“鋼材熱軋過程氧化行為控制技術開發及應用”項目成果喜獲2020年度國家科技進步二等獎

左：劉振宇教授，右：曹光明副教授

2021 年11 月3 日，2020 年度國家科學技術獎勵大會在北京人民大會堂隆重召開。東北大學軋制技術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開發及應用”項目榮獲國家科技進步二等獎。

東北大學聯合鞍鋼、河鋼、太鋼、馬鋼、南鋼及漣鋼等企業，在國家持續支持下，通過“產學研用”深度融合，構建起了鋼材熱軋過程氧化控制理論體系，開發出具有自主知識產權的成套技術，打破了國外對高表面質量產品的壟斷，不僅生產出免酸洗、易酸洗及氧化皮耐腐蝕等新品種鋼材，而且實現了熱軋氧化調控由經驗試錯向數字化、智能化控制的轉型。

一、創新成果

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、環境氣氛及工藝等因素的交互影響，導致其氧化行為極為復雜，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，國內外鮮見報道。

鑒于此，項目團隊首次研發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；在此基礎上，系統研究了Si 和Mn 界面復合氧化物的形成機制，明確了抑制Mn/Si 復合氧化物的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計準則；明確了“成分+溫度+氣氛+軋制”多場耦合狀態下，復雜氣氛對熱軋鋼材氧化動力學影響規律、氧化皮與基體變形協調性規律以及熱軋環境下FeO 相變規律，建立起精確描述熱軋環境下FeO結構轉變的動力學模型，為熱軋氧化行為精準控制奠定理論基礎。

2.開發出熱軋流程氧化界面與相組成控制成套技術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，發明了“噴淋裂化”除鱗技術，噴淋冷卻使氧化皮脆化并裂化后再加以去除，實現了高效除鱗。將該技術應用于薄板坯連鑄連軋，除鱗不凈缺陷發生率由90%降低至2%以下，實現了高端家電板的批量生產，解決了薄板坯連鑄連軋產品表面質量控制的共性難題。

熱軋過程決定氧化界面的遺傳特性，是缺陷演變的關鍵工序。以氧化皮變形規律為指導，開發出氧化界面彎曲度控制技術，使氧化皮界面彎曲度較常規工藝降低25%以上，工程機械用鋼的表面質量超過日標要求，成為日本高端工程機械制造企業的專供產品；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鍵工序。以熱軋FeO相變動力學為指導，開發出適用于熱軋環境的FeO相變精準控制技術，形成了氧化皮具有不同功效的系列熱軋新產品。國際首次實現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.開發出鋼材熱軋氧化數字解析模型與智能動態調優系統

熱軋氧化過程無法在線檢測，屬于典型黑箱過程，僅憑工程師經驗控制試錯量大、穩定性差。穩定、高效控制表面質量，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。

項目團隊率先構建了典型熱軋鋼材的氧化行為基礎數據庫，開發出熱軋氧化的數字解析與智能動態調優系統，國際上首次實現了熱軋過程氧化行為動態軟測量及氧化行為精準控制，氧化皮預測結果通過了河鋼1 700 熱軋產線工業軋卡試驗驗證，達到工業應用標準；應用于鋼鐵企業使氧化皮厚度較常規工藝穩定減薄20%以上，噸鋼酸洗耗酸量降低3.15 kg；成功應用于韓國現代2#熱連軋產線汽車鋼氧化行為的精準控制，實現了熱軋氧化行為由經驗試錯向精準定量控制的轉型。

二、推廣應用

本項目攻克了制約鋼材表面質量的核心問題，開發出具有完全自主知識產權的氧化行為控制技術并實現大規模工業應用，相關技術應用于鞍鋼、河鋼、太鋼、寶武等19家企業45條生產線，并輸出至韓國浦項和現代制鐵。在行業上形成了免酸洗、易酸洗鋼材系列品牌，填補了國內空白，廣泛應用于汽車、海洋、機械、能源等重點領域，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、中石化等行業骨干企業對項目技術水平和產品表面質量均給予高度評價，為我國鋼鐵產品進入國際高端市場樹立了品牌效應。本項目全面提升了我國鋼材表面質量，滿足了重大工程嚴苛的質量要求，保障了制造業轉型升級，全國每年5億噸以上產能可應用本技術成果，推廣應用前景廣闊。

熱軋過程氧化皮結構控制

“噴淋裂化”除鱗技術

氧化界面彎曲度控制

氧化行為預測與智能優化