一、研究的背景與問題
隨著我國新能源戰(zhàn)略和“雙碳”目標推進，新能源汽車（純電）產業(yè)取得世界范圍內經濟技術優(yōu)勢，成為新時代經濟發(fā)展新質生產力。無取向硅鋼作為新能源汽車驅動電機的關鍵材料，其極薄規(guī)格、高精度板形、高屈服強度等是驅動電機實現輕量化、高功率密度及高能量轉化率的基石。短流程軋制效率高、成本低、能耗小，是極薄規(guī)格無取向硅鋼低碳制造的重要技術路線，相關技術保密程度高，已成為全球鋼鐵行業(yè)競爭的熱點。
短流程熱軋高強度薄規(guī)格無取向硅鋼具有軋制道次少、單道次壓下率大、軋制速度高的特性。高強度無取向硅鋼變形抗力大，高寬厚比大壓下率的工藝要求更大軋制力，這給高牌號無取向硅鋼橫截面凸度和縱向平坦度高精度控制帶來挑戰(zhàn)。①對軋機剛度（特別是輥系剛度）提出了很高的要求，軋制力的加大和軋制速度的提高，極大增加了少道次內達到比例凸度目標值的難度；②大軋制力使軋制系統對局部微小擾動更加敏感，導致軋機功能精度下降，制約著產品橫向凸度和平坦度的高精度控制；③高速大壓下軋制過程中，軋機承載輥縫調節(jié)域減小、承載輥縫橫向剛度不穩(wěn)、板形調控功效降低，難以滿足無取向硅鋼更好板形的技術要求。如何實現有限道次內達到比例凸度目標值、提高軋機機組承載輥縫調節(jié)域、穩(wěn)定軋機橫向輥縫剛度、提高板形調控功效是實現短流程生產高強度薄規(guī)格無取向硅鋼高精度板形控制的關鍵。
二、解決問題的思路與技術方案
項目聚焦短流程生產高強度薄規(guī)格無取向硅鋼凸度控制和平坦度控制解耦策略、軋機剛度橫向再分配預控以及基于板廓C40-C25邊降板形質量監(jiān)控等系列難題開展研究。采用高強度薄規(guī)格無取向硅鋼軋前輕壓下結合軋制負荷前移法，開發(fā)了上游機架凸度控制和下游機架平坦度控制解耦技術；基于輥縫內軋機/軋件彈塑性耦合變形機制，開發(fā)了軋機橫向剛度預控技術；基于邊降與板形大數據，開發(fā)了板廓C40-C25邊降監(jiān)控軋件板形技術，實現了短流程熱軋高強度薄規(guī)格無取向硅鋼板形預測-控制-監(jiān)測閉環(huán)控制生產。
圖1 項目總體技術路線
三、主要創(chuàng)新性成果
針對短流程軋制新能源汽車用無取向硅鋼熱軋鋼帶高精度板形控制這一世界難題，武漢科技大學聯合寶鋼股份武漢鋼鐵有限公司、中冶南方武漢鋼鐵設計研究院有限公司等單位，項目組經歷 10 余年的努力，研發(fā)出“短流程新能源汽車用無取向硅鋼高精度板形控制關鍵技術”，突破了現有在線熱處理工藝的技術瓶頸，具有完全自主知識產權，形成了三大創(chuàng)新性成果：①開發(fā)了上游機架凸度控制和下游機架平坦度控制解耦技術；②首創(chuàng)了軋機橫向剛度預控技術；③開發(fā)了板廓C40-C25邊降監(jiān)控軋件板形技術。
1、構建了一套面向超薄高強度無取向硅鋼短流程熱軋凸度控制和平坦度控制解耦技術。以短流程軋機承載輥縫調節(jié)域特性為基礎，建立連鑄輕壓下熱-力-組織耦合凸度模型和軋制負荷前移模型，結合軋件橫截面形狀和平坦度內化關系，開發(fā)了前機架凸度控制和后機架平坦度控制的解耦控制技術，實現了橫向凸度和縱向平坦度高精度控制軋制。C40-C25<25um邊降合格率達到95%。
軋件邊部區(qū)域金屬橫向流動可能導致板形問題，同時也為板形控制提供可能，橫截面形狀是板形控制的目標，新能源驅動電機對薄規(guī)格（0.35-0.10mm）電工鋼的生產提出了更為嚴苛的橫截面形狀和平坦度要求（C40-C25<25um），比例凸度目標值小。
①建立連鑄輕壓下熱-力-組織耦合凸度模型
項目組面對少道次軋制控制比例凸度目標值的難題，在保證薄板坯組織不變的前提下，提出采用如圖2所示液芯壓下技術（相當于在連鑄與連軋兩工序間增加一個調節(jié)鑄坯厚度的環(huán)節(jié)，增強精軋控制精度），將板坯由70mm壓至60-67mm，在板坯窄面邊部形成鼓形寬展5-15mm的鼓肚形，實現鼓肚部位與精軋工作輥翻平寬展平滑過渡的目的，能有效降低軋制過程中軋件自由邊部區(qū)域金屬橫向流動，為后續(xù)上游道次凸度控制軋制做初始板形準備，從而減少邊部陡降區(qū)域，使得邊降幅度C25-C40<25μm的產品合格率提高到95％以上。
圖2 連鑄輕壓下熱-力-組織耦合凸度模型
②軋制負荷前移模型
經過輕壓下的薄板坯厚度尺寸減小，精軋機組壓下量也隨之重新分配，依據軋制力模型、軋制速度模型、凸度控制模型和平坦度控制模型，各機架的軋制力、出入口厚度以及軋制功率等參數根據精軋機組壓下量被確定；依據秒流量恒定方程計算得到各個機架的軋制速度；依據開軋溫度和輻射溫降計算得到各個機架的軋制力與軋制力矩，并根據實際要求進行補償。隨著軋制負荷大量遷移至平坦度死區(qū)大的上游機架，為盡快軋至比例凸度目標值創(chuàng)造了有利條件，同時也為下游機架在較小平坦度死區(qū)內實現平坦度高精度控制軋制擴展了有利的工藝窗口（如圖3所示）。
圖3 前機架凸度控制和后機架平坦度控制的解耦控制模型
2、開發(fā)了基于軋機/軋件彈塑性形變機理的軋機剛度橫向再分預測控制技術。以軋機/軋件熱-力耦合彈塑性變形機理為基礎，構建軋機襯板等零部件非對稱磨損與軋機橫向剛度分布模型；并利用攝像測量與序列圖像的三維重建技術，開發(fā)了一種適用于軋機的軟測量方法，在完成測量的同時得到輥系位姿的三維模型，實現了軋機輥系水平和垂直兩個維度上微尺度的交叉位姿高精度檢測與調整；增大軋機承載輥縫調節(jié)域，軋機橫向剛度保持較高水平。精軋機組輥系設備精度達標率由原來的90%提升至99.5%。
軋機剛度是無取向硅鋼高精度板型控制的基礎，開軋前常用軋輥壓靠法測定軋機傳動側和操作側剛度，壓靠法測定時軋輥中沒有軋件，上下工作輥直接接觸壓靠，以此測得的傳動側和操作側剛度直接用于軋件厚度和板形控制模型的設定。壓靠法測得的軋機剛度未考慮軋制時軋件金屬橫向非均勻流動對軋機/軋件耦合剛度的影響，成為制約高強薄規(guī)格無取向硅鋼熱軋高精度橫截面形狀控制的關鍵因素之一。再者，軋機機架窗口襯板、軸承座襯板、鎖緊板襯板、上下墊片等零部件的非對稱磨損導致軋輥在水平和垂直兩個維度上的交叉進一步激化軋輥/軋件非均勻耦合變形對軋機橫向剛度（輥縫抵抗軋制力波動的能力）的影響。
①基于三維空間位姿重構技術的剛度軟測量方法
項目針對高強薄規(guī)格無取向硅鋼熱軋時軋機橫向剛度無法在線測量的的行業(yè)難題，提出利用輥系三維空間位姿重構技術的剛度軟測量方法。
項目面對大跨度尺寸的軋機輥系，運用攝像測量與序列圖像的三維重建技術，開發(fā)了一種適用于軋機的非接觸式測量方法如圖4所示，在完成測量的同時得到輥系位姿的三維模型，利用輥系之間的空間相互位置關系與軋機橫向剛度存在關系模型，實現了軋機軋機橫向剛度高精度檢測。通過調整軸承座與機架襯板的厚度，即可調整任意輥系交叉狀態(tài)下的軋機剛度。該技術為全球首創(chuàng)。
②軋輥/軋件耦合橫向剛度模型
建立了實際工況下全尺寸軋機/軋件三維彈塑性有限元模型，模擬不同工況下薄規(guī)格高強硅鋼熱軋過程，解析了軋輥/軋件彈塑性變形耦合機理，建立了軋輥/軋件耦合橫向剛度模型如圖5所示。
圖4 基于三維空間位姿重構的剛度軟測量技術
圖5 軋輥/軋件彈塑性形變耦合有限元模型
3、開發(fā)了基于板廓C40-C25邊降板形質量數據預測與智能控制技術。建立了基于知識數據的高速鋼軋輥熱凸度和軋輥磨損模型，結合基于貝葉斯置信法的大數據融合的板形狀態(tài)評估方法，開發(fā)了基于板廓C40-C25邊降板形質量在線監(jiān)測與智能控制技術。該技術提高了軋制穩(wěn)定性和薄材厚度精度，薄材的厚度精度提高至99.25%，高精度（30um）達到97.88%；改善硅鋼原料板形質量，提升硅鋼成品的同板差精度，實現硅鋼全覆蓋毛邊軋制，剪邊量可減少20mm以上。
熱軋高精度橫截面形狀取決于有載輥縫形狀的精確預測和控制，熱軋過程中軋輥不均勻磨損和不均勻溫度分布導致的熱膨脹對有載輥縫的橫向分布特征有重大影響，特別對于橫向厚差要求苛刻的熱軋高強薄規(guī)格無取向硅鋼影響更甚。一方面采用優(yōu)化上下游機架凸度設置以充分發(fā)揮軋機板形調控功效，選用高速鋼軋輥減少軋輥磨損，并開發(fā)基于知識數據的高速鋼軋輥熱凸度模型和高速鋼軋輥磨損模型；另一方面統計大量問題板形與不同位置凸度，采用基于貝葉斯置信法的大數據融合的板形狀態(tài)評估方法，構建了板廓C40-C25邊降與板形映射關系；
①軋輥熱凸度計算模型與磨損模型
基于軋機/軋輥熱-力耦合三維彈塑性有限元模型，解析軋輥溫度和熱凸度演變機制，建立起熱軋無取向硅鋼換輥周期內軋輥熱凸度模型。統計軋制周期內軋輥溫度測量值，回歸分析軋輥表面溫度模型，用以校核上述軋輥熱凸度模型，建立起基于知識數據的熱軋無取向硅鋼軋輥熱凸度模型。
一個軋制計劃后，軋輥的磨損量可達到幾百微米，軋輥磨損也改變了輥縫形狀，對帶鋼的凸度、平直度的設定和控制有很大影響。項目通過解析軋機/軋件有限元模型模擬的軋輥和軋件應力場，構建了支撐輥/工作輥接觸應力模型和工作輥/軋件接觸應力模型，并充分考慮熱應力對軋輥磨損的影響，建立起機械-熱耦合作用下軋輥磨損模型。統計分析了多個軋制周期內軋輥磨損量，用于校核上述軋輥磨損模型，建立起基于知識數據的熱軋無取向硅鋼軋輥磨損模型。
②基于板廓C40-C25邊降板形質量預測智能控制技術
通過長期統計，獲得大量熱軋無取向硅鋼橫截面形狀與平坦度實測數據，采用基于貝葉斯置信法的大數據融合板形狀態(tài)評估方法探索不同位置橫截面凸度與平坦度相關程度，發(fā)現C40-C25邊降與軋件平坦度相關性高，進而建立起以C40-C25邊降為控制量的板形質量預測與控制技術。并將軋輥熱凸度模型和磨損模型嵌入C40-C25邊降與板形映射關系，開發(fā)了基于板廓C40-C25邊降板形質量預測智能控制技術
四、應用情況與效果
項目歷時十余年，成功開發(fā)具有自主知識產權的短流程高精度軋制技術，該項技術達到國際領先水平，在寶武鋼鐵集團公司應用，近三年累計生產薄規(guī)格無取向硅鋼298.36萬噸，減少切邊廢品10.82萬噸、減少次品5.12萬噸，生產效率提升3.63%，節(jié)約10.20萬噸標準煤，折合減少CO2排放30.52萬噸，項目三年累計創(chuàng)收41860.42萬元。為新建的武鋼有限全球領先無取向硅鋼產線（新能源汽車專用）提供技術支撐（2023年6月開工建設，2025年全面建成，產能55萬噸，將改善當前緊張的供求關系）。
表1 CSP熱軋產線精軋機組及產品指標國內外對比
信息來源：武漢科技大學
