热轧生产过程是钢铁全流程承前启后的重要工序，也是企业建设“云-边-端”高效协同管控体系的关键，热轧数字化智能制造系统对推进“铁钢轧”全流程高质量智能工厂建设具有重要意义。针对当前普遍存在多源异构数据融合与追溯难闭环、生产过程控制与质量溯源非协同、面向多目标决策的精益化管控不精细等痛点问题，具体体现在： 1、现场数据体量庞大、数据残缺和无效项过多，缺乏相应的大数据平台对数据进行统一且有效的采集、清洗、归集和存储。传统的离线存储方式需要大量物理硬盘，残缺数据无法实时还原及重现，并且数据安全性无法得到保证； 2、现场数据归集多采用时间维度，相应的数据时空转换技术不成熟，难以满足实物质量分析和溯源过程中使用空间维度数据的需求； 3、产品质量异常，无法实现精准定位溯源，控制系统L1/L2大多由第三方承建，底层模型黑箱瓶颈难以突破；监控预警场景定制化差异需求大，关键参数零散分布于不同系统导致现有技术无法统计全流程工艺设备状态； 4、设备运维停留在传统的人工点检+周期更换模式，重点设备监控停留在耳听眼看的阶段，一些先进的设备测振、测温、图像识别技术未能得到应用；复杂设备系统依靠单一的仪表阈值进行报警，缺乏劣化趋势和状态的模型判断； 5、轧线、磨辊间、钢卷库、质检等生产单元自动化程度低，存在着大量可用智能装备代替的人工操作，如加热炉板坯核对、钢卷质量判定等，工作效率低、操作失误多； 6、安全、环保、消防各模块分散管理，设备系统多，系统集控技术落后，后台监控人员多，紧急状态下人员协同慢； 7、能源和成本统计方法简单、粗放，部分能源点统计未能实现自动采集，能源消耗靠简单的系数来进行标准成本的分摊，成本统计无法精确到卷、班组、区域； 8、钢卷入库、下线、装车、作业无自动计划，物流无自动优化，作业流程无信息化跟踪，操作人员多、效率低下； 9、生产管理、质量管理、设备管理、成本管理、KPI指标管理和安全管理等各个维度的数据不同域，无法跨域联合分析，需人工拷贝、合并、分析。 因此，亟需汇聚车间级全流程数据，涵盖轧辊间、设备运维、能源环保、消防安全、运营管理及智慧决策开发需求，支撑主轧线及公辅等生产作业单元智能协同管控，建立基于精益化管理的热轧数字化智能制造系统。

热轧作为钢铁生产流程的重要环节，具有高频、强耦合、非线性等特点，温度、相变、应力相伴相生。经历工业3.0后，热轧技术在主线自动化程度、品种规格、产品质量、信息融通等方面取得了长足的进步，但仍然存在如下亟待解决的问题：库区、磨辊间、能源介质、质检等非主线单元存在着大量的人工操作，劳动生产率低下；加热能力、轧线节奏、多区域调度、生产顺行等问题影响产能释放，高效生产需求迫切；以板形、表面、轧破甩尾为代表的质量和生产稳定性长期困扰热轧企业，控制模型精度、设备状态、关键检测缺失、监控不完善、人工干预多等是主要原因；缺乏工厂级成本管理系统，能耗到卷（或板、管、棒等）、成本到卷无法实现，做不到精细成本控制；自动化、信息化已逐步完善，但许多和设备、人员、物料、能源等密切相关的数字化工作尚在起步；上下游工序、工厂业务之间缺乏物质流、信息流、能量流协同机制，工作效率低下，标准实施和固化困难，决策靠人。 热轧面临的如上问题大多是多因素或多目标问题，需要从全局加以考虑，现有的多级计算机系统构架具有局限性，热轧智能工厂建设则为解决如上问题提供了契机。本项目提出一种以问题为导向的热轧“双智控”智能工厂构架方案，以短板补齐、智能检测、工业互联网平台等为支撑，以关键绩效指标为牵引，从操维集约和业务协同两个方面出发，借助精准感知、数字孪生、工艺驱动、智能算法等手段，追求产线极度自动化和业务高效协同化。热轧智能工厂的建设实现物质流、能量流、信息流互联互通，并完成生产过程中大尺度的全局优化和资源配置，可推动真正意义上的热轧工厂技术变革。

目前，钢铁企业智能制造正在兴起，《中国制造2025》中明确提出，“单位工业增加值用水量”以2015年数据为基础，2020年要降低23%，2025年要降低41%，从统计数据来看，2015年我国钢铁企业平均吨钢新水用量为3.53m3/t，2020年已降至2.45m3/t，下降幅度约为30%，但距离2025年下降41%，即平均吨钢新水用量约为2.1m3/t的目标仍有差距，而钢铁企业平均吨钢新水用量的下降速度正不断放缓。 目前我国钢铁⼯业⽔处理存在的主要问题如下：①工艺流程长；②用排水量大；③废水排放节点多且成份复杂；④全厂水质水量难平衡；⑤水系统精细化科学管理及智能化管理水平还有待完善。 钢铁行业近年来的快速发展，决定了钢铁企业必须通过先进技术的应用，在节水减排的战略原则下，建立指导企业水系统生产运行的综合平台，实现生产控制运营的精细化和最优化，实现水质水量的科学核算与调度，实现集约化、智能化的创新运营管理模式，实现环保管理的实时化与零风险，提高水处理的效率、降低运行成本，以解决以上问题。利用信息化技术挖掘更深层次的节水潜能是未来钢铁企业进一步发展的必然措施。

开展钢铁企业“500米成品钢轨生产技术创新与产业化应用”研究，创建面向线路直接铺设的一站式钢轨生产方式，可实现500米长钢轨直接供给，并进一步提升生产质量管控能力；同时，满足中国国土面积胡焕庸线以西直铺钢轨的战略需求，降低铁路建设成本、缓解铁路运输压力、保障钢轨质量、提升线路施工进度，解决西部偏远地区高效直接铺设钢轨的难题。 主要问题：国内路网建设和焊轨能力分布不平衡。既有线路建设钢轨供给模式，是钢轨厂先将100米钢轨铁路运输至各铁路局集团公司焊轨基地，经焊轨基地焊接成500米长钢轨后，再运至铺轨现场焊连、铺设。这种多点作业、多级管控的传统长钢轨生产供给模式，存在钢轨易受损伤、供应效率低、运输成本高、资金占用大等问题，增加了西部及无人偏远地区路网建设难度。 主要不足：钢轨实物质量如何更好满足直供线路铺设和长寿化服役等要求。如：持续提升钢轨稳定服役的氢含量控制；钢轨硫含量对接头性能影响情况；存有高速钢轨高低点差大于0.30mm现象；不同钢种钢轨不能混焊和焊接接头合格率不稳定；未形成合金钢轨成熟稳定的焊接工艺等。 这些问题与不足涉及钢轨内部质量、外形尺寸、焊接质量、时序衔接、运输等多个方面，需要结合项目研究进一步提升和优化。

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。

本项目针对具体场景，开发利用余热，并实现低能置换高能、余热梯级利用、热-电-冷三联供，降低企业运行成本，并创造可观的经济效益，其节能减排可获得较大的社会效益。本项目全面系统的开发、辅助设备的配套，关键技术研究，为今后类似余热的合理和高效的利用，提供了建设和运行的实践。

Si3N4结合SiC耐火制品现已是钢铁、有色冶金、陶瓷、电力、化工等行业不可或缺的基础高温材料。目前，这些高温工业所用的Si3N4结合SiC制品形状较为规则或简单，厚度基本上都不超过160mm，产品基本上都采用机压成型，Si3N4结合SiC采用反应烧结工艺，氮气需在高温时由表及内渗透，因此制作厚度≥200mm且形状复杂的Si3N4结合SiC材料一直是业内的技术难点。 欧冶炉竖炉围管砖采用了3层Si3N4结合SiC砖、8个砖型，砖体结构复杂，砖体重量最大近170kg、厚度170~210mm，长度最大933mm，高度最大502mm，需要同时解决高精度成型和大厚度产品充分氮化反应烧结两项技术难点。

本项目研究期间获得了国家自然科学基金项目“致密耐火浇注料快速升温致爆裂机理的研究”、河南省科技创新人才计划项目“耐火浇注料加热过程透气性与结构参数关系研究”、河南省重点实验室建设专项“耐火浇注料流变特性和动电特性研究”和“轻质耐火涂料流变性及其作业性关系研究”、河南省优秀创新性科技团队科研项目“耐火浇注料内部热应力的测量与研究”等5个国家和省部级资金的支持进行理论研究；针对特殊装置/部位用材料及其施工技术的研究又获得了国家科技部科研院所攻关项目“湿式喷射施工优质高效耐火材料的研究开发”、洛阳市科技发展计划项目“大型循环流化床锅炉用耐磨耐火材料研制和应用”的资金支持；与中国人民解放军63926部队和和山西太钢不锈钢股份有限公司分别合作开展“发射工位耐火防护层用新型耐火材料”和“预熔钢包、VOD钢包、中频感应炉用耐火材料研究和应用”等项目的研发工作

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。