袁國　王國棟

關(guān)鍵詞：鋼鐵材料；軋制技術(shù)；研究進展；發(fā)展趨勢

0 引言

近10年來，我國鋼鐵行業(yè)在規(guī)模、裝備水平、產(chǎn)品質(zhì)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(lǐng)域所有的工藝流程及最先進的裝備技術(shù)。作為成形成性的軋制加工領(lǐng)域，同樣在工藝、裝備、以及產(chǎn)品質(zhì)量和品種方面均取得了顯著進步。總的來看，在軋制成形領(lǐng)域，鋼材產(chǎn)品尺寸高精度控制、形狀控制精細(xì)化水平持續(xù)提升，除部分寬幅軋線外，自主知識產(chǎn)權(quán)的軋線自動控制系統(tǒng)已普遍應(yīng)用于我國中厚板、熱連軋、冷軋/連軋等各類鋼材軋制生產(chǎn)線。在軋線產(chǎn)品組織性能調(diào)控領(lǐng)域，以在線熱處理調(diào)控軋態(tài)組織為核心的新一代冷卻技術(shù)取得標(biāo)志性進展，自主創(chuàng)新技術(shù)應(yīng)用于熱軋板、管、型、線領(lǐng)域，達到或趕超國際先進水平；在熱軋鋼材離線熱處理技術(shù)領(lǐng)域，以極限規(guī)格熱軋鋼材淬火熱處理技術(shù)為代表，熱軋鋼材離線熱處理技術(shù)達到國際先進或領(lǐng)先水平；在以鑄-軋一體化為代表的短流程技術(shù)領(lǐng)域，以薄板坯連鑄連軋無頭軋制、薄帶鑄軋技術(shù)為代表，我國通過對產(chǎn)線或核心技術(shù)的持續(xù)全面技術(shù)引進，建成和擁有了世界上類別最全的軋制產(chǎn)線；在產(chǎn)品高質(zhì)化方面，在工藝與裝備技術(shù)進步基礎(chǔ)上，大力研發(fā)新材料，產(chǎn)品品種全面跟上國際水平，產(chǎn)品質(zhì)量大幅度提升?；緷M足了交通、能源、裝備等下游用戶行業(yè)對高品質(zhì)鋼鐵材料的全面需求。

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

1 熱軋鋼鐵材料在線組織性能調(diào)控關(guān)鍵技術(shù)

熱軋鋼鐵材料組織性能調(diào)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(jié)合，不僅簡化生產(chǎn)工序，而且大幅度提升鋼材性能，是熱軋鋼鐵材料開發(fā)生產(chǎn)的革命性技術(shù)。隨著先進鋼鐵材料規(guī)格、組織的開發(fā)需要，傳統(tǒng)控軋控冷技術(shù)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(diào)控原理和技術(shù)創(chuàng)新。近10余年來，以新一代控軋控冷技術(shù)為代表的我國熱軋鋼材在線組織性能調(diào)控關(guān)鍵工藝與裝備技術(shù)在板帶、鋼管、型鋼等方面取得顯著進步，達到國際先進或領(lǐng)先水平，并作為產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級和結(jié)構(gòu)調(diào)整的關(guān)鍵共性技術(shù)已被列入科技部、工信部、發(fā)改委、國資委、財政部17項產(chǎn)業(yè)政策文件，并入選工信部“十二五”鋼鐵工業(yè)重要發(fā)展成就。

1.1 中厚板

在熱軋板帶領(lǐng)域，傳統(tǒng)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(yīng)力大導(dǎo)致鋼板冷卻后存在波浪、瓢曲等板形問題；在組織性能調(diào)控上，最大的問題表現(xiàn)為無法實現(xiàn)直接淬火工藝。

在該領(lǐng)域，日本、歐洲等鋼鐵工業(yè)發(fā)達國家率先開展了TMCP新技術(shù)的研發(fā)工作，以高冷卻強度、高冷卻均勻性為目標(biāo)和最根本特征。1998年，日本JFE公司Super-OLAC的研發(fā)成功及應(yīng)用，標(biāo)志著新一代控制冷卻技術(shù)相繼得到應(yīng)用。日本將該新冷卻技術(shù)成功應(yīng)用于造船、建筑、能源等系列高性能鋼板的生產(chǎn)，并作為核心技術(shù)不對外輸出。

針對該關(guān)鍵共性技術(shù)，東北大學(xué)軋制技術(shù)及連軋自動化國家重點實驗室（東大RAL）提出并研發(fā)成功基于傾斜射流冷卻的超快速冷卻技術(shù)，并相繼與首鋼、鞍鋼、敬業(yè)鋼鐵、漣鋼等企業(yè)產(chǎn)學(xué)研合作，構(gòu)建了以超快速冷卻為核心的熱軋板帶新一代TMCP工藝技術(shù)體系，開發(fā)出系列大型射流噴嘴和成套高強度均勻化冷卻技術(shù)，研制成功首臺套熱軋板、帶超快速冷卻成套裝備，開發(fā)出以熱軋板帶節(jié)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(xiàn)了基于超快速冷卻技術(shù)的新一代TMCP工藝原理—關(guān)鍵裝備技術(shù)—產(chǎn)品技術(shù)一體化創(chuàng)新，使我國在該領(lǐng)域并駕齊驅(qū)國際最先進水平，并成為當(dāng)前我國熱軋板帶領(lǐng)域主流工藝技術(shù)。推動了我國熱軋板帶減量化生產(chǎn)、量大面廣普碳鋼升級換代和高端特種鋼材產(chǎn)品的突破。

基于超快速冷卻，東大RAL開發(fā)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(tǒng)，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(chǎn)線得到推廣與應(yīng)用。我國90%以上的新建產(chǎn)線或產(chǎn)線改造，均應(yīng)用了該項技術(shù)，實現(xiàn)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(chǎn)品的相變過程控制，進一步挖掘了產(chǎn)品潛能?；谠撗b備開發(fā)的高品質(zhì)鋼材在西氣東輸、港珠澳大橋、國產(chǎn)二代破冰船等國家重大工程及核心裝備成功應(yīng)用，滿足了我國重點領(lǐng)域?qū)Ω叨虽摬牡募毙?，提升了關(guān)鍵材料的自主保障能力。

進一步，將軋機和冷卻裝備有機結(jié)合起來，即“軋制-冷卻”一體化TMCP技術(shù)，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(xiàn)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(diào)控。結(jié)合后續(xù)水冷相變過程控制，形成鋼板軋制熱加工全過程的精細(xì)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(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性和均勻性。工業(yè)應(yīng)用表明，“軋制-冷卻”一體化TMCP技術(shù)在提高板坯軋制滲透性、改善鋼板內(nèi)部質(zhì)量、細(xì)化產(chǎn)品表面組織和提高生產(chǎn)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(chǎn)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(fù)荷條件下軋件近表層的金屬更難產(chǎn)生形變，促使變形向心部滲透。目前，“溫控-形變”耦合技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于南鋼5 000 mm、唐鋼3 500 mm、沙鋼3 500 mm等產(chǎn)線。南鋼5 000 mm生產(chǎn)線開展了基于“軋制-冷卻”同步化工藝的“溫控+變形”耦合技術(shù)的產(chǎn)品工業(yè)試制，并在厚度100 mm的EH47CBA止裂鋼板生產(chǎn)中發(fā)揮重要作用，鋼板厚向組織趨于均勻，改善了鋼板內(nèi)部質(zhì)量。

超快冷技術(shù)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(tǒng)，可實現(xiàn)冷卻速率和終冷溫度的高精度控制。與傳統(tǒng)ACC冷卻方式相比，中厚板超快冷系統(tǒng)可以在低合金鋼減量化、專用鋼材研發(fā)和生產(chǎn)以及DQ產(chǎn)品研發(fā)等領(lǐng)域發(fā)揮重要的組織性能調(diào)控作用。

針對碳素結(jié)構(gòu)鋼板，超快速冷卻技術(shù)在晶粒尺寸控制上可突破晶粒細(xì)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(qū)及細(xì)晶作用區(qū)，進入極限細(xì)晶區(qū)，從而獲得均勻且細(xì)小的晶粒，實現(xiàn)力學(xué)性能的提升及穩(wěn)定化或?qū)崿F(xiàn)合金成分的減量化。例如，已開發(fā)的節(jié)約型Q355產(chǎn)品，與同類產(chǎn)品相比Mn質(zhì)量分?jǐn)?shù)減少20%～30%以上，噸鋼節(jié)約成本40～60元以上。

對于低碳鐵素體貝氏體類產(chǎn)品，利用超快冷技術(shù)可以實現(xiàn)快冷條件下的高精度終冷溫度控制，對貝氏體形態(tài)、尺寸以及析出相控制有顯著優(yōu)勢。通過細(xì)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(chǎn)品綜合力學(xué)性能。采用超快冷技術(shù)開發(fā)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(zhì)管線鋼板以及高韌性超厚規(guī)格管線鋼板等產(chǎn)品均已實現(xiàn)大批量工業(yè)化生產(chǎn)。

利用超快冷系統(tǒng)高強度的冷卻能力，在中厚板產(chǎn)線上還可以實現(xiàn)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(chǎn)品提供了工序節(jié)約型生產(chǎn)模式。采用DQ+T工藝代替?zhèn)鹘y(tǒng)的Q+T生產(chǎn)模式，不僅節(jié)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(xù)大強度冷卻過程中增加相變形核點，實現(xiàn)產(chǎn)品組織均勻細(xì)化，從而改善產(chǎn)品的力學(xué)性能。

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

1.2 熱連軋板帶

熱連軋產(chǎn)線具有設(shè)備緊湊、軋制速度快、對冷卻均勻性要求高等特點，為滿足產(chǎn)線對于板帶組織調(diào)控的全面需求，東大RAL已開發(fā)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(chǎn)線超快速冷卻系統(tǒng)，并已應(yīng)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(xiàn)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(diào)控。目前，該系統(tǒng)已推廣應(yīng)用于我國漣鋼2 250 mm、CSP產(chǎn)線，首鋼遷鋼、首鋼京唐2 250 mm， 江蘇沙鋼1 700 mm產(chǎn)線，山鋼日照精品基地2 050 mm產(chǎn)線，攀鋼西昌、河鋼樂亭、廣西盛隆1 780 mm、2 250 mm產(chǎn)線，日照鋼鐵、天津榮程1 100 mm產(chǎn)線等，在提升熱連軋板帶組織調(diào)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(chǎn)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(jié)合，實現(xiàn)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(xiàn)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(zhì)量，對于生產(chǎn)高表面質(zhì)量的帶鋼產(chǎn)品具有顯著的工藝優(yōu)勢。

根據(jù)軋后組織性能調(diào)控及工藝應(yīng)用需求，軋后超快速冷卻系統(tǒng)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(guī)層流冷卻裝置匹配使用，實現(xiàn)成分節(jié)約型熱軋結(jié)構(gòu)鋼的開發(fā)生產(chǎn)，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(jié)合了前置式超快冷或常規(guī)層流冷卻的優(yōu)點，可以實現(xiàn)靈活的兩階段冷卻控制，開發(fā)如雙相鋼、復(fù)相鋼等典型產(chǎn)品。

針對以鐵素體珠光體組織為特征的熱軋結(jié)構(gòu)鋼，基于UFC-F工藝，開發(fā)出細(xì)晶結(jié)構(gòu)鋼，如普通碳素結(jié)構(gòu)鋼、車輪鋼以及窄性能波動的熱軋板卷產(chǎn)品。軋后通過超快冷系統(tǒng)快速冷卻至動態(tài)相變溫度以下，利用高冷卻速率，使得富含“缺陷”的硬化狀態(tài)奧氏體被保存至鐵素體相變區(qū)間，實現(xiàn)了鐵素體和珠光體組織細(xì)化，提高了產(chǎn)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(guī)格產(chǎn)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(xì)化針狀鐵素體組織，從而可在低碳當(dāng)量成分設(shè)計條件下獲得低溫沖擊韌性、DWTT性能穩(wěn)定的管線鋼產(chǎn)品。同時，可進一步拓展管線產(chǎn)品厚度范圍，已實現(xiàn)25.4 mm厚極限規(guī)格X70管線鋼的開發(fā)生產(chǎn)，為有效解決厚規(guī)格高鋼級管線鋼低碳當(dāng)量成分設(shè)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(shù)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(guī)工藝下管線鋼殘余應(yīng)力大的難題，實現(xiàn)了低殘余應(yīng)力高鋼級管線鋼的開發(fā)及大批量工業(yè)化生產(chǎn)。

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

結(jié)合應(yīng)用實踐可以預(yù)期，在熱連軋板帶領(lǐng)域，在軋后區(qū)域取消層流冷卻系統(tǒng)，配置7～8組以超快速冷卻為特點的新一代控制冷卻系統(tǒng)，對于實現(xiàn)板帶軋后溫度的高精度控制及組織性能的精準(zhǔn)調(diào)控，實現(xiàn)高品質(zhì)帶鋼的低成本高效開發(fā)生產(chǎn)，具有重要現(xiàn)實意義。

1.3 熱軋無縫鋼管

熱軋無縫鋼管由于其高溫?zé)彳埡铜h(huán)形斷面原因，廣泛應(yīng)用于板材領(lǐng)域的控軋控冷組織調(diào)控技術(shù)卻難以應(yīng)用于熱軋無縫鋼管生產(chǎn)，導(dǎo)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(yè)綠色化、可持續(xù)發(fā)展的要求。40余年來，國內(nèi)外相繼開展了大量的鋼管控冷技術(shù)開發(fā)工作，但由于無法實現(xiàn)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(lǐng)域內(nèi)的國際性工藝難題。

2013年10月，東北大學(xué)與寶鋼股份產(chǎn)學(xué)研合作，圍繞這一行業(yè)長期未解的關(guān)鍵共性技術(shù)難題，針對環(huán)形斷面高強度均勻化冷卻換熱機制、管材控制冷卻工業(yè)化技術(shù)與裝備、熱軋無縫鋼管在線組織調(diào)控工藝與產(chǎn)品技術(shù)、高溫奧氏體組織細(xì)化+控冷相變協(xié)同調(diào)控等機理機制與技術(shù)創(chuàng)新工作，通過開展系統(tǒng)的理論研究、技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用實踐工作，形成了覆蓋熱軋無縫鋼管在線組織性能調(diào)控工藝、控冷裝備、產(chǎn)品技術(shù)、自動化控制系統(tǒng)在內(nèi)的成套關(guān)鍵技術(shù)，率先開發(fā)出具有內(nèi)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(shù)與裝備，并在國際上首次實現(xiàn)工業(yè)化穩(wěn)定應(yīng)用，實現(xiàn)PQF460機組鋼管軋后全長規(guī)格（1～3倍尺，10～36 m長度）的控制冷卻及直接淬火。在此基礎(chǔ)上，進一步率先開發(fā)出高等級套管、管線管、結(jié)構(gòu)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(shù)，實現(xiàn)了多品種、多規(guī)格系列化產(chǎn)品的批量穩(wěn)定化生產(chǎn)及應(yīng)用。相比傳統(tǒng)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(diào)質(zhì)相比一次離線調(diào)質(zhì)抗硫指標(biāo)KISSC值提升10%，達到30 MPa·m1/2以上，可完全替代傳統(tǒng)兩次離線調(diào)質(zhì)工藝。所開發(fā)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(diào)控技術(shù)，為熱軋無縫鋼管生產(chǎn)提供全新的工藝手段。將鈦微合金化技術(shù)引入熱軋無縫鋼管領(lǐng)域，實現(xiàn)“成分-高溫變形-控制冷卻”協(xié)同調(diào)控，獲得高溫終軋（950～1 100 ℃）下類同于“控軋控冷”的組織細(xì)化效果。

熱軋無縫鋼管在線組織調(diào)控技術(shù)的開發(fā)成功，實現(xiàn)了我國熱軋無縫鋼管控制冷卻工業(yè)化裝備技術(shù)的國際首創(chuàng)，打破了管材領(lǐng)域在產(chǎn)品工藝技術(shù)手段上過度依賴合金化和離線熱處理的局面，構(gòu)建了熱軋無縫鋼管在線組織調(diào)控平臺性工藝技術(shù)，實現(xiàn)了典型無縫鋼管產(chǎn)品生產(chǎn)工藝的流程再造，促進了我國熱軋無縫鋼管工藝技術(shù)的原始創(chuàng)新，引領(lǐng)了熱軋無縫鋼管綠色高效制造技術(shù)的發(fā)展。

1.4 熱軋型鋼

熱軋復(fù)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(xué)性能好、承載能力大、便于機械加工和安裝等優(yōu)點，具有良好的經(jīng)濟性，在眾多鋼結(jié)構(gòu)用鋼中占據(jù)著主導(dǎo)地位?？刂评鋮s同樣是實現(xiàn)復(fù)雜斷面型鋼高效經(jīng)濟、在線實現(xiàn)組織性能調(diào)控的核心技術(shù)，相繼引起國內(nèi)外企業(yè)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(fā)了QST技術(shù)，即H型鋼軋后淬火+自回火控制冷卻工藝。德國應(yīng)用該工藝，在精軋機后設(shè)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(fā)生淬火及隨后發(fā)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(rèn)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(yīng)用。

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

對于復(fù)雜斷面型鋼的快速冷卻，為實現(xiàn)冷卻的均勻性，開發(fā)出復(fù)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(fā)出換熱效率高、結(jié)構(gòu)緊湊的熱軋型鋼快速冷卻系統(tǒng)，滿足了型鋼軋制高效、多規(guī)格的生產(chǎn)需求。將開發(fā)的冷卻系統(tǒng)，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(chǎn)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(xué)性能、使用性能以及生產(chǎn)效率。另一方面，由于復(fù)雜斷面型鋼多數(shù)為低合金結(jié)構(gòu)鋼，通過快速冷卻可以使型鋼快速降溫，減少了常規(guī)生產(chǎn)在冷床上高溫停留的時間，使得型鋼的表面質(zhì)量得到了明顯改善。

工業(yè)應(yīng)用表明，Q235鋼坯采用控冷工藝生產(chǎn)的H型鋼（規(guī)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(chǎn)的H型鋼（規(guī)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(biāo)波動在10 MPa以內(nèi)。H型鋼快速冷卻技術(shù)已應(yīng)用于河北天柱鋼鐵公司小型和中型H型鋼連軋生產(chǎn)線、馬鋼和日鋼大型H型鋼生產(chǎn)線、馬鋼重型H型鋼產(chǎn)線，并取得了較好的效果。高強角鋼軋后快速冷卻技術(shù)在石橫特鋼得到成功應(yīng)用，取得了顯著經(jīng)濟和社會效益。

此外，在熱軋線材領(lǐng)域，鞍鋼開發(fā)成功自主創(chuàng)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(shù)，將線材在接近沸點的熱水中持續(xù)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(shù)

離線熱處理是生產(chǎn)高等級鋼鐵產(chǎn)品的關(guān)鍵技術(shù)。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(biāo)上通常還需依賴離線熱處理工藝技術(shù)。同時，離線熱處理具有的整批產(chǎn)品性能穩(wěn)定的優(yōu)點，使離線熱處理仍然是提高鋼材性能，生產(chǎn)高等級、高性能產(chǎn)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(shù)領(lǐng)域，最為突出的技術(shù)進展為極限規(guī)格高強韌板帶的淬火熱處理技術(shù)，此外，無縫鋼管離線淬火技術(shù)也實現(xiàn)了升級換代。

2.1 極限規(guī)格高強板帶鋼淬火熱處理技術(shù)

2006年，我國自主知識產(chǎn)權(quán)的首臺中厚板輥式淬火機開發(fā)成功，打破了我國鋼鐵領(lǐng)域連續(xù)輥式淬火技術(shù)及裝備長期以來由極少數(shù)國外公司壟斷供貨的被動局面。2010年后，持續(xù)開展了極限規(guī)格板帶鋼高平直度淬火技術(shù)的研究。針對我國（極）薄規(guī)格高強工程機械用鋼、特厚規(guī)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(guī)格高強淬火等核心技術(shù)，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(shù)，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(chǎn)品，東大RAL與華菱漣鋼產(chǎn)學(xué)研合作，研發(fā)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(fā)成功國際首條300 mm級超厚特種鋼板連續(xù)熱處理線，鋼板心部冷速和斷面冷卻均勻性與傳統(tǒng)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(fā)成功國內(nèi)厚度跨度最大、寬度最大重型鋼板淬火生產(chǎn)線，實現(xiàn)5～200 mm厚、最寬4 850 mm鋼板連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)?；谧灾鲃?chuàng)新的輥式淬火技術(shù)，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(fā)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(chǎn)品，并成功應(yīng)用到多項國家重點工程項目以及行業(yè)骨干企業(yè)，滿足了下游裝備制造產(chǎn)業(yè)的迫切需求。

此外，寶鋼圍繞薄規(guī)格高強鋼全流程板形控制，通過開發(fā)補償淬火技術(shù)、淬火配方數(shù)據(jù)庫、矯直自動設(shè)定與自適應(yīng)壓下、低內(nèi)應(yīng)力控制、板形自動判定等技術(shù)，成功解決了薄規(guī)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(fā)了在線平直度檢測與智能判定系統(tǒng)，及自動反饋控制矯直模型，實現(xiàn)了高效穩(wěn)定生產(chǎn)，最薄規(guī)格突破至2 mm?；陂_發(fā)形成的熱連軋超高強鋼產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)，已實現(xiàn)800～300 MPa級別、2～14 mm厚熱連軋超高強鋼的開發(fā)生產(chǎn)。

極限規(guī)格輥式淬火裝備與技術(shù)，解決了長期制約我國的極限規(guī)格特種鋼板熱處理裝備技術(shù)國產(chǎn)化問題，使我國成為全球極少數(shù)能提供全規(guī)格特種熱處理鋼板熱處理裝備技術(shù)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(shè)和重大裝備制造，滿足了國家重點領(lǐng)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(shù)

熱軋無縫鋼管受工藝技術(shù)、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(chǎn)品的最終質(zhì)量。因此，對于熱軋無縫鋼管的產(chǎn)品組織性能調(diào)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(chǎn)品領(lǐng)域，目前廣泛采用的鋼管淬火技術(shù)方式為“外淋+內(nèi)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(jīng)擋水板導(dǎo)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(nèi)，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(shù)，無論在冷卻機制上，還是在冷卻裝備設(shè)計上均存在一定的制約因素，導(dǎo)致熱處理生產(chǎn)工序及淬火后鋼管組織性能等方面存在不足。具體體現(xiàn)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(xiàn)聚集、分叉等現(xiàn)象，難以實現(xiàn)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?；谏鲜鰡栴}，最終導(dǎo)致在基于層流機制的淬火技術(shù)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(dǎo)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(xiàn)彎管等問題，進而影響了熱處理生產(chǎn)效率，并限制了產(chǎn)品規(guī)格厚度，同時影響后續(xù)的鋼管加工以及使用性能。為此，引入新的冷卻機制及技術(shù)，可有效提高淬火冷卻均勻性和冷卻速率，對開發(fā)高品質(zhì)鋼管產(chǎn)品、擴大產(chǎn)品規(guī)格、提高經(jīng)濟效益具有至關(guān)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(xiàn)出顯著優(yōu)勢。在熱軋板帶鋼領(lǐng)域的應(yīng)用實踐表明，同等規(guī)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(tǒng)層流冷卻的2～5倍。將射流沖擊冷卻技術(shù)應(yīng)用于管材淬火工藝，帶有適當(dāng)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(nèi)已有鋼管企業(yè)應(yīng)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(diào)控角度，高冷卻強度可減少合金元素的添加，降低碳當(dāng)量，對于提高產(chǎn)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(xiàn)我國鋼管企業(yè)離線淬火工藝的技術(shù)迭代和提升，對于提升無縫鋼管產(chǎn)品檔次和質(zhì)量穩(wěn)定性，開發(fā)高質(zhì)化無縫鋼管產(chǎn)品具有重要意義。因此，面向熱軋無縫鋼管高質(zhì)化發(fā)展需求，推廣和應(yīng)用基于射流冷卻的新一代淬火技術(shù)，在降低企業(yè)的生產(chǎn)成本、提高經(jīng)濟效益的同時，還可促進企業(yè)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整，助力企業(yè)在高端鋼管生產(chǎn)中的快速發(fā)展。

3 鑄軋一體化短流程技術(shù)

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(yīng)盡可能減少熱量損失，把連鑄和軋制兩種工藝結(jié)合起來，實現(xiàn)鑄-軋一體化，對于降低能源消耗，降低生產(chǎn)成本，增加金屬收得率，開發(fā)生產(chǎn)極限規(guī)格產(chǎn)品，具有重要意義。近10年來，我國鋼鐵行業(yè)鑄-軋一體化短流程工藝技術(shù)取得長足進步，鑄軋界面相關(guān)技術(shù)、無頭軋制、薄帶鑄軋等技術(shù)已相繼落地實施，擁有了幾乎當(dāng)前世界上最齊全的鑄軋短流程技術(shù)。

3.1 鑄軋界面技術(shù)發(fā)展

傳統(tǒng)冶金流程中鑄坯再加熱軋制必然增加能源消耗，加劇環(huán)境污染。重新加熱后連鑄坯的溫度分布為“外熱內(nèi)冷”，與連鑄后的“外冷內(nèi)熱”狀態(tài)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(qū)的變形改善內(nèi)部質(zhì)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(xiàn)免加熱直接軋制，這是節(jié)能減排、提高質(zhì)量的重要措施，行業(yè)內(nèi)對連鑄與熱軋的銜接即鑄軋界面技術(shù)的研究和應(yīng)用也逐漸深入。

鑄軋界面技術(shù)的發(fā)展按照銜接方式可大致分為鑄坯熱送熱裝技術(shù)、直接軋制技術(shù)、無頭軋制技術(shù)3個階段。鑄坯熱送熱裝技術(shù)的目標(biāo)是降低鑄坯加熱爐燃耗，降低加熱燒損，提高產(chǎn)品成材率，從而降低生產(chǎn)成本。在此階段同時發(fā)展出了方坯定重供坯技術(shù)，即根據(jù)產(chǎn)品的不同規(guī)格，通過優(yōu)化鑄坯的質(zhì)量（重量），實現(xiàn)定重供坯，來提高棒材的定尺率。當(dāng)鑄坯送達加熱爐入口的溫度達到900 ℃以上時，免預(yù)熱直接軋制技術(shù)具備可行性。該技術(shù)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(chǎn)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(xiàn)送坯節(jié)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(chǎn)品質(zhì)量的不穩(wěn)定，使得鑄坯直軋工藝的產(chǎn)品適應(yīng)性較窄，影響了該技術(shù)的推廣和應(yīng)用。隨著冶金裝備技術(shù)的不斷進步，高拉速連鑄機、新型高剛度軋機的出現(xiàn)為直接軋制、無頭軋制技術(shù)的實際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。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(chǎn)品、可實現(xiàn)全定尺交貨，顯著降低了生產(chǎn)成本。

東北大學(xué)朱苗勇教授團隊結(jié)合大斷面連鑄方坯生產(chǎn)實際，從壓下量、壓下區(qū)間、凝固末端位置檢測、裝備控制等方面進行系統(tǒng)研究，開發(fā)形成凝固末端重壓下集成技術(shù)。生產(chǎn)實踐表明，采用重壓下技術(shù)生產(chǎn)軸承鋼連鑄坯及軋材質(zhì)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(nèi)。在寬厚板坯方面，在唐鋼建成并投產(chǎn)國際首條連續(xù)、動態(tài)重壓下寬厚板坯生產(chǎn)線，解決了高端大斷面連鑄坯中心偏析與疏松嚴(yán)重的技術(shù)難題，首次實現(xiàn)軋制壓縮比1.87∶1條件下 150 mm厚高建用鋼大批量的穩(wěn)定生產(chǎn)。進一步，首鋼京唐公司應(yīng)用寬厚板坯連鑄大輥徑大壓下設(shè)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(shù)開發(fā)和生產(chǎn)應(yīng)用實踐，通過連鑄坯大輥徑大壓下+優(yōu)化軋制工藝獲得了以低壓縮比、低成本、短流程生產(chǎn)的組織性能優(yōu)異的高質(zhì)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(chǎn)線在美國阿肯色州紐柯鋼鐵公司Crawfordsville廠投產(chǎn)以來，薄板坯連鑄連軋技術(shù)歷經(jīng)3代技術(shù)革新，歷經(jīng)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(shù)的發(fā)展，促進了薄板坯無頭軋制技術(shù)的快速發(fā)展。2009年意大利Arvedi公司率先開發(fā)了第3代薄板坯連鑄連軋—無頭軋制（ESP）技術(shù)，迅速實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。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(shù)推向了新的高峰。目前，全球已經(jīng)投入工業(yè)化生產(chǎn)的薄板坯連鑄連軋無頭軋制產(chǎn)線共13條，年產(chǎn)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(chǎn)線在意大利Arvedi的克雷莫納2廠正式投產(chǎn)，建立了真正的無頭軋制帶鋼生產(chǎn)線。產(chǎn)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(chǎn)能力為200萬t， 產(chǎn)線生產(chǎn)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(chǎn)線從設(shè)備和自動化方面進行升級，通過增加扇形段長度和應(yīng)用“彎曲段防鼓肚”控制系統(tǒng)等新工藝措施，通鋼量創(chuàng)造了7.1 t/min的記錄，相當(dāng)于每年可生產(chǎn)300萬t， 主要生產(chǎn)2.0 mm以下薄規(guī)格熱軋產(chǎn)品和花紋板等。2011年，浦項在原有ISP產(chǎn)線的基礎(chǔ)上，自主開發(fā)了CEM工藝技術(shù)，可以實現(xiàn)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(chǎn)薄板時采用無頭軋制模式；生產(chǎn)厚板或特殊鋼時采用單張軋制模式，年產(chǎn)200萬t以上，實現(xiàn)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(fù)擔(dān)加劇，生產(chǎn)過程只能采用魚雷罐車運輸高爐鐵水，設(shè)備利用率低，浦項于2019年關(guān)停CEM生產(chǎn)。

2017年，我國日照鋼鐵公司全面引進意大利Arvedi技術(shù)，第1條ESP產(chǎn)線（1#線）順利投產(chǎn)，單流連鑄機通鋼量達到了6 t/min， 年產(chǎn)量達到250萬t。在1#線順利投產(chǎn)的基礎(chǔ)上，截止2022年，日照鋼鐵共建立5條ESP產(chǎn)線，形成了世界規(guī)模最大的高質(zhì)量薄寬帶鋼生產(chǎn)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(chǎn)線產(chǎn)品主要包括7類：汽車用鋼產(chǎn)品、高碳鋼產(chǎn)品、耐候鋼產(chǎn)品、普通熱軋產(chǎn)品、沖壓用酸洗產(chǎn)品、冷成形產(chǎn)品和鍍鋅產(chǎn)品，設(shè)計總產(chǎn)量達1 110萬t。2019年首鋼京唐通過引進達涅利關(guān)鍵技術(shù)，建設(shè)了MCCR-DUE無頭軋制生產(chǎn)線，是世界首創(chuàng)的多模式全連續(xù)鑄軋生產(chǎn)線，可實現(xiàn)單塊、半無頭、全無頭交叉切換的多模式鑄軋形態(tài)，設(shè)計產(chǎn)能210萬t/a， 產(chǎn)品定位以薄規(guī)格為主。2019年唐山全豐從品種需求、投入產(chǎn)出比及節(jié)能方面對薄板坯連鑄連軋技術(shù)進行綜合分析，通過引進關(guān)鍵技術(shù)與國內(nèi)配套集成，建設(shè)無頭軋制DSCCR產(chǎn)線，年產(chǎn)210萬t/a。2021年4月，福建鼎盛和普瑞特冶金簽署ESP產(chǎn)線建設(shè)協(xié)議，設(shè)計產(chǎn)能240萬t/a。2021年太行鋼鐵集團ESP產(chǎn)線開工建設(shè)，設(shè)計產(chǎn)能200萬t/a。

無頭軋制作為第3代薄板坯連鑄連軋技術(shù)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(guān)鍵核心技術(shù)引進，擁有了多種形式的薄板坯無頭軋制產(chǎn)線。

3.3 薄帶鑄軋工藝

薄帶鑄軋作為板帶領(lǐng)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(guī)流程中的連鑄、粗軋、熱連軋和相關(guān)加熱等重要工序。與板坯常規(guī)連鑄、軋制工藝和薄板坯連鑄連軋工藝相比，薄帶鑄軋產(chǎn)線流程更短（不大于60 m），長期以來一直受到鋼鐵領(lǐng)域科技工作者的廣泛關(guān)注。自20世紀(jì)40年代由英國冶金學(xué)家Henry Bessemer提出后，至今已實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化和特色創(chuàng)新階段。近年來，隨著材料、機械、自動化等領(lǐng)域的不斷發(fā)展和鋼鐵行業(yè)綠色轉(zhuǎn)型升級的迫切需求，薄帶鑄軋技術(shù)經(jīng)世界各大鋼鐵集團和冶金裝備企業(yè)的不懈努力，已突破工業(yè)化技術(shù)應(yīng)用。

2009年美國紐柯在阿肯色州的布萊斯維爾廠（Blytheville）建設(shè)了CASTRIP生產(chǎn)線，2013年授權(quán)墨西哥鋼鐵企業(yè)Tyasa在位于韋拉克魯斯（Veracruz）中部建設(shè)年產(chǎn)能50萬t CASTRIP生產(chǎn)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(yè)化生產(chǎn)線Baostrip， 主要生產(chǎn)低碳鋼熱軋卷，2014年投入試生產(chǎn)，2015年軋制出集裝箱板、高速公路護欄板等產(chǎn)品。實際生產(chǎn)表明，機組實現(xiàn)了穩(wěn)定連續(xù)澆鑄和軋制，產(chǎn)品的表面質(zhì)量、板形和力學(xué)性能均滿足要求。美國紐柯在普碳鋼生產(chǎn)、韓國浦項在雙相不銹鋼領(lǐng)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(shù)與裝備，以生產(chǎn)薄規(guī)格碳素結(jié)構(gòu)鋼為主，于2019年3月投產(chǎn)，引進的薄帶鑄軋產(chǎn)線在工藝、裝備、產(chǎn)品生產(chǎn)等方面技術(shù)成熟，在生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量、裝備水平及生產(chǎn)成本等方面均實現(xiàn)大幅度提升。2016年5月，東北大學(xué)與河北敬業(yè)集團簽訂了薄帶連鑄技術(shù)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用技術(shù)協(xié)議，2017年開始實施我國具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的電工鋼短流程薄帶鑄軋產(chǎn)線建設(shè)。截止目前，該項目已實現(xiàn)薄帶鑄軋關(guān)鍵技術(shù)突破，目前正處于持續(xù)的質(zhì)量提升和品種開發(fā)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(chǎn)線，預(yù)計2023年下半年建成投產(chǎn)。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(shè)一條年產(chǎn)100萬t熱軋卷的薄帶鑄軋產(chǎn)線。此外，2014年美國Nanosteel公司報道了利用薄帶連鑄技術(shù)開發(fā)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(xiàn)強度和塑性的良好匹配。

隨著低碳鋼鐵和相關(guān)技術(shù)快速發(fā)展，尤其是在特殊鋼方面的獨特優(yōu)勢，薄帶鑄軋技術(shù)再次掀起熱潮，也為金屬材料加工領(lǐng)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(yè)得到持續(xù)關(guān)注和發(fā)展。

3.4 熱軋長材連鑄連軋技術(shù)

軋鋼工序能耗約占鋼鐵工業(yè)總能耗的10%，是整個生產(chǎn)流程綠色化制備過程需要突破的一個重要環(huán)節(jié)。為了在長材生產(chǎn)過程中實現(xiàn)節(jié)能、減排、降成本，人們把目光轉(zhuǎn)向連鑄坯余熱的合理利用，以實現(xiàn)連鑄坯的直接軋制。根據(jù)軋前是否需要連鑄坯在線補熱，直接軋制工藝可分為傳統(tǒng)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(jīng)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(chǎn)中探索取消傳統(tǒng)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(chǎn)線。我國冶金行業(yè)近年來也在積極尋求節(jié)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(fā)直接軋制技術(shù)，以及有鋼廠嘗試棒線材的低溫軋制，取得了一些節(jié)能效果，但是一直未能成為主流軋制技術(shù)。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(jīng)專門快速輥道直接送入軋線進行軋制，鑄坯不經(jīng)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(jié)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(chǎn)能的調(diào)節(jié)作用，連鑄與軋機工序的剛性銜接，生產(chǎn)管理難度加大，降低開軋溫度將導(dǎo)致軋制力升高，軋機的電耗增加，必要時應(yīng)對軋制負(fù)荷分配進行優(yōu)化。鋼鐵研究總院等通過綠色化低能耗鑄軋銜接技術(shù)優(yōu)化了長型材連鑄與軋鋼兩個工序之間的銜接生產(chǎn)方式，取消了傳統(tǒng)加熱爐，采用直接軋制、感應(yīng)補熱軋制、補熱爐短時間均熱等方式，實現(xiàn)長型材制備過程的流程創(chuàng)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(chǎn)。

4 軋制過程自動控制技術(shù)

在軋制成形技術(shù)領(lǐng)域，早在2000～2010年，我國學(xué)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(wěn)態(tài)/非均勻變形過程參數(shù)耦合關(guān)系、復(fù)雜工業(yè)流程建模理論與方法、柔性約束條件下的多機構(gòu)協(xié)調(diào)優(yōu)化控制等基礎(chǔ)理論研究，開發(fā)出三維尺寸控制、軋制穩(wěn)定性控制、溫度控制、數(shù)學(xué)模型與自適應(yīng)、自動化系統(tǒng)集成等系列化成套技術(shù)，已相繼在中厚板、熱連軋、冷連軋等領(lǐng)域開發(fā)出自主知識產(chǎn)權(quán)的軋制過程工藝與自動控制系統(tǒng)，覆蓋了高控制精度要求的板帶鋼領(lǐng)域，實現(xiàn)了我國軋制技術(shù)自主保障能力和高端鋼鐵材料制造水平。10年來，我國持續(xù)提升鋼材軋制過程尺寸、形狀的精細(xì)化控制水平，以獲得極限規(guī)格產(chǎn)品、提高成材率和實現(xiàn)穩(wěn)定的軋制生產(chǎn)過程。目前，除部分寬幅軋線外，自主知識產(chǎn)權(quán)的軋線自動控制系統(tǒng)已在我國各類軋線得到普遍應(yīng)用。

“十三五”期間，我國鋼鐵行業(yè)實施了“扁平材全流程智能化制備關(guān)鍵技術(shù)”、“長型材智能化制備關(guān)鍵技術(shù)”等項目，通過全流程智能化關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)，實現(xiàn)多工序、系統(tǒng)級、全局性的產(chǎn)品質(zhì)量和制備流程優(yōu)化。在產(chǎn)品外形尺寸控制精度方面提升多工序精準(zhǔn)協(xié)調(diào)控制水平，提高控制穩(wěn)定性和目標(biāo)控制精度。在扁平材領(lǐng)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(xié)調(diào)優(yōu)化，面臨產(chǎn)品外形尺寸與內(nèi)部性能控制穩(wěn)定性差、高端供給能力不足、勞動生產(chǎn)率低等問題，在軋制過程多工序協(xié)調(diào)優(yōu)化與質(zhì)量精準(zhǔn)控制方面提出了多工序協(xié)調(diào)優(yōu)化控制信息物理系統(tǒng)（CPS：Cyber Physical Systems）方案，項目參與單位中厚板典型產(chǎn)品矩形化率提升至94.5%；ESP產(chǎn)線非計劃過渡材比例降到25.6%。在長型材領(lǐng)域，圍繞長型材智能化制造基礎(chǔ)研究、棒線材直接軋制智能化負(fù)能制造關(guān)鍵技術(shù)、多品種小批量棒線材智能化定制、復(fù)雜斷面型材智能化生產(chǎn)等方面通過開展系統(tǒng)研究。參與單位建成棒線材直接軋制智能化負(fù)能制造生產(chǎn)線，并投產(chǎn)穩(wěn)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(xiàn)負(fù)能生產(chǎn)。直軋溫度控制穩(wěn)定，直軋率不小于90%，棒線材同條性能差小于15 MPa； 構(gòu)建了大型廠萬能線軋輥全壽命管理信息系統(tǒng)、面向軋輥的全生命周期數(shù)據(jù)分析應(yīng)用平臺和軋輥全壽命周期預(yù)測及軋輥車削優(yōu)化模型和軋輥磨損模型；實現(xiàn)了萬能線軋輥孔型高精度測量與數(shù)據(jù)自動轉(zhuǎn)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(guān)鍵技術(shù)取得重大突破。超薄不銹精密帶鋼生產(chǎn)難度大，寬度w≥400 mm的寬幅薄帶生產(chǎn)中存在板形及厚度精度難以控制、鋼質(zhì)潔凈度低導(dǎo)致的軋制穿孔等技術(shù)難題和長線退火過程中的抽帶、斷帶及折印等生產(chǎn)難題，無法滿足高平整度（不平度不大于0.1 mm/m）、高表面質(zhì)量使用需求和穩(wěn)定生產(chǎn)。太鋼與相關(guān)科研單位產(chǎn)學(xué)研合作，在板形、張力控制等方面進行研究開發(fā)，在輥系配置、軋輥設(shè)計和多軋程板形動態(tài)控制等方面形成成套軋制技術(shù)，實現(xiàn)寬幅超薄不銹精密帶鋼的高精度軋制，實現(xiàn)厚度為0.02 mm、寬度為640 mm的產(chǎn)品國際首發(fā)。在退火工藝方面，開發(fā)出多點轉(zhuǎn)矩平衡補償、螺旋芯軸型展平輥設(shè)計和非線性卷取張力動態(tài)調(diào)整的熱處理線張力精準(zhǔn)控制技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，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(xiàn)了大卷重（2 t以上）超薄帶高效連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)。此外，結(jié)合冶煉控制，實現(xiàn)了高表面質(zhì)量產(chǎn)品的穩(wěn)定開發(fā)生產(chǎn)。產(chǎn)品應(yīng)用于下游柔性顯示屏、儲能電池、軍工核電等制造業(yè)，引領(lǐng)了國際超薄不銹精密帶鋼的發(fā)展方向。

近年來，隨著智能化、數(shù)字化技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展，在板帶、型材等領(lǐng)域，軋制領(lǐng)域新技術(shù)不斷得到開發(fā)應(yīng)用，如高精度復(fù)雜斷面型鋼軋制數(shù)字化技術(shù)，以孔型參數(shù)化為基礎(chǔ)將三者集成一體，實現(xiàn)數(shù)據(jù)直接傳輸?shù)臄?shù)字化型鋼設(shè)計制造CAD-CAE-CAM系統(tǒng)，實現(xiàn)了高精度復(fù)雜斷面型鋼軋制數(shù)字化技術(shù)在鋼軌高精度軋制及孔型優(yōu)化方面得到實際應(yīng)用。隨著智能化技術(shù)的開發(fā)深入，基于大數(shù)據(jù)采用機器學(xué)習(xí)和智能化方法進行軋制參數(shù)預(yù)測用于提高軋制過程控制精度，目前已得到在線應(yīng)用。依托邯鄲2 250 mm熱連軋線，采用大數(shù)據(jù)方法，構(gòu)建了基于儀表數(shù)據(jù)、數(shù)值模擬數(shù)據(jù)、機理模型、機器學(xué)習(xí)模型等多源數(shù)據(jù)與多模型融合的數(shù)字孿生模型體系和CPS反饋優(yōu)化模塊軟件，提高了軋制力和三維尺寸的設(shè)定精度。應(yīng)用表明，在換規(guī)格后首卷軋制力設(shè)定精度、產(chǎn)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(chǎn)品的關(guān)鍵工藝，高品質(zhì)成形成性，開發(fā)綠色減排、環(huán)境友好的工藝和產(chǎn)品，始終是軋制工序技術(shù)創(chuàng)新和發(fā)展的方向。

5.1 鑄-軋界面高效高質(zhì)技術(shù)

改善鑄坯內(nèi)部質(zhì)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(xiàn)鑄-軋工序高效銜接，進而使軋件在軋制過程高質(zhì)高效成材，具有重要意義。因此，鑄-軋工序間提高鑄坯心、表質(zhì)量，利于高效運行匹配的相關(guān)技術(shù)愈發(fā)受到重視。在提高鑄坯質(zhì)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(shù)或凝固后大壓下技術(shù)改善連鑄坯內(nèi)部質(zhì)量，已在國內(nèi)部分鋼鐵企業(yè)取得了良好應(yīng)用效果；對于部分低碳微合金鋼，為避免鑄坯熱送時產(chǎn)生表面裂紋，連鑄坯表面淬火控制鑄后表面裂紋技術(shù)已在部分國內(nèi)外鋼鐵企業(yè)得到應(yīng)用。在提高工序間輸運效率方面，高效組坯、優(yōu)化連鑄-軋鋼工序銜接的技術(shù)，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(xiàn)連鑄連軋及至直接軋制。

除部分棒線材產(chǎn)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(yīng)加熱裝置補熱。加熱爐是軋鋼工序中能耗最大的設(shè)備，約占軋鋼工序能耗的60%～70%。提高加熱爐加熱能效，開發(fā)加熱爐節(jié)能新技術(shù)，仍將是軋鋼領(lǐng)域技術(shù)攻關(guān)的重要方向。近年來，隨著電磁感應(yīng)加熱技術(shù)在薄板坯連鑄連軋無頭軋制領(lǐng)域得到良好應(yīng)用，采用感應(yīng)加熱方式給連鑄坯或中間坯軋機補熱技術(shù)受到更多關(guān)注。電磁感應(yīng)加熱是利用交變電流在線圈內(nèi)產(chǎn)生磁場，從而在金屬工件通過時產(chǎn)生渦流，金屬的電阻相對較小，較低的電動勢就可以產(chǎn)生很強的渦電流，這樣就在金屬工件內(nèi)部產(chǎn)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(yīng)加熱方式重點關(guān)注的內(nèi)容。

5.2 軋制過程高效均質(zhì)化技術(shù)

軋制過程中軋件均質(zhì)化技術(shù)是熱軋鋼材的共性問題，對于板帶材主要包括厚規(guī)格鋼板厚向的性能均質(zhì)化和薄規(guī)格板材全斷面范圍組織的均質(zhì)化。傳統(tǒng)的提高厚板均質(zhì)性的手段，在于通過改進合金設(shè)計，增加微合金元素如高V、高Nb等來實現(xiàn)高溫變形組織調(diào)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(chǎn)厚規(guī)格鋼板。

在鋼鐵行業(yè)提質(zhì)增效的環(huán)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(chǎn)效率影響顯著。因此，在高效、低成本的條件下實現(xiàn)厚規(guī)格鋼材的均質(zhì)化生產(chǎn)成為行業(yè)的重要研究任務(wù)。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(chǎn)品斷面組織均勻性，這種工藝可以改善傳統(tǒng)軋制過程中變形滲透性差、心部韌性不足等問題。國內(nèi)相關(guān)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(xiàn)邊軋制邊冷卻，控制表面冷卻向板坯內(nèi)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(dǎo)相變，同時配合控制冷卻工藝，實現(xiàn)厚板組織和性能的均質(zhì)化調(diào)控，這是厚規(guī)格熱軋鋼材的一個發(fā)展方向。

針對薄規(guī)格板材全斷面范圍均質(zhì)化的要求，主要通過控制減少在熱軋過程中產(chǎn)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(xì)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(xì)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(chǎn)生。

5.3 鑄軋短流程高質(zhì)化技術(shù)

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

在薄板坯無頭軋制領(lǐng)域，國內(nèi)目前已有9條薄板坯無頭軋制生產(chǎn)線，大部分以薄規(guī)格為代表的汽車結(jié)構(gòu)鋼、集裝箱板、高強建筑結(jié)構(gòu)鋼、冷熱成型酸洗板等產(chǎn)品為主，產(chǎn)品同質(zhì)化問題已日趨凸顯。充分發(fā)揮薄板坯高拉速冷卻速度快，組織細(xì)化；鑄坯外冷內(nèi)熱，逆向溫度分布；軋制過程穩(wěn)順、組織調(diào)控利于實現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)控等工藝特點，系統(tǒng)結(jié)合企業(yè)定位、產(chǎn)線布局以及產(chǎn)線工藝與裝備條件，開發(fā)滿足用戶需求的高附加值產(chǎn)品；另外，持續(xù)開展一定碳含量范圍的包晶鋼高拉速連鑄技術(shù)研究，拓展產(chǎn)品范圍和種類，以支撐產(chǎn)線高質(zhì)化特色化發(fā)展。

在薄帶鑄軋方面，因其產(chǎn)線特殊的工藝方式，決定了產(chǎn)線產(chǎn)量小、厚度規(guī)格偏薄等特點。目前國內(nèi)外建設(shè)的薄帶鑄軋產(chǎn)線產(chǎn)品主要以薄規(guī)格低碳、低碳微合金等結(jié)構(gòu)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(xù)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(tài)。后續(xù)適當(dāng)環(huán)節(jié)工藝參數(shù)的控制會將二次析出物控制在最優(yōu)的狀態(tài)。薄帶連鑄與常規(guī)流程有很強的互補性。常規(guī)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(jié)合薄帶鑄軋工藝特點，選擇合理的產(chǎn)品定位，是薄帶鑄軋進一步高質(zhì)化發(fā)展的重要方向。

5.4 軋制加工過程數(shù)字化技術(shù)

隨著人工智能、大數(shù)據(jù)等信息技術(shù)的發(fā)展，鋼鐵產(chǎn)業(yè)正向智能化、數(shù)字化轉(zhuǎn)型。經(jīng)過近30年的高速發(fā)展，我國鋼鐵工業(yè)已經(jīng)完成機械化和自動化建設(shè)，鋼鐵企業(yè)軋鋼生產(chǎn)線自動化水平相對較高。在此基礎(chǔ)上，我國鋼鐵企業(yè)重點開展了崗位機器人替代、設(shè)備無人化、集中管控等工作，并取得顯著成效。從技術(shù)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(yè)將此前相對獨立的系統(tǒng)整合，為實施全生產(chǎn)流程智能制造提供了支撐條件。

作為最典型流程工業(yè)，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(nèi)部的工藝參數(shù)，鋼鐵行業(yè)全流程各工序?qū)嵸|(zhì)上均為“黑箱”，為多場、多相、多變的巨系統(tǒng)，具有復(fù)雜相關(guān)關(guān)系和遺傳效應(yīng)等。傳統(tǒng)技術(shù)開發(fā)手段在鋼鐵材料新工藝、新產(chǎn)品開發(fā)過程中的效率和經(jīng)濟性正在逐步下降。這是因為基于經(jīng)驗積累、分段探索的物理冶金規(guī)律適用性在由局部向整體的拓展應(yīng)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(zhàn)。但挑戰(zhàn)和機遇并存，這些不確定性提供了智能化和數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用場景資源；鋼鐵行業(yè)極為豐富的大數(shù)據(jù)提供了挖掘其中蘊含客觀規(guī)律的數(shù)據(jù)資源；現(xiàn)代的數(shù)據(jù)科學(xué)、智能技術(shù)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(shù)字整合，包含了實時全信息數(shù)據(jù)的坯料，蘊含著生產(chǎn)過程中的全部規(guī)律。利用機器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等現(xiàn)代數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)為計算工具，對這些數(shù)據(jù)資源進行處理、分析、計算，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為高保真度模型，可以得到具有“原位分析能力”的數(shù)字孿生模型。以數(shù)字孿生模型為核心，組成信息物理系統(tǒng)，構(gòu)建起基于數(shù)據(jù)自動流動的狀態(tài)感知、實時分析、科學(xué)決策、精準(zhǔn)執(zhí)行的閉環(huán)賦能體系，解決生產(chǎn)制造、應(yīng)用服務(wù)過程中的復(fù)雜性和不確定性問題，賦能材料與工藝創(chuàng)新。這將是軋制及鋼鐵全流程領(lǐng)域最重要的發(fā)展方向。

本文摘自《軋鋼》2022年第6期