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。

为提高厚规格海工钢低温冲击韧性,使其获得良好的强韧性匹配,对某钢厂生产的80 mm厚EH36钢板的轧制与水冷工艺进行研究,实现对钢板组织的调控,达到优化厚规格海工钢强韧性匹配,提升低温冲击韧性的目的。试验采用了7种不同轧制与水冷工艺,并对试制钢板进行了拉伸性能试验、冲击性能试验以及金相组织观察。结果表明:在低碳微合金化的化学成分体系下,粗轧阶段至少2道次压下率大于10%、中间坯厚度为2h以上(h为成品钢板厚度),控制精轧终轧温度小于800 ℃、终冷温度小于300 ℃,可获得细化的针状铁素体、贝氏体组织,钢板强韧性匹配良好。进一步,将钢板在冷却前进行弛豫处理,再水冷至300 ℃以下,析出一定比例的先共析铁素体,并使组织得到进一步均匀与细化,使钢板冲击韧性得到了进一步提升。

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。

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。

基于热轧H型钢控轧控冷工艺应用现状,结合工程实例,详细介绍了控冷工艺在H型钢生产中的应用,包括控冷工艺布置、控冷模块的配置、冷却喷嘴的设置以及控冷工艺实施方案等。通过冷却曲线温度模型和现场实测数据相结合,可以有效指导H型钢的控冷工艺实施,在很大程度上减少H型钢冷却的不均匀性,保证产品在长度方向上形状和性能的均匀性,避免H型钢在冷却过程中出现腹板浪和裂纹等缺陷,提高H型钢综合力学性能,降低生产成本,可以有效指导H型钢的工业生产。

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。

为制定和优化18Ni(200)马氏体时效钢的热加工工艺,利用MMS-200热模拟试验机研究了18Ni(200)马氏体时效钢的热变形行为,建立了18Ni(200)马氏体时效钢的热加工图,并对其组织演变规律进行了分析。结果表明:在变形温度T=850~1 100 ℃、应变速率=0.01~10 s^-1、最大变形量ε=0.6的条件下,18Ni(200)马氏体时效钢的流变应力随着变形温度的升高或应变速率的降低而减小,而能量耗散率逐渐升高,动态再结晶进行得更充分;当真应变为0.2,流动失稳区面积最小,流动失稳区主要分布于高温高应变速率区域;18Ni(200)马氏体时效钢发生完全再结晶的变形条件为T=950 ℃、≤0.1 s^-1;T=1 000 ℃、≤10 s^-1;T=1 050 ℃、≤10 s^-1;T=1 100 ℃、≤10 s^-1。

超级奥氏体不锈钢的热加工性能对工艺参数(变形温度、应变、应变速率)的变化较为敏感。为了研究变形温度和变形速率对S32654超级奥氏体不锈钢热加工性能的影响规律,对其进行了热拉伸试验,热拉伸试验温度为1 050~1 200 ℃,应变速率为0.01~10 s^-1,并利用XRD和EBSD分析了S32654超级奥氏体不锈钢在不同变形条件下的拉伸断口形貌及微观组织演变。研究结果表明:S32654超级奥氏体不锈钢在1 150~1 200 ℃、1~10 s^-1的变形条件下具有较好的热塑性,而在1 050~1 100 ℃,0.01~0.1 s^-1的变形条件下热塑性较差,在1 200 ℃、10 s^-1的变形条件下其峰值应力为269.5 MPa,最大真应变为0.4,断面收缩率为55.6%,具有最好的热塑性;观察试样断口形貌,发现S32654超级奥氏体不锈钢在低温低应变速率区主要呈沿晶脆性断裂,而在高温高应变速率区为韧性断裂;EBSD微观组织表明,高温高应变速率下动态再结晶的发生阻碍了裂纹的形成和扩展。此外,S32654超级奥氏体不锈钢再结晶晶粒区域存在大量的退火孪晶界,其动态再结晶机制以不连续动态再结晶为主。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

为揭示塑性增强型复相钢组织在退火过程中的演变规律,采用热模拟实验机和电子探针(EPMA)、电子背散射衍射(EBSD)、X 射线衍射 (XRD)等组织表征手段,开展了实验钢贝氏体相变动力学的研究,揭示了均热温度、过时效温度和过时效时间等退火工艺参数对组织演变的影响规律。结果表明:贝氏体保温相变过程中,当过时效温度为350~400 ℃时,发生贝氏体相变,相变完成时间为84~131 s;当过时效温度大于450 ℃时,基本不发生贝氏体相变,在保温结束后冷却过程中发生马氏体相变。在模拟连续退火过程中,随着均热温度的升高,实验钢贝氏体含量增加,铁素体和残余奥氏体的含量逐渐减少;随着过时效温度的提高,贝氏体含量减少,残余奥氏体的含量先增加后保持不变,晶粒尺寸在0~1.5 μm之间,主要集中在1 μm以下;随着过时效时间的增加,实验钢贝氏体含量基本没有变化,残余奥氏体含量增加。当连续退火工艺为均热温度880 ℃、过时效温度400 ℃、过时效时间600 s时,实验钢中残余奥氏体体积分数最大为10.83%。

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。

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。

汽车行业亟需研发低成本、高性能、轻量化的车轮钢,为此对800 MPa车轮钢进行了研发。考虑合金元素的作用及为了充分利用攀枝花地区的钒资源,基于C-Mn-V-Nb-Cr化学成分体系设计了车轮钢的化学成分。设计了其生产控轧控冷工艺:板坯加热温度1 200 ℃、保温2 h,粗轧温度1 100 ~1 000 ℃,共轧制3道次,压缩比为2.5;精轧温度860~830 ℃,共轧制6道次,压缩比为5.7;弛豫空冷15 s至750 ℃,然后水冷至430 ℃,再空冷至室温。对试制钢板的组织性能进行了检测和分析,结果表明:所试制钢板具有良好的力学性能,屈服强度690~720 MPa,抗拉强度860~870 MPa,屈强比0.80~0.88,伸长率20%~22%,在20~-60 ℃温度范围内冲击功不小于140 J,冷弯性能与扩孔性能均达到800 MPa级车轮用钢的标准要求。

针对攀钢在IT用热镀锌板开发初期频繁出现锌流纹、锌渣、镀层凹坑、色差等缺陷,以及锌花轮廓较大,镀层细腻度和均匀性差,产品合格率低的问题,需对其生产工艺进行优化改进。介绍了攀钢热镀锌机组设备工艺特点,对基板表面质量、锌液成分设计、炉鼻子工艺、锌锅工艺和光整工艺进行了分析和优化。生产结果表明:将基板表面粗糙度控制在0.8～1.8 μm,锌液成分中Al质量分数控制为0.21%～0.23%,锌液温度控制在(460±2)℃,带钢入锅温度控制在470～490 ℃,气刀压力控制为0.02～0.03 MPa,并采用大轧制力,高浓度湿光整工艺,IT用镀锌板合格率由64.54%提高到99.72%,并实现了批量稳定生产。

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。

中温含铜CGO硅钢大量用于制造变压器的铁芯,其性能提升对节能减排具有重要的意义。减薄带钢厚度是降低铁损的有效途径,但是随着冷轧压下率的增加,冷轧带钢中的Goss种子数量减少,抑制剂熟化加快,为CGO硅钢的产业升级带来了挑战。采用EBSD与SEM对不同工艺下CGO硅钢中间退火板与高温退火板的组织、织构与抑制剂进行了表征。结果表明:控制二次冷轧压下率为55％~60％的传统工艺已不适用于薄规格带钢的需求,传统工艺下中间退火板的Goss晶粒面积分数为2.81％,初次再结晶后Goss晶粒面积分数为0.742％,二次再结晶开始温度为940 ℃,导致偏转Goss晶粒也发生了异常长大,磁感应强度B₈=1.682 T;将一次、二次冷轧压下率从78％、54％调整为72％、64％,显著提高了Goss晶粒占比,中间退火板的Goss晶粒面积分数达到3.84％,初次再结晶后Goss晶粒面积分数提高至1.47％,在热处理参数不变的条件下促进Goss晶粒的二次再结晶更充分,成品板磁感应强度B₈提高至1.836 T;利用二次冷轧法工艺窗口较宽的特点在中间退火过程中新增了渗氮工艺,在未对CGO硅钢组织、织构产生影响的前提下,使AlN粒子在二次再结晶过程中析出,从而延缓了二次再结晶的发生,将二次再结晶温度提高至980 ℃,保证异常长大的Goss晶粒取向更精准,成品板磁感应强度B₈进一步提高至1.900 T。通过调控冷轧参数、在中间退火引入渗氮工艺,成功制备出性能优异的中温含铜CGO硅钢,为CGO硅钢的性能提升、节能降本提供了新思路。

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。

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。

对于耐候钢而言,表面致密铁锈的结构与性质是影响其耐蚀性能的关键因素。采用第一性原理计算方法,系统地分析了Cr、Mn、Cu 3种合金元素对Fe₃O₄耐腐蚀性能的影响。计算发现:Cr、Mn、Cu元素的加入可以有效保护Fe₃O₄表面的Fe原子,减小表层原子与次表层原子的间距,阻碍外部腐蚀性离子对表面Fe原子的腐蚀。其中,Cu原子可以有效降低Fe₃O₄表面能,增加Fe₃O₄结构的稳定性;Cr、Mn原子可以促进表面H₂O分子的分离,从而形成具有良好耐腐蚀性的FeOOH结构。Cr、Mn、Cu元素可以有效减小H₂O或Cl^-+H₂O腐蚀性环境对耐候钢表面Fe原子化学态的影响,降低Fe₃O₄对Cl^-与H₂O的吸附作用,最终提升Fe₃O₄的耐腐蚀性能。

针对2C1B免中涂工艺下SR04带钢电泳涂装后出现横纹缺陷的问题,研究了其表面形貌、力学性能与微观组织,并与未出现缺陷的正常带钢进行对比分析,明确了产生横纹缺陷的原因,并提出了针对性改进措施。结果表明:冷轧SR04带钢微观表面不光整以及铁素体晶粒尺寸分布不均匀是造成涂装横纹缺陷的根本原因。为此,提出了化学成分及全流程工艺的优化措施:通过添加硼元素、降低碳元素,以及综合优化热轧轧制润滑工艺、降低卷取温度,优化酸轧及平整工作辊表面形貌,降低退火均热温度,降低平整辊粗糙度及平整伸长率等措施,显著提高了冷轧SR04带钢表面形貌及铁素体晶粒尺寸的均匀性,从而解决了免中涂工艺下的横纹缺陷问题;优化后的SR04带钢产品综合质量达到了国外钢厂同类免中涂汽车外板用钢的优异水平。

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。

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。

采用热机械轧制和离线回火的工艺路线制备了Ti质量分数为0.12%的700 MPa级工程机械用钢,针对其组织及性能调控开展研究,以确定其最佳的回火工艺。将实验钢铸坯在1 220~1 250 ℃间进行加热后,在某2 250 mm热轧产线进行粗轧和精轧两阶段轧制,精轧终轧温度控制在840~870 ℃,热轧带钢经过层流冷却后在580~610 ℃范围内进行卷取。对冷却后钢卷横切后利用离线辊底式明火炉进行回火处理,回火温度控制为620、650、680 ℃。利用金相显微镜、扫描电镜、透射电镜等研究了钢板回火后的组织、析出物和力学性能。结果表明:回火处理使热轧组织中的M/A岛分解及晶粒内位错密度显著降低,同时析出大量细小、弥散的纳米级析出粒子,从而使回火后钢板屈服强度较热轧态提高105~139 MPa,抗拉强度提高45~82 MPa。随回火温度的升高,钢板内应力充分释放,显著提高了钢板的冲击韧性。实验得到650 ℃回火时钢板的综合性能最佳,可有效满足工程机械车辆的使用要求。

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。

针对DH980热轧带钢酸洗后出现色差缺陷的问题,采用等温氧化实验,对DH980带钢色差缺陷形貌特点以及晶间氧化规律进行了研究,明确了产生色差缺陷的根本原因。结果表明:DH980热轧带钢出现酸洗色差缺陷的主要原因在于热卷出现晶间氧化,拉矫后晶间氧化位置结合力降低易于发生开裂,酸液去除氧化铁皮过程中带钢晶间氧化位置出现酸洗裂纹,从而引起宏观色差缺陷,缓冷坑的慢冷速条件可增加晶间氧化层深度;在600~1 000 ℃等温氧化实验中,DH980带钢在700~1 000 ℃下均存在不同程度的晶间氧化,当温度降低至600 ℃时晶间氧化消失,800 ℃为晶间氧化敏感点温度,晶间氧化层深度变化与内外氧化竞争机制密切相关。通过优化卷取温度和酸洗速度,可消除晶间氧化,从而避免了DH980热轧带钢酸洗色差缺陷的产生。

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。

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。

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。

针对高碳钢SWRH82B盘条冬季生产中时效时间较长的问题,试验研究了SWRH82B盘条断面收缩率与自然时效时间的关系。结果表明:高碳钢SWRH82B盘条断面收缩率主要受其氢含量的影响,随着时效时间的延长氢质量分数持续降低,断面收缩率逐渐升高。-25~-20 ℃温度下,盘条时效15~17 d,氢质量分数降至0.24×10^-6时,断面收缩率升高至28%,随着时效时间的延长,氢质量分数及断面收缩率变化趋于平缓。提高时效温度、延长时效时间,可以减少盘条中的氢含量。为此,对SWRH82B盘条控冷工艺进行优化,将辊道速度由0.70 m/s 控制为 0.80 m/s,1号~3号风机开口100%,4号~6号风机开口90%,7号~10号风机开口70%,其他位置风机关闭,利用盘条相变后余热进行缓冷,实现了在线时效,时效时间可缩短至4 d,提高了生产效率。

为提高相变诱导塑性钢的性能,通过退火模拟实验,研究了等温处理对相变诱导塑性钢组织和力学性能的影响。结果表明:相变诱导塑性钢在300~370 ℃(M_s以下)进行等温处理时,随着等温温度升高,其抗拉强度和屈服强度下降,而伸长率增大,在等温温度为420 ℃(M_s以上)时,其屈服强度和伸长率均较低;相比于420 ℃等温温度,在300~370 ℃进行等温处理时,相变诱导塑性钢的微观组织相对细小,组织由板条马氏体﹑贝氏体及残余奥氏体组成;在等温温度为370 ℃时,相变诱导塑性钢中的贝氏体含量和残余奥氏体含量均较高,具有良好的力学性能。