通过对国内近百条中厚板生产线的工艺技术装备现状研究发现，产线普遍在关键工艺质量参数感知、多工序协调优化方面，长期面临如下突出问题： 1、生产过程中轧制、剪切等工序的自动化达到较高水平，但是各工序控制系统相对孤立，尚未形成联动，部分工序缺失关键质量参数，不能基于反馈进行动态优化控制，机理模型的预测和控制精度低，严重影响产品质量、生产效率和成材率的提升； 2、缺少钢板轮廓识别和板形检测关键大型仪表，导致轧后钢板头尾形貌、轮廓和板形等关键质量参数难以在线精准识别，仍以人工方式线下测量，无法与轧制过程形成在线反馈控制，难以通过在线工艺优化来保证最终产品质量； 3、依靠人工经验的传统组板系统订单匹配度低、精准剪切控制能力偏低，无法根据钢板实时轮廓信息优化组板策略导致组板余材过多，影响生产效率和成材率。剪切工序也无法根据实时轮廓形状优化剪切策略。此外，剪切工序与轧制过程、组坯过程除基础的产品信息交互之外，无其它过程质量数据交互，迫切需要将轧后钢板实际轮廓形状与订单合同进行实时动态匹配，急需开发面向多目标约束的优化剪切和动态组板策略，以实现减少切损的同时提高订单的匹配度。 针对宽厚板制造领域内过程精准控制科学问题和相关技术瓶颈，2010年由山钢与东北大学等单位组建联合研发团队，在国家十三五重点研发计划《基于CPS架构的多工序协调优化与质量精准控制及应用示范》（2017YFB0304103）项目和山东省《宽厚板智能轧制数字化车间是的试点示范》项目的支撑下，依托山东省山钢王国栋院士工作站科研平台，深入推进开展产学研合作和协同创新，发挥高校基础研究理论创新优势与企业产工程技术优势，联合开展本项目关键共性技术的科研攻关工作。

高性能电工钢的开发涉及到冶金学、材料学、电磁学等多学科及其交叉领域，各产品特性的影响因素错综复杂，需要综合考虑各影响因素对不同产品特性的影响。 在用户技术端：首钢高性能无取向产品开发真正以市场为导向，以不同领域和类型的磁特性应用技术为出发点，建设高质量的电机仿真及测试实验室，形成了新能源电机、无人机电机、新能效家电和变压器等多领域的电机测试台架，通过电机仿真计算和台架测试的结合，全面深入地掌握用户需求，提升新产品开发的目标导向，同时形成市场引领性、前沿性材料的开发指导。 在产品设计端：以电工钢的核心特性—铁损极低化作为出发点，通过研究影响铁损特别是高频铁损的因素，重点解决高合金化带来的残余元素增多、二相析出物增多及高纯净化冶炼等问题。其次，为实现高磁感控制，从组织织构的系统化控制、热处理过程组织和织构的遗传演变规律等角度解决磁感应强度提升困难大和高合金降低磁感的问题。最后，为了实现电工钢的高强度要求，在Si、Al高合金固溶强化前提下进一步开展多元合金固溶强化和复合强化技术研究，实现1000MPa以下系列高性能电工钢开发。 在产线制造端：为解决高合金化带来材料塑韧性变化导致边裂和断带等生产难题，通过材料机理研究、轧制工艺创新及退火张力控制等技术创新和工艺优化， 实现高性能电工钢的批量稳定生产；并通过连轧工艺技术创新实现高效高尺寸精度的稳定制造。

精整生产是板带从钢厂走向用户的最后一个环节，在钢铁工业生产中起着举足轻重的作用。目前精整生产设备依然以国外进口为主，高品质带钢边部质量、板形和表面质量控制与国际水平仍存在很大差距。面对我国精整装备与工艺的现状，项目组立足精整生产线核心装备与关键技术国内自主设计与开发，取得了以下主要技术创新： 1、高品质剖分拉矫重卷检查机组设计及工艺开发 自主研发出一套集重卷、拉矫、切边、中剖、检查、涂油、分卷于一体的高品质剖分拉矫重卷检查机组，解决了中剖带钢单卷取工艺、机组运行参数设计、机组高速运行振动、拉矫参数预设定及延伸率闭环控制、滚筒飞剪传动设计及控制方法、带卷自动开头工艺装置及方法、废边自动卷取装置及方法等关键技术，实现了精整生产核心装备及工艺国产化。 2、高品质带钢精整过程边部质量综合控制技术 设计了圆盘剪重叠量高精度调整机构与侧向间隙高精度调整机构，给出了相应的重叠量与侧向间隙调整方法；制定了一套实用有效的边部质量评价标准，建立了基于专家系统与大数据支撑的剪切工艺数据库，解决了圆盘剪重叠量与侧向间隙没有通用控制模型与方法的难题；并设计了精整机组边部修磨装置，从根本上消除了剪切后板带边部的毛刺缺陷。 3、高品质带钢精整过程板形与表面质量综合控制技术 提出了平整过程基于工作辊水平挠曲的压扁系数计算方法，开发了相应的板形预报与控制技术；建立了平整过程工作辊表面粗糙度衰减模型，开发了以表面质量控制为目标的工艺参数优化技术；以边浪与中浪治理为目标，开发了拉矫工艺优化设定技术，形成了一套高品质带钢精整过程板形与表面质量综合控制技术，攻克了成品板形与表面质量难控的问题。 以该项目相关技术为核心，申请发明专利23项，已被授权18项，发表学术论文13篇，被授权软件著作权10项。上述技术创新成果已成功推广应用到宝武、河钢、鞍钢、首钢等大型骨干企业，近十年精整生产线市场占比份额超过了60%，成功替代进口。近三年累计实现销售额244.75亿元、利润20.75亿元。该项目的成功研发摆脱了日本、德国等工业先进国家在精整装备与技术方面的控制，积极推进了国内装备制造、电气传动、自动化控制等产业的快速发展，提升了国内冷轧精整装备的控制水平，实现了产品高端化并努力进军国际市场，应用前景广阔。

利用国产精轧机+双机架MINI轧机及相应的“10+2“”，自主创新开发高品质特殊钢线材的TMCP技术以及该技术的应用，生产了（1）汽车悬架弹簧钢50CrVA ，获得了100%的准平衡态组织F+P组织，减少退火工序，满足用户直接拉拔加工；（2）高性能工具钢S2 ，获得了均匀的贝氏体组织，体积百分数≥90%，二次脱碳浅，便于用户加工及提升产品疲劳性能；（3）免退火冷镦钢SWRCH35K，在线获得球化组织，球化率达到80%以上，铁素体占比达到78%，冷加工性能好，成功用于直接拉拔冷镦生产多种紧固件；（4）滚动体轴承钢GCr15，有效控制网状渗碳体析出，网状碳化物≤2.5级，晶粒度达到10级以上，热轧面缩≥30%，可实现轻拉拔减少下游加工工序亦可缩短球化退火时间；（5）帘线钢LX82A，提高索氏体化率到90%以上，无网碳组织，同批抗拉强度波动控制在±25MPa内。 针对中碳到高碳的特殊钢线材品种，自主创新开发出系列的基于MINI轧机的TMCP工艺技术，实现下游加工工序、节约能源、减少排放、改善组织、提升品质、降低成本等，对特殊钢线材基于MINI轧机的轧制工艺优化起到明显的指导意义，达到了同类技术领域的先进水平

本重点专项总体目标是：以提升大宗基础材料产业科技创新能力和整体竞争力为出发点，以国家重大工程和战略性新兴产业发展需求为牵引，从基础前沿、重大共性关键技术到应用示范进行全链条创新设，一体化组织实施，着力解决重点基础材料产业面临的产品同质化、低值化，环境负荷重、能源效率低、源瓶颈制约等重大共性问题，推进钢铁、有色、石化、轻工、纺织、建材等基础性原材料重点产业的结构调整与产业升级，通过基础材料的设计开发、制造流程及工艺优化等关键技术和国产化装备的重点突破，实现重点基础材料产品的高性能和高附加值、绿色高效低碳生产。 2020 年重点专项拟启动 8 个公开择优重点研究任务，拟安排国拨经费总概算 4000 万元。本专项指南部署的研究任务均为典型应用示范类项目，要充分发挥地方和市场作用，强化产学研用紧密结合，项目须自筹配套经费，配套经费总额与国拨经费总额比例不低于 1:1。项目执行期为两年。每个项目下设课题数原则上不超过 3 个，参与单位总数不超过 5 家。每个研究任务拟支持项目数均为 1~2 项。申报项目的研究内容须涵盖该重点任务指南所列的全部考核指标。

热轧板带材力学性能是用户关注的核心要素，组织性能预报与集约化生产受到普遍重视。然而在整个热轧生产过程中，加热和热轧、冷轧过程中轧件内部组织演变情况处于“黑箱”状态，无法直接测量、观察。想要控制钢材内部的组织，调整、改变其组织和性能，需精确感知轧件内部的信息，需要系统具有模型感知的能力。在工业大数据的数字感知的基础上，基于物理冶金学研究，通过ＡＩ（人工智能）和机器学习等现代信息技术，进一步赋予系统以感知、记忆、思维、学习能力以及行为决策能力等能力。同时基于热轧板带生产过程复杂性和用户个性化定制需求，构建跨系统、跨工序的钢铁工艺质量大数据平台，充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，融合物理冶金学和生产数据实现热轧全流程组织-性能-表面演变的数字孪生。以生产全流程工艺机理为基础，实时分析生产过程工艺、设备参数与产品质量的关系，满足用户的定制化需求并进行质量在线综合评判和异常原因追溯。结合设备过程控制能力给出工艺参数和制备工序流程的优化方案，以数据为基础提高机理不明或复杂工况下的数学模型设定和质量控制精度，通过多工序协调匹配提高产品质量稳定性和生产效率。现阶段，浦项、普锐特开发了在线组织监测与优化系统，实现了一材多品种生产和在线工艺调优；东北大学项目团队则采用人工智能预测了材料组织性能演变，开发了力学性能高精度预测、氧化铁皮控制、工艺逆向优化和钢种归并技术，在产品质量的稳定性控制方面效果显著。

通过开发CSP过程控制系统在线改造关键技术，实现了多品规轧制和产品厚度、板形、温度、性能等指标的高精度控制，并成功进行示范应用，主要研究内容和创新性如下： （1）基于工况动态感知的辊底式隧道加热炉智能燃烧系统。通过建立考虑氧化铁皮及上下表面换热差异的多维快速板坯温度场在线预报模型、基于工况动态感知技术和改进精英策略的遗传算法板坯最佳升温曲线模型、板坯加热质量及隧道炉能效评估智能决策模型，集成了CSP隧道炉智能燃烧系统，实现了加热质量、能耗等指标的整体优化，大幅提升了板坯温度的FET、模型、同板差、同炉坯间差、交叉坯间差命中率，自动烧钢率由0%提高到90%以上，能耗下降19%以上。 （2）适应CSP流程的高精度轧制过程控制模型。通过建立基于相变动力学和位错密度理论的两相区轧制统一变形抗力模型、基于自学习参数动态分区拟合算法和自学习速度在线优化算法的多种自学习策略模型、基于物理冶金和工业数据混合驱动的组织性能在线预报及工艺优化模型，满足了多品规、双流交叉、品规快速过渡的高精度轧制需求，厚度、FDT、CT的命中率分别由97.57%、93.83%、87.34%提高至99.60%、98.10%、97.87%，碳钢产品实现了“免取样”。 （3）兼顾全幅宽和多目标的板形综合控制技术。在开发边部变凸度工作辊辊形及其控制技术、考虑温度-相变-应力多场耦合的全幅宽机架间板形传递模型的基础上，集成上下游机架多辊形灵活配置策略及下游机架变参数异步窜辊策略的、兼顾多目标的板形成套控制系统，实现了全幅宽板形与轧制稳定性的协同控制，凸度C40、平坦度命中率分别由98.46%、96.64%提高到99.08%、99.80%，且凸度C25命中率能达95.97%，薄规格生产能力由2.00mm扩展至1.20mm。 （4）基于数据网关的过程控制系统在线升级改造技术。通过开发基于数据网关的新老系统并行调试技术、基于通信中间件的高性能电文实时解析与分发技术、功能模块级别的系统无缝双向一键软切换技术和采用自主研发的中间件平台和模块化设计方法，搭建了具有开放、可配置、免维护等特点的、稳定可靠的过程控制系统，实现了低风险的、无需专门停机时间的过程控制系统在线改造。

⑴项目基于数字化虚拟制造的全轧制过程孔型系统智能设计技术研究。如何突破型材轧制孔型系统设计长期依赖经验试错、效率低、成本高的难题，实现钢轨及异型材孔型系统智能设计、智能化配辊以及轧辊加工NC代码自动输出，大幅度提高新产品研发效率并降低研制成本。 ⑵全轧程热力耦合三维模拟精准预测及生产过程质量稳定性控制技术研究。 结合建立完整的生产工艺与质量数据库,实现系列钢轨及异型材轧制全过程工艺优化和质量稳定性控制，显著提高产品内在质量稳定性和一致性,并使钢轨残余应力显著降低。 ⑶基于大数据及在线控制的钢轨轧制金属流动预测-补偿模型和全长尺寸精度智能控制技术研究。解决高铁轨,重轨全长尺寸在线高精度控制问题。 ⑷钢轨局部润滑轧制及表面质量控制技术研究。努力搞清高温高压轧制条件下金属流动、轧辊氧化皮粘结及局部磨损机理和规律，消除钢轨表面轧疤及通长“人”字轧痕等表面质量缺陷,并轧辊寿命延长。

齿轮钢材料是重大装备制造和国家重点工程建设所需的关键材料，是钢铁材料中的高技术含量产品，本项目提高材料纯净度、晶粒度稳定性和探伤可靠性，通过电炉冶炼+炉外精炼+真空脱气+惰性气体保护浇注生产方式，有效控制钢中氧、磷、硫含量和其他有害元素含量，从源头上确保材料的高纯净度，同时对锻造与热处理工艺进行创新和改进。 1、纯净度控制：通过控制精炼过程渣系组分，控制夹杂物性质，从而控制材料夹杂物的数量、大小。通过对浇注系统的工艺优化，使钢水浇注速度趋向恒定，避免因为浇注速度不稳定而引起的不均匀分布。采用全密闭氩气保护浇注，避免二次氧化形成的夹杂物，进一步降低钢水中夹杂物。通过提升浇注系统材料及结构设计，避免耐火材料掉入而引起的探伤级别增加。 2、晶粒度控制：晶粒度是齿轮钢的关键技术指标，通过对化学成分的优化设计，匹配不同的晶粒细化元素及含量，控制齿轮钢晶粒度；通过对各种锻后热处理工艺，确保晶粒度稳定。 技术指标如下：氧含量≤10ppm、探伤水平φ0.8mm、EVA≤200、晶粒度950度保温80h级别8-9级。夹杂物水平A类粗≤0.5、细≤0.5；B类粗≤0.5、细≤1.0；C类粗=0、细=0；D类粗≤0.5、细≤1.0；DS≤1.5。

项目在基于罩式退火工艺路线上进行含磷冷成形钢的多次成分及工艺优化设计，通过磷元素的偏聚控制及含磷冷成形钢的强韧化机制研究，解决了含磷高强IF钢罩式炉生产二次加工脆性较差的问题，通过残余元素对含磷高强钢力学性能、酸洗质量、磷化质量的影响研究，提高了材料冲压性能，解决了酸洗表面质量差，汽车涂装磷化膜晶粒粗大影响耐蚀性问题；通过优化P成分以及严格控制Cu、As等残余元素，解决了冷轧集装箱板罩式退火后强韧性偏低以及热轧过程中容易边裂的问题；通过优化P、B成分，解决了冷轧搪瓷钢的鳞爆缺陷问题；通过含磷高强IF钢热力过程的析出行为及织构控制研究，提高产品综合性能，尤其是r值，进而保证得到良好的冲压性能；通过热力析出行为研究，并通过成分优化，解决了罩式炉退火晶粒异常长大而导致的冲压凹坑缺陷的问题；通过表面活性元素富集研究，优化成分设计及退火工艺，解决了罩式炉退火边部易氧化而形成的白边氧化色缺陷问题。通过以上的对含磷冷成形钢罩式炉工艺路线的设计开发，成功研制出了适合罩式炉生产的成分体系及生产工艺，高效利用了罩式炉生产不受规格、生产量的限制，排产灵活等优点，给公司带来了较大的经济效益。