钢材热轧过程氧化行为控制技术开发及应用

低碳化绿色化重要成果

钢材热轧过程氧化行为控制技术开发及应用

随着我国制造业的转型升级，对钢铁材料这类海洋、交通、能源等行业的支柱性原材料表面质量也提出了极高的要求，甚至业内已经达成了“表面质量不达标，性能再好也不用”的共识。表面质量成为除力学性能、尺寸精度外另一衡量钢铁产品质量的核心指标。我国约95%的钢材需经热轧流程，高温氧化过程不可避免。现场统计，70%以上表面缺陷因热轧氧化引起。如果热轧氧化行为控制不当，会导致氧化皮过厚、晶界氧化、界面弯曲等问题，不仅造成氧化皮起粉、花斑、色差等严重的表面缺陷，而且严重破坏了钢材的动态承载能力及使用寿命等服役性能。如何精确、稳定控制热轧氧化过程中钢材表面质量已成为制约我国高端制造的瓶颈问题。

钢材的氧化在热轧过程贯穿始终，由于热轧流程长，影响氧化因素多且相互耦合。而对于“轧制+气氛+温度”强耦合氧化理论，国际未见报道，由此造成氧化界面演变及氧化皮相组成控制技术开发方向不明确。同时，考虑到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势必试错量大、稳定性差。因此，实现热轧氧化精准、稳定控制是一项世界性难题。

▲氧化皮热变形行为及FeO相变行为

东北大学RAL实验室研究人员围绕热轧过程氧化皮与基体界面平直度控制、氧化皮厚度和结构演变进程精准控制等核心问题展开系统研究工作。突破热轧过程钢材氧化行为多因素影响理论，针对实际生产中的典型的氧化遗传类和氧化皮结构类两大缺陷，明确氧化缺陷产生-演变-遗传的规率和氧化皮结构调整方向，形成热轧全流程多工序的协调控制技术。在此基础上，从实际热轧生产工况出发，建立热轧过程氧化皮厚度、结构演变模型；基于大数据驱动，将机器学习和智能优化理论应用于模型参数的动态优化，实现热轧氧化行为控制的智能调优。主要创新性成果如下：

（1）多因素强耦合热轧氧化理论。率先开发出同时考虑多因素的实验装置及方法，揭示了多元素选择氧化的交互作用机制，开发出钢材Cr微合金化处理技术，利用形成富Cr氧化膜抑制Si/Mn共晶相，使氧化速率常数降低至原来的1/2以下并提高氧化皮与钢基体的粘附性。通过钢材的热轧氧化动力学行为、氧化皮热变形行为以及热轧FeO相变行为，明确了热轧氧化的多因素影响规律及机理，为技术创新指明方向、为高精度模型提供机理支撑。

（2）热轧流程氧化界面与相组成控制技术。发明了喷淋裂化除鳞技术并应用于河钢薄板坯连铸连轧实现了高效除鳞，除鳞不净缺陷发生率由90%降低至2%以下；建立出了协调变形图并开发出相关工艺技术，有效抑制了氧化皮界面弯曲，使酸洗板表面色差缺陷率降低80%、船板钢表面花斑缺陷率降低75%；以热轧FeO相变动力学为指导，开发出氧化皮高粘附性和氧化皮耐腐蚀控制技术，使冷加工氧化皮掉粉量降低至常规工艺3%以下，钢材腐蚀速度降低60%以上。

（3）热轧氧化精准预测与智能优化技术。通过大量实验研究和生产数据积累，构建典型热轧钢材的氧化行为基础数据库；开发热轧全程氧化皮厚度演变的数值计算方法并建立起FeO的连续冷却相变模型。并将机器学习应用于模型参数的动态调优，实现高精度的热轧过程氧化行为动态软测量，解决了热轧过程钢材氧化的动态跟踪与控制难题。在此基础上开发出氧化行为与力学性能的综合智能优化算法，通过智能寻优得到全局最佳工艺窗口，在国际率先实现了热轧氧化行为由经验试错向精准定量控制的转型。

▲热轧流程氧化界面与相组成控制技术应用

▲氧化皮厚度动态软测量技术应用

结语

本项目开发出具有完全自主知识产权的氧化行为控制技术并大规模工业应用，年至年期间，累计应用于鞍钢、河钢、太钢、宝武等19家企业45条产线，并输出至韩国浦项（年）和现代制铁（年），引领了钢材热轧氧化调控由经验试错向数字化、智能化控制的转型，扭转了我国钢铁产品外观难看的形象，解决了因表面缺陷引发的钢材使用性能和服役性能降低等问题。项目生产出系列热轧新产品，氧化皮因具有免酸洗、易酸洗或耐腐蚀等特殊功效而“变废为宝”，为下游制造业的“高质、高效、清洁”生产提供了原材料保障；氧化皮结构精细化控制大幅提升了热轧钢材耐大气腐蚀能力，解决了钢材在生产、运输和仓储过程中由于锈蚀造成的系列表面问题，减少了耐蚀性贵重合金元素如Cu、Ni等的消耗；系列高强和超高强船板达到了D级表面“零缺陷”的严苛要求，系列工程机械用钢成因优异表面质量成为外资工程机械企业的专供产品，为我国钢铁产品进入国际高端市场树立了品牌效应。本项目全面提升了钢材表面质量，满足了重大工程严苛要求，引领了钢铁行业技术进步，保障了制造业转型升级。项目获得了年和年冶金科学技术一等奖、年中国产学研合作创新成果一等奖，并通过了年国家科技进步二等奖初评。

▲钢材热轧过程氧化行为控制技术开发及应用

炼钢连铸

环保技术

热轧技术

冷轧技术

长材技术

管材技术

有色金属

热处理

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