薄带材冷轧过程具有控制参数多、响应时间短及精度要求高的特点，其质量控制水平代表着一个国家钢铁工业的技术水平，可谓是钢铁技术领域的“皇冠”。对于冷轧板形控制而言，其控制过程存在多变量、时变性、大滞后及非线性等特点，全球仅有几个国家掌握相关技术，可谓是“皇冠上的明珠”。随着国民经济的快速发展，汽车、家用电器、电子和航空航天等行业对冷轧带材产生了巨大的需求，同时也对其板形质量提出了更高的要求，如何进一步提高冷轧带材的板形控制精度，是从事冷轧领域技术研究人员需要面对的重要课题。 针对板形控制模型与轧制过程的失配问题，研究将仿真建模、机理建模、知识工程推理与过程数据进行融合建模的理论与方法。通过研究串联结构形式的板形混合建模方法，提高板形控制模型对轧制过程的适应能力，并建立相适应的板形前馈与反馈控制系统间的协调优化控制策略。通过本项目的实施，可为冷连轧过程板形控制精度和稳定性的提高带来新的思路，对于其它复杂工业优化控制过程具有一定的理论参考意义。

为大幅度提高焊接效率，降低建造成本，大线能量高效焊接技术在现代钢结构制造业中应用日益广泛。在大线能量焊接条件下，热影响区组织急剧恶化，强度和韧性下降，并且随着钢板强度的提高，焊接裂纹敏感性增加，给大型钢结构的安全带来危害。开发适于大线能量焊接，同时具有高强度、低焊接裂纹敏感性的钢材是国内外钢铁研发领域的重要课题。 船舶、海工、原油储罐等立式结构多采用EGW气电立焊大线能量焊接方式，而桥梁隧道等平面结构焊接中气电立焊并不适用，一般采用常规多道次焊接工艺，严重制约施工进度。针对平面结构，工程上采用FCB焊接技术，可一道次成型，使施工效率成数十倍提高。但FCB焊接过程中上下表面同时被焊剂覆盖，导热性能极差，又缺少气电立焊采用的强制水冷，导致焊后冷却速度更为缓慢，热影响区的组织粗化、脆化问题更为严重，这对大线能量焊接用钢的性能要求更为苛刻。特别在重大工程的大规模应用中，对钢板大线能量焊接性能的稳定性要求极高，这又对高效批量化稳定生产提出特殊要求。 鞍钢股份有限公司、东北大学和广船国际有限公司等单位针对上述背景和问题，联合开展了大线能量焊接桥隧用钢开发及重大工程应用项目研发工作，取得了创新性成果。

特殊钢是钢铁强国的重要标志，也是一个国家工业化程度的重要标志之一。轴承、齿轮、紧固件、弹簧、轴类等基础件作为先进制造业的核心部件，量大面广，对制造业具有重大支撑作用，其发展趋势是更高可靠性、更长寿命、以及更好的环境适应性。目前，我国基础件及其用特殊钢整体上与国外先进水平存在较大差距，导致制造业大而不强，汽车、机械、航空、新型能源等行业的先进装备目前尚未完全实现国产化，成为“中国制造2025”制造业转型升级的重要瓶颈。与日本、德国等装备制造业发达国家相比，我国基础件用特殊钢产量大，但其质量稳定性、加工和使用性能与国外先进水平存在明显差距，导致基础件可靠性低、寿命波动大、服役环境适应性差，无法满足高端装备制造业的需求，急需在相关基础理论、关键共性技术以及应用等方面开展追赶工作，以满足制造业转型升级的发展需求。 针对以上问题，钢铁研究总院联合兴澄特钢等十家单位，在国家重点研发计划“先进制造业基础件用特殊钢及应用”等项目支持下，选取轴承钢、齿轮钢、弹簧钢、非调质钢、紧固件用钢、轴类用钢等量大面广的典型基础件用特殊钢，开展了长寿命机理研究及质量稳定性控制等系列关键技术、高效测试表征技术与产品开发攻关，以满足汽车、航空、机床、新能源等先进装备的需求，为先进装备的国产化和制造业升级奠定基础，从而带动我国特殊钢行业的升级换代，提升基础材料产业的整体竞争力。

钢铁工业对我国国民经济的发展和国家建设有着举足轻重的地位。高品质钢具有洁净化、均质化和细晶化的要求，其中洁净化指的是钢中非金属夹杂物。所有钢都有夹杂物的问题，解决了夹杂物的问题就解决了所有钢种的三分之一以上的问题。合金结构钢中的脆性夹杂物会导致产品的开裂失效，非调质钢和易切削钢中硫化物沿晶界析出会导致产品的疲劳伤损，大型铸锻件模铸过程聚合形成的大型夹杂物会导致产品的探伤不合。因此，钢中非金属夹杂物的特征直接影响钢产品的质量和性能，同时高熔点夹杂物会引起钢连铸过程浸入式水口结瘤。钙处理技术是改性钢中非金属夹杂物的最常用、最直接、最有效的方法，在过去的几十年里，钙处理在减少水口结瘤和夹杂物控制等方面一直扮演着无可替代的角色。 然而，由于钙金属本身化学性质活泼以及沸点低等特性，导致工业生产钙处理过程存在着喂钙量经验化、钙合金收得率波动大、改性夹杂物效果不稳定的行业瓶颈难题。因此，有必要针对高品质钢钙处理改性夹杂物的精准性和稳定性开展深入和系统的研究，使钙处理技术始终处于最优效果，准确有效地实现钢中夹杂物数量、成分和形态的稳定控制，为我国高端特殊钢产品质量的稳定提升和自主生产制备提供技术支撑。

本项目以高性能复相钢使用需求为出发点,通过扩孔/拉延协同控制和材料局部成形的机理创新，提出组织调控新思路，实现复相钢综合力学性能提升；通过轧制工艺、退火工艺、板形控制工艺等创新，实现复相钢性能稳定性、极限规格产品板形质量的提升，在上述机理创新和工艺创新的基础上，最终实现高性能复相钢的稳定生产。另外，为解决复相钢零部件生产过程中的关键瓶颈问题，建立材料边部裂纹敏感性评价方法和基于零件成形方式的冲压边裂预测方法，保障汽车关键结构件的稳定生产，从而满足整车轻量化、安全化的需求。

复相钢通常包含两类产品，其中冷轧复相钢主要用来制造对刚度、强度、耐撞性等要求极高的门槛、保险杠、座椅滑轨等安全结构件，热轧复相钢主要用来制造对成形及疲劳要求更高的控制臂、纵臂等底盘核心承重部件。近年来，国内钢铁企业借助于热轧产品升级及冷轧高强产线能力提升，积累了一定的复相钢生产开发经验，但国内外复相钢还存在一些难题尚未有效解决，主要包括： 1、传统热轧复相钢采用微合金成分体系设计，通过卷取温度控制相变，从而获得铁素体+贝氏体+残余奥氏体等复相组织。但是扩孔率与伸长率具有负相关性，同时满足高扩孔性（≥40%）、高拉延性（≥12%）要求存在技术矛盾，如国际知名高端品牌某复杂成形零部件时因伸长率低和扩孔性能不足造成的冲压开裂率高达4%。且在传统控制冷却思路下，相同终轧/卷取温度而不同冷却路径时组织差异较大，导致扩孔率及伸长率波动大。 2、传统冷轧复相钢采用“高碳成分+高温退火”获得少量铁素体+贝氏体+马氏体+少量残余奥复相组织。但高温加热及快速冷却容易造成温度不稳定，从而造成材料性能的波动。且高碳复相钢存在带状组织，对折弯要求较高的零件适用性一般，如某国际知名一级配套商用进口材加工某零件时折弯开裂率高达8%，难以满足门槛、滑轨等零件高折弯性能的成形需求。 3、超高强复相钢冷轧生产时变形抗力起点值高，极限厚宽规格轧制负荷极大，导致带钢板形问题突出。如国外某先进钢企极限厚宽规格热镀锌复相钢仅可实现平直度5mm/2000mm，因板形不良导致最终零件空间尺寸合格率仅有90%，严重影响了门槛等零件的装配精度及碰撞安全。 4、超高强度复相钢零件生产过程中翻边、扩孔等涉及边部成形工序较多，极易引发冲压边裂质量问题。因边部裂纹敏感性和零件冲压边裂的预测技术还不完善，缺乏边部裂纹敏感性评价体系及相应的材料解决方案，典型零件冲压边部开裂率达到5%。目前国际上往往被迫采用改良模具或采用激光切割的方式解决此类问题，加工成本显著提高。 首钢通过扩孔/拉延协同控制和材料局部成形的机理创新，提出组织调控新思路，实现复相钢综合力学性能提升；通过轧制工艺、退火工艺、板形控制工艺等创新，实现复相钢性能稳定性、极限规格产品板形质量的提升，在上述机理创新和工艺创新的基础上，最终实现高性能复相钢的稳定生产。

我国22.5×9.0型钢制商用车车轮最轻37kg，用钢强度最高590MPa，车轮进一步轻量化缺乏钢材设计、制备和应用的成套技术，具体体现在： 图1 商用车车轮结构与焊接位置 1、材料设计：传统HSLA钢和双相钢不满足车轮的制造或疲劳性能要求。① 采用650 MPa及以上级别HSLA钢制作车轮，存在车轮制造回弹大、成形开裂率高、焊接软化等问题；② 传统的650 MPa及以上铁贝或铁马双相钢强塑性好，但焊接易软化，焊后成形开裂率高达20%以上，疲劳寿命不足国标60%。 2、材料制备：在高强车轮钢制备上，卷取温度控制、表面质量和生产效率等方面存在以下问题：①650 MPa及以上车轮轮辋用钢因卷取温度命中率偏低，力学性能波动较大，影响车轮制造使用和疲劳寿命的稳定性；②650 MPa及以上高强轮辐用钢精轧轧制速度慢、氧化铁皮厚，易导致轮辐表面压痕和麻坑缺陷；③在热连轧产线整体高效化的背景下，厚规格车轮钢生产效率不足产线平均效率的70%，严重制约热连轧产线效率提升。 3、材料应用：高强车轮钢制造及服役过程中存在以下问题：①随着轮辋厚度减薄，焊接工艺窗口变窄，焊接参数不匹配使轮辋焊缝区域制造开裂率高且不稳定；②轮辋与轮辐组合焊处应力集中，热影响区软化严重，造成约40%的疲劳开裂发生在此位置；③台架疲劳寿命与路试疲劳寿命差异较大，前者无法完全复现车轮在实际路况下承受的复杂载荷，车轮设计阶段安全评估能力不足，造成新产品研发周期长达1年以上。 为此，开发650-800 MPa级车轮钢高效化制备及应用关键技术，对解决商用车车轮轻量化的材料设计、制备和应用瓶颈问题，促进我国钢轮制造行业进步和节能减排具有重要意义。

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。

高端特殊钢具有洁净化、均质化和细晶化的要求，其中洁净化指是钢中非金属夹杂物。所有的钢都有夹杂物的问题，解决了夹杂物的问题就解决了所有钢种的三分之一以上的问题。夹杂物的控制是生产高端特殊钢洁净化控制的重中之重。合金结构钢中的脆性夹杂物会导致产品的开裂失效，非调质钢和易切削钢中硫化物沿晶界析出会导致产品的疲劳伤损，大型铸锻件模铸过程聚合形成的大型夹杂物会到导致产品的探伤不合。因此，钢中非金属夹杂物的特征直接影响钢产品的质量和性能，同时高熔点夹杂物会引起钢连铸过程的浸入式水口结瘤。钙处理技术是改性钢中非金属夹杂物的最常用、最直接、最有效的方法，在过去的几十年里，钙处理在减少水口结瘤和夹杂物控制等方面一直扮演着无可替代的角色。 然而，由于钙金属本身化学性质活泼以及沸点低等特性，导致工业生产钙处理过程存在 着喂钙量经验化、钙合金收得率波动大、改性夹杂物效果不稳定的行业瓶颈难题。因此，有 必要针对高端特殊钢钙处理改性夹杂物的精准性和稳定性开展深入和系统的研究，使钙处理 技术始终处于最优效果，准确有效地实现钢中夹杂物数量、成分和形态的稳定控制，为我国 高端特殊钢产品质量的稳定提升和自主生产制备提供技术支撑。

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。