一、研究的背景與問題
隨著我國新能源戰(zhàn)略和“雙碳”目標(biāo)推進(jìn)，新能源汽車（純電）產(chǎn)業(yè)取得世界范圍內(nèi)經(jīng)濟(jì)技術(shù)優(yōu)勢(shì)，成為新時(shí)代經(jīng)濟(jì)發(fā)展新質(zhì)生產(chǎn)力。無取向硅鋼作為新能源汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的關(guān)鍵材料，其極薄規(guī)格、高精度板形、高屈服強(qiáng)度等是驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)輕量化、高功率密度及高能量轉(zhuǎn)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(shù)路線，相關(guān)技術(shù)保密程度高，已成為全球鋼鐵行業(yè)競爭的熱點(diǎn)。
短流程熱軋高強(qiáng)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(qiáng)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(hào)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(duì)軋機(jī)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(nèi)達(dá)到比例凸度目標(biāo)值的難度；②大軋制力使軋制系統(tǒng)對(duì)局部微小擾動(dòng)更加敏感，導(dǎo)致軋機(jī)功能精度下降，制約著產(chǎn)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(jī)承載輥縫調(diào)節(jié)域減小、承載輥縫橫向剛度不穩(wěn)、板形調(diào)控功效降低，難以滿足無取向硅鋼更好板形的技術(shù)要求。如何實(shí)現(xiàn)有限道次內(nèi)達(dá)到比例凸度目標(biāo)值、提高軋機(jī)機(jī)組承載輥縫調(diào)節(jié)域、穩(wěn)定軋機(jī)橫向輥縫剛度、提高板形調(diào)控功效是實(shí)現(xiàn)短流程生產(chǎn)高強(qiáng)度薄規(guī)格無取向硅鋼高精度板形控制的關(guān)鍵。
二、解決問題的思路與技術(shù)方案
項(xiàng)目聚焦短流程生產(chǎn)高強(qiáng)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(jī)剛度橫向再分配預(yù)控以及基于板廓C40-C25邊降板形質(zhì)量監(jiān)控等系列難題開展研究。采用高強(qiáng)度薄規(guī)格無取向硅鋼軋前輕壓下結(jié)合軋制負(fù)荷前移法，開發(fā)了上游機(jī)架凸度控制和下游機(jī)架平坦度控制解耦技術(shù)；基于輥縫內(nèi)軋機(jī)/軋件彈塑性耦合變形機(jī)制，開發(fā)了軋機(jī)橫向剛度預(yù)控技術(shù)；基于邊降與板形大數(shù)據(jù)，開發(fā)了板廓C40-C25邊降監(jiān)控軋件板形技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了短流程熱軋高強(qiáng)度薄規(guī)格無取向硅鋼板形預(yù)測-控制-監(jiān)測閉環(huán)控制生產(chǎn)。
圖1 項(xiàng)目總體技術(shù)路線
三、主要?jiǎng)?chuàng)新性成果
針對(duì)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(xué)聯(lián)合寶鋼股份武漢鋼鐵有限公司、中冶南方武漢鋼鐵設(shè)計(jì)研究院有限公司等單位，項(xiàng)目組經(jīng)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(guān)鍵技術(shù)”，突破了現(xiàn)有在線熱處理工藝的技術(shù)瓶頸，具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，形成了三大創(chuàng)新性成果：①開發(fā)了上游機(jī)架凸度控制和下游機(jī)架平坦度控制解耦技術(shù)；②首創(chuàng)了軋機(jī)橫向剛度預(yù)控技術(shù)；③開發(fā)了板廓C40-C25邊降監(jiān)控軋件板形技術(shù)。
1、構(gòu)建了一套面向超薄高強(qiáng)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(shù)。以短流程軋機(jī)承載輥縫調(diào)節(jié)域特性為基礎(chǔ)，建立連鑄輕壓下熱-力-組織耦合凸度模型和軋制負(fù)荷前移模型，結(jié)合軋件橫截面形狀和平坦度內(nèi)化關(guān)系，開發(fā)了前機(jī)架凸度控制和后機(jī)架平坦度控制的解耦控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)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(dá)到95%。
軋件邊部區(qū)域金屬橫向流動(dòng)可能導(dǎo)致板形問題，同時(shí)也為板形控制提供可能，橫截面形狀是板形控制的目標(biāo)，新能源驅(qū)動(dòng)電機(jī)對(duì)薄規(guī)格（0.35-0.10mm）電工鋼的生產(chǎn)提出了更為嚴(yán)苛的橫截面形狀和平坦度要求（C40-C25<25um），比例凸度目標(biāo)值小。
①建立連鑄輕壓下熱-力-組織耦合凸度模型
項(xiàng)目組面對(duì)少道次軋制控制比例凸度目標(biāo)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(shù)（相當(dāng)于在連鑄與連軋兩工序間增加一個(gè)調(diào)節(jié)鑄坯厚度的環(huán)節(jié)，增強(qiáng)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(shí)現(xiàn)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(dòng)，為后續(xù)上游道次凸度控制軋制做初始板形準(zhǔn)備，從而減少邊部陡降區(qū)域，使得邊降幅度C25-C40<25μm的產(chǎn)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(fù)荷前移模型
經(jīng)過輕壓下的薄板坯厚度尺寸減小，精軋機(jī)組壓下量也隨之重新分配，依據(jù)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(jī)架的軋制力、出入口厚度以及軋制功率等參數(shù)根據(jù)精軋機(jī)組壓下量被確定；依據(jù)秒流量恒定方程計(jì)算得到各個(gè)機(jī)架的軋制速度；依據(jù)開軋溫度和輻射溫降計(jì)算得到各個(gè)機(jī)架的軋制力與軋制力矩，并根據(jù)實(shí)際要求進(jìn)行補(bǔ)償。隨著軋制負(fù)荷大量遷移至平坦度死區(qū)大的上游機(jī)架，為盡快軋至比例凸度目標(biāo)值創(chuàng)造了有利條件，同時(shí)也為下游機(jī)架在較小平坦度死區(qū)內(nèi)實(shí)現(xiàn)平坦度高精度控制軋制擴(kuò)展了有利的工藝窗口（如圖3所示）。
圖3 前機(jī)架凸度控制和后機(jī)架平坦度控制的解耦控制模型
2、開發(fā)了基于軋機(jī)/軋件彈塑性形變機(jī)理的軋機(jī)剛度橫向再分預(yù)測控制技術(shù)。以軋機(jī)/軋件熱-力耦合彈塑性變形機(jī)理為基礎(chǔ)，構(gòu)建軋機(jī)襯板等零部件非對(duì)稱磨損與軋機(jī)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(shù)，開發(fā)了一種適用于軋機(jī)的軟測量方法，在完成測量的同時(shí)得到輥系位姿的三維模型，實(shí)現(xiàn)了軋機(jī)輥系水平和垂直兩個(gè)維度上微尺度的交叉位姿高精度檢測與調(diào)整；增大軋機(jī)承載輥縫調(diào)節(jié)域，軋機(jī)橫向剛度保持較高水平。精軋機(jī)組輥系設(shè)備精度達(dá)標(biāo)率由原來的90%提升至99.5%。
軋機(jī)剛度是無取向硅鋼高精度板型控制的基礎(chǔ)，開軋前常用軋輥壓靠法測定軋機(jī)傳動(dòng)側(cè)和操作側(cè)剛度，壓靠法測定時(shí)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(dòng)側(cè)和操作側(cè)剛度直接用于軋件厚度和板形控制模型的設(shè)定。壓靠法測得的軋機(jī)剛度未考慮軋制時(shí)軋件金屬橫向非均勻流動(dòng)對(duì)軋機(jī)/軋件耦合剛度的影響，成為制約高強(qiáng)薄規(guī)格無取向硅鋼熱軋高精度橫截面形狀控制的關(guān)鍵因素之一。再者，軋機(jī)機(jī)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(duì)稱磨損導(dǎo)致軋輥在水平和垂直兩個(gè)維度上的交叉進(jìn)一步激化軋輥/軋件非均勻耦合變形對(duì)軋機(jī)橫向剛度（輥縫抵抗軋制力波動(dòng)的能力）的影響。
①基于三維空間位姿重構(gòu)技術(shù)的剛度軟測量方法
項(xiàng)目針對(duì)高強(qiáng)薄規(guī)格無取向硅鋼熱軋時(shí)軋機(jī)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(gòu)技術(shù)的剛度軟測量方法。
項(xiàng)目面對(duì)大跨度尺寸的軋機(jī)輥系，運(yùn)用攝像測量與序列圖像的三維重建技術(shù)，開發(fā)了一種適用于軋機(jī)的非接觸式測量方法如圖4所示，在完成測量的同時(shí)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(guān)系與軋機(jī)橫向剛度存在關(guān)系模型，實(shí)現(xiàn)了軋機(jī)軋機(jī)橫向剛度高精度檢測。通過調(diào)整軸承座與機(jī)架襯板的厚度，即可調(diào)整任意輥系交叉狀態(tài)下的軋機(jī)剛度。該技術(shù)為全球首創(chuàng)。
②軋輥/軋件耦合橫向剛度模型
建立了實(shí)際工況下全尺寸軋機(jī)/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(qiáng)硅鋼熱軋過程，解析了軋輥/軋件彈塑性變形耦合機(jī)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(gòu)的剛度軟測量技術(shù)
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(zhì)量數(shù)據(jù)預(yù)測與智能控制技術(shù)。建立了基于知識(shí)數(shù)據(jù)的高速鋼軋輥熱凸度和軋輥磨損模型，結(jié)合基于貝葉斯置信法的大數(shù)據(jù)融合的板形狀態(tài)評(píng)估方法，開發(fā)了基于板廓C40-C25邊降板形質(zhì)量在線監(jiān)測與智能控制技術(shù)。該技術(shù)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(dá)到97.88%；改善硅鋼原料板形質(zhì)量，提升硅鋼成品的同板差精度，實(shí)現(xiàn)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(yù)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(dǎo)致的熱膨脹對(duì)有載輥縫的橫向分布特征有重大影響，特別對(duì)于橫向厚差要求苛刻的熱軋高強(qiáng)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(jī)架凸度設(shè)置以充分發(fā)揮軋機(jī)板形調(diào)控功效，選用高速鋼軋輥減少軋輥磨損，并開發(fā)基于知識(shí)數(shù)據(jù)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(tǒng)計(jì)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(shù)據(jù)融合的板形狀態(tài)評(píng)估方法，構(gòu)建了板廓C40-C25邊降與板形映射關(guān)系；
①軋輥熱凸度計(jì)算模型與磨損模型
基于軋機(jī)/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(jī)制，建立起熱軋無取向硅鋼換輥周期內(nèi)軋輥熱凸度模型。統(tǒng)計(jì)軋制周期內(nèi)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(shí)數(shù)據(jù)的熱軋無取向硅鋼軋輥熱凸度模型。
一個(gè)軋制計(jì)劃后，軋輥的磨損量可達(dá)到幾百微米，軋輥磨損也改變了輥縫形狀，對(duì)帶鋼的凸度、平直度的設(shè)定和控制有很大影響。項(xiàng)目通過解析軋機(jī)/軋件有限元模型模擬的軋輥和軋件應(yīng)力場，構(gòu)建了支撐輥/工作輥接觸應(yīng)力模型和工作輥/軋件接觸應(yīng)力模型，并充分考慮熱應(yīng)力對(duì)軋輥磨損的影響，建立起機(jī)械-熱耦合作用下軋輥磨損模型。統(tǒng)計(jì)分析了多個(gè)軋制周期內(nèi)軋輥磨損量，用于校核上述軋輥磨損模型，建立起基于知識(shí)數(shù)據(jù)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(zhì)量預(yù)測智能控制技術(shù)
通過長期統(tǒng)計(jì)，獲得大量熱軋無取向硅鋼橫截面形狀與平坦度實(shí)測數(shù)據(jù)，采用基于貝葉斯置信法的大數(shù)據(jù)融合板形狀態(tài)評(píng)估方法探索不同位置橫截面凸度與平坦度相關(guān)程度，發(fā)現(xiàn)C40-C25邊降與軋件平坦度相關(guān)性高，進(jìn)而建立起以C40-C25邊降為控制量的板形質(zhì)量預(yù)測與控制技術(shù)。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(guān)系，開發(fā)了基于板廓C40-C25邊降板形質(zhì)量預(yù)測智能控制技術(shù)
四、應(yīng)用情況與效果
項(xiàng)目歷時(shí)十余年，成功開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的短流程高精度軋制技術(shù)，該項(xiàng)技術(shù)達(dá)到國際領(lǐng)先水平，在寶武鋼鐵集團(tuán)公司應(yīng)用，近三年累計(jì)生產(chǎn)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(chǎn)效率提升3.63%，節(jié)約10.20萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤，折合減少CO2排放30.52萬噸，項(xiàng)目三年累計(jì)創(chuàng)收41860.42萬元。為新建的武鋼有限全球領(lǐng)先無取向硅鋼產(chǎn)線（新能源汽車專用）提供技術(shù)支撐（2023年6月開工建設(shè)，2025年全面建成，產(chǎn)能55萬噸，將改善當(dāng)前緊張的供求關(guān)系）。
表1 CSP熱軋產(chǎn)線精軋機(jī)組及產(chǎn)品指標(biāo)國內(nèi)外對(duì)比
信息來源：武漢科技大學(xué)
