一、研究的背景与问题

在汽车行业节能减排的背景下，随着以中保研为首的采用64公里时速进行25%小角度的碰撞测试对车辆安全性要求的提高，以及工信部对乘用车燃料消耗量限值的降低，汽车用钢需要同时具备高强度、高韧性、轻量化的优点。高强度钢板因为具有高减重潜力、高疲劳强度等优点，是目前最为经济有效的可同时兼顾减重与安全性的解决方案。2021年国内780MPa级别以上超高强钢用量达到140万吨，预计2030年将达到250万吨以上，且根据车身及座椅用钢发展规划，980MPa及以上级别将超过70%。随着汽车用超高强钢向着更高强度、更大宽厚比、更高尺寸精度要求发展，超高强冷连轧过程的瓶颈问题日益凸显，具体如下：

1、980MPa及以上级别超高强钢热轧原料屈服强度超过800MPa，冷轧加工硬化率超过70%，普遍接近或超过传统冷连轧机设计极限。特别是随着大尺寸车型提出的宽度1400mm以上、厚度0.8mm以下的极限规格产品，传统的五机架冷连轧工艺无法实现上述产品轧制。

2、980MPa及以上超高强钢接近甚至超过焊机极限，焊缝韧性差、断带率超过20%。极限轧制负荷下，轧机振动、跑偏等恶性生产事故频发，轧制速度极低，平均速度仅200m/min，小时产量不足150t/h，生产效率仅相当于普通冷轧带钢的40%。

3、在现有工艺下，合金化超高强钢在热轧卷取和卷取后冷却过程中冷却路径不同，导致热轧钢卷纵向、横向均存在马氏体含量不均匀现象，由此造成热轧原料在纵向存在100～400MPa、横向存在60～200MPa的性能波动。传统的厚度、板形控制系统针对性能波动的调控能力极其有限，加之超高强钢轧制负荷极高，导致带钢厚度振荡的幅度通常在±40～100μmm左右，板形最高值30IU以上。产品合格率和成材率远低于常规产品。

图1 2030年乘用车减重目标及不同年份的乘用车超高强钢的用量

本项目从超高强钢冷连轧高效稳定轧制、1180MPa级超高强钢生产能力拓展关键技术、超高强钢板形-板厚高精度控制技术等方面实现超高强钢高精度轧制以及稳定高效生产。

二、解决问题的思路与技术方案

1、针对超高强钢冷连轧生产过程影响机组稳定运行的焊接断带、轧制振动、机组效率等一系列问题，通过物相分析揭示焊缝断带机理，利用数值仿真虚拟现实技术研究轧机振动原因及影响因素，借助虚拟现实技术研究酸连轧速度匹配关系。并在上述基础上开发相应的控制技术。

2、针对980MPa以上超高强钢轧制负荷超过轧机设计能力问题，通过研究超高强钢特性与机组设备能力相互作用关系、超高强钢轧制油润滑及冷却机理，开发一整套适合于980MPa以上超高强钢的全压下轧制技术、负荷分配模型、轧制润滑工艺，突破五机架冷连轧机组能力瓶颈。

3、分析热轧原料性能波动对带钢厚度、板形的影响，利用数值仿真技术，开发全机架秒流量厚度控制系统、超高强钢的性能-厚度综合预控系统及变承载辊缝形状-变刚度中间辊为核心的板形柔性控制技术，解决超高强钢板形板厚控制精度的行业技术难题。

图2 项目研发及应用的技术路线

1、研发了超高强钢冷连轧高效稳定轧制技术

揭示了焊接冷却过程熔合线微裂纹诱发焊缝开裂机制，仿真分析并优化剪切工艺影响，自主设计开发全焊缝同步后退火设备与工艺。发现了高强钢轧制自激振动与扭-垂耦合振动的双重振动模式，提出以临界速度为优化目标的振动抑制技术，开发了降低由扭转振动激发第4阶特征频率垂直振动辊缝动态抑振系统。研发了基于最优套量的酸连轧速度最佳设定模型及系统、串列式冷连轧机高效生产技术，非稳态轧制柔性控制技术，实现了超高强效率提升和稳定性生产，机组年产量达292万吨，产能效率指标居国内外酸轧机组第一位。

图3 DP980剪切状态的有限元分析

图4 轧机振动有限元仿真与初始辊缝扰动的振动频谱

2、打破了传统冷连轧轧制模式，首创了超高强钢冷轧过程全压下控制策略、数学模型及控制系统。

针对1180MPa及以上强度级别超高强钢以及宽度大于1400mm的极限规格980MPa级别超高强钢，1-4#机架轧制力、轧制功率均超过设备极限问题，提高了五机架冷连轧机的轧制能力，拓展了超高强钢轧制强度级别与规格。协同机组能力、轧制特性、质量要求，提出了超高强钢多目标并行负荷分配技术，实现了超高强钢高效高品质轧制。研究了乳化液热力学与润滑界面力学耦合作用行为，提出了以平衡乳化液冷却和润滑为目标的超高强钢润滑工艺技术，满足全压下高速、高负荷轧制需求。

图5 超高强钢全压下有限元模拟与多目标并行负荷分配系统

图6 工作辊粗糙度对润滑行为的影响

3、自主研发了超高强钢形状尺寸高精度控制技术。

研究了超高强钢厚度波动机制与影响，提出了全机架性能预报与补偿的厚度-秒流量多变量协调最优控制模型及预估控制策略，针对热轧来料性能波动剧烈问题，通过检测轧制力变化预判性能变化引起厚差及监控带钢秒流量变化，开发了基于各机架性能波动预报与全机架秒流量控制技术，厚度控制精度±1%之内的比例达98.77%。

图7 带有全机架性能预控的秒流量AGC系统结构

图8 改善前后超高强钢厚度控制情况

分析揭示了超高强钢轧制特性对承载辊缝形状柔性和刚性控制的双重需求，研发了承载辊缝形状与接触线长度双可变辊形-板形控制技术。通过高次辊形窜辊，在改变承载辊缝形状的同时改变接触线长度，轧机板形调节能力显著提高，凸度调节范围增大30%以上，全年超高强钢板形降级量为0。

图9 原始辊形和新辊形承载辊缝凸度调节域对比

图10 原始辊形和新辊形的板形控制效果对比

三、主要创新性成果

1、研发了超高强钢冷连轧高效稳定轧制技术。揭示了焊接结束冷却过快导致熔合线部位的微裂纹诱发焊缝断带的产生机理，剪切断面质量和冷却路径是重要影响，数值模拟结合试验研究，开发了焊接剪切工艺及控制模型，自主设计了焊接后退火装备及工艺，解决了超高强钢冷连轧过程焊接不稳定、极易断带的难题。

研发了冷连轧机垂振-扭振仿真分析系统，以避免自激振动为原则，以临界速度为优化目标，提出了以超高强钢轧制负荷分配、动态润滑控制、辊径配置为核心的振荡抑制技术与相关模型，开发了辊缝动态抑振模型与系统，降低了由轧机扭转振动激发的第4阶特征频率垂直振动对超高强钢生产的影响。研发了基于最优套量的酸连轧速度最佳设定模型及系统、串列式冷连轧机高效生产技术及非稳态轧制柔性控制技术，实现了超高强效率提升和稳定性生产，带动了机组整体产能的发挥与放大。机组年产量达292万吨，较原世界最高产能纪录提升9.7%，产能效率指标居国内外酸轧机组第一位。

2、打破了传统冷连轧轧制模式，首创了超高强钢冷轧过程全压下控制策略、数学模型及控制系统。提高了五机架冷连轧机的轧制能力，拓展了超高强钢轧制强度级别与规格。协同机组能力、轧制特性、质量要求，提出了超高强钢多目标并行负荷分配技术，实现了超高强钢高效高品质轧制。

研究了乳化液热力学与润滑界面力学耦合作用行为，提出了以平衡乳化液冷却和润滑为目标的超高强钢润滑工艺技术，满足全压下高速、高负荷轧制需求。超高强钢产品强度等级拓展到1180MPa级别，最大宽度扩展至1725 mm，最大宽厚比扩展至1940。

3、自主研发了超高强钢形状尺寸高精度控制技术。研究了超高强钢厚度波动机制与影响，提出了全机架性能预报与补偿的厚度-秒流量多变量协调最优控制模型及预估控制策略，解决了超高强钢性能波动带来的厚度剧烈波动问题。

揭示了超高强钢轧制特性对承载辊缝形状柔性和刚性控制的双重需求，研发了承载辊缝形状与接触线长度双可变辊形-板形控制技术。厚度控制精度±1%之内的比例达到98.77%，全年超高强钢板形降级量为0。

四、应用情况与效果

1、针对轧机生产效率和轧制稳定性问题，首钢京唐2230mm酸连轧机组年产量达到292万吨，超出设计产能72万吨。780MPa级别和980MPa级别超高强钢小时产量达310t/h和240t/h，产能效率指标居国内外酸轧机组第一位，较原世界产能最高记录提高9.7%，涉及高效稳定轧制方面的机组跑偏和断带次数低于国内外同类机组。

2、针对轧机极限规格扩展和超高强钢强度提升问题，2230酸连轧机组采用全压下轧制模式以后，实现了极限强度和极限规格超高强钢的制造能力突破。超高强钢生产能力拓展到1180MPa级别，最大宽厚比扩展至1940。2230冷连轧机DP1180级别宽厚比扩展至1350，CP980超高强钢的最大宽度达到1570mm，DP780超高强钢的最大宽度达到1725mm，980MPa级别1570×1.5mm复相钢实现全球首发，达到了连轧机生产超高强带钢最高水平。

图11 超高强钢的板形控制情况和成型后的零部件

3、针对超高强钢板形板厚高精度控制问题，超高强钢的厚度控制精度达到±3μm，板形精度达到5IU。微合金化DP780钢种冷轧板形不良长度和幅值大大减少，中浪幅值＞15IU的钢卷长度由优化前的40%以上降低至目前的3%以内。带头尾板形突变超过20IU的长度从150m降低至10m，双侧肋浪情况同比减少80%。超高强钢钢种无厚度振荡及板形突变问题。项目成果现场实施后，后处理线炉区通板稳定性显著提升，整体跑偏发生率降低82%，跑偏降速次数控制在5次/年。连退炉区连续46个月无跑偏停车，镀锌炉区连续57个月无跑偏停车。

项目近三年销售额达52.1亿元，直接经济效益2.9亿元。项目开发的车身结构用超高强钢产品供应华晨宝马、北京奔驰、上海大众、长城汽车、吉利汽车、比亚迪新能源、一汽红旗、蔚来汽车、理想汽车等50余家汽车制造主机和配套厂，产品满足目前宽大SUV车型对宽规格车身结构用超高强钢的需求，得到了国内外高端主流汽车用户的充分认可，连续多年蝉联华晨宝马、长城汽车、北汽第一大车身结构钢供应商，超高强钢类产品供给宝马5系、X5、X3等高端车型。

图12 项目开发的车身结构用超高强钢产品应用的企业

信息来源：首钢集团有限公司