钢材热轧过程氧化行为控制

一、研究的背景与问题

我国连续多年钢材产量近10亿吨/年，作为用量最大的金属材料，钢铁一直以来都是海洋、交通、能源等行业的支柱性原材料。随着制造业的转型升级，对钢铁材料的表面质量也提出了“问题零容忍”的要求，甚至达成了“表面质量不达标，性能再好也不用”的行业共识，表面质量成为力学性能、尺寸精度外另一衡量钢铁产品质量的核心指标。约95%的钢材需经热轧流程，高温氧化过程不可避免，热轧氧化对表面质量的影响至关重要。据现场统计，70%以上表面缺陷因热轧氧化引起。如果热轧氧化行为控制不当，会导致氧化皮过厚、晶界氧化、界面弯曲等问题，不仅造成钢材表面氧化皮起粉、花斑、色差等严重的表面缺陷，而且严重破坏了钢材的动态承载能力及使用寿命等服役性能，已成为制约我国钢材满足高端制造的一个瓶颈问题。

钢材的氧化在热轧过程贯穿始终，由于热轧流程长，影响氧化因素多且相互耦合。而对于“轧制+气氛+温度”强耦合氧化理论，国际未见报道，由此造成氧化界面演变及氧化皮相组成控制技术开发方向不明确。同时，考虑到热轧氧化过程无法在线检测，属于典型黑箱过程，仅凭工程师经验控制势必试错量大、稳定性差。因此，实现热轧氧化精准、稳定控制是一项世界性难题。综上所述，构建多因素耦合的热轧氧化控制理论，形成具有我国有自主知识产权的热轧氧化控制成套技术，实现热轧氧化调控由经验试错向数字化、智能化控制的转变，是全面提升钢材表面质量，促进钢铁工业高质量的必由之路。

二、解决问题的技术思路与方案

项目针对多因素耦合的热轧氧化理论进行系统研究，围绕热轧过程氧化皮与基体界面平直度控制、氧化皮厚度和结构演变进程精准控制等核心问题展开系统研究工作。具体技术路线包括：设计和开发多因素耦合的氧化实验装置和方法，明确“变形+气氛+温度”多因素耦合状态下，热轧氧化动力学，氧化皮与基体变形协调性规律及热轧环境下FeO相变行为，突破热轧过程钢材氧化行为多因素影响理论。针对生产实际生产中的典型的氧化遗传类和氧化皮结构类两大缺陷，明确氧化缺陷产生-演变-遗传的规律和氧化皮结构调整方向，形成热轧全流程多工序的协调控制技术。在此基础上，从实际热轧生产工况出发，建立热轧过程氧化皮厚度、结构演变模型；基于大数据驱动，将机器学习和智能优化理论应用于模型参数的动态优化，实现高精度模型开发，并构建热轧氧化智能控制系统，根据用户对钢材表面状态需求对热轧工艺进行优化设计，实现热轧氧化行为控制的智能调优。

图1 钢材热轧氧化行为控制研发路线

三、主要创新性成果

1、喷淋裂化除鳞装备与工艺

在热轧过程中，加热工序作为氧化缺陷产生的源点，除鳞不净，残余氧化皮遗传造成缺陷。有效清除前工序形成的氧化皮是保证钢板具有良好表面质量的前提。传统方法倾向于提高除鳞压力或增加除鳞道次，但受设备能力与生产稳定性限制而难以实施。本技术通过研究FeO相的韧-脆转变行为，以此为理论指导开发“喷淋裂化”除鳞技术与装备，即：对钢板进行喷淋冷却，氧化皮因快速降温而由塑性材料转变为脆性材料并产生热应力裂纹，然后常规高压水去除已经脆化并裂化的氧化皮。本技术已成功应用于FTSR短流程产线、中厚板等生产线， FTSR热轧薄规格产品表面缺陷发生率由约90%降至2%以下，实现了短流程生产热轧薄规格产品向高端家电及汽车结构件的批量供货。 

图2 喷淋裂化装置开发与应用

2、热轧流程氧化界面控制技术

氧化皮/钢基体界面弯曲度过大是造成钢板去除氧化皮后表面出现色差、麻坑等缺陷的根本原因。通过系统研究钢材热轧过程氧化皮协调变形机制，以此为基础，建立了界面弯曲度与工艺参数的定量关系，开发出热轧钢材氧化皮界面平直度控制技术，使氧化皮界面弯曲度较常规工艺降低25%以上，有效消除了高强及超高强船板钢的表面色差，满足了我国重大海洋工程对表面质量的严苛要求；工程机械用钢的表面质量超过日标要求，成为日本高端工程机械制造企业的专供产品。此外，通过系统研究氧化皮相组成与界面结构对酸洗效率的影响关系，开发出易酸洗氧化皮控制工艺，氧化皮厚度由约12μm降低至5-8μm，Fe2O3含量由原始的20%降低至2%以下，使酸洗效率提高20％以上，吨钢用酸量下降15％以上，酸洗后表面质量明显提高。高强酸洗板表面缺陷率由项目实施前的2.7%降低至0.6%以下，满足了宝马等汽车企业及海尔等家电企业的严格要求，完全替代了国外同类产品。

（a）AH36高强船板；b） Q550D工程机械用钢 

（c） 易酸洗钢

图3 热轧过程氧化界面控制技术应用效果

3、热轧流程氧化相组成控制技术

氧化皮结构控制的关键在于准确控制FeO的相变进程。热轧过程中钢材暴露在水蒸气含量为2%-5%的潮湿空气中，这种条件下形成的FeO相变行为及机制还未见报道。通过系统研究水蒸气对FeO共析相变行为的影响，明确潮湿空气对FeO共析相变及对氧化动力学的影响机制，在此基础上，开发出适用于热轧环境的FeO相变动力学精准控制技术。生产出400-800MPa级免酸洗钢，冷加工氧化皮掉粉量由100mg/dm²降至3mg/dm²；生产出氧化皮耐蚀钢，耐大气腐蚀能力提升一倍以上；生产出环保型免酸洗高速线材产品，经机械弯曲剥壳后表面无氧化铁皮残留，氧化损耗量已降低40%，为下游绿色制造提供原材料保障。

（a）高强免酸洗钢；（b）高耐蚀性氧化皮控制 

（c）环保型免酸洗线材

图4 氧化皮不同功效的系列钢材产品开发

4、热轧氧化行为高精度模型与智能控制

高表面质量需要精准稳定控制热轧氧化，高精度模型必不可少，但在实际生产中钢材表面温度变化复杂，环境及除鳞效率等因素对氧化行为的影响难以定量描述，且无法在线检测，属于典型黑箱过程，仅凭经验控制势必试错量大、稳定性差。因此，亟待开发高精度模型，但国际尚无成功先例。为此，项目组通过大量实验研究和生产数据积累，构建典型热轧钢材的氧化行为基础数据库；开发热轧全程氧化皮厚度演变的数值计算方法并建立起FeO的连续冷却相变模型。在此基础上，结合工业大数据，通过机器学习对模型参数进行优化和自学习，实现了高精度的热轧过程氧化行为动态软测量，解决了热轧过程钢材氧化的动态跟踪与控制难题。

优化热轧钢材表面氧化状态的常规方法是通过反复试错或凭工程师经验调整工艺窗口，费事费力且稳定性难以保证。为此，以热轧氧化行为高精度数学模型为基础，开发出氧化行为与力学性能的综合智能优化算法。结合用户使用需求，通过智能寻优得到包括最优氧化皮的全局最佳工艺窗口，同时确保产品力学性能满足要求，实现热轧氧化调控由经验试错向数字化、智能化控制的转型。应用于热轧生产线，实现了系列钢种氧化皮厚度减薄15%以上的标准化控制；应用于免酸洗最优氧化皮控制工艺开发，现场一次性调试成功并批量供货。

（a）热轧氧化行为预测系统（b）氧化皮厚度减薄控制 （c）免酸洗钢生产

图5 热轧氧化行为智能控制与应用

四、推广应用

项目经十余年研发，通过对钢材热轧过程中氧化行为及机理的系统研究，构建起多因素耦合的热轧理论并开发出具有完全自主知识产权的成套控制技术。项目技术已经应用于鞍钢、河钢、太钢、宝武、马钢、涟钢等19家钢铁企业，包括热连轧、中薄板坯连铸连轧、薄板坯连铸连轧、中厚板、高速线材等45条产线，品种覆盖碳锰钢、低碳钢及低合金高强钢等钢种，并推广至高碳钢、无取向硅钢及低温用钢等。薄板坯连铸连轧表面质量控制技术成功输出至韩国浦项制铁，为无头轧制CEM产线实现了热轧板的氧化皮厚度和结构均匀性控制。钢材氧化行为智能控制系统成功应用于韩国现代制铁2#热连轧生产线，实现了氧化行为的动态跟踪与最优控制。作为热轧领域的共性技术，可推广至不同热轧产线，每年可覆盖产能5亿吨以上，具有良好推广应用前景。

（a）浦项制铁短流程产线氧化皮均匀性控制；（b）韩国现代制铁热轧氧化智能控制系统

图6 项目技术国际应用案例