高品質鋼鐵材料軋制加工新技術研究進展及發展趨勢

袁國　王國棟

關鍵詞：鋼鐵材料；軋制技術；研究進展；發展趨勢

0 引言

近10年來，我國鋼鐵行業在規模、裝備水平、產品質量與品種等方面躍上了新的臺階。目前我國幾乎擁有了世界上鋼鐵領域所有的工藝流程及最先進的裝備技術。作為成形成性的軋制加工領域，同樣在工藝、裝備、以及產品質量和品種方面均取得了顯著進步。總的來看，在軋制成形領域，鋼材產品尺寸高精度控制、形狀控制精細化水平持續提升，除部分寬幅軋線外，自主知識產權的軋線自動控制系統已普遍應用于我國中厚板、熱連軋、冷軋/連軋等各類鋼材軋制生產線。在軋線產品組織性能調控領域，以在線熱處理調控軋態組織為核心的新一代冷卻技術取得標志性進展，自主創新技術應用于熱軋板、管、型、線領域，達到或趕超國際先進水平；在熱軋鋼材離線熱處理技術領域，以極限規格熱軋鋼材淬火熱處理技術為代表，熱軋鋼材離線熱處理技術達到國際先進或領先水平；在以鑄-軋一體化為代表的短流程技術領域，以薄板坯連鑄連軋無頭軋制、薄帶鑄軋技術為代表，我國通過對產線或核心技術的持續全面技術引進，建成和擁有了世界上類別最全的軋制產線；在產品高質化方面，在工藝與裝備技術進步基礎上，大力研發新材料，產品品種全面跟上國際水平，產品質量大幅度提升。基本滿足了交通、能源、裝備等下游用戶行業對高品質鋼鐵材料的全面需求。

本文對我國高品質鋼鐵材料軋制加工新技術的研究進展進行了綜述，并對其發展趨勢進行了展望。

1 熱軋鋼鐵材料在線組織性能調控關鍵技術

熱軋鋼鐵材料組織性能調控的最重要手段是控軋控冷工藝。控制軋制和控制冷卻（TMCP）是把軋制形變和熱處理工藝有機結合，不僅簡化生產工序，而且大幅度提升鋼材性能，是熱軋鋼鐵材料開發生產的革命性技術。隨著先進鋼鐵材料規格、組織的開發需要，傳統控軋控冷技術受控冷熱交換機制影響，強化機制作用和材料性能挖掘不足，亟需開展熱軋鋼材組織性能調控原理和技術創新。近10余年來，以新一代控軋控冷技術為代表的我國熱軋鋼材在線組織性能調控關鍵工藝與裝備技術在板帶、鋼管、型鋼等方面取得顯著進步，達到國際先進或領先水平，并作為產業轉型升級和結構調整的關鍵共性技術已被列入科技部、工信部、發改委、國資委、財政部17項產業政策文件，并入選工信部“十二五”鋼鐵工業重要發展成就。

1.1 中厚板

在熱軋板帶領域，傳統控冷工藝主要采用層流冷卻，由于冷卻強度低、冷卻均勻性不好，殘余應力大導致鋼板冷卻后存在波浪、瓢曲等板形問題；在組織性能調控上，最大的問題表現為無法實現直接淬火工藝。

在該領域，日本、歐洲等鋼鐵工業發達國家率先開展了TMCP新技術的研發工作，以高冷卻強度、高冷卻均勻性為目標和最根本特征。1998年，日本JFE公司Super-OLAC的研發成功及應用，標志著新一代控制冷卻技術相繼得到應用。日本將該新冷卻技術成功應用于造船、建筑、能源等系列高性能鋼板的生產，并作為核心技術不對外輸出。

針對該關鍵共性技術，東北大學軋制技術及連軋自動化國家重點實驗室（東大RAL）提出并研發成功基于傾斜射流冷卻的超快速冷卻技術，并相繼與首鋼、鞍鋼、敬業鋼鐵、漣鋼等企業產學研合作，構建了以超快速冷卻為核心的熱軋板帶新一代TMCP工藝技術體系，開發出系列大型射流噴嘴和成套高強度均勻化冷卻技術，研制成功首臺套熱軋板、帶超快速冷卻成套裝備，開發出以熱軋板帶節約型合金成分體系為特點的UFC-F、UFC-B和UFC-M 3類核心工藝，實現了基于超快速冷卻技術的新一代TMCP工藝原理—關鍵裝備技術—產品技術一體化創新，使我國在該領域并駕齊驅國際最先進水平，并成為當前我國熱軋板帶領域主流工藝技術。推動了我國熱軋板帶減量化生產、量大面廣普碳鋼升級換代和高端特種鋼材產品的突破。

基于超快速冷卻，東大RAL開發的集層流冷卻強度、超快速冷卻和直接淬火功能為一體的中厚板超快冷系統，目前已在南鋼5 000 mm、首鋼京唐4 300 mm、沙鋼3 500 mm、鞍鋼4 300 mm、唐鋼3 500 mm等30余條熱軋中厚板生產線得到推廣與應用。我國90%以上的新建產線或產線改造，均應用了該項技術，實現了加速冷卻ACC、超快速冷卻UFC、直接淬火DQ等多種工藝控制功能，滿足了鐵素體/珠光體、貝氏體、貝氏體/馬氏體及馬氏體等各類產品的相變過程控制，進一步挖掘了產品潛能。基于該裝備開發的高品質鋼材在西氣東輸、港珠澳大橋、國產二代破冰船等國家重大工程及核心裝備成功應用，滿足了我國重點領域對高端鋼材的急需，提升了關鍵材料的自主保障能力。

進一步，將軋機和冷卻裝備有機結合起來，即“軋制-冷卻”一體化TMCP技術，基于超快速冷卻裝置可對軋制道次間鋼板溫度進行高精度控制，實現對形變奧氏體晶粒尺寸和變形程度以及微合金元素固溶與析出的調控。結合后續水冷相變過程控制，形成鋼板軋制熱加工全過程的精細化“溫控-形變”耦合控制，從而提高軋制變形滲透性，改善鋼板心部性能，進一步提高產品質量穩定性和均勻性。工業應用表明，“軋制-冷卻”一體化TMCP技術在提高板坯軋制滲透性、改善鋼板內部質量、細化產品表面組織和提高生產效率等方面效果顯著。

軋制道次間的高強度冷卻促使軋件厚向產生大溫度梯度，由于鋼板近表層溫度低、變形抗力較大，在相同軋制負荷條件下軋件近表層的金屬更難產生形變，促使變形向心部滲透。目前，“溫控-形變”耦合技術已經應用于南鋼5 000 mm、唐鋼3 500 mm、沙鋼3 500 mm等產線。南鋼5 000 mm生產線開展了基于“軋制-冷卻”同步化工藝的“溫控+變形”耦合技術的產品工業試制，并在厚度100 mm的EH47CBA止裂鋼板生產中發揮重要作用，鋼板厚向組織趨于均勻，改善了鋼板內部質量。

超快冷技術采用具有一定壓力的密集射流沖擊冷卻換熱方式，其具有冷卻強度高、冷卻能力適用范圍大、冷卻均勻性好的特點。同時，配合高精度冷卻工藝控制系統，可實現冷卻速率和終冷溫度的高精度控制。與傳統ACC冷卻方式相比，中厚板超快冷系統可以在低合金鋼減量化、專用鋼材研發和生產以及DQ產品研發等領域發揮重要的組織性能調控作用。

針對碳素結構鋼板，超快速冷卻技術在晶粒尺寸控制上可突破晶粒細化對合金元素的過度依賴，針對合金含量較低的C-Mn鋼，依托極高的冷卻速率可避開粗晶區及細晶作用區，進入極限細晶區，從而獲得均勻且細小的晶粒，實現力學性能的提升及穩定化或實現合金成分的減量化。例如，已開發的節約型Q355產品，與同類產品相比Mn質量分數減少20%～30%以上，噸鋼節約成本40～60元以上。

對于低碳鐵素體貝氏體類產品，利用超快冷技術可以實現快冷條件下的高精度終冷溫度控制，對貝氏體形態、尺寸以及析出相控制有顯著優勢。通過細晶強化、針狀鐵素體相變強化、析出強化的綜合作用，在降低合金元素的同時大幅提升產品綜合力學性能。采用超快冷技術開發的Q370～Q460q橋梁板、Q420GJ建筑用鋼、AH32～EH36船板、Q345R壓力容器板、X65～X80系列高品質管線鋼板以及高韌性超厚規格管線鋼板等產品均已實現大批量工業化生產。

利用超快冷系統高強度的冷卻能力，在中厚板產線上還可以實現在線直接淬火，為高級別工程機械用鋼Q550D～Q690D、石油儲罐用鋼12MnNiVR、水電鋼AY610D等馬氏體類產品提供了工序節約型生產模式。采用DQ+T工藝代替傳統的Q+T生產模式，不僅節約了二次加熱成本，同時充分利用控制軋制過程中變形能量和位錯缺陷的累積，在后續大強度冷卻過程中增加相變形核點，實現產品組織均勻細化，從而改善產品的力學性能。

此外，由于UFC系統具有快速冷卻和控溫的能力，可以讓鋼板厚度截面實現同步快速冷卻，因此能夠提高板形穩定性和厚向組織的均勻性，在提高產品合格率的同時提高了軋制節奏，無形地降低了生產成本。因此，超快速冷卻設備整體工藝優勢突出，不僅能保證碳素結構鋼板和低碳鐵素體貝氏體鋼等量大面廣產品的性能均勻性和穩定性，還可以解決薄規格中厚鋼板板形波動和強韌性匹配等問題，實現薄規格高強鋼DQ工藝的開發與應用，從而保障多品種典型中厚板產品的生產和供貨，全面實現合金減量化、性能穩定化和工藝綠色化。

1.2 熱連軋板帶

熱連軋產線具有設備緊湊、軋制速度快、對冷卻均勻性要求高等特點，為滿足產線對于板帶組織調控的全面需求，東大RAL已開發出具有高冷卻均勻性，集層冷強度、超快速冷卻、直接淬火能力為一體的熱連軋生產線超快速冷卻系統，并已應用至熱連軋線中間坯軋制控溫冷卻、軋后控制冷卻過程，實現了軋線軋制過程靈活控溫及軋制-冷卻一體化的溫度控制和組織調控。目前，該系統已推廣應用于我國漣鋼2 250 mm、CSP產線，首鋼遷鋼、首鋼京唐2 250 mm， 江蘇沙鋼1 700 mm產線，山鋼日照精品基地2 050 mm產線，攀鋼西昌、河鋼樂亭、廣西盛隆1 780 mm、2 250 mm產線，日照鋼鐵、天津榮程1 100 mm產線等，在提升熱連軋板帶組織調控能力，改善軋后冷卻板形控制方面成效凸顯，已成為我國寬幅熱連軋產線的主流配置和工藝裝備。

熱連軋中間坯軋制控溫冷卻工藝，一是通過布置在粗軋機上的冷卻裝置對中間坯進行粗軋道次間即時冷卻，通過冷卻與軋制道次的有效結合，實現粗軋過程的即時控溫，為軋制-冷卻的一體化控制工藝提供支撐；二是通過布置在粗軋機后的冷卻裝置對粗軋后的中間坯進行冷卻，減少典型鋼種的擺鋼待溫時間，且能利用進精軋機前的時間進行有效返紅，確保中間坯的心表溫度均勻性；三是通過布置在精軋機組前的冷卻裝置，快速冷卻入精軋機的中間坯。中間坯控溫冷卻使板坯厚度方向存在一定的溫度梯度，利于實現精軋差溫軋制，促進中間坯心部變形，進而改善板帶心部組織；同時，有利于改善軋件表面質量，對于生產高表面質量的帶鋼產品具有顯著的工藝優勢。

根據軋后組織性能調控及工藝應用需求，軋后超快速冷卻系統有前置式和后置式兩種布置形式。前置式超快冷裝置位于精軋機后，可單獨控制使用，也可與常規層流冷卻裝置匹配使用，實現成分節約型熱軋結構鋼的開發生產，全面滿足UFC-F、UFC-B、UFC-M工藝需求。后置式超快冷位于層流冷卻裝置與卷取機之間，其結合了前置式超快冷或常規層流冷卻的優點，可以實現靈活的兩階段冷卻控制，開發如雙相鋼、復相鋼等典型產品。

針對以鐵素體珠光體組織為特征的熱軋結構鋼，基于UFC-F工藝，開發出細晶結構鋼，如普通碳素結構鋼、車輪鋼以及窄性能波動的熱軋板卷產品。軋后通過超快冷系統快速冷卻至動態相變溫度以下，利用高冷卻速率，使得富含“缺陷”的硬化狀態奧氏體被保存至鐵素體相變區間，實現了鐵素體和珠光體組織細化，提高了產品強度與韌性。

采用UFC-B工藝，針對高鋼級管線鋼，尤其是厚規格產品，高強度冷卻能力保證了鋼板心部仍具有較高冷速，有利于心部獲得大量細化針狀鐵素體組織，從而可在低碳當量成分設計條件下獲得低溫沖擊韌性、DWTT性能穩定的管線鋼產品。同時，可進一步拓展管線產品厚度范圍，已實現25.4 mm厚極限規格X70管線鋼的開發生產，為有效解決厚規格高鋼級管線鋼低碳當量成分設計和良好低溫沖擊韌性、DWTT性能之間的矛盾提供了工藝方法和技術支撐。同時，利用超快冷高強度均勻化冷卻的特點，單獨采用超快冷工藝，利用板厚方向的“溫度梯度”，有效解決了常規工藝下管線鋼殘余應力大的難題，實現了低殘余應力高鋼級管線鋼的開發及大批量工業化生產。

針對熱軋雙相鋼等產品，利用UFC-M工藝技術，可在C-Mn成分下實現馬氏體相變，在保證鋼板力學性能良好、使用性能穩定的同時，實現了成分的減量化。同時，利用兩階段冷卻路徑靈活調控的特點，開發出具有高強韌、高延伸-凸緣性能的一鋼多級雙相鋼產品。利用后置式超快冷，完成了厚度規格3.0～11.0 mm、強度540～800 MPa的熱軋雙相鋼的開發生產。UFC-M工藝技術的開發實踐，對推進我國高品質熱軋雙相鋼生產工藝技術進步做出了重要貢獻。

結合應用實踐可以預期，在熱連軋板帶領域，在軋后區域取消層流冷卻系統，配置7～8組以超快速冷卻為特點的新一代控制冷卻系統，對于實現板帶軋后溫度的高精度控制及組織性能的精準調控，實現高品質帶鋼的低成本高效開發生產，具有重要現實意義。

1.3 熱軋無縫鋼管

熱軋無縫鋼管由于其高溫熱軋和環形斷面原因，廣泛應用于板材領域的控軋控冷組織調控技術卻難以應用于熱軋無縫鋼管生產，導致提升無縫鋼管性能只能依賴添加合金元素和離線熱處理，噸鋼合金用量和噸鋼能耗遠高于板材，資源/能源消耗大，不符合鋼鐵行業綠色化、可持續發展的要求。40余年來，國內外相繼開展了大量的鋼管控冷技術開發工作，但由于無法實現鋼管冷卻過程的溫度均勻性控制，幾無成功先例，長期以來，一直是領域內的國際性工藝難題。

2013年10月，東北大學與寶鋼股份產學研合作，圍繞這一行業長期未解的關鍵共性技術難題，針對環形斷面高強度均勻化冷卻換熱機制、管材控制冷卻工業化技術與裝備、熱軋無縫鋼管在線組織調控工藝與產品技術、高溫奧氏體組織細化+控冷相變協同調控等機理機制與技術創新工作，通過開展系統的理論研究、技術開發和應用實踐工作，形成了覆蓋熱軋無縫鋼管在線組織性能調控工藝、控冷裝備、產品技術、自動化控制系統在內的成套關鍵技術，率先開發出具有內外壁快速均勻冷卻和直接淬火功能的熱軋無縫鋼管在線控制冷卻技術與裝備，并在國際上首次實現工業化穩定應用，實現PQF460機組鋼管軋后全長規格（1～3倍尺，10～36 m長度）的控制冷卻及直接淬火。在此基礎上，進一步率先開發出高等級套管、管線管、結構管等熱軋無縫鋼管，基于在線控制冷卻和淬火的全新成分體系及工藝技術，實現了多品種、多規格系列化產品的批量穩定化生產及應用。相比傳統工藝，晶粒度平均提高1～3級，沖擊韌性提高20～100 J；110 ksi級抗硫管在線控冷+離線調質相比一次離線調質抗硫指標KISSC值提升10%，達到30 MPa·m1/2以上，可完全替代傳統兩次離線調質工藝。所開發的基于高溫變形條件和控制冷卻的熱軋無縫鋼管一體化在線組織調控技術，為熱軋無縫鋼管生產提供全新的工藝手段。將鈦微合金化技術引入熱軋無縫鋼管領域，實現“成分-高溫變形-控制冷卻”協同調控，獲得高溫終軋（950～1 100 ℃）下類同于“控軋控冷”的組織細化效果。

熱軋無縫鋼管在線組織調控技術的開發成功，實現了我國熱軋無縫鋼管控制冷卻工業化裝備技術的國際首創，打破了管材領域在產品工藝技術手段上過度依賴合金化和離線熱處理的局面，構建了熱軋無縫鋼管在線組織調控平臺性工藝技術，實現了典型無縫鋼管產品生產工藝的流程再造，促進了我國熱軋無縫鋼管工藝技術的原始創新，引領了熱軋無縫鋼管綠色高效制造技術的發展。

1.4 熱軋型鋼

熱軋復雜斷面型鋼如H型鋼和角鋼、L型鋼等作為重要的鋼材門類，以其力學性能好、承載能力大、便于機械加工和安裝等優點，具有良好的經濟性，在眾多鋼結構用鋼中占據著主導地位。控制冷卻同樣是實現復雜斷面型鋼高效經濟、在線實現組織性能調控的核心技術，相繼引起國內外企業和科研院所的重視，在日本、德國、意大利等一些國家相繼被報道。盧森堡阿貝德公司開發了QST技術，即H型鋼軋后淬火+自回火控制冷卻工藝。德國應用該工藝，在精軋機后設置一冷卻段，H型鋼出精軋后立即進行噴水冷卻，型鋼表面發生淬火及隨后發生自回火。我國因用戶原因，通常不接受采用軋后淬火+自回火工藝強化的鋼材，普遍認為淬火+自回火后形成的回火層降低了鋼材的使用性能，因此該工藝在薄翼緣厚度型鋼上無法推廣應用。

由于上述型鋼斷面形狀復雜，其在線控冷易于在不同位置出現冷卻不均現象，必將影響軋件的斷面形狀變形和性能均勻性，嚴重的可能無法進行矯直，影響軋線正常生產。東大RAL經過多年的研究，開發了復雜斷面型鋼的新一代TMCP裝備及工藝技術，其核心同樣是采用超快速冷卻技術，其工藝特點是根據軋線的工藝布置情況，在精軋機出口設計開發超快速冷卻系統，控制軋件在限定（通常極短）的時間內快速降溫至目標溫度。

對于復雜斷面型鋼的快速冷卻，為實現冷卻的均勻性，開發出復雜斷面型鋼快速冷卻控制方法，分別對翼緣不同部位、腹板等位置進行冷卻控制，開發出換熱效率高、結構緊湊的熱軋型鋼快速冷卻系統，滿足了型鋼軋制高效、多規格的生產需求。將開發的冷卻系統，用于型鋼軋制后的快速冷卻及中間坯快速冷卻，具有較高冷卻速率而又不產生淬火組織，并具有較強溫度均勻性控制能力，可以顯著提高型鋼的綜合力學性能、使用性能以及生產效率。另一方面，由于復雜斷面型鋼多數為低合金結構鋼，通過快速冷卻可以使型鋼快速降溫，減少了常規生產在冷床上高溫停留的時間，使得型鋼的表面質量得到了明顯改善。

工業應用表明，Q235鋼坯采用控冷工藝生產的H型鋼（規格為H600 mm×300 mm）性能均達到了345 MPa級鋼的性能水平；Q345鋼坯采用控冷工藝生產的H型鋼（規格為H600 mm×300 mm）性能達到了420 MPa級鋼的性能水平；對采用超快速冷卻后H型鋼的時效性能進行了檢驗，人工時效和自然時效25 d后H型鋼的強度指標波動在10 MPa以內。H型鋼快速冷卻技術已應用于河北天柱鋼鐵公司小型和中型H型鋼連軋生產線、馬鋼和日鋼大型H型鋼生產線、馬鋼重型H型鋼產線，并取得了較好的效果。高強角鋼軋后快速冷卻技術在石橫特鋼得到成功應用，取得了顯著經濟和社會效益。

此外，在熱軋線材領域，鞍鋼開發成功自主創新的我國首臺套高速線材在線水浴韌化處理（EDC：Easy Drawing Conveyer） 技術，將線材在接近沸點的熱水中持續冷卻控制相變過程，并用于簾線鋼、鋼絲繩用鋼、鋼絞線用鋼等高碳類品種。

2 熱軋鋼鐵材料離線熱處理技術

離線熱處理是生產高等級鋼鐵產品的關鍵技術。對于性能和強度等級要求高的鋼材，在強度、韌性、平直度指標上通常還需依賴離線熱處理工藝技術。同時，離線熱處理具有的整批產品性能穩定的優點，使離線熱處理仍然是提高鋼材性能，生產高等級、高性能產品的重要工序，也是板材、管材等鋼材獲得良好性能的最后保障。近10年來，在鋼鐵材料離線熱處理技術領域，最為突出的技術進展為極限規格高強韌板帶的淬火熱處理技術，此外，無縫鋼管離線淬火技術也實現了升級換代。

2.1 極限規格高強板帶鋼淬火熱處理技術

2006年，我國自主知識產權的首臺中厚板輥式淬火機開發成功，打破了我國鋼鐵領域連續輥式淬火技術及裝備長期以來由極少數國外公司壟斷供貨的被動局面。2010年后，持續開展了極限規格板帶鋼高平直度淬火技術的研究。針對我國（極）薄規格高強工程機械用鋼、特厚規格海工用鋼的迫切需求，先后突破了大寬厚比鋼板高強均勻淬火、高平直度板形控制、大厚度規格高強淬火等核心技術，解決了淬火性能一致性、溫度敏感性和高平直度控制等系列難題，將板帶高平直度淬火能力拓展至極薄2 mm級、特厚300 mm級，最寬5 m全寬幅鋼板淬火核心裝備和成套工藝技術，填補了多項國際空白，大幅度提升我國高端高強韌板帶供貨與研制能力。

針對極薄高強鋼產品，東大RAL與華菱漣鋼產學研合作，研發成功國際首條2～12 mm厚極薄鋼板輥壓式熱處理線，鋼板淬火后不平度不大于4 mm/m， 達到國際最高水平；針對特厚鋼板，與河鋼合作，研發成功國際首條300 mm級超厚特種鋼板連續熱處理線，鋼板心部冷速和斷面冷卻均勻性與傳統浸入式淬火相比提高2～3倍；針對超寬鋼板，與鞍鋼合作，研發成功國內厚度跨度最大、寬度最大重型鋼板淬火生產線，實現5～200 mm厚、最寬4 850 mm鋼板連續穩定生產。基于自主創新的輥式淬火技術，建立了一整套涵蓋碳素鋼、不銹鋼和特種合金的高端中厚鋼板熱處理制造工藝體系，成功開發出高級別工程機械用鋼、LNG儲罐用鋼、低合金耐磨鋼、海洋平臺用鋼、超級雙相鋼、核電鋼、高端不銹鋼等熱處理產品，并成功應用到多項國家重點工程項目以及行業骨干企業，滿足了下游裝備制造產業的迫切需求。

此外，寶鋼圍繞薄規格高強鋼全流程板形控制，通過開發補償淬火技術、淬火配方數據庫、矯直自動設定與自適應壓下、低內應力控制、板形自動判定等技術，成功解決了薄規格超高強鋼的板形控制世界難題，極限不平度不大于1 mm/m。集成開發了在線平直度檢測與智能判定系統，及自動反饋控制矯直模型，實現了高效穩定生產，最薄規格突破至2 mm。基于開發形成的熱連軋超高強鋼產業化關鍵技術，已實現800～300 MPa級別、2～14 mm厚熱連軋超高強鋼的開發生產。

極限規格輥式淬火裝備與技術，解決了長期制約我國的極限規格特種鋼板熱處理裝備技術國產化問題，使我國成為全球極少數能提供全規格特種熱處理鋼板熱處理裝備技術的國家。支撐了國家超大型海工裝備、特種船舶、超大型石化基地、大型跨海工程、超大型工程機械裝備、水電核電站等重點工程建設和重大裝備制造，滿足了國家重點領域急需。

2.2 熱軋無縫鋼管基于射流冷卻的新一代淬火技術

熱軋無縫鋼管受工藝技術、形狀、用途等影響，離線熱處理尤其是淬火工藝，決定了無縫鋼管產品的最終質量。因此，對于熱軋無縫鋼管的產品組織性能調控，目前離線熱處理仍是最重要的工藝保障手段。在高強無縫鋼管產品領域，目前廣泛采用的鋼管淬火技術方式為“外淋+內噴”的冷卻形式。在淬火冷卻過程中，鋼管外壁冷卻的外淋水為層流水，由水箱經擋水板導流流出，直接垂直自然落在鋼管表面，壓力通常在0.1 MPa以內，最大不超過0.2 MPa。

依靠上述層流水冷卻進行淬火處理的工藝技術，無論在冷卻機制上，還是在冷卻裝備設計上均存在一定的制約因素，導致熱處理生產工序及淬火后鋼管組織性能等方面存在不足。具體體現在：（1）冷卻水均勻性分布差。大量的冷卻水從噴嘴流出后在重力的作用下落過程中，無法避免地會出現聚集、分叉等現象，難以實現冷卻水的均勻分布。（2）冷卻效率低。從集管中依靠自重流出的冷卻水沖擊力有限，冷卻水流很難有足夠的沖擊能力穿透鋼管高溫表面汽膜而直接接觸到其表面，冷卻換熱效率較低。基于上述問題，最終導致在基于層流機制的淬火技術及裝備條件下，盡管通過加大冷卻水量、依賴壓管裝置等手段可完成淬火工序，但是由于冷卻的不均勻性以及冷卻速率的限制，導致鋼管淬火組織不理想、全長組織性能均勻性不佳；冷卻速率相對較低，淬硬層深度低，硬度波動范圍大，甚至出現彎管等問題，進而影響了熱處理生產效率，并限制了產品規格厚度，同時影響后續的鋼管加工以及使用性能。為此，引入新的冷卻機制及技術，可有效提高淬火冷卻均勻性和冷卻速率，對開發高品質鋼管產品、擴大產品規格、提高經濟效益具有至關重要的作用。

近年來，以射流冷卻為特征的快速冷卻在高溫鋼材冷卻均勻性和冷卻速率方面已體現出顯著優勢。在熱軋板帶鋼領域的應用實踐表明，同等規格鋼板冷卻過程中，基于射流沖擊冷卻的冷卻速率可達到傳統層流冷卻的2～5倍。將射流沖擊冷卻技術應用于管材淬火工藝，帶有適當壓力的冷卻水可有效提高淬火冷卻強度，大大提高冷卻效率。此外，有壓射流冷卻也可有效減少冷卻水沖擊至高溫鋼管表面的氣蝕和擴散，使得冷卻水可以均勻有序地落于鋼管表面，顯著提高冷卻水均勻分布的可控性，從而大幅提高冷卻均勻性。

目前國內已有鋼管企業應用射流冷卻淬火工藝，在淬火后組織、淬硬層深度、硬度均勻性以及管直度等方面改善和提升效果顯著。此外，從組織性能調控角度，高冷卻強度可減少合金元素的添加，降低碳當量，對于提高產品使用性能也具有良好的促進作用。淬火作為提升鋼鐵材料強度的最有效工藝手段，推動和實現我國鋼管企業離線淬火工藝的技術迭代和提升，對于提升無縫鋼管產品檔次和質量穩定性，開發高質化無縫鋼管產品具有重要意義。因此，面向熱軋無縫鋼管高質化發展需求，推廣和應用基于射流冷卻的新一代淬火技術，在降低企業的生產成本、提高經濟效益的同時，還可促進企業的產品結構調整，助力企業在高端鋼管生產中的快速發展。

3 鑄軋一體化短流程技術

熱軋過程最大的能源消耗工序即是連鑄坯入加熱爐加熱工序或連鑄坯補熱工序。連鑄后應盡可能減少熱量損失，把連鑄和軋制兩種工藝結合起來，實現鑄-軋一體化，對于降低能源消耗，降低生產成本，增加金屬收得率，開發生產極限規格產品，具有重要意義。近10年來，我國鋼鐵行業鑄-軋一體化短流程工藝技術取得長足進步，鑄軋界面相關技術、無頭軋制、薄帶鑄軋等技術已相繼落地實施，擁有了幾乎當前世界上最齊全的鑄軋短流程技術。

3.1 鑄軋界面技術發展

傳統冶金流程中鑄坯再加熱軋制必然增加能源消耗，加劇環境污染。重新加熱后連鑄坯的溫度分布為“外熱內冷”，與連鑄后的“外冷內熱”狀態恰好相反，這就失去了利用鑄坯心部1 250～1 450 ℃高溫粘塑性區的變形改善內部質量的機會。在連鑄凝固點附近進行軋制等高溫粘塑性變形，并盡量防止連鑄坯散熱，減少連鑄坯的溫降，則完全可實現免加熱直接軋制，這是節能減排、提高質量的重要措施，行業內對連鑄與熱軋的銜接即鑄軋界面技術的研究和應用也逐漸深入。

鑄軋界面技術的發展按照銜接方式可大致分為鑄坯熱送熱裝技術、直接軋制技術、無頭軋制技術3個階段。鑄坯熱送熱裝技術的目標是降低鑄坯加熱爐燃耗，降低加熱燒損，提高產品成材率，從而降低生產成本。在此階段同時發展出了方坯定重供坯技術，即根據產品的不同規格，通過優化鑄坯的質量（重量），實現定重供坯，來提高棒材的定尺率。當鑄坯送達加熱爐入口的溫度達到900 ℃以上時，免預熱直接軋制技術具備可行性。該技術徹底取消了軋鋼加熱爐，鑄坯從連鑄機直接送到軋機進行軋制，進一步降低了燃耗成本，并且顯著降低了廢氣排放。但是鑄坯直軋生產流程中沒有了加熱爐的緩沖作用，連鑄坯在鑄-軋界面的銜接過程容易出現送坯節奏與軋鋼不匹配、低溫鑄坯剔坯較多、鑄坯頭尾溫差大等問題，造成產品質量的不穩定，使得鑄坯直軋工藝的產品適應性較窄，影響了該技術的推廣和應用。隨著冶金裝備技術的不斷進步，高拉速連鑄機、新型高剛度軋機的出現為直接軋制、無頭軋制技術的實際應用奠定了基礎。連鑄機和軋機直接銜接，中間鋼坯不切斷，最大程度地降低了連鑄-軋鋼流程的能耗、減少了廢氣污染、徹底消除了非定尺產品、可實現全定尺交貨，顯著降低了生產成本。

東北大學朱苗勇教授團隊結合大斷面連鑄方坯生產實際，從壓下量、壓下區間、凝固末端位置檢測、裝備控制等方面進行系統研究，開發形成凝固末端重壓下集成技術。生產實踐表明，采用重壓下技術生產軸承鋼連鑄坯及軋材質量改善明顯，其中軋制棒材中心疏松從2.0～2.5級降至1.0級以內。在寬厚板坯方面，在唐鋼建成并投產國際首條連續、動態重壓下寬厚板坯生產線，解決了高端大斷面連鑄坯中心偏析與疏松嚴重的技術難題，首次實現軋制壓縮比1.87∶1條件下 150 mm厚高建用鋼大批量的穩定生產。進一步，首鋼京唐公司應用寬厚板坯連鑄大輥徑大壓下設備，對不同拉速條件下400 mm寬厚板坯在連鑄凝固末端以及300 mm寬厚板坯連鑄完全凝固后，進行了大輥徑大壓下裝備工藝及4 300 mm軋機特厚板軋制技術開發和生產應用實踐，通過連鑄坯大輥徑大壓下+優化軋制工藝獲得了以低壓縮比、低成本、短流程生產的組織性能優異的高質量特厚板。

3.2 熱軋板帶無頭軋制（ESP）工藝

薄板坯連鑄連軋工藝具有流程短、投資少等特點。自1989年7月，世界首條薄板坯連鑄連軋生產線在美國阿肯色州紐柯鋼鐵公司Crawfordsville廠投產以來，薄板坯連鑄連軋技術歷經3代技術革新，歷經單坯軋制→半無頭軋制→無頭軋制階段的演變過程。隨著薄板坯無缺陷連鑄技術的發展，促進了薄板坯無頭軋制技術的快速發展。2009年意大利Arvedi公司率先開發了第3代薄板坯連鑄連軋—無頭軋制（ESP）技術，迅速實現工業化生產。至此，以高速連鑄、無頭軋制為主要特征，將薄板坯連鑄連軋技術推向了新的高峰。目前，全球已經投入工業化生產的薄板坯連鑄連軋無頭軋制產線共13條，年產1 964萬t鋼材，其中9條分布在中國。

2009年6月，世界首條薄板坯連鑄連軋無頭軋制生產線在意大利Arvedi的克雷莫納2廠正式投產，建立了真正的無頭軋制帶鋼生產線。產線布置緊湊，總長度為180 m， 采用單流鑄機，早期階段通鋼量達到5.5 t/min， 第1階段年生產能力為200萬t， 產線生產鋼種不斷拓展的同時，保持了非常低的漏鋼率和堆鋼率。2021年，意大利克雷莫納廠對其ESP產線從設備和自動化方面進行升級，通過增加扇形段長度和應用“彎曲段防鼓肚”控制系統等新工藝措施，通鋼量創造了7.1 t/min的記錄，相當于每年可生產300萬t， 主要生產2.0 mm以下薄規格熱軋產品和花紋板等。2011年，浦項在原有ISP產線的基礎上，自主開發了CEM工藝技術，可以實現兩種軋鋼模式（無頭軋制模式和單坯軋制模式）隨時切換，生產薄板時采用無頭軋制模式；生產厚板或特殊鋼時采用單張軋制模式，年產200萬t以上，實現了連鑄工序與熱軋工序的直接耦合。CEM工藝采用電爐煉鋼，因在韓國電爐原料成本負擔加劇，生產過程只能采用魚雷罐車運輸高爐鐵水，設備利用率低，浦項于2019年關停CEM生產。

2017年，我國日照鋼鐵公司全面引進意大利Arvedi技術，第1條ESP產線（1#線）順利投產，單流連鑄機通鋼量達到了6 t/min， 年產量達到250萬t。在1#線順利投產的基礎上，截止2022年，日照鋼鐵共建立5條ESP產線，形成了世界規模最大的高質量薄寬帶鋼生產基地，可批量軋制0.8 mm超薄熱軋鋼卷，最薄可軋0.5 mm厚帶鋼，居于國際先進水平。目前，日鋼ESP生產線產品主要包括7類：汽車用鋼產品、高碳鋼產品、耐候鋼產品、普通熱軋產品、沖壓用酸洗產品、冷成形產品和鍍鋅產品，設計總產量達1 110萬t。2019年首鋼京唐通過引進達涅利關鍵技術，建設了MCCR-DUE無頭軋制生產線，是世界首創的多模式全連續鑄軋生產線，可實現單塊、半無頭、全無頭交叉切換的多模式鑄軋形態，設計產能210萬t/a， 產品定位以薄規格為主。2019年唐山全豐從品種需求、投入產出比及節能方面對薄板坯連鑄連軋技術進行綜合分析，通過引進關鍵技術與國內配套集成，建設無頭軋制DSCCR產線，年產210萬t/a。2021年4月，福建鼎盛和普瑞特冶金簽署ESP產線建設協議，設計產能240萬t/a。2021年太行鋼鐵集團ESP產線開工建設，設計產能200萬t/a。

無頭軋制作為第3代薄板坯連鑄連軋技術的典型特征，板坯厚度通常為90～130 mm， 截止目前，通過全面引進或關鍵核心技術引進，擁有了多種形式的薄板坯無頭軋制產線。

3.3 薄帶鑄軋工藝

薄帶鑄軋作為板帶領域鑄-軋一體化短流程工藝的代表之一，其為將快速凝固與軋制變形融為一體的短流程、近終形成形工藝，取消了常規流程中的連鑄、粗軋、熱連軋和相關加熱等重要工序。與板坯常規連鑄、軋制工藝和薄板坯連鑄連軋工藝相比，薄帶鑄軋產線流程更短（不大于60 m），長期以來一直受到鋼鐵領域科技工作者的廣泛關注。自20世紀40年代由英國冶金學家Henry Bessemer提出后，至今已實現產業化和特色創新階段。近年來，隨著材料、機械、自動化等領域的不斷發展和鋼鐵行業綠色轉型升級的迫切需求，薄帶鑄軋技術經世界各大鋼鐵集團和冶金裝備企業的不懈努力，已突破工業化技術應用。

2009年美國紐柯在阿肯色州的布萊斯維爾廠（Blytheville）建設了CASTRIP生產線，2013年授權墨西哥鋼鐵企業Tyasa在位于韋拉克魯斯（Veracruz）中部建設年產能50萬t CASTRIP生產線。中國寶鋼與三菱重工合作，2003年在上海鋼研所建成薄帶連鑄中試線，2013年在寧波建成薄帶連鑄工業化生產線Baostrip， 主要生產低碳鋼熱軋卷，2014年投入試生產，2015年軋制出集裝箱板、高速公路護欄板等產品。實際生產表明，機組實現了穩定連續澆鑄和軋制，產品的表面質量、板形和力學性能均滿足要求。美國紐柯在普碳鋼生產、韓國浦項在雙相不銹鋼領域取得突破。2016年中國沙鋼成套引進美國紐柯薄帶連鑄技術與裝備，以生產薄規格碳素結構鋼為主，于2019年3月投產，引進的薄帶鑄軋產線在工藝、裝備、產品生產等方面技術成熟，在生產效率、產品質量、裝備水平及生產成本等方面均實現大幅度提升。2016年5月，東北大學與河北敬業集團簽訂了薄帶連鑄技術產業化應用技術協議，2017年開始實施我國具有完全自主知識產權的電工鋼短流程薄帶鑄軋產線建設。截止目前，該項目已實現薄帶鑄軋關鍵技術突破，目前正處于持續的質量提升和品種開發階段。在碳達峰、碳中和的大背景下，寶武集團擬在新疆巴音郭楞蒙古自治州籌建“綠電+電爐+薄帶連鑄連軋”世界首個新能源鋼鐵短流程“零碳工廠”示范產線，預計2023年下半年建成投產。2022年8月，中鋼國際與山西宏達鋼鐵簽訂綠色低碳薄帶鑄軋項目，雙方擬在山西運城市建設一條年產100萬t熱軋卷的薄帶鑄軋產線。此外，2014年美國Nanosteel公司報道了利用薄帶連鑄技術開發出強度為1 200 MPa， 伸長率為50%的第3代汽車用納米晶鋼，實現強度和塑性的良好匹配。

隨著低碳鋼鐵和相關技術快速發展，尤其是在特殊鋼方面的獨特優勢，薄帶鑄軋技術再次掀起熱潮，也為金屬材料加工領域提供一個新的低碳、超低碳的加工路徑及方法，必將在鋼鐵行業得到持續關注和發展。

3.4 熱軋長材連鑄連軋技術

軋鋼工序能耗約占鋼鐵工業總能耗的10%，是整個生產流程綠色化制備過程需要突破的一個重要環節。為了在長材生產過程中實現節能、減排、降成本，人們把目光轉向連鑄坯余熱的合理利用，以實現連鑄坯的直接軋制。根據軋前是否需要連鑄坯在線補熱，直接軋制工藝可分為傳統意義上的連鑄直接軋制工藝和免加熱直接軋制工藝。

連鑄直接軋制工藝中，連鑄坯被切斷后不經過加熱爐，在輸送過程中通過在線補熱裝置進行補熱即可直接送入軋線進行軋制。國外在棒線材生產中探索取消傳統加熱爐，但仍需要對鑄坯進行在線補熱，例如意大利ABS-Luna廠、美國紐柯公司等產線。我國冶金行業近年來也在積極尋求節能減排的途徑，唐鋼、邢鋼等曾嘗試用焊接法進行棒線材的無頭軋制，臺灣某鋼廠也在研發直接軋制技術，以及有鋼廠嘗試棒線材的低溫軋制，取得了一些節能效果，但是一直未能成為主流軋制技術。棒線材免加熱軋制工藝中，合理提高鑄坯溫度，高溫鑄坯切斷后，經專門快速輥道直接送入軋線進行軋制，鑄坯不經加熱爐，也無須補熱，完全省去了加熱爐的燃料消耗，可以大幅度節省能源，降低二氧化碳等污染物的排放。但免加熱直接軋制工藝中失去了加熱爐對產能的調節作用，連鑄與軋機工序的剛性銜接，生產管理難度加大，降低開軋溫度將導致軋制力升高，軋機的電耗增加，必要時應對軋制負荷分配進行優化。鋼鐵研究總院等通過綠色化低能耗鑄軋銜接技術優化了長型材連鑄與軋鋼兩個工序之間的銜接生產方式，取消了傳統加熱爐，采用直接軋制、感應補熱軋制、補熱爐短時間均熱等方式，實現長型材制備過程的流程創新，使能源消耗降低，并減少了氣體排放，做到長型材的綠色化生產。

4 軋制過程自動控制技術

在軋制成形技術領域，早在2000～2010年，我國學者通過開展軋制過程鋼鐵材料彈塑性行為與屈曲變形機理、非穩態/非均勻變形過程參數耦合關系、復雜工業流程建模理論與方法、柔性約束條件下的多機構協調優化控制等基礎理論研究，開發出三維尺寸控制、軋制穩定性控制、溫度控制、數學模型與自適應、自動化系統集成等系列化成套技術，已相繼在中厚板、熱連軋、冷連軋等領域開發出自主知識產權的軋制過程工藝與自動控制系統，覆蓋了高控制精度要求的板帶鋼領域，實現了我國軋制技術自主保障能力和高端鋼鐵材料制造水平。10年來，我國持續提升鋼材軋制過程尺寸、形狀的精細化控制水平，以獲得極限規格產品、提高成材率和實現穩定的軋制生產過程。目前，除部分寬幅軋線外，自主知識產權的軋線自動控制系統已在我國各類軋線得到普遍應用。

“十三五”期間，我國鋼鐵行業實施了“扁平材全流程智能化制備關鍵技術”、“長型材智能化制備關鍵技術”等項目，通過全流程智能化關鍵技術研發，實現多工序、系統級、全局性的產品質量和制備流程優化。在產品外形尺寸控制精度方面提升多工序精準協調控制水平，提高控制穩定性和目標控制精度。在扁平材領域，針對我國扁平材制備尚未形成全流程的一體化控制與各層次的協調優化，面臨產品外形尺寸與內部性能控制穩定性差、高端供給能力不足、勞動生產率低等問題，在軋制過程多工序協調優化與質量精準控制方面提出了多工序協調優化控制信息物理系統（CPS：Cyber Physical Systems）方案，項目參與單位中厚板典型產品矩形化率提升至94.5%；ESP產線非計劃過渡材比例降到25.6%。在長型材領域，圍繞長型材智能化制造基礎研究、棒線材直接軋制智能化負能制造關鍵技術、多品種小批量棒線材智能化定制、復雜斷面型材智能化生產等方面通過開展系統研究。參與單位建成棒線材直接軋制智能化負能制造生產線，并投產穩定運營，軋鋼工序能耗降低至10.55 kgce/t， 煉鋼-軋鋼全流程實現負能生產。直軋溫度控制穩定，直軋率不小于90%，棒線材同條性能差小于15 MPa； 構建了大型廠萬能線軋輥全壽命管理信息系統、面向軋輥的全生命周期數據分析應用平臺和軋輥全壽命周期預測及軋輥車削優化模型和軋輥磨損模型；實現了萬能線軋輥孔型高精度測量與數據自動轉化及傳輸。

此外，在軋制成形方面，近年來重要的進展是寬幅超薄精密不銹帶鋼工藝關鍵技術取得重大突破。超薄不銹精密帶鋼生產難度大，寬度w≥400 mm的寬幅薄帶生產中存在板形及厚度精度難以控制、鋼質潔凈度低導致的軋制穿孔等技術難題和長線退火過程中的抽帶、斷帶及折印等生產難題，無法滿足高平整度（不平度不大于0.1 mm/m）、高表面質量使用需求和穩定生產。太鋼與相關科研單位產學研合作，在板形、張力控制等方面進行研究開發，在輥系配置、軋輥設計和多軋程板形動態控制等方面形成成套軋制技術，實現寬幅超薄不銹精密帶鋼的高精度軋制，實現厚度為0.02 mm、寬度為640 mm的產品國際首發。在退火工藝方面，開發出多點轉矩平衡補償、螺旋芯軸型展平輥設計和非線性卷取張力動態調整的熱處理線張力精準控制技術等關鍵技術，解決了寬幅超薄不銹精密帶鋼長線退火斷帶、折印及塌卷等難題，實現了大卷重（2 t以上）超薄帶高效連續穩定生產。此外，結合冶煉控制，實現了高表面質量產品的穩定開發生產。產品應用于下游柔性顯示屏、儲能電池、軍工核電等制造業，引領了國際超薄不銹精密帶鋼的發展方向。

近年來，隨著智能化、數字化技術的創新發展，在板帶、型材等領域，軋制領域新技術不斷得到開發應用，如高精度復雜斷面型鋼軋制數字化技術，以孔型參數化為基礎將三者集成一體，實現數據直接傳輸的數字化型鋼設計制造CAD-CAE-CAM系統，實現了高精度復雜斷面型鋼軋制數字化技術在鋼軌高精度軋制及孔型優化方面得到實際應用。隨著智能化技術的開發深入，基于大數據采用機器學習和智能化方法進行軋制參數預測用于提高軋制過程控制精度，目前已得到在線應用。依托邯鄲2 250 mm熱連軋線，采用大數據方法，構建了基于儀表數據、數值模擬數據、機理模型、機器學習模型等多源數據與多模型融合的數字孿生模型體系和CPS反饋優化模塊軟件，提高了軋制力和三維尺寸的設定精度。應用表明，在換規格后首卷軋制力設定精度、產品寬度、厚度等三維尺寸控制精度得到顯著提高。

5 展望

軋制工序銜接冶煉和連鑄工序，是鋼材產品的關鍵工藝，高品質成形成性，開發綠色減排、環境友好的工藝和產品，始終是軋制工序技術創新和發展的方向。

5.1 鑄-軋界面高效高質技術

改善鑄坯內部質量，減少鑄坯表面缺陷，提高連鑄工序向軋制的運行效率，實現鑄-軋工序高效銜接，進而使軋件在軋制過程高質高效成材，具有重要意義。因此，鑄-軋工序間提高鑄坯心、表質量，利于高效運行匹配的相關技術愈發受到重視。在提高鑄坯質量方面，針對改善連鑄坯疏松、偏析等問題，實施超高溫心部粘塑性大變形，在連鑄凝固末端重壓下技術或凝固后大壓下技術改善連鑄坯內部質量，已在國內部分鋼鐵企業取得了良好應用效果；對于部分低碳微合金鋼，為避免鑄坯熱送時產生表面裂紋，連鑄坯表面淬火控制鑄后表面裂紋技術已在部分國內外鋼鐵企業得到應用。在提高工序間輸運效率方面，高效組坯、優化連鑄-軋鋼工序銜接的技術，以減少鑄坯補熱，提高鑄坯進入軋制工序的溫度，提高熱送熱裝率，實現連鑄連軋及至直接軋制。

除部分棒線材產品采用免加熱直軋外，連鑄坯進入軋制工序，均需通過加熱爐加熱或采用感應加熱裝置補熱。加熱爐是軋鋼工序中能耗最大的設備，約占軋鋼工序能耗的60%～70%。提高加熱爐加熱能效，開發加熱爐節能新技術，仍將是軋鋼領域技術攻關的重要方向。近年來，隨著電磁感應加熱技術在薄板坯連鑄連軋無頭軋制領域得到良好應用，采用感應加熱方式給連鑄坯或中間坯軋機補熱技術受到更多關注。電磁感應加熱是利用交變電流在線圈內產生磁場，從而在金屬工件通過時產生渦流，金屬的電阻相對較小，較低的電動勢就可以產生很強的渦電流，這樣就在金屬工件內部產生了很大的焦耳熱，使金屬溫度升高，從而達到加熱的目的。高效高均勻化加熱是感應加熱方式重點關注的內容。

5.2 軋制過程高效均質化技術

軋制過程中軋件均質化技術是熱軋鋼材的共性問題，對于板帶材主要包括厚規格鋼板厚向的性能均質化和薄規格板材全斷面范圍組織的均質化。傳統的提高厚板均質性的手段，在于通過改進合金設計，增加微合金元素如高V、高Nb等來實現高溫變形組織調控從而改善鋼材組織性能均勻性；或者通過強化控軋控冷工藝，如采用低溫控軋的方式，生產厚規格鋼板。

在鋼鐵行業提質增效的環境下，降低合金成本成為迫切需求，另外，厚板低溫軋制對軋機裝備能力要求高，對軋制生產效率影響顯著。因此，在高效、低成本的條件下實現厚規格鋼材的均質化生產成為行業的重要研究任務。日本JFE公司曾提出高滲透軋制工藝，通過布置在機架上的快速冷卻裝置對軋件進行強制冷卻，從而改善厚板產品斷面組織均勻性，這種工藝可以改善傳統軋制過程中變形滲透性差、心部韌性不足等問題。國內相關單位提出的特厚板材差溫軋制工藝，在軋機前增加差溫冷卻裝置，可以在軋制過程中實現邊軋制邊冷卻，控制表面冷卻向板坯內部深入，在板坯厚度方向上形成梯度溫度，從而提高特厚鋼板的均勻性。東大RAL通過研究和實踐提出：提高終軋溫度進行高溫高效軋制，通過引入第二相粒子誘導相變，同時配合控制冷卻工藝，實現厚板組織和性能的均質化調控，這是厚規格熱軋鋼材的一個發展方向。

針對薄規格板材全斷面范圍均質化的要求，主要通過控制減少在熱軋過程中產生的帶狀組織來提高其組織均勻性。帶狀組織的控制主要從軋制過程中奧氏體細化以及軋后控冷兩個方面入手，如通過改善其軋制工藝以及引入第二相粒子從而細化奧氏體晶粒尺寸，以及引入超快冷工藝抑制先共析鐵素體從而控制帶狀組織的產生。

5.3 鑄軋短流程高質化技術

以薄板坯連鑄連軋無頭軋制、薄帶鑄軋為典型產線流程代表的鑄軋短流程工藝技術，在我國鋼鐵行業取得了非常大的進步，最為突出的特點是發揮了其大規模生產薄/超薄寬帶鋼的能力。但與常規流程產線相比較，鑄軋短流程產線產品種類、表面質量、投資與生產成本等方面還存在差距。發揮鑄軋短流程產線工藝特點，實現產線高質化產品定位和特色化升級提升是短流程產線的最重要的技術創新方向。

在薄板坯無頭軋制領域，國內目前已有9條薄板坯無頭軋制生產線，大部分以薄規格為代表的汽車結構鋼、集裝箱板、高強建筑結構鋼、冷熱成型酸洗板等產品為主，產品同質化問題已日趨凸顯。充分發揮薄板坯高拉速冷卻速度快，組織細化；鑄坯外冷內熱，逆向溫度分布；軋制過程穩順、組織調控利于實現精準調控等工藝特點，系統結合企業定位、產線布局以及產線工藝與裝備條件，開發滿足用戶需求的高附加值產品；另外，持續開展一定碳含量范圍的包晶鋼高拉速連鑄技術研究，拓展產品范圍和種類，以支撐產線高質化特色化發展。

在薄帶鑄軋方面，因其產線特殊的工藝方式，決定了產線產量小、厚度規格偏薄等特點。目前國內外建設的薄帶鑄軋產線產品主要以薄規格低碳、低碳微合金等結構鋼為主。薄帶連鑄固有的亞快速凝固過程可以顯著提高基體固溶能力、抑制相變或者偏析過程，后續加工后的快速冷卻，將抑制較低溫度的二次析出，維持其固溶狀態。后續適當環節工藝參數的控制會將二次析出物控制在最優的狀態。薄帶連鑄與常規流程有很強的互補性。常規加工過程難以加工，或者無法加工的材料，適合采用薄帶連鑄工藝。因此，結合薄帶鑄軋工藝特點，選擇合理的產品定位，是薄帶鑄軋進一步高質化發展的重要方向。

5.4 軋制加工過程數字化技術

隨著人工智能、大數據等信息技術的發展，鋼鐵產業正向智能化、數字化轉型。經過近30年的高速發展，我國鋼鐵工業已經完成機械化和自動化建設，鋼鐵企業軋鋼生產線自動化水平相對較高。在此基礎上，我國鋼鐵企業重點開展了崗位機器人替代、設備無人化、集中管控等工作，并取得顯著成效。從技術層面看，在一定程度上這些屬于自動化和信息化層面的工作，但通過該項工作，鋼鐵企業將此前相對獨立的系統整合，為實施全生產流程智能制造提供了支撐條件。

作為最典型流程工業，聚焦到以鋼鐵材料加工過程的“物料”本身（鐵礦石→鐵水→鋼水→鑄坯→軋件），無法測得加工過程中物料內部的工藝參數，鋼鐵行業全流程各工序實質上均為“黑箱”，為多場、多相、多變的巨系統，具有復雜相關關系和遺傳效應等。傳統技術開發手段在鋼鐵材料新工藝、新產品開發過程中的效率和經濟性正在逐步下降。這是因為基于經驗積累、分段探索的物理冶金規律適用性在由局部向整體的拓展應用過程受到極大限制。因此，這些不確定性帶來了巨大的挑戰。但挑戰和機遇并存，這些不確定性提供了智能化和數字化技術的應用場景資源；鋼鐵行業極為豐富的大數據提供了挖掘其中蘊含客觀規律的數據資源；現代的數據科學、智能技術為解決不確定性問題提供了強大的手段。具體到軋制過程，軋制過程的全流程數字整合，包含了實時全信息數據的坯料，蘊含著生產過程中的全部規律。利用機器學習、深度學習等現代數據挖掘技術為計算工具，對這些數據資源進行處理、分析、計算，將數據轉換為高保真度模型，可以得到具有“原位分析能力”的數字孿生模型。以數字孿生模型為核心，組成信息物理系統，構建起基于數據自動流動的狀態感知、實時分析、科學決策、精準執行的閉環賦能體系，解決生產制造、應用服務過程中的復雜性和不確定性問題，賦能材料與工藝創新。這將是軋制及鋼鐵全流程領域最重要的發展方向。

本文摘自《軋鋼》2022年第6期