綜述

第二部分主題報告及報告人簡介

我國熱處理發展戰略的探討

發展熱處理和表面改性技術，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性能的影響

核泵零部件熱處理與表面改性原理及應用

智能熱處理及其發展前景

附錄參會人員名單

后記2100433B

《先進熱處理的重要性和發展戰略》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發展，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，剖析我國熱處理現存的問題和落后原因，謀劃我國熱處理的發展戰略，對于提高我國裝備業自主創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量的關鍵。從現場實際出發，為保證成品的厚度、溫度、板形、物理性能以及生產節奏的合理安排，需要對軋制規程進行最優化計算，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值?；A自動化與過程自動化相結合，保證了成品帶鋼全長的厚度、溫度和板形精度。

熱連軋規程優化控制

(1) 高精度的數學模型。隨著板帶熱連軋計算機控制技術的不斷發展，以及近年來板帶產品結構及規格的不斷拓展，作為自動化核心技術的數學模型迅速發展進而日趨成熟，有效提高了板帶材控制精度并且取得了顯著的經濟效果。

現代軋制技術的發展為軋制理論提出了新的課題，如軋制變形區應力、應變、速度、溫度的分布，軋件不均勻變形，軋制過程參數的理論解析等，以工程法為核心的傳統軋制理論來解決上述問題是極為困難的，為此以數值分析方法為特征的現代軋制理論逐漸發展起來。使用有限元法將連續的變形體通過單元離散化，利用線性關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雜特性，可解決經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的預報是近年發展起來的一種新方法。根據生理學上真實人腦神經網絡的結構、功能機理的某種抽象、簡化而構成的一種信息處理系統。由大量神經元經過極其豐富和完善的鏈接而構成的自適應動態非線性系統，具有自學習、自組織、自適應和非線性動態處理等特性，特別適合處理復雜的非線性過程。

神經網絡在過程控制系統中的應用主要有單獨使用神經網絡和神經網絡與傳統模型相結合兩種方式，藉此實現模型參數的計算和優化功能。它可以從大量的輸入數據和所涉及的關系中進行“學習”，并從系統重復發生的事件中獲得經驗，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) 軋制規程多目標優化控制策略。隨著優化理論和自動控制技術的發展，多目標優化策略開始應用于軋制規程計算過程中。以生產過程中的實際軋制數據為前提，通過優化解法獲得合適的模型參數，使目標函數值達到最小，實現模型參數的優化,最終達到高精、優質的目的。

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

由于數學模型本身存在誤差，以及軋制過程狀態變化引起的模型預報偏差。需要通過對數據的在線檢測實時地修正數學模型中的關鍵參數，使之能自動適應過程狀態的變化，減小過程狀態變化所造成的誤差，提高模型的預報精度。

熱連軋厚度控制技術

帶鋼縱向厚度精度是最重要的技術指標，也是最主要的控制指標之一。自動控制系統作為提高熱軋板帶厚度尺寸精度的最重要的控制手段，已經成為現代熱軋板帶生產過程中不可或缺的重要組成部分。多變量控制、魯棒控制、最優控制、自適應控制、解耦控制等控制理論最新成果和模糊控制、神經網絡等新的人工智能技術已被應用于板帶厚度控制領域，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。傳統厚度計AGC作為一種模型控制方法，其理論基礎是軋機彈跳方程。彈跳方程的基本假設如下:

1) 軋機彈跳方程為精確的線性方程，即軋機剛度系數為常數;

2) 計算剛度系數和實際剛度系數之間無偏差。

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系，特別是在小軋制力段，計算剛度系數和實際剛度系數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，經常出現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確甚至錯誤調節。

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) 監控AGC。帶鋼厚度是熱軋板帶產品最重要的考核指標之一，監控AGC的控制效果直接關系到成品厚度質量。監控AGC為純滯后系統，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越不穩定。為此，采用Smith預估器對純滯后系統進行補償可以有效提高控制系統的精度和穩定性。

熱連軋張力控制技術

板帶熱連軋生產過程中，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。

現代軋制生產中，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矩測出，而后通過調整主電機的速度以保持恒定張力。無活套微張力軋制技術主要有微張力控制FTC(Free Tension Control)、無活套最優多變量微張力控制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控制熱帶坯連軋獲得成功，該技術具有設備及控制系統簡單的優點。

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、響應快速的活套機構; 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，實現了小張力微套量軋制，可避免帶鋼被拉窄等。根據現場儀表配置和活套控制要求，活套控制系統的主要功能包含: 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

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容，帶鋼的溫度不僅關系到軋制力的大小、寬展和前后滑等參數以及軋輥的溫度場，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。

機架間冷卻是實現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節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律并且建立機架間冷卻過程控制系統軟件解決方案，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品的外形與組織性能至關重要。

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

隨著計算機技術的不斷發展，機架間帶鋼溫度的計算模型也經歷了由簡單粗略到復雜精確的過程。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，研究帶鋼內部溫度分布規律，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。

板帶熱連軋后的冷卻過程是一個復雜的換熱過程,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。軋后冷卻數學模型的控制精度直接影響產品的組織和性能?；趥鳠釋W理論，對軋后冷卻過程的換熱機理及軋件溫度變化規律進行深入研究，建立能夠滿足生產高附加值產品要求的溫度計算模型具有重要的現實意義。

控制冷卻技術作為TMCP技術的重要組成部分，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、研究單位和設備廠家的共同努力下，我國板帶熱連軋后冷卻系統的能力明顯增強。但是，隨著用戶對鋼材質量和性能的要求越來越高，且對開發出高附加值新產品，如超級鋼、雙相鋼和相變誘導塑性鋼等的需求，對冷卻系統提出了更為嚴格的要求。此外，當代社會面臨著越來越嚴重的資源、能源短缺問題，板帶熱軋生產也必須遵循減量化(Reduce)、再循環(Recycle)、再利用(Reuse)、再制造(Remanufacture)的4R 原則，即采用節約型的成分設計和減量化的生產方法，獲得高附加值、可循環的鋼鐵產品。為了滿足這些要求，東北大學軋制技術及連軋自動化國家重點實驗室開始開發冷卻能力更強、冷卻均勻性更好和冷卻功能更多的新一代軋后冷卻技術，即基于超快速冷卻和層流冷卻的新一代TMCP技術。

隨著TMCP技術的不斷發展，層流冷卻模型將關注的焦點轉移到冷卻的均勻性、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學模型主要有: 指數模型、統計模型、統計理論模型、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學模型和控制策略。近年來，層流冷卻模型的控制精度得到明顯提到，東北大學軋制技術及連軋自動化國家重點實驗室開發的在線層流冷卻控制系統的控制精度可達±18℃，命中率達96%以上。

熱連軋板形控制技術

板形是熱軋板帶的重要質量指標之一，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的平直程度兩個方面的內容。由于板形控制系統是一個復雜的工業控制系統，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學模型，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的基礎。20世紀70年代末日本新日鐵引入板形干擾系數和板凸度遺傳系數的概念，建立了一種基于遺傳理論的在線板形控制模型。我國眾多專家學者采用目標函數法、遺傳算法、BP神經元網絡建模方法、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輥型的數學模型，優化了彎輥力和軋輥橫移位置的控制量、發現了板形平直度生成及遺傳規律,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律，建立了板帶熱連軋多機架板形控制數學模型。

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

(1) 合理安排不同規格產品的軋制及合理制定軋制規程。

(2) 采用軋輥調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節軋制力的橫向分布，進而影響工作輥的撓度和彈性壓扁的分布，并改善輥縫內金屬的流動狀態，實現對板形的控制。

(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，使軋件在變形區沿橫向的延伸率趨向一致，進而改善板形。

設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,實現對板形的控制。

(2) 階梯形支撐輥法: 是在對傳統四輥軋機進行分析后，為消除軋輥間有害接觸區而提出的。在形式上可分為支撐寬度可調和不可調兩種。

(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、連續性強，控制效果顯著的特點，與液壓彎輥法一樣成為現代板形控制技術的標志。

(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量,也可以實現自由程序軋制。

(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點 。