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。

本项目对已实现综合利用的固废品类进行了分析，重点针对冷轧硅钢产生的含铬废液、废乳化液、冶炼工序烟气净化产生的半干法脱硫灰、全厂废包装物等固废、危废。具体如下： （1）硅钢Cr6+废液自动还原难度大，Cr3+废液厂内全量稳定固化难度大。 （2）废乳化液有一定的杂质、流动性较差，属于低热值难燃油种；含油废液来源多、有一定的杂质、膏状废油脂降粘困难，处理难度较大。 （3）脱硫灰中CaSO3含量高、杂质品种多，脱硫灰返其他湿法脱硫系统利用存在杂质元素影响脱硫效率、利用过程引起吸收塔起泡等风险。 （4）废包装物返转炉利用存在爆响、钢水中硫超标等风险，同时利用过程可能影响烟气达标排放，存在安全、环保和质量风险。 （5）固废厂内协同处理量增加后，厂内固废的中转、仓储、加工、再利用等环节变多，特别是根据国家新固废法，危废从产生到利用的全过程要进行详细记录和精细管控，如计量偏差大于等于三吨，会有刑法违法风险，技术监管难度增大。 针对以上难题，宝钢湛江钢铁有限公司、宝山钢铁股份有限公司、宝武集团环境资源科技有限公司进行了联合攻关。本项目的主要思路是先对已实现综合利用的固废品类的利用情况进行分析；对于尚未实现稳定综合利用的固废品类，充分利用厂内冶金炉窑开展协同利用的技术研发，在不影响产品质量、不新增安全隐患、不发生二次污染的情况下，发挥已配套环保设施的功能状态和治理效果，对工业试验过程开展针对性的环境监测和评估。

本项目属金属材料技术领域，来源于河钢集团自主研发项目，包括彩涂钢板、冷基锌铝镁镀层钢板及热基无锌花超厚镀层钢板产品的研究开发与制造技术及产业化应用。该系列产品因具有良好的耐腐蚀性和绿色、低碳与环保的共性，与传统热轧或冷轧裸板相比，存在着国外专利壁垒、涂镀层附着力、基板表面海绵体结构形成、耐腐蚀性能机理等深入研究和亟需解决的难题，针对存在的难题采取实验室研究与工业化生产制造及推广应用相结合的路线与措施开展了研究与开发工作，取得了以下重大科技创新： 1. 系统研究了家用电器用彩涂钢板与薄膜复合匹配技术，形成了一整套彩涂覆膜家电用产品稳定生产体系。采用钢板清洁度控制技术、无铬钝化技术、UV涂层附着力失效模拟检测方法以及彩板弯曲起棱失效预判控制方法，探寻出了附着力评价时间的工业化临界值，解决了覆膜钢板加工过程层间附着力失效、UV涂层脱落及弯曲起楞的行业技术难题。 2. 攻克了家用电器钢板凹版印制技术，通过防腐性提升技术、鲜映性提升技术、微晶触感实现技术及抗菌功能研发，实现了印刷彩板在外观（高鲜映性）、功能（高防腐性、抗菌功能）及触觉体验（微晶触感）等全方位的技术升级。同时攻克了钢板数码喷绘技术，实现了高颜值和立体纹理兼具的高端定制化彩板方案在家电行业的首发。 3.首创具有自主知识产权的低铝系稀土锌铝镁产品成分设计生产控制技术。将0.02~ 0.05%稀土创新性地添加到低铝系锌铝镁产品中，增加了镀液的流动性，细化镀层结晶组织，增加产品的耐蚀性，解决了稀土元素镀液成分均匀性分布难点，形成一整套厚镀层低铝系稀土锌铝镁高表面生产控制技术，连续5次国内首发极限厚镀层310g/m2、350g/m2、430g/m2、450g/m2和0.30~0.35mm薄规格180 g/m2产品。 4. 开发了热基无锌花超厚镀层产品生产控制技术。从成分设计、酸洗表面质量提升、基板粗糙度均匀化、海绵体形成以及锌液成分、气刀参数、张力匹配等方面进行研究，实现了600-900g/m2双面无锌花超厚镀层，解决了无锌花超厚锌层的附着性能差、边厚浪形、斜疤、斜纹等技术难题，900g/m2超厚锌层产品填补了国内空白。

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。

取向硅钢被誉为钢铁中的“工艺品”，其制造技术和产品质量反映了一个国家特殊钢的生产技术水平。传统取向硅钢工业生产中钢板经过H2-N2-H2O气氛中连续脱碳退火将基体中碳脱到0.003%以下，并在钢带表面形成合适氧化层，然后表面涂布MgO隔离剂，在高温退火过程中MgO与钢板表面氧化层发生固态扩散反应2MgO+SiO2→Mg2SiO4，形成Mg2SiO4玻璃膜底层。硅酸镁底层硬度高，导致传统取向硅钢的加工性能差，不管是规模化的轧制还是冲制，对工装和工具都消耗极大，严重影响了加工效率，增加了制造成本，且底层与基体的粗糙界面对磁畴移动具有阻碍作用，不利于铁损降低。 研发无硅酸镁底层取向硅钢，可有效解决取向硅钢加工性能差的行业难题，无底层取向硅钢能直接用于轧制极薄规格取向硅钢（厚度≤0.12mm）。极薄规格取向硅钢是将传统的晶粒取向硅钢经过冷轧和退火而获得，主要用作高频变压器、大功率磁放大器、脉冲变压器、脉冲发电机、通讯的轭流圈、电感、储存和记忆元件，以及在振动和辐射条件下工作的变压器，在频率为400Hz～1000Hz范围显示出极低的铁损，被视为较高频率用的变压器铁芯材料，当前国内高端极薄取向硅钢带材仍以进口为主。采用无底层取向硅钢成品制作极薄规格取向硅钢减少去除硅酸镁底层工序，大大降低生产成本，提高生产效率。

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。

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。

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。