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。

近年来稀土元素在钢中的作用被逐一发掘出来。通过对最新稀土钢相关文献的调研,梳理分析了稀土元素在钢中的作用机理与理论研究方法。结果表明:在钢中添加稀土元素,除了具有净化、夹杂物变质和微合金化作用外,还在催化表面渗氮和抑制氢扩散等方面起到积极作用,稀土钢的应用领域在逐渐扩大。当然,稀土钢的发展还受到多方面的制约,如稀土原材料、稀土加入技术、工艺顺行程度和组织性能调控方法等。一些先进表征方法能精确捕获钢中稀土元素的偏聚位置并准确鉴定稀土化合物等物相,但对稀土元素在钢中的作用机制及相关组织演变规律无法提供详细解释。因此,着重介绍了基于原子尺度模拟的先进研究理念,采用计算机计算与模拟技术,可以填补稀土原子微观作用机理的缺失,从而加快高品质稀土钢的研发。

钢管外表面视觉成像时容易出现灰度不均、局部过曝光等问题,致使利用二维灰度图像进行表面缺陷检测过程中漏检、误报等情况严重。为此,设计了基于3D点云的钢管外表面缺陷检测系统,通过围绕被测钢管环形布置多组3D相机获取到表征钢管轮廓的点云,收集样本构建出钢管缺陷数据集,训练PointNet++ 模型进行点云分割,输出代表缺陷的数据点集合,集合所涵盖的范围即为缺陷位置,数据点相对标定基准面的距离信息表示缺陷深度。本系统应用于工业现场,在完成缺陷检测的同时实现了深度方向的量化,对于钢管外表面缺陷的检测能力与探伤机相当,且具备更低的误报率、更少的设备安装维护成本,同时系统可扩展应用到类似的智能化检测场景。

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。

针对某厂DP590冷硬卷带头、带尾高频厚度波动的问题,对其产生原因进行了研究。结果表明:热轧卷沿轧向性能不均是引发冷轧过程工艺失稳及冷硬卷厚度波动的重要原因,而热轧卷卷取前空冷阶段由于带钢存在中浪缺陷和残留冷却水是影响其轧向性能均匀性的根本原因。为此,提出了控制带钢板形、提高层冷系统吹扫能力、采用U形冷却等工艺优化措施,保证空冷阶段带钢沿轧向的均匀冷却条件,显著提高了冷轧过程厚度控制的稳定性,冷硬卷厚度超差长度从41 m大幅降至10 m以内,一检封闭率由31.8%降至1.6%,有效解决了冷硬卷带钢头尾厚度波动问题,提高了成材率。

针对卷取温度为660~680 ℃的Q235B热轧薄带钢在层流冷却过程中由于边部过冷易出现板形缺陷的问题,建立了2 250 mm热轧生产线边部低温区宽度S_C预测模型,预测误差控制在±6 mm,建立了热轧薄带钢层流冷却有限元模型,对比模拟了层流冷却和等宽边部遮蔽策略下冷却过程中带钢宽度方向的温度场、相变比例和残余应力分布。结果表明:层流冷却过程中,带钢边部与中部存在300 ℃温差,低温快冷使得边部出现体积分数约33.48%的贝氏体,并同时产生拉应力与压应力;应用等宽边部遮蔽后,将带钢边部和中部温差控制在±15 ℃内,消除了边部贝氏体组织,同时将边部和中部的铁素体相变体积分数差值由18.6%降低到5.11%,使得相变比例和残余应力分布更加均匀,改善了冷却板形,消除了带钢边浪缺陷。

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。

热轧带钢生产线工艺、设备的发展已相对成熟,但仍需要进一步优化改进。以典型热轧带钢生产线的加热炉选型和烧损控制、粗轧机组平轧机主电机转速确定、精轧机组厚度控制系统等为研究对象,通过分析炉型对产量的影响及氧化铁皮量和加热温度的关系,提出选择步进梁式加热炉的建议,以避免产能源头受限;通过对轧制程序表计算、负载模拟、不同转速的电机价格对比,介绍了如何确定更优的主电机转速;通过分析精轧机组不同厚度控制系统对产品厚度和精度、板形的影响,提出了厚度控制系统选取建议。对上述设备选型和参数确定优化后,可实现热轧带钢生产线产能释放、烧损降低,节能降耗和产品质量的提升。

锌铝镁产品与普通镀锌板相比具有耐蚀性好、切口自动修复、耐氨性优异等众多优点。针对热轧基板连续锌铝镁镀层机组设计选型难点,对锌铝镁镀层产品的分类及应用进行了介绍;对独立生产机组和酸镀联合机组、燃气加热和感应加热、立式炉和卧式炉分别进行了对比分析;同时,对锌锅选型、镀后带钢冷却工艺装备设计、炉鼻子内锌灰缺陷及加湿问题等进行了技术介绍和选型分析,为类似机组的设计选型提供了参考。

为进一步降低低合金高强钢的生产成本,研究了不同Nb、Mn元素含量和退火温度对低合金高强钢组织性能的影响。结果表明:退火温度的高低对低合金高强钢铁素体晶粒尺寸无明显影响,但较高的退火温度不利于珠光体组织的形成,使得铁素体中固溶C含量较高,应力-应变曲线易出现屈服平台,且NbC析出物粗化长大行为导致产品强度降低;低合金高强钢中带状组织的形成主要与C元素的扩散行为有关,较高的退火温度有利于减轻带状组织的程度;当Nb质量分数由0.014%增至0.021%时,细晶强化效果及和析出强化效果明显增强,低合金高强钢的强度水平明显提高;Mn元素在低合金高强钢中主要起到固溶强化的作用。

为探究不同冷速条件下稀土元素对Zn-Al-Mg合金镀层的作用机理,以细化镀层组织、提升耐蚀性能,利用热力学计算、扫描电镜(SEM)、X射线衍射分析(XRD)及电化学测试方法对Zn-1.7%Al-1.1%Mg合金在不同冷速(空冷、水冷、炉冷)及不同La、Ce稀土元素含量条件下的凝固组织和耐蚀性能进行了系统研究。结果表明:运用热力学计算方法可以预测不同Ce含量Zn-Al-Mg合金在凝固过程中的析出相及对应的析出序列;对于不同La、Ce含量Zn-Al-Mg合金最先凝固生成LaZn₁₃/CeZn₁₁初晶相,之后依次生成富锌相、Mg₂Zn₁₁/MgZn₂相和富铝相。随着冷却速率的增加,合金的凝固组织变得更为细小,且凝固组织中的Mg₂Zn₁₁相逐渐转变为MgZn₂相。这是因为当凝固速率增大时,在Zn-Al-Mg合金体系中会发生Mg₂Zn₁₁↔MgZn₂的亚稳相转变。Tafel极化曲线测试和交流阻抗图谱测试(EIS)结果表明:当合金中稀土含量增加时,合金的耐蚀性有一定程度的提升;而当冷速增大时,其耐蚀性能有着较为明显的提升。细小的显微组织有利于提升合金的耐蚀性,故冷却速率仍是决定合金耐蚀性能的主要控制参数。

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。

随着汽车工业的发展,先进高强钢的应用越来越广泛。设计了一种低碳含Cr-Mo-Nb-Ti系冷轧复相钢,采用两相区加热—缓冷—过时效热处理工艺,通过光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、拉伸试验等检测手段,对不同热处理工艺下实验钢的组织与力学性能进行了研究。结果表明:不同热处理工艺下,实验钢组织为铁素体＋贝氏体+马氏体;随退火温度的升高,铁素体再结晶程度较高,其内位错密度降低,过冷奥氏体增多,在过时效阶段生成更多的贝氏体;在较低过时效温度下,马氏体部分发生回火,生成回火马氏体。在退火温度800 ℃、过时效温度350 ℃工艺下,实验钢具有最理想的再结晶程度与贝氏体/马氏体回火状态,大角度晶界数量占比44.7%,实验钢屈服强度为613 MPa,抗拉强度为799 MPa,扩孔率为67%,拉伸断口呈现尺寸大而深的韧窝,成型性能良好。

在带钢热连轧生产过程中,卷取温度是非常关键的过程控制指标之一,其控制精度直接影响热轧带卷组织均匀性与力学性能稳定性。为了解决厚规格带钢卷取温度命中率控制精度偏低的问题,将轧后换热方式、终轧温度控制模型与生产大数据有机结合并进行系统性分析。结果表明:穿带速度设定与干头模式下的超快冷压力控制是厚规格带钢卷取温度超差的主要影响因素。为此,优化了精轧入口温度采集方法以提高穿带速度设定准确性,同时开发了干头模式下的超快冷压力控制程序,提高了超快冷流量控制精度,进而提高了卷取温度控制精度。通过以上优化措施,厚规格(厚度h＞13 mm)带钢卷取温度命中率提升了7.24%,取得了较好的效果。

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。

山钢生产过程中存在数据融合困难、工序发展不均衡、关键工艺控制模型精度低、企业内外部协同共享不够等问题。为解决上述问题,山钢构建了多源数据采集与异构数据处理平台,实现了异构数据的自动转换、自动匹配和时空同步。应用数据驱动融合机理的动态数字孪生模型,针对冶炼过程、热轧过程等工序的关键控制难题,通过钢铁制造过程数字化产业链/供应链协同平台,实现了面向未来的数字化创新应用和钢铁数字化协同制造。相关技术应用后,订单交货准确度达到96.56%以上,人均钢产量达到1 710 t以上。

700 MPa大梁钢生产中卷取温度和冷却速率对氧化铁皮结构及其粉化性能有重要影响,但如大范围调整卷取温度对700 MPa大梁钢的组织细化以及Ti元素析出均有影响,易造成产品力学性能和冲压性能的波动,而且卷取后冷却速率的控制手段较为有限。故从添加合金元素的角度,在保证700 MPa大梁钢力学性能的基础上,研究了通过添加微量Cr元素对700 MPa大梁钢(700L钢)氧化铁皮厚度及其粉化性能的改善效果。采用差热分析仪、扫描电镜和冷弯试验等手段,系统研究了添加质量分数0.2%Cr元素对700L钢的氧化特性、氧化铁皮生长规律及其粉化性能的影响。结果表明:添加质量分数0.2%的Cr元素后,在1 050 ℃以下,700L钢抗氧化性提高;在1 000 ℃时,700L钢等温氧化增重量降幅可达26%,氧化铁皮界面形成了元素富集层且厚度近6 μm。工业生产试验表明:在热轧工艺相同条件下,添加质量分数0.2%的Cr元素后,700L热轧板表面氧化铁皮厚度由10~15 μm降至6~8 μm,氧化铁皮粉化脱落比例由40%降低至7%左右。

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。

针对锯片用钢高强度、良好的韧性和耐腐蚀性能,以及较高的淬透性和热稳定性的性能要求,研究了热轧后控冷工艺对75Cr1钢球化退火后显微组织和力学性能的影响;采用电子探针显微分析仪(EPMA)和透射电镜(TEM)对实验钢热轧及球化退火后的显微组织进行了表征。结果表明:通过不同热轧控冷工艺,获得了片层状珠光体、珠光体+铁素体、珠光体+贝氏体3种热轧态组织实验钢板。当热轧后实验钢板组织为片层状珠光体时,球化退火后渗碳体颗粒分布均匀,钢板屈服强度和抗拉强度分别为473 MPa和556 MPa。当热轧组织中存在铁素体组织时,球化后渗碳体颗粒出现了聚集现象,晶粒尺寸增大,钢板强度降低。当热轧后实验钢板组织出现贝氏体时,缩短了球化过程中碳原子的扩散距离,获得了良好的球化组织,钢板的屈服强度和抗拉强度分别为553 MPa和638 MPa。对不同热轧组织钢板球化退火效果进行对比分析可知:将实验钢板的热轧终冷温度控制在约510 ℃时,产生贝氏体组织,相较于片层状珠光体组织以及铁素体+珠光体组织更易于获得良好的球化退火组织。

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。

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。

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。

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。

对于工程机械用耐磨钢,不仅要求其具有较高的耐磨性,同时还应具有良好的塑韧性。通过中Mn合金成分设计及采用两相区退火工艺,在高Ti马氏体耐磨钢中引入残余奥氏体,使耐磨钢获得了良好的塑韧性和耐磨性能。研究结果表明:随着在630 ℃两相区退火保温时间的增加,残余奥氏体含量增加,保温8 h后试样可以获得体积分数为32.1%的残余奥氏体,其伸长率为17%。拉伸过程中,两相区退火试样的加工硬化率曲线先下降后略微增加,然后维持稳定,最后开始降低直至试样发生断裂,加工硬化率的上升与应变诱导马氏体转变有关,高的加工硬化率有利于提高钢的伸长率。相对于轧态试样,两相区退火保温8 h试样的硬度降低了120HV,但是相对耐磨性提升了23%。两相区退火试样的磨损形貌为沟槽和剥落坑,而轧态试样的磨损形貌中除了沟槽和剥落坑,还具有较多的塑变疲劳剥落。因为轧态试样的伸长率低,塑性和耐疲劳性能较差,实验钢在反复变形过程中容易因为塑变疲劳发生剥落。此外,在磨损过程中两相区退火试样中的残余奥氏体会发生相变,产生相变诱导塑性效应,提高加工硬化率。拉伸后期的加工硬化率对实验钢磨损性能的影响较大,加工硬化率越高,其耐磨性能越好。X射线衍射结果表明,磨损后两相区退火试样的残余奥氏体体积分数都会下降50%以上。

针对GCr15轴承钢在开坯时出现穿孔裂纹的问题,通过金相显微镜、扫描电子显微镜、FEI金属质量分析仪等手段,对穿孔裂纹产生的原因进行了分析,并提出了改进措施。结果表明:GCr15轴承钢在开坯时出现的穿孔裂纹起源于钢坯芯部,芯部裂纹周围无夹杂夹渣,组织正常,无过热过烧现象,说明钢坯加热温度正常,而芯部裂纹明显脱碳说明其出加热炉之前已扩展至钢坯表面,结合钢坯入炉前的抛丸探伤检验,判断其芯部裂纹是在加热过程中产生的;依据缺陷钢坯的宏观断面形貌及显微组织,GCr15轴承钢穿孔裂纹是由于其在开坯加热时钢坯降温至1 000 ℃以下补充煤气供应,后迅速加热升温至1 280 ℃轧制造成的,钢坯加热升温过快,出现“穿孔裂纹”的频率会大大提高。据此优化了开坯加热工艺,对于GCr15轴承钢出现煤气供应不足的降温问题,需待加热炉重新恢复加热能力后,按照预热段30～50 ℃/h的加热速率升温至1 000 ℃以上,使钢坯完全奥氏体化后再快速升温加热。采用此改进工艺,彻底消除了GCr15轴承钢开坯轧制过程中出现穿孔裂纹的问题。

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·%。

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。

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。

弹簧钢表面脱碳是影响其疲劳寿命的主要原因,对此诸多学者提出了各种模型来模拟其脱碳行为。考虑脱碳过程中的氧化行为,提出了一种基于有限容积法的弹簧钢钢坯二维氧化-脱碳综合模型。对空气气氛下的55SiCr弹簧钢进行等温加热实验,在950~1 150 ℃等温30~150 min条件下,氧化层厚度随时间变化规律呈抛物线趋势,根据实验结果建立了55SiCr弹簧钢氧化层厚度计算模型;依据菲克第二定律,建立了55SiCr弹簧钢二维脱碳数学模型,将两个模型相结合,得到其钢坯二维氧化-脱碳综合模型。该模型可以定量描述加热温度和保温时间对弹簧钢表面脱碳的影响,并将脱碳模型的预测结果与实验结果进行对比,验证了该模型的有效性。

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。

为提升ESP产线长公里数轧制带钢板形的稳定性,以及解决带钢起筋和中后期严重浪形等质量问题,通过对连铸拉速、铸坯断面温差、轧辊辊形、轧辊磨损模型、轧辊轴向横移匹配、轧线关键工艺和温度控制等影响连浇公里数因素进行大量的现场跟踪测试以及数据分析和研究,形成了开浇拉速提升制度、铸坯断面温差控制策略、轧线工艺和热履历控制、辊形设计、负荷分配优化、轧辊磨损和轧辊轴向横移系数调整等一整套ESP长公里数轧制技术方案,成功实现了ESP无头轧制生产线单浇次200 km的超长公里数连续轧制,极大地提升了轧机作业率和成材率,有效降低了轧制成本,经济效益显著。

针对Q500MEZ35厚板在线冷却能力不足难以淬透的问题,对其厚度40 mm钢板进行了试制开发。在冶炼过程中,通过控制S元素质量分数不大于0.002%、加入Ca线和稀土元素Ce等措施,来减小夹杂物尺寸,以提高钢板Z向抗层状撕裂性能。采用低温大形变的精轧工艺,使其析出更多、更细小的(Ti,Nb,V)(C,N)第二相粒子,为后续铁素体相变提供更多的形核位置。通过不同的终冷温度(580~350 ℃)试验发现,随着终冷温度的降低,C原子长程扩散能力减弱,残余奥氏体的稳定性降低,从而使M/A岛的尺寸减小。同时,铁素体晶粒以切变的方式在位错处形核,并受C的扩散限制而长大,最终形成细小的板条束针状铁素体。当终冷温度在350 ℃时,钢板主要组织为细小的粒状贝氏体和针状铁素体,冲击性能最好。

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。

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%。

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。

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。

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。

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。