一、研究的背景与问题
宽厚板是国家重大工程、高端装备与战略产业安全的“基石”材料，广泛用于10万吨级以上大型船舶、大口径油气管线、重型武器装甲、超大型桥梁、海洋平台、核电安全壳等关乎国计民生与国防安全的重点领域。随着我国制造业向高端化、绿色化持续转型，宽厚板的需求量与日俱增，极限宽幅规格持续突破。
例如，在海洋船舶领域，我国已占据全球69%的市场份额，年增长率达3%。随着造船业向大型化、集约化发展，船体尺度不断刷新，超大型油轮（VLCC）主尺度已突破300m×60m。这一趋势直接驱动了宽幅钢板需求的激增，未来建造超大船型所需的钢板规格正朝着极限宽幅方向加速迈进。在油气管线领域，我国油气管网建设已进入高速发展期，累计敷设里程成功突破20万公里。为响应国家“双碳”战略及跨区域能源调配需求，管道输送正向大输量、高压力等级跃升，未来管径需求将超64inch，板宽需求将达到5300mm以上。
宽厚板轧机是产线轧制成形的核心装备，其极限制造能力是衡量一个国家钢铁工业综合实力与高端制造水平的关键标志，是现代化产业体系建设的重要基石。截止2022年底，国内中厚板轧机总计76套，其中5000mm级以上轧机全部国外引进，面临技术封锁风险，进而制约了我国高端装备的自主可控。全球最大轧机规格止步于5500mm，难以覆盖高端市场对5300mm以上板宽产品的需求，超大规格轧机技术突破已成行业刚需。该领域处于核心技术无人区，无成熟经验可循，统筹考虑首台套设计风险与装备极限制造难题，本项目将5600mm宽厚板轧机作为核心攻关方向开展原始创新，主要解决面临的设计-装备-制造三方面难题。
1、设计体系空白与极限刚度挑战：5600mm轧机开发属全球首例，缺乏设计规范与工艺支撑，以往经验设计难以满足极限规格与柔性生产；产品宽度已突破5300mm规格极限，缺乏先例；轧机高度近19m，整体刚度要大于9000kN/mm，设备变形需控制在毫米级别，对设计体系提出全新要求。
2、装备结构复杂与控制精度严苛：设备重量超5000t，大小零件上万；轧制力超10万kN，冲击负荷大；精度控制难以保障，对装备结构开发提出更高要求。
3、极限制造风险与高性能考验：大型牌坊和支承辊铸锻过程极易出现缺陷，热处理过程支承辊辊面硬度均匀性≤±2HS，锥面精度小于5um，百吨级铸锻件面临微米级精度极限挑战。
针对上述问题，项目团队通过技术调研、理论研究、关键技术开发及装备研制，创新开发全球首套5600mm宽厚板轧机成套技术及装备并实现工程应用。
二、解决问题的思路与技术方案
针对超宽厚板及高端钢种对工艺和装备提出的极限要求，以工艺研究为核心，系统开展轧制工艺创新与设备参数协同优化，建立多目标参数匹配模型，实现工艺与设备选型的最优耦合。
针对传统轧机刚度计算离散化，创新开发刚度分析软件，实现刚度和经济性协同；针对大负荷轧机稳定性和扭振问题，开展FEA分析，创新结构；针对牌坊磨损问题，首创超前预保护技术；针对AGC和弯辊问题，创新提出近接伺服阀、首创多通道短行程AGC和多重导向弯辊技术；提出一机多能的换辊结构。
针对超大和超重牌坊和支承辊制造难题，创新开发成套极限制造技术。
本项目研究方案和技术路线如下：
三、主要创新性成果
1、针对厚板轧机规格极限的挑战，创新开发了轧制多目标参数匹配工艺计算模型，提出了满足产品柔性化轧制的“高刚度-抗倾翻-超前预保护”设计理念，形成了全球首套5600mm超宽厚板轧机高性能超稳定性设计方法，填补国内外设计空白，最大轧制力120000kN，整体刚度9500kN/mm，首次实现了5350mm宽度钢板轧制，创全球之最。
（1）针对传统策略难以应对极限规格及多品种生产问题，开发“压力—力矩—功率—产能”多目标参数匹配轧制工艺模型，首次确立全球最大5373kNm轧制力矩和12万kN轧制力设备能力。
（2）轧机刚度设计是保障厚板产品精度的关键因素，创新提出耦合弯矩-剪切效应的刚度算法，得到牌坊、辊系、压下装置等系统刚度的最优解，将设备刚度提高到9500kN/mm。
（3）轧制过程冲击频繁，可能引发设备失稳及螺栓断裂等隐患，创新提出“高挂式”支撑结构设计理念，首创“小力臂抗倾翻”设计方法，工作扭矩比5500mm轧机提高12.49%，倾翻力矩反而减小20.63%。
（4）针对工作环境恶劣，冲击剧烈，牌坊腐蚀磨损严重的问题，首创超前预保护设计理念，在工作面形成有效主动保护层，达到“双零级”精度，较传统方法提高1个数量级。
2、创新开发新型大轧制力机架整体结构，构建大轧制力矩主传动系统，研制高精度板形与板厚控制等关键装置，集成主传动过盈配合与液压安全保护、智能润滑与在线检测技术，机架应力峰值降低15%，主传动力矩提高12.49%，AGC响应时间31ms，首次实现全球首套5600mm超宽厚板轧机国产化装备的自主设计、自主成套，保证了我国冶金高端装备的自主可控。
（1）针对轧制负荷大，关键零部件应力峰值大的问题，创新开发大尺寸内凹平接单斜双圆弧牌坊结构，研制复合耐磨辊系，开发12万kN超大轧制力轧机，辊系密封工作面寿命延长2～3倍。
（2）针对传动系统扭振问题，研制工作辊大直径低应力环槽结构，集成主传动过盈配合与液压安全保护，确保大扭矩传动链的安全稳定运行，单轴扭矩达5373kN·m，世界最大。
（3）为解决板厚精度低、板形控制装置稳定性差的问题，首创多通道大流量AGC系统，阶跃响应31毫秒。首创T-Block多重导向强力弯辊，在机时间延长2～3倍。
（4）针对现有轧机主传动和干油润滑系统缺乏智能管控手段的问题，创新应用基于全生命周期管理的数字化智能运维系统，实现传动系统模型智能化，油耗降低30%～40%。
3、首次开发出全球最大牌坊和支承辊铸锻工艺，研制出“数字模拟+托顶复合”精密磨削方法，实现5600mm超宽厚板轧机极限制造，牌坊净重430t，加工面及同相位精度＜0.05mm，支承辊259t，辊面及锥面精度＜0.01mm，达到微米级精度。
（1）针对牌坊外形尺寸与单体重量双双突破极限，结构极度复杂且同相位精度要求苛刻的制造难题，开发“双层堵截式+多冒口+多包合浇”铸造工艺，首次挑战并成功驾驭865t超大钢水量浇铸，解决了超大吨位钢水浇铸疏松、缩孔问题。同时，创新牌坊压下孔便携式高精度镗孔加工工艺，攻克牌坊大直径超深压下孔内凹平接单斜双圆弧复杂结构的加工难题。最终成功制造高16.32m、重430t的世界最大整体式牌坊，并将两片牌坊同相位偏差控制在0.05mm以内，树立了超重型构件精密制造的行业标杆。
（2）针对全球最大规格支承辊（单重259t，总长11626mm，辊面尺寸Φ2400×5450mm）存在的锻透压实难、热处理开裂风险高及严重超出常规机床加工极限等挑战，开发出“反偏析成分调控+主变形定向锻造”技术，大幅减少钢锭内部气孔、缩松等缺陷，显著降低成分偏析对锻件性能的不利影响，支承辊的抗拉强度、冲击韧性等关键指标大幅提升；创新采用“动态柔性密封、在线温控和气水分级淬火”热处理工艺，构建覆盖“加热-保温-淬火”全流程的热处理精准调控体系，通过对辊身温度场实时监测与动态调整，有效保障特大型支承辊硬度及均匀性；首创“数字模拟+托顶复合”加工方法，实现对油膜轴承锥面的精准捕获与动态调控，突破大型支承辊高精度磨削的瓶颈。最终成功研制出全球最大规格支承辊，其晶粒度达7级以上，辊面硬度偏差≤±2HSD，关键锥面公差<5μm，综合性能指标全面优于行业现有先进水平。
项目开发的轧机规格5600mm，最大轧制力120000kN（设计值达131000kN），最大轧制力矩达2ｘ5373kNm，其整体刚度达9500kN/mm，规格超宽、性能超强、稳定性和精度超高，总体处于国际领先水平。与5500mm轧机相比，在宽度仅增加1.89%的前提下，轧制力矩大幅度增加12.49%，倾翻力矩反而降低20.63%，核心指标显著提升。
项目共申请专利45项，授权31项，围绕超宽厚板轧机核心技术进行专利布局，形成全面技术保护。经权威专家评价，成果整体达到国际领先水平。本项目轧机入选“世界钢铁工业十大技术要闻”，亮相央视《新闻联播》栏目，被誉为“世界轧机之王”，生产的厚板产品已取得美国、英国、法国、韩国等多家船级社认证。
四、应用情况与效果
项目研发的5600mm宽厚板轧机于2024年10月31日在周口钢铁顺利投产，设备总体运行稳定，产品质量优异，3个月内即成功轧制出世界最宽的5350mm产品。产品广泛应用于船舶、能源、建筑等多个领域，如深圳太子湾APEC“中国年”地标建筑，大唐新疆风电项目等，并推广到一带一路阿布扎比油气管线、印尼西加里曼丹氧化铝、尼泊尔水电等海外项目。目前通过设备供货和产线生产，共创造产值46.08亿元，直接经济效益显著。
项目以原创性、引领性成果，摘下厚板装备皇冠上的明珠，填补了行业空白；打破国外技术垄断，保障冶金高端装备完全自主可控，筑牢现代化产业体系建设的基石；推动全球宽厚板轧机进入5600mm新时代，重塑发展新格局。
信息来源：中冶京诚工程技术有限公司
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