一、研究的背景與問題
薄規(guī)格熱處理鋼板是重大裝備、重點工程和國防建設(shè)的重要原材料，熱處理是實現(xiàn)鋼板性能提升和保障的重要環(huán)節(jié)，直接決定著鋼板最終的性能。隨著裝備的大型化和輕量化，使用鋼板的強度已從傳統(tǒng)的345～700MPa上升至1000～2500MPa，對所制造裝備提出了更大的挑戰(zhàn)。同時，隨著鋼板的變薄，其內(nèi)應(yīng)力敏感性更高，極寬、極薄規(guī)格熱處理鋼板的低應(yīng)力更加難以控制。此外，熱處理淬火后需低溫回火以消除內(nèi)應(yīng)力、降低延遲開裂風險和調(diào)控組織等，而現(xiàn)有的回火裝備均以火焰或輻射管式加熱，無法對300℃以下進行精準控制和滿足低溫回火高精度控制需求，急需進行新的加熱方式來實現(xiàn)回火需要。隨著裝備制造的不斷發(fā)展，對熱處理鋼板的表面質(zhì)量提出的更為嚴格需求，而常規(guī)熱處理鋼板由于離線淬火和低溫回火的原因，表面極易出現(xiàn)銹蝕等缺陷。
項目實施前，我國薄規(guī)格超高強度熱處理鋼板幾乎完全被國外公司所壟斷，國內(nèi)鋼企依托寬厚板軋機和引進的德國LOI熱處理裝備，只能生產(chǎn)10mm以上的中厚規(guī)格熱處理超高強鋼板（部分特殊情況下可以生產(chǎn)8mm規(guī)格），國內(nèi)大型裝備制造企業(yè)不得不從國外以昂貴的價格進口該類鋼板，以滿足我國大型裝備制造的需求。
在上述背景下，完成單位華菱漣源鋼鐵有限公司產(chǎn)學研合作，經(jīng)過多年研發(fā)攻關(guān)，突破了薄規(guī)格熱處理超高強鋼板的高平直度淬火、高精度低溫回火和高表面質(zhì)量檢測和處理裝備及關(guān)鍵控制技術(shù)，研發(fā)成功國際首套最薄可處理2mm輥壓式淬火裝備、最低150℃高精度回火裝備和基于5G+AI集成“檢測-判定-集控”一體的全流程表面缺陷檢測裝備和高壓水射流噴丸除鱗技術(shù)的高性能鋼板生態(tài)除鱗技術(shù)與裝備，建成全球最大的薄規(guī)格鋼板熱處理生產(chǎn)基地。開發(fā)出系列鋼板的低內(nèi)應(yīng)力控制技術(shù)和高表面質(zhì)量檢測和控制技術(shù)，實現(xiàn)在全球最薄（2mm）、最高級別（Rm=2500MPa）的工程機械用結(jié)構(gòu)鋼板、耐磨鋼板和防彈鋼板等產(chǎn)品高平直度、高表面質(zhì)量生產(chǎn)，滿足了下游裝備制造的使用需求。
圖12011年漣鋼在國際上建設(shè)首條專用薄規(guī)格橫切熱處理生產(chǎn)線及其4mm鋼板淬火后板形
圖2漣鋼在全球最大薄規(guī)格熱處理生產(chǎn)中心及其2mm鋼板淬火后板形
二、解決問題的思路與技術(shù)方案
華菱漣鋼與各研發(fā)單位一起，建設(shè)并形成目前全球薄規(guī)格熱處理產(chǎn)品最大的生產(chǎn)基地，并相繼研發(fā)成功世界最高級別超高強度結(jié)構(gòu)鋼板Q1400和Q1500和耐磨鋼板NM700，開發(fā)出自卸車車廂用高止裂性耐磨鋼板、耐熱耐磨鋼板和抗腐蝕磨損耐磨鋼板和系列防彈鋼板等系列新型產(chǎn)品，實現(xiàn)在薄規(guī)格熱處理超高強鋼板生產(chǎn)線技術(shù)、裝備和系列產(chǎn)品引領(lǐng)的目標。
圖3漣鋼高品質(zhì)薄規(guī)格鋼板熱處理產(chǎn)線關(guān)鍵裝備與技術(shù)研發(fā)總體思路
三、主要創(chuàng)新性成果
1、首創(chuàng)薄規(guī)格超高強度鋼板橫切熱處理的生產(chǎn)線，研制出2.0-8.0mm薄規(guī)格鋼板受約束式輥壓淬火裝備和煙氣余熱回收利用熱風循環(huán)高精度回火裝備，開發(fā)出薄規(guī)格鋼板高平直度板形淬火和低溫回火工藝模型，2mm鋼板淬火板形不平度≤2mm/m，150℃回火溫度控制精度±3℃，突破了單張鋼板離線熱處理厚度極限。
項目通過對高溫鋼板表面換熱、內(nèi)部導熱、組織和應(yīng)力變化等核心問題的研究，并基于對射流沖擊換熱機理的新認識，揭示了大寬厚比鋼板淬火過程中冷卻速度、介質(zhì)流量對殘余應(yīng)力、淬硬層深度及組織演變的影響規(guī)律，突破了強化換熱、淬火微觀可控、高低壓連續(xù)冷卻等技術(shù)難題，構(gòu)建了高強度薄規(guī)格鋼板均勻化輥式淬火工藝方法。
開發(fā)出高效薄規(guī)格專用均勻輥式淬火技術(shù)：分析了噴嘴參數(shù)和淬火參數(shù)對冷速和冷卻均勻性的影響規(guī)律，定義了臨界冷卻強度，建立了考慮相變潛熱的三維非穩(wěn)態(tài)溫度場，得出鋼板表面局部換熱系數(shù)計算公式，構(gòu)建了輥式淬火機高低壓連續(xù)淬火技術(shù)理論基礎(chǔ)。提出了薄規(guī)格超高強度熱處理鋼板連續(xù)淬火過程組織均勻化、內(nèi)應(yīng)力一體化的調(diào)控技術(shù)方法，解決了鋼板淬火過程組織均勻性控制和殘余應(yīng)力控制等難題。2mm厚鋼板板面硬度均勻性小于6%，淬火鋼板經(jīng)回火后即可直接作為機加工原料板，冷加工變形后工件回彈小，滿足了機械行業(yè)大型結(jié)構(gòu)件、精密零部件制造加工需求。
連續(xù)輥式淬火工藝方法的提出，建立了完整的薄規(guī)格超高強度熱處理受約束式輥式淬火工藝方法體系，解決了高溫鋼板淬火過程中內(nèi)部組織均勻性和板形高平直度控制的關(guān)鍵共性技術(shù)難題，為新型多功能輥式淬火裝備的開發(fā)提供了技術(shù)指導。
圖4項目團隊新研制的受約束式輥壓式淬火裝備及各部件特點
項目研制成功國際首套極薄鋼板輥壓式淬火裝備和2-12mm鋼板高平直度淬火技術(shù)，2mm鋼板整板淬火不平度≤2mm，國際上首次實現(xiàn)批量淬火生產(chǎn)（圖6）。提出了極薄高強鋼板受約束淬火變形機制和低殘余應(yīng)力淬火方法，發(fā)明多機架高剛度伺服控制輥系、陣列射流水刀、板形智能檢測與自學習等核心系統(tǒng)，開發(fā)成功高轉(zhuǎn)矩大速比傳動控制技術(shù)、液壓多缸同步控制技術(shù)、差速拉伸淬火技術(shù)、非對稱淬火技術(shù)、多機架輥縫優(yōu)化控制技術(shù)、頭尾板形控制技術(shù)等成套極薄鋼板輥壓式淬火技術(shù)，2mm厚鋼板整板淬火不平度≤3mm，鋼板淬火后無頭尾叩/翹、中/邊浪等板形缺陷，為高品質(zhì)超高強鋼板的生產(chǎn)奠定裝備技術(shù)基礎(chǔ)。
圖5極薄高強鋼板輥壓式熱處理線
開發(fā)成功高轉(zhuǎn)矩大速比傳動控制技術(shù)、液壓多缸同步控制技術(shù)、差速拉伸淬火技術(shù)、非對稱淬火技術(shù)、多機架輥縫優(yōu)化控制技術(shù)、頭尾板形控制技術(shù)等成套極薄鋼板輥壓式淬火技術(shù)，2mm厚鋼板整板淬火不平度≤3mm，鋼板淬火后無頭尾叩/翹、中/邊浪等板形缺陷，為高品質(zhì)工程機械用高強鋼板的生產(chǎn)與研發(fā)奠定裝備技術(shù)基礎(chǔ)（圖6）。
圖6極薄高強鋼板高平直度淬火生產(chǎn)
項目研制成功150~750℃超低溫、高精度熱處理回火爐（圖7），回火時溫度均勻性±3℃，低溫均勻性達到國際領(lǐng)先水平。研究并闡明了多源脈沖射流加熱方式下燃燒場-溫度場-流場的交互作用機制，明確了非穩(wěn)態(tài)對流-輻射-傳導耦合傳熱控制機理，提出基于旋流陣列有序控制改善爐溫均勻性的策略，研發(fā)成功基于高強循環(huán)熱風射流高精度加熱和高均勻性傳熱控制技術(shù)。發(fā)明了高強循環(huán)煙氣的脈沖射流加熱技術(shù)和系統(tǒng)，加熱系數(shù)降低約40%，鋼板升溫時間節(jié)省約20%~30%。
圖7項目團隊新研發(fā)的高精度回火爐及150℃回火時的黑匣子測試鋼板不同部位溫度曲線
自主開發(fā)出大型連續(xù)熱處理線工藝控制平臺，建立電氣儀表+控制邏輯+數(shù)學模型+生產(chǎn)管理的分級控制體系，構(gòu)建鋼板位置宏觀/微觀跟蹤、實時通訊、計劃及物料管理、工藝數(shù)據(jù)庫為一體的分布式控制系統(tǒng)，解決了極薄高強鋼板熱處理變量多、強耦合、快響應(yīng)、深度非線性等技術(shù)難題。國內(nèi)首次開發(fā)出鋼板淬火和回火過程中的板形在線檢測-學習系統(tǒng)，具備模型計算/修正、視覺識別、智能判定、在線學習等功能（圖8）。生產(chǎn)實踐表明，介質(zhì)流量、壓力、輥速等主要參數(shù)控制誤差小于1%，板形測量精度≤1mm，滿足了極薄高強鋼板精確復雜的熱處理工藝需求，實現(xiàn)智能化、自動化生產(chǎn)。
圖8板形在線檢測-學習系統(tǒng)及效果
2、創(chuàng)新熱處理鋼板表面缺陷檢測和控制技術(shù)與裝備，研發(fā)出基于5G+AI集成“檢測-判定-集控”一體的全流程表面缺陷檢測裝備和高壓水射流噴丸除鱗技術(shù)的高性能鋼板生態(tài)除鱗技術(shù)與裝備，鋼板缺陷平均檢出率>98%，不涂漆條件下的不生銹天數(shù)由傳統(tǒng)酸洗30天提升至180天，表面銹蝕速率降低6倍，解決了常規(guī)熱處理鋼板表面因氧化鐵皮等缺陷造成涂漆困難和易銹蝕的難題。
熱處理鋼板由于通常需要離線淬火，而淬火過程中需要將鋼板加熱到奧氏體化以上的溫度并保溫一定時間而達到充分的奧氏體化，該加熱過程不可避免的會造成鋼板的表面產(chǎn)生脫碳和氧化，而在后續(xù)淬火冷卻過程中，會形成一定厚度的氧化鐵皮，從而大大的影響鋼板后續(xù)使用過程中的涂漆等行為，也會加速鋼板后續(xù)銹蝕氧化，不利于鋼板后續(xù)運輸和儲存。同時，隨著我國制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級、環(huán)境標準日益嚴苛。項目開始前，市場無專門針對熱處理鋼板表面處理檢測和控制的裝備，急需進行相關(guān)技術(shù)研發(fā)。
項目行業(yè)首創(chuàng)基于5G+AI的多產(chǎn)線集成“檢測-判定-集控”一體的全流程表面缺陷檢測技術(shù)與裝備。融合了5G通信技術(shù)、高精度視覺檢測技術(shù)、先進的質(zhì)量判定算法、高效的數(shù)據(jù)采集技術(shù)、以及云端邊一體技術(shù)等，實現(xiàn)了對熱處理板廠生產(chǎn)的每一塊出廠產(chǎn)品表面質(zhì)量全方位、高效率在線檢測與判定。
研發(fā)出基于深度學習驅(qū)動的多元網(wǎng)絡(luò)融合鋼板表面缺陷檢測技術(shù)，解決單一模型識別過程中的瓶頸問題。構(gòu)建了基于CycleGAN的跨域缺陷數(shù)據(jù)生成模型，通過遷移缺陷至不同鋼種背景，有效解決了訓練樣本集不完備的挑戰(zhàn)。將傳統(tǒng)異常點分析模塊融入檢測網(wǎng)絡(luò)，打造出語義指導下的注意力增強模型，使得模型在缺乏特定類別缺陷樣本的情況下，也能展現(xiàn)出強大的預見性，從而增強檢測的可靠性。設(shè)計半監(jiān)督泛化調(diào)優(yōu)策略，通過多態(tài)樣本輸入與教師網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同作用，有效促進學生網(wǎng)絡(luò)對復雜缺陷特征的深度吸收，強化模型對復雜背景、氧化鐵皮、水漬等多種干擾因素的辨別能力，確保檢測的穩(wěn)定和準確。
圖9基于傳統(tǒng)異常點分析的注意力提升網(wǎng)絡(luò)模型技術(shù)
基于5G邊緣智能的產(chǎn)品質(zhì)量全鏈路協(xié)同優(yōu)化技術(shù)和5G技術(shù)低延時特性，構(gòu)建了熱處理板廠從橫切線、矯直線、熱處理線、SED線等20多條產(chǎn)線、多點協(xié)同的數(shù)據(jù)處理方法，打破了計算的邊界，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的分布式并發(fā)協(xié)作處理，從而優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)和計算的承載能力。依賴雙平臺系統(tǒng)驅(qū)動完成數(shù)據(jù)的多維分析，采用高度模塊化的分層架構(gòu)，加速開發(fā)進程并滿足多樣化的檢測需求；以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)為支撐，深度融合部署于各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的表面檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)了對全工序質(zhì)量狀況的系統(tǒng)性追蹤。建立質(zhì)量預報與成因分析模型，結(jié)合專家知識庫，構(gòu)建因果網(wǎng)絡(luò)，揭示缺陷發(fā)生的深層次原因和路徑，實現(xiàn)根源的快速定位，及時發(fā)現(xiàn)問題并調(diào)整工藝參數(shù)，預防批量缺陷產(chǎn)生。通過優(yōu)化技術(shù)實現(xiàn)了小樣本擴增、多元化模型及半監(jiān)督學習手段，推動檢測指標提升，缺陷的平均檢出率超過98%，極大地保障了缺陷的檢測精度和可靠性。
圖10基于5G的高效數(shù)據(jù)傳輸與負載均衡技術(shù)
3、針對鋼板表面清理問題，研發(fā)了基于高壓水射流噴丸除鱗技術(shù)的高性能鋼板生態(tài)除鱗技術(shù)與裝備。采用“高速微細磨料（0.1-0.2mm鋼丸或鋼砂）的打擊磨削+高壓水楔（壓力達到50MPa）的強力沖蝕”的物理法，可徹底清除鋼板表面氧化鱗皮，并無廢水、廢氣和粉塵產(chǎn)生，對環(huán)境無污染。
通過鋼板生態(tài)除磷裝備技術(shù)的開發(fā)和創(chuàng)新，有效的解決了鋼板表面清理所帶來的環(huán)境污染問題，同時具有良好的表面清理效果，鋼板表面無粉塵，清理效果均勻，表面灰度值可控制在100以內(nèi)，鋼板表面可保持≥180天不生銹。項目的實施，首次實現(xiàn)了低合金高強鋼板材的表面綠色清理，打破了長期以來困擾鋼鐵行業(yè)板材表面清理的環(huán)保困局，有效取代酸洗和拋丸工藝。
目前，世界上超高強度板關(guān)鍵生產(chǎn)技術(shù)及產(chǎn)品市場聲譽最好的企業(yè)分別是瑞典A公司和日本B公司，選擇該兩家企業(yè)進行核心指標對比，具體如表1所示。
由表1可知，本項目在多個方面超過了同行，尤其在超高強鋼板的生產(chǎn)能力、低溫回火精度、鋼材性能及熱處理能力上都具有顯著優(yōu)勢。特別是最薄生產(chǎn)能力、低溫回火精度、市場占有率以及生產(chǎn)能力等方面，本項目不僅在國內(nèi)市場占據(jù)主導地位，在國際上也具備了強大的競爭力。這些優(yōu)勢為滿足高端結(jié)構(gòu)鋼和耐磨鋼市場的需求提供了強有力的技術(shù)保障，并將進一步推動全球鋼鐵產(chǎn)業(yè)的技術(shù)進步和市場拓展。
表1本項目技術(shù)與國內(nèi)外同類技術(shù)對比
注：數(shù)據(jù)來源2023-2024年產(chǎn)品手冊
項目研發(fā)的系列關(guān)鍵裝備生產(chǎn)的高品質(zhì)薄規(guī)格熱處理鋼板相繼應(yīng)用于Caterpillar、KOMATSU、中聯(lián)、三一、徐工、中國重汽、中集等企業(yè)大型工程機械、礦山機械、冶金機械等關(guān)鍵部件制造，如101米全球最長臂架泵車、4500噸履帶起重機SCC98000TM等大國重器；項目產(chǎn)品突破了多個世界之最：熱處理鋼板規(guī)格最薄、級別最高，市場占有率達70%以上，不但滿足了我國高端裝備制造業(yè)對高性能超高強度鋼板制造的急需，還實現(xiàn)了歐美等鋼鐵強國的反向出口，提升了國家自主保障能力和國際影響力，經(jīng)濟和社會效益極其顯著。
信息來源：湖南華菱漣源鋼鐵有限公司
