中高碳鋼帶強(qiáng)韌性好、耐疲勞、綜合性能優(yōu)越，是國防軍工、航空航天、汽車裝備、高端制造等各個(gè)領(lǐng)域的關(guān)鍵基礎(chǔ)材料。其中，工具鋼與彈簧鋼更是分別被冠以“工業(yè)的牙齒”和“工業(yè)的彈性材料”等美譽(yù)。自“十四五”規(guī)劃以來，我國制造產(chǎn)業(yè)開始高端化轉(zhuǎn)型，推動(dòng)中高碳鋼帶市場(chǎng)年需求量增長(zhǎng)至450萬噸（高端牌號(hào)占比超過60%）。然而，國內(nèi)中高碳鋼帶制造產(chǎn)業(yè)多以小型設(shè)備為主，長(zhǎng)期面臨鋼水成分控制能力差、全長(zhǎng)組織性能調(diào)控難、缺少有效板形板厚控制手段等技術(shù)難題，在規(guī)格、質(zhì)量、產(chǎn)量等方面均存在供給短板，難以滿足市場(chǎng)需求。尤其是，以SK2、D6A、X32、80CrV2為代表的高端牌號(hào)大尺寸產(chǎn)品嚴(yán)重依賴進(jìn)口，存在“卡脖子”問題，迫切需要進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性提升。
針對(duì)傳統(tǒng)中高碳普遍采用中寬/窄帶的小型裝備生產(chǎn)存在的效率低、質(zhì)量不穩(wěn)定等問題。依托大型鋼鐵企業(yè)已有大型裝備，圍繞產(chǎn)品研發(fā)和全流程質(zhì)量控制痛點(diǎn)，形成了寬幅大斷面中高碳鋼組織缺陷控制關(guān)鍵技術(shù)、寬幅高強(qiáng)中高碳鋼帶高精度與高效軋制技術(shù)、寬幅高品質(zhì)中高碳鋼帶數(shù)智化柔性制造技術(shù)等三大關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新成果，取得關(guān)鍵突破，解決了寬幅中高碳鋼帶生產(chǎn)過程存在的鑄坯易偏析裂紋、易脫碳、軋制不穩(wěn)定、生產(chǎn)組織管控復(fù)雜等難題。開發(fā)出以寬幅SK2、X32、D6A為代表的系列高端產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)了高端中高碳產(chǎn)品的全國產(chǎn)化替代。
技術(shù)創(chuàng)新一：寬幅大斷面中高碳鋼組織缺陷控制關(guān)鍵技術(shù)
大寬幅與高成材的最終產(chǎn)品特點(diǎn)需依賴于鑄坯的寬幅大斷面，要求嚴(yán)格管控鑄坯偏析與裂紋缺陷。為此，研發(fā)了大斷面中高碳鑄坯中心偏析控制方法，開發(fā)高拉速下寬幅中高碳連鑄工藝模型成套技術(shù)，解決了高拉速下高含碳量寬幅大斷面鑄坯偏析、裂紋缺陷影響產(chǎn)品性能和生產(chǎn)穩(wěn)順的難題。實(shí)現(xiàn)高含碳量、大斷面鑄坯，低倍中心偏析C類不大于1.0級(jí)，裂紋發(fā)生率＜0.32%。
考慮組織性能與生產(chǎn)穩(wěn)定性要求，提出了不同厚度規(guī)格中高碳鋼帶差異化熱軋卷取工藝控制技術(shù)，開發(fā)了基于焊前預(yù)熱-焊后退火工藝優(yōu)化的焊縫質(zhì)量提升工藝及裝備，解決了寬幅中高碳帶鋼冷軋韌性差，極易斷帶的生產(chǎn)難題。實(shí)現(xiàn)帶鋼退火球化率達(dá)到95%以上，焊縫斷帶率由55%降低至1%，保障含碳量超過0.85%，0.4mm極限規(guī)格產(chǎn)品的連軋批量生產(chǎn)。
針對(duì)板坯加熱過程與罩式退火過程的脫碳現(xiàn)象，研發(fā)了考慮脫碳層計(jì)算的鋼坯溫度預(yù)報(bào)模型，建立了面向燃燒過程的專家知識(shí)庫和APC先進(jìn)控制模型，開發(fā)全氫罩式退火脫碳綜合控制工藝，解決了高品質(zhì)中高碳鋼生產(chǎn)易脫碳難題。實(shí)現(xiàn)鋼坯在爐時(shí)間平均減少6%，成品脫碳層控制在厚度的0.7%以內(nèi)。
圖1寬幅大斷面中高碳鋼組織缺陷控制關(guān)鍵技術(shù)
技術(shù)創(chuàng)新二：寬幅高強(qiáng)中高碳鋼帶高精度與高效軋制技術(shù)
針對(duì)熱軋中間產(chǎn)品凸度大、斷面質(zhì)量不良的問題，設(shè)計(jì)了熱連軋下游ATR、SVTPlus等高效率輥形，開發(fā)寬幅軋件斷面精準(zhǔn)控制策略及自學(xué)習(xí)方法，提出小凸度最優(yōu)化工藝求解策略，解決了多品規(guī)中高碳鋼帶的小凸度穩(wěn)定控制難題。實(shí)現(xiàn)熱軋邊降(C40)≤15μm的命中率達(dá)到96%以上，延長(zhǎng)軋制公里數(shù)15%以上。
圖2寬幅高強(qiáng)中高碳鋼帶熱軋高精度控制技術(shù)
針對(duì)冷連軋中間產(chǎn)品同板差-板形難協(xié)調(diào)、難控制的問題，開發(fā)了考慮曲面變形抗力模型的冷連軋全機(jī)架動(dòng)態(tài)仿真模型，提出面向高階板形缺陷的彎竄輥及輥形綜合控制策略，解決了連軋同板差和平直度控制存在的強(qiáng)耦合問題。實(shí)現(xiàn)寬幅中高碳鋼帶冷連軋目標(biāo)厚度0.15%的超低同板差，5.5IU以內(nèi)的超高平直度。
圖3寬幅高強(qiáng)中高碳鋼帶冷連軋高精度控制技術(shù)
針對(duì)十八輥精密軋機(jī)輥系自穩(wěn)定性差、同板差與板形質(zhì)量不佳的問題，開發(fā)了兼顧同板差與平直度需求的十八輥軋機(jī)高效輥形技術(shù)，提出全長(zhǎng)實(shí)物板形一致及軋后翹曲綜合控制方法，解決了十八輥軋機(jī)軋輥異常變形及輥系非自穩(wěn)定難題。實(shí)現(xiàn)寬幅中高碳鋼帶十八輥軋制目標(biāo)厚度0.12%的超低同板差，4IU以內(nèi)的超高平直度。
圖4寬幅高強(qiáng)中高碳鋼帶十八輥冷軋高精度控制技術(shù)
技術(shù)創(chuàng)新三：寬幅高品質(zhì)中高碳鋼帶數(shù)智化柔性制造技術(shù)
基于中高碳鋼帶現(xiàn)行生產(chǎn)工藝方法進(jìn)行流程再造，設(shè)計(jì)了涵蓋大型熱軋（熱連軋/CSP連鑄連軋）-冷連軋-單機(jī)架（小六輥/十八輥）等大型裝備全流程柔性生產(chǎn)體系，解決了大工業(yè)生產(chǎn)與中高碳鋼多品規(guī)、小訂單的矛盾。實(shí)現(xiàn)多品種規(guī)格、多種交貨狀態(tài)、全流程高效、低成本的寬幅中高碳鋼帶柔性生產(chǎn)。
圖5寬幅中高碳鋼帶柔性生產(chǎn)工藝流程優(yōu)化設(shè)計(jì)
考慮寬幅高品質(zhì)中高碳鋼帶產(chǎn)供銷需求特點(diǎn)，研發(fā)了基于多工序協(xié)同柔性制造模型與算法的產(chǎn)銷自動(dòng)推優(yōu)機(jī)制，開發(fā)包含全流程數(shù)字跟蹤、訂單重組、全工序集成計(jì)劃與調(diào)度等功能的產(chǎn)供銷數(shù)智化輔助生產(chǎn)決策系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)了寬幅中高碳帶產(chǎn)品高質(zhì)量、高效率生產(chǎn)，訂單準(zhǔn)期交貨率≥98.5%。
針對(duì)寬幅高品質(zhì)中高碳鋼帶形性全長(zhǎng)控制問題，研發(fā)了涵蓋變形抗力、軋制工藝、尺寸形狀及力學(xué)性能的寬幅中高碳鋼帶質(zhì)量分析預(yù)測(cè)關(guān)鍵模型技術(shù)，建立全流程質(zhì)量綜合管控策略，解決了寬幅中高碳鋼帶質(zhì)量評(píng)價(jià)困難和管控復(fù)雜的難題。實(shí)現(xiàn)了各工序質(zhì)量綜合成材率達(dá)到95%以上，產(chǎn)品性能預(yù)測(cè)命中率達(dá)到96.8%以上。
圖6寬幅中高碳鋼帶質(zhì)量分析預(yù)測(cè)關(guān)鍵模型技術(shù)
自2015年開始，北科大與新鋼和漣鋼等企業(yè)先后實(shí)施了近26項(xiàng)科研和工程項(xiàng)目，通過近7年的快速突破，新鋼和漣鋼已經(jīng)形成年產(chǎn)熱軋高品質(zhì)中高碳鋼帶85萬噸，高牌號(hào)冷軋產(chǎn)品45萬噸，應(yīng)用本研究相關(guān)技術(shù)生產(chǎn)的寬幅高品質(zhì)中高碳帶比例達(dá)到50%以上，已經(jīng)形成了浙、贛地區(qū)寬幅中高碳鋼帶原材料產(chǎn)業(yè)中心，相關(guān)技術(shù)在行業(yè)引起高度關(guān)注，在酒鋼、馬鋼、梅鋼、本鋼、永鋒等鋼鐵企業(yè)各類產(chǎn)線快速落地。通過以上技術(shù)實(shí)施，保障鑄坯中心偏析C類可達(dá)到1.0級(jí)，薄板坯的鑄坯拉速可達(dá)到2.5~5.2m/min，常規(guī)熱連軋的鑄坯拉速可達(dá)到1.4~1.6m/min，將中高碳鋼帶從窄帶熱軋-單機(jī)架冷軋的中小型裝備生產(chǎn)模式，轉(zhuǎn)變?yōu)閷挿鶡徇B軋-冷連軋-單機(jī)架的大型裝備高效生產(chǎn)模式，全流程生產(chǎn)成本節(jié)省超過300元/噸，優(yōu)于傳統(tǒng)流程，實(shí)現(xiàn)了包括高端工具鋼、高端彈簧鋼在內(nèi)的最全品種，最全交貨狀態(tài)的供貨，可保障熱軋最寬到2050mm，最厚到21mm，冷軋最薄0.15mm的寬幅高品質(zhì)中高碳鋼帶極限制造能力，綜合成材率提高2%以上。該技術(shù)推廣應(yīng)用生產(chǎn)的寬幅高品質(zhì)中高碳帶材已經(jīng)達(dá)到行業(yè)的50%以上，實(shí)現(xiàn)了寬幅高品質(zhì)中高碳鋼帶的全國產(chǎn)化替代，滿足超重型卡車離合器膜片、發(fā)動(dòng)機(jī)閥片用鋼等保證下游制造業(yè)對(duì)高端材料的需求，重塑了傳統(tǒng)中高碳產(chǎn)品生產(chǎn)格局，推動(dòng)全產(chǎn)業(yè)鏈向更高效、綠色方向發(fā)展。產(chǎn)品應(yīng)用于福建艦、復(fù)興號(hào)高鐵、300噸國產(chǎn)重型礦山重卡等國家重大工程，得到航天科工等部門的表彰，提升高端鋼材原料自給能力，助力我國高端制造的自主高質(zhì)量發(fā)展。
