先进实验设备研发与产业化实践

 轧制技术、装备和产品研发创新平台是集轧制工艺、中试理论、数据分析、数学模型、自动化控制和推广应用等集成化中试研究技术的结合，是衡量一个国家钢铁生产水平和科技研发能力的重要标志。我国钢铁工业在取得了举世瞩目成就的同时，也面临着很多问题，如高端技术、高端产品和先进生产装备长期依赖进口，缺少自主创新；产品结构不合理，同质化问题突出；钢铁生产资源消耗大、环境污染严重、成本高等。产生上述问题的一个重要原因是钢铁企业的自主研发能力薄弱，创新能力不强。尤其是用于工艺、装备研究和产品开发的实验设备非常落后，严重制约了企业的自主研发能力。缺少实验研究设备是我国钢铁行业的共性问题。
由于缺少实验研究设备，企业为了开发新钢种，新工艺，不得不在生产线上开展研究工作，这不仅影响生产，而且由于生产线设备复杂，工艺参数调整不灵活，实验条件控制困难，实验准备周期长，用料量大，造成研发工作效率低、周期长、成本高。不仅如此，当开发新产品所要求的工艺参数和设备功能超过实际生产装备的能力时，研究工作根本无法开展。为此，人们期望用几十公斤的试样代替几十吨重的实际板坯，将庞大、复杂的生产工艺装备浓缩到系列化的实验设备上，在实验设备严格控制的实验条件下，模拟实际工业生产过程，获取最接近于工业化的工艺条件、材料变形、组织转变、力学性能之间的影响规律，从而获得可直接转化为生产的研究成果。这种研发方式必然大幅提高研究水平、缩短研发周期、降低研发成本，让研究成果迅速转化为生产力，提升企业的核心竞争力。
由于实验条件和工艺研究设备在轧制技术研发中的重要性，欧洲、日本和韩国的著名钢铁公司和研究机构很早就建立了各自的实验研究设备。但是，由于这些实验设备建设较早，限于当时的生产条件和控制水平，大多已难以满足当今技术和产品开发的需要。近年来，欧洲在研究工作中采用板坯镶嵌试样的方法在工业轧机上进行热轧实验，就反映出发达国家在实验研究手段方面所处的窘境。我国轧制实验研究装备的建设起步较晚，在上世纪只有少数钢铁企业有一点初级的实验设备，多数企业在实验研究设备方面处于空白。研究机构和高校的实验设备则更加落后。
正是在这样的背景下，东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室（RAL）于上世纪九十年代末提出了轧制技术研究装备开发这一课题，成立了轧制技术中试研究创新团队。自1997年到现在，这个中试研究创新团队在学术带头人王国栋的带领下，通过与鞍钢、宝钢、首钢、济钢等国内钢铁企业合作，联合攻关，开发出集热轧实验机组、温轧-冷轧实验轧机、热模拟试验机、多功能连续退火实验机和热镀锌试验机等一系列企业研发急需，支撑企业自主创新的实验研发技术和实验设备。目前，已形成了功能完整、技术先进、覆盖钢铁生产流程的轧制技术、装备和产品研发创新平台，创新平台主要实验设备如图1所示。这些中试技术和研究设备为解决我国钢铁行业自主研发能力薄弱，研究手段匮乏，实验设备落后等共性问题奠定了坚实的基础，在钢铁行业获得高度认可。已经推广应用到鞍钢、宝钢、首钢、太钢、武钢、包钢、河北钢铁和台湾中钢等17家国内外著名的钢铁企业，为解决企业发展中的技术难题，开发新钢种、新装备和新技术，提升企业的自主创新能力，增强企业的核心竞争力做出了重要贡献。
东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室中试研究创新团队的科研创新实践证明：科研仪器与装备的创新，是产生重大原创性科技成果的基础。他们真正探索出一条从基础研究→技术开发→工程应用→行业推广，由科技研发到成果产业化过程的高校与企业的产学研科技创新之路。
2热轧实验机组
自1997年开始，东北大学就根据企业研发的需要，为鞍钢建设了国内第一套大型热轧实验轧机。此后东北大学与企业合作，不断改进创新，2003年以来在宝钢研究院、首钢研究院、太钢技术中心等钢铁企业建成了国内外功能全面，技术先进的热轧实验机组。高刚度热轧实验轧机是用于中厚板和热连轧生产轧制过程的中试研究设备，可以实现与生产现场坯料同样厚度的轧制压缩比；轧机具有异步轧制、机架间冷却和大范围冷却速率控制，不同冷却方式组合可以形成新的冷却路径，实现控轧控冷热轧工艺。
热轧实验机组工艺设备主要包括试样加热炉、高压水除鳞装置、二辊可逆高刚度轧机、组合式控制冷却系统、轧后感应加热在线热处理系统、模拟卷取炉、高精度的数据采集以及自动化控制系统等。开发的轧机刚度达7MN/mm，最大轧制力10000kN，满足高强度钢、大压下和低温（～600℃）轧制等研究工作的要求。轧机的来料厚度最大为300mm，与生产现场的最大连铸坯一致，可以实现生产轧机的轧制压缩比，使实验结果可以直接转化到实际生产上，这是国内外其它实验轧机所不具备的特点。根据需要，轧机还配备了异步、异径辊系和轧辊轧向偏置控制楔形板机构，可以实现中厚板和热连轧的异步轧制，使轧件发生强烈的剪切变形，细化晶粒，提高轧件厚度方向的组织均匀性和材料的冲击韧性，同时还能保证良好板形。轧机具有机架间冷却功能，可以随时对轧件进行冷却，控制析出等组织转变。上述异步轧制和机架间冷却功能对材料性能的提高和轧制工艺的创新具有十分重要的作用。利用异步热轧机的强塑性变形方式应用于钢铁材料，制取超细晶钢。异步热轧在压缩变形的同时增加附加剪切变形，增加了滑移系，在低温、大变形条件下可获得使晶粒明显细化，异步轧制成为具有大工业生产超细晶组织的有效强塑性变形方式。轧机装备了高水平的自动化系统和高精度的传感器，利用磁致伸缩技术开发了高精度的数字式线性辊缝仪，通过辊缝的测量间接测量试件的厚度，成功地解决了实验轧机短坯料厚度测量的难题，实现了高精度的液压厚度控制（AGC）。
轧后控制冷却系统，包括了层流、水幕、气雾和超快速冷却方式。不同的冷却方式可以柔性组合，形成不同的冷却路径。冷却速率范围覆盖空冷到淬火，最大达400℃/s（3mm厚试样）。冷却速度以及开冷和终冷温度可跟据工艺要求灵活调整和精确控制。在线中频感应加热装置，可以依据需要进行轧件提温和轧后在线回火等热处理实验研究。上述组合式控制冷却技术是本机组所独有的，在创新轧后冷却工艺，开发新钢种方面具有不可估量的
技术创新作用。东北大学利用上述实验研究设备开发出新一代TMCP技术，并广泛应用到鞍钢、首秦、酒钢、涟钢等企业。
为了满足硅钢终轧温度高（930℃），产品规格薄（2mm左右）的要求，我们还开发了专门用于硅钢热轧的快速轧机，本轧机采用双电机驱动，以减小转动惯量。采用全液压压下，提高轧制节奏。轧机前后增加电加热滑道，以减小轧制过程中的温降。由于采用了上述技术，保证了薄规格硅钢的终轧温度，满足硅钢，尤其是高品质取向硅钢研发的需要。该实验设备已在太钢和河北钢铁得到推广应用。
3温轧-冷轧实验轧机
根据冷轧产品开发的需要，东北大学自2004年开始，研发高刚度液压张力二/四辊可逆冷轧实验机，第一套冷轧实验轧机于2005年6月在东北大学RAL重点实验室研制成功。他采用独特的液压张力技术和高效率的楔形液压自动夹持装置，实现了单片带钢试样自动夹紧和带张力可逆轧制。采用了多辊径工作辊辊系，以适应不同现场冷轧工艺需要。开发了独特的工作辊水平稳定化技术，利用支撑辊对工作辊的侧支撑作用，有效防止工作辊侧弯，对硬而薄的带钢可以实现大压下、稳定化、优良板形的轧制过程。二/四辊可换工作模式，实现了冷轧过程的轧制和平整的工艺需求。
近年来，为了满足难变形金属材料特殊轧制工艺需求，采用试样在线电阻加热专利技术，开发出独具特色的带张力温轧轧制工艺，利用电阻加热的方法直接加热轧制中的带钢试样，按照温轧工艺实现恒温轧制，这是冷轧实验轧机具有的独特功能，其在难变形金属以及脆性较大的硅钢等钢种的轧制工艺中具有重要的作用，这一功能极大地扩展了实验机的研究范围。温轧机主要用于汽车板、电工钢、高强钢、精冲钢以及钛、镁基合金等难变形材料的温加工和冷加工，温轧技术的开发对金属材料特种轧制工艺性能研究和高端产品开发有着其他实验设备无法比拟的技术研究优势。利用温轧技术在RAL实验室里成功轧制出含6.5%Si的硅钢，成品试样的尺寸为0.27mm′120mm′800mm（厚′宽′长），这是目前国内在实验室制备出的最大6.5%Si硅钢样品。独具特色的连续带张力温轧轧制工艺，解决了难变形金属材料的薄带材轧制难题。目前，高刚度液压张力二/四辊可逆温轧-冷轧实验轧机已经在鞍钢、太钢、武钢、宝钢、包钢等企业技术中心和研究院所推广应用。
4带钢连续退火模拟试验机
冷轧带钢连续退火模拟实验机是用于冷轧产品连续退火工艺研究的实验设备。冷轧带钢连续退火工艺的核心是控制升温速率和控制冷却技术，冷轧产品的组织和力学性能主要是通过控制冷却获得的。利用低电压、大电流变压器实现试样的快速电阻直接快速加热技术，最大速率达300℃/s。硅钢、高强度钢等材料在退火过程中的快速加热，可以大幅度提高再结晶的形核率，细化晶粒组织，提高材料的电磁性能和力学性能。本实验机在一套冷却设备上实现了喷气和喷雾两种冷却功能，冷却速率连续可调。在带钢试样冷却方式上实现了细腻化的冷却控制，有小电流加热缓冷，自然冷却，氮气喷吹冷却，氮气氢气混合喷吹冷却，喷氢冷却和氢气/氮气＋水喷雾冷却等多种方式，可以实现5-600℃/s范围内的冷却速率连续改变。冷却方式、冷却速率和冷却路径控制，灵活的冷却方式和宽广的冷却速率为连续退火冷却技术的研究提供了强有力的手段，对高强钢等的钢种开发具有非常重要作用。提出了单工位的设计思想，克服了国内外同类设备多工位结构，试样需要移动来实现加热、冷却、过时效等工艺过程的缺点，使设备结构大大简化、成本降低。由于单工位的炉体设计，使本实验机针对600mm长，300mm宽的试样，实现了保护气氛退火，其意义在于不仅为带钢退火的表面质量研究提供了手段，而且也为后续的纵横向力学性能测试的取样以及深冲成形性能的研究提供了尺寸足够大的退火原板带材。
该实验机在2005年初开始研制，第一台设备于2007年6月在宝钢股份不锈钢技术中心通过验收。目前，该实验机已经推广到太钢技术中心、包钢技术中心、河北钢铁研究院等钢铁企业。
5多功能退火实验研究装备
硅钢是电力工业的重要原材料，是我国近年着力开发的新钢种。由于硅钢的生产过程技术复杂，精准化的连续退火过程是决定硅钢带材产品质量的关键工艺设备，国外对我国一直严密封锁。所以，开发工业化的实验研究设备十分重要。它主要用于硅钢连续退火过程材料组织演变和性能控制的研究，可以用于取向硅钢的中间退火、脱碳退火以及无取向硅钢的再结晶退火实验，考虑到低温加热生产取向硅钢的需要，还可用于渗氮研究，同时也可用于普碳钢和低合金钢等钢种的开发以及连续退火工艺的研究和优化。
为了研究取向硅钢的连续退火工艺，开发高品质取向硅钢产品，我们先后开发了硅钢连续退火实验机和多功能硅钢退火实验机，分别如图6和图7所示。硅钢连续退火实验机作为硅钢生产工艺实验研究设备，采用长试样连续式的设计方案，可以完成成卷硅钢的脱碳、还原、渗氮和冷却的连续退火工艺。该实验机组采用创新的组合式多炉腔炉体结构，整个退火炉由7个独立控制温度和气氛的炉腔构成，各工艺段的加热温度和气氛可以按工艺要求独立控制，相邻炉腔之间采用“双辊密封+中间排气”的隔离装置进行气氛隔离。加热、脱碳、还原和渗氮四个工艺段可根据各自退的火工艺时间需求， 通过炉腔之间隔离装置的打开和关闭实现组合，因此退火时间则通过改变各工艺段的长度来进行调整。上述组合式炉体结构设计和实施，解决了固定长度工艺段退火炉无法调整各工艺段退火时间的问题。而多功能硅钢退火实验机采用真空插板阀隔离装置实现3个炉腔绝对的退火气氛隔离，可针对单片硅钢试样进行固溶、常化和连续脱碳、还原和渗氮热处理，加热最高温度达到1370℃。
多功能退火实验研究装备不仅实现了取向硅钢脱碳、还原和渗氮退火工艺过程，还具备高温固溶退火以及常化热处理等功能，涵盖了硅钢生产过程中连续退火等全部热处理工艺过程的实验研究需求。
上述中试研究设备的研制与开发，已形成集热轧、控冷、温-冷轧、热模拟、多功能连续退火和热浸镀模拟试验机等实验设备，涵盖全部钢铁生产轧制过程的技术、装备和产品研发创新平台。标志着我国中试研究设备研制与开发向着系列化、示范化和服役实用型发展。通过中试研究创新性工作，建立了东北大学与钢铁企业产学研校企联合科技攻关开发实验研究装备的科技创新机制。为我国冶金装备研制、新型金属材料开发提供了有效的研究手段和科技创新空间。