极薄高强带材二十辊精密轧制智能控制技术研发与应用

研究的背景与问题

极薄高强带材多采用二十辊轧机进行精密轧制，直接面向交通、能源、国防军工等重点领域的需求，被誉为“钢铁工业皇冠上的明珠”，发达国家限制对我国出口0.03毫米以下的超精密极薄产品。精密轧制的技术壁垒较高，我国二十辊轧机控制系统曾长期依赖进口，作为系统灵魂的核心技术均为“黑箱”，成为高端产品研发和前沿技术创新的关键核心问题。

极薄高强带材二十辊精密轧制智能控制技术研发与应用项目通过对极薄高强带材二十辊精密轧制智能控制技术创新，融合轧制工艺和智能化技术，构建了高精度的智能化轧制模型，开发出极薄高强带材精密轧制智能化控制技术，并形成具有自主产权的全套工业软件，保障了不锈钢、电工钢、精密合金等关键原材料的高质量自主供给。该项目对推动我国钢铁行业结构调整与转型升级，向高端制造和智能制造发展具有重要意义。

解决问题的思路与技术方案

1.总体思路

该项目主要围绕二十辊精密轧制工艺过程复杂、传统机理模型适用性差、多参数控制相互耦合等问题开展研究，在辊系配置与表面质量优化、高精度模型与规程智能设计、非稳态过程厚度—张力高精度控制、板形与同板差智能协调等方面开展技术攻关，构建了适用于极薄高强带材的轧制模型与控制模式，开发出精密轧制全套智能化控制技术，实现了高端精密产品的自主供给。

2.关键技术

（1）复杂辊系智能配置与高等级表面质量优化。

二十辊辊系结构复杂，支撑辊背衬轴承易发生疲劳失效，依靠经验配辊严重影响配辊效率和轧辊服役寿命。高等级带材在要求高效轧制润滑性能的同时，对表面残油和粗糙度要求严苛。如何实现二十辊轧机复杂辊系的智能优化配置和极薄带材高表面质量控制是领域特有的技术难题。

该项目研发了轧机牌坊、辊系等关键设备制造工艺，解决了系列二十辊轧机“仅能设计、无法制造”的难题；构建了塔型全辊系空间位置及受力分析模型，实现了全辊系智能快速匹配，研发了背衬轴承疲劳寿命预测模型与优化配置方法，显著延长了服役寿命；开发了自适应润滑调整、板面精准保护和润滑介质参数优化技术，实现了高效轧制润滑与带材表面残油及粗糙度的综合协调控制。

（2）精密带材高精度轧制模型与规程智能设计。

二十辊轧机的轧制力承载结构复杂，极薄带材的轧制变形区与常规产品截然不同，经典理论无法揭示变形机理。同时，轧制规程多为经验传承，无法进行动态优化调整，带材质量和生产稳定性难以保障。如何提升模型设定精度和轧制规程优化水平，是实现精密带材高精度控制、高效率稳定轧制的前提。

该项目创建了极薄带材轧制力能与最小可轧厚度模型，突破了传统轧制理论瓶颈。该项目首次构建了二十辊全辊系与轧件一体化快速变形模型，实现了对全辊系变形、辊间压力分布与轧后断面厚度的精准解析；提出机理和数据融合驱动的高精度模型构建方法，实现了多钢种和多工况的在线状态感知；将轧制润滑、轧辊和轧制规程等进行标准化，构建精密轧制工艺规范库，综合考虑工艺和质量指标约束，首次提出了融合经验知识的轧制规程多目标优化方法，实现了轧制规程智能设计。

（3）非稳态轧制过程厚度—张力高精度协同控制。

精密轧制带材厚度跨度极大，薄带材厚度和张力的高精度控制极其困难，亟须突破两个问题，一是受制于摩擦状态连续变化和设备转动惯量不准确，造成模型不匹配，加减速等非稳态过程厚度、张力剧烈波动；二是厚度和张力控制交叉耦合，单指标独立控制存在相互干扰。

该项目发明了摩擦转矩、转动惯量等关键参数的精确感知和在线自适应新方法，实现了微小张力状态下的高精度控制；提出了工艺和控制参数在线自整定的厚度反馈控制策略，弥补了常规系统对模型误差敏感的不足；明确了摩擦状态变化对带材厚度的影响规律，首创了非稳态过程轧机辊缝与加速度自适应补偿策略，提升了模型匹配度；设计了基于预测控制的厚度—张力协同控制新模式，在工艺设备约束条件下分配最优控制输出，突破了独立控制、被动解耦的控制架构，实现了极薄带材厚度和张力高精度协同控制。

（4）极薄高强带材板形与同板差智能协调控制。

二十辊轧机轧制过程中，带材板形与同板差均依赖于一中间窜辊、多分段压下ASU装置和轧辊辊型等对承载辊缝形貌的精确调节，调控手段组合的多样性增加了控制过程的复杂度。在同板差调节过程中，极易诱发高次板形缺陷，两个指标之间存在相互干扰，亟须明确板形和同板差调控机制并实现智能协调优化。

该项目构建了全辊系—轧件一体化三维有限元模型，获取了各调节机构的调控功效系数，揭示了轧制工艺参数对板形和同板差的影响规律；开发了单锥度工作辊辊型，结合同步优化的一中间辊辊型和窜辊参数，提出了高效的辊型组合配置策略，实现了超低同板差产品的稳定制备；结合调节机构与来料凸度对板形的影响规律，揭示了极薄带材高次浪形产生机理，提出了ASU与一中间辊窜辊量的组合调控策略。该项目基于深度学习和预测控制方法，构建了板形动态数字孪生与智能控制系统，提高了复杂工况下板形与同板差协同控制精度。

主要创新性成果

通过研究，该项目实现了从“静态设定—独立控制—被动调整”到“动态优化—综合协调—主动适应”的转变，满足了极薄厚度、更高精度和更高稳定性的生产需求。创新成果如下：

该项目研发出全系列二十辊轧机关键装备制造工艺，明确了全辊系载荷分布并提出了辊系和背衬轴承智能优化配置方案，开发出超精密极薄带表面残油与粗糙度控制技术，轧辊服役寿命延长7%以上，带材单面残油控制在120毫克/平方米以下。

该项目创建了极薄带材轧制力能与塔型复杂辊系变形模型体系，综合考虑工艺和质量指标约束，首次提出了融合经验知识的轧制规程多目标优化方法，解决了传统模型不适用和轧制工艺柔性多变等问题，轧制力能模型精度从不足90%提升至95%以上。

该项目提出了极薄带材微小张力控制关键参数获取方法，首创了非稳态过程辊缝与加速度自适应控制策略，开发出厚度—张力协同控制新技术，突破了独立控制、被动补偿控制架构，0.1毫米极薄带材厚度与张力控制精度分别达到±1.5微米和±1%。

该项目构建了二十辊全辊系—轧件一体化模型，量化解析了复杂调节结构对金属流动和板形缺陷的影响规律，揭示了极薄带材高次浪形产生机理，创建了板形动态数字孪生与智能控制系统。

应用情况与效果

从2007年以来，东北大学联合北京科技大学、中国重型院、鞍钢股份等行业优势力量，研发了极薄高强带材精密轧制智能控制系统，打破国外技术垄断，应用于柳钢中金、青山青拓等企业，系统投资较引进系统降低35%以上；在鞍钢、宝武、沙钢等，对ABB、DMS等国外引进控制系统进行智能优化，完成国产化替代；跨领域推广到云南钛业、湖南稀土院等有色行业生产线，轧制出国内第一卷宽幅钛合金卷。全套工艺装备与智能化控制系统整体输出至“一带一路”沿线国家和地区。

该项目产品应用于山东舰、“神舟”系列宇宙飞船等国防军工和航空航天领域，高品质硅钢应用于大型核电设施，并生产出军用特种高纯稀土金属板，满足了国家重点领域和重大工程建设对关键原材料的需求。

近3年，该项目主要完成单位新增产值86.18亿元，新增效益7.62亿元。相关媒体对项目团队在柳钢中金进行成套技术实施的情况进行了报道，并对团队突破0.01毫米不锈钢轧制极限、轧制出宽幅冷轧钛卷、生产出高牌号硅钢箔材等做了报道。

截至目前，该项目获得授权发明专利39项，登记软件著作权16项，牵头制定行业标准3项，发表论文39篇，出版专著3部；攻克了极薄高强带材厚度、板形、表面质量及高速稳定轧制等控制难题，成果应用于宝武、鞍钢、沙钢、云钛等32条精密轧制产线。2024年12月份，中国钢铁工业协会组织的成果评价，评价委员会一致认为：项目总体技术达到国际领先水平。（中国冶金报）