轧制工序具有强非线性、多变量耦合及工况多变等特征,传统机理模型难以精确表征轧制的真实状态,单纯的数据方法则泛化能力不足且决策过程难以追溯。在制造业从“智能制造”迈向“人工智能+”的技术跃迁背景下,如何将工业机理系统地嵌入AI模型,成为亟待突破的核心课题。本文从方法论层面系统梳理了工业机理与AI深度融合的3种主要模式,即机理与数据混合建模、机理引导数据建模以及语义融合数据建模。在此基础上,结合性能预测、精准控制、质量追溯、设备运维、物流与调度等典型场景,给出了相关的应用方案,为智能化轧制技术的发展提供了参考。

针对传统矫直参数设计依赖经验、预测模型精度不足等问题,本文提出融合遗传算法(GA)与卷积神经网络(CNN)的GA-CNN混合模型。基于国内某宽厚板生产线数据,通过标准化、5次5折交叉验证及数据折叠构建高质量数据集,并创新采用双阶段优化策略,首阶段构建CNN模型捕捉板形畸变特征,次阶段引入GA自适应优化网络结构与超参数,使模型预测精度提升26.4%。结果表明,GA-CNN模型的关键指标显著优于DNN、随机森林等模型,其绝对平均误差为1.15、均方根误差为1.91,且训练集和测试集的准确率相较于其他算法模型均为最高,分别为94.73%、93.06%。本文不仅为矫直工艺参数智能决策提供了理论支撑,更推动板带材制造从经验驱动向数据驱动的范式转型,为钢铁行业智能制造升级提供可复用的技术路径。

针对现有钢管控冷工艺参数经验设计精度不足、难以兼顾高强高韧的难题,本文提出一种融合机器学习与贝叶斯多目标优化的智能化方法。首先,利用高斯噪声对收集的控冷参数实验数据进行增强,缓解因样本规模有限导致的过拟合风险,并应用主成分分析对线性冗余特征进行降维,确保累计方差贡献率达到 95%。基于XGBoost算法构建了钢管力学性能预测模型,该模型具备高精度预测能力,其决定系数为0.96,关键力学性能的平均绝对百分比误差均小于3%。为验证力学性能预测模型的准确性,通过试制J55油套管样品并对其进行拉伸实验,样品力学性能数据与模型预测值的相对误差最大为3.14%。随后,通过贝叶斯多目标优化模型成功寻优出多组高性能控冷工艺参数组合,最优解的抗拉强度高达927 MPa,且优化结果的力学性能指标均符合API SPEC 5CT标准。为检验贝叶斯优化算法的实际效果,依据优化后的控冷工艺参数制备J55油套管,并对其力学性能进行测试,实验结果与模型预测值的最大相对误差为1.84%。研究结果表明,本文提出的算法可实现钢管性能的精准预测与高效工艺寻优,为钢管智能制造提供了可行方案。

水梁印是影响带钢热连轧厚度质量主要因素之一,实现轧制过程中带钢水梁印位置的精准跟踪及判断对带钢质量控制具有重要意义。本文基于轧制理论,提出一种带钢热连轧水梁印在精轧机组内位置跟踪及判断的方法。首先,根据不同长度板坯在加热炉内加热时水梁印位置分布,计算粗轧中间坯各水梁印在带钢的起止位置,并依据粗轧出口带钢温度变化曲线,确定粗轧出口中间坯各水梁印位置。其次,通过粗轧中间坯实际长度与精轧成品带钢轧制长度进行匹配校核,预测精轧各机架轧制中间坯延伸量,确定水梁印在各机架出口带钢上的起止位置;最后,根据带钢水梁印处在精轧机轧制特性,判定第2步计算水梁印位置的准确性。实验结果表明,所提出的带钢热连轧水梁印在精轧机组位置跟踪及判断方法验证了轧制长度跟踪同实际轧制特性变化规律的准确性,取得了较好效果。

氢能作为替代化石能源的重要战略选择,通过电解水制氢技术消纳西部“弃风弃光”电力资源,不仅显著提升能源经济性,更将有力推动我国能源结构向可再生能源转型进程,为实现绿色低碳发展提供关键支撑。管道运输是实现大规模、长距离的氢能输送的最优解决方案。本文系统梳理了国内外重点氢能输送管道工程建设进展,总结了氢致材料失效机理及其影响因素的研究成果,分析了管道防护优化策略,并对未来氢能输送管道的发展趋势进行了展望。研究指出,我国长距离输氢管道在工程设计经验与规模化应用等方面与国际先进水平存在一定差距;现有氢脆理论体系尚不完善,亟需构建具备普适性的氢损伤机理模型;当前相关研究存在实验室环境局限性与数据相互矛盾,制约了工程实践应用,同时氢脆防控技术需突破材料创新与工况适配的难题。研究表明,针状铁素体组织具备优异的抗氢脆性能,可作为管道基体组织的优选方案。后续需构建多因素耦合工况评价体系,验证气体抑制剂及阻氢涂层的工程可靠性,进一步提升氢能长程输送效率。上述相关技术突破对提升氢能输送管道能效、支撑实现“双碳”目标具有重大现实意义。

汽车用钢不仅要求其实现车身轻量化,还要求其具有良好的成形性能,因此开发高强度、高成形性能汽车用钢具有重要工程意义,中锰钢是此类钢种的典型代表。本文研究了退火温度和保温时间对冷轧中锰钢的微观组织、力学性能和成形性能的影响。结果表明,在两相区直接退火工艺下,实验钢组织主要由铁素体、奥氏体和马氏体组成,随着退火温度逐渐升高,其屈服强度先降低后升高,而其抗拉强度呈升高的趋势,伸长率、强塑积、残余奥氏体含量均先升高后降低,有利织构{111}、{110}的含量随退火温度的升高而增加。在630 ℃退火时实验钢综合性能最好,抗拉强度为1 144 MPa、屈服强度为847 MPa、伸长率为34.4%、强塑积为39.4 GPa·%、残余奥氏体体积分数为23.68%。在最佳退火温度630 ℃时,随着保温时间的增加,实验钢的杯突平均值先升高后降低,在保温15 min时达到最大。对经630 ℃保温15 min退火处理后的试样开展不同弯曲角度和弯心半径的冷弯实验,结果表明,所开发的1 000 MPa级超高强度汽车用钢0°冷弯时无裂纹,具有优异的冷成形性能。

优化固溶处理工艺是提升Fe-Mn-Al-C系轻质钢综合性能的关键。本文采用扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、电子背散射衍射(EBSD)和拉伸试验等手段,研究了固溶温度对Fe-Mn-Al-C钢显微组织与力学性能的影响。结果表明,Fe-15Mn-8Al-0.25C轻质钢经不同温度固溶处理后,显微组织均为奥氏体和铁素体的双相组织。随着固溶温度的升高,晶粒尺寸呈先细化后粗化的趋势,由16.1 μm先细化至13.1 μm,随后又粗化至21.3 μm,奥氏体体积分数和大角度晶界比例则分别下降至31.7%和34%。经1 000 ℃固溶处理后,实验钢获得了低屈强比和高强塑积的优异力学性能。实验钢显微组织中的细小晶粒、合理的奥氏体/铁素体两相配比以及适中的大角度晶界比例是其具有优异性能的主要原因。本研究结果为双相轻质钢的化学成分设计与制备工艺优化提供了理论依据。

淬火是制备超高强工程机械用钢的热处理工艺,但淬火过程中会引入较大的应力,最终形成残余应力,影响材料的服役性能与寿命。本文采用热模拟实验、裂纹柔度法残余应力表征,并结合自主开发的相变残余应力分析软件包,系统研究了淬火过程中不同冷却模式对Q1100钢板轧向应力的影响规律。结果表明,先相变区域马氏体转变量是决定淬火后钢板残余应力水平的关键要素,当后相变区开始相变时,先相变区马氏体转变体积分数由79%增加至87%时,钢板厚度方向上的轧向残余应力极值差由538.7 MPa增加至669.4 MPa,通过优化冷却模式对该关键参数进行调控,可实现低残余应力、高性能高强工程机械用钢的制备。

通过金相实验、透射电镜实验(TEM实验)、拉伸实验、夏比冲击实验和电化学腐蚀实验等研究了添加Cu元素对低温高锰钢微观组织、力学性能和耐腐蚀性能的影响,旨在系统探究添加Cu元素对低温高锰钢组织性能的影响规律及机制,建立化学成分—组织—性能的定量关系,为开发兼具高强度、良好韧性和优异耐蚀性的新一代低温高锰钢提供理论支撑。研究结果表明,添加Cu元素使实验钢的屈服强度显著提高,与之相关的强化机制是固溶强化;添加Cu元素使实验钢内部的形变孪生受到抑制,从而导致实验钢的总伸长率和冲击韧性下降;Cu元素会在实验钢的表面形成具有保护性的氧化膜,从而有助于实验钢耐腐蚀性能的提升;加入质量分数0.5%的Cu元素能够获得综合性能更加优秀的低温高锰钢。

近年来高强韧石油套管在深井和超深井钻采中的需求量不断增加。本文以高强韧石油套管钢为研究对象,分析了热处理工艺不同保温温度和保温时间对原始奥氏体晶粒长大的影响,采用EBSD和TEM技术研究了原始奥氏体晶粒大小对实验钢强度和韧性的影响。结果表明,在780~820 ℃区间内,随着保温温度的升高和保温时间的延长,原始奥氏体晶粒尺寸增大。原始奥氏体的大小对调质后的组织具有一定影响,晶粒较小的原奥组织最终转变为更为细小的马氏体板条;且组织中大角度晶界的比例较多,其强度和韧性更好。通过对实验数据进行线性回归,得到了实验钢的奥氏体晶粒长大动力学模型。本文研究所得结果与结论,可为高韧性石油套管钢的热处理工艺制定与参数优化提供理论依据。

本文采用氢微印技术,对Q500实验钢内氢分布状态展开观察;同时,开展慢应变速率拉伸实验,分析实验钢充氢后不同应变速率下拉伸断口形貌以及裂纹扩展情况,研究应变速率对Q500钢氢致裂纹形核、扩展的影响。结果表明,氢原子主要在M/A岛上及其边界、夹杂物与基体的界面和晶界(原奥氏体晶界、块状贝氏体铁素体和板条状贝氏体铁素体界面、板条束界、板条界)处富集。充氢后,随着应变速率的降低,实验钢的屈服强度、抗拉强度和伸长率均下降,氢脆指数升高;拉伸断口边缘的微观形貌从韧窝逐渐转变为河流状花样;裂纹源数量增加,裂纹源萌发位置从M/A岛边界、M/A岛边界和板条束界,转变为M/A岛边界和板条界;裂纹扩展方式逐渐由沿晶扩展转变为穿晶扩展。

针对热轧带钢酸洗效率与表面质量的协同控制难题,本文选取低碳铝镇静钢、碳锰钢和冷轧高强钢3类典型钢种,系统分析了带钢表面氧化铁皮结构与酸洗行为之间的关联机制。结果表明,低碳铝镇静钢带钢表面氧化铁皮以疏松多裂纹的共析组织(FeO+Fe₃O₄)为主,酸洗60 s即可高效去除,表面光亮无缺陷;碳锰钢带钢表面氧化铁皮主要由致密的先共析Fe₃O₄构成,酸洗需180 s,碳锰钢易因氧化铁皮残留导致带钢表面发黑;冷轧高强钢因缓冷工艺析出Fe单质颗粒并伴生15 μm厚晶间氧化层,酸洗时间长达400 s,这是由于Fe颗粒阻碍了酸液渗入,晶间氧化加速了晶界腐蚀,且因Cl^-残留易引起带钢表面发黄问题。研究结果明确了氧化铁皮结构差异对酸洗动力学行为的关键影响,为差异化酸洗工艺制定提供了理论依据。

回火是调控金属材料残余应力的重要方法。前期研究发现,碳化物析出是回火过程残余应力松弛的主要机制,但关于碳化物析出对残余应力松弛能力的定量研究鲜有报道。本文采用回火行为研究、有限元计算和裂纹柔度法测量残余应力相结合的方法,揭示了合金碳化物析出对700L钢板应力松弛和平直度影响,并预测了回火过程中残余应力的演化。结果表明,回火诱导合金碳化物的析出,导致钢板表面残余应力由287 MPa降至95 MPa,芯部残余应力由-189 MPa降至-65 MPa(负号表示压应力),残余应力松弛程度达66.8%和65.6%。同时,合金碳化物的析出对调控残余应力不均匀程度具有较大作用,钢板表面中部与边部残余应力差值由145 MPa减小为19 MPa,降低了钢板产生板形缺陷的可能。此外,回火诱导合金碳化物析出后,700L钢板翘曲量从(5±0.7) mm降至(2±0.3) mm,钢板平直度得到显著改善。

利用Gleeble-3500热模拟实验机对中碳钢进行应变速率为20 s^-1的多道次热压缩实验,以模拟其在650~730 ℃温变形区间内的温轧过程。采用扫描电子显微镜(SEM)和电子背散射衍射仪(EBSD)系统研究了不同变形温度、压缩量、轧制温度对实验钢中铁素体与渗碳体组织演变的影响。结果表明,变形温度的降低有利于铁素体晶粒等轴化分布,同时渗碳体形貌趋于球状与颗粒状。在650 ℃的变形温度下,随着变形量的增大,渗碳体球化程度加剧,并分布聚集于铁素体晶界处。此外,随着轧制温度降低,渗碳体形貌由层状与链状交替分布逐渐转变为间断链状分布。与此同时,铁素体晶粒平均尺寸细化至0.45 μm,达到超细晶铁素体水平,这主要与低温轧温度所引入的高密度的位错密切相关。

MnS夹杂物显著影响Mn-Cr系高品质齿轮钢的组织均匀性与退火过程中晶粒的异常长大行为。本文研究了锰硫比对20MnCr5齿轮钢热轧棒材中MnS夹杂物数量、尺寸和长宽比的影响。夹杂物分析结果表明,锰硫比(w(Mn)/w(S))增大,显著改善了MnS夹杂物的形貌,减小了MnS夹杂物的尺寸和长宽比,同时增加了数量密度。在低锰硫比钢MS54(w(Mn)/w(S)=54)中,MnS夹杂物的单位面积数量密度为152.5个,占所有种类夹杂物的77.4%,其中亚微米夹杂物占比为26.7%,小于5 μm的夹杂物占比为92.1%。在高锰硫比钢MS103(w(Mn)/w(S)=103)中,MnS夹杂物的单位面积数量密度增加至211.3个,占所有种类夹杂物的86.4%,其中亚微米夹杂物占比为32.7%,小于5 μm的夹杂物占比为96.2%。采用高斯曲线和玻尔兹曼曲线拟合粒径分布,在MS54钢中,夹杂物尺寸的平均值和中位值分别为(1.64±0.06) μm和1.36 μm,而在MS103钢中,夹杂物尺寸的平均值和中位数分别为(0.73±0.03)μm和1.01 μm。MS54钢中20.6%的夹杂物长宽比为1~2,63.6%的夹杂物长宽比在5以下,MS103钢中50.3%的夹杂物长宽比为1~2,76.3%的夹杂物长宽比在5以下。研究结果为阐明Mn-Cr系高品质齿轮钢退火过程中晶粒的异常长大行为提供了科学依据。

为探究Alloy 28合金适宜的热处理工艺,本文研究了不同热处理温度与保温时间对其显微组织及拉伸性能的影响。结果表明,Alloy 28合金经热处理后均实现了完全再结晶,且为等轴晶;随着热处理温度升高,平均晶粒尺寸的长大速率呈现先慢后快的变化特征,保温10 min条件下,晶界迁移表观激活能为248.75 kJ/mol;随着保温时间的持续增加,该合金的平均晶粒尺寸逐步增大,其增长过程遵循抛物线规律;同时,动力学时间指数η随着热处理温度的升高呈现先基本稳定、随后增大、最终再次趋于平稳的变化趋势;Alloy 28合金的抗拉强度均随着温度的升高呈先缓慢下降后急剧下降的特征,随着保温时间的延长则表现出先快速降低、后降幅放缓的变化规律;Alloy 28合金的屈服强度随着温度的变化呈现先缓慢下降、后较快下降的趋势,且与平均晶粒尺寸之间符合Hall-Petch公式。

三辊斜轧工艺是制备双金属复合管的优良工艺,具有能耗低、轧后界面结合强度高等优势。轧制双金属复合管前,需要对管坯端部进行封焊,以防止配合面金属氧化,保证界面结合性能。实验发现,尾端封焊质量显著影响轧后复合管的结合强度与成品率。基于此现象,本文结合力学性能测试和微观表征手段,研究了不同焊接质量对双金属复合管轧制过程中的变形协调性、轧后界面结合性能以及冶金结合长度的影响。结果表明,焊接质量较好的管坯在轧制过程中可以协调内、外层组元金属的变形,同时也可以有效防止配合面金属氧化,轧后碳钢/不锈钢复合管界面形成各向均匀的高强度冶金结合。上述研究表明,优良的端部焊接质量是实现高效制备双金属复合管的关键。

针对传统热轧双相钢生产成本高、表面质量差的问题,本文以一种低Si成分体系试验钢为研究对象,基于鞍钢股份公司热轧带钢厂连轧生产线超快冷系统工艺特点,对600 MPa级低成本高表面质量热轧双相钢进行了研制开发。通过化学成分和热轧工艺的匹配设计,研制开发的600 MPa级热轧双相钢组织为典型的双相组织,其中铁素体体积分数约为85%,铁素体晶粒尺寸约为6.0 μm;带钢屈服强度为360~390 MPa,抗拉强度达到600~630 MPa,屈强比为0.57~0.63,伸长率大于27%;带钢在具有优良力学性能的同时具有良好的表面质量和较低的成本,满足汽车车轮等部件制造要求。

针对高碳马氏体不锈钢70Cr13Mo在热轧过程中易出现边裂、孔洞等缺陷的问题,对4个批次70Cr13Mo钢液的化学成分及热轧生产过程进行排查,采用扫描电镜、EDS能谱分析等手段对连铸板坯低倍组织,缺陷试样微观组织、碳化物分布等进行分析。结果表明,粗轧机进出口封水设备老化、冷却水泄漏,造成板带边部冷却速率增大、强度陡增;同时,二次碳化物沿晶界提前大量析出,显著降低基体塑性,是热轧板带产生边裂缺陷的主要原因;此外,组织中产生大量(Ti,V)N及其复合夹杂物,易成为裂纹源,这也是缺陷产生的另一主要因素。通过严控粗轧封水设备工况、优化原料配比并严控含钛废钢入炉冶炼等整改措施,成功将热轧缺陷发生率降至0。该研究有效提升了70Cr13Mo钢成品成材率,也为高碳马氏体不锈钢热轧缺陷防控提供了理论依据和实践指导。

针对双机架平整机组在湿平整轧制过程中工艺润滑得不到较好控制,造成带钢板形出现边浪、中浪及复合浪等缺陷问题,本文充分考虑双机架平整机组设备与湿平整轧制的工艺特点,建立了前、后张力计算模型,分析了湿平整工艺润滑参数对出口带钢板形的影响,并以湿平整轧制过程中传热系数为中间介质,建立了工艺润滑参数与摩擦因数之间的关系,设定了平整液浓度、温度及流量对带钢板形的影响函数。同时,结合现场实际生产,确定了工艺润滑参数的研究范围,以成品带钢板形波动最小为目标,同时保证机组轧制的稳定性,综合调整湿平整轧制过程平整液浓度、温度及流量等关键工艺润滑参数,开发出适合双机架湿平整轧制工艺润滑优化技术,实现了对成品带钢板形的控制。将该技术应用到国内某双机架湿平整机组典型规格钢种的实际生产,平整出口带钢板形值由优化前的13.2 IU降至优化后的6.5 IU,有效提升了双机架湿平整机组对板形的控制能力。

针对传统钢管酸洗生产线存在环保不达标、酸洗质量不稳定、酸耗过高、自动化程度低等诸多问题,设计开发了一条高效、环保、自动化程度高的新型齿盘式钢管酸洗生产线。该生产线采用模块化设计理念,通过优化酸洗工艺、开发自动化设备以及引入先进环保技术,能够实现不同规格、不同材质钢管或型材的酸洗,实现了酸洗过程自动化、高效化和绿色化;该生产线投资少,操作简单,风险低,具有较高的经济效益和环境效益,市场推广价值高。