刘振宇:服务国家工程建设 发展先进钢铁材料
2019-12-18 10:19:58 作者: 王元 来源:《腐蚀与防护之友》 分享至:

钢铁素有“工业粮食”之称,是诸多工业领域中的“必选材料”,钢铁工业在整个国民经济中占有举足轻重的地位。无论是在过去和现在,还是在将来相当长的历史时期内,钢铁工业的发展水平仍然是衡量一个国家工业化和现代化水平高低的重要标志之一。随着航天、兵工、汽车等事业的飞速发展,对材料提出了更高的要求,钢铁材料一直在向高性能、长寿命、低成本、易加工、多品种以及具有绿色环保意义的柔性、可控、实时制造方向迈进,发展先进的钢铁材料是突破能源、资源和环境瓶颈的重要手段,也是钢铁行业品种结构优化的主要任务。


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右二 刘振宇教授

东北大学刘振宇教授团队长期从事先进钢铁材料的教学、科研工作,并且在该方面颇有建树。本期,记者特邀请到刘教授做相关方面的精彩解读。

记者:您长期从事先进合金材料制备工作,并且在金属高温腐蚀防护的研究方面颇有建树。请您详细谈一下您和您的团队研究上所做的工作和取得的进展和成就。并谈谈这些科研工作成果或技术的应用状况及产生的效益。

刘老师:钢铁材料占全部金属材料的95%以上,是国民经济建设中用量最大的结构材料和功能材料,其中90%以上的钢材是经过热轧后使用的,因此高温氧化是影响其表面质量和成材率的重要过程。我们团队长期致力于钢铁材料高温氧化行为的研究和控制工作,属于高温腐蚀与钢铁材料生产制造相交叉的研究领域,其重要性体现在,如果钢材加热过程中的炉生氧化膜减薄15%,钢材的损耗将降低千分之一,以我国每年10亿吨钢铁产能计算,每年节约钢材超过10万吨,带来的经济效益十分巨大。此外,高温氧化在钢材热轧过程中贯穿始终,是影响表面质量最重要因素之一。随着我国制造业转型升级、以及国家对环境标准日益严苛,对钢材表面质量要求也变得极为严苛,在行业内甚至达成了“表面质量不达标,性能再好也不用”的共识。考虑到钢材氧化受到钢中合金元素及诸多工艺参数的交互影响,实现氧化膜结构、厚度、均匀性的精准控制是一项世界性难题。


日本、德国等钢铁强国,很早已开始根据用户需求调控热轧钢材表面状态,且系统研发生产工艺技术。我国在热轧钢材高温氧化行为的控制研究方面起步较晚,缺少系统理论指导与核心技术,一度导致我国热轧钢材由于高温氧化控制不当而引发的产品缺陷率超过90%,与国外同类产品在表面质量方面差距巨大。


我们从1995年开始针对热轧钢材高温氧化机理及控制技术进行基础理论研究,之后围绕钢材中合金元素的选择性氧化行为、氧化膜厚度和结构演变进程精准控制、提高氧化膜与基体粘附性以及界面平直度控制等核心问题,展开了针对性研究工作,形成了具有自主知识产权的钢材热轧氧化行为成套控制技术,解决了高强钢氧化膜结构控制、氧化行为精准预测、界面平直度控制以及高效除鳞等行业共性难题,使热轧板带材表面质量提升至国际先进水平。我们的主要工作进展包括四个方面:

(1)氧化膜高粘附性控制技术


受限于合金体系及轧制工艺,厚规格高强钢的氧化膜在后续加工过程中容易发生起粉式剥落,成为制约我国热轧高强钢产品推广应用的关键难题。我们围绕氧化膜结构对粘附性的影响、合金元素选择性氧化机制以及气氛对FeO共析转变影响,进行了多耦合因素的研究,最终明确了合金元素对氧化行为的影响机理,提出了兼顾表面与性能的成分设计。针对700MPa以上超高强钢,开发出“以Cr代Mn、代Nb”的合金化设计,在确保力学性能的条件下,得到了具备高粘附性的氧化膜复相结构,并且使氧化膜厚度减薄近30%,成功实现了辊压成型过程中的氧化膜掉粉控制,掉粉量稳定控制在3 mg/dm2以下,达到了国际领先的水平。这一技术应用于太钢2250、马钢2250、邯钢2250、唐钢1580等十余条热轧生产线,涉及的产品包括汽车大梁,冷弯边梁,客车骨架、桥壳、牵引鞍座、传动轴、刹车钢背、离合器压盘等汽车零部件,累计生产已经超过100万吨,实现了高强和超高强钢的免酸洗冷加工成型。


(2)氧化行为(厚度/结构)精准预测与智能控制技术


获得最优氧化膜厚度与结构,是实现钢材产品高表面质量的关键。但是,现有高温氧化理论仅限于恒温氧化,对于热轧过程中钢材表面温度发生复杂变化的情况难以适用。为此,我们首先开发出了热轧钢材氧化行为数据库;以Wagner理论和相变动力学JMAK方程为基础,采用可加性法则建立了描述热轧过程中氧化膜厚度和相变的数学模型;以工业实际测量数据为依据,采用遗传算法(GA),将机器学习理论应用于模型参数的智能调优,使得氧化膜厚度与结构预测精度分别达到±2μm及±10%,首次实现了热轧板带材氧化行为的模型化控制。本项技术应用于邯钢、唐钢、太钢的2250、1700、1810及1580等多条热连轧产线,在C-Mn、高强板、酸洗板、管线、船板、车轮等系列钢种的氧化膜实现了标准化控制,产品氧化膜厚度降低20%以上。团队首创的热轧氧化膜的智能预测及工艺优化技术及配套的应用软件,已经输出至韩国HYUNDAI公司,以其2#板带热连轧生产线为示范线,实现了钢材氧化膜精准预测与控制。


(3)氧化膜/钢基体界面平直度控制技术


通过对氧化膜界面与结构的系统研究后发现,氧化膜/基体界面发生严重波动是造成热轧酸洗板及中厚板表面存在色差等问题的主要原因。为此,团队通过大量实验研究,明确了氧化膜与钢基体协调变形规律以及界面局部再氧化的形成机制,建立了界面弯曲度与主要工艺参数的定量关系,开发出了氧化膜/钢基体界面平直度控制技术,解决了去除氧化膜后钢板涂装质量问题。相关技术在唐钢中厚板生产线应用后,显著的降低了中厚板表面“暴起”、“花斑”、“凹坑”等典型缺陷发生率,为日资工程机械企业神钢建机和小松机械新开发了Q235B-XS、Q345B-XS、Q235B-SG等系列钢种,累计供货超过11万吨。相关技术推广应用至邯钢中厚板产线,生产出高表面质量厚规格Q550D、船板、容器板等产品,累计供货超过40万吨,表面缺陷发生率较以往下降了60%以上。

(4)基于FeO韧/脆转变控制的除鳞技术


热轧生产过程中,为尽可能有效地去除钢材表面氧化皮,钢铁企业一般倾向于提高除鳞水压力,但实际生产过程中常常不能取得理想效果。我们通过研究FeO的高温力学性能变化规律及实验室除鳞模拟试验,开发出“裂化除鳞”这一新技术,去除钢板氧化皮的效率大幅度提高。本技术应用在唐钢薄板坯连铸连轧短流程生产线,显著提升了酸洗板产品的表面质量,解决了薄板坯连铸连轧生产线由于除鳞效率低造成的钢表面问题,使薄规格热轧酸洗板表面缺陷率由90%以上降低至2%以下,解决了短流程产品表面质量控制这一世界性难题。同时,我们针对韩国钢铁巨头POSCO的无头轧制生产线(CEM),研究了热轧产品表面光泽度与粗糙度的变化规律并提出了解决方案,为改善无头轧制生产低碳钢产品的表面质量找到了切实可行的工艺技术。


通过二十几年的研发积累,我们形成了围绕热轧钢材高温氧化行为的成套控制技术(包括17项专利技术和3项软件著作权),在不增加甚至降低生产成本的条件下,实现了热轧钢材表面状态的最优化控制。在2018年底,中国金属学会组织的科技成果鉴定认为:项目组研发的热轧钢材表面状态控制技术在表面氧化行为的精准预测与控制、薄板坯连铸连轧表面质量控制和“喷淋+高压水除鳞”技术达到国际领先水平。研发成果已成功应用于宝武、鞍钢、首钢、河钢、太钢、马钢、涟钢的40余条热轧生产线并输出至韩国浦项和现代制铁。近三年来,为企业创造直接经济效益超6.5亿元;生产出超过100万吨免酸洗钢及1500万吨易酸洗钢,酸用量减少超过10万吨;通过优化加热制度,氧化烧损减少0.01%,三年内节约钢材约2万吨,折合减少近6万吨CO2、超1万吨粉尘和1万吨SO2排放、减少超过5万吨新水投入,开发的系列产品在为下游用户实现清洁生产提供了原材料保障的同时,也为促进绿色制造向下游用户的延伸做出了重要贡献。


我们这项技术于2008年和2019年两次被授予中国冶金科学技术一等奖,体现出我国钢铁行业对控制热轧钢材氧化行为和提升表面质量的高度重视。


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典型工业产品及生产过程照片


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热轧钢材氧化行为控制技术推广应用情况


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氧化膜结构优化后对耐蚀性影响的评价


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国内外企业技术交流


记者:目前海洋耐蚀钢铁材料近年来已成为学术界的一个研究热点,请您谈谈海洋耐蚀钢铁材料的现状以及发展海洋耐蚀钢铁材料的关键是什么?应该怎么做?

刘老师:海洋工程用钢的应用环境极为复杂和严苛,既有含盐量极高的大气环境,也有经受海水冲刷的浸泡环境,因此开发具有优良耐腐蚀性能的海洋工程用钢是一项具有挑战性的工作。目前,建设海洋强国和海上丝绸之路已成为我国的国家战略,高性能海洋工程用钢作为重大海洋工程建设的关键结构材料,是实现国家海洋战略的原材料基础,成为学术界研究热点是必然的。


应该看到,除高耐腐蚀性能外,海洋工程用钢正在向高强度、高韧性的方向发展,从而达到海洋钻采平台减重、延长关键部件使用寿命以及提高恶劣气候条件下安全性的目的。要做到这一点,必须在钢铁材料生产过程中掌握超纯净化冶炼、控制轧制以及之后在线和离线冷却等系列关键技术。只有这样,才能在尽可能少用甚至不用贵重合金元素的条件下,生产出高强甚至超高强钢材,满足海洋工程的严苛要求。目前,通过我国钢铁企业的艰苦努力,我国海洋工程用钢取得了显著进展。例如,出口挪威的半潜式海洋平台D90,采钻深度达到15000米,所用550MPa以上级别钢材均有鞍钢提供;我国用于可燃冰开采的蓝鲸一号钻采平台,其所用高强钢均由我国首钢、鞍钢及宝钢等国内企业生产。


但是也应该看到,我国在海洋工程用钢研制还存在一些不足。例如,对复杂腐蚀环境条件下的服役性能评价不够系统,导致钢材综合性能的优化过程较慢;在极为严苛的腐蚀环境下,开发新型超级及特超级双相不锈钢、超级奥氏体不锈钢以及钛合金等方面还有待加强。

记者:据悉,您受邀参加2019第六届海洋材料与腐蚀防护大会,并将在大会上做主会场报告,请问您有何重要的研究成果要与我们分享,请您简要谈谈这项研究的最新进展和应用。

刘老师:钢铁材料的腐蚀与防护是一个困扰钢铁工业的世界性难题。全世界每年因腐蚀而报废的钢铁材料和设备的量约为全年产量的1/4-1/3。钢材轧制成形以后,在使用过程中,表面往往会产生不同程度的锈蚀,这不仅造成了材料的损耗,也大大降低了热轧钢材的产品质量。通常意义上钢材的防护主要是通过钢材本身添加大量的耐蚀性合金元素如Cr、Mo等,或者在钢材表面涂镀耐腐蚀性镀膜以提高其耐蚀性能。而对于量大面广的热轧结构钢材,在降低成本基础上提高耐候性能,是企业的迫切需求。我们通过多年钢材高温氧化机理和控制技术的研究发现,钢材在热轧过程中会自然形成一层氧化膜,通过对热轧过程的精准控制能够使得这层氧化膜均匀、致密,更重要的是,合理的结构控制可以起到提高钢材耐候性能的目的。实验室条件下的加速腐蚀测试表明,如果将氧化膜结构控制为FeO+先共析Fe3O4为主,工业大气条件下的腐蚀速度可以降低一倍。围绕氧化膜控制提高钢材耐蚀性这一全新研究方向,团队通过干湿交替加速腐蚀试验,系统研究了不同结构的氧化膜在不同腐蚀介质条件下钢基体的耐蚀性能,运用电化学方法测定了大量不同结构的氧化膜的电化学极化曲线,得出不同工艺条件下氧化膜的孔隙率,明确了不同腐蚀介质条件下氧化膜的耐蚀机理,并获取了最优耐蚀性能的氧化膜结构类型。在明确氧化膜结构转变规律的基础上,形成了一整套高耐蚀性氧化膜精准控制技术,并在涟钢、重钢等企业得到了实际应用,使热轧产品的耐蚀周期较原有工艺提升20%以上。在不添加任何耐蚀性合金元素和188棋牌最新版 处理的条件下,产品表面不发生大面积锈蚀的时间可延长30天以上。


此外,我们提出了利用氢还原代替传统酸洗工艺去除氧化皮的免酸洗还原退火热镀锌技术。在此基础上,提出了“以Al代Zn”的锌液合金化成分设计,表面镀层的硬度提高至100 HV以上,腐蚀电流密度降低至8.38×10-6 A·cm-2以下,大大提高镀锌产品的表面质量和使用寿命。免酸洗还原热镀锌技术的工业试制结果表明,由于省去酸洗和预氧化工序,生产效率可提高20%以上,吨钢减少浓盐酸消耗约20 kg,同时也展现出在厚规格、厚锌层(600 g×m-2以上)产品如地下管廊用热基镀锌板等开发方面的独特优势。

记者:高性能耐腐蚀钢是未来钢铁材料发展的重要方向之一,具有很多重要意义。请您结合自身工作和科研经历,谈谈我国在该研究领域未来应如何更好的发展?

刘老师:首先,高性能耐腐蚀钢铁材料在国民经济建设中的应用前景非常广泛。例如,高强度耐候性桥梁钢,我国经过多年努力,特别是在十三五重点研发计划的支持下,取得了巨大进展,已跃居世界前列,一些高等级耐候性桥梁钢出口到美国等发达国家。同时,我们也应该看到,世界工业强国对这种钢材的开发也投入了相当大的人力和财力,竞争的态势越来越强烈。因此,我们应该对钢材的耐腐蚀性能给予高度重视。从各国耐蚀钢开发历程来看,必须加强对生产全流程严格控制的观念。例如,炼钢过程中的夹杂物类型、尺寸与分布状态,对钢材在海洋环境下发生点腐蚀有很大影响,必须在炼钢及连铸工序加以解决;钢材晶粒尺寸及表面应力状态对腐蚀性能也会产生重要影响,因此轧钢工序要进行精准控制。总之,提高钢材耐腐蚀性能应该像控制其力学性能一样,给予充分重视,甚至建立相关标准。我国在这一方面一直还落后于日本、欧洲、澳大利亚等国家,急需集全行业力量进行解决。


其次,我们应看到,经过多年努力,目前我国钢材腐蚀性能方面积累了大量数据,在数据应用方面取得了重大进展,解决了很多耐腐蚀性能评价与腐蚀防护方面的关键问题。同时,随着人工智能理论如机器学习等在材料科学领域的广泛应用,基于大数据的智能学习已经成为新材料研发的重要工具。相关理论和技术可以进一步推广至钢材腐蚀行为研究领域,采用高效的机器学习算法对钢材表面腐蚀行为进行学习和表征,例如采用多层神经网络等算法学习电化学极化曲线、腐蚀产物结构组成等,通过建立智能化预测模型进行钢材腐蚀行为的精准预测,在此基础上以耐腐蚀性能为目标,采用智能优化算法进行成分与生产工艺的开发,以实现高性能耐蚀钢全流程生产的智能化控制。


后记


伴随着需求变化和相关技术进展,2l世纪的钢铁材料将会以质量高和多样化的面貌出现在人类面前。应不断地运用新技术、新工艺和新装备,研发出环境友好、性能优良、资源节约、成本低廉的先进钢铁材料与相关信息化技术,以适应未来的社会和经济发展。道阻且长,同志们一起努力,为真正实现钢铁强国梦而奋斗吧!


人物简介


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刘振宇,1967年5月出生于内蒙古赤峰市,1996年获东北大学工学博士学位;1996-2001年在奥克兰大学完成博士后研究工作, 2001-2003年在日本北海道大学任JSPS高级研究员,现任东北大学教授、博士生导师、轧制技术及连轧自动化国家重点实验室副主任;担任2011教育部协同创新中心“先进短流程工艺技术与装备”研究方向首席专家、国家“十三五重点研发计划”项目首席科学家。


刘振宇教授主要从事“节约型高品质钢材组织结构演变机理与轧制工艺创新”的研究工作,在热轧钢材氧化铁皮结构控制、新一代控轧控冷(TMCP)工艺冶金学原理研究、钢材组织-性能演变数学模型与集约化轧制技术开发以及薄带连铸技术开发和应用与工业化应用等方面取得了重要的创新性成果,为我国钢铁企业创造了巨大经济效益和社会效益。到目前为止,主持开展或完成国家自然科学基金重点和面上、973、863和科技支撑计划课题等纵向项目和重大企业技术开发横向项目三十余项;发表论文400余篇,总的SCI他引次数超过2000次,出版学术专著三部、译著一部、国务院战略咨询报告一份;授权国家发明专利40项、申请中的发明专利12项;获省部级科技奖励14项,其中辽宁省科技进步一等奖1项、湖南省科技进步一等奖1项、北京市科技进步一等奖1项、中国冶金科学技术一等奖4项,2017年国家科技进步二等奖(排名第二)。

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