钢材热轧过程中，轧件内部组织结构演变、表面氧化行为与轧制负荷之间相互影响、相互作用，是一个“牵一发而动全身”的复杂非线性黑箱系统。如何破解热轧过程黑箱，综合提高钢铁产品质量水平，一直是钢铁领域的世界性难题。刘振宇教授团队在深入挖掘热轧工业数据基础上，将轧制工艺学与物理冶金学实验数据通过AI算法融入热轧大模型开发之中，建立起综合反映热轧全流程组织演变、表面氧化及力能参数变化的“形-性-面”一体化生成式大模型，实现热轧生产过程“黑箱变白”。通过工艺参数全局寻优并在实际生产中迭代优化，实现了热轧过程氧化铁皮厚度与结构演变、显微组织演变及道次轧制力的精准计算，为热轧板带材生产过程组织性能优化、表面质量提升及轧制载荷及尺寸控制的全局一体化调控提供了新的技术方案。

1.1 显微组织与界面状态的数字孪生及轧制力预报

针对国内外轧制力预测模型精度基本已达极限、难以进一步提升的问题，项目团队充分考虑轧件内部组织结构及轧辊与轧件界面状态等影响因素，对热轧过程中可实时、精准检测的轧制力进行系统训练和学习，开发了热轧过程“形-性-面”耦合机器学习框架，精准解析了轧制过程再结晶、析出、氧化等物理过程。基于某宽厚板生产线，由于热轧大模型充分考虑了热轧生产过程中轧件的内部组织结构和表面氧化行为，因此其轧制力预报精度较国际通用模型高出一倍以上，为宽厚板生产过程中的道次负荷分配和轧制温度的制定奠定基础。

1.2 船板钢组织性能与表面质量一体化控制

针对高强船板钢力学性能、内部组织结构和表面质量难以综合提升的问题，项目团队采用热轧大模型优化了高强船板钢的生产工艺，在我国典型宽厚板生产线上生产出表面性能优异的海工钢及工程机械用钢等产品。钢板表面氧化铁皮厚度降低至 20-30μm；与常规工艺相比，表面氧化铁皮与钢板的界面平直度大大提高，使抛丸处理后钢板的表面缺陷率与常规工艺相比降低75%以上；产品的表面质量明显提高，修磨率降低至 1%以下，而国内外同类产品的表面修磨率均在 2%以上。与此同时，消除了钢板显微组织中的带状组织，提高了钢板力学性能均匀性，为用户提供了“内外兼修”的高品质原材料。

1.3 700MPa级Ti微合金化超高强钢性能稳定性控制

针对700MPa级超高强钢性能波动大的问题,项目团队依托于某企业2250mm热轧生产线，利用热轧大模型动态调整轧制或冷却工艺，通过在过程机中不断寻优，实现了“反馈-计算-决策-控制”完整循环的轧制工艺动态优化，提高了700MPa级超高强钢性能稳定性。图1示出的是基于热轧大模型的700MPa级Ti微合金化超高强钢性能稳定性控制成效。由图1可知，经过工艺动态优化后，屈服强度波动降低67%，抗拉强度波动降低64%，延伸率波动降低55%。

1.4 中厚板高效轧制工艺开发与应用

针对高钢级管线钢中厚板加热温度高、能耗大、中间坯待温时间长及轧制效率低等问题，项目团队采用热轧大模型，围绕中厚板生产流程开发了高效轧制工艺。通过热轧大模型全局优化，在力学性能和道次轧制负荷保持不变的基础上，使管线钢粗轧/精轧之间的待温时间缩短近25%。工艺改进后，粗轧待温时间及轧制总时间可分别缩短约90s和100s，铁素体晶粒尺寸由9.5μm细化至8.2μm，析出相尺寸由5.9nm细化至2.8nm。工艺优化后，产品总强度基本不变，延伸率和-20℃冲击功有所提升，所有力学性能指标均满足客户要求。

1.5 余坯利用与轧制工艺柔性化设计系统

针对宽厚板余坯降级处理造成经济损失、炼钢-连铸工序组织管理复杂的问题，项目团队基于热轧大模型开发余坯利用与轧制工艺优化设计系统，实现了板坯的柔性化轧制。针对典型钢种，在相同成分体系下实现了跨厚度和跨强度级别的轧制工艺柔性化设计，实际生产中产品力学性能合格率为100%，年减少超过60余次的小浇次出钢，从而在生产中初步实现了以大浇次出钢为主的“大规模定制化”生产。

随着钢铁产业和制造业高端绿色化需求，中厚钢板产品不断向高强韧、厚规格、易焊接、免预热、耐腐蚀等方向发展。东北大学和南钢依托国家重点研发项目，开展“产学研用”合作，系统研发了以氧化物冶金为核心的共性技术，全面提升中厚板焊接性、耐酸腐蚀性、低温韧性等关键性能，建立了高强高韧钢铁材料氧化物冶金工艺体系，形成了复合氧化夹杂物成分一体化工业控制技术。

2.1 基于强度匹配和合金元素脱氧时序控制的复合氧化物冶金技术原理

研究了氧、氮化物在冶炼过程中析出的热力学、动力学条件，揭示了微细氧化夹杂物的复合球化析出行为和形成规律，总结了复合氧化夹杂物的数量密度、尺寸和成分的演变规律，以及不同阶段生成的复合氧化夹杂物对AF形核的影响。不同取样阶段典型夹杂物的形貌特征如图2所示。本项研究针对不同钢种性能需求实现个性定制化的复合氧化夹杂物粒子设计和控制，明确了特定氧势条件下Ti、Ca、Mg、Al、Zr、RE、B等元素添加时序性，阐明了夹杂物微细化、复合化、球状化、弥散化控制的关键共性技术原理，开发转炉冶炼、LF精炼、RH精炼和连铸全流程一体化氧化物冶金控制技术，实现具有高温热稳定性的复合氧化夹杂物粒子在钢中基体细小弥散分布，其中小于2µm尺寸比例大于90%。

2.2 亚微米尺寸大基数复相氧化物诱导异质形核的耐大热输入焊接技术

针对高热输入焊接钢种，形成以MgO-Al2O3为核心外层包裹TiO2-MnS-CaO-TiN的典型复合氧化夹杂物体系，明确典型复合氧化夹杂物与AF间的晶体学关系以及夹杂物周围奥氏体稳定元素的溶质分布状态，揭示溶质贫乏及低能共格界面诱导晶内异质形核机理，掌握亚微米尺寸大基数复合氧化夹杂物诱导生成具有大角度晶体取向的细密针状铁素体的控制方法。解决低碳高强钢HAZ在大线能量条件下发生组织粗化、韧性恶化的核心难题。实现在700kJ/cm超高热输入条件下，船舶海工钢EH40焊接接头热影响区-40℃低温韧性≥80J，提升焊接效率8倍以上。

2.3 研发基于调控裂纹源质点和不可逆氢陷阱密度的高韧耐蚀材料研发工艺

针对高韧耐蚀管线钢，冶炼改性传统夹杂物CaO-Al2O3，减少因大尺寸硬脆类夹杂物导致的裂纹源产生，结合TMCP工艺控制多相组织比例协调加工变形能力，具有小尺寸铁素体晶粒和大角度晶界占比的基体组织为裂纹扩展提供有效的阻碍作用。阐明通过夹杂物改性提高不可逆氢陷阱密度改善钢材耐硫化氢腐蚀机理，提升耐硫化氢腐蚀性能和延迟断裂性能。解决管线钢在大变形条件下韧性不足、在服役过程中耐腐蚀性能不足的问题，实现X70MS管线钢在氢致开裂实验中裂纹长度比、裂纹厚度比和裂纹敏感比均为0，焊接HAZ冲击韧脆转变温度＜-60℃。

基于上述研究成果，先进热轧工艺、装备及产品方向研究成果获中冶集团科学技术一等奖1项、省部级科技进步二等奖5项；发表学术论文89篇，其中62篇被SCI收录、TOP论文16篇；申请\授权发明专利共计35件。2023年度本方向新签科研项目30余项，合同额4.77亿元，科研进款1.12亿元。