先進熱處理的重要性和發(fā)展戰(zhàn)略

綜述

第二部分主題報告及報告人簡介

我國熱處理發(fā)展戰(zhàn)略的探討

發(fā)展熱處理和表面改性技術(shù)，提升國家核心競爭力

熱處理對自韌化α—SiAlON陶瓷顯微組織與力學(xué)性能的影響

核泵零部件熱處理與表面改性原理及應(yīng)用

智能熱處理及其發(fā)展前景

附錄參會人員名單

后記2100433B

《先進熱處理的重要性和發(fā)展戰(zhàn)略》由中國工程院所著，從2000年開始，由中國工程院舉辦的各類中國工程科技論壇在促進我國工程科技事業(yè)發(fā)展，促進工程科技重大方向性和前沿性問題的研究，提高我國工程科技創(chuàng)新能力和管理水平方面起到了巨大的推動作用。因此，在潘健生院士和趙振業(yè)院士的共同努力下，舉辦本場中國工程科技論壇，旨在認識到先進熱處理的重要性，剖析我國熱處理現(xiàn)存的問題和落后原因，謀劃我國熱處理的發(fā)展戰(zhàn)略，對于提高我國裝備業(yè)自主創(chuàng)新能力和核心競爭力都有十分重要的意義。

完善的計算機控制功能是保證板帶熱連軋成品質(zhì)量的關(guān)鍵。從現(xiàn)場實際出發(fā)，為保證成品的厚度、溫度、板形、物理性能以及生產(chǎn)節(jié)奏的合理安排，需要對軋制規(guī)程進行最優(yōu)化計算，以保證軋件良好的頭部溫度，為帶鋼全長的控制提供控制基準(zhǔn)值?；A(chǔ)自動化與過程自動化相結(jié)合，保證了成品帶鋼全長的厚度、溫度和板形精度。

熱連軋規(guī)程優(yōu)化控制

(1) 高精度的數(shù)學(xué)模型。隨著板帶熱連軋計算機控制技術(shù)的不斷發(fā)展，以及近年來板帶產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及規(guī)格的不斷拓展，作為自動化核心技術(shù)的數(shù)學(xué)模型迅速發(fā)展進而日趨成熟，有效提高了板帶材控制精度并且取得了顯著的經(jīng)濟效果。

現(xiàn)代軋制技術(shù)的發(fā)展為軋制理論提出了新的課題，如軋制變形區(qū)應(yīng)力、應(yīng)變、速度、溫度的分布，軋件不均勻變形，軋制過程參數(shù)的理論解析等，以工程法為核心的傳統(tǒng)軋制理論來解決上述問題是極為困難的，為此以數(shù)值分析方法為特征的現(xiàn)代軋制理論逐漸發(fā)展起來。使用有限元法將連續(xù)的變形體通過單元離散化，利用線性關(guān)系將多個微單元體組合起來描述事物整體受力和變形的復(fù)雜特性，可解決經(jīng)典軋制理論所不能解決的諸多問題。

利用人工智能方法進行軋制參數(shù)的預(yù)報是近年發(fā)展起來的一種新方法。根據(jù)生理學(xué)上真實人腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)、功能機理的某種抽象、簡化而構(gòu)成的一種信息處理系統(tǒng)。由大量神經(jīng)元經(jīng)過極其豐富和完善的鏈接而構(gòu)成的自適應(yīng)動態(tài)非線性系統(tǒng)，具有自學(xué)習(xí)、自組織、自適應(yīng)和非線性動態(tài)處理等特性，特別適合處理復(fù)雜的非線性過程。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在過程控制系統(tǒng)中的應(yīng)用主要有單獨使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)模型相結(jié)合兩種方式，藉此實現(xiàn)模型參數(shù)的計算和優(yōu)化功能。它可以從大量的輸入數(shù)據(jù)和所涉及的關(guān)系中進行“學(xué)習(xí)”，并從系統(tǒng)重復(fù)發(fā)生的事件中獲得經(jīng)驗，特別適合同時考慮許多因素和條件的不精確和模糊的信息處理問題。

(2) 軋制規(guī)程多目標(biāo)優(yōu)化控制策略。隨著優(yōu)化理論和自動控制技術(shù)的發(fā)展，多目標(biāo)優(yōu)化策略開始應(yīng)用于軋制規(guī)程計算過程中。以生產(chǎn)過程中的實際軋制數(shù)據(jù)為前提，通過優(yōu)化解法獲得合適的模型參數(shù)，使目標(biāo)函數(shù)值達到最小，實現(xiàn)模型參數(shù)的優(yōu)化,最終達到高精、優(yōu)質(zhì)的目的。

一般情況下，多目標(biāo)函數(shù)中各個目標(biāo)之間存在著相互制約、相互矛盾的關(guān)系(如在板帶熱連軋生產(chǎn)過程中，溫度和軋制力是兩個相互關(guān)聯(lián)的物理量)。多目標(biāo)的最優(yōu)解需要權(quán)衡各個目標(biāo)，在不降低某個目標(biāo)的前提下提升其他目標(biāo)，優(yōu)化任務(wù)就是找到一組對各個目標(biāo)都有很好權(quán)衡的解的集合。單純形加速法、黃金分割法、Powell法、等式目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)化方法等被大量應(yīng)用到多目標(biāo)函數(shù)求解過程中，根據(jù)實際需要可以靈活地選取優(yōu)化算法對目標(biāo)函數(shù)進行求解。

由于數(shù)學(xué)模型本身存在誤差，以及軋制過程狀態(tài)變化引起的模型預(yù)報偏差。需要通過對數(shù)據(jù)的在線檢測實時地修正數(shù)學(xué)模型中的關(guān)鍵參數(shù)，使之能自動適應(yīng)過程狀態(tài)的變化，減小過程狀態(tài)變化所造成的誤差，提高模型的預(yù)報精度。

熱連軋厚度控制技術(shù)

帶鋼縱向厚度精度是最重要的技術(shù)指標(biāo)，也是最主要的控制指標(biāo)之一。自動控制系統(tǒng)作為提高熱軋板帶厚度尺寸精度的最重要的控制手段，已經(jīng)成為現(xiàn)代熱軋板帶生產(chǎn)過程中不可或缺的重要組成部分。多變量控制、魯棒控制、最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制、解耦控制等控制理論最新成果和模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等新的人工智能技術(shù)已被應(yīng)用于板帶厚度控制領(lǐng)域，獲得了最佳控制性能。

為了取得好的控制效果，針對板帶軋制特點,開發(fā)了各種厚度自動控制策略(AGC)控制算法及組合使用策略，根據(jù)軋制過程中的控制信息流動和作用情況不同，板帶熱軋過程中常用的厚度控制策略和厚度補償控制功能可以歸納為:

(1) 厚度計AGC。傳統(tǒng)厚度計AGC作為一種模型控制方法，其理論基礎(chǔ)是軋機彈跳方程。彈跳方程的基本假設(shè)如下:

1) 軋機彈跳方程為精確的線性方程，即軋機剛度系數(shù)為常數(shù);

2) 計算剛度系數(shù)和實際剛度系數(shù)之間無偏差。

由于軋機各部分零件以及軸承之間存在間隙和接觸變形，軋機彈跳量和軋制力是非線性關(guān)系，特別是在小軋制力段，計算剛度系數(shù)和實際剛度系數(shù)之間存在無可避免的偏差。因彈跳方程無法為厚度計AGC提供精確的厚度偏差值，在使用基于彈跳方程的厚度計AGC進行控制時，經(jīng)常出現(xiàn)計算厚度偏差與實際厚度偏差存在較大差異甚至符號相反的情況，造成了厚度控制的不準(zhǔn)確甚至錯誤調(diào)節(jié)。

為了克服軋機剛度對彈跳方程的影響，采用軋機彈跳特性曲線來計算軋機出口帶鋼厚度。機架彈跳量為軋機牌坊彈跳和軋機輥系撓曲兩個量之和。厚度計AGC通過軋機牌坊彈跳特性曲線和軋機輥系撓曲特性曲線記錄軋機彈跳特征。

(2) 前饋AGC。前饋AGC對板帶在前一機架由水印等因素造成的厚度偏差進行測量，跟蹤記錄厚度偏差分布并存儲到列表中，當(dāng)一段帶鋼到達下機架時，厚度偏差值從列表中取出，用其計算輥縫修正值調(diào)整下游機架的輥縫，以糾正前一機架的厚度變化帶來的偏差。

(3) 監(jiān)控AGC。帶鋼厚度是熱軋板帶產(chǎn)品最重要的考核指標(biāo)之一，監(jiān)控AGC的控制效果直接關(guān)系到成品厚度質(zhì)量。監(jiān)控AGC為純滯后系統(tǒng)，而從控制角度而言，測量和控制過程之間滯后時間越長系統(tǒng)越不穩(wěn)定。為此，采用Smith預(yù)估器對純滯后系統(tǒng)進行補償可以有效提高控制系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性。

熱連軋張力控制技術(shù)

板帶熱連軋生產(chǎn)過程中，為保證連軋順利進行,采用微張力軋制，精確的微張力控制能夠避免軋件被拉窄、縮頸等對成品造成的不良后果。

現(xiàn)代軋制生產(chǎn)中，精軋機組前部機架壓下量較大，一般采用無活套微張力控制。用無活套方式代替活套提供張力并進行張力匹配時，帶材在相鄰機架間被拉緊，帶材上的張力可通過電機轉(zhuǎn)矩測出，而后通過調(diào)整主電機的速度以保持恒定張力。無活套微張力軋制技術(shù)主要有微張力控制FTC(Free Tension Control)、無活套最優(yōu)多變量微張力控制LTC 等。

1971 年日本提出了微張力控制方法，并在日本鋼管、福山制鐵所及新日鐵公司成功應(yīng)用，其適用于對大斷面軋件的張力控制。我國武鋼引進日本的微張力技術(shù)控制熱帶坯連軋獲得成功，該技術(shù)具有設(shè)備及控制系統(tǒng)簡單的優(yōu)點。

由于張力的變化對連軋成品厚度控制精度、板形的影響非常大，因此在精軋機組后部機架的軋制中，必須保持恒定的微張力。要達此目的，必須保證具有低慣性、響應(yīng)快速的活套機構(gòu); 在控制上,必須保證有恒定的小張力控制。在采用活套保證秒流量相等、控制張力恒定方面，人們做了大量的工作，從活套裝置本身及其控制精度方面都取得了長足的進步。帶鋼熱連軋機配置了低慣量快速活套裝置，實現(xiàn)了小張力微套量軋制，可避免帶鋼被拉窄等。根據(jù)現(xiàn)場儀表配置和活套控制要求，活套控制系統(tǒng)的主要功能包含: 活套高度控制、活套張力控制、活套解耦控制、軟接觸控制、防甩尾控制以及流量補償控制等。

熱連軋溫度控制技術(shù)

溫度是板帶熱軋過程中非常重要的物理量，是控制軋制與控制冷卻的重要內(nèi)容，帶鋼的溫度不僅關(guān)系到軋制力的大小、寬展和前后滑等參數(shù)以及軋輥的溫度場，并最終影響到成品尺寸精度、板形和組織性能等。

(1) 終軋溫度控制技術(shù)。

機架間冷卻是實現(xiàn)終軋溫度控制的主要手段，是控制軋制與控制冷卻的重要組成部分，其主要作用是通過調(diào)節(jié)機架間冷卻水流量和壓力控制帶鋼溫度。噴射到帶鋼表面的冷卻水會使帶鋼表面覆蓋一層水膜,從而降低了帶鋼的氧化速率，起到抑制氧化的作用,此作用對精軋機組的前部機架尤為明顯。

機架間的冷卻控制是復(fù)雜的過程，具有典型的滯后性，帶鋼在精軋入口到出口的運行過程中，影響金屬傳熱的因素較多，深入分析并掌握金屬在軋制過程中的傳熱規(guī)律并且建立機架間冷卻過程控制系統(tǒng)軟件解決方案，對提高精軋機架間冷卻控制精度，提高帶鋼全長溫度控制精度以及熱帶鋼產(chǎn)品的外形與組織性能至關(guān)重要。

終軋溫度控制FTC (Finishing TemperatureControl)是板帶熱軋過程控制的重要內(nèi)容。L2級過程控制計算機與L1級基礎(chǔ)自動化以設(shè)定和反饋相結(jié)合的方式通過調(diào)整帶鋼穿帶速度、軋制速度和機架間冷卻水噴嘴狀態(tài)，達到控制熱帶終軋溫度的目的。熱帶在精軋區(qū)的控制是典型的大滯后過程，其設(shè)定計算的精度是決定終軋溫度控制精度的關(guān)鍵。

隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，機架間帶鋼溫度的計算模型也經(jīng)歷了由簡單粗略到復(fù)雜精確的過程。通過使用卡兩頭分配中間法、線性回歸模型法和曲線法估算帶鋼在各機架間的溫度，為軋制力、軋機功率等重要工藝參數(shù)計算提供參考。另外，可以對軋制過程中帶鋼厚度和寬向上的溫度分布進行離線模擬計算，研究帶鋼內(nèi)部溫度分布規(guī)律，進而提高軋制過程的模型計算精度和過程控制精度。

(2) 軋后冷卻控制技術(shù)。

板帶熱連軋后的冷卻過程是一個復(fù)雜的換熱過程,主要包括空冷對流換熱、輻射換熱、水冷對流換熱、與輥道的接觸傳熱和帶鋼的相變潛熱等。軋后冷卻數(shù)學(xué)模型的控制精度直接影響產(chǎn)品的組織和性能?；趥鳠釋W(xué)理論，對軋后冷卻過程的換熱機理及軋件溫度變化規(guī)律進行深入研究，建立能夠滿足生產(chǎn)高附加值產(chǎn)品要求的溫度計算模型具有重要的現(xiàn)實意義。

控制冷卻技術(shù)作為TMCP技術(shù)的重要組成部分，通過改變軋后冷卻條件來控制相變和碳化物的析出行為，從而改善板帶組織和性能。近年來在軋鋼企業(yè)、研究單位和設(shè)備廠家的共同努力下，我國板帶熱連軋后冷卻系統(tǒng)的能力明顯增強。但是，隨著用戶對鋼材質(zhì)量和性能的要求越來越高，且對開發(fā)出高附加值新產(chǎn)品，如超級鋼、雙相鋼和相變誘導(dǎo)塑性鋼等的需求，對冷卻系統(tǒng)提出了更為嚴格的要求。此外，當(dāng)代社會面臨著越來越嚴重的資源、能源短缺問題，板帶熱軋生產(chǎn)也必須遵循減量化(Reduce)、再循環(huán)(Recycle)、再利用(Reuse)、再制造(Remanufacture)的4R 原則，即采用節(jié)約型的成分設(shè)計和減量化的生產(chǎn)方法，獲得高附加值、可循環(huán)的鋼鐵產(chǎn)品。為了滿足這些要求，東北大學(xué)軋制技術(shù)及連軋自動化國家重點實驗室開始開發(fā)冷卻能力更強、冷卻均勻性更好和冷卻功能更多的新一代軋后冷卻技術(shù)，即基于超快速冷卻和層流冷卻的新一代TMCP技術(shù)。

隨著TMCP技術(shù)的不斷發(fā)展，層流冷卻模型將關(guān)注的焦點轉(zhuǎn)移到冷卻的均勻性、冷卻路徑、微觀組織和組織性能的精確控制方面。板帶熱連軋軋后冷卻過程數(shù)學(xué)模型主要有: 指數(shù)模型、統(tǒng)計模型、統(tǒng)計理論模型、差分模型和人工智能模型等。

世界各國都在不斷地改進軋后冷卻過程的數(shù)學(xué)模型和控制策略。近年來，層流冷卻模型的控制精度得到明顯提到，東北大學(xué)軋制技術(shù)及連軋自動化國家重點實驗室開發(fā)的在線層流冷卻控制系統(tǒng)的控制精度可達±18℃，命中率達96%以上。

熱連軋板形控制技術(shù)

板形是熱軋板帶的重要質(zhì)量指標(biāo)之一，包括帶鋼橫截面(垂直于軋制方向)幾何外形和沿軋制方向表現(xiàn)的平直程度兩個方面的內(nèi)容。由于板形控制系統(tǒng)是一個復(fù)雜的工業(yè)控制系統(tǒng)，具有多擾動、多變量、強耦合、有慣性、有滯后的特點，因此不僅需要精確的數(shù)學(xué)模型，更需要具有先進的控制思想。

對于板帶熱連軋機組，精確的板形控制模型是建立板形控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。20世紀70年代末日本新日鐵引入板形干擾系數(shù)和板凸度遺傳系數(shù)的概念，建立了一種基于遺傳理論的在線板形控制模型。我國眾多專家學(xué)者采用目標(biāo)函數(shù)法、遺傳算法、BP神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)建模方法、三維控制模型法等研究了包括軋輥熱膨脹、軋輥磨損、軋輥撓曲以及CVC輥型的數(shù)學(xué)模型，優(yōu)化了彎輥力和軋輥橫移位置的控制量、發(fā)現(xiàn)了板形平直度生成及遺傳規(guī)律,得到軋制力分布、輥間壓力分布、張力分布以及軋輥壓扁和撓曲分布規(guī)律，建立了板帶熱連軋多機架板形控制數(shù)學(xué)模型。

板形控制技術(shù)從控制途徑上可以劃分為工藝方法和設(shè)備方法兩大類。工藝方法主要包括以下幾種:

(1) 合理安排不同規(guī)格產(chǎn)品的軋制及合理制定軋制規(guī)程。

(2) 采用軋輥調(diào)溫法改變工作輥的溫度分布,通過改變工作輥的熱凸度來控制板形。

(3) 采用張力控制法改變張力橫向分布來調(diào)節(jié)軋制力的橫向分布，進而影響工作輥的撓度和彈性壓扁的分布，并改善輥縫內(nèi)金屬的流動狀態(tài)，實現(xiàn)對板形的控制。

(4) 采用異步軋制法使軋件在上下兩個圓周速度不同的軋輥間完成軋制過程。在形式上分為異速異步軋制和異徑異步軋制，使軋件在變形區(qū)受到搓軋作用，消除摩擦峰，從而降低軋制力，使軋件在變形區(qū)沿橫向的延伸率趨向一致，進而改善板形。

設(shè)備方法是板形控制的主要手段，除原始凸度輥法、液壓彎輥法、調(diào)整軋輥凸度法之外，還有以下幾種方式:

(1) 軋輥變形自補償法: 通過降低輥身端部的壓扁剛度，來增加端部的壓扁變形，補償軋輥撓度,實現(xiàn)對板形的控制。

(2) 階梯形支撐輥法: 是在對傳統(tǒng)四輥軋機進行分析后，為消除軋輥間有害接觸區(qū)而提出的。在形式上可分為支撐寬度可調(diào)和不可調(diào)兩種。

(3) 軋輥軸向橫移法: 其原理與階梯形支撐輥法相似，采用軋輥軸向橫移方式來改變支撐輥與工作輥接觸寬度，具有控制方便靈活、連續(xù)性強，控制效果顯著的特點，與液壓彎輥法一樣成為現(xiàn)代板形控制技術(shù)的標(biāo)志。

(4) 在線磨輥法: 通過在軋機輥系中安裝軋輥在線磨削裝置和輥型檢測裝置，使工作輥在軋制過程中的磨損均勻化，不僅可以顯著改善板形質(zhì)量,也可以實現(xiàn)自由程序軋制。

(5) 軋輥交叉法: 使軋機的上下工作輥在水平面內(nèi)與垂直于軋制方向的軸向形成所需要的交叉角，這樣就在上下軋輥間形成一拋物線形狀的輥縫,并與軋輥凸度等效，改變交叉角即可改變該凸度,從而可控制板形。該方法具有板形控制能力強、有效降低板帶邊部減薄和軋輥輥型簡單等優(yōu)點 。