我国钢铁工业取得了巨大的进步，暴露出一些问题

王国栋

经过改革开放以来几十年的发展，我国钢铁工业取得了长足进步，钢铁产量约占世界总产量的1/2，我国在重要钢铁产品上基本能够实现自给，为我国经济社会的快速发展提供了有力支撑。但在发展中也暴露出一些问题：一是我国钢铁产品总量大，资源能源消耗大，排放量高，环境污染严重，资源能源约束突出，环境不堪重负，这就要求我们进行自主创新，发展减量化、减量的绿色工艺，实现“工序绿色化”。二是我们的钢铁生产过程人工干预较多，其操作主要靠人的技术水平和责任心，生产过程和产品质量的稳定性、均匀性、一致性较差，生产效率较低，必须在现有自动化、数字化的基础上实现“装备智能化”。 三是产品结构不均衡，产品同质化、集中于中低端，常规低端产品过剩，高端产品供给能力不足，部分高端产品仍依赖进口。亟待提高产品质量，发展创新产品，生产减量化、高性能、耐腐蚀、无污染、长寿命、易回收的优质钢材，实现产品质量上乘。

轧制工序是钢铁工业的成型工序，其发展尤其体现了钢铁工业“技术绿色化、装备智能化、产品优质化”的基本发展趋势，认清这一趋势对于我们改造和提高现有轧制工艺，加快钢铁轧制行业技术进步与转型具有重要意义。

热轧工艺与连铸的匹配与衔接

钢铁行业是典型的流程工业，原材料、炼铁、炼钢、连铸、热轧、冷轧、热处理等工艺流程中的每个环节都会对最终产品产生影响，它们的综合作用决定了整个工艺流程的整体效果。因此，解决轧制工艺问题，还必须改变过去孤立的研究，从全流程整体集成、与上游工序衔接、相互影响的角度，探索改进轧制工艺、实现上下游工序协调的方法。

热轧的前道工序是连铸，连铸工艺对热轧工艺有重要影响。如果在连铸后，连铸坯的温度分布状态为“外冷内热”，在芯部1250℃~1450℃超高温粘塑性区施加较大的轧制压力，将有利于促进芯部的变形和流动，消除连铸坯芯部的疏松、偏析等缺陷，提高连铸坯芯部质量。这一过程可以在连铸机内部、靠近最终凝固点处进行，即所谓的“凝固末端大压差”，也可以在连铸机出口处加装一台轧机，通过轧制进行高温粘塑性变形。至于选择哪种方式，可根据各厂的布局特点和作业要求而定。

如果平面布置允许，可直接轧制高温连铸坯，或稍加再加热后再轧制，以进一步提高产品的心部质量，降低再加热能耗和氧化皮烧损。已有棒材、板材直接轧制的实例。如果无缝钢管厂布置在冶炼—连铸工序相邻处，可试行直接轧制。此时坯料处于“外冷内热”状态，直接轧制穿孔，可改善钢管心部组织和内壁表面质量。

短流程无头轧制技术

如果设法提高连铸速度，使连铸机产量与轧机相匹配，让铸坯连续进入轧机，就可以实现无头轧制。无头轧制技术可以实现轧制工序与连铸工序的一体化，对稳定材料加工过程、提高产品质量有重要作用。

薄板坯连铸连轧无头轧制。

薄板坯无头轧制是一种低成本、高性能的稳定轧制工艺，适用于精确的组织控制、薄规格先进高强钢的开发、实现“以热代冷”。我国山东日照钢铁引进的薄带无头轧制生产线，坯料厚度为70mm~90mm，拉速高达7m/s，最小产品厚度为0.8mm。该工艺大大减少了氧化、烧损，无头、尾损耗；能耗降低45%；中间保温-均温装置使温度保持在1100℃~1200℃。需要强调的是，这是一种稳定轧制工艺，适用于稳定、精确的组织控制。

薄板坯连铸连轧相对较快的凝固过程自然会影响凝固组织和晶粒尺寸、合金元素和杂质元素的固溶程度以及夹杂物和析出物的尺寸、分布和数量。凝固末期的超高温粘塑性区热轧工艺对改善钢锭心部组织起着重要作用。因此，探索薄板坯连铸连轧相对较快凝固和高温粘塑性区变形的优势具有重要意义。当然，铸造后的热历史也将与能耗和最终材料的组织和性能有关。只有对这一过程进行整体的全过程分析，才能更清楚地揭示组织演变规律，指导工艺制度的制定、生产装备的设计制造和再结晶、析出、相变的控制，达到改善组织和性能的目的。

对于厚板坯、大方坯而言，连铸坯凝固末端的轧制工序更为重要，采用无头轧制工艺可以更彻底地解决厚板坯中心层或大方坯心部的疏松、偏析、夹杂等质量问题，从根本上改善了长期困扰钢铁企业的厚大规格产品心部质量问题。

宽带无头轧制工艺。

如果能从铸机设计、生产操作、原辅材料等方面提高拉拔速度，实现宽带无头轧制，就有可能取代传统的长流程热轧带钢。钢锭为中厚板坯，如厚度120mm~130mm，在较高的拉拔速度(如5.5m/s~6m/s)下轧制成厚度1.8mm~25.4mm的热轧带钢。该工艺特点是减少氧化烧损，无头尾损失，降低能耗；设置中间加热炉，实现平稳轧制过程，适用于精确的组织控制和优质稳定生产各种优质、高档热轧带钢。

薄带铸造工艺。

薄带连铸工艺属亚快速凝固过程，冷却速度为102K/s~104K/s，且为无头轧制工艺，适用于制备超高性能硅钢等难变形、易偏析、高合金材料。

美国Nanosteel公司采用薄带连铸工艺开发了纳米钢生产技术，巧妙利用了薄带连铸的快速凝固特性，提高了合金元素和夹杂物形成元素的固溶度，并进一步控制了析出物和夹杂物的尺寸。该公司通过薄带连铸工艺和后续的热轧-冷轧-热处理工艺的合理匹配，利用P族元素(包括部分有害非金属元素)的析出物(实际上是夹杂物的细小析出)细化组织，得到了具有纳米级晶粒尺寸的纳米钢。其典型塑性和抗拉强度分别可达EL=50%和TS=1200MPa，可用于汽车用AHSS的生产。这是通过短流程控制使有害非金属元素变为有益元素的实例。

薄带连铸制备超高性能硅钢E2-Strip技术主要针对Si含量0.5%～6.5%的高性能取向、无取向硅钢铸带，该技术针对薄带连铸特点，采用全新的减量生产工艺和成分设计，获得其它工艺技术难以达到的无取向、取向电工钢性能，真正实现“产品性能优异、生产成本低、节能减排低耗、环保绿色”。

例如对于取向硅钢，采用MnS等细小析出物作为抑制剂，依靠快速凝固铸轧工艺，可以抑制凝固过程中MnS等的析出。在随后的热处理过程中，控制加热温度、时间等热处理工艺参数，可以获得合适的析出物尺寸，从而钉扎取向硅钢一次再结晶的晶界，细化晶粒。这种细化的一次再结晶组织为随后的二次再结晶晶粒长大提供了非常好的基础。在这个过程中，前后过程连续不断，相互呼应、协调，综合控制是获得理想组织和性能的关键环节。

薄带连铸快速凝固通过一体化控制获得的优势决定了薄带连铸的产品定位，即非常适合向高端、特种、难变形、易偏析、高合金材料发展。快速凝固可以抑制大颗粒夹杂物的析出，利用夹杂物的细小析出钉扎凝固组织晶界，阻止晶粒长大，获得细小的晶体组织。该工艺对于防止成分偏析、热轧裂纹等缺陷，提高加工塑性，降低变形抗力，提高材料的热加工能力具有重要意义。

由方形或矩形坯料轧制而成的无尽棒材和线材。

将方形或矩形毛坯无头轧制成棒材、线材也是很有前途的技术，主要有两种方式。一种方式是全连续多线无头轧制。连铸坯为一定尺寸的矩形坯或方形坯，经多道连轧成为矩形截面中间板，再经四机架多线切割轧制、冷却，即得成品螺纹钢筋。另一种方式是全连续单线高速无头直轧棒材或线材螺纹钢筋。高速连铸坯生产出大方坯(例如尺寸为300mm×300mm)，经高温预轧机轧制成普通方坯(例如150mm×150mm方坯)，再由单线连轧机轧制成最终产品。

热轧钢板控轧控冷技术

以新一代超快速冷却为核心的整个热加工过程（轧制和冷却）的控制冷却技术。

钢材热加工过程中组织转变的重要温度区间有三个，即再结晶温度区间、碳氮化物析出温度区间、相变温度区间，是组织调控的关键点。组织调控的最新手段是超快速冷却技术。若想采用某种组织演化过程，可在演化温度区间保温(或空冷)，让轧制演化继续进行；若想避开这种组织演化过程，可将材料快速冷却，快速通过该温度区间。由于不同材料组织演化规律不同，因此必须量身定制调节材料组织演化的温度制度，配置灵活的全轧冷却系统。

轧制工艺设计。

材料轧制工艺设计就是要全过程控制变形温度、变形程度、变形速度（针对每种钢种进行个性化开发），在整个轧制过程中实行合理、节能、高效的轧制载荷分配。

变形向高温粘塑性区发展，通过研究和利用粘塑性区材料变形、流动、扩散和再结晶的特点，设计压制系统，可以实现节能减排、提高产品质量。

中厚板“温控-变形”耦合高导磁轧制技术

在中厚板轧制过程中，应采用轧制-冷却一体化同步控制轧制，若采用超快速冷却对轧件进行冷却，可实现“控温-变形”耦合的高渗轧制，使钢板表面经历“淬火-变形-升温”的复杂热历史，改善表面超细晶粒和心部组织，从而获得钢板的高强度和韧性。因此，需要探索轧制-冷却一体化同步控制轧制的物理冶金规律和最佳工艺制度，开发高强韧钢板生产工艺和产品。

热轧无缝管超快速冷却技术的开发及应用。

在热轧无缝钢管领域，材料组织和性能的控制传统上依赖于化学成分高合金设计和离线热处理工艺，这些都属于“增量”方法。因此，需要引入控轧控冷技术，挖掘材料潜力，降低生产成本，促进工艺产品升级，实现低能耗、绿色钢管生产。当该工艺应用到各类无缝钢管生产工艺中时，必然会彻底改变目前钢管生产的化学成分设计和生产工艺设计，从而带来整个钢管行业技术进步、转型升级的革命。

热轧氧化鳞片控制技术与工艺。

氧化铁皮的成分、厚度及组分对材料的表面质量和耐腐蚀性能有重要影响。传统生产工艺采用“低温、慢轧”工艺，氧化铁皮较厚，主要由充分氧化的Fe2O3组成，氧化铁皮易碎，表面质量和耐腐蚀性能变差。因此，需要基于大数据技术预测热轧过程中氧化铁皮组织和性能的演变，建立合理的钢种成分设计和以“高温、快轧”为特征的氧化铁皮控制工艺，获得合适的氧化铁皮厚度和组织结构，优化钢材表面质量。

轧钢过程信息化、智能化

钢铁全流程综合信息化、智能化。

经过30年的引进、消化、吸收和创新，我国大部分钢铁企业已经实现了机械化、自动化和数字化，达到了工业2.0的水平。但钢铁行业属于大型复杂流程工业，尚未形成全流程集成控制和整体协同优化。为提高智能化水平，目前部分企业正积极构建基于物联网、云计算、大数据等现代信息技术的钢铁企业整体管控平台，对数据进行采集、转换、处理、监控、管理和优化。经过努力，相当一部分钢厂将基本达到工业3.0+的水平。我国“十三五”重大项目中已获批实施的智能化项目，旨在建立真正达到工业4.0水平的示范样板线。 这些项目的实施，将打破“十三五”期间信息技术封闭的“孤岛”，实现典型示范生产线全流程一体化智能制造，全面实现“信息深度感知、协同精准控制、智能优化决策、自主学习改进”，将我国钢铁生产的管理、质量、效率上升到前所未有的智能化水平。

建设全流程、一体化智能管控平台。

我们目前的信息系统，在从原料到产品出厂的整个生产过程中，从原料到炼铁到炼钢、连铸、热轧、冷轧、出厂，各个环节基本都是一个信息“孤岛”，还没有形成全链条、一体化的管控。产品备料环节与原料采购、产品销售脱节严重，从底层到顶层BI层面各个环节虽然都已经实现了在线互联，但缺乏有机、生动的互动。

在这个体系中，需要建立充分利用物联网、大数据、云计算等最新信息技术的环境和手段，在现有嵌入自动化、数字化信息系统的生产线基础上，建立横向贯通各工序、纵向联动各级联动的产供销全流程一体化智能管控平台。这个平台通过信息网络把目前各工序孤立的管控系统打通，形成沿生产线全链条的两层扁平化管控系统架构，实现钢铁生产全流程的扁平化、一体化、一站式智能管控，实现信息采集、处理、监控、综合生产调度管理的智能化、协同化、集成化，达到“信息深度感知、协同精准管控、决策智能优化、自主学习改进”的水平。

过去传统控制系统采用的是将一个复杂问题划分为相对简单的不同层次，逐层解决问题的方法，即“分层分领域”处理。随着信息手段的丰富和计算能力的提升，未来将转向“跨层级、跨领域”的扁平结构。这种深度扁平的组织管理模式将取消原有的多层级控制系统架构，让实时性较低的MES、ERP、BI功能在“云智能层”完成，实现质量、设备能力、成本、资源、人力资源等多目标的综合协同；将实时性较高的PCS、BA、传感器等功能整合到“本地决策层”，辅以人工智能、大数据等新技术，突破原有计算能力、实时性造成的技术层面壁垒，在两个扁平层级之间实现在线实时动态调整，以灵活协同的方式实现质量和效率的提升。 同时，在与云计算等技术结合过程中，将采用边缘计算解决网络时延带来的不确定性问题，减轻云端负担，兼顾云计算与终端的协同，实现近场设备、装备和系统的智能管控，满足敏捷连接、实时业务、数据优化、应用智能、安全与隐私保护等数字化关键需求。

这个系统实际上是把物理空间中物理实体的所有要素在信息空间中重构，形成具有感知、分析、决策、执行能力的数字孪生。同时借助信息空间对数据的综合分析处理能力，对外部复杂环境的变化形成有效的决策，虚实结合的方式作用于物理实体，从而实现信息虚拟实体与物理实体的交互联动。因此，这是一个典型的CPS系统。

这样，钢铁行业作为典型的流程工业，就可以克服过去孤立、单工序“单兵作战”的解决问题方式，充分利用全流程、集成智能制造来解决我们目前在稳定性、均匀性、一致性等方面的问题，提供全流程、集成的解决方案，实现钢铁生产全过程的集成管控、钢铁生产各层次的协调优化、大规模定制下的产品个性化和定制化，以及设备、物流、能源等的智能控制和优化协调，从而大幅提高生产效率，提升企业劳动生产率。

参数深度感知。

深度参数感知是指对工艺质量参数、操作参数的在线状态感知和准确预测。关键参数获取包括在线监测、半在线检测、离线检测等方式。其中，在线监测的参数可以直接检测获得，如表面状态检测、形状尺寸检测、板材形状检测等；另一类参数如化学元素含量检测等，属于半在线检测；第三类是离线检测，这些量无法测量，只能基于数学模型或智能模型等大数据分析结果进行预测，也就是所谓的“软测量”。例如内部缺陷检测、内部温度检测、材料组织与性能检测、微观结构检测等。通过这些努力，可以实现产品质量信息全过程无损检测，逐步实现产品质量信息的在线反馈。

热轧带钢三维形貌检测包括侧弯、屈曲、头尾形貌等，可利用机器视觉开发图像处理、边缘检测等技术，实现轧制过程中轧件三维形貌的稳定性检测与控制。材料组织、性能及表面氧化铁皮预测技术可利用大数据和实测参数建立组织演化模型，优化与目标组织和氧化铁皮对应的最优工艺，实现对组织性能和表面质量有特定要求的热轧板材工艺开发。冷轧酸浓度软测量技术选取酸电导率等参数以及控制主变量进行分析挖掘，可实现酸浓度的预测。

钢铁材料组织性能的检验与控制：依靠仪器取样，离线测量力学、腐蚀、疲劳性能等；依靠金相显微镜、电子显微镜、X射线衍射仪等观察组织特征，进行人工解析。

钢铁智能制造体系的核心——数字传感技术。

钢铁生产过程是一个贯穿全过程的“黑箱”生产过程。例如主高炉、转炉、精炼炉、钢包、连铸坯、热轧轧制品、冷轧轧制品等都是“黑箱”。如何通过可以采集的信息“逼真地”刻画“黑箱”中的化学反应和物理冶金变化，并进行智能控制，是钢铁人长期以来的梦想。近年来提出的数字化感知技术将能够足够精确地接近真实场景，为精准智能控制提供足够精度的感知信息。

在从实物到数字化、从人工智能到智能化的转变发展中，如何利用大数据、互联网、云计算、人工智能等信息技术，实现生产中材料组织与性能的数字化感知和智能化控制，是材料人的梦想和面临的重大问题。数字化感知为我们提供了非常理想的解决方案。

数字感知概念于2015年由IEEE首次提出，并成立了数字感知倡议（DSI）。数字感知将虚拟现实（VR）、增强现实（AR）和人工智能（AI）融合到一个统一的框架中，并建立了跨行业、跨学科的全球协作平台，进一步促进相关领域的突破和发展。

VR让人们体验到一个全新的世界，一个完全不一样的虚拟世界，VR提供了更真实的体验方式，而AI作为与VR/AR并列的两大趋势，可以帮助硬件变得更加智能，AI与VR/AR的结合，将展现出对未知世界的探索和提供解决方案的强大能力。

AI与VR/AR结合形成的数字感知，有助于我们利用大数据、互联网、云计算、人工智能等现代信息技术突破过去难以逾越的“黑箱”障碍，从而建立CPS系统的核心部分，即镜像现实系统、与之实时交互的虚拟系统。在这个具有足够精度、具备精准、协同智能控制的虚拟系统上，钢铁材料的智能设计和实时控制将成为可能。

钢材优化设计（化学成分设计和生产工艺设计）。

奥巴马政府时期，美国提出基于基因组学理念开展材料优化设计研究。复杂体系、长流程、多相变钢铁材料的合金体系、工艺、相变/组织非常复杂。如果按照这个思路，应用第一性原理、分子动力学等理论，并结合相场模型、晶体塑性有限元，通过热力学与相图计算、相变动力学计算，研究组织演化规律和组织/性能关系，并以此提炼出整个工艺过程的核心要素，整合相关的定量计算模型，实现钢铁材料的组织调控与合金设计，似乎难度很大。这是因为各类模型中的一些关键参数很重要，但它们随着各类因素的变化而变化，很难通过实验准确确定。

因此，对“基因组”问题的解决方案必须与数字传感技术相结合，使用数字传感技术获得的实时大数据来进行智能建模和预测，从而获得高级精确的数学模型，从而科学地和定量地实现了材料组织的定律，并实现了基于材料的高级预测和控制系统的概述。物料组织属性的ISION预测。

用于热滚动和冷滚动的集成控制技术

超级平坦 - 板控制。

超级板状形状 - 通过对热滚动和冷滚动过程的协调控制来实现板冠的控制，以便全面控制冷滚珠的冠状冠冠，板形和边缘变薄，包括在热滚动过程中对横截面剖面的精确控制，在冷滚动过程中对上游框架的边缘稀薄的在线控制在冷滚动过程中，并在冷滚动过程中进行了薄薄的卷板形状。

热滚动 - 冷滚动 - 退火集成的组织和绩效控制技术。

该技术通过控制热滚动和滚动后的冷却过程，为改善随后的冷滚动和热处理过程的结构和性能提供了基础和条件，从而深入探索材料的潜力并最大程度地提高性能。

高级冷滚动，热处理/涂料和设备技术

冷滚带形状的智能控制。

板形的数学和物理模型中有很多假设，而板的形状控制是多变量的，非线性的，强烈的耦合，因此，现有的控制方法和控制策略很难基于高级板块控制，因此很难满足构图的综合。 Etic算法和矢量机可以对带状/板凸的预测和优化实现高精度控制。

冷滚入薄带钢的快速加热技术及其工业应用。

冷卷的薄带快速加热技术包括直接火焰快速加热，纵向磁通诱导加热，横向磁通量感应加热等。这些技术在特殊情况下使用，例如快速加热冷滚动的高强度持续连续的持续连续式带镀锌和镀锌的液体，热液供暖和供热液体供热和冷热液。 UGE产品快速有效地高于居里点，应更加关注。

无氧化的薄带钢的快速冷却技术。

该行业应用了各种冷却媒体，例如H2，H2O，H2+N2，Steam Mist等。连续退火线和热浸镀锌管线来实现快速冷却的速度冷却技术。钢铁钢，并解决由水淬火，蒸汽雾等引起的表面氧化问题。它适用于高强度和超高强度的条带热处理线，热浸镀锌和其他生产线，应加速和促进实际使用。

添加剂制造和复合材料

滚动复合技术和设备。

该行业使用“真空坯料 +滚动复合材料”方法开发了滚动的复合海洋钢，复合管道钢和超厚的复合钢板，而高端产品（例如具有高界面复合强度的容器钢），但是，仍然有许多问题可以通过复合方法，优化和开发需求来解决。

带状连续铸造和添加剂制造。

航空，航空航天，能源，运输和其他行业对高成本，高性能的处理和制造技术的需求很大，用于高合金钢和非有产性金属材料，这些材料难以变形，易于隔离，使用较低的固体层状，并且具有较低的固定层，并具有较低的塑造层状，并具有较低的塑造层状。 ，可以使用它作为原材料来获得隔离或极小的隔离，夹杂物或固体解决方案选择连续铸造的薄条，连续铸造的坯料或中等和厚的板作为复合原材料，取决于复合坯料的质量要求。

耐腐蚀的复合肋钢筋的生产技术和设备。

可以通过不锈钢管的固相复合材料和普通的碳钢杆进行耐腐蚀的复合式钢筋，然后通过热滚动，或在碳钢锭表面上的不锈钢粉末覆盖，然后再进行热滚动。

向内生长的陶瓷颗粒增强复合材料。

通过合理的合金组成设计，具有高强度和韧性的汽车的高强度钢，低密度，高杨的模量以及用内源性TIB2陶瓷颗粒加固，可以使用连续的铸造过程来制备。

降低，低成本，低排放

在谈论钢材的发展时，我们无法避免材料发展的四面体关系。 S，要么消耗昂贵的合金元素，要么消耗能源和资源。

但是，材料设计的新概念要求我们在钢材材料开发过程中实现“降低，低成本和高性能”。第三种方法，从市场上发现新的组织和绩效要求，促进滚动过程创新和创建新材料，大规模产品的升级，高端产品的大规模生产必须遵循绿色概念的材料，并遵循了材料的发展。通用滚动过程技术。