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“鋼鐵工業皇冠上的明珠”，發達國家限制對我國出0.03mm以下的超精密極薄產品。精密軋制的技術壁壘較高，我國二十輥軋機控制系統曾長期依賴進口，作為系統靈魂的核心技術均為“黑箱”，成為高端產品研發和前沿技術創新的“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新，融合軋制工藝和智能化技術，構建了高精度的智能化軋制模型，開發出極薄高強帶材精密軋制智能化控制技術，并形成自主產權的全套工業軟件，保障了不銹鋼、電工鋼、精密合金等關鍵原材料的高質量自主供給。對推動我國鋼鐵行業結構調整與轉型升級，向高端制造和智能制造發展具有重要意義。

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、傳統機理模型適用性差、多參數控制相互耦合等問題開展研究，在輥系配置與表面質量優化、高精度模型與規程智能設計、非穩態過程厚度張力高精度控制、板形與同板差智能協調等方面開展技術攻關，構建了適用于極薄高強帶材的軋制模型與控制模式，開發出精密軋制全套智能化控制技術，實現了高端精密產品的自主供給。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量優化

二十輥輥系結構復雜，支撐輥背襯軸承易發生疲勞失效，依靠經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。如何實現二十輥軋機復雜輥系的智能優化配置和極薄帶材高表面質量控制是領域特有的技術難題。

研發了軋機牌坊、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。構建了塔型全輥系空間位置及受力分析模型，實現了全輥系智能快速匹配，研發了背襯軸承疲勞壽命預測模型與優化配置方法，顯著提升了服役壽命。開發了自適應潤滑調整、板面精準保護和潤滑介質參數優化技術，實現了高效軋制潤滑與帶材表面殘油及粗糙度的綜合協調控制。

復雜輥系智能配置與高等級表面質量優化

）精密帶材高精度軋制模型與規程智能設計

二十輥軋機的軋制力承載結構復雜，極薄帶材的軋制變形區與常規產品截然不同，經典理論無法揭示變形機理。同時，軋制規程多為經驗傳承，無法進行動態優化調整，帶材質量和生產穩定性難以保障。如何提升模型設定精度和軋制規程優化水平，是實現精密帶材高精度控制、高效率穩定軋制的前提。

精密帶材高精度軋制模型與規程智能設計

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

）非穩態軋制過程厚度張力高精度協同控制

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連續變化和設備轉動慣量不準確，造成模型不匹配，加減速等非穩態過程厚度、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。

非穩態軋制過程厚度張力高精度協同控制

發明了摩擦轉矩、轉動慣量等關鍵參數的精確感知和在線自適應新方法，實現了微小張力狀態下的高精度控制。提出了工藝和控制參數在線自整定的厚度反饋控制策略，彌補了常規系統對模型誤差敏感的不足。明確了摩擦狀態變化對帶材厚度的影響規律，首創了非穩態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同控制新模式，在工藝設備約束條件下分配最優控制輸出，突破了獨立控制、被動解耦的控制架構，實現了極薄帶材厚度和張力高精度協同控制。

）極薄高強帶材板形與同板差智能協調控制

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節，調控手段組合的多樣性增加了控制過程的復雜度。在同板差調節過程中，極易誘發高次板形缺陷，兩個指標之間存在相互干擾，亟須明確板形和同板差調控機制并實現智能協調優化。

極薄高強帶材板形與同板差智能協調控制

構建了全輥系軋件一體化三維有限元模型，獲取了各調節機構的調控功效系數，揭示了軋制工藝參數對板形和同板差的影響規律。開發了單錐度工作輥輥型，結合同步優化的一中間輥輥型和竄輥參數，提出了高效的輥型組合配置策略，實現了超低同板差產品的穩定制備。結合調節機構與來料凸度對板形的影響規律，揭示了極薄帶材高次浪形產生機理，提出了ASU與一中間輥竄輥量的組合調控策略。基于深度學習和預測控制方法，構建了板形動態數字孿生與智能控制系統，提高了復雜工況下板形與同板差協同控制精度。

三、主要創新性成果

通過研究，實現了從靜態設定獨立控制被動調整”到“動態優化綜合協調主動適應”的轉變，滿足了極薄厚度、更高精度和更高穩定性的生產需求。創新成果如下：

）研發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化配置方案，開發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，綜合考慮工藝和質量指標約束，首次提出了融合經驗知識的軋制規程多目標優化方法，解決了傳統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獲取方法，首創了非穩態過程輥縫與加速度自適應控制策略，開發出厚度張力協同控制新技術，突破了獨立控制、被動補償控制架構，0.1mm極薄帶材厚度與張力控制精度分別達到±1.5μm±1%

）構建了二十輥全輥系軋件一體化模型，量化解析了復雜調節結構對金屬流動和板形缺陷的影響規律，揭示了極薄帶材高次浪形產生機理，創建了板形動態數字孿生與智能控制系統，極薄帶材板形標準差小于5I

四、應用情況與效果

2007年以來，東北大學聯合北京科技大學、中國重型院、鞍鋼股份等行業優勢力量，研發了極薄高強帶材精密軋制智能控制系統，打破國外技術壟斷，應用于柳鋼中金、青山青拓等企業，系統投資較引進系統減低35%以上。在鞍鋼、寶武、沙鋼等，對ABBDMS等國外引進控制系統進行智能優化，完成國產化替代。跨領域推廣到云南鈦業、湖南稀土院等有色行業生產線，軋制出國內第一卷寬幅鈦合金卷全套工藝裝備與智能化控制系統整體輸出至“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，高品質硅鋼應用于大型核電設施，并生產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：這是國產極薄高強帶材軋制技術的又一次落地應用，在國內首次實現超寬幅極薄不銹鋼帶穩定軋制。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、生產出高牌號硅鋼箔材等做了報道。

項目獲得授權發明專利項，登記軟件著作權16項，牽頭制定行業標準項，發表論文39篇，出版專著部。攻克了極薄高強帶材厚度、板形、表面質量及高速穩定軋制等控制難題，應用于寶武、鞍鋼、沙鋼、云鈦等32條精密軋制產線。202412月中國鋼鐵工業協會組織的成果評價，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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