近40年来,轧制技术出现了翻天覆地的变化,这也带动和促进了轧制理论从经典到现代的蜕变,同时电子计算机在这种蜕变中发挥了至关重要的作用。首先,伴随着有限元解析算法的出现和快速发展、计算机存储与处理等能力的不断增强,一批商业化软件逐渐增加了求解轧制问题的功能,轧钢理论工作者逐渐掌握了ANSYS、MARC、ABAQUS等大型商业软件用法;近年来晶体塑性有限元的出现和发展,把对成形过程数值模拟的触角又推进到微观领域。其次,人工智能在轧制理论领域的应用,启发人们把目光从对轧制理论深层规律无止境的探索转向实实在在发生了的事情,从数据、模型、因果关系中挖掘出规律性,帮助人们间接地把握轧制过程的本质特征。还有,经典轧制理论的研究也没有停下脚步,传统的Karman方程遇到变厚度轧制这一新问题,升级为新的表现形式;甚至作为轧制过程运动学基石的秒流量相等原则在变厚度轧制中也受到撼动。可以看到:中国几代轧钢工作者经过40多年的学习、积累、赶超,现在已经进入到轧制理论发展的前沿,中国学者有能力、有信心肩负起用轧制理论来指导轧制实践发展的责任。

伴随着钢铁工业朝着产品高端化、高质化和生产高效化、绿色化、智能化方向的快速发展,热轧带钢高效与智能轧制技术取得了巨大进步,涌现出诸多创新成果。综述了近年来热轧带钢生产先进控制模型和专用轧制技术以及钢铁智能工厂建设的新进展。重点关注了加热炉智能化过程控制模型、辊系-轧件快速计算模型、力学性能预报模型、硅钢同板差控制技术、高强钢高次浪形控制技术、高强钢轧后冷却板形控制技术、常规热轧产线高效轧制技术、无头轧制产线边降控制技术、薄带铸轧产线板形调控技术、质量管控大数据平台、物料多维信息感知技术、热轧多区域集控技术、热轧多业务协同技术等内容。这些技术的不断创新与应用,锻造了热轧带钢生产新质生产力,提升了热轧带钢产品竞争力,推动了钢铁工业的整体技术进步。

依托基于先进检测与智能装备支撑的少人/无人化操维集控,以及基于工业互联网平台的多业务协同数字化业务管控,形成了“双智控”的轧钢智能工厂建设架构。然而,在研究与应用领域,对于智能装备的概念,并没有建立起清晰明确的定位认识。结合具体的技术模块描述与案例介绍,探讨了智能装备对智能工厂的作用效果与价值体现。首先,通过依托全流程表面检测的表面质量数字化管控、融合“平台+装备+视频AI+跟踪”的物料逐支跟踪、原料库与加热炉区域坯料检测与异常识别校核、智能化视觉检测装备辅助运维管理等案例,提出了先进检测增强感知支撑数字化业务管控的智能装备建设模式;其次,通过介绍多类工业机器人应用、热轧运行非对称检测与自动纠偏控制、中厚板轧机自动转钢、加热炉智能改造和直接轧制技术,展示了建设主生产流程设备控制系统协同的“测控一体化智能装备”,提升产品质量稳定性与生产自动化水平的发展趋势;还有,介绍了长材平面智能无人库技术、棒材轧后区域少人化技术,提出了针对缺乏自动控制、人工操作密集且工作环境恶劣的区域,通过多类型智能装备应用,实现生产效率、成材率等关键运行指标提升的发展模式。最后,展望了智能装备的发展趋势,即与主生产设备、关键质量控制更加紧密融合,实现面向高效化、高质化生产的“智能轧机”,并支撑数字化业务管控应用的完善,推动双智控“智能钢厂”建设水平的持续提升。

钢材热轧过程中,轧件显微组织演变、表面氧化与轧制力能负荷相互影响,构成了“牵一发而动全身”的复杂黑箱系统。长期以来,国内外一直采用数学模型分离求解,导致只能近似解析而无法实现精确求解,制约了产品综合质量的进一步提升。通过深度挖掘实验数据和热轧工业数据,我国开发出集力能、组织及界面耦合的热轧工业大模型,实现了热轧主流程的全面、精准解析。介绍了我国热轧钢材组织演变和力学性能预测技术的发展历程及最新发展方向,为钢铁行业数字化转型提供借鉴和参考。

近年来,我国轧制技术发展和社会转型对功能增强型钢铁材料的需求大大促进了复合板轧制技术快速发展。概述了近年来我国轧制复合技术的进步,主要介绍了轧制复合钢板的组织性能控制、基层与覆层组织控制及其加工性能。介绍了中厚板、热连轧、冷轧等典型轧制复合钢板产品及其示范应用情况。同时,指出由于大部分轧制复合钢板是全新的材料,针对具体应用场景的产品设计、制备、加工、安装应用全产业链技术和规范还不完备,需要有针对性地组织力量进行开发研究。

改革开放以来,我国无取向电工钢技术进步为钢铁、电工行业发展及国民经济增长做出了重要贡献。从无取向电工钢生产的全流程进行分析,结合生产技术、装备升级,系统阐述了冶炼、热轧、冷轧、热处理、涂层等关键工序的生产工艺进步;从织构控制、磁性能提升、硅钢强化技术等角度,深入分析了支撑生产工艺进步的相关材料学技术机理;围绕“高效、高端、绿色、智能”的发展目标,描绘了无取向硅钢的技术发展趋势。我国无取向电工钢已形成技术创新—产品进步—技术机理研究互相支撑的良好发展格局,预期未来我国无取向电工钢的技术水平和产品实物质量将继续呈现引领全球的发展态势。

板带材轧制过程的各工序都已达到较高控制水平,但工序耦合和工况复杂性限制了产品质量及生产效率的提升。如何提高模型精度与复杂工况的动态适应能力,实现工序内和工序间的各层次协调优化,是本领域面临的挑战性问题。数字化技术对提升产品质量和生产效率、降低成本、减少排放等具有重要作用,是推动钢铁企业转型升级发展、持续提升竞争力的关键。首先,分析了轧制过程的特点以及数字化升级的解决方案,提出了以工业互联网为载体、以智能感知和动态数字孪生为基础、以全流程多工序协调优化控制为核心、以信息物理系统(CPS)为支撑的板带轧制过程数字化升级的总体架构。随后,梳理了板带轧制过程中工业互联网、数字孪生模型、全流程协调优化和信息物理系统4个方面的数字化发展现状。最后,基于数字化发展现状,对板带轧制数字化技术的发展方向进行了展望。

对近年我国热轧宽带钢轧制技术的进步作了总结介绍,其中包括:我国热轧宽带钢产线及产量发展情况;常规热连轧高效轧制,轧制过程节能降碳,控轧控冷与低成本控制技术等热宽带钢生产技术;常规流程轧制、薄板坯连铸半无头轧制/无头轧制高强/超高强钢以及超薄带钢轧制技术;热宽带钢组织性能预测控制、表面质量及板厚板形控制技术;热宽带钢生产数字化、智能化技术进步等等。统计数据表明:无论是常规热连轧、薄板坯连铸连轧、无头轧制、薄带铸轧产线装备控制技术的进步,还是热宽带钢轧制工艺、产品开发、组织性能与质量控制,以及热宽带钢生产数字化、智能化、绿色化等的技术进步,都产生了从量到质的发展,对推动我国冶金科学技术进步及国家经济建设做出了重要贡献。

综述了我国冷轧行业在酸洗、轧制、退火、涂镀各工序及其核心装备以及在绿色化、智能化等领域的技术进步,展示了我国冷轧领域具有代表性的、全球领先的或全球首发或首创的技术成果、技术方法或产品,如高牌号电工钢冷连轧技术、冷连轧生产超高强钢技术、高磁感取向电工钢及极薄高强无取向电工钢轧制技术、超高强钢生产技术、高功能性及高耐蚀性镀层产品的开发等,以及在冷轧绿色化、智能化所取得的成就。通过我国冷轧行业的不懈努力,这些高效化、高端化、绿色化、智能化的成果为世界冷轧技术的发展做出了中国贡献。

材料基因工程中的材料高通量计算技术在钢铁产品研发中发挥着重要作用,可以帮助研究人员更深入地了解材料的性能和行为,如:化学成分设计、相图计算、力学性能预测、微观组织模拟、热力学和动力学分析等,加速新材料的研发进程,提高钢铁产品的性能和质量,为钢铁产业的可持续发展提供了有力支持。在对高通量计算技术基础理论与方法、关键技术、发展现状等方面总结分析的基础上,提出了高通量计算技术在钢铁产品研发中的应用思路。短期来看,高通量计算技术可以缩短研发周期、降低成本;长期来看,还可以实现钢铁产品的按需设计,充实钢铁材料数据库,为后续的材料开发提供方法和依据。

为满足舰船大型化、轻量化的发展要求,开发具有超高强度、良好韧性及优异焊接性能的新型舰船用钢,并实现其高效生产具有重要意义。采用扫描电子显微镜、电子背散射衍射、透射电子显微镜,对比研究了直接淬火(DQ)与再加热淬火(RQ)工艺对纳米级Cu-NiAl复合析出强化超高强钢组织与性能的影响。结果表明:DQ钢与RQ钢的显微组织均由板条马氏体组成,经过550 ℃回火后,DQT钢中形成了更细小的板条马氏体组织和更高的位错密度,为Cu-NiAl相高密度析出提供了更多的形核位置;与RQ钢相比,DQ钢具有更高的回火稳定性,回火后保留了更大密度和更高比例的小角度晶界。因此,在更显著的析出强化和细晶强化共同作用下,DQ钢回火后强度更高,屈服强度比RQT钢高100 MPa,达到1 425 MPa。

低密度钢中一般含有较高含量的Al元素,可以降低材料密度,达到更好的轻量化效果,但容易产生高温δ铁素体相,在热轧过程中形成粗大带状组织,难以通过热处理消除,最终造成钢材严重各向异性。针对上述问题,设计了一种化学成分为0.36%C-4.5%Al-7.6%Mn-0.31%V-0.31%Si-0.07%Ti的低密度中锰钢,研究了不同轧制方式(热轧和温轧)以及退火工艺参数(1 000、1 100、1 200 ℃保温30 min)对高温δ铁素体演变行为的影响。结果表明:随着退火温度的升高,实验钢中带状高温δ铁素体逐渐变为短棒状,奥氏体含量占比不断下降,且高温δ铁素体尺寸不断变宽,热轧试样中高温δ铁素体的宽度由3 μm增加到11 μm,而温轧试样中高温δ铁素体的宽度由0.5 μm增加到9 μm;随着退火温度的升高,带状高温δ铁素体中的大角度晶界增多,整个粗大带状δ铁素体晶粒被分割;在1 200 ℃退火时,热轧试样中高温δ铁素体典型晶界取向差为3.92°、13.4°和35.6°,而温轧试样中高温δ铁素体典型晶界取向差为42.2°、54.2°和58.5°。与热轧试样相比,温轧试样的短棒状高温δ铁素体更多且尺寸相对更细,温轧试样在1 200 ℃保温30 min,带状高温δ铁素体基本全部转变为短棒状,表明温轧工艺更有利于消除带状组织。此外,直接冷却试样容易发生脆断,低温回火能提高低密度中锰钢的力学性能,可使其强塑积从0.95 GPa·%大幅提升至29.36 GPa·%。

汽车轻量化是实现节能降碳的重要手段,具有强度高、质量轻、抗疲劳性能好等优点的热成形钢在汽车制造领域得到广泛应用,但在轧制过程中难以稳定控制其氧化铁皮。为进一步提高热成形钢的表面质量,利用SEM、EDS、LM光谱分析及热模拟试验等方法,研究了不同卷取温度及环境气氛下1 800 MPa热成形钢的氧化行为。结果表明:实验钢外氧化层主要由Fe₃O₄、FeO及Fe-Si尖晶石层组成;当卷取温度小于550 ℃时,无论在空气或氩气环境气氛条件下,实验钢均未发现内氧化层;随着卷取温度的升高,实验钢基体界面处出现点状内氧化,当环境气氛为空气时,内氧化层厚度由2.5 μm增加到5 μm;当环境气氛为氩气时,内氧化层厚度大于相同卷取温度下空气气氛条件时内氧化层厚度;当冷却速度为1.5 ℃/min时,随着卷取温度升高,内氧化呈现加重的趋势。

针对实际生产过程中热镀锌合金化钢板表面易出现白斑色差条纹缺陷的问题,通过对正常部位和白斑缺陷部位的形貌、成分进行对比分析,揭示了白斑缺陷的形成机理,并提出了工艺改进措施。结果表明:带钢灰色镀层表面沿长度方向分布的白斑缺陷具体表现为边部呈正常的深灰色,中部出现显著的白色条状斑迹;白斑缺陷实际为欠合金化缺陷,带钢中部欠合金化主要是由于出锌锅后的带钢头部板形不良出现C翘,导致带钢上表面中部的镀层厚度大于下表面,使得上表面Fe元素含量偏低导致白斑缺陷。通过优化热轧层流冷却、严格控制热轧平整机辊径、增加冷却段张力和减少调整锌锅纠正辊的压靠量等措施,有效改善了带钢C翘缺陷,取得良好效果。

在双碳背景下,开发更高强度、更好耐磨性的超级耐磨钢产品,可以进一步减少因材料磨损导致的经济损失和资源浪费。对抗拉强度1.9 GPa级超高强度耐磨钢进行了研发,通过合理的化学成分设计和热处理工艺,试制出具有良好综合性能的超高强耐磨钢,并研究了回火温度对其组织及力学性能的影响。结果表明:采用880 ℃淬火+180 ℃回火热处理工艺,试制钢板获得了较为优异的综合力学性能,其抗拉强度为1 951 MPa,伸长率为14%,-40 ℃冲击功为45.6 J。钢板微观组织为细小的板条马氏体,板条间存在少量的片状奥氏体,增加了钢板的韧性;各种强度增量贡献中,微合金化产生的Ti(C,N)和Nb(C,N)纳米碳化物提供了243 MPa的析出强化增量,在180 ℃回火后仍保留了高密度的淬火产生的位错,提供了828 MPa的位错强化增量。

为了满足我国钢铁行业转型升级对绿色、可持续发展的需求,需解决棒线材生产中能源损耗严重的问题。深入研究了棒线材连铸-直接轧制工艺的关键技术。该工艺是一种适用于普通棒线材生产的新型工艺,通过充分利用连铸坯冶金热能,可完全取消铸坯加热工序,从而实现节能减排、减少烧损的目的。从生产能力匹配、温度匹配、节奏匹配和生产管理4个方面研究和分析了棒线材连铸-直接轧制工艺的关键技术,推导了生产能力匹配和节奏匹配的数学表达式,研究了连铸至轧钢全过程铸坯温度的变化规律,并给出了连铸-直接轧制工艺一体化生产制度和典型工艺平面布置方案。研究结果表明:棒线材连铸-直接轧制是一种绿色、环保、低成本、高效益、高效率的生产方式,具有较好的经济效益和广阔的应用前景。

近年来,为了实现汽车构件的轻量化,各国在不断探索和开发低成本高强度金属材料。Q&P钢以高强度、高延展性及易焊接性能逐步成为汽车用高强钢的主流产品。研究了基于组织遗传性下原始组织对高强钢在热加工过程中相变行为的影响规律,以实现对实际生产工艺的优化。采用动态热力学模拟试验机、高温激光共聚焦显微镜(CLSM)、Axia Chemi 钨灯丝扫描电镜(SEM)等先进实验设备,原位观察了不同原始组织高强钢板奥氏体化和晶粒长大过程,以及冷却过程中的相变行为。实验结果表明:当终冷温度为350、550、680 ℃时,3种终冷温度下高强钢板的原始组织分别为“马氏体+铁素体”(M+F)、“贝氏体+铁素体”(B+F)和“珠光体+铁素体”(P+F)。综合比较发现,原始组织为“P+F”的高强钢板,其临界奥氏体化温度(Ac₁)为647.9 ℃,与奥氏体晶粒异常长大临界温度相差417 ℃,奥氏体晶粒的生长方式是晶界迁移与小晶粒合并,奥氏体平均晶粒尺寸为0.66 μm;马氏体开始转变温度(M_s)为362 ℃,因此具有较宽的热加工工艺窗口,利于工业生产Q&P热处理工艺的柔性调控。

在传统生产工艺流程中,奥氏体不锈钢热轧卷需要进行离线固溶退火处理后才能交付给下游用户,生产周期长、能源消耗大。在线固溶退火技术可充分利用轧制余热进行热处理,具有节能环保的巨大优势。介绍了奥氏体不锈钢热轧卷在线固溶退火的关键调控技术,并依托广青1 780 mm热轧产线,开展了奥氏体不锈钢热轧卷在线固溶退火工业试验,以试验获得的热轧“黑皮卷”为原料,免固溶退火直接酸洗后进行冷轧,产品的力学性能、抗晶间腐蚀性能及表面质量较常规工艺无明显差异,充分证实了以在线热处理工艺代替离线固溶退火生产高板面等级不锈钢冷轧板卷的可行性。

针对某钢厂生产的低碳低合金结构钢棒材内部存在长约0.1~0.3 mm显微裂纹的问题,通过低倍组织检查、光学显微镜和扫描电镜观察等方法对低碳低合金棒材内部微裂纹进行了分析和研究,并提出了工艺改进措施。结果表明:低碳低合金钢棒材热轧后内部出现多个彼此不相连、无方向性、长度约0.1~0.3 mm的微裂纹,周围没有异常夹杂物等冶金缺陷,微裂纹沿带状组织的珠光体条带扩展,且珠光体条带周围分布着贝氏体、马氏体混合组织;成分偏析导致低碳低合金钢棒材中出现级别较高的带状组织,且带状组织周围存在贝氏体和马氏体混合组织,在发生较大塑性变形时更容易产生微裂纹;连铸时将过热度控制在20~30 ℃,电磁搅拌参数设置为200 A、2.0 Hz,二冷区比水量降低至0.41 L/kg,拉坯速度控制在1.2 m/min时,可从连铸坯的源头减轻带状组织;适当延长连铸坯在(1 180±10)℃高温段保温时间至250~305 min,可改善成分偏析;热轧棒材入坑缓冷可以避免贝氏体、马氏体组织的产生。工艺改进后对热轧低碳低合金钢棒材进行无损探伤未再发现内裂纹缺陷,改善效果明显。

针对低成本、高性能DP780热轧带钢的开发,对其化学成分进行了优化设计,减少了昂贵合金元素Cr、Mo、V 等的添加,优化了C、Si、Mn含量设计,设计化学成分为:w(C)=0.105%、w(Si)=1.15%、w(Mn)=1.7%、w(Ti)=0.01%;结合前置式超快冷+层流冷却+后置超快冷组合的一体化超快冷系统,建立了基于极限学习机的超快冷换热系数机器学习模型,有效提高了前置式超快冷出口温度和卷取温度的控制精度。基于此,研究了前段超快冷出口温度和卷取温度对DP780热轧带钢微观组织演变和力学性能的影响规律。研究结果表明:当卷取温度设定为190 ℃,DP780热轧带钢的微观组织为铁素体和马氏体,随着前段超快冷出口温度的降低,马氏体体积分数逐渐减少,铁素体体积分数逐渐增加;当前段超快冷出口温度设定为610 ℃,卷取温度为230 ℃时,热轧带钢的微观组织主要为铁素体、马氏体和少量的贝氏体,但随着卷取温度的降低,组织中的贝氏体逐渐消失,马氏体体积分数减少,铁素体体积分数增大。采用热轧及超快冷一体化调控工艺,获得了低成本、高性能的DP780热轧带钢,屈服强度为641 MPa、抗拉强度为1 068 MPa、断裂伸长率为11.5%、强塑积达12 282MPa·%。

针对高牌号无取向硅钢热轧横向组织不均匀造成冷轧带钢产生严重边裂缺陷的问题,首先利用热模拟试验机在不同温度和压下率的条件下,对其再结晶程度进行分析,结果表明粗轧温度从1 100 ℃降至1 000 ℃左右,与之对应发生完全再结晶的临界压下率由30%升至40%以上。根据热模拟结果,采用将粗轧道次组合更改为1+3,在精轧前投入边部加热器并设定为50 ℃,将终轧温度按照目标865 ℃(上限)+20 ℃控制,层冷采用后段冷却等方法对热轧工艺进行了优化。利用热成像仪、金相显微镜、拉伸试验机和透射电子显微镜的试验结果,分析了工艺优化前后热轧带钢横向温差、组织和力学性能均匀性情况以及位错的变化情况。结果表明:通过采用提高轧制温度、增大道次压下率、提升轧制速率、对边部进行温度补偿等措施,使轧件边部的位错在晶界处快速大量堆积,且晶粒内部分位置位错密度开始降低,达到临界状态发生动态再结晶,改善了热轧带钢横向组织和性能均匀性,使冷轧成品改尺率由约25%降至5%。

随着我国能源需求的持续增长,管线钢作为油气管道建设的核心材料,其生产技术得到了快速发展。对我国管线钢生产技术的进步进行了总结,回顾并梳理了我国管线钢生产的发展历程,从早期的低钢级产品到如今的高性能、高钢级管线钢,展示了我国管线钢在生产技术方面的突破。重点介绍了当前管线钢生产中的关键技术,包括化学成分设计、轧制工艺、微观组织调控等方面的创新。此外,深入探讨了管线钢在耐腐蚀、高强度、耐低温等性能方面的产品特点与生产控制技术的研究进展。同时,指出新能源发展中氢气与二氧化碳储运、新型石油天然气管及装备、数字化与人工智能技术的应用是未来管线钢生产技术的研发重点。

为探究微量稀土元素对高强度海洋平台用钢相变行为的影响,利用Formastor-FⅡ全自动相变仪,测定了不同稀土Ce元素含量FH460钢的相变点和过冷奥氏体连续冷却转变(CCT)曲线。对FH460钢在不同冷速条件下的显微组织进行观察,并测量了显微硬度。结合第一性原理计算分析了稀土Ce元素对FH460钢组织转变的影响机理。结果表明:随着稀土Ce元素含量增加,FH460钢的Ac₃温度升高、Ac₁温度下降,扩大了奥氏体区;与未添加Ce元素FH460钢相比,不同Ce含量FH460钢CCT曲线形状基本不变,但珠光体转变区和贝氏体转变区扩大,且Ce元素抑制了马氏体的转变;当冷速在30~90 ℃/h时,由于添加稀土Ce元素,FH460钢硬度显著高于未添加Ce元素的FH460钢;微量稀土Ce元素的添加未改变FH460钢在不同冷速下的组织演变规律,但是加入微量稀土元素Ce元素后,珠光体组织得到了细化,且含量也明显增加,同时促进了贝氏体的转变和马氏体板条间距减小。

为了探究轧制温度对亚稳态奥氏体不锈钢变形组织特征及其力学性能的影响,对304不锈钢板在不同温度下进行轧制变形,利用金相、扫描及透射电子显微镜等对其变形组织进行表征;通过显微硬度和准静态单轴拉伸实验,测试了其力学性能。结果表明:实验钢板在室温冷轧变形时会诱发马氏体相变,形成大量的马氏体组织;200 ℃温轧时,马氏体相变被抑制,取而代之的变形机制为形变孪生;当变形温度提高至600 ℃时,形变孪生也被完全抑制,其主导协调变形机制为位错运动。轧制温度的升高引起钢板层错能的变化是其变形机制发生转变的主要原因。室温冷轧变形试样因组织中存在大量的马氏体而具有极高的强度(1 710 MPa)和硬度(473HV),随着轧制温度的升高,钢板的硬度和强度均明显下降,但拉伸塑性则大幅提高。所有温轧实验钢板均表现出优异的强塑性匹配,但吕德斯应变占总伸长率的36%以上。

热轧产线在实际生产过程中,中间坯受到各道次的温度限制,需要空冷待温,对产线轧制效率产生一定影响。通过有限元模拟分析,投用中间冷却工艺后,中间坯经超密度集管进行快速冷却,结合20～50 s的空冷返温时间,中间坯内外温度趋于均匀,厚度方向最大温差小于28 ℃,可以有效提高板坯性能稳定性,降低摆钢空冷时间,提高轧制效率。设计研发出一种超密度布置的中压水喷射冷却集管装置,并将该中间冷却设备投入车轮钢的实际生产应用。结果表明:对比常规车轮钢实际生产情况,当投入中间冷却设备之后,每块板坯平均轧制时间由115 s缩短至102 s,轧制节奏缩短13 s,机时卷数提高4卷/h,每小时可提高产量104 t;对比不同中间冷却水投入组数和产品的组织及性能情况,当中间冷却设备投入的冷却水组数增加,车轮钢沿轧制方向的带状组织碎断程度逐步完全,芯部晶粒尺寸更为细小,且多为等轴晶;随中间冷却设备投入的冷却水组数增加,车轮钢屈服强度波动降低42 MPa,断后伸长率波动降低至2%,其性能越趋于稳定,同时也减小了车轮钢低温冲击功的波动。

介绍了国内首条集连续光亮退火、双机架平整、拉弯矫直工艺为一体的不锈钢带钢光亮退火机组情况,包括原料带钢规格、工艺流程、高速智能化控制方案,以及主要设备的技术参数;同时,介绍了该机组设计的创新点,其结合了碳钢板带连续退火过程中双平整+拉矫工艺,用以生产200、300、400系高表面质量2D、2B及BA产品。此外,入口活套、出口活套采用共轨道工艺设计,大大降低了投资成本,在提高产品品质的同时降低了产品的生产能耗。

针对高强抗震建筑用钢如何实现高屈服强度及低屈强比耦合匹配的关键问题,基于自主设计的化学成分,采用控轧控冷工艺对试验钢组织性能进行了探究。结果表明:在“两阶段控轧+水冷(终冷温度660 ℃)”的工艺条件下,试验钢微观组织为铁素体、珠光体及贝氏体构成的复相组织,实现了强度、塑性及低屈强比的良好匹配,平均屈服强度约为660.0 MPa,平均抗拉强度达到约1 196.7 MPa,平均断后伸长率约为14.8%,平均屈强比低至0.55。试验钢中Mn、Si元素的固溶强化,以及贝氏体和珠光体组织产生的细晶强化及位错强化是获得高强度低屈强比的主要机制。

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。

针对镀铜合金焊丝表面色差问题,通过SEM、能谱分析等手段,发现对于Si含量较高的ER70S-G合金焊丝用钢,其铸坯表面易出现难以去除的Fe₂SiO₄氧化铁皮和氧化裂纹,随着轧制和盘条拉拔遗传到焊丝表面,造成焊丝产品镀铜不良而导致表面发黑。同时,研究了Fe₂SiO₄氧化铁皮和氧化裂纹与铸坯加热温度、加热时间和残氧含量关系,加热温度在1 150 ℃以上时,Fe₂SiO₄相比例显著增加;在1 100 ℃高温条件下,随着加热时间的延长,氧化反应持续发生,氧化裂纹显著加深;炉内残氧含量越高,铸坯氧化速率越快;10%残氧含量铸坯的氧化速率是2%残氧含量时的4倍。为此,采取对加热炉加设挡墙以及采用一空一装坯方式,控制加热时间约80~90 min,入炉温度小于750 ℃,加热一段温度为770~820 ℃,加热二段温度为950~980 ℃,均热段温度为1 050~1 100 ℃的措施,解决了高Si含量焊丝产品镀铜表面发黑的问题。

针对45Mn钢零件加工过程中折弯开裂的问题,分析了其折弯开裂的原因,并介绍了通过板坯热喷涂工艺改善45Mn钢冷弯性能的生产实践。结果表明:钢板表面存在全脱碳层和晶间氧化层,弯折时外表面受拉应力,全脱碳层内晶间氧化处应力集中形成微裂纹成为起裂源,是45Mn钢零件加工过程中折弯开裂的主要原因;在化学成分和基体组织形貌相同的情况下,45Mn钢表面晶间氧化是影响其冷弯性能的主要因素;在热轧前采用板坯热喷涂防氧化涂料工艺,可以有效抑制钢板表面晶间氧化的形成,改善45Mn钢冷弯性能,使其180°弯曲不开裂,且对其抗拉强度、屈服强度和伸长率均无明显影响。

随着用户对搪瓷钢成形效率、加工成材率要求的进一步提高,对宽幅薄规格深冲搪瓷钢的需求日益增多,而采用传统热轧技术生产时存在氧化铁皮压入、甩尾、浪形、成形性能差等技术瓶颈,因此基于薄板坯连铸连轧产线开发了热轧酸洗宽幅薄规格深冲搪瓷钢。介绍了深冲搪瓷钢的化学成分设计、生产工艺、带钢表面质量和力学性能稳定性控制工艺。研究及生产实践表明:成品力学性能均匀,具有优异的成形性能、抗鳞爆性能和密着性能;带钢的屈服强度直接影响其深冲性能,钢中有效Ti含量、精轧压下分配和终轧温度会显著影响带钢的屈服强度,卷取温度对带钢屈服强度影响较小;深冲搪瓷钢的主要强化机理为固溶强化和细晶强化,析出强化作用较弱。基于薄板坯连铸连轧产线热轧酸洗宽幅薄规格深冲搪瓷钢的成功开发,实现了1.65 mm×1 500 mm极限规格深冲搪瓷钢批量稳定供货超万吨,填补了市场空白。

在冷连轧机组生产板带过程中,不合理的轧制工艺参数会导致板带产品发生严重的塑性变形,造成所生产板带在卷取时出现开腔缺陷。为了防止开腔缺陷造成的严重损失,充分结合冷连轧机组的工艺流程和设备特点,通过计算润滑油膜厚度、摩擦因数和轧制力,建立了以预防板带开腔缺陷为目标的张力制度优化模型。该模型通过优化冷连轧机组各机架之间的张力,在保证压下率的同时尽可能降低轧制力,有效解决了冷连轧机组轧制过程中出现的板带开腔问题。在国内某生产现场应用该优化模型后,板带开腔缺陷发生率下降约6%,显著提高了板带生产企业的产品质量与生产效率。

作为精整工序的关键环节,矫直工艺在中厚板板形质量控制方面起着不可忽视的作用。合理的矫直工序一般通过压下量与弯辊量的设定来实现对板材的矫正作用。经过现场考察得知,矫直生产中板材主要存在一维的弯曲缺陷和二维的浪形缺陷。借助ANSYS/APDL模块用命令流建立了三维动态矫直过程有限元模型,模拟研究了不同矫直方法对矫直板材平直度和板形的影响。研究结果表明:当板材存在一维弯曲缺陷时,矫直机入、出口压下量起到关键作用,通过调整压下量能使矫后板材的残余应力最小,明显地改善板材的平直度,达到预期矫直效果;当板材存在二维浪形缺陷时,由于板材不同部位纵向延伸不均匀,为达到矫直目的则需要压下量和弯辊量共同作用,均匀变形延伸。此外,在仿真分析的基础上,利用某公司宽厚板厂生产现场的矫直设备进行了相关试验,试验数据表明,仿真结论和试验结果相吻合,为不同板形缺陷板材的矫直方法提供了依据,对实际生产有一定的指导意义。

我国现有单机架轧机厚板生产线20余条,约占国内厚板生产线总量的30%。但基于单机架轧机的组坯轧制策略和生产装备的研究较为缺乏,为了提高单机架轧机的生产效率、减少能源消耗,实现厚板生产线的效益最大化,研究了单机架轧机的多块钢轧制策略和控制逻辑。针对TMCP两阶段轧制工艺条件下中间坯厚度大、板坯待温时间长的工艺特点,讨论了单机架轧机多块钢轧制策略和控制方法,开发了多块钢轧制策略的核心算法。根据加热、轧制、冷却和矫直等相关工序模型的计算结果和生产数据,采用AnyLogic流程仿真软件构建了单机架轧机厚板生产线的轧制流程仿真平台,对不同轧制工艺下多块钢轧制的生产过程进行仿真分析,实现组坯策略优化,通过优化工艺布局、增设旁通辊道等措施,提高设备利用率和轧机产能,为选择最优的轧制工艺和轧制策略提供了参考依据。

分析了近年来我国棒线材产量及产品结构的发展和变化;针对棒线材生产流程短捷化,以轧制工序为出发点,从缩短与前工序的界面、轧线本身短捷化、缩短与后工序的界面3个方面介绍了已取得的技术进步并提出了一些新思路,在此基础上探讨了我国棒线材生产流程短捷化方面面临的挑战和未来发展方向,指出对生产流程短捷化的创新是棒线材新一轮产品结构优化和技术装备升级发展的重中之重,也是整个产业链需要共同努力的主要技术方向。

河北永洋精品轻轨工程采用了半连轧生产工艺,长尺智能预弯、长尺矫直工艺,全自动高效精整线等工艺技术,打破了传统轻轨生产工艺,开创了轻轨生产的全新模式。介绍了该工程产品方案、设计难点、新一代轻轨生产线工艺流程、采用的先进技术以及生产线建设。目前,该生产线已稳定运行,生产效率高、产品质量好,与传统工艺比,成材率提高3%、综合作业率提高5%、吨钢电耗降低5%、人员缩减25%,综合效益及各项指标均达到行业领先水平。该生产线的成功设计为其他型钢生产企业的装备升级、产品结构调整、产品质量提升提供了参考,也为工程设计人员开拓了型钢工程设计的新思路。

钛/钢复合材料由于其强耐蚀性成为海洋、化工、能源等领域的关键基础材料。由于钛为活性金属,制备过程中的Fe-Ti脆性相是钛/钢复合材料制备面临的共性问题。通过组织调控构建不同复合界面结构并探讨其形成机制。结果表明:Ga元素改性调控后,Ti侧近结合界面组织由β-Ti转变为α-Ti,850、900 ℃热轧时界面由非连续TiC及聚集Fe₂Ti颗粒转变为单一均匀连续的TiC层;结合强度由190 MPa提高至290 MPa;D_C/γ-Fe与D_C/α-Ti扩散系数差在5.94×10^-12~2.9×10^-12m²/s范围时,有效调控TiC层厚度为180~190 nm,并显著抑制了Fe₂Ti及FeTi的生成。

在热连轧生产过程中,卷取温度控制精度是决定产品质量优劣的关键参数之一。以换热机理模型为基础,通过实际生产数据和过程参数的综合分析,在综合考虑终轧温度、带钢厚度等因素的基础上,深入研究了穿带速度、冷却水温以及季节变化等关键因子对卷取温度模型的影响并对模型进行了修正和优化。同时,采用机器学习算法构建了基于合金成分的卷取温度偏差补偿模型,并对不同算法进行对比分析。研究结果表明:随机森林预测模型在提高卷取温度控制精度方面表现优异。研究成果应用于实际生产厚度h≤6.0 mm、6.0 mm<h≤13.0 mm、h>13.0 mm带钢平均卷取温度合格率分别提升了3.07%、3.82%、4.68%,为进一步提升卷取温度控制精度提供了新的有效途径。

为了研究热轧带钢表面氧化铁皮的成分、结构对酸洗时间的影响,选取了ST12钢、45钢和DP1180钢为实验钢,采用SEM、XRD等分析了3个钢种热轧带钢表面氧化铁皮的宏观形貌、截面微观形貌、氧化层厚度和主要成分,并测试了酸洗时间。结果表明:ST12钢和45钢热轧带钢表面氧化铁皮均由α-Fe、FeO、Fe₃O₄和Fe₂O₃组成, DP1180钢带钢表面氧化铁皮中没有Fe₂O₃,但是产生了一定量的Fe₂SiO₄。ST12钢、45钢和DP1180钢带钢表面氧化铁皮平均厚度分别为10.88、12.77、15.36 μm,酸洗时间分别为30.2、23.8、16.2 s。与ST12钢相比,45钢带钢表面氧化铁皮中易与酸液反应的α-Fe含量高,而较难反应的铁氧化物含量相对较低,因此其酸洗效率较高。DP1180钢带钢酸洗时间较短的原因主要是氧化铁皮中除了α-Fe含量较高外,3种铁氧化物中更易酸洗的FeO含量也较多,并且氧化铁皮与钢基体之间存在缝隙,能够促进酸液在氧化铁皮中扩散、反应。因此,热轧带钢表面氧化铁皮酸洗效率主要与其成分、结构有关,氧化铁皮厚度对其影响较小。

针对弹簧钢60Si2Mn带钢酸洗退火后冷轧时发生表面掉粉的问题,对退火、冷轧试样的表面、截面形貌及化学成分进行了分析,发现退火、冷轧试样表面存在约10 μm厚、以Fe为主要成分的明显疏松层,轧制脱落的粉状物质主要为Fe。为进一步探明疏松层与氧化铁皮的相关性,在实验室制备了热轧试样、不完全酸洗试样、完全酸洗试样进行全氢罩式退火,结果显示:热轧试样经退火后,表面氧化铁皮被完全还原为一层致密金属铁,不完全酸洗试样表面出现类似轧制掉粉的疏松层结构,完全酸洗试样表面仍保留酸洗初始表面。此外,60Si2Mn热轧试样厚度6 μm的氧化铁皮下存在厚度8 μm的内氧化层,不完全酸洗试样退火后,表面疏松层厚度为8 μm,远大于热轧试样氧化铁皮厚度,且明显向基体扩展。实验研究发现:60Si2Mn带钢表面氧化铁皮结构致密,其酸洗主要以微裂纹形式腐蚀去除氧化铁皮,由于所需酸洗时间约为常规高碳钢的数倍,因此在去除表面氧化铁皮的同时,内氧化层发生明显的晶间腐蚀,与残留的氧化铁皮一起在退火后形成疏松结构而导致冷轧掉粉问题。因此,对于60Si2Mn带钢,一方面要尽量酸洗彻底无氧化铁皮残留,另一方面需控制内氧化层厚度,避免酸洗时内氧化层发生沿晶腐蚀而产生表面疏松的风险。