轿车作为家庭的高端消费品，鉴于对轿车外观日益严苛的要求，汽车外板成为表面质量要求最高的钢铁产品。在汽车外板的炼钢连铸、热轧、冷轧和热镀锌等各生产工序中都可能产生表面缺陷，其中炼钢连铸工序中产生的表面缺陷（炼钢缺陷）占比达到 70%左，由于其产生机理复杂，又与其他缺陷相互交织，造成其判定、识别和改进非常困难。因此汽车外板表面炼钢缺陷控制近年来成为各大钢铁公司炼钢连铸技术领域最重要的研发课题。 上海大学联合宝钢、首钢京唐、首钢迁钢、鞍钢等数家在汽车外板制造技术国内领先的钢铁公司，2010 以来围绕该技术持续研究，取得显著成效。

针对国内微合金化钢生产中存在的板带材表面质量缺陷，以及生产过程能耗高、成材率低、生产效率低的实际情况，钢铁研究总院在2015年9月首先与邯郸钢铁集团有限公司签订技术合作合同，共同开展宽厚板边直裂控制技术和微合金化钢红送裂纹控制技术的研究工作，并取得初步成效。 在此基础上，2017年7月由首钢集团有限公司联合邯郸钢铁集团有限公司、鞍钢股份有限公司、山西太钢不锈钢股份有限公司、新冶高科技集团公司等在微合金化钢生产中具有丰富实践经验和研究基础的单位，共同承担“十三五”国家重点研发计划中“钢铁流程铸-轧界面物质流与能量流协同优化及智能控制技术”课题的研究任务。以期在微合金化钢板带材生产关键技术方面取得突破，首先在国内建成集连铸坯表面无缺陷生产技术、边直裂控制技术、红送裂纹控制技术等为一体的大板坯连铸-轧钢界面高效化、绿色化关键技术集成应用示范生产线，并向钢铁企业进行工程化推广，使连铸坯真正成为物质流、能量流、信息流的载体，被直接输送到下一步轧制工序，彻底打通和捋顺铸-轧界面，为下工序高效率、绿色化、高质量生产奠定坚实的基础。

项目提出了基于多元素耦合提高易切削性能的技术思想，采用一种可入药的环保元素替代铅元素作为辅助切削助剂的无铅成分设计思路，解决传统圆珠笔头用不锈钢不环保的问题，先期采用中间实验室，小型试验轧机等加工设备进行初步摸索基本数据。进行基础工作的研究，找准各项关键的冶炼、轧制指标水平，为规模化生产线提供重要依据。 在研究结果推向工业化生产过程中，创新的采用纯净铁水、纯净合金为原料，避免采用废钢原料和常规低品位合金冶炼可能带入外来有害物质造成的质量负面影响，该技术方案确保了成分的环保性。纯净原料经过千吨级产能的大容量转炉吹炼，再经过特殊的精炼手段获得需要的钢水，浇铸成坯，冶炼工艺示意图如图3所示。坯料再经过多重表面处理和多重冷热加工确保高表面质量和优异的组织性能，获得高质量的圆珠笔头用不锈钢产品。

随着中国汽车行业的快速发展，对高表面质量汽车钢板的需求量日益增加，高表面质量汽车板钢质缺陷控制能力代表了钢铁公司炼钢连铸制造能力和质量控制水平。立项前2013年宝钢高表面质量汽车板钢质缺陷率对标国际先进钢企存在很大差距，为了提高连铸工序稳定制造和品质保证综合技术能力，迫切需要从缺陷机理、关键工艺、关键装备、关键辅材等方面开展了系统研究，提升汽车板产品的的核心竞争力。

我国22.5×9.0型钢制商用车车轮最轻37kg，用钢强度最高590MPa，车轮进一步轻量化缺乏钢材设计、制备和应用的成套技术，具体体现在： 图1 商用车车轮结构与焊接位置 1、材料设计：传统HSLA钢和双相钢不满足车轮的制造或疲劳性能要求。① 采用650 MPa及以上级别HSLA钢制作车轮，存在车轮制造回弹大、成形开裂率高、焊接软化等问题；② 传统的650 MPa及以上铁贝或铁马双相钢强塑性好，但焊接易软化，焊后成形开裂率高达20%以上，疲劳寿命不足国标60%。 2、材料制备：在高强车轮钢制备上，卷取温度控制、表面质量和生产效率等方面存在以下问题：①650 MPa及以上车轮轮辋用钢因卷取温度命中率偏低，力学性能波动较大，影响车轮制造使用和疲劳寿命的稳定性；②650 MPa及以上高强轮辐用钢精轧轧制速度慢、氧化铁皮厚，易导致轮辐表面压痕和麻坑缺陷；③在热连轧产线整体高效化的背景下，厚规格车轮钢生产效率不足产线平均效率的70%，严重制约热连轧产线效率提升。 3、材料应用：高强车轮钢制造及服役过程中存在以下问题：①随着轮辋厚度减薄，焊接工艺窗口变窄，焊接参数不匹配使轮辋焊缝区域制造开裂率高且不稳定；②轮辋与轮辐组合焊处应力集中，热影响区软化严重，造成约40%的疲劳开裂发生在此位置；③台架疲劳寿命与路试疲劳寿命差异较大，前者无法完全复现车轮在实际路况下承受的复杂载荷，车轮设计阶段安全评估能力不足，造成新产品研发周期长达1年以上。 为此，开发650-800 MPa级车轮钢高效化制备及应用关键技术，对解决商用车车轮轻量化的材料设计、制备和应用瓶颈问题，促进我国钢轮制造行业进步和节能减排具有重要意义。

随着国民经济发展和产业结构升级，高铝钢及微合金钢等高端钢铁材料广泛应用于汽车、能源电力、海洋工程、船舶等重点领域，高效连铸生产的技术质量问题日益凸显。如汽车用DP、TRIP钢因钢中Al含量高达1.0%以上，不仅难以实现多炉连浇，而且连铸板坯存在横向凹陷、裂纹、断坯等问题；高等级桥梁钢、高强钢、能源钢、管线钢等因添加Nb、V、Ti等微合金元素，热装铸坯轧后钢板表面容易出现裂纹。这些难题不仅影响生产效率，还会造成资源和能源浪费。此外，随着用户的个性化需求增多，微合金钢品种、规格、连铸短浇次增多，微合金钢连铸漏钢风险增大，直接影响高效连铸过程的稳定性。相对于普通钢材，高铝钢和微合金钢元素多且含量高，质量控制难度大、工艺复杂。原有的高效稳定工艺技术，已无法适应高铝钢和微合金钢生产需求，具体体现在： 1、高铝钢保护渣易反应变性，粘结报警频繁，连铸可浇性差，板坯表面裂纹多，必须下线清理。针对高铝钢板坯连铸，韩国浦项制铁开发了液态保护渣技术，将钙铝系保护渣加热熔化后流入结晶器，控制渣圈达到改善板坯表面质量的目的；国内也有企业直接采用低碱度、低熔点钙硅系保护渣或者直接采用钙铝系保护渣的成功先例。这些技术极大促进了高铝高锰钢的开发与应用，但均未实现常规拉速的多炉连浇。 2、Nb、V、Ti微合金桥梁钢、高强钢、能源钢、管线钢等高等级钢实现高温热装（两相区）难度大，钢板易产生红送裂纹。针对高等级微合金高强钢板的热装红送裂纹，国内外普遍采用板坯下线控温、专用淬火池及铸坯切割后淬火等方式，铸坯热量损失大，生产效率低，表层组织细化和抑制第二相粒子析出的效果不充分。 3、多品种、小批量、多规格的高品质钢连铸短浇次多、混浇坯长。混浇钢种成分差异大，混浇模型判定不准确，不得不下线取样化验，降低入炉效率；多断面板坯连铸，为避免漏钢结晶器在线调宽必须低拉速或者降拉速，降低了生产效率。 首钢与北京科技大学长期开展合作，进行高铝钢及微合金钢板坯连铸关键技术攻关。经过长期连铸工业实践和系统攻关，发现并揭示了高铝钢粘结报警及横向凹陷机理。从工艺上对结晶器振动、保护渣性能以及结晶器表面流动进行了优化，实现300吨钢包产线实现高铝钢（[%Al]≥1.0）单浇次稳定浇铸1500吨以上。连铸拉速从0.8 m/min提高至1.2 m/min。

本项目属金属材料技术领域，来源于河钢集团自主研发项目，包括彩涂钢板、冷基锌铝镁镀层钢板及热基无锌花超厚镀层钢板产品的研究开发与制造技术及产业化应用。该系列产品因具有良好的耐腐蚀性和绿色、低碳与环保的共性，与传统热轧或冷轧裸板相比，存在着国外专利壁垒、涂镀层附着力、基板表面海绵体结构形成、耐腐蚀性能机理等深入研究和亟需解决的难题，针对存在的难题采取实验室研究与工业化生产制造及推广应用相结合的路线与措施开展了研究与开发工作，取得了以下重大科技创新： 1. 系统研究了家用电器用彩涂钢板与薄膜复合匹配技术，形成了一整套彩涂覆膜家电用产品稳定生产体系。采用钢板清洁度控制技术、无铬钝化技术、UV涂层附着力失效模拟检测方法以及彩板弯曲起棱失效预判控制方法，探寻出了附着力评价时间的工业化临界值，解决了覆膜钢板加工过程层间附着力失效、UV涂层脱落及弯曲起楞的行业技术难题。 2. 攻克了家用电器钢板凹版印制技术，通过防腐性提升技术、鲜映性提升技术、微晶触感实现技术及抗菌功能研发，实现了印刷彩板在外观（高鲜映性）、功能（高防腐性、抗菌功能）及触觉体验（微晶触感）等全方位的技术升级。同时攻克了钢板数码喷绘技术，实现了高颜值和立体纹理兼具的高端定制化彩板方案在家电行业的首发。 3.首创具有自主知识产权的低铝系稀土锌铝镁产品成分设计生产控制技术。将0.02~ 0.05%稀土创新性地添加到低铝系锌铝镁产品中，增加了镀液的流动性，细化镀层结晶组织，增加产品的耐蚀性，解决了稀土元素镀液成分均匀性分布难点，形成一整套厚镀层低铝系稀土锌铝镁高表面生产控制技术，连续5次国内首发极限厚镀层310g/m2、350g/m2、430g/m2、450g/m2和0.30~0.35mm薄规格180 g/m2产品。 4. 开发了热基无锌花超厚镀层产品生产控制技术。从成分设计、酸洗表面质量提升、基板粗糙度均匀化、海绵体形成以及锌液成分、气刀参数、张力匹配等方面进行研究，实现了600-900g/m2双面无锌花超厚镀层，解决了无锌花超厚锌层的附着性能差、边厚浪形、斜疤、斜纹等技术难题，900g/m2超厚锌层产品填补了国内空白。

我国高铁装备制造用钢铁材料研发与应用，相比日、德、法等发达国家起步较晚，仍处于消化、吸收及再创新的过程中，迄今仍存在材料基础研究不足、产品性能及质量稳定性低等问题，成熟的国产化材料体系还未形成，中高速动车制动系统、牵引系统核心部件用钢铁材料绝大部分依赖进口。技术方面主要存在的问题包括： 1、高铁冷成形弹簧钢要求材料具有高强度、高韧性、高疲劳、超纯净，尤其对耐疲劳性能提出了更高要求，传统的弹簧钢能够满足热成形要求，却难以满足冷成形后的各项性能要求； 2、制动盘作为高铁摩擦制动系统的关键部件，服役条件极其苛刻，国内缺少高铁制动盘用钢的产品，高铁制动盘用钢的高强韧性、耐高温、耐磨、抗疲劳、抗氧化性和良好的环境适应性等综合性能需要系统研究； 3、高铁用高温渗碳齿轮钢与国外存在明显差距，随着渗碳温度的提高，奥氏体晶粒易发生长大，对强韧性、热处理变形、抗疲劳性能等产生不利影响； 4、高铁用钢合金体系复杂，含有Cr、Ni、Cu、Al、V、N、Nb等多种元素，钢种裂纹敏感性高，连铸过程中极易产生内外部质量问题； 5、高铁用钢铁材料性能的均一性要求高，成分均质性、碳极差等需要系统提升。 南钢积极践行《中国制造2025》、《钢铁工业调整升级规划》、《中长期铁路网规划》、《增强制造业核心竞争力三年行动计划》等国家相关产业政策导向，于2018年获得国家工信部工业强基 “轨道交通装备用高性能齿轮渗碳钢”项目支持，2019年获得国家发改委增强制造业核心竞争力专项“先进轨道交通装备材料高铁刹车盘用钢”支持，2021年进入江苏省轨道交通装备产业链强链项目。南钢成立产学研用团队，联合北京科技大学、中盛铁路车辆配件有限公司、中车戚墅堰所等高校院所及上下游企业，全产业链协同攻关，结合自身装备和技术优势，陆续开展纯净钢冶炼及夹杂物塑性化控制、钢的成分均质化控制、裂纹敏感钢种铸坯表面质量控制、渗碳奥氏体晶粒度控制等技术研究，明确了轨道交通用钢开发的具体目标和实施方案，形成了具有自主知识产权的轨道交通用钢生产控制技术，相继完成了高铁弹簧用钢、制动盘用钢、轨道交通齿轮钢等产品开发及产业化应用，填补了国内空白，解决了“卡脖子”材料问题。

我国高铁装备制造用钢铁材料研发与应用，相比日、德、法等发达国家起步较晚，仍处于消化、吸收及再创新的过程中，迄今仍存在材料基础研究不足、产品性能及质量稳定性低等问题，成熟的国产化材料体系还未形成，中高速动车制动系统、牵引系统核心部件用钢铁材料绝大部分依赖进口。技术方面主要存在的问题包括： 1、高铁冷成形弹簧钢要求材料具有高强度、高韧性、高疲劳、超纯净，尤其对耐疲劳性能提出了更高要求，传统的弹簧钢能够满足热成形要求，却难以满足冷成形后的各项性能要求； 2、制动盘作为高铁摩擦制动系统的关键部件，服役条件极其苛刻，国内缺少高铁制动盘用钢的产品，高铁制动盘用钢的高强韧性、耐高温、耐磨、抗疲劳、抗氧化性和良好的环境适应性等综合性能需要系统研究； 3、高铁用高温渗碳齿轮钢与国外存在明显差距，随着渗碳温度的提高，奥氏体晶粒易发生长大，对强韧性、热处理变形、抗疲劳性能等产生不利影响； 4、高铁用钢合金体系复杂，含有Cr、Ni、Cu、Al、V、N、Nb等多种元素，钢种裂纹敏感性高，连铸过程中极易产生内外部质量问题； 5、高铁用钢铁材料性能的均一性要求高，成分均质性、碳极差等需要系统提升。 南钢积极践行《中国制造2025》、《钢铁工业调整升级规划》、《中长期铁路网规划》、《增强制造业核心竞争力三年行动计划》等国家相关产业政策导向，于2018年获得国家工信部工业强基 “轨道交通装备用高性能齿轮渗碳钢”项目支持，2019年获得国家发改委增强制造业核心竞争力专项“先进轨道交通装备材料高铁刹车盘用钢”支持，2021年进入江苏省轨道交通装备产业链强链项目。南钢成立产学研用团队，联合北京科技大学、中盛铁路车辆配件有限公司、中车戚墅堰所等高校院所及上下游企业，全产业链协同攻关，结合自身装备和技术优势，陆续开展纯净钢冶炼及夹杂物塑性化控制、钢的成分均质化控制、裂纹敏感钢种铸坯表面质量控制、渗碳奥氏体晶粒度控制等技术研究，明确了轨道交通用钢开发的具体目标和实施方案，形成了具有自主知识产权的轨道交通用钢生产控制技术，相继完成了高铁弹簧用钢、制动盘用钢、轨道交通齿轮钢等产品开发及产业化应用，填补了国内空白，解决了“卡脖子”材料问题。

目前氢脆以及氢损伤的科学机制已经比较明晰，但工程除氢手段仍然局限于原材料把控、钢液真空脱气及堆垛缓冷等工艺，这样的工艺方法可一定程度上去除可扩散氢。然而，在高强钢服役过程中还会有氢进入，最终导致严重的危害，因此氢脆的本质问题始终没有得到彻底解决，特别是对于重大装备用高强钢尤其重要。如何从钢铁材料的设计与制备这一根本问题上解决高强钢的氢脆与氢损伤的瓶颈问题，构造深氢陷阱具有重大的科学意义和工程价值。发展新方法、新理念，探索开发既能提高强度、又能提升抗氢脆性能的高强钢，对资源、能源的开发利用及国防安全具有重要的工程意义，对发展和完善抗氢脆研究具有重要的理论价值。 北京科技大学庞晓露教授团队针对高强钢面临的氢脆难题，通过氢陷阱的表征、钢中组织观察与解析，系统地表征了高强钢中浅氢陷阱、深氢陷阱参数，得出为了提升抗氢脆性能，应设计制备高密度的晶内深氢陷阱，将氢均匀弥散地分布在晶粒内。结合高分辨透射电镜原子级观察、第一性原理计算模拟及氢脱附实验等方法，全面、系统、深入地研究了纳米析出相深氢陷阱的物理本质，揭示了纳米析出相半共格界面处的失配位错是深氢陷阱的根源，并通过纳米析出相深氢陷阱的设计抑制了高强钢的氢脆。结合设计多元微量合金成分及含量，采用局域微量供给的方法获得具有优异抗氢脆性能的多元复合纳米相强化钢，为开发高强韧抗氢脆钢提供有效、可行的科学理念和技术路线。本项目所开发的高强韧抗氢脆车轮钢、弹簧钢、海洋装备用钢系列产品，品种多、规格全、表面质量好，由于其优良的综合性能，创造巨大企业效益的同时也创造了显著的社会效益。