一、研究的背景與問(wèn)題
薄規(guī)格熱處理鋼板是重大裝備、重點(diǎn)工程和國(guó)防建設(shè)的重要原材料，熱處理是實(shí)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(qiáng)度已從傳統(tǒng)的345～700MPa上升至1000～2500MPa，對(duì)所制造裝備提出了更大的挑戰(zhàn)。同時(shí)，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(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)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(wú)法對(duì)300℃以下進(jìn)行精準(zhǔn)控制和滿足低溫回火高精度控制需求，急需進(jìn)行新的加熱方式來(lái)實(shí)現(xiàn)回火需要。隨著裝備制造的不斷發(fā)展，對(duì)熱處理鋼板的表面質(zhì)量提出的更為嚴(yán)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(xiàng)目實(shí)施前，我國(guó)薄規(guī)格超高強(qiáng)度熱處理鋼板幾乎完全被國(guó)外公司所壟斷，國(guó)內(nèi)鋼企依托寬厚板軋機(jī)和引進(jìn)的德國(guó)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(qiáng)鋼板（部分特殊情況下可以生產(chǎn)8mm規(guī)格），國(guó)內(nèi)大型裝備制造企業(yè)不得不從國(guó)外以昂貴的價(jià)格進(jìn)口該類(lèi)鋼板，以滿足我國(guó)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(xué)研合作，經(jīng)過(guò)多年研發(fā)攻關(guān)，突破了薄規(guī)格熱處理超高強(qiáng)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(cè)和處理裝備及關(guān)鍵控制技術(shù)，研發(fā)成功國(guó)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(cè)-判定-集控”一體的全流程表面缺陷檢測(cè)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(kāi)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(cè)和控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)在全球最?。?mm）、最高級(jí)別（Rm=2500MPa）的工程機(jī)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(guó)際上建設(shè)首條專(zhuān)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(wèn)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(jí)別超高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼板Q1400和Q1500和耐磨鋼板NM700，開(kāi)發(fā)出自卸車(chē)車(chē)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(shí)現(xiàn)在薄規(guī)格熱處理超高強(qiáng)鋼板生產(chǎn)線技術(shù)、裝備和系列產(chǎn)品引領(lǐng)的目標(biāo)。
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?jiǎng)?chuàng)新性成果
1、首創(chuàng)薄規(guī)格超高強(qiáng)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(fēng)循環(huán)高精度回火裝備，開(kāi)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(xiàng)目通過(guò)對(duì)高溫鋼板表面換熱、內(nèi)部導(dǎo)熱、組織和應(yīng)力變化等核心問(wèn)題的研究，并基于對(duì)射流沖擊換熱機(jī)理的新認(rèn)識(shí)，揭示了大寬厚比鋼板淬火過(guò)程中冷卻速度、介質(zhì)流量對(duì)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(qiáng)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(qiáng)度薄規(guī)格鋼板均勻化輥式淬火工藝方法。
開(kāi)發(fā)出高效薄規(guī)格專(zhuān)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(duì)冷速和冷卻均勻性的影響規(guī)律，定義了臨界冷卻強(qiáng)度，建立了考慮相變潛熱的三維非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)，得出鋼板表面局部換熱系數(shù)計(jì)算公式，構(gòu)建了輥式淬火機(jī)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(qiáng)度熱處理鋼板連續(xù)淬火過(guò)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(guò)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(jī)加工原料板，冷加工變形后工件回彈小，滿足了機(jī)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(qiáng)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(guò)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(kāi)發(fā)提供了技術(shù)指導(dǎo)。
圖4項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)新研制的受約束式輥壓式淬火裝備及各部件特點(diǎn)
項(xiàng)目研制成功國(guó)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(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)批量淬火生產(chǎn)（圖6）。提出了極薄高強(qiáng)鋼板受約束淬火變形機(jī)制和低殘余應(yīng)力淬火方法，發(fā)明多機(jī)架高剛度伺服控制輥系、陣列射流水刀、板形智能檢測(cè)與自學(xué)習(xí)等核心系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)成功高轉(zhuǎn)矩大速比傳動(dòng)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(duì)稱(chēng)淬火技術(shù)、多機(jī)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(wú)頭尾叩/翹、中/邊浪等板形缺陷，為高品質(zhì)超高強(qiáng)鋼板的生產(chǎn)奠定裝備技術(shù)基礎(chǔ)。
圖5極薄高強(qiáng)鋼板輥壓式熱處理線
開(kāi)發(fā)成功高轉(zhuǎn)矩大速比傳動(dòng)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(duì)稱(chēng)淬火技術(shù)、多機(jī)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(wú)頭尾叩/翹、中/邊浪等板形缺陷，為高品質(zhì)工程機(jī)械用高強(qiáng)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(qiáng)鋼板高平直度淬火生產(chǎn)
項(xiàng)目研制成功150~750℃超低溫、高精度熱處理回火爐（圖7），回火時(shí)溫度均勻性±3℃，低溫均勻性達(dá)到國(guó)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(chǎng)-溫度場(chǎng)-流場(chǎng)的交互作用機(jī)制，明確了非穩(wěn)態(tài)對(duì)流-輻射-傳導(dǎo)耦合傳熱控制機(jī)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(qiáng)循環(huán)熱風(fēng)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(qiáng)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(shí)間節(jié)省約20%~30%。
圖7項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)新研發(fā)的高精度回火爐及150℃回火時(shí)的黑匣子測(cè)試鋼板不同部位溫度曲線
自主開(kāi)發(fā)出大型連續(xù)熱處理線工藝控制平臺(tái)，建立電氣儀表+控制邏輯+數(shù)學(xué)模型+生產(chǎn)管理的分級(jí)控制體系，構(gòu)建鋼板位置宏觀/微觀跟蹤、實(shí)時(shí)通訊、計(jì)劃及物料管理、工藝數(shù)據(jù)庫(kù)為一體的分布式控制系統(tǒng)，解決了極薄高強(qiáng)鋼板熱處理變量多、強(qiáng)耦合、快響應(yīng)、深度非線性等技術(shù)難題。國(guó)內(nèi)首次開(kāi)發(fā)出鋼板淬火和回火過(guò)程中的板形在線檢測(cè)-學(xué)習(xí)系統(tǒng)，具備模型計(jì)算/修正、視覺(jué)識(shí)別、智能判定、在線學(xué)習(xí)等功能（圖8）。生產(chǎn)實(shí)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(cè)量精度≤1mm，滿足了極薄高強(qiáng)鋼板精確復(fù)雜的熱處理工藝需求，實(shí)現(xiàn)智能化、自動(dòng)化生產(chǎn)。
圖8板形在線檢測(cè)-學(xué)習(xí)系統(tǒng)及效果
2、創(chuàng)新熱處理鋼板表面缺陷檢測(cè)和控制技術(shù)與裝備，研發(fā)出基于5G+AI集成“檢測(cè)-判定-集控”一體的全流程表面缺陷檢測(cè)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(guò)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(shí)間而達(dá)到充分的奧氏體化，該加熱過(guò)程不可避免的會(huì)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(guò)程中，會(huì)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(guò)程中的涂漆等行為，也會(huì)加速鋼板后續(xù)銹蝕氧化，不利于鋼板后續(xù)運(yùn)輸和儲(chǔ)存。同時(shí)，隨著我國(guó)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)、環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)日益嚴(yán)苛。項(xiàng)目開(kāi)始前，市場(chǎng)無(wú)專(zhuān)門(mén)針對(duì)熱處理鋼板表面處理檢測(cè)和控制的裝備，急需進(jìn)行相關(guān)技術(shù)研發(fā)。
項(xiàng)目行業(yè)首創(chuàng)基于5G+AI的多產(chǎn)線集成“檢測(cè)-判定-集控”一體的全流程表面缺陷檢測(cè)技術(shù)與裝備。融合了5G通信技術(shù)、高精度視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)、先進(jìn)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(shí)現(xiàn)了對(duì)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(cè)與判定。
研發(fā)出基于深度學(xué)習(xí)驅(qū)動(dòng)的多元網(wǎng)絡(luò)融合鋼板表面缺陷檢測(cè)技術(shù)，解決單一模型識(shí)別過(guò)程中的瓶頸問(wèn)題。構(gòu)建了基于CycleGAN的跨域缺陷數(shù)據(jù)生成模型，通過(guò)遷移缺陷至不同鋼種背景，有效解決了訓(xùn)練樣本集不完備的挑戰(zhàn)。將傳統(tǒng)異常點(diǎn)分析模塊融入檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)，打造出語(yǔ)義指導(dǎo)下的注意力增強(qiáng)模型，使得模型在缺乏特定類(lèi)別缺陷樣本的情況下，也能展現(xiàn)出強(qiáng)大的預(yù)見(jiàn)性，從而增強(qiáng)檢測(cè)的可靠性。設(shè)計(jì)半監(jiān)督泛化調(diào)優(yōu)策略，通過(guò)多態(tài)樣本輸入與教師網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同作用，有效促進(jìn)學(xué)生網(wǎng)絡(luò)對(duì)復(fù)雜缺陷特征的深度吸收，強(qiáng)化模型對(duì)復(fù)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(cè)的穩(wěn)定和準(zhǔn)確。
圖9基于傳統(tǒng)異常點(diǎn)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(shí)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(diǎn)協(xié)同的數(shù)據(jù)處理方法，打破了計(jì)算的邊界，實(shí)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(jì)算的承載能力。依賴雙平臺(tái)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)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(kāi)發(fā)進(jìn)程并滿足多樣化的檢測(cè)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(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)全工序質(zhì)量狀況的系統(tǒng)性追蹤。建立質(zhì)量預(yù)報(bào)與成因分析模型，結(jié)合專(zhuān)家知識(shí)庫(kù)，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(shí)現(xiàn)根源的快速定位，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并調(diào)整工藝參數(shù)，預(yù)防批量缺陷產(chǎn)生。通過(guò)優(yōu)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)了小樣本擴(kuò)增、多元化模型及半監(jiān)督學(xué)習(xí)手段，推動(dòng)檢測(cè)指標(biāo)提升，缺陷的平均檢出率超過(guò)98%，極大地保障了缺陷的檢測(cè)精度和可靠性。
圖10基于5G的高效數(shù)據(jù)傳輸與負(fù)載均衡技術(shù)
3、針對(duì)鋼板表面清理問(wèn)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(xì)磨料（0.1-0.2mm鋼丸或鋼砂）的打擊磨削+高壓水楔（壓力達(dá)到50MPa）的強(qiáng)力沖蝕”的物理法，可徹底清除鋼板表面氧化鱗皮，并無(wú)廢水、廢氣和粉塵產(chǎn)生，對(duì)環(huán)境無(wú)污染。
通過(guò)鋼板生態(tài)除磷裝備技術(shù)的開(kāi)發(fā)和創(chuàng)新，有效的解決了鋼板表面清理所帶來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題，同時(shí)具有良好的表面清理效果，鋼板表面無(wú)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(xiàng)目的實(shí)施，首次實(shí)現(xiàn)了低合金高強(qiáng)鋼板材的表面綠色清理，打破了長(zhǎng)期以來(lái)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(qiáng)度板關(guān)鍵生產(chǎn)技術(shù)及產(chǎn)品市場(chǎng)聲譽(yù)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(jìn)行核心指標(biāo)對(duì)比，具體如表1所示。
由表1可知，本項(xiàng)目在多個(gè)方面超過(guò)了同行，尤其在超高強(qiáng)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(shì)。特別是最薄生產(chǎn)能力、低溫回火精度、市場(chǎng)占有率以及生產(chǎn)能力等方面，本項(xiàng)目不僅在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)占據(jù)主導(dǎo)地位，在國(guó)際上也具備了強(qiáng)大的競(jìng)爭(zhēng)力。這些優(yōu)勢(shì)為滿足高端結(jié)構(gòu)鋼和耐磨鋼市場(chǎng)的需求提供了強(qiáng)有力的技術(shù)保障，并將進(jìn)一步推動(dòng)全球鋼鐵產(chǎn)業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和市場(chǎng)拓展。
表1本項(xiàng)目技術(shù)與國(guó)內(nèi)外同類(lèi)技術(shù)對(duì)比
注：數(shù)據(jù)來(lái)源2023-2024年產(chǎn)品手冊(cè)
項(xiàng)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(guó)重汽、中集等企業(yè)大型工程機(jī)械、礦山機(jī)械、冶金機(jī)械等關(guān)鍵部件制造，如101米全球最長(zhǎng)臂架泵車(chē)、4500噸履帶起重機(jī)SCC98000TM等大國(guó)重器；項(xiàng)目產(chǎn)品突破了多個(gè)世界之最：熱處理鋼板規(guī)格最薄、級(jí)別最高，市場(chǎng)占有率達(dá)70%以上，不但滿足了我國(guó)高端裝備制造業(yè)對(duì)高性能超高強(qiáng)度鋼板制造的急需，還實(shí)現(xiàn)了歐美等鋼鐵強(qiáng)國(guó)的反向出口，提升了國(guó)家自主保障能力和國(guó)際影響力，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益極其顯著。
信息來(lái)源：湖南華菱漣源鋼鐵有限公司
