东北大学率先开发和应用钢热轧过程氧化控制技术...

112020年**科技奖励大会于3月3日上午在北京人民大会堂隆重举行。钢铁协会提名的三项成果均获得2020年**科技进步奖二等奖。以下是钢铁热轧过程氧化控制技术的开发与应用。

一、项目背景

钢材是**制造业的支柱原料，95%以上需要热轧成型。如果热轧氧化行为控制不当，会导致氧化皮过厚、晶界氧化和界面弯曲，不仅严重的表面缺陷，还会破坏产品的性能和尺寸精度。钢氧化受成分和热轧工艺复杂互动的影响。虽然国际先进企业积累了一定的经验和诀窍，但并没有得到很好的解决。**控制是一个世界性的问题。在项目开始之前，中国在这方面缺乏理论研究和落后的技术。因此，产品经常被高端用户拒绝，成为中国制造业转型升级的原材料瓶颈。为此，在**的持续支持下，东北大学与鞍钢、河钢、泰钢、马钢、南钢、涟钢等企业通过产学研用的深度融合，不仅生产了免酸洗、易酸洗、氧化皮耐腐蚀等新品种，而且实现了热轧氧化调控由经验试错向数字化、智能化控制的转变。

二、主要成果和创新点

1.多因素强耦合热轧氧化理论。

由于热轧工艺长，钢的高温氧化受到化学成分、温度、大气、热变形等因素的影响，导致其氧化行为极其复杂，属于多耦合问题。然而，同时考虑成分-温度-气氛-轧制热轧氧化理论在国内外很少有报道；项目团队率先开发了多因素试验装置和方法，准确模拟了多耦合条件下的氧化行为，系统研究了Si和Mn通过热力学计算和实验研究，界面复合氧化物形成机制明确抑制Mn/Si复合氧化物Cr微合金化成分的范围建立了超高强度钢氧化行为控制的成分设计标准；明确了复杂氛围对热轧钢氧化动力学的影响规律、氧化铁皮与基体变形的协调规律、热轧环境下的复杂氛围FeO在热轧环境下，准确描述热轧环境FeO动力学结构转化是热轧工艺氧化控制技术和热轧氧化模型开发的理论基础。

图1 合金元素选择性氧化的交互作用、氧化皮的热变形行为和FeO相变行为

2.热轧工艺氧化界面及相组成控制技术

加热产生的氧化皮必须有效去除，以避免成为缺陷的起源点，但由于温度的降低，传统的除鳞不利于轧制温度的控制。为此，通过研究氧化皮热变形，项目组发明了喷雾裂化除垢技术，喷雾冷却氧化皮脆化裂化。用于河钢板坯连铸连轧，除鳞不净缺陷的发生率从90%降低到2%以下，解决了板坯连铸连轧产品表面质量控制的共同问题，**实现了高端家电板和汽车板的批量生产。

图2 FeO开发相高温韧脆转换及喷淋裂化设备

热轧过程决定了氧化界面的遗传特性，是缺陷演变的关键过程。在氧化皮变形规律的指导下，项目团队系统绘制了协调变形图，开发了相关工艺技术，有效抑制了氧化皮界面的弯曲，使氧化铁界面的弯曲度比传统工艺低25%以上。工程机械钢的表面质量超过日标要求，成为日本高端工程机械制造商的专用产品；有效消除了表面色差缺陷，高强度和超高强度船钢达到了表面零缺陷的更高标准，满足了重大工程建设对表面的严格要求。

图3 氧化铁皮/基体界面弯曲度控制（a）高强度工程机械应用效果，（b）高强度船板的应用效果

冷却过程是控制氧化皮相组成的关键过程。热轧项目团队FeO以相变动力学为指导，开发适合热轧环境的相变动力学FeO相变动力学精准控制技术，形成了氧化铁皮具有不同功效的系列热轧新产品。**实现国际化800MPa免酸洗钢批量供应，传统生产的冷加工过程中氧化铁皮掉粉量100mg/dm2降至3mg/dm2与国际标准要求相比，控制氧化铁皮结构下降了70%以上；FeO 先共析Fe3O4无需添加Cu、Cr、Ni在贵重元素条件下，钢材在运输和储存过程中的耐大气腐蚀性提高了一倍以上，实现了钢材成分的素化和耐腐蚀性。

图4 一系列具有不同氧化铁皮功效的热轧新产品（a）高强度免酸洗钢，（b）耐腐蚀氧化铁皮调节

3.在线软测量数学模型和工艺智能优化方法

热轧氧化不能在线检测，是典型的黑箱工艺；表面质量的稳定性和高效控制与高精度氧化模型是分不开的，但没有国际成功的先例。**控制热轧氧化行为是一个世界性的问题。 项目团队通过大量的实验研究和生产数据积累，建立了典型的热轧钢氧化行为基础数据库。Wagner应用热轧全过程氧化铁皮厚度演变的数值计算方法JMAK方程及Scheil建立了可加性理论FeO连续冷却相变模型。在此基础上，开发了结合工业大数据的机器学习算法，优化了模型参数的设计。氧化铁皮预测结果通过河钢1700热轧生产线工业轧卡试验验证，达到工业应用标准；**实现了热轧过程氧化行为的动态软测量，解决了热轧过程中钢氧化的动态跟踪和控制问题。在此基础上，开发了一种综合性的智能优化算法，用于氧化行为和机械性能。结合用户的使用需求，通过智能搜索获得包括更佳氧化铁皮在内的全球更佳工艺窗口，确保产品的机械性能满足要求。实现了氧化铁皮厚度的动态软测量和智能控制。与传统工艺相比，厚度稳定减少了20%以上，减少了酸洗酸吨钢的消耗3.15kg；通过优化计算而不是生产试错，实现了氧化铁结构的准确预测和智能优化，开发了无酸洗钢和批量供应。热轧氧化控制**从经验试错转变为数字化、智能化控制。

图5

三、经济社会效益及其对促进产业技术的作用

本项目开发了具有完全独立知识产权的氧化行为控制技术和大规模工业应用，应用于鞍钢、河钢、太钢、宝武等19家企业45条生产线，输出到韩国浦东和现代铁，引领钢铁热轧氧化控制从经验试验到数字、智能控制，扭转了我国钢铁产品外观丑陋的形象，解决了钢材使用性能和服务性能的表面缺陷。本项目生产了一系列新的热轧产品，氧化皮具有无酸洗、易酸洗或耐腐蚀的特殊效果，帮助钢铁行业节能减排和绿色制造，为下游制造业的高质量、高效、清洁生产提供了原材料保证；本项目全面提高了钢材表面质量，满足了重大项目的严格要求，引领了钢铁行业的技术进步，确保了制造业的转型升级。本项目克服了限制钢材表面质量的核心技术，年产能超过5亿吨。因此，促进了广阔的应用前景。

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