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↑大家知道，液态物质内部原子的排列相对于固态来说，是处在一种无序的状态。随着温度的下降，原子将会按照一定的规律排列成为有序的状态，这样一个排列的过程称为↑↑↑“↑↑↑相变↑↑↑”↑↑↑。材料完成相变过程所需要时间的长短，则因不同的物质有很大的差别。比如，一般的纯金属大约只需一亿分之一秒就可完成，但是像玻璃、陶瓷和一些聚合物却需要长达几昼夜、甚至几十昼夜的时间才能完成。根据这种情况，我们如能想法使熔化金属的散热速度达到极大，那么，它的凝固速度就会超过它的相变速度，金属内部的原子来不及进行有序排列，我们就能得到表面是固态、而内部仍保留液态原子无序排列的一种完新的金属状态，这就是快速凝固技术的基本原理。↑↑ ↑显然，这种新状态的金属将具有与常态金属不同的性质，因为它实质上是液体，所以它化学成分在整体上都是均匀的，决不会存在常态合金所无法避免的偏析现象，它实质上没有发生相变，所以它不受那些反映常态凝固相变的平衡规律的限制。换句话说，用快速凝固技术生产的合金，其化学成分没有任何限制，这是传统冶金方法无法办到的事。但是，因为它是一种无序的非晶均匀状态，所以我们总可以找到适宜的条件和方法对它进行变形加工。快速凝固技术的出现，使人类又有一种制取新材料的技术手段。↑ ↑近年来，各国都在大力开展快速凝固这门新技术的研究。快速凝固工艺过程多种多样，像电沉积、真空镀、等离子喷射、液体合金溅射、快速冷却等等，都有所采用。↑ ↑快速凝固技术的出现打破了许多在配制新合金上传统工艺的限制。例如冶金学家已经预测到在铝锰合金中增加锰的含量，会大大提高铝锰合金的机械性能，但是由于锰在铝中的溶解度有限而无法实现。快速凝固技术就为冶金学家解决了这个难题，制成了含锰量非常高的铝锰合金。使用快速凝固技术制造的产品不足之处是一般不能用在超过３００℃的温度，因为此时产品就会自然结晶而变成为传统工艺方法制成的产品。↑ ↑美国的普拉特·惠特尼航空发动机公司却巧妙地利用这个↑↑↑“↑↑↑缺点↑↑↑”↑↑↑，将铝锰合金快速凝固。他们先将用快速凝固技术制好的合金粉末冷挤成板坯，利用它的良好变形性质制成板材，同时在板上用光刻技术腐蚀出将来成品需要的通风槽，再将这样的板，８块或６块一组在高压下使它们彼此相互扩散连接↑↑↑“↑↑↑长↑↑↑”↑↑↑在一起，然后再把这些类似夹心饼干似的板进行高温热处理，使其再结晶。但这时并不是让它进行自然结晶，而是使它在人的控制下，沿着将来零件承载时的受力方向成为柱状的结晶，这样消除了与受力方向垂直而又高温强度较低的横向晶界，可以大大改进零件的机械性能。该公司利用上述工艺制成的航空燃气涡轮发动机的涡轮叶片，工作温度可以达到７００℃，突破了８０年代最先进的发动机的工作温度，成为世界尖端技术之一。↑ ↑人类使用金属的历史已经有数千年之久。但是除水银外，金属都是在结晶的固态下使用，现有几乎所有的有关金属的论著都是在这个基础上论述的。但是自从２０世纪７０年代中叶出现了快速凝固技术以后，人们对金属又有了新的认识，改变了金属的概念，原来有关金属的理论有的已不再适用，在这个基础上就需要科学家重新建立一套能反映这种新状态规律的金属科学。因此快速凝固技术的意义远不止是一种先进工艺技术的成就，而更重要的是它为人类展现出又一个有待深入探索的处女地。研究探索配制合金材料的新工艺，提高合金材料的性能，使之适应科学技术发展的需要，是目前金属科研人员新的重要任务之一。２１世纪人们将努力开垦这块处女地，让它为人类做更多的贡献。□↑ ↑↑ ↑------------------------------------------↑ ↑轧钢连续加热炉计算机控制技术综述↑ ↑温治↑ ↑现状分析↑ ↑↑ ↑连续加热炉在轧钢生产中占有十分重要的地位。它的任务是按轧机的轧制节奏将钢坯加热到工艺要求的温度水平，并且在保证优质、高产的前提下，尽可能地降低燃料消耗、减少氧化烧损。随着轧钢生产的大型化、连续化和对加热炉高产、优质和低消耗的要求不断提高，采用计算机控制加热炉生产已成为实现上述目标的发展方向和必然趋势。从发展顺序和控制水平两个方面进行归纳和总结，轧钢连续加热炉的计算机控制水平可划分为如下３个层次：↑ ↑１．以提高燃料利用率、维持合理空燃比为目的，实现燃烧过程的基础自动化控制，即以炉温为控制对象的基础燃烧控制系统；↑ ↑２．以优化钢坯加热过程本身为目标，实现炉温或者燃耗量的过程自动控制，即以钢温为控制对象的数模优化控制系统；↑ ↑３．在前后工序实现自动化的基础上，以协调优化整个生产系统为目标，实现加热工段的计算机自动化调度管理，即以全系统最优为控制目标的监督控制系统。↑ ↑当然，在每个层次中存在着各种不同水平的工程实践，而且在以某一层次为主的控制系统中，也会具有另一层次的某些功能，因此层次划分并不是十分严格的，只是控制水平的相对反映。↑ ↑国际上，在２０世纪７０年代以前，关于加热炉自动控制的研究工作主要集中在燃烧控制上。７０年代后，燃烧控制已趋于成熟，研究重点转移到以追求加热炉某种性能指标的优化控制方面。这时加热炉数学模型被广泛地应用到计算机控制上。欧美、日本和前苏联等国相继开发了钢坯位置跟踪、钢坯温度跟踪、装出炉自动化控制、终轧温度控制等加热炉优化加热控制系统。近年来，一些带有整个生产线物料跟踪的高度自动化的连续加热炉自动控制系统的研究和实践也已逐渐深入和提高，标志着加热炉控制已进入自动控制的第三个层次水平。↑ ↑我国从２０世纪８０年代初才开始对加热炉生产过程进行计算机控制技术的研究，虽然起步较晚，但目前在控制理论和关键技术方面的开发和应用上与先进国家相比差距不是很大。我国轧钢企业配置计算机控制的连续加热炉逐渐增多，并进行了不同程度的控制，由于各自的控制内容和使用情况不同，所到得的效果也不尽相同。但多数处于燃烧控制水平，实现数学模型的优化控制还不多，能够划归到第三层次的仅有宝钢、武钢和鞍钢热轧厂等先进企业，但目前控制功能尚不够完备，要达到系统最优的控制目标还需不断改进和完善。↑ ↑↑ ↑燃烧控制↑ ↑↑ ↑在以炉温或者燃料供应量为设定值的动态优化控制系统中，燃烧控制的任务不但要动态地维持合理的空燃比，以提高燃料的利用率，而且要求调节的动态响应特性良好，以实现快速平稳而准确的控制。↑ ↑对于定空燃比热值稳定的燃烧控制系统，目前主要有以下几种控制方式：↑ ↑１．燃料或空气先行的比值调节系统；↑ ↑２．串级串联燃烧控制系统；↑ ↑３．串级并联燃烧控制系统；↑ ↑４．串级并联单交叉限幅燃烧控制系统；↑ ↑５．串级并联双交叉限幅燃烧控制系统；↑ ↑６．变偏置系数的串级并联双交叉限幅燃烧控制系统；↑ ↑７．带烟气氧含量反馈的串级并联双交叉限幅燃烧控制系统。↑ ↑目前，维持一定空燃比的控制算法已经逐渐成熟，在双交叉限幅的基础上，又开发了变增益交叉限幅、串级比值等新的控制策略。炉温调节除普通的ＰＩＤ外，也出现了改进型的二自由度ＰＩＤ、Ｉ－ＰＤ等类型。优化燃烧控制方面较难解决的问题是，实际的燃烧过程还要受燃料成分及其发热值的波动、流量测量信号失真等随机工艺因素的影响，合理的空燃比本身也在变化。↑ ↑为此，国内外的学者们研究了一些在工程中有应用价值的控制算法和方式，主要包括：↑ ↑１．自寻优控制算法，简称↑↑↑“↑↑↑爬坡法↑↑↑”↑↑↑。这种算法应用了自适应、自寻优等方法进行燃烧控制。其控制思想是：固定空气或煤气，不断调节煤气或空气，炉膛升温速度最快时的空燃比就是要寻找的最佳空燃比。它的缺点是分不清温度增量的变化是由于哪个因素引起的，从而可能导致误动作。↑ ↑２．应用自适应、自寻优和专家系统实现的最佳燃烧控制。其基本思想是在轧制节奏一定的情况下满足下列条件的空燃比就认为是最佳的：在低于炉温设定点下限↑↑↑“↑↑↑升温↑↑↑”↑↑↑加热期间，对于定燃料量升温速度最大，对于定升温速度，燃料量最少；在炉温设定点范围内↑↑↑“↑↑↑恒温↑↑↑”↑↑↑加热期间，维持炉温所需燃料量最少。具体措施是，每隔一段时间进行一次实际值和预测值的对比，不断调整或修订空燃比。由于控制方法的时间滞后性，这种方法只适用于热值波动幅度不大的情况。↑ ↑３．多目标专家寻优控制算法。其控制策略为：满足加热炉各段炉温和炉温升温速度合理、烟温和烟气升温速度合理、炉压合理、热风温度和热风温度升温速度合理等条件的空燃比是最佳空燃比。↑ ↑４．带氧量校正的最佳燃烧控制系统。在该系统中残氧检测方法被用来参与闭环控制，控制水平大大提高。目前的主要问题是用于测量烟气中氧含量的氧化锆探头进口的产品价格太贵，而国产的使用寿命太短。因此，在一定程度上制约了该技术的推广和应用。↑ ↑燃烧控制的另一条途径是研制空燃比的自寻优和智能型寻优控制，目前还处于研究阶段；直接监测火焰性能以控制燃烧的方法最为理想，但现在还没有实用仪器，无法实现。↑ ↑近年来，随着人工智能理论的发展和实用化，模糊控制、专家系统等技术正在加热炉燃烧控制上得到越来越广泛的应用。蒙特卡洛随机思想以及量子物理浮点思想在自动控制方面也引起研究者们的高度重视，随着现代科学技术的发展，随机系统虑波与控制理论也将被应用于加热炉生产计算机控制中。↑ ↑↑ ↑优化控制↑ ↑↑ ↑１．控制目标↑ ↑加热炉中钢坯加热过程优化控制的目的不外乎优质、高产和低消耗，其优化控制目标主要包括：燃耗最低、氧化烧损最小、产量最高和目标出炉温度最准等。此外，还可计入炉子运行折旧、加热和轧制的总能耗等指标。↑ ↑由于炉温或者燃料供应量这两个控制参量与被控参量钢坯温度、总燃耗量、氧化烧损量、产量等之间的依变关系十分复杂，一般不能归纳为有效的数学关系。只有经过一定的合理简化，才可能构造出实用的控制算法。如按照各段燃料供应量的分配或者各段炉温水平分布的操作控制策略，有助于构造经验型或半经验型的优化控制算法。这两种算法虽然结构简单，便于实施在线控制，但应用范围窄，不能适应操作条件和设备性能的动态变化。另一条简化途径是将复杂的计算用离线模拟运算完成，然后将离线计算结果回归为简单的在线控制数学模型或者优化的目标函数值，以便实施在线控制。目前应用最多的是归纳为节能优化钢温曲线，也有用统计或离线分析法直接建立炉温或燃耗的优化设定值关系的。↑ ↑２．控制策略↑ ↑从计算机控制的发展和水平归纳，轧钢加热炉的计算机优化控制方式主要有３种。↑ ↑１生产率--炉温或燃料供应量直接优化控制系统。该控制策略是依据产量、钢种、料坯厚度等因素直接给定炉温或燃料供应量的优化设定值，不涉及被控参量钢坯温度。如常用的炉温设定值↑↑↑“↑↑↑查询图↑↑↑”↑↑↑和↑↑↑“↑↑↑地毯图↑↑↑”↑↑↑就属此种方式。这种控制方式对静态加热过程控制较适应，当发生待轧等非正常情况时需采用一些补偿算法，但仍难免造成偏差，影响产量、质量和消耗指标。↑ ↑２基于数学模型的钢温控制系统。为适应对钢坯加热质量要求越来越高的需要，利用钢坯加热数学模型，以及相适应的优化目标函数构造出具体的、以控制钢温为目的的优化控制算法。实践中应用最广泛的是优化钢温曲线方法。此外，也有直接构造控制参量的优化目标函数的。↑ ↑３带钢温负反馈的钢温控制系统。由于增加了在线实时测量钢坯表面温度的装置进行负反馈调节，使得控制系统具有自动适应炉子和控制设备特性改变的能力，从而大大提高了加热炉的控制水平。其中，终轧温度负反馈方案最为成熟，但由于控制对象的滞后作用，它只能在生产率相对稳定或波动较小的情况下有效地运行。炉内钢坯表面温度在线检测的钢温负反馈系统，不存在滞后，它具有闭环控制，能自动适应各种类型的变化和干扰。但用于测量料坯表面温度的双探头红外辐射高温计价格昂贵，在一定程度上限制了该技术的推广和应用。↑ ↑近年来，有些学者将模糊控制技术和专家系统等应用到加热炉的优化控制中。在２０世纪８０年代中期，专家控制系统在钢铁工业的一些工艺过程和单体设备上达到实用化程度；但目前轧钢加热炉专家系统的工程实践还很少，主要是受生产技术、市场需求及专家系统本身的一些因素的制约。↑ ↑３．待轧控制↑ ↑加热炉的主要任务是加热钢坯，使其在出炉时达到轧制所要求的温度分布。由于加热炉只是轧钢工序的组成部分，许多不可预见的因素都将影响到加热炉的稳定生产，而待轧是炉子操作中一个典型的动态过程，也是不可避免的。一般将加热炉的待轧状态分为计划性和非计划性待轧，其中计划待轧指计划检修或换班引起的停顿，其时间一般能准确确定；而非计划待轧指由事故等随机因素造成的，其时间一般不易预知。待轧一旦发生，钢坯在炉内不再运动，如果供热制度不做适当调整，钢坯温度将不断上升，这不仅导致燃料浪费，而且还可能导致更多的氧化和脱碳，严重地影响到钢坯的加热质量。因此，必须对生产过程中出现的待轧情况进行动态的决策，使加热炉在此不稳定工况下仍能实现优化操作，满足加热炉优质、高产和低消耗的要求。↑ ↑基本原则：↑ ↑１待轧策略应建立在离线非稳态传热过程分析的基础上；↑ ↑２在待轧发生时应及时足够地减少燃料量，迅速将炉温降至适当的水平以减少消耗和避免发生过热过烧事故；↑ ↑３均热段保温水平应高一些；↑ ↑４在重新开轧之前，应在尽可能短的时间内将钢坯加热到工艺要求的状态，准时投入生产，避免因待热而影响生产；↑ ↑５各炉段应有不同的待轧策略；↑ ↑６通过轧制节奏自学习模型，合理安排加热制度，尽可能地提高待轧的可预见性。↑ ↑控制策略：↑ ↑待轧控制策略是指加热炉在待轧期间炉子热负荷随时间的调节规律，一般包括炉子的降温、保温和升温过程的控制。目前常用的控制策略主要有以下几种：↑ ↑１非计划和短期待轧待轧时间小于３０ｍｉｎ由有经验的操作人员及时给定可能的待轧时间和保温水平，将待轧时间加到钢坯在炉内的停留时间内，按稳态加热的保温设定值计算，直到待轧结束恢复到待轧前的炉温水平。↑ ↑２计划性待轧：↑ ↑ａ．经验型策略：根据经验得出一张↑↑↑“↑↑↑乘因子表↑↑↑”↑↑↑，对应不同的待轧时间查出各供热段的炉温乘因子，用以修正和控制↑↑↑“↑↑↑地毯图↑↑↑”↑↑↑中的确定的炉温设定值。↑ ↑ｂ．以钢温优化曲线为依据：由于待轧，钢坯在炉内时间延长，钢坯温度会升高，因而在停轧时降低温度设定值。降温的幅度，以待轧结束时钢温能回到原先的优化曲线状态为准。↑ ↑ｃ．在线寻优：根据待轧时间确定保温水平，并以此为目标按炉子允许的最大降温速度达各段炉温；同时累计时间，计算现时刻状态下，将钢坯再加热到最优温度所需要的时间。用待轧时间减去降温保温和升温时间，其差值若为正，则继续降温或保温，否则开始升温。↑ ↑前两类待轧策略都是建立在操作经验和稳态优化目标值之上，缺乏对不稳态加热过程的分析研究，需要进一步改进。在线寻优复杂，不便于实时控制。此外，目前的待轧策略中，大多忽略了一个应该具有的功能，即当轧机能力有富裕时，应利用待轧停顿增加炉子前部钢材的热焓量，使待轧结束时更快地出钢，发挥轧机的潜力，提高生产率。↑ ↑另外，国外许多学者对待轧策略进行了诸多研究，在工程实际中有很大的应用价值，如Ｈｏｕａｎｄ对炉子待轧时钢坯温度进行了研究，得出在炉内同一位置处钢坯温度高于正常值而断面温差小于正常值，且待轧期间和待轧后一段时间，应适当减小热负荷；Ｐｒｉｃｅ亦给出了一个待轧策略，认为对于计划性待轧应该提前降温，待轧期间应该降至最小极限温度，恢复轧制时提前将炉温升到正常值；Ｃａｐｅｎｔｅｒ提出在短期待轧时，炉温应适当降低，对于长时间待轧应将炉温降至最低保温温度，并保持到系统决定升温。上述最佳炉温设定值控制，是根据实际炉温与最佳炉温设定值的偏差来调节燃料流量，通过控制炉温来控制钢坯按最优加热曲线升温。此外，有的研究则直接控制燃料流量为设定值控制，也取得了较好的控制效果。↑ ↑↑ ↑技术展望↑ ↑↑ ↑我国目前轧钢加热炉计算机控制技术在理论上已达到先进国家的水平，但在工程应用上和发达国家相比还存在较大的差距。根据我国的实际情况，轧钢加热炉控制技术的发展还需要在以下几方面开展研究工作。↑ ↑１．准确而及时地将钢坯加热到工艺要求的温度和质量，并且在优质和高产的前提下，尽可能地减少燃料、氧化烧损等消耗，在实现环保生产、保证产品质量和提高成品生产率等方面的作用不可忽视。所以，对加热炉热过程的研究具有重大的实用意义。↑ ↑２．由于实验研究方法工作量太大而且所需要的研究经费多，随着计算机技术的快速发展，对加热炉热过程进行数学模型的研究成为目前加热炉热过程研究的主要途径。国内外学者对此作了大量的研究工作，但都局限于加热炉热过程中的某一个子过程，在使用上造成了一定的限制。因此，建立燃料燃烧、液体流动和传热传质等多模型藕合的数学模型，对加热炉热过程的在线控制数学模型进行研究是今后加热炉热过程数学模型与计算机控制技术的重要研究方向。↑
