“钢材热轧过程氧化行为控制技术开发及应用”项目成果喜获2020年度国家科技进步二等奖

2022-10-09

材料与冶金学报 2022年5期

左：刘振宇教授，右：曹光明副教授

2021 年11 月3 日，2020 年度国家科学技术奖励大会在北京人民大会堂隆重召开。东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室刘振宇教授作为第一完成人、东北大学作为第一单位牵头完成的“钢材热轧过程氧化行为控制技术开发及应用”项目荣获国家科技进步二等奖。

东北大学联合鞍钢、河钢、太钢、马钢、南钢及涟钢等企业，在国家持续支持下，通过“产学研用”深度融合，构建起了钢材热轧过程氧化控制理论体系，开发出具有自主知识产权的成套技术，打破了国外对高表面质量产品的垄断，不仅生产出免酸洗、易酸洗及氧化皮耐腐蚀等新品种钢材，而且实现了热轧氧化调控由经验试错向数字化、智能化控制的转型。

一、创新成果

1.突破了多因素强耦合的热轧氧化理论

由于热轧流程长，钢材热轧氧化受成分、环境气氛及工艺等因素的交互影响，导致其氧化行为极为复杂，属于多场耦合问题。然而，同时考虑“成分+温度+气氛+轧制”的热轧氧化理论，国内外鲜见报道。

鉴于此，项目团队首次研发出能同时考虑多因素影响的实验装置及实验方法，精确模拟了热轧过程多场耦合条件下的氧化行为；在此基础上，系统研究了Si 和Mn 界面复合氧化物的形成机制，明确了抑制Mn/Si 复合氧化物的Cr 微合金化成分范围，建立起超高强钢氧化行为控制的成分设计准则；明确了“成分+温度+气氛+轧制”多场耦合状态下，复杂气氛对热轧钢材氧化动力学影响规律、氧化皮与基体变形协调性规律以及热轧环境下FeO 相变规律，建立起精确描述热轧环境下FeO结构转变的动力学模型，为热轧氧化行为精准控制奠定理论基础。

2.开发出热轧流程氧化界面与相组成控制成套技术加热生成的氧化皮须高效去除以避免成为缺陷的起源点，但常规除鳞因温降大而不利于轧制温度控制。为此，以氧化皮热变形行为为指导，发明了“喷淋裂化”除鳞技术，喷淋冷却使氧化皮脆化并裂化后再加以去除，实现了高效除鳞。将该技术应用于薄板坯连铸连轧，除鳞不净缺陷发生率由90%降低至2%以下，实现了高端家电板的批量生产，解决了薄板坯连铸连轧产品表面质量控制的共性难题。

热轧过程决定氧化界面的遗传特性，是缺陷演变的关键工序。以氧化皮变形规律为指导，开发出氧化界面弯曲度控制技术，使氧化皮界面弯曲度较常规工艺降低25%以上，工程机械用钢的表面质量超过日标要求，成为日本高端工程机械制造企业的专供产品；有效消除了表面色差缺陷，高强及超高强船板钢达到了表面“零缺陷”的最高标准，满足了重大工程建设对钢板表面的严苛要求。

冷却过程是控制氧化皮相组成的关键工序。以热轧FeO相变动力学为指导，开发出适用于热轧环境的FeO相变精准控制技术，形成了氧化皮具有不同功效的系列热轧新产品。国际首次实现800 MPa级免酸洗钢批量供货，冷加工过程氧化皮掉粉量较国际标准要求降低了70%以上；氧化皮耐大气腐蚀钢在储运过程中耐大气腐蚀能力提升了一倍以上，解决了储运过程的锈蚀难题。

3.开发出钢材热轧氧化数字解析模型与智能动态调优系统

热轧氧化过程无法在线检测，属于典型黑箱过程，仅凭工程师经验控制试错量大、稳定性差。稳定、高效控制表面质量，离不开高精度的氧化模型，但国际尚无成功先例，热轧氧化行为精准控制属世界难题。

项目团队率先构建了典型热轧钢材的氧化行为基础数据库，开发出热轧氧化的数字解析与智能动态调优系统，国际上首次实现了热轧过程氧化行为动态软测量及氧化行为精准控制，氧化皮预测结果通过了河钢1 700 热轧产线工业轧卡试验验证，达到工业应用标准；应用于钢铁企业使氧化皮厚度较常规工艺稳定减薄20%以上，吨钢酸洗耗酸量降低3.15 kg；成功应用于韩国现代2#热连轧产线汽车钢氧化行为的精准控制，实现了热轧氧化行为由经验试错向精准定量控制的转型。

二、推广应用

本项目攻克了制约钢材表面质量的核心问题，开发出具有完全自主知识产权的氧化行为控制技术并实现大规模工业应用，相关技术应用于鞍钢、河钢、太钢、宝武等19家企业45条生产线，并输出至韩国浦项和现代制铁。在行业上形成了免酸洗、易酸洗钢材系列品牌，填补了国内空白，广泛应用于汽车、海洋、机械、能源等重点领域，中国一汽、中国重汽、广船国际、中集来福士、三一重工、卡特彼勒、中石油、中石化等行业骨干企业对项目技术水平和产品表面质量均给予高度评价，为我国钢铁产品进入国际高端市场树立了品牌效应。本项目全面提升了我国钢材表面质量，满足了重大工程严苛的质量要求，保障了制造业转型升级，全国每年5亿吨以上产能可应用本技术成果，推广应用前景广阔。