針對極限規格鋼板熱處理控制精度低、復雜工藝實現困難等問題，東北大學先進軋制及熱處理研究團隊在國家重點項目的支持下，開展了先進加熱、淬火、回火新工藝與裝備技術研究，探索了多場耦合條件下換熱機制，研制出高溫輥底式連續熱處理爐、多功能輥式淬火機、高精度中低溫回火爐等核心裝備，開發出系列高精度、高均勻性熱處理核心技術，構建了多級分布式控制系統與成套工藝數學模型，實現大型熱處理線自動化穩定生產，成套技術裝備推廣至寶鋼、鞍鋼等26條熱處理線，建成國家級示范產線2條，國內市場占有率穩定在60%以上，成為我國大型板帶材熱處理線主流技術裝備，高品質特種鋼板滿足了國家海工、能源、電力、工程機械、軍工等領域需求，批量出口30余個國家。

1 背景

我國中厚板年產量已接近9000萬噸，產能過剩和同質化競爭問題嚴重。然而，部分高端高附加值中厚板產品仍依賴進口，其中絕大多數是熱處理產品。熱軋鋼材熱處理按工藝分在線和離線兩種，盡管控軋控冷（TMCP）、即時溫控等在線熱處理技術已得到普遍應用，但對于性能均勻性和強度等級要求較高的低溫壓力容器鋼板、橋梁鋼板、工程機械用鋼板、耐磨鋼板、高層建筑鋼板等仍需通過正火、調質等手段來改善組織分布，利用強韌化機制提高整體力學性能和加工性能，實現成分減量化。

高端中厚板熱處理生產始終圍繞加熱、冷卻兩個核心工藝展開。加熱方面，熱處理爐爐溫控制精度直接影響鋼板板形及性能均勻性，一般要求偏差小于±5℃，而對于某些高端產品，如超高強工程機械用鋼、低合金耐磨鋼等，一般要求回火爐溫在300℃以下，且要求熱處理爐低溫控溫精度更高。目前國內鋼鐵企業熱處理低溫回火在控溫精度方面仍無法滿足高品質鋼材生產需要，研制與開發新型高精度熱處理爐對穩定生產高品質特殊鋼、升級熱處理裝備技術水平意義重大。

輥式淬火機是板帶材熱處理線的核心工藝裝備，常規的輥式淬火機（淬火厚度范圍為10-120mm）及其核心淬火工藝技術被德國、美國、日本少數公司長期壟斷。進口設備采用壟斷捆綁供貨，價格高昂，供貨周期長，已成為我國鋼鐵企業實現產品結構調整的巨大障礙。此外，進口設備不具備高品質薄規格板材的生產能力，目前此類熱處理產品僅由瑞典等國外一兩家企業批量供貨，價格昂貴，生產技術完全保密，阻礙了其使用性能的發揮，限制了我國高端裝備制造等領域的發展。

目前，厚度大于120mm的特厚鋼板主要采用傳統淬火池（槽）等設備生產，通過攪拌池內冷卻水加速鋼板表面換熱效率。由于對流換熱過程受淬火裝置容積限制，冷卻強度偏低，鋼板板面各處冷卻強度分布不均。隨著淬火裝備技術的發展，連續輥式淬火方式在中厚規格鋼板（4mm＜鋼板厚度＜120mm）淬火生產過程中應用普遍，將其引入到特厚鋼板淬火生產中，結合特厚鋼板淬火生產工藝特點，實現按工藝路徑淬火和厚向均勻冷卻將是一條可行之路。然而，目前在特厚鋼板淬火領域，專用連續輥式冷卻系統的應用尚屬空白。

針對上述問題，2011鋼鐵共性協同創新中心設立了“極限規格板材離線熱處理工藝技術與裝備”研究方向。圍繞極限規格鋼板熱處理多場耦合協同控制、高強均勻淬火技術、先進加熱-淬火-回火熱處理裝備和系列高品質板材熱處理產品幾個方面開展攻關，取得了如下成果。

2 主要研究內容

2.1特種鋼板高溫輥底式熱處理爐

2.1.1研發出極限溫度1200℃的大型熱處理爐高效、高均勻脈沖加熱系統，提出新型復合脈沖燃燒控制技術

為滿足鋼板橫向-縱向加熱均一、加熱工藝高精度制定及實現、高效節能等生產及研發需求，深入研究高溫熱處理爐燒嘴特性及其布置對燃燒加熱均勻性和爐內熱平衡的影響，通過建立基于FLUENT的明火固溶爐數值仿真平臺，開發數值分配優化技術。為獲得最優的燒嘴分布方案，分析得出最佳的水平脈沖射流形成的旋流場，實驗獲得脈沖射流速度、射流頻率、射流火焰長度等系列工藝參數對均勻加熱的影響機制，如圖1所示。開發了板材在爐內熱處理全過程溫度歷程預測及評價技術，為特種鋼板高均勻熱處理加熱奠定了重要技術基礎。

基于高精度均勻化脈沖加熱技術，集成開發出基于水平脈沖射流的最優分布的成套燒嘴系統，實現板材加熱均勻化，使爐溫均勻性更高的同時提高換熱效率。開發出新型復合式燃燒控制技術，建立了新型復合式脈沖燃燒控制策略，根據負荷需求量或變換燃燒（脈寬）時間，或變換燃燒停止（消隱）時間，進而計算整個脈沖周期，實現全負荷范圍的高精度控制和高效、高均勻性換熱。研發的新型脈沖燃燒控制技術可以使得溫度控制精度達到±3℃以內，響應速度更快，抗干擾能力更強。

2.1.2研制出新一代無結瘤、耐高溫、長壽命、低成本爐底輥，開發出特殊鋼板表面質量控制技術

特種鋼板固溶處理時，爐溫一般超過1100℃，輥底式熱處理爐的輥必須具備耐熱溫度高、高溫承載力強的性能。傳統輥底爐采用耐熱合金爐輥，這類爐輥生產中極易結瘤，結瘤物粘附在爐輥上不易脫落，造成鋼板產生凹坑、麻點、擦劃傷等缺陷，不僅破壞產品外觀形象，還帶來巨大的人工修磨工作量；此外，耐熱合金爐輥造價高，僅爐輥一項就可占整體輥底爐全部價格的20%-30%，直接增大了熱處理爐的投資。為解決該問題，項目完成單位通過對結瘤物形成機理以及成分構成進行分析，提出研制新一代高溫耐磨纖維爐輥以及開發板材高表面質量控制技術。研發內容涉及纖維輥強度及穩定性設計、纖維輥硬度及耐磨性調優、纖維輥冷卻技術、鋼板表面氧化皮抑制技術以及爐內氣氛精確控制技術。

纖維輥強度及穩定性設計。鋼板熱處理品種和規格多變，加之爐內氣流擾動、輥道速度實時大范圍調整等因素，對爐輥強度及運行穩定性提出了嚴峻考驗。針對纖維輥生產時易產生的纖維片脫落、輥體鼓脹和輥身裂紋等問題，創新開發出環形鋼片“魚骨式”結構、纖維片快速壓裝裝置和纖維輥快速換輥機構，顯著提升了輥身強度和耐用性，簡化了纖維輥壓裝和更換流程。

纖維輥硬度及耐磨性調優。對比分析不同纖維片配方對纖維輥高溫狀態下硬度及耐磨性的影響，不斷優化纖維片成分及配比，減少鋼板氧化皮壓入，提高爐輥使用壽命。通過實驗室測試和生產測試結合，開發出平均壽命長達5萬噸/根的爐輥。開發的爐輥如圖2所示。

研制的新一代爐輥替代了傳統的耐熱合金爐輥，顯著提升了產品質量，降低了熱處理爐裝備的投資及維護費用。爐輥首次投資成本降低70%，成套設備投資成本可節約20%。同時這種爐輥絕熱性好，大大降低了熱負荷需求，節省了能源介質消耗。

2.1.3研制出高溫輥底式熱處理爐成套裝備，建立了系統的特殊鋼板高溫熱處理工藝制度體系

針對特種鋼板輥底式熱處理爐成套裝備集成開發技術難點，基于高效、高精度脈沖加熱技術及系統，開發與之匹配的燃氣與空氣系統裝置集成、密封保溫裝置集成、多傳動變頻同步系統等成套裝備技術，形成整套專利技術和專有技術訣竅。開發的燃燒介質供給系統采用總路自保壓裝置與支路調壓裝置結合，通過熱值儀檢測熱值波動調整支路燃氣流量，同時設計裝置可實現根據負荷變化提前控制空氣管路的流量前饋調整，從而保證壓力恒定。針對混合煤氣熱值波動嚴重等問題，開發了自適應空燃比調整手段，實現燒嘴穩定燃燒時最佳空燃比自動精確調節，確保了不銹鋼板材加熱質量的穩定性。

高溫熱處理爐的爐體密封性是爐子保溫設計中非常重要的環節，直接影響爐內燃料消耗及鋼板的熱處理質量。項目研發了高溫固溶爐的爐殼分體制備技術、爐殼防膨脹松動技術以及爐門雙室隔離技術。1200℃時爐壁溫升小于40℃，為保證爐內溫度均勻性、提高熱處理爐效率提供了很好的保證。為保證輥底式高溫熱處理的密封性、保溫性，降低因爐內壓力高造成的熱量損失，研發了微正壓控制技術。開發出以爐膛壓力控制為內環、排煙引射控制為外環的雙閉環排煙自動壓力控制技術，解決了排煙手動控制時爐壓波動大、煙氣溫度過高等問題，顯著降低煙氣波動對爐體密封性影響和燒嘴燃燒效率的影響。

基于上述關鍵裝置集成開發的高溫輥底式熱處理爐由爐體、加熱系統、燃氣系統、助燃空氣系統、排煙系統、輥道系統、冷卻水系統等部分組成，采用明火加熱方式。燃氣使用高焦混合煤氣，燒嘴為自身預熱式低NOx燒嘴，排煙方式為單燒嘴100%引射排煙+輔助旁通排煙。爐內輥道單獨傳動，可實現工藝路徑靈活控制，如圖3所示。

研制裝備通過集成均勻化加熱控制方法、工藝智能化控制系統，形成了大型高溫輥底式熱處理爐裝備設計、工藝調試、模型開發等設計制造規范。研發裝備解決了傳統高溫輥底爐的薄規格板加熱易變形問題，滿足了特殊鋼板材多樣化熱處理工藝的需求。

2.2極限規格鋼板輥式淬火裝備技術

極薄、超寬、特厚等極限規格熱處理鋼板，是熱軋鋼板中的高附加值產品，廣泛應用于機械化工、水電核電、海洋工程、國防軍工等領域。此類鋼板單重大、寬厚比大，其高強度、高均勻性淬火是行業公認的技術難題。通過理論及實驗研究，結合工業化實踐，創新開發出極薄、超寬、特厚鋼板高平直度、高均勻性淬火工藝技術及裝備，形成了系列創新成果。

中厚鋼板高強度均勻化淬火的關鍵在于開發冷卻能力大且冷卻介質均勻分布的噴嘴結構。但由于流速較高（25m/s），湍流流動形態復雜，大型超寬噴嘴（最寬達5m）研發十分困難。基于有限元模擬，系統分析了大型噴嘴進水方式、均流裝置、噴嘴形狀等結構參數對介質流量分布的影響，開發出具有自水冷和多重阻尼的整體超寬狹縫式噴嘴、內嵌式多排傾斜高密圓孔噴嘴、內嵌式多排弧面多角度傾斜高密圓孔噴嘴等系列高性能射流噴嘴，滿足了1.5-300℃/s冷速范圍內高均勻性淬火需求。

開發出柔性化冷卻系統，具備冷卻區長度方向流量分區控制、噴嘴寬向多腔體獨立供水控制、噴嘴寬向水凸度控制、鋼板頭尾流量特殊控制等功能，實現整板長度方向、寬度方向的冷速和冷卻均勻性可控，不僅能夠實現復雜的熱處理工藝過程，還實現了節水、節能，滿足了不同規格、鋼種熱處理對冷卻制度和冷速的需求，實現了按工藝路徑冷卻。

研制成功系列多功能中厚規格鋼板輥式淬火成套裝備及配套水處理系統，適用于3-300mm厚、最寬5m、最長26m的碳素鋼淬火及NAC、不銹鋼固溶、高溫合金熱處理等工藝需求，成為我國中厚鋼板熱處理線上的主流淬火裝備。

系統研究了鋼板淬火溫降過程中組織演變規律，以及熱應力和組織應力相互作用對淬火殘余應力和畸變的影響規律，開發出鋼板寬向水凸度控制和縱向自由冷卻單元控制的流量分區控制技術、冷速動態高精度調控及冷卻參數快速響應技術、鋼板上下表面非對稱冷卻技術、應力演變及殘余應力控制技術、全流域殘水控制技術等核心技術，在國內首次實現3-10mm極限薄規格鋼板連續穩定生產，如圖4所示，解決了傳統薄鋼板淬火后產生的叩頭叩尾、橫/縱向瓢曲、中浪、邊浪等板形問題。

針對傳統輥式淬火機高壓段瞬時冷卻能力不強、常壓段持續冷卻能力不強等問題，系統開發出高壓高強度快冷技術、冷速大范圍調節技術、冷卻路徑控制技術、低壁面溫度持續冷卻技術等淬火技術。鋼板在高壓區大冷卻強度下大幅提升厚向溫度梯度；在常壓區持續強制表面換熱，大幅提升心部冷速和厚向冷卻均勻性。與傳統淬火相比，厚規格鋼板心部冷速提高1倍以上，目前300mm級大斷面超厚鋼板連續輥式淬火裝備技術已成功在河鋼舞鋼投產，高品質厚規格鋼板生產提供了必要條件，如圖5所示。

2.3高精度中低溫回火爐技術和裝備

極薄高強鋼板強度和硬度高、板形要求高，我國依賴JFE、SSAB等公司進口。為獲得較高強度，此類鋼板需進行回火處理。但國內輥底式低溫回火爐控溫精度僅為±15℃，無法滿足高強薄板±5℃以內的溫度均勻性要求。

高速熱風循環加熱方式是有效的解決途徑。回火爐采用強制對流加熱技術，加熱過程中高速的爐氣直接沖擊金屬進行加熱，輔以特殊的爐型結構將與鋼板熱交換過的爐氣回收加熱，形成爐內氣流的高速循環。

針對強制對流加熱的技術特點，研究了不同溫度下爐內熱交換過程和強制對流加熱條件下鋼板的加熱規律，利用有限元模擬仿真爐氣導流、均流系統，分析裝備結構參數、氣流壓力和流量等對均流的影響，優化了爐內熱空氣導流、均流裝備結構，新型的集氣室結構設計使氣流流動過程中的能量損耗小、各噴箱處的氣流壓力均勻。建立了在線鋼板溫度實時跟蹤和基于灰色異步粒子群加熱優化的工藝數學模型及數據庫。通過對爐內熱交換的研究，確定了鋼板換熱的特性，建立了鋼板外部綜合傳熱熱流計算模型。利用工業試驗，確定了爐膛總括熱吸收率計算模型。為使爐溫接近真實，建立考慮爐段間溫度耦合的爐膛溫度計算模型。在此基礎上，建立了在線加熱數學模型，實現了出爐測量溫度與計算溫度的相對誤差在1%以內。

針對鋼板加熱優化目標的多維性，提出灰色關聯分析法GRA與異步粒子群算法APSO組合，建立了高溫固溶爐的灰色異步粒子群加熱優化策略。所建策略繼承了GRA高維多目標決策和APSO并發求解的能力，為熱處理爐加熱優化提供了新的求解方法。結合高精度回火爐設備特點，建立了爐溫設定和板速設定動態優化補償策略，實現了加熱規程的優化，有效保證了鋼板出爐溫度命中率。

最終形成了具有特色的高精度回火爐裝備：高速熱風強制對流加熱，低溫時換熱效率高，加熱均勻；加熱溫度范圍100-600℃，100-300℃加熱均勻性好，升溫速度快；爐溫控制精度±3℃之內，爐溫均勻性±3℃之內；加熱器可采用燃氣燒嘴或電加熱器，加熱后鋼板表面質量好，滿足高性能鋼材高品質、高效率、低能耗、低成本生產的需要，如圖6所示。

2.4調質鋼板組織調控與高端產品開發

針對熱軋鋼材形變和相變過程組織調控方法獨立、手段單一、強度和韌性難以同時提高的行業共性問題，率先提出晶粒細化、析出粒子納米化、相變柔性化調控原理，開發成功“溫控-形變”耦合高滲透性軋制技術，發展了細晶、析出和相變的綜合強韌化理論，創建了連鑄-軋制-熱處理全流程組織控制方法、析出物控制方法、力學性能控制方法和組織性能預測方法。成功開發出系列高等級減量化鋼鐵材料熱軋及熱處理產品，包括：

1）在常規C-Mn鋼中加入少量Cr、B元素，建立低成本成分體系，開發出100mm厚以下高韌性型、抗高溫磨損型、納米析出型等系列低合金耐磨鋼板NM360-NM600，其典型組織為回火馬氏體+殘余奧氏體+納米碳化物析出，耐磨性能是同級別瑞典SSAB的1.3倍、德國Dil l ingen的1.7倍，性能均勻性是日本JFE的2.77倍，滿足了嚴寒、高溫等特殊工況條件下的使用需求，應用于大型挖掘機、盾構機和掘進機等裝備關鍵部件制造，填補了國內空白，如圖7所示；

2）開發出系列100mm厚以下高級別（屈服強度最高達1300MPa）結構用鋼，Q960級典型熱處理組織為回火索氏體+大量納米碳化物組成的多相組織，Q1300級典型組織為回火馬氏體+殘余奧氏體+大量納米碳化物組成的多相組織，成品力學、焊接、成型性能達到或優于瑞典SSAB同級別鋼板水平，滿足了大噸位起重機、混凝土泵車等高端工程機械設備制造的需求，打破了SSAB長達20余年的壟斷局面，并成功的出口到歐美等發達國家和地區，如圖8所示。

3）開發出系列高強度海工特厚鋼板和大線能量焊接鋼板，突破國產化生產、應用瓶頸，成功應用于全球最深半潛鉆井平臺、南海荔灣油氣田、國產二代破冰船、國產大型水面水下艦艇等重點工程關鍵裝備上。

3 結語

基于中心產學研開發平臺，東北大學先進軋制與熱處理團隊研發成功系列鋼板離線熱處理成套技術與裝備，開發出海工、能源、工程機械等系列高等級鋼板產品，填補了國內空白，滿足了重點領域對高端特種鋼板的需求，提升了國家自主保障能力。