与中部抗拉强度差超过300 MPa,沿宽度方向边部与中部抗拉强度差超过200 MPa的情况,只能对热轧带钢性能波动较大部分进行切除处理,严重影响了后续冷轧工序的稳定生产及降低了整体成材率。为此,通过对含Ti和不含Ti热轧带钢在不同卷取条件下的力学性能、微观组织、第二相粒子析出以及冷却速率差异性的综合分析,揭示了卷取工艺对热轧带钢组织性能均匀性的具体作用机制。实验结果表明: 含Ti和不含Ti冷轧超高强钢来料热轧带钢头、尾部组织性能存在显著波动,其中含Ti热轧带钢头部组织为铁素体与少量的马氏体和贝氏体,尾部组织为少量细小的铁素体与大量马氏体和贝氏体组织,头部强度较中部高出100 MPa,尾部强度较中部高出300 MPa,其头尾性能均匀性相较于不含Ti的带钢更差。进一步分析发现:含Ti热轧带钢不同位置在卷取工序中的冷却速率不同,头、尾部冷却速率较高, 尤其是尾部,TiC第二相粒子细小、均匀弥散分布,以细晶强化和沉淀强化的形式进一步提升了尾部强度,这是导致组织性能不均匀的关键因素。为此,采用了U形卷取工艺,对于冷速较高的头、尾区域,通过提升卷取温度,以抑制马氏体和贝氏体组织的形成;同时,应考虑避开600 ℃细小TiC的最佳析出温度,通过调整热轧卷取机冷却工艺、卷取节奏和卷取后保温放置等手段对冷速进行整体控制,实现了热轧带钢组织性能均匀性的显著改善。

为了提高热轧钢板酸洗效率,以65Mn高碳钢及IF超低碳钢两种不同氧化铁皮结构的钢种为对象,研究了不同预热温度及不同酸液组分对酸洗效率的影响。结果表明:采用预热工艺,对于氧化铁皮结构相对疏松的65Mn钢热轧板显著缩短了酸洗孕育期,有效提高了酸洗效率;但对于氧化铁皮致密的IF钢热轧板效果不明显。同时,相同预热条件下,酸液组分对酸洗效率也有显著影响,当酸液浓度为101.2 g/L、Fe²⁺浓度为86.5 g/L时,预热温度为60~120 ℃,两种钢种的酸洗效率都没有明显变化;但当酸液浓度为150.5 g/L、Fe²⁺浓度为8.6 g/L时,65Mn钢热轧板仅需预热到60 ℃,酸洗5 s时,绝大部分氧化铁皮均已去除,相当于无预热时酸洗15 s的效果;当IF钢热轧板预热温度为120 ℃时,上表面酸洗10 s的效果相当于无预热酸洗30 s的效果。因此,氧化铁皮结构直接决定了钢板的酸洗特性,钢板预热工艺可在一定程度上缩短酸洗孕育期提高酸洗效率,但酸液组分及不同钢种的氧化铁皮结构对酸洗效率存在显著影响。