针对高品质板带生产过程中板形、性能以及表面质量等关键指标综合控制的难题,介绍了我国在高品质板带形-性-表综合控制技术方面取得的成果。从热轧板带平直度检测、轧辊及板形状态的智能预报系统、弯辊及轧辊轴向横移综合控制模型以及冷热轧工序板形前馈控制等方面,介绍了多模态信息融合检测与多机架多工序协同的板形控制技术;从热轧跨工序过程显微组织参数与力学性能控制模型及热连轧带钢组织性能预控等方面,介绍了基于大模型的热轧过程工艺与力学性能控制技术;从板带表面缺陷无监督分类检测算法以及表面缺陷及特性综合控制等方面,介绍了高品质板带表面特性智能模拟及控制技术。在此基础上,叙述了该技术成果的现场应用情况,并对高品质板带形-性-表综合控制的发展进行了展望。

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。

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。

海洋工程装备在严苛的服役环境(高盐、高湿、冲击载荷等)下面临轻量化与高强韧协同设计的挑战,传统海洋平台用钢难以兼顾轻量化与力学性能的需求,而Fe-Mn-Al-C系轻质高强钢因其低密度(较传统钢减轻10%~20%)、高强度和良好的焊接性能,成为极具潜力的替代材料。目前在“轧制+固溶处理”工艺下,Al元素含量合理设计是Fe-Mn-Al-C系轻质高强钢性能提升的重要手段。采用光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、电子背散衍射技术(EBSD)等表征手段,分析了阶段制备工艺轧制+固溶处理条件下Al元素含量对Fe-Mn-Al-C系轻质高强钢组织性能的影响。结果表明:Al元素质量分数分别为5%、8%、12%时,实验钢经轧制处理后,其显微组织由奥氏体和铁素体组成,随着Al元素含量的增加,奥氏体形态由等轴状向针状转变,大角度晶界比例由57%提高至89%。Al元素质量分数为8%的轧态实验钢表现出最优强度-塑性匹配,抗拉强度为747 MPa,伸长率为28.3%;经1 000 ℃固溶处理后,其综合性能进一步提升,抗拉强度为701 MPa,屈服强度为612 MPa,伸长率为38.3%,断口呈韧性断裂特征。通过Al元素含量优化与工艺调控,实现了Fe-Mn-Al-C系轻质高强钢双相组织的精准设计,为海洋工程用钢开发提供了理论依据。

将轧件的变形抗力计算与轧机辊系弹性变形的有限元计算相结合,建立了森吉米尔二十辊轧机轧制硅钢薄带板形控制模型。通过预设轧件板形计算的轧件变形抗力以及在该轧机轧制力作用下轧机辊系之间的弹性变形迭代计算,确定了支撑辊辊缝形状(ASU)调整和一中间锥辊锥度变化对轧件板形的影响规律。研究结果表明:支撑辊中部ASU调整主要对轧件宽度中心0.6 m的区域产生影响,对边部0~0.2 m区域几乎无影响;支撑辊两端ASU调整对轧件边部有影响,对轧件中间部分同样也会产生影响;增大中间辊锥度对改善距轧件边部0~0.15 m的板凸度有显著效果。通过优化计算辊系ASU调整和中间辊轴向横移量,使森吉米尔二十辊轧机轧制的薄带硅钢横向同板差平均下降超过25%,其生产的0.25 mm厚度薄带硅钢板形控制达到8 IU以下,有效提高了二十辊轧机其轧制硅钢薄带的板形控制能力。

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。

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。

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。

热轧粗轧板坯翘扣头是一种常见的非对称板形缺陷。传统的粗轧板坯翘扣头控制方法为板坯头部整段控制,容易导致板坯头部翘曲过高而撞击产线设备,影响轧制节奏的问题,通过有限元仿真,提出了一种粗轧板坯翘扣头分段控制方法,即分雪橇系数作用阶段和上、下辊速反转阶段控制,并验证了其有效性。借助机器视觉技术获得道次间板坯头部上翘或下扣程度,采用所提出的分段控制方法结合翘扣头测控系统,计算出相应的翘扣头调整量,在下一道次轧制前自动下发,实现了板坯翘扣头自动控制。应用结果表明:分段控制方法使板坯头部翘曲高度较整段控制减少了77.04%,显著改善了板坯翘扣头缺陷,提高了产品质量的稳定性。

中厚板在轧制过程中易出现多种平面形状缺陷,严重影响板材质量与成材率,进而制约产品性能与产线运行效率。作为保障成品外形质量的关键技术环节,平面形状控制长期以来受到轧钢领域的广泛关注。本文系统梳理了中厚板平面形状控制技术的发展脉络,涵盖了从基础理论、实验研究到工程应用的演进过程,并进行了简要阐述、对比和评论。在此基础上,进一步总结了近年来智能化装备与数据驱动控制技术在该领域的研究进展,并结合当前钢铁工业的智能化发展趋势,对平面形状控制的未来研究方向进行了探讨,旨在为技术优化与升级提供理论支持与思路借鉴。

针对采用连铸坯生产Cr、Ni含量较高的304L奥氏体不锈钢中厚板时易出现表面和内部裂纹的问题,研究了304L奥氏体不锈钢中Cr、Ni含量和热轧铸坯加热工艺对热轧钢板组织和高温热塑性的影响。结果表明:Ni元素含量的增加使得304L奥氏体不锈钢中铁素体向奥氏体转变更困难,从而使热轧态钢板出现较多的与轧制方向呈一定角度、连续分布的大尺寸铁素体相,钢板热塑性变差且出现了内部裂纹。Cr元素含量的降低使钢板中铁素体含量及与轧制方向呈一定角度、连续分布的大尺寸铁素体尺寸和数量减少,进而改善了钢板的热塑性。较高的铸坯加热温度和保温时间会加快热轧过程中残余铁素体向奥氏体的转变,从而减少热轧态钢板中出现与轧制方向呈一定角度、连续分布的大尺寸铁素体,进而改善钢板的热塑性。

针对冷连轧生产线四辊平整机工作辊换辊时间长、换辊装置可靠性低的问题,分析了四辊平整机工作辊换辊装置的结构和原理,通过综合分析换辊步骤和时序,将其中部分串联运行步骤优化为并行运行或搭接运行,找到了影响工作辊换辊时间的关键因素为AGC油缸运行速度。为此,采用恒功率泵变量特性对伺服液压系统进行优化设计,以提高AGC缸运行速度,大幅减少换辊作业时长;对换辊装置结构设计、检测元件选型和保障设备安装精度进行了优化和改进,以提高工作辊换辊装置运行的可靠性和稳定性。采用以上措施后,工作辊换辊时长由120 s以上压缩至90 s以内,而且运行可靠性和稳定性有明显改善,为冷连轧产线连续稳定生产和产品质量提高奠定了基础。

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。

在传统二十辊轧机轧制硅钢过程中进行极薄规格扩展时,设备能力的评估与工艺参数的选取采用经验与现场试验摸索的方式,缺少理论支撑使得设备损坏风险大、试错成本高,同时规格扩展后产品质量无法保证。针对以上问题,充分考虑二十辊轧机的设备和工艺特征,结合现场实际轧制数据,兼顾轧制稳定性与带钢表面缺陷控制,建立了一套二十辊轧机轧薄能力评估模型与技术,并开发了相应的轧薄能力核算软件。使用该软件可以实现对二十辊轧机硅钢轧薄能力的准确核算,将其应用于某钢铁企业冷轧硅钢厂,通过对核算最小产品厚度与实际出口产品厚度的对比分析发现,在保证小时产量,考虑轧制稳定性与缺陷控制能力的前提下,核算的最小产品厚度比实际产品厚度更小,产品厚度规格具有向更薄方向的扩展空间,为后续高牌号无取向硅钢和取向硅钢向更薄规格扩展的产品质量控制和轧制工艺的开发奠定了理论基础。

为了提高连铸特厚板坯探伤合格率,降低厚板生产成本和预防“白点”、“氢脆”、“点状偏析”等质量缺陷,克服传统实验手段检测特厚板坯氢扩散的难点,通过数值模拟的方法,研究了通过堆垛冷却方式使钢中氢浓度降低到安全范围的工艺,取得了良好的效果。由于连铸坯厚达400 mm,氢从其芯部扩散到表面所需时间较长,普通堆垛缓冷无法满足铸坯排氢的效果,采用缓冷坑以及缓冷坑加热方式进行堆垛缓冷,能进一步提升铸坯保温效果,从而使铸坯氢扩散更加充分。为此,建立了基于3种堆垛方式下的铸坯氢扩散数学模型,比较了普通堆垛、缓冷坑堆垛、缓冷坑加热3种堆垛冷却方式对铸坯氢扩散的影响,得到铸坯各位置处氢含量和除氢速率。普通堆垛、缓冷坑堆垛、缓冷坑加热3种堆垛形式下,底层铸坯的除氢率分别为58.93%、67.63%、71.98%。缓冷坑堆垛方式和缓冷坑加热方式不仅更有利于特厚板坯氢的扩散,而且可使特厚板坯上、下表面氢扩散更加均匀。

金相组织分析是钢铁材料研发过程中一项重要的分析手段,目前主要通过经验丰富的专家进行人工判别,费时且容易受到主观意识的影响。为此,研究了基于残差神经网络结构的金相组织智能分析方法,通过对残差网络模型进行改进,提出了基于迁移学习的改进残差网络模型以及基于注意力机制的深度残差收缩网络模型,采用两种不同的卷积神经网络模型在20种钢铁材料微观组织测试集上进行验证,实验结果表明:两种模型的准确率分别达到95.36%和95.79%,泛化能力强,最短平均预测时间仅为1.66 s/张。两种模型在钢铁材料金相组织特征分类方面具有一定的先进性,实现了金相组织类型分类的自动化和智能化。

在“双碳”战略驱动下,82B盘条生产工艺由传统长流程向电炉短流程的转型已成必然,但对短流程工艺生产的盘条近芯部出现马氏体异常组织的成因尚缺乏系统研究。为此,通过金相组织观察和对宏、微观偏析的定量分析与热模拟试验,并与传统长流程工艺生产的82B盘条组织进行对比分析,研究了再生钢铁原料+电炉短流程工艺生产的82B盘条中出现马氏体异常组织的成因,并提出了改进措施。结果表明:短流程-82B盘条近芯部附近Mn、Cr元素的偏析程度较长流程-82B盘条的严重,且残余元素Ni含量偏高使得82B盘条的C曲线右移,将马氏体生成的临界冷速由7 ℃/s降低至3 ℃/s,使相同冷速下短流程-82B盘条的马氏体含量均高于长流程-82B盘条。基于实验结果,对盘条的生产工艺进行调控,即将钢坯均热段温度由(1 120±10)℃提高至(1 160±10)℃、加热和均热段保温时间保持在100~120 min,盘条宏观偏析现象得到了明显改善,抑制了马氏体异常组织的生成。

Q355D角钢是极端严寒条件下输电铁塔的关键材料,对其低温冲击韧性的要求较为严格。采用体视显微镜(SM)、扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)、光学显微镜(OM)和透射电子显微镜(TEM),对不同化学成分Q355D角钢冲击断裂试样的微观组织和断口形貌进行了分析,阐明了冲击裂纹的萌生和扩展行为。研究结果表明:Q355D角钢化学成分中C、N含量会显著影响其低温韧性,C、N元素含量较高,会造成大块团珠光体组织增多,以及溶入金属材料晶格的间隙溶质增多,导致角钢塑性变差,脆性增加;此外,在C含量较高的试样组织中还存在带状组织,也导致了角钢塑性变差。在冲击不合试样中还发现了Al₂O₃夹杂物及第二相粒子富集、长大的现象,其导致了试样的脆断。为此,Q355D角钢C质量分数应不超过0.16%,以降低珠光体含量,改善珠光体团簇偏聚的问题;其生产中应精准添加脱氧剂和优化钙处理工艺,避免过量Al残留与氧发生反应生成Al₂O₃夹杂物;连铸采用数字化电磁搅拌工艺及轻压下工艺,以改善带状组织及中心偏析。采用以上措施后,实现了Q355D角钢的稳定生产。

Ni元素是钢中广泛使用的重要合金元素,其不仅能显著提高钢的抗蚀性和耐热性,而且能提高钢的强度、塑性和韧性;Ni基合金也因具有高强度和良好的耐热性能而被应用于制造航空航天高温结构件。虽然Ni元素在钢以及合金中的作用得到了充分发挥,尤其是在钢铁材料韧性/低温韧性改善方面起到了重要作用,但是其对钢的韧性提升物理冶金机制还未能取得充分认识。本文回顾了Ni元素在钢以及合金中的应用研究进展,进而对Ni元素改善钢的冲击韧性和焊接韧性的机理研究进行了综述,强调Ni元素对钢的冲击韧性的改善主要是通过细化晶粒、促进位错运动、增加大角度晶界比例、稳定奥氏体等发挥作用,而有效增加针状铁素体含量以及减少马奥岛(M/A)有害相则实现了对钢焊接韧性的提高。作为一种新型提高低合金高强钢强韧性的方法,本文简述了Ni-Cu合金化在低合金高强钢方面的研究进展,最后给出了含Ni钢的发展趋势。

针对汽车高强钢焊接冷裂纹、热影响区软化、韧性下降、残余应力等问题,为改善焊接接头组织性能,以Q960E汽车高强钢为研究对象,采用激光复合焊接试验的方法,研究了不同预热温度、淬火温度、回火温度等热处理参数对焊接接头组织及力学性能的影响。研究结果表明:Q960E高强钢焊接接头由焊接母材、焊缝、融合区、过热区、正火区组成;在预热温度100 ℃、淬火温度900 ℃、回火温度400 ℃时,母材为回火索氏体组织,焊缝为细小的贝氏体组织,融合区为细小的贝氏体和粗大的马氏体组织,过热区为粗大的贝氏体组织,正火区为贝氏体和马氏体组成的再结晶体;随着淬火温度的升高,焊接接头抗拉强度和屈服强度均呈现先增大后减小的趋势,断后伸长率呈现先减小后增大的趋势;随着回火温度的升高,焊接接头抗拉强度和屈服强度均呈现逐渐减小的趋势,断后伸长率呈现逐渐增大的趋势;预热温度100 ℃、淬火温度900 ℃、回火温度400 ℃时,焊接接头抗拉强度为1 150 MPa,屈服强度为1 075 MPa,断后伸长率为10.56%,其综合性能较优,该工艺为Q960E汽车高强钢最佳热处理工艺。

随着“双碳”战略的实施,钢铁行业对中厚板热轧轧制所需的电耗优化提出了更高的要求。为了实现中厚板热轧轧制电耗的量化计算与预测,通过构建电耗理论计算模型,开发了一套中厚板热轧轧制电耗计算软件。该软件可根据生产钢种及产品目标需求,制定轧制规程,并计算出各道次轧制生产所耗电能及单块板坯的吨钢电耗,为钢企量化中厚板轧制过程的电耗,优化轧制工艺提供数据支撑。通过与钢厂生产数据对比,在厚度命中率达到99%的情况下,该软件计算结果与实际生产数据基本保持一致,粗轧各道次电耗偏差保持在10%以内,粗轧吨钢电耗偏差为-3.12%~3.86%,能够准确反映钢板在轧制过程中的电耗。经过验证,该软件可以为开发新钢种与新工艺、钢厂排产、轧机主电机选型提供数据支撑,有助于钢企进一步实现节能减排,为钢企创造经济效益。

为适应绿色高效轧制生产,提出了双机架可逆式开坯轧制工艺;分析和对比了双机架独立可逆式、串列可逆式两种布置型式的优缺点。针对优特钢开坯生产灵活性要求高的特点,选用双机架独立可逆式布置更具优势。在此基础上,分析和探讨了平-平组合双机架独立可逆式开坯轧制工艺的配辊模式及轧制道次排布,计算并校核了典型钢种各道次温度及轧制力能,同时采用ABAQUS有限元软件对开坯轧制各道次的变形渗透性进行了模拟计算。结果表明:BD₁、BD₂轧机采用相同配辊方式,2架轧机机型相同,轧机备件统一,当轧槽重车时,2架轧机辊系交换使用;也可2架轧机二选一使用,另外1架检修维护,生产灵活性好。针对典型钢种的生产,开坯轧制钢坯整体温降在100 ℃以内,终轧温度可保持在950 ℃以上,满足相应钢种热加工温度窗口控制及其后续工序处理要求,并且机架间输送温降可控;此外,主电机参数及过载能力可满足典型钢种轧制力能参数的要求。经过前序2道次累积变形后实施较大压下量,钢坯芯部变形渗透性良好,对于尺寸为300 mm×390 mm的坯料,通过累计压缩比大于5的开坯轧制,可以获得断面变形均匀性良好的150 mm×150 mm轧制小方坯。最后,介绍了优特钢双机架可逆式开坯轧制的典型工艺布置,并对其在优特钢线棒材基地的应用前景进行了展望。

近年低能耗、低成本的CSP短流程技术在我国钢铁行业得到快速发展,但与传统热轧工艺相比,CSP产品屈服强度偏高,对冲压用钢的成形性能极为不利。为此,通过热模拟实验分析了DC04冷轧深冲钢奥氏体动态再结晶和冷却相变规律,建立了动态再结晶模型,并用于指导CSP产线生产实践,成功试制生产出富有{111}织构的冷轧深冲钢板。实验结果表明:CSP产线DC04冷轧深冲钢的动态再结晶模型为Z=ε·exp[295.21/(RT)],动态再结晶判断条件为Z=1.94×10¹⁰exp(61.34ε_c)、Z=2.57×10⁸exp(24.99ε_s),基于三维动态再结晶图判断出实际生产中带钢在F₃机架热变形处于奥氏体部分再结晶区域;采用F₃机架空过的方案进行试生产,得到的带钢组织多为等轴晶粒,带钢强度偏低,而F₃未空过的常规轧制工艺生产的带钢组织晶粒之间以尖角或直角接触,带钢强度较F₃机架空过方案所生产带钢高约30 MPa。在CSP产线F₁和F₂机架采用高温、大压下率、低变形速率轧制,使带钢组织发生完全动态再结晶,完成柱状晶到等轴晶的转变,避免了混晶的产生。对采用70%的冷轧累积压下率、710 ℃罩式退火,以及F₃机架空过和未空过方案生产的冷轧板性能进行了比较,F₃机架空过方案生产的冷轧板较F₃机架未空过常规方案生产的冷轧板强度差异不大,但伸长率A₈₀和r值均较高,分别达到45%和2.1,且有利织构{111}的组分较高,具有良好的深冲性能。

低成本不锈钢复合板不仅具有不锈钢的高抗氢性能,还具有高强度、耐磨等低合金钢的优点,这为开发优异抗氢性能的商业材料提供了新的视角。但是,就不锈钢/碳钢复合板而言,覆层微观结构对其抗氢性能的影响还不明确。因此,设计了不同变形抗力的基材(Q235、700L)来调控覆层的微观结构。研究了316L/Q235、316L/700L复合板不锈钢层、碳钢层的微观组织及其对复合板抗氢性能的影响。结果表明:对于316L/700L复合板,覆层316L不锈钢层优先再结晶,其氢脆敏感性指数由316L/Q235复合板的 9.8%降至5.9%。通过调控复合板两种材料的再结晶行为,316L/700L复合板覆层316L不锈钢的∑3孪晶界占比由316L/Q235复合板的0.79%增加至19%,高比例的∑3孪晶界对氢引起的裂纹萌生具有很高的抵抗力;同时,高比例的孪晶界破坏了大角度随机晶界的连续性,抑制了裂纹的扩展,有效地提高了复合板的抗氢性能。

为在中厚板轧机上生产得到组织性能及板形优异的宽薄规格9Ni钢板,通过试验和数值模拟的方法对叠轧工艺进行了研究。设计了9Ni钢的化学成分,测定了试验钢的CCT曲线,通过中试试验,获得了3 mm厚叠轧板,及合理的组坯焊接方式以及隔离剂成分。采用有限元数值模拟的方法分析了不同压下量时叠轧板的应力和应变分布规律,以制定合理的压下规程。结果表明:当压下量为10 mm时,叠轧板应力分布较为均匀;当压下量增加至15 mm及以上时,应力分布不再均匀,上板下表面与上板上表面应力分布明显不同,其边部应力较高,中心应力分布较为均匀。在中厚板轧机上开展了工业生产,粗轧开轧温度为1 150 ℃,精轧开轧温度为950 ℃,精轧终轧温度为810 ℃;根据试验钢CCT曲线,叠轧板冷速大于5 ℃/s时,可获得全马氏体组织,试验钢Ac₁和Ac₃温度分别为621 ℃和735 ℃,为得到完全奥氏体化组织,淬火温度必须高于735 ℃;为得到逆转奥氏体组织,两相区淬火处理温度须高于621 ℃,生产的5 mm厚宽薄规格钢板具有优异的综合力学性能,钢板平直度小于3 mm/m,符合标准和客户要求。

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。

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。

对于腹板高度H≥1 000 mm,且翼缘厚度h≥40 mm的大规格热轧H型钢,生产中轧制负荷较大,通过传统的低温大压下技术在现有生产装备上难以实现产品组织性能的提升。为实现热轧大规格H型钢的国产化,采用热模拟实验、光学显微镜、扫描电镜、透射电镜、拉伸和冲击试验,研究了轧制温度对Q420级HN1 109 mm×461 mm×21 mm×40.5 mm H型钢翼缘组织性能的影响。结果表明:万能段轧制温度由1 000 ℃降至900 ℃时,翼缘屈服强度升高,冲击韧性先降低后升高,其组织晶粒尺寸得到一定程度的细化,钒的碳氮化物析出数量增加,且尺寸逐渐减小;万能段轧制温度控制在900 ℃或1 000 ℃时,Q420级大规格热轧H型钢翼缘的组织及性能匹配较好。

针对现有冷轧光整机组人工干预过多造成大量降级品的问题,首先解析了现有光整机组的控制系统及核心数据库,形成了光整机组自动控制提升技术方案;其次,确定了恒伸长率及恒轧制力模式交替控制策略,完善了逻辑控制及执行控制模块自动功能,完成了控制系统核心数据库的拓展及精细化管控;最后,优化了恒伸长率及恒轧制力过程调整程序,制定了光整机组板形前馈预设参数及反馈闭环控制调节机制,完成了光整机组板形自动控制功能。将此研究应用于现场工业化生产,实现了光整机组基于在线数据的自动控制,机组自动化率提高到90%以上,减少人为操作且降低废品率。

为开发强度更高、综合性能更优的超高强预应力钢绞线,以87Mn盘条为原材料,研究了9道次拉拔过程中钢丝的组织性能变化及织构演变,揭示了其强塑性机理。结果表明:随着拉拔的进行,等轴的珠光体组织沿拉拔方向被拉长而细化,表现出明显的方向性,最终形成典型的纤维状拉拔组织;钢丝组织中的位错密度随拉拔应变量的增加而增大,且在拉拔前期增长速度较快,由2.35×10¹⁴ m^-2增长到4.59×10¹⁴ m^-2,拉拔中后期位错密度增长速度逐渐放缓;经过9道次拉拔,87Mn盘条的抗拉强度由1 170 MPa增加到2 085 MPa,伸长率由12.56%降低到7.20%。拉拔过程中的力学性能变化主要分为3个阶段:拉拔前期位错强化和边界强化共同作用,且位错强化的强度贡献增长明显,由189 MPa增长到了460 MPa,此阶段钢丝的强度随拉拔应变量的增加而升高,塑性显著下降;拉拔中期位错强化和边界强化共同作用,边界强化的强度贡献增长显著,由600 MPa增长到了806 MPa,位错强化增长速度减小,此阶段钢丝塑性下降趋势减缓,强度继续提高;拉拔后期大量的渗碳体发生溶解,固溶强化的强度贡献增大到149 MPa,此阶段边界强化、位错强化和固溶强化共同作用,钢丝的强度增长速度明显加快,塑性略有下降。

由于加热炉工序生产环境恶劣、控制系统耦合因素众多,始终是产线自动化程度薄弱的环节,影响产线智能化、数字化的进程。随着大数据技术的不断更新和发展,也逐步进入冶金工业领域,旨在采用数据挖掘技术,建立基于数据驱动的数学模型,以突破传统模型瓶颈。本文介绍了某场景基于大数据平台的加热炉燃烧智能控制系统的构建,采用大数据算法对加热炉燃烧过程进行智能优化控制,提高加热炉控制精度,炉温智能控制在线率不小于93%,出炉板温控制精度(±12 ℃)达93.2%,降低燃耗3.5%,从而实节能降耗、改善产品质量的目的。

在热轧过程中,钢坯位置定位至关重要,可以实现自动化的钢坯位置检测,从而提高生产效率和质量控制。但实际生产过程中,由于钢坯生产环境恶劣,造成钢板定位检测困难。针对上述问题,提出一种稳定的Yolov8钢坯检测算法:提出混合注意力机制网络,解决了金字塔网络中浅层特征丢失的问题,增加网络学习局部特征的能力,轻量化模型,提升检测精度。实施方法为:首先在网络中引入注意力模块,提高对图像细节特征信息的保留能力,提升目标的整体检测精度;其次,设计NPANet特征融合结构,加强对图像的多尺度特征融合能力;然后,改进卷积模块,轻量化网络模型;最后,改进损失函数,提高了算法的回归性能,降低稳定框生成误差。实验结果表明:改进的NDS-yolov8模型相比于初始网络结构,其权重文件大小由6.2 MB变为4.6 MB、浮点运算性能由8.1 GFLOPS变为6.4 GFLOPS、不同I_oU值时的平均精度(P_mA@[0.5∶0.95])提升0.5%。与实际场景中的真实值相比,NDS-yolov8网络模型在精度上相较于原始Yolov8网络模型误差显著降低,能够更准确地估计钢坯的实时位置,从而有效提升钢坯检测与定位的性能。

热基镀锌高扩孔钢兼具高成形性和高耐蚀性,可大幅提高汽车底盘零件的使用寿命而满足新能源汽车的需要。但由于增加了退火和镀锌工序,与酸洗板相比,热基镀锌板析出行为和组织性能的变化更为复杂,需要深入研究。利用光学显微镜、扫描电镜、拉伸试验机和成形试验机等设备,研究了卷取温度对580 MPa级Nb微合金化热基镀锌高扩孔钢组织性能的影响。结果表明:与570 ℃高温卷取相比,450 ℃低温卷取的热轧板晶粒相对细小,且保留了更多的位错等缺陷,储能相对较高,因此后续退火时再结晶驱动力大且形核位置多,使得镀锌板具有更为细小的晶粒结构;低温卷取可抑制热轧阶段Nb元素析出,使得多数Nb元素固溶于铁素体基体中或处于临界析出状态,在后续退火镀锌过程中,可获得更多尺寸细小且分布均匀的含Nb析出相,不仅对镀锌板屈服强度和抗拉强度有正贡献,而且会明显提高其扩孔性能。450 ℃低温卷取的镀锌板纵向屈服强度、抗拉强度和断后伸长率分别为503 MPa、602 MPa和20.5%,扩孔率均值达到95%,具有优异的力学性能及局部成形性能。

在中厚板生产过程中,钢板的边缘部分常常会出现不规则形状,这些不规则区域通常不适于进一步加工或使用,需要准确切除这些不规则的区域。为了提高剪切效率和准确性,本文提出了一种结合机器视觉及PLC控制的中厚板分段剪切全智能定尺技术。该技术首先使用张正友标定法对相机进行精确标定,确定相机与剪切机之间的空间位置关系,然后提取图像的RGB颜色值,进一步转换至HSV颜色空间,有效地提取图像特征,从而精确地识别钢板头部的端点,再利用像素坐标转换计算世界坐标系下端点间的距离。当检测到钢板头部宽度稳定且端点数量为两个时,系统自动判定为钢板头部的规则位置。随后,系统计算测长激光线边缘点到规则位置的距离,以此确定剪切目标位置。将目标位置发送到PLC控制系统,由PLC控制辊道进行定尺完成剪切动作。该智能定尺技术不仅提高了钢板头部端点识别的精度,还显著提升了剪切的精度和产品质量,定尺精度可控制在±5 mm以内。

凸度是热轧带钢一项非常重要的质量指标,实现精准的热轧带钢凸度诊断对提升热轧带钢生产控制水平至关重要。由于热轧带钢生产过程具有非线性、遗传性和强耦合性的特征,因此热轧带钢凸度诊断是一个具有复杂决策边界的非平衡问题。现有的带钢凸度预测模型更倾向于从多数合格凸度带钢中获取信息而忽略了更有价值的缺陷凸度带钢数据。为解决该问题,本文提出了一种基于混合重采样和代价敏感融合的带钢凸度诊断模型,通过人工蜂鸟算法获取最优代价敏感系数,将该模型与其他机器学习模型进行对比,该模型A_UC为0.889、缺陷召回率为0.870、测试时间仅为0.005 9 s,均优于其他模型。将模型用于在线诊断,缺陷凸度带钢检出率由82%提升至88%,带钢凸度达标率由59%提升至71%。

轧制力预测模型是冷轧设定控制系统的核心。由于冷轧过程中存在多变量、强耦合、非线性、时变性等复杂影响因素,导致传统轧制力理论模型预测精度低、经验参数依赖性强,无法满足高精度冷轧极薄带的生产要求。轧制力的设定主要取决于变形抗力和摩擦因数的计算精度,本文通过对经典的Bland-Ford-Hill 冷轧轧制力理论模型分析,建立了变形抗力和摩擦因数的逆计算公式,得到变形抗力和摩擦因数的真实值。然后,构建了差分进化算法(DE)优化的最小二乘支持向量机(LSSVM)模型(DE-LSSVM),将变形抗力和摩擦因数的真实值输入至DE-LSSVM中训练后,实现了对变形抗力和摩擦因数的修正,进而实现了轧制力理论预测模型的优化。实验结果表明:与传统轧制力理论模型相比,基于变形抗力和摩擦因数优化的轧制力预测模型的预测偏差可控制在5%以内。

目前对于690 MPa级海洋平台用钢板的生产通常采用离线热处理的方式,这不仅会浪费大量热量,而且耗时较长。本文对现有热处理工艺进行了改进,对轧后钢板采用在线热处理(即通过在线淬火+在线回火处理)工艺,并通过OM、SEM、TEM、EBSD对在线热处理后钢板的微观组织进行观察,通过万能试验机对其屈服强度、抗拉强度和冲击功进行测试,探究了不同在线淬火温度对钢板组织演变和性能变化的影响。结果表明:实验钢板经在线热处理后组织主要由回火马氏体、铁素体以及碳化物组成;随着淬火温度的提高,组织中马氏体数量和板条宽度增加、碳化物的析出量增加、大角度晶界占比降低,实验钢板屈服强度、抗拉强度增大,冲击功下降;实验钢板经850 ℃在线淬火后,虽然屈服强度较900 ℃在线淬火的低,但屈强比、冲击韧性较900 ℃淬火的高,综合力学性能最佳。研究结果为E690钢板生产工艺优化提供了理论依据。

L₂系统辊缝计算模型是热轧中厚板厚度控制的基础,尤其是采用反馈压力AGC控制时,L₂系统辊缝计算模型设定精度会影响中厚板头部厚度和通板厚度,进而影响中厚板成材率。某2 680 mm半连轧粗轧机采用压力反馈式AGC控制系统,存在轧制不锈钢中厚板厚度精度低的问题。为此,利用中间坯轧制过程数据和测厚仪实测冷态厚度数据进行多元拟合回归,针对异板差形成原因选取16项指标进行中间坯冷态厚度的相关性分析和通径分析。结果表明:各因素对中间坯冷态厚度的影响存在共线效应,设定辊缝、轧辊单位轧制块数、板坯出炉温度3个因素是中厚板轧制过程中异板差的主要影响因素。基于中间坯冷态厚度的3个关键影响因素进行多元拟合回归建模,将拟合回归模型用于R₇机架辊缝修正。经大量生产实践,拟合回归模型能够大幅提高R₇机架辊缝设定精度,使中厚板厚度命中率从84.47%提高至98.92%。

针对当前生产的SWRH82B盘条通条性能不佳、存在较高级别网状渗碳体和马氏体等异常组织以及索氏体化率低且不均匀等问题,本文基于某钢厂高速线材生产线,利用DEFORM-3D软件对SWRH82B盘条轧制全过程温度场进行了有限元模拟计算,分析了轧制过程中轧件的塑性变形对其表面和芯部热交换的影响。同时,研究了水冷工艺的优化。结果表明:在粗轧阶段,轧件表面的温度呈现逐渐下降的趋势,芯部温度下降缓慢;中轧阶段轧件表面温度呈现上升趋势,同时芯部温度下降较明显。轧件在预精轧阶段截面积逐渐减小,整个截面由于塑性变形生热而升温,使轧件表面和芯部温度均升高。在精轧和减定径阶段轧制时,轧制速度较快,轧件表面和芯部温度在短暂提升后经过水冷快速降低,随后经过芯部返温使表面温度升高。当1号~4号水冷箱和5号水冷箱对应的对流换热系数为400 W/(m²·℃)和300 W/(m²·℃)时,盘条在吐丝时的表面平均温度约为919 ℃,芯部温度约为939 ℃。经优化水冷工艺后,轧件断面温度均匀,模拟温度与实测温基本吻合,误差在±10 ℃以内;同时,盘条芯部马氏体组织显著减少,盘条抗拉强度相比水冷参数优化前提升约40 MPa,断面收缩率提升约8%。

带钢冷轧过程中张力能够改变带钢的变形抗力,引起厚度变化,而带钢压下量变化又将引起带钢张力改变,在张力和厚度相互影响下产生张力-厚度耦合波动。张力-厚度耦合波动是带钢冷轧生产中的常见问题,直接影响产品厚度精度和机组稳定运行。本文针对森吉米尔二十辊可逆冷轧机在薄带轧制中频繁出现张力-厚度耦合波动的问题,研究了厚度控制、张力控制和厚度自动控制(AGC)惯性补偿功能的结构原理, 得到入口带钢线速度突变是产生张力弹性振荡的起因,张力弹性振荡与AGC辊缝调节相互作用,导致张力和厚度耦合波动,因此轧制过程必须保持AGC惯性转矩补偿调节全程有效。为此,推导出AGC惯性补偿转矩计算过程,分析了AGC惯性转矩补偿失效的原因,通过优化开卷传动转矩死区参数和提高薄规格带钢尾部轧制阶段的张力设定,确保了AGC惯性转矩补偿在轧制全程有效,消除了张力-厚度耦合波动;同时,采用变速积分控制算法,消除了张力弹性振荡,提升了张力闭环控制精度。系统优化后,薄规格带钢轧制过程中张力-厚度耦合波动得到了明显抑制,稳态张力控制精度±3%,厚度控制精度±2 μm。