薄带材冷轧过程具有控制参数多、响应时间短及精度要求高的特点，其质量控制水平代表着一个国家钢铁工业的技术水平，可谓是钢铁技术领域的“皇冠”。对于冷轧板形控制而言，其控制过程存在多变量、时变性、大滞后及非线性等特点，全球仅有几个国家掌握相关技术，可谓是“皇冠上的明珠”。随着国民经济的快速发展，汽车、家用电器、电子和航空航天等行业对冷轧带材产生了巨大的需求，同时也对其板形质量提出了更高的要求，如何进一步提高冷轧带材的板形控制精度，是从事冷轧领域技术研究人员需要面对的重要课题。 针对板形控制模型与轧制过程的失配问题，研究将仿真建模、机理建模、知识工程推理与过程数据进行融合建模的理论与方法。通过研究串联结构形式的板形混合建模方法，提高板形控制模型对轧制过程的适应能力，并建立相适应的板形前馈与反馈控制系统间的协调优化控制策略。通过本项目的实施，可为冷连轧过程板形控制精度和稳定性的提高带来新的思路，对于其它复杂工业优化控制过程具有一定的理论参考意义。

超高强度、高韧性、抗腐蚀损伤一直以来是国内外超高强度不锈钢领域发展的关键技术，随着国家海洋战略的实施，对装备的轻量化、耐腐蚀、长寿命的服役性能提出更高的要求，同样对具有更高强度和耐海洋腐蚀性能的合金钢的需求日益增长。 钢铁研究总院在2000年前后开始第三代超高强度不锈钢的研发，于2010年发布了具有自主知识产权的钢种USS122G钢，综合性能优于国外的同等材料FerriumS53钢，与国外材料不同，我国的USS122G钢是采用了金属间化合物+碳化物复合强化手段来设计的合金，目前已经成功应用。与此同时，我国在超高强度不锈钢的技术发展已经实现了与国外并跑。 2012年前后，钢铁研究总院开始研制第四代超高强度不锈钢，目标强度达到2.2GPa，经过近10年的技术攻关，通过在合金设计、组织制备、热处理工艺等方面深入的研究，提出了多维复合强韧化理论，成功攻克了多维强韧化耦合协同、多维精细组织调控及控制等重大科学难题，在国际上率先掌握了第四代超高强度不锈钢核心技术，也使我国成为世界上首个成功开发出2.2GPa级超高强度不锈钢的国家。

纯氧燃烧技术几乎无 N 2 参与，大幅减少烟气量，减少排烟热损失；燃烧产物 为均三原子气体，烟气黑度大，且火焰温度高，辐射系数大，燃烧效率高，有明 显的节能效果，通过节约燃料促进碳减排目标的实现；同时烟气成分中的 CO 2 占 比大幅提高，有利于 CO 2 的捕集，通过碳吸附、碳捕集技术可进一步存进“碳达 峰、碳中和”目标的实现。 全氧无焰弥散式燃烧是一种能够有效降低污染排放，节约能源的技术，可直 接减少燃料天然气的消耗量；同时由于取消了空气助燃时的鼓风机、引风机等设 备，可直接减少电力的消耗量；全氧燃烧燃烧温度高，燃烧效率高，加热时间短， 可减少钢坯氧化烧损程度，提高钢坯成品率，提高产品产量，增加产品销售收益； 由于全氧燃烧大幅度减少 NO x 的排放，可减少相应的环保投入。 因此，纯氧燃烧配套自主烧钢智能控制技术，可实现炉内钢坯身份的透明化， 前馈温度、气氛控制预判，保障满足轧制节奏要求的低温烧钢、低过剩空气系数 性能等；在保证钢坯出炉温度状态满足轧钢系统要求的前提下，可最大限度地降 低吨钢综合能耗，充分挖掘加热炉加热能力，最大限度地降低企业生产成本。 中钢集团鞍山热能研究院有限公司采用了全氧无焰弥散式燃烧技术对唐山 正丰钢铁有限公司现有加热炉燃烧系统等进行升级改造，替代常规空气助燃，取 得了降低加热炉燃耗、减少污染物排放量和碳排放量及降低企业生产成本等效果

钢铁工业是我国国民经济的重要基础产业，同时也是高能耗和环境污染严重的工业部门之一，钢铁生产过程的环境污染问题已经成为制约其可持续发展的重要因素。钢铁生产中烧结、高炉等都会产生大量高盐除尘灰，这些除尘灰富含铁元素，理论上可收集后配入烧结原料使用；但其中含有较高的碱金属（>15%）和氯元素（>20%），直接返回烧结会由于钾、钠、氯的富集而造成设备腐蚀或结疤、除尘灰吸湿板结以及烟气脱硫脱硝系统净化效率下降等问题。因此，开发能够实现钢铁厂高盐固废有价资源高效回收和综合利用的技术，已经成为国内大中型钢铁企业生产重要的节能减排研究课题。 除了固体废物之外，钢铁烧结工序还会产生湿法脱硫废水或酸性洗涤废水（SRG洗涤除杂产生的废水）。这些废水通常呈酸性，含有大量的悬浮物、氯离子、硫酸根、氨氮，以及一定量的钙镁和少量的重金属离子，其成分复杂、处置难度大。通常在预处理后返回钢铁生产工序使用，其中的盐分未有适宜的出口，导致盐分不断富集，造成设备腐蚀，轻则生产停机，重则造成生产事故。 目前，针对钢铁厂产生的高盐固废，常采用水洗的方式去除碱金属和氯元素，再返回烧结工序配料矿化；但在此过程中会产生大量的高盐废水，如果不经处理直接排放将会导致厂内水处理系统氯失衡，造成严重污染。而钢铁烧结过程中所产生的酸性废水也具有高盐特性，同样需要经过处理后方可排放。因此，采用高盐固废和酸性废水协同处置，能够实现同质废水协同消纳，统一处理，最终实现两者的资源回收和循环利用。

这些年，在烧结工艺不断完善的背景下，进一步提产的空间不大。如果烧结面积和风机大小不变，则提高烧结效率即提产的关键在于提高烧结料层的透气性和优化料层的风量分布。对于料层透气性，提出了返矿分流工艺来进一步提高料层透气性。传统上烧结返矿均经过配料室、一混和二混的工艺流程。21世纪初，针对矿粉资源粒度的细化，日本东北大学葛西荣辉提出了镶嵌烧结的概念，以此提高料层的透气性，但是由于镶嵌物质强度等原因，该理念一直未能工业化。2008年后日本住友（现属于新日铁）开始逐步实施了返矿镶嵌工艺。项目组对该工艺跟踪和调研后，认为其在两方面可进一步优化，以进一步提高烧结效率和改善质量，一是其返矿镶嵌的粒度不易控制，二是镶嵌的返矿粒级偏细。 对于烧结风量分布，除了长期存在的烧结机漏风高的问题，前人对于烧结机长度方向，即前、中、后区域的适宜风量分布未有充分研究，关于烧结机宽度方向风量不匹配问题的研究也较少。烧结靠燃料与风的反应来进行，如何通过强化措施优化风量分布，对于烧结提产降耗有重要意义。 基于中天钢铁烧结自身，提高烧结矿产量、减少外购球团矿配比，从而降低高炉炉料成本一直是近几年工作的目标。在这个背景下，项目组围绕烧结返矿分流和风量优化开展了一系列攻关研究。在攻关前，北区180m2烧结的上料量（不含内返矿）在280t/h水平，折算系数在1.55水平，期望通过技术攻关，上料量能在325t/h，折算系数能提到1.8水平，提产15%以上；预计北区180m2双机通过技术创新实现烧结矿年增产57万吨，替代外购高价球团矿的效益显著。

为了促进制造业高端钢铁材料升级迭代，引领我国制造行业“高性能、新材料”技术领域的巨大改革和突破，实现国产化超高强度钢产品替代进口，打破欧洲垄断地位，2017年1月至2021年12月，河钢邯钢与东北大学、终端客户以产学研用合作的方式，开展“板带材多功能高精度热处理核心关键技术的创新及应用”项目的研究实施：1）研发板带材冷却路径可控的控温淬火、约束淬火工艺，实现热处理可视化、交互性顺序及板区域位置坐标控制，温度精度±4.5℃，时间同步精度±0.01秒，达到国际同类设备领先水平。2）国际上首次实现“烧嘴明火+热风循环”强制对流循环混合回火加热技术，建成国内首套高精度热风循环式回火炉，在钢板上下表面形成对称的有序流场，强化传热效率、传热精度，实现大温度跨度回火热处理精度为±3℃，能耗排放降低15%，实现绿色生产、绿色制造。

大型整体构件是现代大型飞机关键结构件，其性能是影响整机性能与可靠性的重要因素。而此类结构件制造中所面临的问题，已成为制约我国乃至世界各主机厂急需解决的重大关键技术问题。随着飞机结构件向着轻量化、大型化、整体化制造方向发展，低成本高效率地制造高性能高可靠性、功能结构一体化的大型整体轻量化航空结构件对航空制造技术提出新的挑战。例如，尺寸为3600 mm×1500 mm×150 mm的铝合金主承力构件飞机框梁、飞机吊挂、吊挂盒段。一体化的设计可减轻结构重量，但采用传统减材、等材加工的制造方法面临巨大困难。如美国F35的主承力构件需万吨级水压机压制成形，之后还需要大量繁琐的铣削、打磨等复杂工序，制造周期和流程长。又如，吊挂底梁腹板模锻件重量为760 Kg，而实际成品只有77.625 Kg，材料利用率仅10%。由此可见，大型结构件的传统制造方法，不仅需要大型水压机、大型多轴数控机床，而且其材料利用率低，工序繁多，制造周期长，有些构件甚至无法用传统工艺完成加工。正是由于传统加工技术的局限性，现代飞机的大型复杂形状零部件往往只能在结构、重量、形状、性能等诸多方面进行妥协，因而，严重制约了其高性能一体化设计的灵活性。为此，本项目的出发点是：面向高性能一体化大型复杂结构的设计与制造需要，研究一种大型整体结构制造的新技术。

目前，我国重载铁路采用世界最大的75kg/m钢轨，最长定尺长度为75m。线路应用表明，钢轨的焊接接头伤损和疲劳伤损是制约重载钢轨服役寿命的主要因素。采用100m长定尺，钢轨焊接接头数量较75m钢轨显著降低，可以从本质上减少焊接接头伤损。同时，采用大断面连铸坯大压缩比轧制可以提高钢轨致密度，从而提高钢轨的强韧综合性能指标。当前国内主要钢轨生产企业均采用280mm×380mm断面生产重载钢轨，本项目立足钢轨长尺化和性能提升两方面，开展了大断面连铸坯生产100m长尺75kg/m重载钢轨关键技术研究及应用。 实现大断面连铸坯高质量生产百米长尺重载钢轨，主要面临以下技术难题。 1、无成熟的重载轨连铸大断面设计经验可供借鉴。国内某厂此前开展过大断面连铸重轨钢的研究，由于大断面连铸坯和钢轨质量难以控制，大断面连铸坯生产重载钢轨难度大而未开展工业化批量生产。因此，首要任务就是设计适合百米长尺重载钢轨稳定生产的大断面连铸坯。 2、大断面连铸坯质量控制难度高。连铸断面越大，高碳、高硅、高锰含量的钢轨钢越容易产生中心偏析、疏松和缩孔等缺陷，最终导致钢轨轨腰缺陷严重。连铸坯断面越大，凝固过程铸坯角部传热控制难度越大，容易产生角部裂纹、凸包等缺陷，轧制钢轨若形成封闭缺陷则难以检查发现，严重影响钢轨服役性能。 3、大断面连铸坯生产百米长尺重载钢轨高效高精度轧制难度大。随着轧制压缩比增加，轧制过程钢轨头部开裂的风险增大；铸坯单重及材质强度的提升导致钢轨通长规格尺寸波动大，表面缺陷增加，特别是轧疤缺陷控制难度更大。 因此，采用大断面连铸坯轧制大断面长尺钢轨已成为我国重载铁路钢轨亟待解决的问题。

轿车作为家庭的高端消费品，鉴于对轿车外观日益严苛的要求，汽车外板成为表面质量要求最高的钢铁产品。在汽车外板的炼钢连铸、热轧、冷轧和热镀锌等各生产工序中都可能产生表面缺陷，其中炼钢连铸工序中产生的表面缺陷（炼钢缺陷）占比达到 70%左，由于其产生机理复杂，又与其他缺陷相互交织，造成其判定、识别和改进非常困难。因此汽车外板表面炼钢缺陷控制近年来成为各大钢铁公司炼钢连铸技术领域最重要的研发课题。 上海大学联合宝钢、首钢京唐、首钢迁钢、鞍钢等数家在汽车外板制造技术国内领先的钢铁公司，2010 以来围绕该技术持续研究，取得显著成效。

通过对国内近百条热连轧生产线的过程控制模型精度和产品质量指标研究发现，造成非稳态过程难以控制的原因，既有板带材轧制本身的工艺因素，又受制于热连轧自身的控制特点，长期面临如下突出问题： （1）热连轧各机架存在着弹性变形和塑性变形的交叉耦合作用。热连轧各机架与带材直接接触并产生压下量时，轧机设备会发生弹性变形，轧件又会发生塑性变形，这种设备弹性状态和带钢压下产生的塑性状态耦合到一起，导致传统数学模型很难对其进行精准计算和表述，尤其在频繁换规格或换钢种状态下，一种弹塑性耦合状态下的模型未完自学习至最优状态，又会过渡到另外一种弹塑性状态，导致整个机组形成长时间的非稳态过渡过程。 (2)非稳态过程难以建立高精度的热轧数学模型。该过程具有不确定性、非线性等特点，存在润滑状态、设备工况等多种多样难以表述的变化，这些对薄带材轧制的影响远超过普通带材。而实际控制过程采用的单一常参数模型难以满足连续变化的要求，模型匹配性差，实际生产过程中轧制力、前滑等关键参数存在很大偏差。 (3)多工序间的过程控制参数波动的影响。热连轧生产过程装备由加热炉、定宽压力机、粗轧机组、精轧机组、控制冷却及卷取机组等多个区域组成，各个工序均具有非线性、快响应以及时变、不确定性、工艺控制模型复杂、过程变量维数高、规模大等特点，这就决定了各个工序的建模过程比一般的工业过程复杂得多。这种非稳态下的过程参数波动，均可对下游工序产生很大的影响，从而导致产品质量问题，如板形、尺寸精度以及工艺性能等。 针对热连轧制造领域内过程精准控制科学问题和相关技术瓶颈，2019年河钢集团有限公司、华为、东北大学在深圳举行联合组建“工业互联网赋能钢铁智能制造联合创新中心”签约挂牌仪式。三方成立的联创中心将作为钢铁行业工业互联网与智能制造产学研用平台，以钢铁全流程产线为基点，着力实现网络化、数字化、智能化的新钢铁，促进钢铁产业转型升级、高质量发展。 项目团队依托河钢邯钢公司邯宝2250mm热连轧生产线，基于现有自动化与信息化系统，深度融合数据驱动模型与机理模型，首次开发了热连轧过程动态数字孪生模型并建立了CPS控制系统平台，提高了轧制工艺对复杂多变工况的原位分析能力，改善了热连轧过程三维尺寸控制指标。