论人工智能真空感应悬浮熔炼航母特种钢
李万鸿2017-10-23
这个时代是在钢铁、电子和it基础上运行的，钢铁是国民生产、生活的支柱。中国的低合金特种钢主要靠进口，但制造航母的特种钢根本被封锁，我们必须自强不息自力更生，自己动手丰衣足食。低合金特种钢具有高强度、耐腐蚀、高韧性、高硬度耐强烈冲击和高摩擦力等特点，主要成分是高纯度钢+铜+锰+铬等合金。中国的钢产量世界第一，特种钢炼钢技术为什么不过关呢？中国钢质量怎么普遍不高呢？下面提出一个科学合理的方法解决此问题。
一．概述
目前世界上采用真空感应悬浮熔炼低合金特种钢的工艺和材料都是一样的，建国后中国的钢铁有了翻天覆地的飞跃，那么，为什么中国的特种钢就不过关呢？答案在于精度和纯度不够。如何解决？关键在于需要采用计算机控制，使用人工智能技术进行精准控制，确保合金的含量和钢的纯度与精度，具有巨大的军事和民用价值。
当今时代已进入人工智能时代AT，工业4.0、中国智造2025都体现了这一点，智能制造已成为时代的趋势，中国的制造业需要抓住这个机遇，实现一个质的飞跃，充分采用人工智能、传感器、物联网等技术，提高产品的精度与个性化定制，柔性高质量生产，这样才能走在世界前列。
中国的大数据、人工智能、传感器、物联网等技术世界领先，现在需要把这些技术与制造业结合起来，才能真正实现中国智造。以钢铁为例，中国生产的大多为粗钢，但精细化的特种钢却需要进口，尤其是航母用钢，如果采用人工智能技术，完全可以快速有效解决这个问题，实现完全国产。
二．架构设计
这是新一代人工智能真空感应悬浮熔炼低合金特种钢架构图，采用这种架构可以显著提升特种钢的质量。选用高质量的粗钢作为为原料，添加锰、铬、铜等合金，在人工智能的控制下，智能完成炼钢过程，通过传感器实时了解到炼钢过程的各个参数，在人工智能的控制下，自动设定温度，添加合金，进料、出料，然后淬火、回火、多次锻造。这是一个精度要求非常高的过程，单靠人力已无法完成，只有使用人工智能才能实时动态全程把控，充分获取各种参数，根据炼钢的规律，自动进行智能控制，从而高精准地保证钢的质量。
在电磁感应炉上有合金补充层、高速搅拌器层、搅拌器冷却层、电磁层，电磁层吸引钢，克服重力悬浮，高频交变电磁场在钢内形成强电流涡旋，电流使钢产生高温熔解。由于悬浮在真空中，因此没有任何杂质掺入钢中，保证钢的纯度。合金补充层补充铜、硅、锰、铬、钼等合金，搅拌器实时进行快速搅拌，高温使钢中的炭、氧、硫、磷、氮、铝等杂质气化，通过排气口排出。
搅拌器由耐高温的炭化铪制造，智能适时伸进钢水中进行高速搅拌，保证合金分布均匀，提升钢的质量。然后快速提升进行冷却。这个过程在2秒内完成，由于速度快，炭化铪搅拌器又乃高温，所以搅拌器温度没有升高多少，几乎不会发生熔解，所以不会掺入杂质，保证了钢的纯度。
炼钢到位后，钢水通过排料口排出，进行退火、淬火、回火、锻造。整个过程的设备操作都由人工智能自动控制完成，通过传感器获取过程的温度、电压、磁场、排出气体、合金数量的含量等参数，在人工智能分析计算后自动进行动作。
采用光谱传感器分析合金的比例，温度传感器掌握温度，其他传感器分别获取不同数据。通过对传感器获取各种数据的实时分析，精准控制温度和时间，精准控制操作流程，把握各种合金投放的重量，保证特种钢的合金成分，多次锻造千锤百炼，使钢晶粒变细，紧密结实，提高钢的纯度和精度，增强钢的强度、硬度、韧性、耐腐蚀性等特性，从而保证特种钢的质量。
HSLA 115钢的制造一个在于合金成分，一个在于加工工艺。合金太多会导致焊接困难，要把握好分寸。加工在于退火后低温锻造，回火后再用水淬火，生成双重奥氏体，提高韧性和强度。
为了提高耐腐蚀，采用激光打印在钢板的表面喷上一层4氧化3铁，这样可以耐海水和空气的氧化，简单有效。
这个架构设计科学合理、简单实用，完全可以炼出满足航母需要的特种钢，成本低、质量好，性价比高，还可以完成其他各类特种钢的炼造。。
三．技术分析
1.人工智能技术。
采用神经网络深度学习算法如CNN、RNN、 CRNN等，建立炼钢模型，提供实验和生产的大量数据进行训练优化，完成一个具有高度智能的炼钢人工智能体系。对各种数据进行分析，掌握整个炼钢的各个流程动作，在人工智能的指导下自动完成各个操作，确保合金的含量精度，排出杂质提高钢的纯度，再智能掌握淬火和回火的温度，提高钢的结晶金相结构和力学性质，从而打造高质量的特种钢，满足军事和民用的需要，为中国的航母保驾护航，提供高质量的国产钢，还可以出口帮助其他国家，扬眉吐气。
2．合金的种类及比率
特种钢的关键在于所含的特种金属，如铜可以耐腐蚀、锰可以增加强度，铬可以增加硬度，钼、铪可以耐高温，那么如何确定该加入什么金属以及比例是多少？这是需要通过实验来完成的。采用人工智能大数据分析，可以有效地利用好各种数据，进行系统分析和比较，从而在减少实验次数和成本的情况下，提高实验效果，快速完成实验，获得理想的数据。
硅是半导体材料，加入硅后在海水和空气的侵蚀下，能有效防止钢形成电流，阻止钢发生电离，因此可以在钢中加入硅，起到防腐蚀的妙用。铪耐高温，可以加入提高耐高温特性。航母使用的特种钢分三种，1是飞行夹板钢，需要高强度耐高温，易于焊接，且保证焊接后的强度。2是武器系统的防护钢，需要坚硬耐高温，抗爆炸，类似坦克的装甲钢。3是结构钢，需要坚硬、强度高耐腐蚀。所有钢都需要轻、薄，减轻重量，提高机动性和速度，减少能源损耗。
为此，需要炼不同的特种钢，满足不同的需要。这些特种钢的成分都需要在实验中获取，采用人工智能大数据分析，然后用于生产，从而确保质量和稳定性。
主要合金元素对钢性能影响的有关说明
| 元素名称 |
对性能主要影响 |
| Al |
主要作用为细化晶粒和脱氧，在渗氮钢中能促成渗氮层，含量高时，能提高高温抗氧化性，耐H2s气体的腐蚀作用，固溶强化作用大，提高耐热合金的热强性，有促使石墨化倾向 |
| B |
微量硼能提高钢的淬透性，但随钢中碳含量增加，淬透性的提高逐渐减弱以至完全消失 |
| C |
含量增加，钢的硬度和强度也提高，但塑性和韧性随之下降 |
| C0 |
有固溶强化作用，使钢具有红硬性，提高高温性能、抗氧化和耐腐蚀性，为高温合金及超硬高速钢的重要合金元素，提高钢的Ms点，降低钢的淬透性 |
| Cr |
提高钢的淬透性，并有二次硬化作用，增加高碳钢的耐磨性，含量超过12％时，使钢具有良好的高温抗氧化性和耐氧化性介质腐蚀作用，提高钢的热强性，是不锈耐酸钢及耐热钢的主要合金元素，但含量高时易产生脆性 |
| Cu |
含量低时，作用和镍相似，含量较高时，对热变形加工不利，如超过O．30％时，在热变形加工时导致高温铜脆现象，含量高于O．75％时，经固溶处理和时效后可产生时效强化作用。在低碳合金钢中，特别是与磷同时存在，可提高钢的抗大气腐蚀性，2％一3％的铜在不锈钢中可提高对硫酸、磷酸及盐酸等的抗腐蚀性及对应力腐蚀的稳定性 |
| Mn |
降低钢的下临界点，增加奥氏体冷却时的过冷度，细化珠光体组织以改善其力学性能，为低合金钢的重要合金元素，能明显提高钢的淬透性，但有增加晶粒粗化和回火脆性的不利倾向 |
| Mo |
提高钢的淬透性，含量0.5％时，能降低回火脆性，有二次硬化作用。提高热强性和蠕变强度，含量2％～3％时，提高抗有机酸及还原性介质腐蚀能力 |
| N |
有不明显的固溶强化及提高淬透性的作用，提高蠕变强度，与钢中其他元素化合，有沉淀硬化作用，表面渗氮，提高硬度及耐磨性，增加抗蚀性，在低碳钢中，残余氮会导致时效脆性 |
| Nb |
固溶强化作用很明显，提高钢的淬透性(溶于奥氏体时)，增加回火稳定性，有二次硬化作用，提高钢的强度、冲击韧性，当含量高时(大于碳含量的8倍)，使钢具有良好的抗氢性能，并提高热强钢的高温性能(蠕变强度等) |
| Ni |
提高塑性及韧性，(提高低温韧性更明显)，改善耐蚀性能，与铬、钼联合使用，提高热强性，是热强钢及不锈耐酸钢的主要合金元素之一 |
| P |
固溶强化及冷作硬化作用很好，与铜联合使用，提高低合金高强度钢的耐大气腐蚀性能，但降低其冷冲压性能，与硫、锰联合使用，改善切削性，增加回火脆性及冷脆敏感性 |
| Pb |
改善切削加工性 |
| RE |
包括镧系元素及钇和钪等17个元素，有脱气、脱硫和消除其他有害杂质作用，改善钢的铸态组织，O．2％的含量可提高抗氧化性、高温强度及蠕变强度，增加耐蚀性 |
| S |
改善切削性。产生热脆现象，恶化钢的质量，硫含量高，对焊接性产生不好影响 |
| Si |
常用的脱氧剂，有固熔强化作用，提高电阻率，降低磁滞损耗，改善磁导率，提高淬透性，抗回火性，对改善综合力学性能有利，提高弹性极限，增加自然条件下的耐蚀性。含量较高时，降低焊接性，且易导致冷脆。中碳钢和高碳钢易于在回火时产生石墨化 |
| Ti |
固溶强化作用强，但降低固溶体的韧性，固溶于奥氏体中提高钢的淬透性，但化合钛却降低钢的淬透性。改善回火稳定性，并有二次硬化作用，提高耐热钢的抗氧化性和热强性，如蠕变和持久强度，且改善钢的焊接性 |
| V |
固溶于奥氏体中可提高钢的淬透性，但化合状态存在的钒，会降低钢的淬透性，增加钢的回火稳定性，并有很强的二次硬化作用，固溶于铁素体中有极强的固溶强化作用。细化晶粒以提高低温冲击韧性，碳化钒是最硬耐磨性最好的金属碳化物，明显提高工具钢的寿命，提高钢的蠕变和持久强度，钒、碳含量比超过5.7时，可大大提高钢抗高温高压氢腐蚀的能力，但会稍微降低高温抗氧化性 |
| W |
有二次硬化作用，使钢具有红硬性，提高耐磨性，对钢的淬透性、回火稳定性、力学性能及热强性的影响均与钼相似，稍微降低钢的抗氧化性 |
| Zr |
锆在钢中作用与铌、钛、钒相似，含量小时，有脱氧、净化和细化晶粒的作用，提高钢的低温韧性，消除时效现象，提高钢的冲压性能 |
注：各成分的含量皆指质量分数。
3.退火
退火、正火、淬火、回火是整体热处理中的“四把火”，其中的淬火与回火关系密切，常常配合使用，缺一不可。这些都需要在人工智能的指导下根据实验获取的科学数据决定如何完成这些过程，温度是关键参数。
将工件加热到适当温度，根据材料和工件尺寸采用不同的保温时间，然后进行缓慢冷却（冷却速度最慢）目的是使金属内部组织达到或接近平衡状态，获得良好的工艺性能和使用性能,或者为进一步淬火作组织准备。
4.正火
将工件加热到适宜的温度后在空气中冷却，正火的效果同退火相似，只是得到的组织更细，常用于改善材料的切削性能，也有时用于对一些要求不高的零件作为最终热处理。
5.淬火
工件加热奥氏体化后以适当方式冷却获得马氏体或贝氏体组织的热处理工艺。最常见的有水冷淬火、油冷淬火、空冷淬火等。可以试验干冰低温零下100度快速淬火，也许有奇特的效果，硬度、强度会大幅提升。
淬火的中、髙碳钢，组织中总含有少量残余奥氏体，在230〜300℃温度区间回火时，残余奥氏体将发生分解，分解时遵循与过冷奥氏体分解相同的规律，转变产物为α相与碳化物，其中。α相的含碳量与同温下的回火马氏体是一致的，因此统称为回火马氏体。碳化物的粒子有所长大，但仍是很细很薄的片，并与母体保持着共格关系。残余奥氏体在更高温度(如600℃左右）恒温分解产物应是珠光体，而在这两个温度之间也有一奥氏体分解的稳定区，回火过程未能完全分解的残余奧氏体在随后的冷却过程中有可能再一次转变为马氏体，这就是二次淬火现象。这对髙碳钢尤其是高合金钢的热处理工艺有很大的实际意义，生产实践中往往利用这一原理来进一步提高钢的硬度。
6.回火
为了降低钢件的脆性，将淬火后的钢件在高于室温而低于710℃的某一适当温度进行长时间的保温，再进行冷却，这种工艺称为回火。
钢中的残余奥氏体在回火加热、保温过程中不发生分解，而在随后的回火冷却过程中转变为马氏体或下贝氏体，这种现象称为二次淬火。二次淬火也是二次硬化的原因之一，但它与析出特殊碳化物的弥散强化相比，其作用较小，只有当淬火钢中残余奥氏体量很高时，其作用才较显著。
7.测试
特种钢炼完后，需要抽样检测，通过人工智能指导，获取检测参数，判断质量，对发现的问题和缺陷进行分析，找到原因，采取科学的办法，及时处理。并把获取的经验用到人工智能体系中，不断提高质量。
人工智能具有自学习功能，使用时间越久、次数越多，积累的数据越多，学习训练的效果越好，在生产中人工智能会不断学习，变得越来越有智慧，从而可以持续提高钢的质量。
美国最新的“福特”级航母使用HSLA 115钢材，这种钢材是在HSLA 100的基础上，改进热处理工艺而成，屈服强度达到794MPa。我们一定能造出远远超过HSLA 115钢材的神龙钢。
人工智能系统可以复用，迁移学习，稍加修改就可以使用到其他钢的生产，并形成一系列炼钢的人工智能专业系统，可以像ERP管理系统一样通用，并形成行业标准，提高这个产业的质量，节省成本，创造良好的经济效益。
四．焊接技术
1.飞行甲板焊接
钢铁的焊接很重要，好的焊接可以保证钢的强度等特性，而低质量的焊接会带来许多影响，焊缝附近的钢材，在高温作用下形成热影响区，使其金相组织和力学性都发生变化，导致材质局部变脆；焊接过程中钢材由于受到不均匀的加温和冷却，使钢结构产生焊接残余应力和残余变形，也使钢材的承载力、刚度和使用性能受到影响。 为此，需要提高焊接技术，研究合适的焊接材料和工艺以及操作流程，从而确保钢的使用质量。
航母的飞行甲板，每天承受上百次飞机的起降，几十吨的飞机冲击和飞机发动机喷出的几千度的高温，对甲板提出很高的强度及耐高温要求。特种钢的质量达标之后，需要大面积的特种钢进行焊接，为此，需要采用高质量的合适焊接材料和工艺完成，焊接一定要达标，确保甲板的受力强度，不会发生裂缝。焊接要保证质量，焊接后需要检测，如果不达标，一定要重来，务必保证万无一失。
一般焊接部位比较薄弱，为此，可以在焊接部位采用打补丁的方式进行加固。在甲板钢的下方，对焊接部位，补上一长条特种钢，采用坚固的螺丝固定。这样可以有效提高飞行甲板的强度，保证甲板甲板万无一失，全天候为飞机提供坚实金刚基地。
2.焊接材料
低碳或低合金钢与奥氏体不锈钢焊接时，应选用奥氏体或含有适量铁素体的奥氏体的E309 309Mo和高Mo的E16-25-6N等焊材。若选用低碳或低合金型焊接材料，则由于低碳、低合金钢的稀释作用，使整个焊缝金属形成马氏体而脆化，并引起裂纹。若选用较低铬、镍的308型焊接材料，同样由于母材的稀释作用，焊缝金属也将产生大量的马氏体组织，抗裂性能较差。通常在焊接低碳低合金钢与不锈钢的异种钢接头并且使用的温度，介质环境不苛刻时选用309型焊接材料，焊缝金属为奥氏体+少量铁素体组织，抗裂性能好，应用最为广泛。而在使用条件比较严酷时则可使用高Mo焊条，这种焊条也具有良好的抗热裂纹性能，同时又具有良好的塑韧性.在实际工作中，应当根据接头的具体材料和接头的使用环境，确定焊缝金属的化学成分和组织，利用已知的熔合比和不锈钢组织状态图来选择焊
3.焊接工艺要点
在确定接头型式、坡口种类、焊缝层数等工艺因素时，同样要依据低碳或低合金钢与奥氏体不锈钢焊接的特点，尽量减小熔合比。例如在焊接时选用小直径的低氢焊条或焊丝，电弧电压略高，尽量采用小电流、快速焊等。若需预热防止低碳或低合金钢产生冷裂纹时，预热温度应按照低碳或低合金钢来确定，但一般比同种低碳或低合金钢焊接时的预热温度低一些。
五．管理提升质量
产品的质量一半在于技术及设备，还有一半管理。
这个特种钢技术不仅可以满足航母的高规格需求，同样适用于提升普通钢的质量，这是一点思考，抛砖引玉，希望大家举一反三，在中国智造的事业上做出更多贡献，取得更大成绩！