一、研究的背景与问题

轻量化可以降低钢材消耗、减少排放、保护环境、节约包装材料成本，高强减薄已成为金属材料发展的必然趋势。与传统产品相比，其厚度减薄，强度提高，同时具有优良的加工性能，用于高要求的金属包装及能源用钢等用途。在材料减薄的基础上，进一步提高宽度，即宽厚比的增加，可以进一步提高钢铁企业材料生产、下游加工企业材料加工效率，降低全产业链制造成本，是近年来钢铁行业的理想追求。因此，大宽厚比高品质薄板带已经成为国民经济发展中重要的工业材料，且市场占有率逐年增加。

目前市场上提出了0.14mm甚至0.12mm的DR材产品需求，世界上生产大宽厚比高品质薄板带水平较高有日本新日铁、韩国浦项等，0.14mm、0.15mm厚度板带，极限宽度达到1134mm、1160mm，相应宽厚比达到8100、7733。钢铁企业生产效率与下游加工企业效率随板带宽度成正比例增加，且宽厚比越大，技术难度越大。与此同时，极薄镀层，特别是10～50nm级电镀产品及电镀液的循环利用，减少锡、铬、锌等金属的消耗、污染，代表了薄板电镀行业极高水准。而国内在大宽厚比薄板带产品生产上与国际水平仍存在很大差距，目前存在的主要瓶颈问题表现在以下几方面：

1、板形控制作为大宽厚比薄板带生产的老大难问题，由于冷连轧、二次冷轧与平整等冷轧工序不能全道次配置实体板形仪以及连退炉内无法配置实体板形仪，无法在无实体板形仪的前提下获取到全流程板形信息，严重阻碍了大宽厚比高品质薄板带产品的发展。

2、大宽厚比薄板带轧制过程中所需单位轧制压力更大，波动更为严重，采用以往的轧制与润滑工艺基本无法实现高品质超薄轧制，且生产过程中极易发生辊端压靠与卷取缺陷，严重限制了国内冷轧板带在更宽更薄方向上的发展。

3、冷轧之后的板带因加工硬化，必须经过退火处理来改善板带内部组织，对于薄宽料而言，跑偏与瓢曲发生概率远远高于普通板带。板带越薄，只要稍微发生瓢曲就越容易发生断带事故；板带越宽，跑偏后越容易引起板带边部擦划炉壁，不但会损坏炉内设备，而且同样会造成断带事故。

4、涂镀对板带产品的运输、储存与使用起着至关重要的作用，但由于大宽厚比薄板带轧制过程大轧制力、大变形量等因素影响，基板表面物理特性和化学活性均发生了突变，轧制条纹不均、峰值波谷大频率跃迁、活性位点不均等造成镀层沉积不均、质量较差、缺陷发生率高一系列问题，对于超薄镀层表现的更为突出。

大宽厚比高品质薄板带的生产能力不足已成为国家钢铁产品制造迫切需要解决的难题。

二、技术解决方案

针对大宽厚比薄板带板形控制、大宽厚比板带超薄轧制及润滑工艺控制、大宽厚比薄板带连退工艺控制、超薄镀层工艺控制等几大难点。采取了创新性的思路：

1、在大宽厚比薄板带板形控制方面，提出了虚拟板形控制理论，采用逆推控制思想，分道次分工艺段设定板形目标曲线，开发出一套虚拟板形仪及其闭环控制系统。从而，实现冷轧板带在冷连轧/可逆轧制、连续退火、二次冷轧及平整等工艺段全流程板形预报、在线动态显示与多层闭环协调精确控制。

2、在大宽厚比板带超薄轧制及润滑工艺控制方面，针对传统的乳化液直喷系统只能在线实时调整乳化液流量而不能在线实时调整乳化液浓度的问题，开发气雾混合与油水管道混合的轧制润滑技术；针对压靠问题，提出压靠测量与控制方法；针对超薄宽幅板带轧后卷取产生的松卷、心型卷、附加浪形等缺陷，开发出了相应的卷取过程张力优化设定技术。

3、大宽厚比薄板带连退工艺控制方面，针对连退炉内大宽厚比薄板带极易发生跑偏与瓢曲而不能高效稳定通板的问题，首先解决工程上对连退炉内带钢跑偏与瓢曲趋势无法在线定量预测的难题；然后，从全炉段张力优化设定入手，开发连退机组炉内带钢跑偏与瓢曲预控制技术，保证炉内稳定通板、避免断带事故发生

4、超薄镀层工艺控制方面，摸索控制镀层的均匀性和可防护性的方法，尤其是高粗糙度基板表面轧制条纹的峰值和波谷处的镀层生长与防护。提出超薄镀层的表面质量表征方法、镀液健康状态评价与调控方法。并针对附属产物进行高附加值利用。

整体技术路线图如图1所示。

三、主要创新性成果

该成果从大宽厚比高品质薄板带冷轧生产中的板形控制、轧薄工艺、连退通板以及镀层质量等技术瓶颈入手，开发出一套适合于大宽厚比高品质薄板带的冷轧全流程生产技术：

1、虚拟板形仪及其全流程板形预报、在线显示与闭环控制系统

大宽厚比薄板带冷轧工序无法实现全流程板形预报是板形难控的根源所在。该项目另辟蹊径，充分利用机组的数据采集系统与板形控制理论，创新设计出一套虚拟板形仪，在不增加硬件设施、不增配实体板形仪的前提下实现了板带轧制过程各个机架与退火过程各个工艺段板形的预报与动态可视化显示。基于此，形成了一套全流程板形预报与显示技术（如图2所示），预报准确率在95%以上，巧妙地解决了在无实体板形仪配置前提下无法获取板形信息的技术难题，为大宽厚比薄板带板形控制提供了科学依据。在此基础上，采用逆推控制法分道次分工艺段设定板形目标曲线，分解整体板形控制量，降低板形控制难度。然后，根据各道次各工艺段虚拟板形仪预报结果与板形目标曲线的差值，分别反馈控制冷连轧、连退、二次冷轧以及平整等工序各道次各工艺段的工艺参数，形成了全流程冷轧板带板形多层闭环协调控制技术。另外，对于平整而言，由于没有点冷却系统，为了提高平整机组的板形控制能力，提出了包含工作辊左右弯辊、中间辊左右弯辊、中间辊上下窜辊以及倾辊在内的七维板形控制思想，建立了适合AS-UCM平整机型的板形闭环控制系统，弥补了普通UCM机型板形控制先天性的不足，实现了对非对称板形与复杂浪形的有效治理。

2、大宽厚比冷轧板带超薄轧制及润滑技术

针对大宽厚比薄板带冷轧过程的轧制工艺，综合冷连轧机组各个机架压下量、前张力、后张力、轧制力、带钢速度以及带钢变形抗力等因素对大宽幅薄带钢板形、板凸度及表面质量的影响，充分挖潜冷轧机组设备生产能力，首次提出了极薄带冷轧过程的高速稳定轧制与表面质量综合控制指标。以高品质轧薄为目标，考虑到吨钢电耗与生产效率问题，开发出轧制规程综合优化设定技术，大大提高了冷轧生产速度与机组运行稳定性。针对大宽厚比薄板带冷轧过程的润滑工艺，从油耗固定模式与润滑保证模式入手，提出了乳化液流量与浓度在线动态优化调整方法，研发了气雾混合与油水管道混合的乳化液制备新技术，如图3及图4所示。制定了喷射装置上喷嘴间距、喷嘴数量、喷射方向角、喷射角度、喷嘴侧倾角等整体优化方案，实现了生产过程中对各个机架的乳化液浓度与颗粒度的实时、灵活调整，并降低了油耗。改善了轧制过程中热划伤、乳化液斑迹等表面质量的问题，为冷轧提供了一种新的工艺控制手段。

针对压靠问题，探索出一种反映极薄带真实轧制状态的压靠软测量方法，建立了极薄带轧制过程压靠量与压靠宽度计算的数学模型，实现了压靠的定量预报。结合极薄带生产工艺特点，对工作辊采用余弦曲线与高次曲线的组合形式，以余弦分项来治理边浪、以高次曲线分项来治理压靠，形成了相应的轧辊辊型曲线优化设计技术，解决了超薄板带轧制过程中不能顺利压下的难题。针对卷取缺陷问题，充分考虑到钢卷内部带材的非圆性以及周向应力、摩擦力、压应力等沿周向的不对称性，提出了一套卷取过程螺旋形开口弹性组合筒各向异性分析理论，开发出钢卷松卷、心型卷以及附加浪形等缺陷预报技术，并将卷取工序与下游工序结合起来，以罩退钢卷粘结缺陷最小为优化目标，将不出现心型卷、松卷以及附加浪形缺陷作为约束条件，建立了一套新的卷取张力综合优化模型，形成了大宽厚比薄板带卷取工艺及缺陷治理技术，进一步保证了成品质量。

3、大宽厚比高品质薄板带连退过程稳定通板控制技术

从力学角度具体分析了跑偏与瓢曲缺陷的形成机理，探索出了横向压应力的来源：泊松应力、热应力、向心力。在此基础上，为了定量表征连退过程带钢的跑偏趋势与瓢曲趋势，首次提出了跑偏因子与瓢曲指数新概念，建立了相应的数学模型，形成了一套连退机组全炉段跑偏与瓢曲定量预报技术，如图5所示。解决了工程上对连退炉内带钢跑偏与瓢曲趋势无法在线定量预测的难题。提出了连退过程带钢稳定通板综合控制指标，在保证带钢稳定通板的基础上，将炉内带钢板形变化加以约束，建立了以稳定通板为目标的全炉段张力优化模型，形成了一套跑偏与瓢曲预控制技术，张力优化计算流程图如图6所示。该技术的最大优点是可实现对跑偏与瓢曲缺陷的预控制，即当跑偏因子或瓢曲指数达到或超过其临界值时，则炉内张力就已进行干预控制，从而及时阻断了跑偏与瓢曲缺陷的发生。该技术在保证大宽厚比薄板带连退炉内稳定通板、避免断带事故上起到了关键作用。

另外，炉辊作为连退炉内与带钢直接接触的重要设备，其辊型的优劣直接影响到炉内带钢通板的稳定性与板形的变化。该创新点所研发的辊型曲线综合了双锥度辊与单锥度辊二者各自的优点，既考虑到连退机组的通板稳定性又考虑到单元内与单元外板形控制，开发了适合于连退机组的全炉段炉辊辊型曲线综合优化设定技术，为超薄高宽厚比板带连退过程通板稳定性提供了良好的条件。

4、大宽厚比高品质薄板带超薄镀层关键技术

超薄镀层控制技术的核心问题是如何控制镀层的均匀性和可防护性，该创新点基于热力学耦合思想，从酸洗工序结合电流密度和酸洗溶液组成耦合作用，在提高清洗效果的同时，有效控制基板表面峰密度和粗糙度值（如图7）。在电沉积工序，结合镀液中杂质离子沉积过程吉布斯自由能变，考虑镀槽镀液在阴极附近流场变化规律与控制，确定了提高镀液深度能力的关键参数，首次提出了“三个核心参数”耦合控制要素，实现了超薄镀层的质量控制。

基于选择性氧化和侵蚀热力学原理，开发出超薄镀层致密性评价技术，确定了耐蚀性量化指标。分析了表面氧化膜组成和结构，给出了表面覆膜结合力测试方法，开发出超薄镀层表面覆膜结合力的测试技术，从源头上控制了致使表面结构波动与覆膜铁脱膜的关键因素。给出了镀液不健康状态评价指标，开发出镀液寿命延长技术，有效促使杂质离子沉淀，实现了镀液离子净化与镀液循环使用。解释了无锡钢电镀液中氟离子、铬离子对阳极的协同腐蚀机制，首次提出了溶液中铬离子在阳极表面的吸附形式及转变结构。根据限制氧化膜破裂或者脱落的思路，利用高能微弧火花沉积技术，设计了高寿命阳极，使用寿命可达1.5-2年，起到了提高产品质量的作用。首次提出以镀锡工艺副产品锡泥为原料，基于掺杂改性和氧空位、缺陷浓度设计理念，开发了锡泥中微量合金元素协同、耦合调控技术。实现了锡基甲烷、甲醛、二氧化硫和氨气等气体传感器纳米敏感材料工艺技术突破。

上述虚拟板形仪及其全流程板形预报、在线显示与闭环控制系统、大宽厚比冷轧板带超薄轧制及润滑技术、大宽厚比高品质薄板带连退过程稳定通板控制技术、大宽厚比高品质薄板带超薄镀层关键技术等四项核心内容构成了一套完整的大宽厚比高品质薄板带高效生产及超薄镀层关键技术。

四、应用情况与效果

该成果已被推广应用到宝山钢铁股份有限公司、山东冠洲股份有限公司、江苏九天光电科技有限公司等钢铁企业32条生产线，生产出了以高等级电池钢、食品包装容器用钢、高端家电板等为代表的超薄高宽厚比高品质板带（代表性产品如图8所示。），相关产品最薄可轧到0.1mm、最大宽厚比达7500、板形质量控制在2-4I、表面质量缺陷控制在0.3%以内、镀层孔隙率小于1.0mg/dm2并实现了镀液循环使用，替代了竞争对手国外先进钢厂的同类产品，并出口美国Ardagh、欧洲Silgan， Crown以及泰国Swan,Lohakij等国家和地区，近三年共生产超薄高宽厚比高品质板带1311.3万吨、实现出口767.8万吨，创直接经济效益143.06亿元。

该成果共被授权发明专利75项（57项实现技术转化），软件著作权145项；出版专著2部、编著1部、教材1部，发表学术论文143篇（SCI、EI检索44篇）；经专家鉴定，该项成果总体达到国际先进水平，其中二次冷轧与润滑工艺综合控制技术达到国际领先水平。

信息来源:燕山大学国家冷轧板带装备及工艺工程技术研究中心

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