薄带材冷轧过程具有控制参数多、响应时间短及精度要求高的特点，其质量控制水平代表着一个国家钢铁工业的技术水平，可谓是钢铁技术领域的“皇冠”。对于冷轧板形控制而言，其控制过程存在多变量、时变性、大滞后及非线性等特点，全球仅有几个国家掌握相关技术，可谓是“皇冠上的明珠”。随着国民经济的快速发展，汽车、家用电器、电子和航空航天等行业对冷轧带材产生了巨大的需求，同时也对其板形质量提出了更高的要求，如何进一步提高冷轧带材的板形控制精度，是从事冷轧领域技术研究人员需要面对的重要课题。 针对板形控制模型与轧制过程的失配问题，研究将仿真建模、机理建模、知识工程推理与过程数据进行融合建模的理论与方法。通过研究串联结构形式的板形混合建模方法，提高板形控制模型对轧制过程的适应能力，并建立相适应的板形前馈与反馈控制系统间的协调优化控制策略。通过本项目的实施，可为冷连轧过程板形控制精度和稳定性的提高带来新的思路，对于其它复杂工业优化控制过程具有一定的理论参考意义。

轿车作为家庭的高端消费品，鉴于对轿车外观日益严苛的要求，汽车外板成为表面质量要求最高的钢铁产品。在汽车外板的炼钢连铸、热轧、冷轧和热镀锌等各生产工序中都可能产生表面缺陷，其中炼钢连铸工序中产生的表面缺陷（炼钢缺陷）占比达到 70%左，由于其产生机理复杂，又与其他缺陷相互交织，造成其判定、识别和改进非常困难。因此汽车外板表面炼钢缺陷控制近年来成为各大钢铁公司炼钢连铸技术领域最重要的研发课题。 上海大学联合宝钢、首钢京唐、首钢迁钢、鞍钢等数家在汽车外板制造技术国内领先的钢铁公司，2010 以来围绕该技术持续研究，取得显著成效。

复相钢通常包含两类产品，其中冷轧复相钢主要用来制造对刚度、强度、耐撞性等要求极高的门槛、保险杠、座椅滑轨等安全结构件，热轧复相钢主要用来制造对成形及疲劳要求更高的控制臂、纵臂等底盘核心承重部件。近年来，国内钢铁企业借助于热轧产品升级及冷轧高强产线能力提升，积累了一定的复相钢生产开发经验，但国内外复相钢还存在一些难题尚未有效解决，主要包括： 1、传统热轧复相钢采用微合金成分体系设计，通过卷取温度控制相变，从而获得铁素体+贝氏体+残余奥氏体等复相组织。但是扩孔率与伸长率具有负相关性，同时满足高扩孔性（≥40%）、高拉延性（≥12%）要求存在技术矛盾，如国际知名高端品牌某复杂成形零部件时因伸长率低和扩孔性能不足造成的冲压开裂率高达4%。且在传统控制冷却思路下，相同终轧/卷取温度而不同冷却路径时组织差异较大，导致扩孔率及伸长率波动大。 2、传统冷轧复相钢采用“高碳成分+高温退火”获得少量铁素体+贝氏体+马氏体+少量残余奥复相组织。但高温加热及快速冷却容易造成温度不稳定，从而造成材料性能的波动。且高碳复相钢存在带状组织，对折弯要求较高的零件适用性一般，如某国际知名一级配套商用进口材加工某零件时折弯开裂率高达8%，难以满足门槛、滑轨等零件高折弯性能的成形需求。 3、超高强复相钢冷轧生产时变形抗力起点值高，极限厚宽规格轧制负荷极大，导致带钢板形问题突出。如国外某先进钢企极限厚宽规格热镀锌复相钢仅可实现平直度5mm/2000mm，因板形不良导致最终零件空间尺寸合格率仅有90%，严重影响了门槛等零件的装配精度及碰撞安全。 4、超高强度复相钢零件生产过程中翻边、扩孔等涉及边部成形工序较多，极易引发冲压边裂质量问题。因边部裂纹敏感性和零件冲压边裂的预测技术还不完善，缺乏边部裂纹敏感性评价体系及相应的材料解决方案，典型零件冲压边部开裂率达到5%。目前国际上往往被迫采用改良模具或采用激光切割的方式解决此类问题，加工成本显著提高。 首钢通过扩孔/拉延协同控制和材料局部成形的机理创新，提出组织调控新思路，实现复相钢综合力学性能提升；通过轧制工艺、退火工艺、板形控制工艺等创新，实现复相钢性能稳定性、极限规格产品板形质量的提升，在上述机理创新和工艺创新的基础上，最终实现高性能复相钢的稳定生产。

本项目对已实现综合利用的固废品类进行了分析，重点针对冷轧硅钢产生的含铬废液、废乳化液、冶炼工序烟气净化产生的半干法脱硫灰、全厂废包装物等固废、危废。具体如下： （1）硅钢Cr6+废液自动还原难度大，Cr3+废液厂内全量稳定固化难度大。 （2）废乳化液有一定的杂质、流动性较差，属于低热值难燃油种；含油废液来源多、有一定的杂质、膏状废油脂降粘困难，处理难度较大。 （3）脱硫灰中CaSO3含量高、杂质品种多，脱硫灰返其他湿法脱硫系统利用存在杂质元素影响脱硫效率、利用过程引起吸收塔起泡等风险。 （4）废包装物返转炉利用存在爆响、钢水中硫超标等风险，同时利用过程可能影响烟气达标排放，存在安全、环保和质量风险。 （5）固废厂内协同处理量增加后，厂内固废的中转、仓储、加工、再利用等环节变多，特别是根据国家新固废法，危废从产生到利用的全过程要进行详细记录和精细管控，如计量偏差大于等于三吨，会有刑法违法风险，技术监管难度增大。 针对以上难题，宝钢湛江钢铁有限公司、宝山钢铁股份有限公司、宝武集团环境资源科技有限公司进行了联合攻关。本项目的主要思路是先对已实现综合利用的固废品类的利用情况进行分析；对于尚未实现稳定综合利用的固废品类，充分利用厂内冶金炉窑开展协同利用的技术研发，在不影响产品质量、不新增安全隐患、不发生二次污染的情况下，发挥已配套环保设施的功能状态和治理效果，对工业试验过程开展针对性的环境监测和评估。

本项目属金属材料技术领域，来源于河钢集团自主研发项目，包括彩涂钢板、冷基锌铝镁镀层钢板及热基无锌花超厚镀层钢板产品的研究开发与制造技术及产业化应用。该系列产品因具有良好的耐腐蚀性和绿色、低碳与环保的共性，与传统热轧或冷轧裸板相比，存在着国外专利壁垒、涂镀层附着力、基板表面海绵体结构形成、耐腐蚀性能机理等深入研究和亟需解决的难题，针对存在的难题采取实验室研究与工业化生产制造及推广应用相结合的路线与措施开展了研究与开发工作，取得了以下重大科技创新： 1. 系统研究了家用电器用彩涂钢板与薄膜复合匹配技术，形成了一整套彩涂覆膜家电用产品稳定生产体系。采用钢板清洁度控制技术、无铬钝化技术、UV涂层附着力失效模拟检测方法以及彩板弯曲起棱失效预判控制方法，探寻出了附着力评价时间的工业化临界值，解决了覆膜钢板加工过程层间附着力失效、UV涂层脱落及弯曲起楞的行业技术难题。 2. 攻克了家用电器钢板凹版印制技术，通过防腐性提升技术、鲜映性提升技术、微晶触感实现技术及抗菌功能研发，实现了印刷彩板在外观（高鲜映性）、功能（高防腐性、抗菌功能）及触觉体验（微晶触感）等全方位的技术升级。同时攻克了钢板数码喷绘技术，实现了高颜值和立体纹理兼具的高端定制化彩板方案在家电行业的首发。 3.首创具有自主知识产权的低铝系稀土锌铝镁产品成分设计生产控制技术。将0.02~ 0.05%稀土创新性地添加到低铝系锌铝镁产品中，增加了镀液的流动性，细化镀层结晶组织，增加产品的耐蚀性，解决了稀土元素镀液成分均匀性分布难点，形成一整套厚镀层低铝系稀土锌铝镁高表面生产控制技术，连续5次国内首发极限厚镀层310g/m2、350g/m2、430g/m2、450g/m2和0.30~0.35mm薄规格180 g/m2产品。 4. 开发了热基无锌花超厚镀层产品生产控制技术。从成分设计、酸洗表面质量提升、基板粗糙度均匀化、海绵体形成以及锌液成分、气刀参数、张力匹配等方面进行研究，实现了600-900g/m2双面无锌花超厚镀层，解决了无锌花超厚锌层的附着性能差、边厚浪形、斜疤、斜纹等技术难题，900g/m2超厚锌层产品填补了国内空白。

取向硅钢被誉为钢铁中的“工艺品”，其制造技术和产品质量反映了一个国家特殊钢的生产技术水平。传统取向硅钢工业生产中钢板经过H2-N2-H2O气氛中连续脱碳退火将基体中碳脱到0.003%以下，并在钢带表面形成合适氧化层，然后表面涂布MgO隔离剂，在高温退火过程中MgO与钢板表面氧化层发生固态扩散反应2MgO+SiO2→Mg2SiO4，形成Mg2SiO4玻璃膜底层。硅酸镁底层硬度高，导致传统取向硅钢的加工性能差，不管是规模化的轧制还是冲制，对工装和工具都消耗极大，严重影响了加工效率，增加了制造成本，且底层与基体的粗糙界面对磁畴移动具有阻碍作用，不利于铁损降低。 研发无硅酸镁底层取向硅钢，可有效解决取向硅钢加工性能差的行业难题，无底层取向硅钢能直接用于轧制极薄规格取向硅钢（厚度≤0.12mm）。极薄规格取向硅钢是将传统的晶粒取向硅钢经过冷轧和退火而获得，主要用作高频变压器、大功率磁放大器、脉冲变压器、脉冲发电机、通讯的轭流圈、电感、储存和记忆元件，以及在振动和辐射条件下工作的变压器，在频率为400Hz～1000Hz范围显示出极低的铁损，被视为较高频率用的变压器铁芯材料，当前国内高端极薄取向硅钢带材仍以进口为主。采用无底层取向硅钢成品制作极薄规格取向硅钢减少去除硅酸镁底层工序，大大降低生产成本，提高生产效率。

中厚板钢板是钢铁工业的重要产品之一，主要用于航空航天、桥梁建造、汽车制造以及国防装备等领域。在轧制过程中，与冷轧薄板相比，中厚板需要采用热轧工艺，轧制温度更高、环境也更加恶劣，国内外尚无成功的热轧钢板表面在线无损检测的成功案例，其主要原因是面临以下难题： 1、热轧环境下钢板表面容易产生雾化效果，并且光线传播容易变形，利用摄像头进行采集的时候容易发生光线偏移，造成图像变形或者影响图像的整体质量，增加图像中的噪声。 2、受环境、光照、生产工艺和噪声等多重因素影响，检测系统的信噪比一般较低，微弱信号难以检出或不能与噪声有效区分。如何构建稳定、可靠、精准的检测系统，以适应光照变化、噪声以及其他外界不良环境的干扰，是要解决的问题之一。 3、由于检测对象多样、表面缺陷种类繁多、形态多样、背景复杂，对于众多缺陷类型产生的机理以及其外在表现形式之间的关系尚不明确，致使对缺陷的描述不充分，缺陷的特征提取有效性不高，缺陷目标分割困难；同时，很难找到“标准”图像作为参照，这给缺陷的检测和分类带来困难，造成识别率尚有待提高。 4、从机器视觉表面检测的准确性方面来看，尽管一系列优秀的算法不断出现，但在实际应用中准确率仍然与满足实际应用的需求尚有一定差距，如何解决准确识别与模糊特征之间、实时性与准确性之间的矛盾仍然是目前的难点。

复相钢由于具有优异的折弯扩孔性能、疲劳耐久性能、碰撞吸能性能，应用于汽车关键零部件，对提升整车安全性能具有不可替代的作用。复相钢通常包含两类产品，其中冷轧复相钢主要用来制造对碰撞要求极高的门槛、座椅滑轨等车身安全结构件，热轧复相钢主要用来制造对成形及疲劳要求更高的底盘核心部件。受制于产线装备能力及产品高质量要求，项目之初我国复相钢产品及相关标准仍是空白，以北京奔驰为代表的汽车用户长期依赖于进口蒂森、阿赛洛、神户等国外钢企产品。近年来，国内宝钢借助于热轧产品升级及冷轧高强产线能力提升，积累了一定的复相钢生产开发经验，但国内外复相钢还存在一些难题尚未有效解决，如：热轧复相钢扩孔率波动大（30-80%）、成形能力不足导致开裂率高达4%，冷轧复相钢性能合格率仅有80%、折弯性能不良导致开裂率高达8%、边部开裂率达到5%、板形不良导致零件空间尺寸合格率仅有90%等。为此，首钢联合北京科技大学、北京奔驰等单位，历时多年，开发了780-1180MPa级别高性能复相钢系列产品，解决了复相钢生产应用共性难题，实现了技术引领，主要创新如下： （1）揭示了复相钢局部成形性能的影响机理，提出了基于微细颗粒残余奥氏体和纳米析出强化铁素体的组织调控新思路，开发了热轧控制中间层冷温度及冷轧低温退火的复相钢生产新技术，实现热轧800MPa复相钢扩孔率≥55%且伸长率≥12%，冷轧1000MPa复相钢180°弯曲半径达到0t。 （2）形成了极限规格冷轧复相钢“热轧-层冷过程凸度/平直度协同控制+大轧制力冷轧板形调控域优化”的全流程板形控制技术，解决了复相钢高轧制负荷下的板形难题，实现了平直度≤2mm/2000mm，制作零件空间尺寸合格率提升至96%以上。 （3）发明了基于材料的边部裂纹敏感性评价方法及基于零件成形方式的等效极限预测方法，揭示了材料物理特性对边部裂纹的影响规律，实现了材料与零件相结合的事前预测，复相钢冷成形边部开裂率降低至0.2%以下。 该成果获授权专利22项，其中发明专利14项，主持及参与编写国家标准5项。近三年产量累计近14.27万吨，实现净利润1.23亿元。高性能复相钢产品在奔驰、宝马、北汽、长城等用户广泛应用，镀锌复相钢市场占有率超过50%，奔驰国内供应商独家供货。本项目开发复相钢为汽车行业高端材料国产化做出了突出贡献，推广应用前景广阔。

板形检测与控制是带钢冷轧机的核心关键技术，是我国钢铁工业智能化急需解决的重大技术难题。为打破国外垄断，消除“卡脖子”隐患，在国家科技支撑计划支持下，该项目历时10余年，自主创新研制了整辊无线式板形仪和智能板形控制系统，并成功进行了一系列工业应用。 第一项创新：提出板形检测信号解耦机理模型，研制整辊无线智能型板形仪，实现高精度检测。在建立通道耦合与信号解耦机理模型的基础上，研制整辊无缝密排传感器板形检测辊，提高辊面质量，实现同步精确测量。采用无线数字通讯技术，研制无线式板形信号传输装置，提高稳定性、可靠性和使用寿命。建立误差补偿模型，研制板形信号计算机处理系统，实现智能精准检测。 第二项创新：提出板形分量控制方案和动态解耦控制模型，研制多手段协同板形控制系统，实现高精度控制。根据相对增益理论，将复杂的板形控制系统分解为对称板形分量、非对称板形分量、局部板形分量等3个独立的控制子系统，简化控制器设计。根据解耦控制理论，分别建立3个分量系统动态解耦控制模型，研制倾斜轧辊、非对称弯辊、对称弯辊、横移轧辊、分段冷却等多手段协同的板形控制系统，提高控制性能。 第三项创新：提出板形控制机理智能协同建模方法，研制智能板形控制系统，实现高精度控制。根据轧辊带钢变形机理和轧制过程实测数据，分别建立机理模型控制方案和智能模型控制方案，然后加权结合，制定精确的控制方案。为补偿板形检测大滞后，研发机理智能板形预测控制技术，提高控制精度。 该项目获授权发明专利20项、计算机软件著作权10项，主持制定国家标准2项，发表论文65篇。该项目板形检测分辨力0.2I，板形控制精度4-6I，闭环控制周期100ms，3项技术指标好于国外先进水平（0.5I，8-10I，200ms）。技术装备价格是国外的30%，每套节约投资1000万元。提升了我国冷轧带钢板形测控技术的国际竞争力。 该项目整体技术已应用于鞍钢1780mm五机架冷连轧机和马钢1720mm、河钢1550mm等12套带钢（材）冷轧机，节省投资1.2亿元，近3年新增销售额119亿元，新增利润11.3亿元。带钢（材）板形从普通精度提升到高级精度，用于红旗奔驰奥迪和格力海尔、华为手机和5G设备等高级汽车家电、电工电子板，顶替进口，出口美欧日韩。提升了我国冷轧带钢质量和轧机装备智能化的国际竞争力。

目前，国际流行的冷轧带钢板形测控系统存在的主要问题是：（1）板形仪辊面质量和检测精度不够高。分段压磁式板形仪辊面有缝，可能会压伤和划伤带钢表面。整辊压电式板形仪的传感器分散螺旋布置，不能对横向板形实现同步测量。（2）碳刷滑环式板形信号传输装置，易受摩擦磨损振动和电磁温度等干扰，运行维护困难。（3）整辊式板形仪存在通道耦合问题，影响检测精度。（4）板形分析计算和控制器设计模型都是静态的，不能实现动态预报和解耦。（5）板形控制建模的智能程度和计算精度低，影响控制系统性能。 为打破国外垄断，实现用自主国产板形测控系统装备带钢冷轧机，生产高级冷轧带钢，在国家科技支撑计划、863计划、国家自然科学基金和校企合作的支持下，燕山大学国家冷轧板带装备及工艺工程技术研究中心刘宏民教授团队针对上述科技问题，历时10余年自主创新研制了整辊无线式板形仪和智能板形控制系统，并成功应用于鞍钢1780 mm五机架冷连轧机和马钢1720、河钢1550等12套钢带、铜带、铝带冷轧机组，替代进口，实现了大型带钢冷连轧机板形测控系统的首台套国产化和冷带轧机板形测控系统的规模化应用。