左：劉振宇教授，右：曹光明副教授

2021 年11 月3 日，2020 年度國家科學技術(shù)獎勵大會在北京人民大會堂隆重召開。東北大學軋制技術(shù)及連軋自動化國家重點實驗室劉振宇教授作為第一完成人、東北大學作為第一單位牽頭完成的“鋼材熱軋過程氧化行為控制技術(shù)開發(fā)及應(yīng)用”項目榮獲國家科技進步二等獎。

東北大學聯(lián)合鞍鋼、河鋼、太鋼、馬鋼、南鋼及漣鋼等企業(yè)，在國家持續(xù)支持下，通過“產(chǎn)學研用”深度融合，構(gòu)建起了鋼材熱軋過程氧化控制理論體系，開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的成套技術(shù)，打破了國外對高表面質(zhì)量產(chǎn)品的壟斷，不僅生產(chǎn)出免酸洗、易酸洗及氧化皮耐腐蝕等新品種鋼材，而且實現(xiàn)了熱軋氧化調(diào)控由經(jīng)驗試錯向數(shù)字化、智能化控制的轉(zhuǎn)型。

一、創(chuàng)新成果

1.突破了多因素強耦合的熱軋氧化理論

由于熱軋流程長，鋼材熱軋氧化受成分、環(huán)境氣氛及工藝等因素的交互影響，導(dǎo)致其氧化行為極為復(fù)雜，屬于多場耦合問題。然而，同時考慮“成分+溫度+氣氛+軋制”的熱軋氧化理論，國內(nèi)外鮮見報道。

鑒于此，項目團隊首次研發(fā)出能同時考慮多因素影響的實驗裝置及實驗方法，精確模擬了熱軋過程多場耦合條件下的氧化行為；在此基礎(chǔ)上，系統(tǒng)研究了Si 和Mn 界面復(fù)合氧化物的形成機制，明確了抑制Mn/Si 復(fù)合氧化物的Cr 微合金化成分范圍，建立起超高強鋼氧化行為控制的成分設(shè)計準則；明確了“成分+溫度+氣氛+軋制”多場耦合狀態(tài)下，復(fù)雜氣氛對熱軋鋼材氧化動力學影響規(guī)律、氧化皮與基體變形協(xié)調(diào)性規(guī)律以及熱軋環(huán)境下FeO 相變規(guī)律，建立起精確描述熱軋環(huán)境下FeO結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的動力學模型，為熱軋氧化行為精準控制奠定理論基礎(chǔ)。

2.開發(fā)出熱軋流程氧化界面與相組成控制成套技術(shù)加熱生成的氧化皮須高效去除以避免成為缺陷的起源點，但常規(guī)除鱗因溫降大而不利于軋制溫度控制。為此，以氧化皮熱變形行為為指導(dǎo)，發(fā)明了“噴淋裂化”除鱗技術(shù)，噴淋冷卻使氧化皮脆化并裂化后再加以去除，實現(xiàn)了高效除鱗。將該技術(shù)應(yīng)用于薄板坯連鑄連軋，除鱗不凈缺陷發(fā)生率由90%降低至2%以下，實現(xiàn)了高端家電板的批量生產(chǎn)，解決了薄板坯連鑄連軋產(chǎn)品表面質(zhì)量控制的共性難題。

熱軋過程決定氧化界面的遺傳特性，是缺陷演變的關(guān)鍵工序。以氧化皮變形規(guī)律為指導(dǎo)，開發(fā)出氧化界面彎曲度控制技術(shù)，使氧化皮界面彎曲度較常規(guī)工藝降低25%以上，工程機械用鋼的表面質(zhì)量超過日標要求，成為日本高端工程機械制造企業(yè)的專供產(chǎn)品；有效消除了表面色差缺陷，高強及超高強船板鋼達到了表面“零缺陷”的最高標準，滿足了重大工程建設(shè)對鋼板表面的嚴苛要求。

冷卻過程是控制氧化皮相組成的關(guān)鍵工序。以熱軋FeO相變動力學為指導(dǎo)，開發(fā)出適用于熱軋環(huán)境的FeO相變精準控制技術(shù)，形成了氧化皮具有不同功效的系列熱軋新產(chǎn)品。國際首次實現(xiàn)800 MPa級免酸洗鋼批量供貨，冷加工過程氧化皮掉粉量較國際標準要求降低了70%以上；氧化皮耐大氣腐蝕鋼在儲運過程中耐大氣腐蝕能力提升了一倍以上，解決了儲運過程的銹蝕難題。

3.開發(fā)出鋼材熱軋氧化數(shù)字解析模型與智能動態(tài)調(diào)優(yōu)系統(tǒng)

熱軋氧化過程無法在線檢測，屬于典型黑箱過程，僅憑工程師經(jīng)驗控制試錯量大、穩(wěn)定性差。穩(wěn)定、高效控制表面質(zhì)量，離不開高精度的氧化模型，但國際尚無成功先例，熱軋氧化行為精準控制屬世界難題。

項目團隊率先構(gòu)建了典型熱軋鋼材的氧化行為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，開發(fā)出熱軋氧化的數(shù)字解析與智能動態(tài)調(diào)優(yōu)系統(tǒng)，國際上首次實現(xiàn)了熱軋過程氧化行為動態(tài)軟測量及氧化行為精準控制，氧化皮預(yù)測結(jié)果通過了河鋼1 700 熱軋產(chǎn)線工業(yè)軋卡試驗驗證，達到工業(yè)應(yīng)用標準；應(yīng)用于鋼鐵企業(yè)使氧化皮厚度較常規(guī)工藝穩(wěn)定減薄20%以上，噸鋼酸洗耗酸量降低3.15 kg；成功應(yīng)用于韓國現(xiàn)代2#熱連軋產(chǎn)線汽車鋼氧化行為的精準控制，實現(xiàn)了熱軋氧化行為由經(jīng)驗試錯向精準定量控制的轉(zhuǎn)型。

二、推廣應(yīng)用

本項目攻克了制約鋼材表面質(zhì)量的核心問題，開發(fā)出具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的氧化行為控制技術(shù)并實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用，相關(guān)技術(shù)應(yīng)用于鞍鋼、河鋼、太鋼、寶武等19家企業(yè)45條生產(chǎn)線，并輸出至韓國浦項和現(xiàn)代制鐵。在行業(yè)上形成了免酸洗、易酸洗鋼材系列品牌，填補了國內(nèi)空白，廣泛應(yīng)用于汽車、海洋、機械、能源等重點領(lǐng)域，中國一汽、中國重汽、廣船國際、中集來福士、三一重工、卡特彼勒、中石油、中石化等行業(yè)骨干企業(yè)對項目技術(shù)水平和產(chǎn)品表面質(zhì)量均給予高度評價，為我國鋼鐵產(chǎn)品進入國際高端市場樹立了品牌效應(yīng)。本項目全面提升了我國鋼材表面質(zhì)量，滿足了重大工程嚴苛的質(zhì)量要求，保障了制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級，全國每年5億噸以上產(chǎn)能可應(yīng)用本技術(shù)成果，推廣應(yīng)用前景廣闊。

熱軋過程氧化皮結(jié)構(gòu)控制

“噴淋裂化”除鱗技術(shù)

氧化界面彎曲度控制

氧化行為預(yù)測與智能優(yōu)化