近年来，江南造船、沪东中华等我国造船企业承接了大量超大型集装箱船订单，对90 mm厚度以上止裂钢板有大量的需求。最近的2021年，中国船舶集团先后成功揽入法国达飞、瑞士地中海、加拿大塞斯潘等国际班轮巨头的批量集装箱船订单，特别是与法国达飞签订了22艘箱船订单，总价超150亿元，刷新国内最大单笔船舶订单纪录]。沪东中华和江南造船共交付10艘超大型集装箱船，实现全球首创最大最先进23000TEU液化天然气（LNG）双燃料动力集装箱船项目的完美收官，进一步巩固了中国船舶集团在全球超大型集装箱船市场的领先地位[6]。但是国内钢铁行业在大厚度高止裂韧度钢板生产方面的不足，制约了止裂钢产品的供货，打压了当前国内超大型集装箱船建造迅猛发展的势头。 大厚度、高强度、止裂韧性优异的船舶用止裂钢是超大型集装箱船的安全保障。在生产方面难度极大： 1）采用连铸坯生产特厚钢板存在轧制压缩比不足的制约； 2）轧制变形渗透和轧后冷却在钢板厚度方向存在不均匀现象； 3）较低终轧温度极大考验着厚板轧机的轧制力和扭矩极限。 此外，全厚度钢板断裂时，尺寸效应放大了断裂过程的复杂性，钢板止裂韧性与低温冲击、裂纹尖端张开位移（CTOD）及无塑性转变温度（NDTT）等常规断裂测试结果均没有可靠规律。钢板止裂韧性评价成本高、周期长，进一步增加了特厚止裂钢板的生产难度。

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。

众所周知，轴承材料中滚动体的技术难度大于套圈，钢球的难度又大于滚子和滚针，而大载荷轴承钢球与其它用途轴承钢球相比具有以下技术难点：①更大载荷：压碎负荷2500kN以上，工作应力1250kN以上，因此对于疲劳失效更加敏感；②更大规格：大载荷钢球规格高达Φ89mm(对应棒材规格为Φ60mm)，钢材组织均匀性控制难度大；③更恶劣服役环境：风电轴承全寿命周期免维护，服役于低温、腐蚀等恶劣环境，要求钢材P含量≤0.010%。 基于以上特点，大载荷轴承钢球要求钢中夹杂物数量少且尺寸小、碳化物细小均匀、P等有害元含量低，目前国内外只能采用模铸工艺生产，但这一工艺存在能耗排放高、生产效率低、制造成本高等问题。因此，开发绿色高效化炼钢-连铸工艺生产大载荷轴承钢球用钢成为行业的追求目标，如能成功攻克可填补国际国内空白，仅金属收得率从模铸的约83%提升至连铸的96%以上。 尽管随着冶金行业的技术不断进步，轴承钢的磷含量、钢水纯净度已不再成为轴承钢质量提升的限制性环节，部分特钢企业也能够采用连铸工艺生产小规格(Φ30mm以下)轴承钢球用钢，但是，如何在高效化转炉(供氧强度达到5.0Nm3/min/t)、快节奏精炼模式下快速将钢水P含量控制到0.010%以内、钢材总氧控制到5ppm以内，同时采用连铸工艺即可稳定生产出大规格长寿命轴承钢球用钢，目前很少有这方面的研究报道。因此，江苏中天钢铁集团特钢公司针对绿色高效化炼钢-连铸工艺生产大载荷轴承钢球用钢，本项目需要解决转炉高效率低磷含量控制、快节奏精炼钢水纯净度控制以及低中心偏析和高组织均匀性控制等科学技术问题及行业共性难题。

目前国内各大钢厂在生产亚包晶钢时，实际最大工作拉速约为1.25m/min～1.35m/min，目前四钢轧亚包晶钢的最大工作拉速为1.30m/min，经统计其加权平均铸坯宽度为1300mm；实际工作拉速为1.25m/min，浇注周期为53.2min/炉，与钢水供应周期41min/炉，相差约12min，造成炉机严重不匹配；随着亚包晶钢产量的进一步提升，在满负荷生产条件下，严重制约了产能的提升，将难以满足当前板材市场对小订单、小批量、特殊规格等的个性化生产需求，不但导致生产组织及质量稳定控制难度增大，而且严重制约了钢区产能释放，增加了生产成本。 基于上述现状，于2018年开始立项并实施该项目。本项目通过优化连铸工艺技术，稳步提升亚包晶钢最大工作拉速，不但对优化冶炼－连铸－加热－轧制生产节奏匹配及释放铸机产能，而且对铸坯质量的稳定控制及降本增效工作都具有十分重要的实际意义；此外，将为系列高强钢的放量及质量控制奠定扎实基础。

近年来，我国高品质轴承钢的生产技术有了重要进步，部分企业的轴承钢实物质量已经达到国际先进水平；但是大部分企业在轴承钢实物质量的稳定性方面，与国际领先水平还有差距。目前，国内外生产高品质轴承钢主要采用铝脱氧工艺，通过控制脱氧条件和高碱度渣快速降低钢液中氧含量和夹杂物数量，部分企业的高品质轴承钢全氧含量已经可以控制在5 ppm以下。铝脱氧钢中常见的夹杂物包括尖晶石、钙铝酸盐和氮化钛，其中钙铝酸盐和尖晶石被认为是对轴承钢疲劳寿命影响大的夹杂物，这也是服役过程导致铝脱氧轴承钢失效的重要原因之一。 在铝脱氧方式下，为了提高轴承钢的质量，现在普遍采用的方法是降低钢中全氧含量，以减少钢中夹杂物的数量。一般认为钢中的全氧含量与夹杂物数量有很好的对应关系，全氧含量越少，夹杂物越少。然而这种脱氧方式并不能消除尖晶石和钙铝酸盐。同时采用铝脱氧方式也带了很多问题，（1）是钢中全氧要控制极低，大大增加了炼钢生产的难度和成本；（2）由于采用铝脱氧工艺，恶化了钢液的流动性，钢液的连浇炉数大大减少，影响了连铸坯质量和生产成本；（3）钢液中的高Al含量容易还原渣中的Ti，从而影响钢中氮碳化钛的控制水平，进一步影响轴承钢的疲劳寿命。 为了避免高品质轴承钢采用铝脱氧带来的上述问题，本项目采用非铝组合脱氧方式（硅锰预脱氧+扩散脱氧+真空脱氧）冶炼轴承钢，解决了由于连铸水口堵塞带来的钢质量波动，从源头上减少了轴承钢中的钙铝酸盐和尖晶石类夹杂物，同时降低了生产成本。

由于异形坯断面形状不规则，受力情况复杂，在连铸生产中容易出现裂纹、夹渣等缺陷，导致轧制时产品报废率高。国内的几台大断面异形坯铸机均为国外引进，其最大断面为1024mm×390mm×120mm。而国产的两台异形坯铸机生产的异形坯最大宽度只有500mm，和引进铸机还存在较大的差距，我国此前还没有完全掌握异形坯铸机核心技术。当需要生产新的断面时，只能简单仿制，往往使用效果较差，铸坯质量难以保证。随着，我国的基础建设不断投入，我们需要大量产线更丰富的异形坯铸机，而且还需要进一步加大其断面。为此，开发我国用于轧制重型H型钢的重型异形坯连铸机技术与装备非常重要。 重型异形坯断面尺寸更大，铸坯的凝固进程更长，应力情况非常复杂。铸坯对整个凝固过程的传热均匀性，以及设备的刚度提出了更高的要求。同时兼顾板坯、非对称异形坯的生产，对夹持段也有一些特殊的要求。冶金控制模型应稳定、可靠，确保铸坯的坯壳均匀生长，表面温度平稳下降。设备结构合理，以保证较高对弧精度，同时更换快捷。 从设备设计、模型开发两方面着手，开发的设备结构为计算模型提供基础，模型计算结果为设备开发提供理论依据，相互验证、推动。在形成一套完整的重型异形坯铸机装备的同时，给出详实可靠的理论支撑。研发出的冶金模型，辅助设备设计的同时，得到合理的连铸工艺，形成一整套生产工艺参数。使研发的设备、工艺参数做到有的放矢，确保铸机投产后稳定生产。

项目属冶金科学连铸技术领域。项目为“十三五”国家重点研发计划“钢铁流程关键要素协同优化和集成应用”项目中的“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”课题的主要研究任务，以及企业间的横向技术合作。项目的研究时间为2015年9月-2021年12月。针对国内微合金化钢板带材生产中存在的能耗高、成材率低、生产效率低的实际情况，在实验室计算机仿真和模拟加热、轧制等实验研究的基础上，以邯钢、鞍钢、京唐、莱钢等大板坯连铸机-加热炉-轧机生产线为依托，重点开展了连铸坯表面无缺陷生产、边直裂控制和红送裂纹控制等关键工艺与装备技术的研发和工业生产验证工作。形成的关键技术成果与创新如下： （1）探明了边直裂的形成机理，创新性的提出：合理优化铸坯角部形状,可以提高铸坯温度的均匀性，同时有效改善铸坯轧制过程中的角部受力和变形状态，达到消除和避免轧制过程边直裂产生的核心思想。开发出独有的连铸坯角部形状二次倒角工艺与装备系统专利技术，在国际上率先实现工业化应用。大幅度减小板带材的裁边量，使成材率提高约1%。 （2）微合金化钢红送裂纹形成机理研究取得突破，开发出了独家的双工位铸坯红送裂纹在线控制工艺和装备专利技术，一方面使铸坯8～10mm表面层温度快速降低到铁素体相区，实现了微合金化钢由冷装或码垛温装向平均750℃以上快冷直装的跨越，另一方面满足了铸坯高拉速、高效率生产，彻底解决了铸坯表面残水蒸发给厂房及设备带来的污染。 （3）首次开发出基于热流监测的锥度动态控制技术和组合结构的侧面支撑足辊装备以及弧形曲面形状优化的新型倒角结晶器，使低碳钢和超低碳钢大倒角连铸坯正常工作拉速达到1.7m/min，最高拉速达到1.8m/min；同时有效避免了裂纹敏感性宽厚板铸坯的角部横裂纹缺陷发生，使铸坯表面无缺陷率达到99.6%以上。 （4）在世界范围内首次集成连铸坯表面无缺陷生产、边直裂控制和红送裂纹控制等关键技术，并辅助以多种优化工艺与控制模型软件，创建了低成本、高效化板带材绿色制造工业示范生产线。 项目开发实现了系统技术成果在国内大型钢铁企业的推广应用，优化了微合金化钢生产工艺，提高了钢的成材率、节约了能源、大幅度缩短了生产时间。有力的推动了行业技术进步。 项目共获得授权专利33件，其中国际发明专利4件、国际实用新型专利6件。为在国内和国际市场推广奠定良好的基础。

本研究成果来源于湖南华菱湘潭钢铁有限公司与北京科技大学合作的横向课题“汽车用线材品种方坯裂纹研究”（合同号：K515001-514107421）和“汽车用弹簧钢的开发研究”（合同号：K518001-518112403）。 本项目针对汽车用特殊钢在冶金过程存在的共性计算技术难题，如弹簧钢、帘线钢中硫元素含量和夹杂物的控制效果不理想，轧制和拉拔过程中夹杂物的变形能力不佳，难以保证产品高疲劳寿命的稳定性的问题；汽车用特殊钢多含有合金元素，钢的裂纹敏感性大大增加，冷却不均匀性是连铸生产面临的共性难题；铸坯的中心偏析控制严重依赖生产经验，缺少相应的偏析预测模型，只能采用试错的方式对生产参数进行调整，对于偏析涉及的众多生产参数的调整与优化组合缺少相应的指导模型；湘钢产低碳冷镦钢C4C-Q、含硫钢42CrMoQ等高品质汽车用钢，在冶炼以及连铸生产中存在一系列的技术难题等等进行了研究，并取得了很好的效果。 具体内容见科技成果评价书及科技成果评价申请表。

变速箱作为汽车及工程机械传输动力的“大脑”，是汽车及工程机械最主要的三大核心装备之一，对于汽车和工程机械装备性能的发挥至关重要。齿轮作为变速箱的重要传动部件，其品质直接决定着变速箱的整体质量和运行稳定性。近年来，随着国民经济的迅速发展和工业化水平的提高，作为国家重要支柱产业的汽车工业和工程机械装备制造业面临诸多挑战，这对汽车及工程机械齿轮的轻量化、长寿命、高可靠性和安全性等优良服役性能提出了更为严格的要求。而齿轮钢作为齿轮制造的重要基础材料，其强韧性、纯净度、淬透性、均匀性及易切削性等性能要求也日益严苛。但长期以来，受工艺技术及装备水平的影响，超低氧、易切削、高均质等的协同稳定控制难题一直困扰着齿轮钢的生产，严重制约了变速箱高端齿轮钢的品种拓展与升级。如何实现齿轮钢超低氧、易切削、高均质等性能的协同稳定控制是解决高端变速箱齿轮高效稳定运行和长寿命安全服役亟待破解的关键共性难题。 针对上述问题，承德建龙特殊钢有限公司联合北京科技大学、中国汽车工程研究院股份有限公司、晋江市成达齿轮有限公司和山东润通齿轮集团有限公司等多家单位，立足承德建龙“钒钛磁铁矿—高炉铁水—提钒转炉—半钢脱硫—炼钢转炉—LF精炼—VD真空脱气—方坯连铸—控轧控冷—精整—检验—棒材”特色产线，以超低氧、易切削、高均质和长寿命为目标，依托国家自然科学基金项目和企业合作，开展了“产-学-研-用”全链条联合技术攻关，成功研发变速箱用超低氧易切削高端齿轮钢生产成套技术。

汽车用特殊钢品种繁多，生产工艺复杂，冶金过程需分钢种、定制化的精准控制，针对钢种特性进行产品工艺设计。汽车用特殊钢的控制难点可简要归纳为夹杂物塑性化控制、连铸冷却均匀性控制、铸坯中心偏析预测与控制和针对钢种特性的冶金过程综合控制。为此，湘钢与北科大钢铁冶金新技术国家重点实验室合作，组建了高品质汽车用特殊钢生产关键技术研发团队，开展了系统研究。