为了促进制造业高端钢铁材料升级迭代，引领我国制造行业“高性能、新材料”技术领域的巨大改革和突破，实现国产化超高强度钢产品替代进口，打破欧洲垄断地位，2017年1月至2021年12月，河钢邯钢与东北大学、终端客户以产学研用合作的方式，开展“板带材多功能高精度热处理核心关键技术的创新及应用”项目的研究实施：1）研发板带材冷却路径可控的控温淬火、约束淬火工艺，实现热处理可视化、交互性顺序及板区域位置坐标控制，温度精度±4.5℃，时间同步精度±0.01秒，达到国际同类设备领先水平。2）国际上首次实现“烧嘴明火+热风循环”强制对流循环混合回火加热技术，建成国内首套高精度热风循环式回火炉，在钢板上下表面形成对称的有序流场，强化传热效率、传热精度，实现大温度跨度回火热处理精度为±3℃，能耗排放降低15%，实现绿色生产、绿色制造。

我国钢结构建筑日益向大型化、高层化、装配化、高效化的趋势发展，对钢铁材料提出了抗震性、强韧性、耐火耐候性等功能多样化的服役要求。为此，必须解决以下主要技术问题： 问题1：为保证建筑钢结构良好的抗震性能，对钢材提出的关键技术指标要求是较低屈强比（≤0.83）、更高抗层状撕裂性能（Z35）、窄屈服强度波动（≤110MPa），以及具有明显的屈服平台。对于420MPa以上大厚度高强韧建筑钢，依靠原有技术难以稳定控制显微组织中软硬相比例，无法实现特厚钢板心部晶粒细化。 问题2：为解决结构耗能、消能、减震设计需求，对制作钢结构“减震器”的软钢，提出了极低屈服强度等级（100MPa）、低屈强比（≤0.6）与小波动范围（±20MPa）、极高断后伸长率（≥50%）等技术要求，需要创新设计低屈服强度软钢成分体系，突破轧制和热处理精准化工艺技术。 问题3：为提高建筑钢结构综合抗灾能力（火灾和腐蚀），要求开发适应不同防火等级的耐火耐候钢，特别是在600℃高温并保持3小时的条件下，690MPa的屈服强度不低于室温目标值的2/3（≥460MPa），需要探明抗震、耐火耐候组织与性能耦合机制，系统开展耐火极限等服役性能评价。

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。

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。

洁净钢生产需要低碳、低硫、低磷、有害及残留元素低的铁源原料—洁净钢水或冶炼洁净钢基料。我国目前生产的洁净钢主要采用高炉-转炉传统冶炼流程。我国铁矿资源禀赋差，整体呈现出“贫细杂”的特点，虽然经过复杂的选矿工艺处理可以生产出满足高炉冶炼要求的铁精矿，然而冶炼得到的铁水通常含有较多杂质，这些杂质需在铁水预处理、转炉炼钢等过程中去除，造成了炼钢工艺流程的复杂和成本的上升，限制了我国洁净钢生产技术的发展。此外，高炉炼铁以焦碳为主要能源，排放大量污染物，严重污染环境。 除采用传统的高炉铁水外，高品质纯铁也是冶炼洁净钢的基料。直接还原炼铁是以非焦煤为能源，在不熔化、不造渣的条件下，原料基本保持原有物理形态，铁的氧化物经还原获得以金属铁为主要成分的固态产品的技术方法。其产品直接还原铁中硅、锰、镍、铬、钛、钒等元素含量比高炉铁水及废钢低1～2个数量级，是生产优质钢铁材料不可或缺的原材料。然而，由于受高品位铁矿资源缺乏的制约，我国直接还原铁工业发展极其缓慢。 针对我国铁精矿品质较差、洁净钢基料匮乏的现状，东北大学韩跃新教授项目团队提出了基于源头控制杂质含量的“铁精矿深度提质—直接还原—电炉熔炼”洁净钢基料低成本制备新工艺，并围绕超级铁精矿和洁净钢基料高效制备过程中铁精矿深度去杂、高纯铁精矿直接还原、直接还原铁品质控制等关键技术开展研究工作，以期解决我国直接还原铁原料和洁净钢基料匮乏的问题，为钢铁的短流程绿色生产提供技术支撑，促进钢铁工业的转型升级。

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。

我国已经具备国际领先的钢铁冶金生产装备，然而国内一些关键钢材质量和稳定性与国外领先水平仍有较大差距，一些关键钢种还无法实现自主生产，其重要原因之一就是我国在冶金热力学和动力学软件开发领域与国际先进水平存在明显差距，主要存在如下局限性： （1）我国到目前为止还没有一个具有自主知识产权的冶金相关热力学和动力学软件，开发一款属于中国冶金热力学和动力学计算软件已经非常急迫。 （2）我国在复杂冶金反应过程中热力学和动力学耦合计算方法方面研究较少，国外计算软件中包含了先进计算方法但不完全公开，制约了我国相关研究发展。 （3）我国没有建立完整的冶金反应器过程中相关热力学和动力学数据库，国外计算软件中整合了大量相关热力学和动力学数据，并通过多种方法对其进行优化选择，但是这些数据库都完全保密，且购买使用权价格昂贵，制约了我国相关研究发展。 （4）当前已有国外软件的热力学数据库部分参数仍存在争议，例如镁、钙和稀土等强脱氧合金元素，软件计算结果与实际试验结果存在一定的偏差，需要对其热力学数据进行补充和更新。 （5）当前已有国外软件应用领域范围太广，大多不是专门针对钢铁冶金领域，很多冶金反应过程缺少针对性、无法实现。因此，有必要开发一款具有我国自主知识产权的洁净钢冶金热力学和动力学相关计算软件平台，为我国钢铁材料的洁净化和精准化水平提升坚实基础。

一、背景介绍 本钢冷轧具有国内最宽2150mm冷轧产品的生产供货能力，可为下游用户端的物料供应和降低加工成本提供强有力的支持。本钢急需研发超宽幅产品生产技术。 二、应用领域和技术原理 本项目属于钢铁材料及加工制造工艺领域。 本项目的创新点和总体思路： 1.建立通卷板型预控系统模型。建立轧制力预控模型；变规格期间头尾板型不良控制方法及润滑系统分配控制模型；形成超宽规格产品稳定轧制控制技术集成，实现对超宽规格板型目标为5I（最大10I）的自动控制技术。 2.创新研发了超宽幅产品连退机组炉内冷瓢曲的关键工艺控制技术；研究全厚度规格超宽幅产品退火炉内张力模型；建立热平衡模型实现动态控制炉辊热凸度；研究材料屈服强度对带钢冷瓢曲的影响，优化极限规格退火工艺。超宽幅产品在连退机组合格率达到90%。 3.通过超宽幅产品表面清洁性过程控制创新，建立连退清洗段刷辊保护及清洗液稳定控制程序，实现反射率92%以上；建立带钢表面粗糙度衰减模型，实现宽幅产品粗糙度和表面均匀。 4.实现了桶料生产方法创新，采用窄规格桶料倍尺高效生产模式，形成超宽幅产品轧机各架AGC控制模型和升降速过程中的乳化液喷洒控制模型，确保桶料厚度高精度目标控制。 5.从超宽幅产品全流程生产过程控制难度攻关，解决超宽幅产品对炼钢、热轧和冷轧工序的生产难点，形成超宽幅产品表面质量和性能均匀性控制技术诀窍。 三、国内外同类技术指标对比 1.本钢生产的超宽幅冷轧板的合格率达到行业领先，且2050-2150mm宽度产品属于国内外空白，达到国际先进水平。 2.本钢生产的超宽幅冷轧板的力学性能和表面质量达到行业同类产品水平，达到国际先进水平。 3.本钢生产以超宽幅产品为牵引，倍尺生产桶料，提高生产效率，降低工序成本，市场占有率达到40%以上，并持续增长，达到国际先进水平。 四、知识产权 该项目形成独立知识产权，授权专利13项（其中发明专利7项）,发表论文8篇，企业技术秘密17项。 五、作用意义 项目创新成果2016-2020年在本钢应用期间，累计生产高品质汽车板15.21万吨，剖分桶料27.75万吨，填补国内2050mm以上产品生产空白，创经济效益14942.6万元。实现了部分汽车激光拼焊替代；剖分桶料对钢铁企业节能减排、绿色发展有重要意义，市场占有率达到40%以上。

建龙北满特钢根据国家发展改革委、国务院振兴东北办2007年发布的《东北地区振兴规划》，为落实钢铁工业调整升级规划（2016-2020年），推进以先进制造业用高性能轴承钢为代表的关键基础钢铁材料的研发和产业化，基于在“四位一体”短流程特殊钢生产线，通过装备和工艺技术多年持续改进，实现轴承钢质量大幅度提升，成为国内首批获得国际轴承行业一流公司斯凯孚、舍弗勒和铁姆肯供货资质的企业，并连续稳定供货十余年。 建龙北满特钢的超洁净高均质轴承钢生产关键技术开发与应用主要研究内容为： 1、打破以全氧含量为核心研究轴承钢洁净度的传统思维，发现了Ds类夹杂物数量随钢中钙含量增加而单调增加的规律，明确了影响钙含量增加的主要因素，开发了以超低钙含量控制为核心的Ds类夹杂物的控制技术。 2、研究了冶炼过程中氧、钛和夹杂物的变化规律及钢中大颗粒夹杂物来源，开发了以“原辅料优化+流场优化+非稳态浇铸管控”相结合的高洁净轴承钢专用冶炼工艺与生产路线，实现了轴承钢全氧含量≤5ppm，Ti含量≤12ppm，Ca含量≤3ppm。 3、建立了连铸过程恒温、恒拉速工艺体系，精确控制凝固末端，固化压下位置及压下量，开发了独具特色的连铸大方坯静态轻压下技术，稳定实现了轴承钢中心偏析指数控制在1.05以下。 4、通过对轧件内部应力应变分布的数值模拟，实现轧制孔型优化，开发了以初轧大压下细化心部晶粒度与KOCKS轧机的控轧控冷相结合的网状碳化物控制技术，实现了轴承钢棒材（直径φ≤30mm）网状碳化物≤2.0级。 通过本项目的实施，轴承钢全氧含量T.O≤5ppm（平均4.7ppm）；Ti含量≤12ppm，Ds类夹杂物≤0.5级，网状碳化物（直径φ≤30mm棒材）≤2.0级，轴承钢产品获得中国钢铁工业协会“冶金产品实物质量金杯奖”、“特优质量奖”，荣获“中国名牌产品”、“黑龙江省用户满意产品”。项目实施期间获授权专利8件，发表论文31篇。 经过多年的持续质量改进、技术创新和推广应用，获授权专利8件，发表论文31篇，截止到2020年，建龙北满特钢为品牌汽车发动机轴承及轴承单元、医疗机械仪器轴承、工业轴承钢、精密轴承等领域提供优质原料近120万吨，成为国内重要的高档轴承钢的生产基地之一。近三年，轴承钢销量达40万吨，新增产值13.7亿元，新增利税2.7亿元，经济和社会效果显著。