1、1申报 2017 年国家科技进步奖项目公示项目名称：高质量钢轨及复杂断面型钢轧制数字化关键技术及应用项目简介：随着轨道交通、建筑、桥梁及大型工程机械制造行业的发展,我国年需求高速钢轨,重轨及各类断面型钢7000多万吨,规格数千种。根据结构与装备优化的新要求,对高质量高精度型钢新产品的需求不断增长。但因复杂断面型钢轧制为材料、几何、接触非线性及多道次三维热力耦合叠加问题,金属流动、变形缺陷及控制方式十分复杂,其关键核心技术孔型系统设计、轧辊配辊加工与工艺控制仍主要依靠传统经验技术,普遍存在新产品研发周期长、成本高、废品率高、精度控制难等技术难题。本项目针对复杂断面型钢轧制存在的技术难题，将现代材
2、料科学、数值模拟及数字化网络化等科学技术相结合，突破传统的经验-试错方法，解决其中的关键核心技术，开发全新高效的数字化、网络化+CAD-CAE-CAM一体化集成技术，实现大批量工程应用，并使低成本、近终型连轧生产高精度机械结构件成为可能。主要创新如下：自主开发出基于高级计算机语言的型钢孔型参数化设计系统和复杂断面型钢全轧程三维热力耦合数值模拟系统。实现准确、快捷地完成多规格异形材的孔型系统设计并高效获得轧制全流程轧件尺寸形状及物理场、力能参数等技术数据与规律；将型钢轧制孔型参数化设计系统与全轧程三维数值模拟系统集成一体，首次实现孔型参数化设计与有限元数值模拟的无缝衔接、孔型系统设计与工艺控制最
3、优化的CAE分析与工程应用；自主开发出参数化配辊与轧辊机加工代码自动生成系统，实现各架轧机配辊图自动生成、数控机床NC代码自动输出及系列轧辊加工CAM，首次实现高质量复杂断面型钢制造CAD-CAE-CAM数字化集成系统；建立了一整套复杂断面型钢轧制金属流动宽展预测及全断面补偿模型,解决了百米高速轨、重载钢轨及复杂断面型钢全长尺寸与质量高精度控制技术难题。项目获授权发明专利 21 项,实用新型 11 项,软件著作权 2 项,专著 1 部,新标准 1 项,发表论文 31篇，开发出国内外第一套高质量复杂断面型钢设计制造数字化系统，大幅度提升了钢轨及复杂断面型钢设计制造的科技水平、效率、质量及精度，显
4、著降低了新产品开发成本、提高了产品附加值，经国内外同类技术比较及专家组鉴定，成果居国际先进水平，部分指标国际领先。该技术在攀钢、山钢等企业成功应用于 60kg/m 百米重轨高精度控制、60D40 道岔轨扭转控制、出口 UIC860、75kg/m 重轨、美国一级铁路 115RE 钢轨等的全长尺寸均匀性与精度控制；并成功开发出 J 形,C 形等多种复杂断面型钢，产品批量应用于高铁及大型机械装备制造等行业。应用表明，显著提高了钢轨的焊接质量、列车运行平稳性及大型工程机械结构合理性和效率，降低了制造成本。近 3 年新增产值 20.46 亿元，新增利税 4.71 亿元，创汇 4.34 亿美元。该成果获中
5、钢协, 中国金属学会冶金科学技术奖一等奖，并被列入中国金属学会钢铁关键共性技术推广项目。该成果对应用现代科学技术改造和提升传统产业、推动冶金材料制造技术进步，降低成本、提升竞争力提供了良好范例，尤其对发展先进的新一代钢铁材料绿色化、数字化和智能化制造技术意义重大，经济社会效益显著、推广前景广阔。客观评价：22015 年 5 月 8 日，由四川省科技厅组织，四川省经信委主持在成都召开了“高质量钢轨轧制 CAD-CAE-CAM 集成系统开发与应用”项目技术鉴定会。鉴定意见如下：项目从孔型参数化设计、钢轨轧制过程三维热力耦合数值模拟、轧辊机加工等方面的系统研究、实践和创新，在一些关键技术上取得了突破
6、，成功地研发出高质量钢轨生产 CAD-CAE-CAM 集成系统 ,使传统的钢轨及复杂型钢设计与制造技术提升到一个崭新的层次，取得主要创新点如下：（1）开发出基于高级计算机语言的钢轨及复杂型钢孔型参数化设计系统，实现了多道次复杂孔型系统各道孔型 CAD 图形的自动生成、修改、存储，大大提高了钢轨及复杂型钢产品的孔型设计效率和精度；（2）开发出温度映射和模型重构等关键技术，建立了钢轨全轧程三维热力耦合数值模拟系统，首次实现不需要人工干预前提下，通过程序完成钢轨轧制全流程的三维热力耦合数值模拟，由此实现孔型设计最优化；（3）建立了参数化配辊与轧辊机加工代码自动生成系统，实现数控加工机床 NC 代码自
7、动输出与轧辊加工 CAM，首次将钢轨孔型设计参数化与三维数值模拟、轧辊机加工 NC 代码生成三项技术系统有机结合,形成无缝衔接的一体化集成技术和面向一线工程技术人员的专业 CAD-CAE-CAM 系统，保证了批量生产的稳定性和高效率。该项目成果所形成的在高质量钢轨轧制 CAD-CAE-CAM 集成系统开发与应用技术达到国际先进水平。推广应用情况：该项目技术成果从 2012 年开始在攀钢集团攀枝花钢钒有限公司轨梁厂、山东钢铁股份有限公司莱钢型钢厂等企业推广应用。近 3 年（2014-2016）应用该技术在攀钢生产高质量 60kg/m百米轨、75kg/m 重轨、道岔轨、地铁轨、出口美国一级铁路用钢
8、轨等共计 356.5 万吨；在莱钢生产 J 形、C 形、H 形门架型钢等多种复杂断面型钢 7.52 万吨，用户包括安徽合力股份有限公司、山东光明机器制造有限公司等用于工程车叉车门架、牵引车梁制造等。高质量钢轨在提高钢轨焊接质量、生产作业率和钢轨焊接接头的平直度、减少钢轨焊接设备的损伤及故障率，保证列车运行的安全性、平稳性及舒适性，J 型钢等复杂断面型钢在替代原有焊接及机加工制造的叉车门架、牵引车梁等方面发挥了关键作用,得到用户的高度评价，实现产品生产和用户双赢的局面。近 3 年两家钢企共新增产值 20.46 亿元，新增利税 4.71 亿元，创汇 4.3亿美元。主要知识产权证明目录：1.发明专利
9、：钢轨轨高通长波动控制方法，ZL201210060807.5，攀钢集团攀枝花钢钒有限公司2.发明专利：一种热轧J型钢及其应用,ZL201310565911.4，山东钢铁股份有限公司3.发明专利：热轧H型钢轧制过程机架间控制冷却方法，ZL200810238804.X，北京科技大学4.发明专利：钢轨底宽通长波动控制方法，ZL201210060808.X;攀钢集团攀枝花钢钒有限公司5.发明专利：万能轧机及其立辊旋转轴线角度可调的轧机立辊装置，ZL201310482933.4，山东钢铁股份有限公司6.发明专利：轧机斜楔液压压下装置，ZL201110126569.9，北京科技大学7.发明专利：钢轨对称通
10、长波动控制方法,ZL201210061165.0;攀钢集团攀枝花钢钒有限公司38.发明专利:钢轨断面规格通长波动控制方法,ZL201210061164.6;攀钢集团攀枝花钢钒有限公司9.发明专利：后件顺序拉伸成体的建模方法，ZL201310284565.2；攀钢集团攀枝花钢钒有限公司10.发明专利：热轧 H 型钢的机架间冷却装置，ZL201210230045.9,山东钢铁股份有限公司11.软件著作权：钢轨孔型参数化设计系统，2015SR106521,北京科技大学12.软件著作权：钢轨轧制CAD-CAE-CAM 集成系统，2015SR106518,北京科技大学主要完成人情况：1.康永林,北京科技
11、大学,项目负责人。对第(1),(2),(3),(4)项科技创新内容作出实质性贡献。获相关授权发明专利 6 项，软件著作权 2 项，出版相关专著 1 部，发表相关学术论文 15 篇。2.陶功明,攀钢集团攀枝花钢钒有限公司，攀钢技术开发及应用负责人。对第（2）,(3),(4)项科技创新内容作出实质性贡献。获 6 项授权发明专利，发表相关学术论文 8 篇。3.朱国明,北京科技大学，项目技术开发及应用主要完成人。对第(1),(2),(3)项科技创新内容作出实质性贡献。获相关授权发明专利 1 项，软件著作权 2 项；发表相关学术论文 11 篇。4.张思勋,山东钢铁股份有限公司，山钢技术开发及应用负责人。
12、对第（2）,(3),(4)项科技创新内容作出实质性贡献。获授权发明专利 1 项，发表相关学术论文 4 篇。5.赵云，攀钢集团公司，项目主要完成人。对第(3),(4)项科技创新内容作出实质性贡献。获 2项授权发明专利，实用新型专利 1 项，发表相关学术论文 2 篇。6.王中学,山东钢铁股份有限公司，项目山钢技术开发主要完成人。对第(3)（4）项科技创新内容作出实质性贡献。获授权发明专利 3 项，实用新型 4 项，发表相关学术论文 3 篇。7.马朝辉,攀钢集团攀枝花钢钒有限公司，项目主要完成人。对第(3),(4)项科技创新内容作出实质性贡献。获实用新型专利 1 项，发表相关学术论文 1 篇。8.朱
13、华林,攀钢集团攀枝花钢钒有限公司，项目主要完成人。对第(3),(4)项科技创新内容作出实质性贡献。获发明专利 2 项，获实用新型专利 1 项，发表相关学术论文 2 篇。9.刘福宁,山东钢铁股份有限公司，项目山钢技术开发主要完成人。对第(3)项科技创新内容作出实质性贡献。获授权发明专利 2 项，实用新型 1 项，发表相关学术论文 3 篇。10.林 刚,攀钢集团攀枝花钢钒有限公司，项目主要完成人。对第(3),(4)项科技创新内容作出实质性贡献。获发明专利 2 项，发表相关学术论文 2 篇。11.郭华,攀钢集团攀枝花钢钒有限公司，项目主要完成人。对第(3),(4)项科技创新内容作出实质性贡献。发表相
14、关学术论文 3 篇。12.杜显彬,山东钢铁股份有限公司，项目山钢技术开发主要完成人。对第(3)项科技创新内容作出实质性贡献。发表相关学术论文 1 篇。13.杨伟,攀钢集团攀枝花钢钒有限公司，项目主要完成人。对第(3),(4)项科技创新内容作出实质性贡献。获发明专利 2 项，发表相关学术论文 1 篇。14.张秀山,山东钢铁股份有限公司，本项目山钢技术开发主要完成人。对第(3)项科技创新内容作出实质性贡献。获相关授权发明专利 1 项，发表相关学术论文 1 篇。15.杜健，攀钢集团攀枝花钢钒有限公司，项目主要完成人。对第(3),(4)项科技创新内容作出实质性贡献。主要完成单位及创新推广贡献：41.北
15、京科技大学：负责并为主开发出基于高级计算机语言的型钢孔型参数化设计系统和钢轨及复杂断面型钢全轧程三维热力耦合数值模拟系统；将复杂断面型钢轧制孔型设计参数化系统与全轧程数值模拟系统集成一体，实现孔型参数化设计与有限元数值模拟的无缝衔接、孔型设计与工艺控制最优化的 CAE 分析与工程应用；与企业合作建立了参数化配辊与轧辊机加工代码自动生成系统，实现各架轧机配辊图自动生成、数控加工机床 NC 代码自动输出以及系列轧辊加工 CAM，首次实现先进的数字化钢轨及复杂断面型钢生产 CAD-CAE-CAM 集成系统；与企业合作解决了复杂断面型钢新产品开发应用及尺寸形状高精度控制等技术难题;获授权相关发明专利
16、7 项,软件著作权 2 项,出版相关专著 1 部,发表相关学术论文 15 篇,培养博士 3 名,硕士5 名。2.攀钢集团攀枝花钢钒有限公司：合作开发出钢轨轧制数值模拟与优化系统；将钢轨轧制CAD-CAE-CAM 数字化集成系统技术在攀钢轨梁厂生产线进行全面实施应用；开发出一整套钢轨轧制金属流动宽展预测基础模型、单项及全断面补偿基础模型和边界条件分析处理方法，应用复杂型钢轧制 CAD -CAE-CAM 数字化集成系统技术成功解决了百米高速钢轨、重载钢轨等的全长断面尺寸均匀性控制技术难题；将项目开发的技术成果在攀钢轨梁厂生产线进行大规模实施应用，取得显著的经济社会效益，2014-2016 年生产高
17、质量钢轨 356.5 万吨，新增产值 17.36 亿元，新增利润 3.89 亿元；获相关授权发明专利 6 项，实用新型 4 项，发表相关学术论文 11篇。3.山东钢铁股份有限公司：合作开发出复杂型钢轧制数值模拟与优化系统；将复杂型钢轧制 CAD -CAE-CAM 数字化集成系统技术在莱钢型钢厂生产线进行全面实施应用；应用复杂型钢轧制 CAD -CAE-CAM 数字化集成系统技术成功开发出 J 形、C 形等复杂断面型钢等新产品，解决了复杂型钢轧制尺寸精度控制技术难题；将项目开发的技术成果在山钢大型、中型、小型型钢生产线进行大规模实施应用，取得显著的经济社会效益，2014-2016 年生产 J 型
18、、C 型等复杂断面型钢 7.52 万吨，新增产值 30941.8 万元，新增利润 8190.15 万元；获得项目相关授权发明专利 8 项，实用新型 5 项，发表相关学术论文 8 篇。完成人合作关系说明：2010 年2012 年：北京科技大学康永林、朱国明及研究生同攀钢集团攀枝花钢钒有限公司陶功明、赵云、马朝辉、朱华林、林刚、郭华、杨伟、杜健等就“万能轧机型钢孔型化参数设计及轧制过程数值模拟系统的开发与应用”建立合作关系，开展研究开发及应用工作。北京科技大学康永林教授为项目总负责人，朱国明老师为软件开发负责人，攀钢陶功明、赵云为现场技术负责人，马朝辉、朱华林、林刚、郭华、杨伟、杜健等为攀钢轨梁厂
19、及攀钢研究院主要技术参与人。该项成果于 2012 年2014 年将软件进一步完善并开展应用，形成高质量钢轨轧制CAD-CAE-CAM 集成系统与应用成果，该成果于 2015 年 5 月初通过四川省科技厅组织的项目鉴定。2007 年2009 年：北京科技大学康永林、朱国明同山东莱钢就大型 H 型钢轧制缺陷有限元模拟与仿真开展合作开发，莱钢的主要技术人员为张思勋、王中学、刘福宁、杜显彬等人。2009 年2010 年：北京科技大学康永林、朱国明同山东莱钢张思勋、王中学等技术人员就小型 H 型钢仿真结果修正与相关模型回归开展合作研究。2010 年2012 年：北京科技大学朱国明、康永林同山东莱钢张思勋、王中学、刘福宁等技5术人员就型钢模拟软件编程与系统集成优化开展合作研究。2012 年2013 年：北京科技大学朱国明同山东莱钢张思勋、王中学、刘福宁等技术人员就型钢轧制过程数值模拟实验研究开展合作。
