《高效軋制國家工程研究中心成立二十周年系列技術(shù)報道》

通過多年的研究和實踐，北京科技大學高效軋制國家工程研究中心成功開發(fā)出具有全部自主知識產(chǎn)權(quán)的一系列全流程板形控制技術(shù)及核心工藝,使板形控制的技術(shù)指標達到國際先進水平，并且形成了一整套包括機型、輥形、工藝、控制、管理在內(nèi)的全工序板形綜合解決方案，使板形質(zhì)量得到有效控制，實現(xiàn)了板形綜合控制技術(shù)從消化吸收、創(chuàng)新到引領(lǐng)的新高度。

板形是板帶生產(chǎn)過程中的重要質(zhì)量指標，由于影響因素多，生成機理復(fù)雜，且各影響因素之間還存在不確定、非線性、強耦合的關(guān)系，因此，板形控制一直是板帶生產(chǎn)過程中的熱點和難點。新世紀以來板帶軋機的建設(shè)進入了一個新的高潮。以鋼鐵企業(yè)熱連軋機為例（包括常規(guī)和短流程工藝），據(jù)不完全統(tǒng)計，截至目前，我國已建、在建的1250mm以上軋機已經(jīng)超過90套，且各鋼鐵企業(yè)均不斷提升產(chǎn)品附加值，開發(fā)品種包括電工鋼、鍍錫板、汽車面板、高強度結(jié)構(gòu)鋼、不銹鋼、高級別管線鋼等。板形不僅是這些高端板帶產(chǎn)品的重要質(zhì)量指標，而且板形好壞時常會影響到軋制穩(wěn)定性，進而成為生產(chǎn)能否順行、產(chǎn)品規(guī)格能否突破的關(guān)鍵。

從板帶軋制技術(shù)誕生開始，板形質(zhì)量控制研究便隨之展開。國外板形控制理論的研究起源于20世紀50-60年代，我國針對板形控制理論的研究在20世紀60-70年代展開，首先，基于基礎(chǔ)理論對板形生成原理及控制技術(shù)進行分析，隨后在板形仿真軟件開發(fā)、輥形技術(shù)、國外板形控制系統(tǒng)的消化和優(yōu)化等方面取得了較大進展。2002年，北京科技大學高效軋制國家工程研究中心（以下簡稱軋制中心）率先開始了全套板形控制系統(tǒng)的自主研發(fā)，通過后續(xù)不斷優(yōu)化和推廣，打破了國外在寬帶鋼板形控制系統(tǒng)方面的壟斷，并在板形質(zhì)量控制方面取得了理想效果。

板帶生產(chǎn)是典型的流程工業(yè)，近年來，隨著市場標準的不斷提高，越來越多的實踐表明，板形質(zhì)量控制更應(yīng)從全工序出發(fā)，結(jié)合設(shè)備、工藝、控制及管理，方可得到穩(wěn)定的板形質(zhì)量。經(jīng)過多個全流程板形控制實踐，形成了從理論到實踐、從單工序到多工序的一整套板形綜合解決方案，從而達到了板形技術(shù)從消化吸收到創(chuàng)新，再到技術(shù)引領(lǐng)的新高度。

1. 板形控制理論的發(fā)展及創(chuàng)新

經(jīng)過20多年的持續(xù)研發(fā)，在板形控制理論方面取得了創(chuàng)新性的理論成果，具體內(nèi)容包括：

• 1）提出了二維變厚度有限元模型和快速輥系變形方法，在求解速度和精度上均達到較高水平，并成功通過了國內(nèi)多套連軋機的在線精度檢驗。軋件變形方面，基于合理假設(shè)及漸近計算原理，采用有限體積法建立帶鋼三維塑性變形模型，實現(xiàn)了軋輥軋件變形的快速耦合求解。
• 2）考慮復(fù)雜邊界條件，建立了基于顯隱交替差分格式的軋輥溫度場模型和基于快速有限元的軋輥熱變形模型，實現(xiàn)了對工作輥瞬態(tài)溫度場和熱輥形的精確預(yù)報。
• 3）提出了多工況下的工作輥磨損預(yù)報模型，能準確量化潤滑軋制、高速鋼軋輥等對磨損的改善作用，采用模擬退火遺傳算法等智能算法確定模型關(guān)鍵參數(shù)。
• 4）利用有限元二次開發(fā)功能，建立了溫度-相變-應(yīng)力應(yīng)變一體化耦合模型，實現(xiàn)帶鋼軋后冷卻過程中板形演變的耦合求解。

2. 先進輥形技術(shù)的自主研發(fā)

板形控制技術(shù)的每次飛躍，總是來自于軋制設(shè)備結(jié)構(gòu)的革新及工藝思想的升華，如液壓彎輥技術(shù)的出現(xiàn)，使得板形控制不再單純依賴軋機負荷分配及初始輥形配置，為板形控制提供了直接、高效的調(diào)節(jié)手段，實現(xiàn)了板形質(zhì)量第一次質(zhì)的飛躍；液壓竄輥技術(shù)的出現(xiàn)，推動了軸向移位變凸度類工作輥技術(shù)的不斷發(fā)展，提供了更為強大的板形控制能力。實現(xiàn)了帶鋼斷面質(zhì)量和浪形的協(xié)調(diào)控制；提高橫向剛度和減少有害接觸區(qū)思想的提出則衍生出了大量新軋機機型和先進軋制技術(shù)，如HC軋機、UC軋機、變接觸軋制技術(shù)等。軋制中心在輥形技術(shù)方面進行了大量研究，開發(fā)出了一系列先進的輥形技術(shù)。

2.1 高效變凸度工作輥輥形技術(shù)的研發(fā)

三次曲線工作輥輥形目前在軋制過程中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，其板形控制能力隨著帶鋼寬度的變窄成平方關(guān)系下降。為了增大軋機的板形控制能力，尤其是增加軋機對窄規(guī)格帶鋼的板形控制能力，開發(fā)了高效變凸度輥形（HVC），實現(xiàn)了等效凸度與竄輥位置成線性或近似線性關(guān)系。HVC輥形使得輥縫在指定寬度區(qū)間內(nèi)呈線性化，而在其他寬度區(qū)間內(nèi)呈二次函數(shù)平滑分布，保證工作輥的等效凸度調(diào)節(jié)能力滿足各種寬度規(guī)格帶鋼板形控制的需求。

2.2 變接觸支持輥輥形技術(shù)的研發(fā)

熱軋軋制條件復(fù)雜惡劣，板形控制的干擾因素很多，所有干擾因素可集中表現(xiàn)為軋制過程中軋制力的波動和輥形的變化，為了消除或減輕軋制力的波動和輥形的變化對板形控制、操作等造成的影響，改善軋機的板形控制性能，軋制中心開發(fā)了變接觸支持輥技術(shù)（VCR）。

此技術(shù)的核心是在支持輥上磨削特殊的輥形曲線，使得輥系在軋制力的作用下，支持輥和工作輥的輥間接觸長度能夠與所軋帶鋼的寬度相適應(yīng)，減少或消除輥間有害接觸區(qū)，提高承載輥縫的橫向剛度，增加軋機對板形干擾因素（包括來料的板形波動和軋制力波動等）的抵抗能力，抑制板形缺陷的產(chǎn)生，使軋后帶鋼的板形保持穩(wěn)定。

隨著HVC/CVC等軸向移位變凸度工作輥的廣泛使用，軋制中心又開發(fā)了新一代變接觸支持輥輥形技術(shù)（VCR+），通過設(shè)計原始的變接觸支持輥曲線，并在此基礎(chǔ)上疊加高次工作輥曲線，達到提高變接觸軋制效果的目的。圖1所示為VCR+和高次曲線工作輥的配合情況。

圖1 VCR+支持輥和高次曲線工作輥的配合

變接觸支持輥可以將低橫向剛度的輥縫轉(zhuǎn)化為高橫向剛度的輥縫，顯著提高軋機的板形控制性能。VCR/VCR+技術(shù)改變了支持輥與工作輥輥間的接觸狀態(tài)，對改善支持輥軸向不均勻磨損具有積極的作用。

自20世紀90年代變接觸支持輥技術(shù)開發(fā)成功以來，變接觸支持輥技術(shù)在國內(nèi)各大鋼廠的熱軋、冷軋、平整得到了大量應(yīng)用，在防止軋輥剝落、降低輥耗、延長軋輥服役周期等方面均取得了良好效果。此外，VCR/VCR+技術(shù)以及HVC工作輥輥形技術(shù)還成功輸出到韓國浦項光陽四號熱連軋生產(chǎn)線。

2.3非對稱工作輥輥形技術(shù)的研發(fā)

隨著市場多鋼種、小批量及交叉軋制的需求不斷增加，傳統(tǒng)的棺形軋制計劃編排原則也越來越難以實現(xiàn)；同時，低凸度、超平材的需求也被市場所提及。CVC、HVC等軸向變凸度工作輥主要用于控制帶鋼寬度方向輥縫形狀，這類輥形在軋制過程中的磨損特征與常規(guī)凸度工作輥相同，但由于其竄輥是根據(jù)軋制帶鋼各道次的目標板形進行設(shè)定，不但無法做到均勻化磨損，而且當磨損累積到一定程度以后，輥形原有的控制特性也很難保持。為了滿足以上控制需求，軋制中心開發(fā)了非對稱工作輥輥形技術(shù)（ATR），其設(shè)計思想是利用輥形和竄輥的非對稱性來改變工作輥的磨損特性，進而改善輥縫的非對稱性。

圖2為ATR輥形的工作原理，根據(jù)軋制過程中軋輥的磨損規(guī)律，設(shè)定特殊的竄輥方式，使得工作輥的磨損由凹槽形轉(zhuǎn)化為半開放形磨損，即打開凹槽一個邊，使帶鋼始終處于輥形較為平坦的區(qū)域內(nèi)，打破由寬到窄的棺形軋制規(guī)程約束，并結(jié)合強力彎輥保證承載輥縫的正常可控。ATR技術(shù)在一定程度上可以實現(xiàn)自由規(guī)程軋制（SFR），同時由于其一端帶有錐形，一方面可以提高彎輥力的作用效果，減小有害接觸區(qū)，提高輥縫橫向剛度；另一方面，錐形部位可以對帶鋼邊部產(chǎn)生局部作用，顯著改善帶鋼邊部板形，能滿足硅鋼等專用鋼對邊部板形控制的特殊要求。

圖2  ATR工作輥設(shè)計示意圖

2.4冷軋邊部變凸度工作輥輥形技術(shù)的研發(fā)

冷軋硅鋼作為國家優(yōu)先發(fā)展的高效節(jié)能的優(yōu)秀軟磁功能材料，是我國鋼鐵工業(yè)品種結(jié)構(gòu)調(diào)整的重中之重。冷軋硅鋼最終要進行疊片，因此對同板差的要求非常高，目前市場的準入條件為同板差小于10μm，高端市場則接受7μm以下。冷軋硅鋼同板差控制瓶頸主要在于邊部減薄，而邊部帶錐度工作輥的使用是冷軋帶鋼邊部板形控制的重要手段。如果冷軋機工作輥帶竄輥，如UCMW、HCMW軋機，則可以在工作輥上設(shè)計簡單錐度，通過邊降控制儀檢測到的帶鋼實時邊降值調(diào)整竄輥，做到邊降閉環(huán)控制，得到較好的精度；而對于一些工作輥不能竄輥的冷軋軋機，則初始輥形設(shè)計對于邊降的控制具有積極的意義。軋制中心提出了邊部變凸度工作輥（EVC）技術(shù)，主要用于冷軋軋機，實現(xiàn)在一個軋制單位內(nèi)，寬度帶鋼近似相同情況下的冷軋帶鋼邊降控制，如圖3所示。

圖3 EVC工作輥設(shè)計示意圖

2.5混合變凸度工作輥

混合變凸度工作輥（MVC）主要用于解決熱軋過程中的高次浪形，其開發(fā)需求來自于熱軋不銹鋼的四分之一浪。

熱軋不銹鋼軋制過程有兩大明顯特點：

• 1）溫降大。如果沒有邊部保溫或邊部加熱等措施，熱軋不銹鋼精軋出口橫向溫差經(jīng)常能夠超過100℃；
• 2）負荷大。相比于同規(guī)格普碳鋼，不銹鋼的負荷更大，特別是低鎳高氮類不銹鋼，負荷能增加70%-90%。

在采用1450mm、1580mm、1780mm熱軋軋機進行不銹鋼生產(chǎn)時，精軋出口會有明顯的高次浪形缺陷，主要表現(xiàn)為雙側(cè)四分之一浪形，而且對于固定寬度軋機，四分之一浪的位置也相對固定。為此，軋制中心開發(fā)出一種特殊的工作輥輥形，對于特定的軋機，在四分之一浪出現(xiàn)位置相對固定的前提下，在出現(xiàn)浪形區(qū)域，對輥形進行適當?shù)难a償，通過輥形的補償減小局部壓下量，避免浪形的發(fā)生。如圖4為MVC工作輥輥形對高次浪形的補償示意圖。

圖4 MVC工作輥輥形對高次浪形的補償示意圖

3. 高精度板形控制系統(tǒng)的國產(chǎn)化進程

長期以來，能開發(fā)全套板形控制模型的只有國外少數(shù)電氣公司，國內(nèi)多家科研院所從20世紀60-70年代開始，也在板形理論領(lǐng)域進行了深入的研究，并取得了一些成果，但從理論研究到現(xiàn)場運用，特別是成套板形控制系統(tǒng)的工業(yè)運用一直未有起色，同時，外方對板形模型的關(guān)鍵技術(shù)封鎖愈加厲害，企業(yè)在后續(xù)維護以及產(chǎn)品擴展方面顯得力不從心。

近20年，軋制中心在板形控制理論及板形單項技術(shù)上進行了大量研究，基于理論研究的板形離線仿真模型也相繼被開發(fā)出來，并著手于在線板形控制模型領(lǐng)域內(nèi)的進一步開拓，開拓初期遇到諸多困難，歸結(jié)為以下幾個方面：

• 1）缺乏具有自主知識產(chǎn)權(quán)的過程控制平臺。國內(nèi)早期對引進的熱軋過程控制系統(tǒng)進行了一些消化和吸收，但自主開發(fā)成套的過程控制系統(tǒng)還是近些年才得以實現(xiàn)，作為全線控制系統(tǒng)的一部分，板形控制模型同樣需要這個平臺，進行如數(shù)據(jù)交換、事件觸發(fā)、進程通訊等工作，因此，自主板形控制模型的開發(fā)在周期上存在對平臺的依賴性。
• 2）缺乏實體對象。國內(nèi)早期的熱連軋走全盤引進的路線，國內(nèi)研究機構(gòu)很難有機會參與過程控制系統(tǒng)的建設(shè)，雖然軋制中心已較早開發(fā)出板形離線模型，且在一些試驗軋機上進行了相關(guān)驗證，但由于基于理論的離線模型和在線模型之間必然存在一定的差別，為保證模型精度，需要對一些參數(shù)進行在線修正，對于一些異常事件的處理也需要通過在線方式得以發(fā)現(xiàn)，因此，具體的軋機對象在模型開發(fā)過程中非常重要。
• 3）板形相關(guān)工藝有待于進一步探索。板形控制與厚度控制、溫度控制等最大的不同點是板形與現(xiàn)場工藝結(jié)合緊密，在從無到有的研發(fā)過程中，模型和工藝之間如何緊密結(jié)合尚需進一步的探索，探索過程主要是現(xiàn)場跟蹤、模型優(yōu)化、再跟蹤、再優(yōu)化這一反復(fù)過程，后續(xù)的模型開發(fā)也證明了這一內(nèi)容的重要性。21世紀以來，隨著寬帶鋼熱連軋的國產(chǎn)化進程加速，板形控制系統(tǒng)的自主研發(fā)也引來了契機。

板形控制的主要控制目標有凸度控制、平坦度控制以及局部斷面形狀控制，軋制中心開發(fā)的板形控制模型簡稱PFEC，其功能如圖5所示，P代表凸度控制；F代表平坦度控制；E代表局部斷面形狀控制，主要指邊降和局部高點控制。PFEC控制系統(tǒng)由兩部分組成，分別為在L2實現(xiàn)的板形設(shè)定計算模型和在L1實現(xiàn)的動態(tài)板形控制模型。板形設(shè)定計算模型主要保證帶鋼頭部，儀表檢測到帶鋼前的板形質(zhì)量，而動態(tài)板形控制模型主要通過板形實測值和外界因素（如軋制壓力）的周期變化進行動態(tài)板形調(diào)節(jié)，保證帶鋼全長板形質(zhì)量。

圖5 PFEC板形控制系統(tǒng)功能框圖

經(jīng)過不斷優(yōu)化和升級，自主開發(fā)的全套板形控制模型（PFEC）不斷推廣到國內(nèi)一些新建或改造的熱連軋生產(chǎn)線，為企業(yè)帶來了巨大的經(jīng)濟效益。截至2016年7月，PFEC板形控制模型推廣案例見表1所示。

4. 全流程板帶板形綜合控制技術(shù)

板形控制技術(shù)一直是板帶生產(chǎn)過程中的熱點和難點，新設(shè)備、新工藝、先進控制系統(tǒng)也圍繞著板形控制的需求不斷涌現(xiàn)。客戶對板形質(zhì)量的反饋雖然一般來自于最后工序，但由于在整個板帶生產(chǎn)過程中，工序與工序之間有著密切的聯(lián)系，上游板形質(zhì)量直接關(guān)系到下游來料的初始板形，因此，只在單工序進行板形質(zhì)量控制難以取得理想的效果。眾多企業(yè)開始意識到，僅在局部流程進行技術(shù)攻關(guān)和研究并不能解決最終的質(zhì)量問題，而需要各個工序配合，從技術(shù)上、流程上、管理上進行統(tǒng)一考慮。在板帶生產(chǎn)流程中，和板形控制相關(guān)的工序主要有加熱、熱軋、層冷、冷軋、退火、平整等，這也決定了如果想得到良好的板形質(zhì)量，需要研究上述工序?qū)Π逍蔚挠绊憴C理。板形控制技術(shù)由于涉及到設(shè)備、控制、工藝、管理等一系列過程，影響因素多，基于此，軋制中心率先在國內(nèi)提出全流程板形控制的理念和思想，開發(fā)了一系列的板形控制技術(shù)及核心工藝，并在寶鋼梅山、馬鋼、漣鋼、新鋼、邯鋼等多個企業(yè)得到成熟應(yīng)用，歸結(jié)如下：

• 1）高品質(zhì)用鋼的起筋控制技術(shù)。通過研究起筋機理，從熱軋工序、冷軋工序、連退工序、鍍鋅工序中分別找出可能導(dǎo)致起筋的關(guān)鍵因素，然后綜合采用斷面控制技術(shù)、水系統(tǒng)管理、冷軋目標曲線優(yōu)化、退火溫度控制、卷取張力控制等手段，實現(xiàn)高品種用鋼冷軋工序中部起筋和邊部起筋的有效控制。
• 2）硅鋼全流程板形控制技術(shù)。通過在熱軋工序、冷軋工序、平整工序進行相應(yīng)的研究，采用熱軋工作輥輥形技術(shù)、冷軋工作輥輥形技術(shù)、平整輥形配置技術(shù)等，實現(xiàn)不同類型軋機的硅鋼板形控制，包括高精度斷面質(zhì)量控制及浪形控制。
• 3）板形質(zhì)量綜合解決方案。通過對大量板形質(zhì)量異議進行分析，輔以先進數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，從溫度控制、班組管理、模型精度、輥形設(shè)計、平整工藝等多個環(huán)節(jié)，提出一整套板形質(zhì)量異議的解決方案。
• 4）軋后板帶內(nèi)應(yīng)力減量化技術(shù)。基于ABAQUS有限元建立熱軋帶鋼在不同冷卻工藝條件下的有限元模型，實現(xiàn)溫度、相變、應(yīng)力三者的耦合計算，并進行溫度測試、材料微觀組織測試、應(yīng)力測試等多個試驗驗證，得到軋后層流冷卻過程中，內(nèi)應(yīng)力演變規(guī)律和減量化手段，對分析帶鋼軋后冷卻不均、應(yīng)力不均、翹曲等具有重要意義。

5. 結(jié)論和展望

通過20年的研究和實踐，軋制中心成功開發(fā)出具有全部自主知識產(chǎn)權(quán)的成套板形控制技術(shù)，申請國家發(fā)明專利超過20余項，獲得國家科技進步獎1項，省部級獎勵6項，使板形控制的技術(shù)指標達到國際先進水平，并且形成了一整套包括機型、輥形、工藝、控制、管理在內(nèi)的全工序板形綜合解決方案，實現(xiàn)了板形綜合控制技術(shù)從消化吸收、創(chuàng)新到引領(lǐng)。

展望未來，板形控制模型和相應(yīng)工藝仍然還存在需要完善和改進的地方，特別是鐮刀彎的檢測及控制技術(shù)、薄規(guī)格軋制浪形控制技術(shù)、模型對換規(guī)格的適應(yīng)性等還有非常大的提升空間，對檢測技術(shù)的研究，對設(shè)備精度狀態(tài)的數(shù)字化評價、監(jiān)控及維護將是板形控制面臨的最大挑戰(zhàn)。

作者：邵健

來源：本文摘選自《世界金屬導(dǎo)報》2016年第35期B08。