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。

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。

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。

针对国内钢铁企业的上述缺陷，以及由此引发的微合金化钢生产效率低、能耗高等问题，项目以国内典型钢铁企业生产流程为依托，开发系统完整的工艺与装备技术，大幅度提高铸坯直接热装轧制的比率和热装温度、切实提高铸坯质量和钢的成材率，使铸坯正在成为物质流、能量流、信息流等的载体被直接输送到下一步轧制工序，优化铸-轧界面技术，实现典型钢铁流程的高效化、绿色化制造技术的工程应用，并建立应用示范工程向国内钢铁企业进行应用推广，为我国钢铁企业降低生产成本、节能减排奠定基础。

为进一步提高攀西钛资源的利用水平，国家发改委于2013年批准设立全国唯一的资源开发综合利用试验区—攀西国家战略资源创新开发试验区。攀钢集团积极响应国家号召，创新开发钒钛磁铁矿中钛资源，采用熔盐氯化法生产TiCl4，建成了年产6万吨TiCl4 的生产线，由3台小型熔盐氯化炉生产线组成，2015年全面实现达产达效，其单炉粗TiCl4实际日产量达到80t/d-120t/d。在世界上冶金炉窑朝着大型化方向发展以及国家大力对海绵钛、氯化法钛白的发展战略布局下，现有熔盐氯化炉已难以满足行业对钛资源高效规模化利用的需要。因此，开发基于攀西钛资源的大型熔盐氯化关键技术对我国钛工业的可持续发展具有重要的现实和战略意义。 然而，熔盐氯化炉大型化过程中存在诸多困难和关键核心问题亟待解决，主要包括：①大型熔盐氯化炉炉内流场分布与炉型结构尺寸设计规律不清的设计难题；②大型化后熔盐氯化炉物质流及能量流无法维系的连续稳定运行难题： ③氯化后TiCl4与杂质之间气固液三相分离效率不高导致的产品质量稳定控制难题。这些技术难题在过去70年里，俄罗斯、乌克兰等国际先进的熔盐氯化技术掌控者均未得到合理解决和应用。为了解决以上技术难题，自2015年以来，攀钢组织开展了基于攀西钛资源的160t/d大型熔盐氯化关键技术开发及应用研究，以期突破熔盐氯化炉大型化的世界性技术难题。

近几年，随着我国智能制造的快速发展，作为流程制造业的钢铁工业急需在智能化领域进行更深入的探索与实践；其中，多工序运行协同控制是智能制造的重要环节。在面对多品种、小批量、多规格、高质量、快节奏的生产要求时，因对生产工艺考虑不足，传统生产调度模型/系统很难达到令人满意的应用效果，故而钢铁企业对炼钢-连铸过程的多工序运行协同控制水平提出了更高的要求。 本项目针对多品种、小批量、多规格、高质量、快节奏等生产约束下生产计划与调度难的问题，首先对莱芜钢铁集团银山型钢有限公司炼钢厂物质流运行的时间参数进行系统解析，包括不同工况下炉次在各工序之间的作业时间和传搁时间等，在明晰物质流运行规律的基础上，充分考虑工艺、设备等多种约束因素，归纳总结适用于不同工况的生产调度规则库，优化生产运行模式；其次，应用生产调度规则库来指导调度模型的构建与求解，提高模型的可用性；再次，采用系统仿真的方法来探究车间平面布置、天车运行、钢包运转等因素对于物质流在多工序之间运行的作用机制，为调度模型及其求解算法的进一步完善提供指导；最后通过系统研究与流程运行相关的生产因素，提出多工序协同运行量化评价模型及评价参数，实现对炼钢厂多工序协同运行水平准确评价。 通过该项目的实施，莱钢银山型钢炼钢厂炼钢-连铸区段的生产运行节奏与有序性得到显著提高。项目获得授权发明专利2件、实用新型专利2件，登记计算机软件著作权1件，制定企业标准2项和形成企业技术秘密5项，发表国内外学术论文13篇。项目自2019年成功实施以来，共计创造经济效益14083.3万元。

着眼于钢铁企业固体废弃物循环利用问题，针对钢铁企业高炉矿渣制粉等固废循环利用综合监控管理中存在的问题开发了基于RFID、GPS等物联网技术的固废循环利用综合管控技术，构建了集固废产生与消耗实绩、仓储管理、委托计量以及流转监控为一体的钢铁企业固废循环利用综合管理系统。解决的共性技术难题包括：1）针对高炉矿渣制粉等钢铁企业固废循环利用综合监控管理问题，开发了异构数据平台；2）研究钢铁企业物质流网络模型，提出一种钢铁企业固废循环利用调度流程和方法，构建了集8大业务功能于一体的固废循环利用综合管理系统；3）针对钢铁生产环境下的物联网数据感知问题，创新研发了适合钢铁企业的高可靠的无线传感网络工程技术。

该项目针对焦化企业传统蒸汽共沸汽提脱苯工艺的粗苯收率低、能耗高、废水废渣废气污染环境、运行成本高等问题，依据炼焦化学工业流程学 “三流一态”（物质流、能源流、信息流及其对应的过程状态）的理论，提出以“负压实沸点蒸馏”取代传统蒸汽共沸蒸馏，开发了负压脱苯工艺流程和装备。在国内首次进行了双塔双炉负压脱苯的工业实践，升级优化了单炉单塔脱苯工艺，实现了“脱苯和再生高效集成”、“脱苯再生差压操作集成化与大型化”等塔器高效集成技术的创新和突破。该项技术已获得专利4 件（其中发明专利2件），成功应用于11家焦化企业（共12套，焦炭产量1600万t/年），累计为用户新增经济效益4.85亿元，累计减排CO2 6.78万t，减排废水155万t，减排VOCs 22万t，经济效益和社会效益显著。

主要目标： 开发出钢铁企业环境下无线传感网络的应用模型；研制适合钢铁企业的高可靠、智能化 RFID 数据集中器；研制融合多协议、异构数据源的无线网关；开发出一套基于物联网的、面向钢铁企业生产物流和废弃物循环利用的监控系统，并完成在沙钢集团的示范应用。 主要内容： 钢铁企业物质流标识和数据采集技术研究 根据钢铁环境物质流（原材料、在制品、成品、废弃物、运载工具、称量工具等）的形态、所处的温度环境、电磁环境的不相同，选择适合钢铁生产物流和废弃物循环利用的射频标签（RFID），开发适应冶金恶劣环境的高可靠、智能化的RFID数据集中器，具备物料位置智能识别、RFID数据容错纠错、嵌入式RDB。RFID读取率达到98%，识别正确率达到100%。 开发现场总线、工业以太网到无线传感网络的数据接入网关，网关至少支持Profibus DP, Modbus RTU, WIA-PA(Zigbee)通讯协议， 端-端协议转换时间小于10ms。 钢铁生产环境下无线传感网络的构建和应用技术研究 针对钢铁企业高温、高震动、强屏蔽等恶劣环境，研究无线传感网络的信道建模技术，建立面向钢铁企业的无线传感器网络建网技术和设计规范。针对钢铁企业高温、高振动、强屏蔽环境，研究无线传感网络的链路质量问题，开发出钢铁企业环境下无线传感网络的应用模型，提出一套面向钢铁企业的无线传感器网络技术建网技术和设计指南。 基于物联网的生产物流和废弃物循环利用的动态跟踪和调度系统开发 以轧钢卷板生产中的钢铁在制品、制成品、原材料、生产工具等物质流为监测对象，基于 WIA/ZigBee节点模块、RFID 标签、条码、3G网络、移动式数据采集器以及物联网数据集中器构建基于物联网的生产物流动态跟踪系统，对卷板生产过程物质流实现实时跟踪管理。实现生产物流和废弃物循环利用的动态跟踪系统与ERP、EMS系统的融合，支持生产物流和废弃物物流数据的显示、报警、检索、报表；支持 HTTP、SOAP远程访问接口；支持基于WEB的远程数据发布；支持20客户端并发访问。 在江苏沙钢集团建设示范工程

课题任务： （1）炼铁-炼钢界面物质流、能量流协同优化技术与工程示范：炼铁-炼钢界面物质流动态运行机制；炼铁-炼钢界面能量的合理分配比研究；铁钢比变化对炼铁-炼钢界面物质流和能量流协同优化的影响研究；炼铁-炼钢界面“一罐到底”模式优化运行工程示范。 （2）典型微合金化钢连铸-热轧界面高效化动态运行关键技术与工程示范：典型微合金化钢连铸板坯角部缺陷控制关键装备和工艺技术；微合金化钢连铸坯红送裂纹控制的关键技术开发；微合金化钢连铸大断面方坯、矩形坯角部缺陷控制关键装备和工艺技术研究；微合金化钢连铸-热轧界面高效化动态运行示范生产线建设与推广。 （3）能源转换界面关键技术-海水淡化工程示范：汽轮机与海水淡化装臵之间的可靠隔断技术；热膜耦合海水淡化浓盐水的综合利用技术；电站海水直流冷却退水与海水淡化耦合技术；实现海水淡化低品质能源利用枢纽作用的关键技术。 （4）物质流与能量流协同的信息化关键技术与应用示范：综合考虑钢铁企业产品生产、能源利用、环境保护多环节，建立钢铁流程能量流网络信息模型；钢铁企业能量流仿真技术研究及仿真平台搭建；在首钢京唐公司现有EMS基础上，融合生产过程信息，增强协调优化功能，开发物质流能量流协同的能源管控软件，并进行示范应用。 本课题由首钢京唐钢铁联合有限公司承担，参与单位分别为钢铁研究总院、冶金自动化研究设计院、上海大学、山东钢铁股份有限公司济南分公司和湖南华菱涟源钢铁有限公司等五家单位。