近年来,我国轧制技术正处于从跟跑、并跑到领跑的快速发展阶段。在工艺与装备方面,我国在多模式无头铸轧制技术、宽厚板5 600 mm轧机技术、2 680 mm宽幅不锈钢热连轧技术、六机架六辊连轧机组生产高牌号硅钢技术、板带钢高精热处理工艺与装备技术、宽幅不锈钢超薄料关键生产工艺技术、热轧无缝钢管在线组织性能调控技术等一批工艺与装备技术创新与应用实践跨入国际领先水平。在钢铁产品方面,我国先进钢铁企业在汽车用钢、能源用钢、工程机械用钢、船舶及海洋工程用钢、低成本2 000 MPa级超高强塑性钢和部分特殊钢的实物质量基本跨入国际领先行列。在超高强钢“强度-塑性-韧性”调控机理方面创新性提出了“位错工程+TRIP效应”协同机制、“马氏体拓扑学结构设计+亚稳相调控”协同增塑新机制。同时,在轧制过程数字化、智能化赋能轧钢工艺高质稳定化生产方面也达到国际先进水平。综合来看,我国在轧制工艺、装备、产品以及数字化、智能化赋能等方面进展巨大,成效显著,但与国际先进水平相比,在轧制核心工艺与装备核心、大型轧机控制系统以及高端高质化产品技术创新等方面仍存在一定差距,部分核心设备、控制系统仍需进口。结合我国钢铁行业发展趋势,提出在轧制核心工艺及装备成套技术,高端高质化产品技术创新,与前/后工序、产业链结合的连续化高效化关键技术,数字化智能化赋能等需要关注的技术创新与发展方向。

冷轧带钢板形控制技术是钢铁工业领域的核心控制技术之一,其控制效果直接决定了带钢轧后板形质量并影响下游工艺进程。板形执行机构是实现板形控制的关键工艺手段,较低的机构模型精度会影响板形偏差的在线修正能力并易于产生板形缺陷。本文综合考虑轧制力、带钢几何尺寸等关键轧制参数对板形的影响规律,以及不同板形执行机构间的耦合作用机制,建立了包含二次影响系数的弯辊-轧辊倾斜协同设定模型;引入“过喷系数”概念,构建了考虑相邻乳化液喷嘴间部分流量重叠特性的分段冷却流量控制模型;为提升设定模型的精度和计算效率,基于启发式搜索理论制定了设定模型中各系数的寻优设置策略。以某厂1 450 mm UCM 五机架六辊冷连轧机组为应用平台开展工业试验,结果表明,本文开发的板形执行机构设定模型及设定策略可高效、准确地修正在线板形偏差,降低了设定模型的设置难度,并使板形均方根误差命中率提升了约8%。

冷轧无取向硅钢带钢凸度是窜辊量、弯辊力、轧制力等过程参数耦合作用的结果,传统的机理模型难以在生产中及时准确地对其板形凸度进行预测和优化。针对该问题,本文基于深度神经网络(DNN)与鲸鱼优化算法(WOA),提出一种针对硅钢冷轧过程带钢凸度预测和弯辊力、窜辊量优化模型。以冷轧来料宽度和凸度,各机架窜辊量、弯辊力等变量作为输入,对冷轧出口带钢C₂₅进行预测。以数据驱动模型的预测结果为导向,采用WOA对弯辊力和窜辊量进行优化,并引入拉丁超立方采样(LHS)来加速优化。结果表明,该模型可实现硅钢带钢凸度C₂₅的高精度预测,误差在0.5 μm以内的命中率达99.5%;通过对弯辊力和窜辊量的优化,实现了冷轧硅钢带钢凸度C₂₅降低0.89 μm,同时边降区域斜率降低13.9%,解决了冷轧硅钢边降过大的难题。

针对传统轧制力计算方法计算精度差的问题,本文提出了一种基于最小二乘支持向量机(PSO-LSSVM-AdaBoost)的预测模型,旨在利用机器学习的方法实现热轧H型钢水平辊轧制力的预测。首先,通过收集不同规格H型钢的尺寸参数、设备参数以及相关轧制参数等数据,运用孤立森林算法(IF)剔除异常值,构建一个多特征融合的轧制力数据集。随后,利用粒子群优化算法(PSO)对LSSVM参数进行优化,采用自适应AdaBoost算法的权重分配机制,进一步提升模型的预测能力;并与传统的支持向量机SVM、PSO-SVM、LSSVM、PSO-LSSVM、LSSVM-AdaBoost模型进行比较。结果表明,本文所建模型在预测H型钢水平辊轧制力方面,展现出更高的准确性和稳定性,可以为热轧H型钢的生产提供指导。

齿轮箱传动系统通常处于高速运行状态,其关键部件会受到严重磨损和冲击损坏,由于齿轮箱系统的复杂性,仿真模型难以准确识别齿轮箱故障。本文提出一种基于物理模型和数据驱动的数字孪生齿轮箱故障诊断方法。通过构造2个玻尔兹曼机,从传感器数据与刚柔耦合动力学模型的仿真数据中提取特征,将这2种模态的信息映射到高维空间组成联合表示,再与多层前馈神经网络相结合,形成用于实时故障检测的多模态信息融合模型。在数字孪生驱动的故障诊断方法实际应用过程中,虚拟空间和物理空间之间存在信息差距。因此,本文还构建了多目标蝗虫优化算法的自适应校正模型,提高了虚拟空间的高保真精度。本文所提出的数字孪生方法降低了物理和虚拟之间的信息误差,提高了齿轮箱故障诊断的准确性。

针对氢燃料电池用不锈钢双极板耐蚀性能不足和成本高的问题,通过以N代Mo和增加Cr含量来提高不锈钢耐蚀性能,制备了一种新型PEMFC双极板用奥氏体不锈钢。相较于316L不锈钢,该新型奥氏体不锈钢自腐蚀电位和自腐蚀电流密度分别提高0.208 V_MSE和降低3个数量级,其腐蚀敏感性和腐蚀反应速率均显著降低。恒电位(0.23 V_MSE,PEMFC阴极工作电位)极化6 h后腐蚀电流密度为0.34 μA/cm²,低于DOE2025标准要求(小于1 μA/cm²)。此外,该新型奥氏体不钢的极化电阻R_p为2.3×10⁶ Ω(约为316L不锈钢的41倍),显著降低了腐蚀反应速率。Mott-Schottky测试结果表明,该新型奥氏体不锈钢钝化膜具有更低的氧空位浓度,会抑制侵蚀性F^-攻击钝化膜从而提高其耐蚀性能。

传统Cr-Mo气瓶钢生产存在显著的强韧性倒置难题,且当前国内外研究表明其强度级别普遍小于1 200 MPa,无法满足未来对高压气瓶轻量化和安全性的要求。本文通过在传统Cr-Mo无缝气瓶钢中添加适量Ni元素,以及少量Nb、V元素,设计了化学成分(质量分数)为w(C)=0.25%、w(Si)=0.35%、w(Mn)=1.0%、w(Cr)=1.0%、w(Mo)=0.8%、w(Nb)=0.04%、w(V)=0.20%、w(Ni)=1.5%的高压无缝气瓶用钢,在完全奥氏体化温度区间进行8道次热轧后直接水淬至室温,设计了直接回火工艺与870 ℃淬火+回火工艺两种热处理工艺,研究了不同回火工艺下钢板的显微组织与力学性能。结果表明,直接回火工艺下钢板组织为扁平状组织,增加870 ℃淬火工艺后得到均匀细小的等轴晶粒,晶粒得到明显细化,由5.4 μm减小至2.6 μm,细化约51%;随着回火温度的升高,位错密度逐渐降低,直接回火工艺下钢板位错密度由6.511×10¹⁵ m^-2降低至2.019×10¹⁵ m^-2,位错回复速率更快。采用870 ℃淬火+回火工艺时,钢板综合力学性能明显优于直接回火工艺的钢板,-50 ℃横向冲击韧性得到明显改善,尤其在870 ℃保温1 h淬火+590 ℃保温2 h回火工艺下钢板性能最优,抗拉强度为1 361 MPa,屈服强度为1 310 MPa,伸长率为12%,室温横向冲击韧性为90.1 J/cm²,-50 ℃横向冲击韧性为86.3 J/cm²。

合适的加工工艺可以显著提高搪瓷钢板的使用性能。为了获得性能优良的搪瓷钢板,本文利用激光共聚焦显微镜、扫描电镜、电子万能实验机、双电解池氢渗透装置等研究了不同退火温度对搪瓷钢微观组织、力学性能及抗鳞爆性能的影响。实验结果表明,实验钢热轧板的显微组织由铁素体、少量珠光体和条状渗碳体组成,铁素体平均晶粒尺寸为30.2 μm,屈服强度为276 MPa,抗拉强度为364 MPa,断后伸长率为38.3%。实验钢冷轧退火板的显微组织由铁素体、退化珠光体和颗粒状渗碳体组成。在620 ℃退火时,铁素体平均晶粒尺寸约为10.4 μm,退火板屈服强度为317 MPa,抗拉强度为352 MPa,断后伸长率为40.1%。随着退火温度的升高,退火板的铁素体平均晶粒尺寸增加、强度降低、塑性提高。抗鳞爆性能测试结果显示,实验钢退火板的抗搪瓷鳞爆敏感指数T_H值约为16.4 min/mm²,具有优异的抗鳞爆性能,这主要归因于Fe₃C、(Ti、Nb)(C、N)和TiC等第二相颗粒对氢的强捕获作用。退火温度越高,晶粒粗化和第二相粒子长大导致界面面积逐渐减少,退火板的氢陷阱密度逐渐下降,T_H值逐渐下降,但抗鳞爆性能仍保持在较高水平。

海底管线钢的服役条件复杂,除需要具有更大管径和壁厚、承受更高压力及优异的低温落锤韧性外,还要求具备抗酸性能。本文以抗酸管线钢X70MS为研究材料,基于低碳抗酸钢化学成分,通过添加 Nb的合金设计思路,采用TMCP工艺调控钢的显微组织,实现了抗酸管线钢X70MS高强度与优异低温韧性的匹配。在此基础上,研究了不同Nb含量对其显微组织的影响,并通过氢渗透实验、充氢慢应变速率拉伸实验作为表征手段,分析了Nb含量对管线钢氢脆敏感性的影响。结果表明,随着Nb含量的增加,实验钢组织得到细化,位错密度增加,并促进了(Nb,Ti)(C,N)的析出,因此强度升高。在A溶液条件下,Nb碳氮化物的氢捕集和引起裂纹萌生的能力低于氧化物和硫化物,不同Nb含量实验钢均具有良好的抗氢致开裂性能,试样表面没有氢致鼓泡出现。实验钢经浸泡处理后,氢致裂纹附近均伴随有含氧和硫的夹杂物产生。随着Nb含量的增加,实验钢的氢脆敏感性升高。当充氢时间为5 h和10 h时,实验钢的伸长率明显降低,但对强度影响较小,充氢时间为20 h时,因捕获氢和游离氢的含量显著增加,实验钢的伸长率和抗拉强度急剧下降。

针对新能源汽车驱动电机用无取向硅钢的制备要求,本文通过调整常化工艺获得了组织相近的不同厚度常化板,再通过冷轧和退火,获得了厚度0.25 mm的无取向硅钢钢板,研究了冷轧压下率以及退火温度对无取向硅钢钢板组织、织构以及磁性能和力学性能的影响。结果表明,随着无取向硅钢热轧板厚度的减薄(即冷轧压下率减小),冷轧板中不利织构{223}<110>和{111}<110>的强度逐渐降低,最终退火板的织构得到改善,织构因子提高了约0.14~0.63。铁损P_10/400降低了0.2~1.3 W/kg,磁感应强度B₅₀提高了0.01~0.02 T,屈服强度仅下降了2~11 MPa。随着退火温度的提高,3种不同初始厚度热轧板对应退火板P_10/400降低了0.3~0.8 W/kg,B₅₀先升高后降低(当退火温度为940 ℃时取得最大值),屈服强度下降了3~13 MPa。因此,通过减薄初始热轧板,能够减小冷轧压下率,同时配合退火工艺的优化,可以改善成品板织构,提高无取向硅钢钢板的磁性能。

321不锈钢极薄带在电子产品和各类精密仪器设备中扮演着重要角色,本文采用自主研发的金属微成形轧机,通过调整异速比和前后张力,研究了321不锈钢极薄带异步轧制过程中轧制力和终轧厚度的变化规律。结果表明,增大异速比能有效降低轧制力并提高轧机的减薄能力。同时,通过电化学实验分析了冷轧压下率对321不锈钢极薄带腐蚀性能的影响,发现随着压下率的增加,极薄带腐蚀速率加快,耐蚀性降低。XRD图谱分析结果表明,随着压下率的增加,321不锈钢极薄带奥氏体含量减少,马氏体含量增加,导致其腐蚀性能降低。

围绕提高某钢企冷轧电工钢产线月牙剪剪切断面质量,降低轧制断带发生率的目的,本文对月牙剪剪切工艺参数优化展开了技术攻关,系统研究了剪切工艺参数对剪切质量的影响规律。在正交试验理论指导下,设置了月牙剪剪切参数组合仿真工况,通过改变月牙剪的咬入深度、剪切间隙、剪切速度和板带厚度,研究了剪切工艺参数变化时板材不同区域的受力以及特征带变化规律,量化了剪切工艺参数对电工钢板带边部剪切质量的影响,继而使用响应面法分析并优化电工钢相邻板卷头尾部位月牙剪剪切区域工艺参数。结果表明,较小的咬入深度会引发月牙尖端区域显著的应力集中现象;而剪切间隙的增加则扩大了最大应力区域,但在间隙小于0.2 mm时,断口形貌更为平整,剪切质量更好。剪切速度和板带厚度共同影响剪切断面的剪切带厚度及均匀性。当剪切速度小于2 500 mm/s时,剪切带厚度占剪切断面厚度比例较高(约36.5%),随着剪切速度进一步增大,剪切带厚度逐渐减小;板带厚度的增加使剪切带厚度增大,但其占比下降,表明板带厚度的增加可能在某些条件下改善剪切稳定性。通过响应面法对多因素耦合作用进行分析,确定了在剪切间隙为0.17 mm、板带厚度为2.3 mm的条件下,最佳工艺参数为咬入深度8 mm和剪切速度862 mm/s。该优化组合显著提升了高牌号电工钢月牙剪剪切的质量稳定性,为实际生产提供了有效的理论支持和参数指导。

为提升DR材成形性能,本文对比了α相再结晶退火和α+γ两相区退火两种不同退火工艺对一种高强DR材组织和性能的影响,通过激光共聚焦显微镜、SEM、TEM观察了样品显微组织,采用洛氏硬度计检测了样品表面硬度,采用拉伸试验机检测了样品力学性能。结果表明,α相再结晶退火工艺下DR材显微组织为铁素体+渗碳体,铁素体晶粒尺寸差异较大,粗大渗碳体离散分布在铁素体晶内和晶界位置。α+γ两相区退火工艺下DR材显微组织为铁素体+珠光体,铁素体晶粒呈等轴状且尺寸分布均匀,珠光体岛分布在铁素体晶界位置,片层间距达到约150 nm。两种不同退火工艺下,DR材表面硬度均控制在(73±4)HR30T。相比α相再结晶区退火,α+γ两相区退火工艺下DR材表面硬度提高约1.5个单位,屈服强度R_p0.2提高约25 MPa,抗拉强度R_m提高约30 MPa,断后伸长率A₅₀提高约4.0%。α+γ两相区退火工艺下,冷轧残留的粗大渗碳体得到充分回溶形成奥氏体,且在均热后的冷却转变中形成尺寸均匀的等轴铁素体晶粒和片层间距细小的珠光体球团,这是材料强度获得提高且塑性得到显著改善的主要原因。

GCr15轴承钢显微组织中渗碳体和基体的协同调控,是确保轴承长寿命、高质量稳定服役的关键技术,而预处理工艺是调控最终碳化物形态分布的关键。本文研究了GCr15轴承钢在等温球化退火(SA)和高温固溶+等温淬火+高温回火(HQT)两种预处理下基体组织与碳化物的协同演变规律。结果表明,SA工艺下试样获得了无畸变的等轴铁素体晶粒与均匀分布且球形度较高的碳化物;HQT工艺下试样组织为针状马氏体、细小贝氏体和杆棒状碳化物;两种工艺下碳化物的体积分数接近,但HQT工艺下碳化物的等效粒径仅约为SA工艺的1/4;同时,HQT工艺下试样大小角度晶界密度、几何必须位错密度以及显微硬度均显著高于SA工艺;此外,分析了HQT工艺下碳化物的析出特征以及不同形态碳化物中元素富集情况。研究结果为GCr15轴承钢热处理工艺的精准调控、高性能轴承产品的研发生产提供了理论依据。

针对加热炉存在均热段铸坯头尾温差大、燃烧质量差、吨钢能耗高等问题,采用钢铁全流程工艺过程数字化仿真平台和黑匣子炉温跟踪试验,对铸坯司炉工艺和加热温度均匀性进行了研究,并提出炉况优化措施。结果表明,铸坯司炉工艺参数合理,均热段临近出炉时铸坯尾部温度1 190 ℃,高于工艺温度1 160 ℃的要求,且较铸坯头部温度高50 ℃,主要原因是加热炉北侧烧嘴堵塞;为保障北侧加热能力,增大了煤气供应量,南侧加热能力随之增大,导致南侧即铸坯尾部的温度偏高。优化北侧烧嘴后,铸坯头尾温差缩小至5 ℃以内,吨钢煤气消耗量下降30 m³,碳排放减少8 254 t/a。

高品质中高碳钢,例如弹簧钢等,对脱碳层的类型与厚度有着严格的控制要求。本文针对28SiMnB弹簧扁钢,在700~1 000 ℃温度区间进行了等温氧化与脱碳实验,分析了氧化层与脱碳层形貌,研究了氧化与脱碳的耦合作用机理。利用Pt标定确定了内、外层氧化铁皮界面,通过EDS确定了内层氧化铁皮为Fe、Si和Cr的多元氧化物,外层氧化铁皮由Fe₃O₄、FeO、Fe₃O₄+FeO的3层结构构成;加热温度为700 ℃时未观察到脱碳层,加热温度为800、900、1 000 ℃时试样均仅存在部分脱碳层,且厚度分别为 290、360、470 μm,但未发现完全脱碳层,其原因可能为内氧化对脱碳层的消耗以及氧化和脱碳的耦合作用。

为研究控冷工艺对超高强预应力钢绞线用ø14 mm规格82B盘条组织性能及冬季时效期的影响,本文设计了两种控冷工艺,工艺1采用低辊速大风机功率,相变前冷速较慢,控冷曲线上并未体现出相变区域;工艺2采用高吐丝温度、高辊速及大风机功率,同时降低保温罩中的辊速。利用扫描电镜、EBSD、拉伸试验机等实验设备分析了盘条组织及力学性能。结果表明,通过调整辊速和风机功率,将盘条相变前冷速从5.2 ℃/s提升至13.8 ℃/s,可将盘条珠光体片层间距细化19.8%,珠光体球团尺寸细化21%,从而使得盘条抗拉强度从1 180 MPa提升至1 252 MPa,其中细化片层间距对提升强度贡献比例达到76%。盘条中H元素的扩散使得盘条断面收缩率随时效时间的增加而增加,而通过延长盘条在斯太尔摩风冷线上中低温段停留时间,可将盘条的断面收缩率提升50%,将冬季时效期缩短至10 d左右。研究结果为大规格82B盘条控冷工艺优化提供了新思路。

随着宽厚板产线的运行,轧机辊系相关部件尺寸由于设备磨损、装配精度及辊系调整而发生变化,会影响轧制线的高低和辊系的正常动作。本文分析了轧机辊系结构和辊系相关尺寸对轧制线的影响,并据此对轧制线进行调整以满足轧制工艺要求。同时,在现有辊缝设定值的控制过程中,优化了二级系统计算的设定值传递过程,提前接收二级道次表和预先计算设定辊缝,并对上下辊系辊缝的分配进行了优化,减少了轧机的等待和定位时间。通过对轧机辊系结构的研究和辊缝时序控制的优化,避免了轧制线对辊缝定位和轧制过程的不利影响,同时进一步提升了轧制控制水平和轧制节奏。

新能源汽车用高性能电工钢属于薄规格、高牌号无取向硅钢,其硅、铝含量高,脆性大,冷轧生产难度大,断带率高,成材率低。本文通过观察常化板剪切断面形貌和金相组织,明确了常化、剪边工序产生边部缺陷的原因,经过力学性能测试以及不同温度和压下率的轧制试验,得到冷轧第1道次带钢入口温度、道次压下率和出口温度与断带的关系。据此,对生产工艺进行了改进:将剪切带控制为不小于1/2带钢厚度且不大于3/4带钢厚度,对带钢边部进行加热(或保温)至60 ℃及以上,采用硬质合金刀片,圆盘剪剪刃间隙为板带钢厚的10%,搭接量为1.5～2.0 mm;优化常化炉炉内温度和出炉后带钢的冷却模式,提高炉内温度的温差精度和冷却的均匀性;冷轧开轧时带钢的温度应设定在60~150 ℃之间,如采用二十辊轧机生产,因其工作辊辊径小,散热快,应将开轧温度设定在75~125 ℃之间,第1道次压下率不小于35%。采用以上措施,使新能源汽车电机用硅钢冷轧断带率从原来的38.6%降低到0.56%,成材率提高了约3%。

针对采用罩式退火工艺生产加B低碳冷轧带钢时出现横折纹缺陷的问题,本文通过微观组织表征和拉伸性能测试,分析了带钢化学成分对横折纹缺陷的影响。试验结果表明,N和B原子分数比(y(N)/y(B))对成品带钢横折纹缺陷有显著影响,且随着y(N)/y(B)的提高,横折纹缺陷得到明显改善。其主要机理是随着y(N)/y(B)的提高,晶界聚集固溶的B含量降低,相应地减少了晶内固溶的C含量,使带钢拉伸曲线的屈服伸长率减小,屈服效应减弱,从而避免了横折纹缺陷的产生。

针对某企业生产的热镀铝硅IF钢带钢在沿海地区客户的加工使用过程中表面出现白点缺陷的问题,采用扫描电镜(SEM)及能谱仪(EDS)对白点缺陷、正常部位表面和截面微观形貌及成分进行了分析,发现白点缺陷部位O、C元素含量较高,以及含有正常部位不存在的Cl元素。分析认为,这主要是由于带钢镀层表面钝化膜过厚引起钝化膜产生龟裂裂纹,使沿海地区含盐湿热气候中的Cl^-通过裂纹扩散,使镀层产生电化学腐蚀而导致白点缺陷。为此,提出了相应的改进措施,即通过减小带钢表面粗糙度、稀释钝化液浓度、降低钝化速度等方式来减少残留钝化液,从而抑制钝化膜裂纹产生,最终消除了镀层表面白点缺陷。

针对某高速线材机组生产的30MnSi ø12 mm盘条在用于加工预应力混凝土用钢棒进行头部镦粗时,部分钢棒镦头发生开裂的问题,本文通过对开裂试样进行裂纹形貌观察、夹杂物分析、显微组织和成分分析,研究了开裂原因并提出了相应措施。结果表明,预应力混凝土用钢棒镦头开裂是由于钢坯中磷、硫含量偏高,且形成偏析,轧制过程中产生了耳子缺陷,使轧制成品形成折叠、包线缺陷,拉拔扭转螺旋肋时在最大切应力作用下折叠、包线进一步扩展为裂纹而造成的。为此,针对关键工序提出了相应的改进措施:炼钢及精炼过程严格进行成分控制,最大限度降低磷、硫元素含量,提高钢水纯净度,减少成分偏析与波动幅度;按工艺技术规程进行轧制,合理设计孔型,准确计算压下量和宽展,精确调整辊槽和导卫位置,减轻或消除成品前轧件的耳子、飞边、划伤等缺陷,以及包线、折叠、翘皮、结疤等表面缺陷;拉拔过程中使用适当的润滑剂,以减少摩擦和热量的产生,从而降低产生裂纹的风险;镦头前要重点关注端部感应加热的温度,控制在(900±20)℃为最佳。采用改进措施后,消除了预应力混凝土用钢棒镦头开裂这一现象。

热轧等边角钢是输电铁塔的主要原材料。本文列举了角钢在输电铁塔应用中存在的典型质量问题及标准不足,概述了输电铁塔用角钢应用技术特点,回顾了热轧角钢产品标准制修订历程,分析了角钢冶炼及热轧工艺进展,总结了现阶段输电铁塔用热轧角钢标准制修定的基础与原则。重点介绍了团体标准T/TEC 352—2020《输电线路铁塔用热轧等边角钢》技术特点、实践成果及工程应用情况,以及对我国角钢、型钢类国家标准工业标准化的积极影响。