聚焦高端金属材料智能制造中冶金装备一体化创新的重大科学问题，以高端化、智能化、绿色化、国产化为建设目标，依托实验室前期在轧制装备、起重机械、高温装备、矫直装备、板带涂层装备、液压控制伺服元件等诸多关键领域所取得的坚实基础与突出贡献，凝炼出冶金装备力学行为及可靠性设计、高性能钢铁材料成型技术及装备、冶金生产低碳循环技术及装备、冶金危特恶工况机器人化智能装备四个研究方向，如下图所示。

图 重建后的研究方向

（1）研究方向一：冶金装备力学行为及可靠性设计

针对冶金装备服役过程中，机械振动、疲劳失效、摩擦磨损等力学行为和变化规律不明的问题，深入研究超宽极薄高性能钢铁材料稳态轧制动力学基础理论和多轴疲劳理论，攻克数据-机理混合驱动的轧制装备异常振动主动调控技术，建立包含裂纹多尺度扩展判据的起重机延寿机制，突破超高温多部件耦合作用下传动部件结构破坏及失效等“卡脖子”技术瓶颈。

1）轧制装备动力学理论和主动抑振原理

轧制装备抑振是行业公认难题。高强薄带钢变形抗力大、厚度薄，导致生产过程轧制力需求增加、内部张力波动控制困难、轧制界面状态调控复杂、对设备的刚度及精度保持要求更高，易引发轧制装备振动、设备损伤、表面振痕等问题，严重制约产品高效稳定生产。以高强薄带轧制装备状态感知及控制技术研发为主线，研究轧制装备结构-工艺耦合动力学及关键零部件损伤动力学理论，揭示轧制装备异常振动机理及损伤演化行为；建立机理辅助的轧制装备振动-工艺耦合大模型，攻关数据-机理混合驱动的轧制装备异常振动主动调控技术及早期损伤检测方法；阐明工艺参数及辊系状态对轧制装备刚度的影响机制，开发轧制装备刚度辨识技术；突破异常振动引发的带钢表面振痕行业难题，解决轧制装备刚度状态评估及早期损伤可靠预警与识别问题。

2）起重机械多轴疲劳理论及延寿机制

起重装备长期承受高温辐射、重/变/偏载、冲击作用的非比例与随机应力循环，其关键部位常呈现不同形式的多轴应力状态，极易在局部空间刚度不匹配的细节区域出现失效损伤，且不同区域出现裂纹缺陷后裂纹扩展速率不同。以特种设备的结构安全评估为主线，解析基于失效物理和数据融合的构件多轴多尺度损伤机制及评定方法，探索涵盖裂纹多尺度扩展判据的损伤容限评定方法及全寿命设计理论，设计设备运动状态、载荷信息和功能精度的智慧感知方法，提出材料强韧均衡和刚度匹配的优化方法，提出基于监测数据、系统级数值模拟和机器学习深度融合的大型金属结构失效机理研究和耐久性评估体系，揭示不同构件在冶金现场严苛环境下损伤失效机制及演化规律，保障冶金现场起重装备长期安全服役。

3）耐高温传动系统多部件关联匹配方法

针对冶金装备传动系统高温、重载和大冲击力等苛刻服役工况，以及高强板材和极薄带材生产对冶金装备传动系统高强度、高精度、高稳定性和高可靠性要求，集成动力学、热特性与表界面接触特性等分析模块，构建面向极端工况的传动部件蠕变、摩擦、疲劳特性预测和分析系统，攻关高温传动部件设计优化、高温/重载/大冲击力的材料热处理/加工工艺和表面自润滑、高温合金和陶瓷材料组元/微观组织和力学性能的精确调控等关键技术，基于材料学、热力学及机械设计等多学科交叉，建立高温环境下各部件性能变化的数学模型，探索材料特性、热传导、应力应变等关键参数的优化匹配方法，突破超高温等多条件耦合作用下轴承、齿轮等出现的结构破坏、卡滞及高温润滑失效等“卡脖子”技术瓶颈，确保高温极端工况下冶金装备的稳定可靠运行。

（2）研究方向二：高性能钢铁材料成型技术及装备

针对冶金装备在深度参与超高强宽厚板材、异质合金复合板材、特种合金材料成型过程中，承载能力不匹配、复合界面强韧化不足、合金组织精准调控难等问题，开展先进高强钢智能稳健渐进成型、复合轧制工艺、高强度特种合金轧制等理论研究，攻克先进高强钢稳健矫平、高强钢畸变控制、先进高强度特种合金高端热处理等关键技术，研制超高强宽厚板材稳健精整成套装备、异质钛合金复合轧制装备、特种合金高端热处理装备。

1）先进高强钢微塑性成型机制及非线性辊隙矫平技术

针对高端材料中先进高强钢板带存在的强度高、塑性与延伸率低、回弹大、矫平变形过程复杂等问题，以及宽厚比越来越大的趋势，传统矫平理论指导下的现有矫平装备无法实现板形的精准调控，面临矫平力不足和矫直传动部件承载力提升空间受限等挑战。以矫平装备辊系结构-关键部件性能-产品质量协同设计和稳健调控整体技术体系为主线，提出先进高强钢回弹微塑性渐进矫平理论，建立精确的交变屈服轨迹和复杂曲率演化模型，突破先进高强钢重载矫平装备的关键部件高效精准渐进成型瓶颈，创建高强钢矫平装备多子系统及多模态耦合、可变固有特性的多物理场耦合仿真模型，基于工业大模型的分析非线性辊隙变化-压下量的自适应匹配机制，解析整机力学行为特性和影响规律，开发先进高强钢矫平装备的结构参数化设计平台，研制先进高强钢稳健矫平关键技术与成套装备。

2）异质钛合金残余应力松弛机制及复合轧制技术

异质钛合金复合材料等高性能复合金属材料具备抗疲劳、高导热、低热膨胀、辐射屏蔽等优点，是航空航天、电子封装、核电设施等国家重大装备关键材料。针对钛合金复合材料轧制边缘缺陷、复合界面强韧性不足、局部应力状态变化与复合界面变形关联不明，以及复合轧制导致轧机负荷大等问题，围绕复合轧制动力学机理与工艺开展研究，建立复合轧制过程中组织转变与力学行为之间的关联关系，阐明残余应力形成及松弛机制，构建高性能复合金属材料高效制备原理与工艺优化理论，形成复合轧制成形、全流程组织性能调控、复合轧制装备设计研发的一体化技术，研发高性能复合金属材料复合轧制装备。通过“宏观-介观-微观”多尺度模拟分析，建立基于异种金属冶金结合判据的动态轧制过程虚拟模型，构建实体轧制装备与孪生装备之间的同步映射，实现数字孪生驱动的变速变载和多因素耦合工况下轧制装备服役全过程的动态跟踪和特征辨识，提出数据机理混合驱动的轧制装备主动调控技术，建立板材性能与组元材料、工艺参数以及组织结构之间的关系代理模型，应用于复合轧制装备的研发与验证。

3）先进高强度特种合金高端热处理工艺及技术

针对高端装备用先进高强特种合金制备过程中存在的热处理关键装备国产化程度低、组织调控稳定性差等问题，以及极端服役环境对产品性能要求日益提高的趋势下，传统制备理论指导下的现有热处理装备难以实现合金组织的精准调控和服役性能提升。以特种热处理装备研制、关键热处理工艺开发、产品组织性能协同控制为主线，研制烟气循环加热替代传统火焰加热的高精度控温装备，集成热轧-淬火-矫直-回火热处理工艺新策略，建立全流程一体化控制组织相变实现增强增韧新方法，突破国外对先进高强特种合金高端热处理关键技术领域的长期垄断，实现部分高端热处理装备的国产化，形成领先的技术优势，为我国先进高强特种合金性能提升提供理论指导及装备支撑。

（3）研究方向三：冶金生产低碳循环技术及装备

针对高温炉窑能耗高能效低、碳排放不达标、薄带材涂层与基底界面附着力弱、服役功能拓展或退役性能恢复难等问题，创新高温炉窑烟气余热-碳燃料能质耦合转化理论和冶金装备关键部件基因驱动广义再生理论，突破钢铁冶炼过程极致能效与氢冶金节能降碳、荷电油液超细二次雾化机理和高压静电均匀喷涂、装备部件表面多颗粒双梯度异态激光强化等关键技术，研制冶金余热高效回收成套装备、高性能冷轧薄带材表面涂层装备、冶金装备关键部件再制造装备。

1）高温炉窑能源结构优化及余热回收技术

高温炉窑在钢铁冶金过程中煤炭消耗占比大，是钢铁冶金能源消耗与环境污染的主要源头，对高性能板带材冶炼质量具有重要影响。同时，高温炉窑能源利用率低，且产生的大量余热尚未有效利用。针对高温炉窑能耗高、能效低、碳排放不达标等问题，开展高温炉窑冶金过程中能源结构优化及余热回收研究，揭示高温炉窑冶金生产能碳动态特性，探究高温炉窑极致能效与氢冶金能源结构优化技术，阐明高温炉窑烟气余热-碳燃料能质耦合转化机理，提出分布式低温余热温差发电及能量转换材料制备方法，突破余热回收温差发电系统理论模型并研制原型样机，实现高端钢铁冶炼过程节能降碳增效，助力冶金行业低碳循环高质量发展。

2）冷轧薄带材表面清洁涂层技术及自适应控制

冷轧薄带材因优良力学性能、较低生产成本在现代工业中扮演着重要角色。现有装备无法消除薄宽带材产品的涂层缺陷与喷涂边缘效应，面临涂层不均匀、油耗高、污染大等挑战。针对涂层过程中液固界面耦合复杂，薄带材表面能低，存在涂层与基底界面附着力弱、稳定性差等问题，提出涂覆生产中精确涂辊刻槽磨削曲线设计与成形、基于机器视觉的板带材静电喷涂油膜厚度全方位监测等方法，建立涂层精确控制刚-柔-液的多尺度力学模型和面向超细雾化-均匀喷涂的油液喷射实时控制模型，开发辊涂智能化装备、高温退火环形炉炉内氛围变化或波动自动监测装备、冷轧薄带材清洁智能静电喷涂装备，消除双线条涂覆缺陷，均匀清洁稳定涂覆且最大限度减少油雾飞散，降低油耗，减少环境污染，全面提升冷轧薄带材涂层质量控制精度和智能化水平，实现高牌号薄带材低碳生产技术的国际引领。

3）冶金装备关键部件基因理论及广义再生技术

针对先进高强钢铁材料在加工成型过程中，因加工对象变化、关键部件失效等，导致冶金装备关键部件对在役功能拓展或退役性能恢复的迫切需求，以冶金装备关键部件基因模型构建-再制造集成设计-激光再制造型性调控为主线，开展冶金装备关键部件基因理论及广义再生技术研究，创新冶金装备关键部件基因与广义再制造服务理论体系，揭示关键部件基因的动态传递与可拓变异机理及其对再制造工艺的驱动机制，提出低碳再制造工艺活动组合与资源参数配置决策自适应方法。采用组元模块化思想，提出冶金装备结构优化再设计方法；通过预测冶金装备关键部件的性能衰减、损伤演化过程，研发多品类多粒度纳米金属陶瓷粉末体系和多颗粒双梯度异态微纳增材激光再制造技术，以该技术能可靠、精确应用于超大轧辊（直径≥2200mm，长度≥4300mm）等典型冶金部件低碳再制造过程为目标，开发集失效检测-激光加工-过程监测于一体的激光再制造加工成套装备。

（4）研究方向四：冶金危特恶工况机器人化智能装备

针对焦化、炼铁、炼钢、喷涂等危特恶工况下，重载冲击易泄漏、任务复杂路径规划难、运动构型难等问题，提出串并混联复合悬臂机构构型综合方法，攻克高速大惯量低阻尼冶金液压系统控制、最优运动规划与抗干扰控制等关键技术，研制系列化液压驱动、多模态移动协作、耐高温复合运动悬臂等机器人化装备。

1）耐高温悬臂机器人复合运动机构学

因依赖人工现场或远程遥控操作移动式装备，传统布料、测温、取样等作业效率低，易受高温/强光/浓烟等因素干扰，导致冶金危特恶作业工况的大制程高动态复合运动悬臂机构设计优化方法缺失，扒渣布料智能化控制方法不明。以复合运动机器人机构设计-智能感知-末端执行器研究为主线，突破串并混联复合悬臂机构作业规划与机器人自适应控制的技术体系，提出危极特恶作业工况串并混联复合悬臂机构构型综合方法，建立复合运动悬臂机构多物理场动力学仿真模型，揭示运动与构型、结构参数、负载和工况之间的关联关系，创建大行程高动态复合运动悬臂机构性能评价体系和多目标优化设计方法，攻关强干扰环境布料、测温、取样等作业智能规划技术，突破复合运动悬臂机器人自感知、自适应控制方法，揭示其各组件的结构参数对其服役性能的影响规律，研制智能化复合运动悬臂机器人原型样机，实现钢铁冶炼过程布料、测温、取样等作业智能化，建成先进复合运动悬臂机器人关键技术与成套装备。

2）高频液压驱动机器人伺服控制技术

高炉转炉生产过程中，电机驱动无法胜任高污染环境以及末端重载冲击载荷条件下的揭盖、开口、泥炮封口、扒渣等工作，而液压驱动具有抗过载、耐高温、力矩大、传动平稳等优异性能，成为危特恶工况的首选驱动机构。针对液压驱动机器人研发过程中抗污染、耐高温、抗冲击等共性难题，结合高冲击负载、大惯量和电液位置伺服系统，提出基于机器人动力学模型的自适应抗冲击阻抗控制方法，设计基于U型双节流孔的液压阻尼桥路的串级节流结构，攻克基于伺服阀阻尼孔通流通量监测的抗污染技术、高速大惯量低阻尼冶金液压系统控制技术，研制耐高温抗冲击液压扒渣机器人、液压开口机器人、液压揭盖机器人等系列化液压驱动机器人。

3）移动机器人多模态感知与协同控制技术

冶金生产过程中大型炉膛高温材料砌筑、钢卷端面氧化镁喷涂、钢卷打捆及拆捆等工艺因人工劳动强度大、作业环境恶劣等原因，工艺质量难以保持。而时空分布的多模态协作机器人可替代人工高效完成冶金危特恶任务。针对多模态机器人存在多传感融合推理过程冗余繁杂、控制系统鲁棒性差等问题，依托自主设计的国内首台受限空间多模态移动协作机器人运动平台，构建非结构化场景下融合多模态信息特征级感知模型，建立多源异构非线性集成系统鲁棒控制理论，攻关复杂任务多模态机器人自主规划及智能控制方法，提出基于工艺信息模型和数字孪生的虚拟作业路径规划、融合多级传感的高特异性特征识别与实时控制、大空间多元高精度作业虚拟云边端自感知/自学习/自决策/自建模等关键核心技术，突破“视-触-位”多模态协作感知控制方法与多轴多传感器系统一键全流程作业方法，研发具有自主知识产权的冶金装备多模态移动协作机器人工程样机并进行推广应用。