一、研究的背景與問題

極薄高強帶材多采用二十輥軋機進行精密軋制，直接面向交通、能源、國防軍工等重點領域的需求，被譽為“鋼鐵工業(yè)皇冠上的明珠”，發(fā)達國家限制對我國出0.03mm以下的超精密極薄產(chǎn)品。精密軋制的技術壁壘較高，我國二十輥軋機控制系統(tǒng)曾長期依賴進口，作為系統(tǒng)靈魂的核心技術均為“黑箱”，成為高端產(chǎn)品研發(fā)和前沿技術創(chuàng)新的“卡脖子”問題。

項目通過面向極薄高強帶材二十輥精密軋制智能控制技術創(chuàng)新，融合軋制工藝和智能化技術，構(gòu)建了高精度的智能化軋制模型，開發(fā)出極薄高強帶材精密軋制智能化控制技術，并形成自主產(chǎn)權的全套工業(yè)軟件，保障了不銹鋼、電工鋼、精密合金等關鍵原材料的高質(zhì)量自主供給。對推動我國鋼鐵行業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整與轉(zhuǎn)型升級，向高端制造和智能制造發(fā)展具有重要意義。

二、解決問題的思路與技術方案

、總體思路

項目主要圍繞二十輥精密軋制工藝過程復雜、傳統(tǒng)機理模型適用性差、多參數(shù)控制相互耦合等問題開展研究，在輥系配置與表面質(zhì)量優(yōu)化、高精度模型與規(guī)程智能設計、非穩(wěn)態(tài)過程厚度張力高精度控制、板形與同板差智能協(xié)調(diào)等方面開展技術攻關，構(gòu)建了適用于極薄高強帶材的軋制模型與控制模式，開發(fā)出精密軋制全套智能化控制技術，實現(xiàn)了高端精密產(chǎn)品的自主供給。項目的技術路線如圖所示。

項目技術路線

、關鍵技術

）復雜輥系智能配置與高等級表面質(zhì)量優(yōu)化

二十輥輥系結(jié)構(gòu)復雜，支撐輥背襯軸承易發(fā)生疲勞失效，依靠經(jīng)驗配輥嚴重影響配輥效率和軋輥服役壽命。高等級帶材在要求高效軋制潤滑性能的同時，對表面殘油和粗糙度要求嚴苛。如何實現(xiàn)二十輥軋機復雜輥系的智能優(yōu)化配置和極薄帶材高表面質(zhì)量控制是領域特有的技術難題。

研發(fā)了軋機牌坊、輥系等關鍵設備制造工藝，解決了系列二十輥軋機“僅能設計、無法制造”的難題。構(gòu)建了塔型全輥系空間位置及受力分析模型，實現(xiàn)了全輥系智能快速匹配，研發(fā)了背襯軸承疲勞壽命預測模型與優(yōu)化配置方法，顯著提升了服役壽命。開發(fā)了自適應潤滑調(diào)整、板面精準保護和潤滑介質(zhì)參數(shù)優(yōu)化技術，實現(xiàn)了高效軋制潤滑與帶材表面殘油及粗糙度的綜合協(xié)調(diào)控制。

復雜輥系智能配置與高等級表面質(zhì)量優(yōu)化

）精密帶材高精度軋制模型與規(guī)程智能設計

二十輥軋機的軋制力承載結(jié)構(gòu)復雜，極薄帶材的軋制變形區(qū)與常規(guī)產(chǎn)品截然不同，經(jīng)典理論無法揭示變形機理。同時，軋制規(guī)程多為經(jīng)驗傳承，無法進行動態(tài)優(yōu)化調(diào)整，帶材質(zhì)量和生產(chǎn)穩(wěn)定性難以保障。如何提升模型設定精度和軋制規(guī)程優(yōu)化水平，是實現(xiàn)精密帶材高精度控制、高效率穩(wěn)定軋制的前提。

精密帶材高精度軋制模型與規(guī)程智能設計

創(chuàng)建了極薄帶材軋制力能與最小可軋厚度模型，突破了傳統(tǒng)軋制理論瓶頸。首次構(gòu)建了二十輥全輥系與軋件一體化快速變形模型，實現(xiàn)了對全輥系變形、輥間壓力分布與軋后斷面厚度的精準解析。提出機理和數(shù)據(jù)融合驅(qū)動的高精度模型構(gòu)建方法，實現(xiàn)了多鋼種和多工況的在線狀態(tài)感知。將軋制潤滑、軋輥和軋制規(guī)程等進行標準化，構(gòu)建精密軋制工藝規(guī)范庫，綜合考慮工藝和質(zhì)量指標約束，首次提出了融合經(jīng)驗知識的軋制規(guī)程多目標優(yōu)化方法，實現(xiàn)了軋制規(guī)程智能設計。

）非穩(wěn)態(tài)軋制過程厚度張力高精度協(xié)同控制

精密軋制帶材厚度跨度極大，薄帶材厚度和張力的高精度控制極其困難，急需突破兩個問題，一是受制于摩擦狀態(tài)連續(xù)變化和設備轉(zhuǎn)動慣量不準確，造成模型不匹配，加減速等非穩(wěn)態(tài)過程厚度、張力劇烈波動；二是厚度和張力控制交叉耦合，單指標獨立控制存在相互干擾。

非穩(wěn)態(tài)軋制過程厚度張力高精度協(xié)同控制

發(fā)明了摩擦轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)動慣量等關鍵參數(shù)的精確感知和在線自適應新方法，實現(xiàn)了微小張力狀態(tài)下的高精度控制。提出了工藝和控制參數(shù)在線自整定的厚度反饋控制策略，彌補了常規(guī)系統(tǒng)對模型誤差敏感的不足。明確了摩擦狀態(tài)變化對帶材厚度的影響規(guī)律，首創(chuàng)了非穩(wěn)態(tài)過程軋機輥縫與加速度自適應補償策略，提升了模型匹配度。設計了基于預測控制的厚度張力協(xié)同控制新模式，在工藝設備約束條件下分配最優(yōu)控制輸出，突破了獨立控制、被動解耦的控制架構(gòu)，實現(xiàn)了極薄帶材厚度和張力高精度協(xié)同控制。

）極薄高強帶材板形與同板差智能協(xié)調(diào)控制

二十輥軋機軋制過程中，帶材板形與同板差均依賴于一中間竄輥、多分段壓下ASU裝置和軋輥輥型等對承載輥縫形貌的精確調(diào)節(jié)，調(diào)控手段組合的多樣性增加了控制過程的復雜度。在同板差調(diào)節(jié)過程中，極易誘發(fā)高次板形缺陷，兩個指標之間存在相互干擾，亟須明確板形和同板差調(diào)控機制并實現(xiàn)智能協(xié)調(diào)優(yōu)化。

極薄高強帶材板形與同板差智能協(xié)調(diào)控制

構(gòu)建了全輥系軋件一體化三維有限元模型，獲取了各調(diào)節(jié)機構(gòu)的調(diào)控功效系數(shù)，揭示了軋制工藝參數(shù)對板形和同板差的影響規(guī)律。開發(fā)了單錐度工作輥輥型，結(jié)合同步優(yōu)化的一中間輥輥型和竄輥參數(shù)，提出了高效的輥型組合配置策略，實現(xiàn)了超低同板差產(chǎn)品的穩(wěn)定制備。結(jié)合調(diào)節(jié)機構(gòu)與來料凸度對板形的影響規(guī)律，揭示了極薄帶材高次浪形產(chǎn)生機理，提出了ASU與一中間輥竄輥量的組合調(diào)控策略?；谏疃葘W習和預測控制方法，構(gòu)建了板形動態(tài)數(shù)字孿生與智能控制系統(tǒng)，提高了復雜工況下板形與同板差協(xié)同控制精度。

三、主要創(chuàng)新性成果

通過研究，實現(xiàn)了從靜態(tài)設定獨立控制被動調(diào)整”到“動態(tài)優(yōu)化綜合協(xié)調(diào)主動適應”的轉(zhuǎn)變，滿足了極薄厚度、更高精度和更高穩(wěn)定性的生產(chǎn)需求。創(chuàng)新成果如下：

）研發(fā)出全系列二十輥軋機關鍵裝備制造工藝，明確了全輥系載荷分布并提出了輥系和背襯軸承智能優(yōu)化配置方案，開發(fā)出超精密極薄帶表面殘油與粗糙度控制技術，軋輥服役壽命提升7%以上，帶材單面殘油控制在120mg/m以下。

）創(chuàng)建了極薄帶材軋制力能與塔型復雜輥系變形模型體系，綜合考慮工藝和質(zhì)量指標約束，首次提出了融合經(jīng)驗知識的軋制規(guī)程多目標優(yōu)化方法，解決了傳統(tǒng)模型不適用和軋制工藝柔性多變等問題，軋制力能模型精度從不足90%提升至95%以上。

）提出了極薄帶材微小張力控制關鍵參數(shù)獲取方法，首創(chuàng)了非穩(wěn)態(tài)過程輥縫與加速度自適應控制策略，開發(fā)出厚度張力協(xié)同控制新技術，突破了獨立控制、被動補償控制架構(gòu)，0.1mm極薄帶材厚度與張力控制精度分別達到±1.5μm±1%

）構(gòu)建了二十輥全輥系軋件一體化模型，量化解析了復雜調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)對金屬流動和板形缺陷的影響規(guī)律，揭示了極薄帶材高次浪形產(chǎn)生機理，創(chuàng)建了板形動態(tài)數(shù)字孿生與智能控制系統(tǒng)，極薄帶材板形標準差小于5I

四、應用情況與效果

2007年以來，東北大學聯(lián)合北京科技大學、中國重型院、鞍鋼股份等行業(yè)優(yōu)勢力量，研發(fā)了極薄高強帶材精密軋制智能控制系統(tǒng)，打破國外技術壟斷，應用于柳鋼中金、青山青拓等企業(yè)，系統(tǒng)投資較引進系統(tǒng)減低35%以上。在鞍鋼、寶武、沙鋼等，對ABBDMS等國外引進控制系統(tǒng)進行智能優(yōu)化，完成國產(chǎn)化替代。跨領域推廣到云南鈦業(yè)、湖南稀土院等有色行業(yè)生產(chǎn)線，軋制出國內(nèi)第一卷寬幅鈦合金卷全套工藝裝備與智能化控制系統(tǒng)整體輸出至“一帶一路”沿線的俄羅TMK銹鋼集團。

成果推廣應用情況

產(chǎn)品應用于山東艦、“神舟”系列宇宙飛船等國防軍工和航空航天領域，高品質(zhì)硅鋼應用于大型核電設施，并生產(chǎn)出軍用特種高純稀土金屬板，滿足了國家重點領域和重大工程建設對關鍵原材料的需求。

近三年，項目主要完成單位新增產(chǎn)值86.18億元，新增效益7.62億元。2023月，人民日報報道了項目團隊在柳鋼中金進行成套技術實施的情況：這是國產(chǎn)極薄高強帶材軋制技術的又一次落地應用，在國內(nèi)首次實現(xiàn)超寬幅極薄不銹鋼帶穩(wěn)定軋制。相關媒體也對團隊突破0.01mm不銹鋼軋制極限、軋制出寬幅冷軋鈦卷、生產(chǎn)出高牌號硅鋼箔材等做了報道。

項目獲得授權發(fā)明專利項，登記軟件著作權16項，牽頭制定行業(yè)標準項，發(fā)表論文39篇，出版專著部。攻克了極薄高強帶材厚度、板形、表面質(zhì)量及高速穩(wěn)定軋制等控制難題，應用于寶武、鞍鋼、沙鋼、云鈦等32條精密軋制產(chǎn)線。202412月中國鋼鐵工業(yè)協(xié)會組織的成果評價，評價委員會一致認為：項目總體技術達到國際領先水平。

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