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。

为了促进制造业高端钢铁材料升级迭代，引领我国制造行业“高性能、新材料”技术领域的巨大改革和突破，实现国产化超高强度钢产品替代进口，打破欧洲垄断地位，2017年1月至2021年12月，河钢邯钢与东北大学、终端客户以产学研用合作的方式，开展“板带材多功能高精度热处理核心关键技术的创新及应用”项目的研究实施：1）研发板带材冷却路径可控的控温淬火、约束淬火工艺，实现热处理可视化、交互性顺序及板区域位置坐标控制，温度精度±4.5℃，时间同步精度±0.01秒，达到国际同类设备领先水平。2）国际上首次实现“烧嘴明火+热风循环”强制对流循环混合回火加热技术，建成国内首套高精度热风循环式回火炉，在钢板上下表面形成对称的有序流场，强化传热效率、传热精度，实现大温度跨度回火热处理精度为±3℃，能耗排放降低15%，实现绿色生产、绿色制造。

通过对国内近百条热连轧生产线的过程控制模型精度和产品质量指标研究发现，造成非稳态过程难以控制的原因，既有板带材轧制本身的工艺因素，又受制于热连轧自身的控制特点，长期面临如下突出问题： （1）热连轧各机架存在着弹性变形和塑性变形的交叉耦合作用。热连轧各机架与带材直接接触并产生压下量时，轧机设备会发生弹性变形，轧件又会发生塑性变形，这种设备弹性状态和带钢压下产生的塑性状态耦合到一起，导致传统数学模型很难对其进行精准计算和表述，尤其在频繁换规格或换钢种状态下，一种弹塑性耦合状态下的模型未完自学习至最优状态，又会过渡到另外一种弹塑性状态，导致整个机组形成长时间的非稳态过渡过程。 (2)非稳态过程难以建立高精度的热轧数学模型。该过程具有不确定性、非线性等特点，存在润滑状态、设备工况等多种多样难以表述的变化，这些对薄带材轧制的影响远超过普通带材。而实际控制过程采用的单一常参数模型难以满足连续变化的要求，模型匹配性差，实际生产过程中轧制力、前滑等关键参数存在很大偏差。 (3)多工序间的过程控制参数波动的影响。热连轧生产过程装备由加热炉、定宽压力机、粗轧机组、精轧机组、控制冷却及卷取机组等多个区域组成，各个工序均具有非线性、快响应以及时变、不确定性、工艺控制模型复杂、过程变量维数高、规模大等特点，这就决定了各个工序的建模过程比一般的工业过程复杂得多。这种非稳态下的过程参数波动，均可对下游工序产生很大的影响，从而导致产品质量问题，如板形、尺寸精度以及工艺性能等。 针对热连轧制造领域内过程精准控制科学问题和相关技术瓶颈，2019年河钢集团有限公司、华为、东北大学在深圳举行联合组建“工业互联网赋能钢铁智能制造联合创新中心”签约挂牌仪式。三方成立的联创中心将作为钢铁行业工业互联网与智能制造产学研用平台，以钢铁全流程产线为基点，着力实现网络化、数字化、智能化的新钢铁，促进钢铁产业转型升级、高质量发展。 项目团队依托河钢邯钢公司邯宝2250mm热连轧生产线，基于现有自动化与信息化系统，深度融合数据驱动模型与机理模型，首次开发了热连轧过程动态数字孪生模型并建立了CPS控制系统平台，提高了轧制工艺对复杂多变工况的原位分析能力，改善了热连轧过程三维尺寸控制指标。

针对国内微合金化钢生产中存在的板带材表面质量缺陷，以及生产过程能耗高、成材率低、生产效率低的实际情况，钢铁研究总院在2015年9月首先与邯郸钢铁集团有限公司签订技术合作合同，共同开展宽厚板边直裂控制技术和微合金化钢红送裂纹控制技术的研究工作，并取得初步成效。 在此基础上，2017年7月由首钢集团有限公司联合邯郸钢铁集团有限公司、鞍钢股份有限公司、山西太钢不锈钢股份有限公司、新冶高科技集团公司等在微合金化钢生产中具有丰富实践经验和研究基础的单位，共同承担“十三五”国家重点研发计划中“钢铁流程铸-轧界面物质流与能量流协同优化及智能控制技术”课题的研究任务。以期在微合金化钢板带材生产关键技术方面取得突破，首先在国内建成集连铸坯表面无缺陷生产技术、边直裂控制技术、红送裂纹控制技术等为一体的大板坯连铸-轧钢界面高效化、绿色化关键技术集成应用示范生产线，并向钢铁企业进行工程化推广，使连铸坯真正成为物质流、能量流、信息流的载体，被直接输送到下一步轧制工序，彻底打通和捋顺铸-轧界面，为下工序高效率、绿色化、高质量生产奠定坚实的基础。

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。

彩色涂层板生产技术于上世纪80年代从国外引进到中国，已经伴随中国经济高速发展了三十多年，彩涂板用途已经渗透到建筑、家电、家居、交通、医疗器械等各个领域。传统彩涂板生产工艺是利用辊涂方法将溶剂涂料连续涂敷在金属带材表面，经加热固化形成彩色涂层。溶剂彩涂属于污染型生产工艺，溶剂涂料所含固体成分仅为55%，其余45%为有机溶剂，这些有机溶剂在涂料的制作合成、运输、储存、稀释搅拌、涂装、固化等过程中释放大量VOCs(Volatile organic Compounds,挥发性有机化合物)，对环境造成严重污染。据统计，目前全国有400多条溶剂彩涂生产线，每年共释放50多万吨VOCs有害气体，若通过焚烧炉焚烧处理这些有害气体则需要消耗天然气4亿多立方米，向大气排放20多万吨CO2。 粉末彩涂技术起始于法国，1962年法国工程师发现了利用正负电荷相吸的方法将带有高压静电的粉末牢固吸附在钢板表面。在随后的20年时间里，粉末静电喷涂技术发展比较缓慢，始终停留在单件吊挂喷涂、速度只有2～4米/分钟的低效率生产状态。上世纪70年代，德国、英国、美国、日本等国家相继推出了金属卷材粉末喷涂技术，将单件吊挂喷涂工艺提升为连续卷材喷涂，生产效率得到很大提升，但机组速度仍然较低，最高生产速度也仅在30米/分钟左右。 长期以来，国内粉末彩涂技术一直滞后于欧美，绝大部分粉末彩涂板生产仍停留在低效率的单件吊挂喷涂状态。2010年后国内新建的几条金属卷材粉末彩涂机组最高生产速度仅为10米/分钟，且只能进行单面喷涂。

本项目建立了一套完整的工艺控制理论，把轧制技术的关键理论控制技术在简化装备的条件下实现本土化，改变核心控制理论掌握在国外少数相关公司及专家手里的局面，填补国内板带热轧技术的理论和实践空白，在热连轧机组和中厚板机组，实现了用国产技术替代引进的技术，采用自主开发过程控制技术替代国外Siemens的技术、GeTMeic的技术、Tippins技术，为这些板带厂取得了巨大的直接经济效益，真正实现国内板带材轧制控制理论应用的突破，达到比国外引进技术更高、更好的控制水平。

项目属冶金科学连铸技术领域。项目为“十三五”国家重点研发计划“钢铁流程关键要素协同优化和集成应用”项目中的“钢铁流程铸-轧界面物质流与能量流协同优化及智能控制技术”课题的主要研究任务，以及企业间的横向技术合作。项目的研究时间为2015年9月-2021年12月。针对国内微合金化钢板带材生产中存在的能耗高、成材率低、生产效率低的实际情况，在实验室计算机仿真和模拟加热、轧制等实验研究的基础上，以邯钢、鞍钢、京唐、莱钢等大板坯连铸机-加热炉-轧机生产线为依托，重点开展了连铸坯表面无缺陷生产、边直裂控制和红送裂纹控制等关键工艺与装备技术的研发和工业生产验证工作。形成的关键技术成果与创新如下： （1）探明了边直裂的形成机理，创新性的提出：合理优化铸坯角部形状,可以提高铸坯温度的均匀性，同时有效改善铸坯轧制过程中的角部受力和变形状态，达到消除和避免轧制过程边直裂产生的核心思想。开发出独有的连铸坯角部形状二次倒角工艺与装备系统专利技术，在国际上率先实现工业化应用。大幅度减小板带材的裁边量，使成材率提高约1%。 （2）微合金化钢红送裂纹形成机理研究取得突破，开发出了独家的双工位铸坯红送裂纹在线控制工艺和装备专利技术，一方面使铸坯8～10mm表面层温度快速降低到铁素体相区，实现了微合金化钢由冷装或码垛温装向平均750℃以上快冷直装的跨越，另一方面满足了铸坯高拉速、高效率生产，彻底解决了铸坯表面残水蒸发给厂房及设备带来的污染。 （3）首次开发出基于热流监测的锥度动态控制技术和组合结构的侧面支撑足辊装备以及弧形曲面形状优化的新型倒角结晶器，使低碳钢和超低碳钢大倒角连铸坯正常工作拉速达到1.7m/min，最高拉速达到1.8m/min；同时有效避免了裂纹敏感性宽厚板铸坯的角部横裂纹缺陷发生，使铸坯表面无缺陷率达到99.6%以上。 （4）在世界范围内首次集成连铸坯表面无缺陷生产、边直裂控制和红送裂纹控制等关键技术，并辅助以多种优化工艺与控制模型软件，创建了低成本、高效化板带材绿色制造工业示范生产线。 项目开发实现了系统技术成果在国内大型钢铁企业的推广应用，优化了微合金化钢生产工艺，提高了钢的成材率、节约了能源、大幅度缩短了生产时间。有力的推动了行业技术进步。 项目共获得授权专利33件，其中国际发明专利4件、国际实用新型专利6件。为在国内和国际市场推广奠定良好的基础。

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。

针对国内钢铁企业的上述缺陷，以及由此引发的微合金化钢生产效率低、能耗高等问题，项目以国内典型钢铁企业生产流程为依托，开发系统完整的工艺与装备技术，大幅度提高铸坯直接热装轧制的比率和热装温度、切实提高铸坯质量和钢的成材率，使铸坯正在成为物质流、能量流、信息流等的载体被直接输送到下一步轧制工序，优化铸-轧界面技术，实现典型钢铁流程的高效化、绿色化制造技术的工程应用，并建立应用示范工程向国内钢铁企业进行应用推广，为我国钢铁企业降低生产成本、节能减排奠定基础。