先進(jìn)熱處理的重要性和發(fā)展戰(zhàn)略圖書目錄

綜述

第二部分主題報(bào)告及報(bào)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(jìng)爭力

熱處理對(duì)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(huì)人員名單

后記2100433B

《先進(jìn)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(jìn)我國工程科技事業(yè)發(fā)展，促進(jìn)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(dòng)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(chǎng)中國工程科技論壇，旨在認(rèn)識(shí)到先進(jìn)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(duì)于提高我國裝備業(yè)自主創(chuàng)新能力和核心競(jìng)爭力都有十分重要的意義。

完善的計(jì)算機(jī)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(chǎng)實(shí)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(duì)軋制規(guī)程進(jìn)行最優(yōu)化計(jì)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。基礎(chǔ)自動(dòng)化與過程自動(dòng)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(jì)算機(jī)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(dòng)化核心技術(shù)的數(shù)學(xué)模型迅速發(fā)展進(jìn)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(jì)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(gè)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(jìn)行軋制參數(shù)的預(yù)報(bào)是近年發(fā)展起來的一種新方法。根據(jù)生理學(xué)上真實(shí)人腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)、功能機(jī)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(dòng)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(dòng)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(dú)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(shí)現(xiàn)模型參數(shù)的計(jì)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(jìn)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(yàn)，特別適合同時(shí)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(dòng)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(jì)算過程中。以生產(chǎn)過程中的實(shí)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(dá)到最小，實(shí)現(xiàn)模型參數(shù)的優(yōu)化,最終達(dá)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(gè)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(gè)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(gè)目標(biāo)，在不降低某個(gè)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(duì)各個(gè)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(shí)際需要可以靈活地選取優(yōu)化算法對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)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(bào)偏差。需要通過對(duì)數(shù)據(jù)的在線檢測(cè)實(shí)時(shí)地修正數(shù)學(xué)模型中的關(guān)鍵參數(shù)，使之能自動(dòng)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(bào)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(dòng)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(duì)板帶軋制特點(diǎn),開發(fā)了各種厚度自動(dòng)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(dòng)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(bǔ)償控制功能可以歸納為:

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

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

2) 計(jì)算剛度系數(shù)和實(shí)際剛度系數(shù)之間無偏差。

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

為了克服軋機(jī)剛度對(duì)彈跳方程的影響，采用軋機(jī)彈跳特性曲線來計(jì)算軋機(jī)出口帶鋼厚度。機(jī)架彈跳量為軋機(jī)牌坊彈跳和軋機(jī)輥系撓曲兩個(gè)量之和。厚度計(jì)AGC通過軋機(jī)牌坊彈跳特性曲線和軋機(jī)輥系撓曲特性曲線記錄軋機(jī)彈跳特征。

(2) 前饋AGC。前饋AGC對(duì)板帶在前一機(jī)架由水印等因素造成的厚度偏差進(jìn)行測(cè)量，跟蹤記錄厚度偏差分布并存儲(chǔ)到列表中，當(dāng)一段帶鋼到達(dá)下機(jī)架時(shí)，厚度偏差值從列表中取出，用其計(jì)算輥縫修正值調(diào)整下游機(jī)架的輥縫，以糾正前一機(jī)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(cè)量和控制過程之間滯后時(shí)間越長系統(tǒng)越不穩(wěn)定。為此，采用Smith預(yù)估器對(duì)純滯后系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)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(jìn)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(duì)成品造成的不良后果。

現(xiàn)代軋制生產(chǎn)中，精軋機(jī)組前部機(jī)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(jìn)行張力匹配時(shí)，帶材在相鄰機(jī)架間被拉緊，帶材上的張力可通過電機(jī)轉(zhuǎn)矩測(cè)出，而后通過調(diào)整主電機(jī)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(duì)大斷面軋件的張力控制。我國武鋼引進(jìn)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(diǎn)。

由于張力的變化對(duì)連軋成品厚度控制精度、板形的影響非常大，因此在精軋機(jī)組后部機(jī)架的軋制中，必須保持恒定的微張力。要達(dá)此目的，必須保證具有低慣性、響應(yīng)快速的活套機(jī)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(jìn)步。帶鋼熱連軋機(jī)配置了低慣量快速活套裝置，實(shí)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(chǎng)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(bǔ)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(chǎng)，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(jī)架間冷卻是實(shí)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(jī)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(huì)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(duì)精軋機(jī)組的前部機(jī)架尤為明顯。

機(jī)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(yùn)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(jī)架間冷卻過程控制系統(tǒng)軟件解決方案，對(duì)提高精軋機(jī)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(jí)過程控制計(jì)算機(jī)與L1級(jí)基礎(chǔ)自動(dòng)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(jī)架間冷卻水噴嘴狀態(tài)，達(dá)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(jì)算的精度是決定終軋溫度控制精度的關(guān)鍵。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)架間帶鋼溫度的計(jì)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(jī)架間的溫度，為軋制力、軋機(jī)功率等重要工藝參數(shù)計(jì)算提供參考。另外，可以對(duì)軋制過程中帶鋼厚度和寬向上的溫度分布進(jìn)行離線模擬計(jì)算，研究帶鋼內(nèi)部溫度分布規(guī)律，進(jìn)而提高軋制過程的模型計(jì)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(gè)復(fù)雜的換熱過程,主要包括空冷對(duì)流換熱、輻射換熱、水冷對(duì)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(duì)軋后冷卻過程的換熱機(jī)理及軋件溫度變化規(guī)律進(jìn)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(jì)算模型具有重要的現(xiàn)實(shí)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(qiáng)。但是，隨著用戶對(duì)鋼材質(zhì)量和性能的要求越來越高，且對(duì)開發(fā)出高附加值新產(chǎn)品，如超級(jí)鋼、雙相鋼和相變誘導(dǎo)塑性鋼等的需求，對(duì)冷卻系統(tǒng)提出了更為嚴(yán)格的要求。此外，當(dāng)代社會(huì)面臨著越來越嚴(yán)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(jì)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(dòng)化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開始開發(fā)冷卻能力更強(qiáng)、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(diǎn)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(jì)模型、統(tǒng)計(jì)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(jìn)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(dòng)化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的在線層流冷卻控制系統(tǒng)的控制精度可達(dá)±18℃，命中率達(dá)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(gè)方面的內(nèi)容。由于板形控制系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的工業(yè)控制系統(tǒng)，具有多擾動(dòng)、多變量、強(qiáng)耦合、有慣性、有滯后的特點(diǎn)，因此不僅需要精確的數(shù)學(xué)模型，更需要具有先進(jìn)的控制思想。

對(duì)于板帶熱連軋機(jī)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(jì)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(jī)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(jìn)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(dòng)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)板形的控制。

(4) 采用異步軋制法使軋件在上下兩個(gè)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(jìn)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?zhàn)冃巫匝a(bǔ)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(bǔ)償軋輥撓度,實(shí)現(xiàn)對(duì)板形的控制。

(2) 階梯形支撐輥法: 是在對(duì)傳統(tǒng)四輥軋機(jī)進(jìn)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(qiáng)，控制效果顯著的特點(diǎn)，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(jī)輥系中安裝軋輥在線磨削裝置和輥型檢測(cè)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(shí)現(xiàn)自由程序軋制。

(5) 軋輥交叉法: 使軋機(jī)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?cè)撏苟?從而可控制板形。該方法具有板形控制能力強(qiáng)、有效降低板帶邊部減薄和軋輥輥型簡單等優(yōu)點(diǎn) 。