高等级带钢表面质量控制技术的研发与应用

1概述

近年来，由于家用电器、汽车、电子、航天等行业的巨大需求，使得板带生产获得迅猛发展。与此同时，随着大部分板带用户由低端转向高端，对带钢的表面质量提出了越来越高的要求。从高等级板带产品的生产流程来看，主要包括冶炼、热轧、酸洗、一次冷轧、退火、二次冷轧、平整等工序，但实际上对成品带钢表面质量起决定性作用的主要在于一次冷轧、退火、二次冷轧以及平整等四道工序。从1998年开始，燕山大学国家冷轧板带装备及工艺工程技术研究中心高等级带钢表面质量研发团队（以下简称中心研发团队）结合生产实践针对一次冷轧、退火、二次冷轧以及平整等工序的各自特点，对带钢表面质量问题展开技术攻关，经过16年的不懈探索，共形成了高等级带钢表面粗糙度预报与控制技术、高等级带钢表面横向条纹控制技术、高等级带钢表面热滑伤与打滑及划痕控制技术、高等级带钢表面色差综合控制技术等四套与带钢表面质量控制相关的主要特色技术，并将其应用到宝钢、首钢、梅钢等钢铁企业的生产实践，取得了良好的使用效果，为现场创造经济效益超过亿元人民币，获国家科技进步一等奖、河北省科技进步一等奖、机械工业科学技术进步一等奖等省部级以上各类科技进步奖8项，并形成了独立知识产权，被授权发明专利多项，出版学术专著2部，发表学术论文近20篇。本文将对与高等级带钢表面质量控制特色技术的研发背景、技术特点、应用情况进行详细介绍。

2高等级带钢表面质量控制技术的研发与应用介绍

2.1高等级带钢表面粗糙度预报与控制技术

表面粗糙度作为带钢重要的表面特性之一，它不仅影响带钢冲压时的变形行为和涂镀后的外观面貌，而且可以改变材料的耐蚀性。从目前的质量发展趋势来看，带钢表面的粗糙度控制已经成为重要的质量指标，尤其对高等级的汽车板、镀锡及镀铬基板、家电板至关重要。如何建立一次冷轧、二次冷轧及平整机组板面粗糙度预报与控制技术，对要生产的带钢表面粗糙度值进行预报与控制，最终达到事先调整，避免粗糙度超差已经成为现场技术攻关的重点与难点。国外对此问题已经展开研究，而国内则处于起步阶段。

为了解决高等级带钢表面粗糙度的定量预报与控制的问题，中心研发团队在对工作辊辊表面粗糙度、轧制参数和所轧带材表面粗糙度对应关系进行深入研究的基础上，首次引入压印率与遗传率的概念，建立一套适合于一次冷轧、二次冷轧及平整的成品板面粗糙度预报技术，提出了相应的板面粗糙度控制方案，使得在现场就能够根据用户对带材表面粗糙度的要求适时调整工艺参数以控制带钢表面粗糙度，其主要功能有三：（1）利用现场已经存在的实际板面粗糙度数据与特定一次冷轧、二次冷轧及平整机组的设备及工艺参数，采用特定的技术方案，将数学知识与生产实际相结合，探求出了二者之间所存在的一种自然规律，建立起反映成品带钢板面粗糙度与一次冷轧、二次冷轧及平整机组工作辊原始表面粗糙度、工作辊换辊后的轧制公里数、平整压下率、带钢厚度、带钢强度等参数之间的定量关系的数学模型。这部分内容是基础，为高等级带钢表面粗糙度的预报与控制做准备。在本项技术提出之前，现场对于成品板面粗糙度与轧制参数之间的自然规律是不明确的，不能定量分析，只能依靠操作工的经验来定性描述，现场无法确切地知道成品带钢粗糙度与轧制参数之间的定量关系。而本技术则有效的解决了该问题。（2）根据已知参数（主要包括工作辊辊面原始粗糙度、工作辊换辊后的轧制公里数、带材厚度、道次压下量、带钢强度等六个参数。这些参数在生产过程中都是已知的，而不需要人工去刻意测量）利用上述自然规律直接预报出成品的板面粗糙度，而不需要操作工去测量。以往现场为了知道平整后成品带钢的表面粗糙度，需要操作工去现场测量，不但花费大量的人力物力，而且影响现场生产。特别的，当带钢卷成卷之后，操作工只能测量尾部带钢的表面粗糙度。因为一卷带钢摊开的长度往往有几千米，甚至上万米。现场没有那么大的空间让操作工去把钢卷摊开测量。随着用户对带钢表面质量要求的提高，如何知道钢卷各个部位的带钢表面粗糙度，一直是现场急需解决的技术问题，而本技术正好满足了该要求。（3）根据用户对成品带钢表面粗糙度的需要，利用上述自然规律，合理的设定工作辊辊面原始粗糙度、工作辊换辊后的轧制公里数、道次压下量等参数，实现对成品板面粗糙度的在线控制，这也是本项技术的一个核心功能。以往，由于现场对轧机设备及工艺参数影响成品带钢表面粗糙度的自然规律没有深入的了解，只能定性的分析，这样现场对成品板面粗糙度就不能实现定量的有意识的控制，只能依靠操作工的经验，经常出现带钢表面粗糙度超差问题，造成成品降级甚至报废，给企业造成巨大的经济损失。因此，如何定量的控制成品带钢的表面粗糙度，就成为各大钢铁企业现场攻关的重点。而研发团队所提出的高等级带钢表面粗糙度在线控制技术正好满足了该项要求。尤其需要指出的是，该项技术属于本项目首次提出，国内外并不存在该项技术。

高等级带钢板面粗糙度预报与控制技术开发成功后，2005年被推广应用到宝钢2030五机架冷连轧机组，2008年被推广应用到宝钢1220二次冷轧机组平整模式、2009年推广应用到宝钢1220二次冷轧机组轧制模式、2010年被推广应用到梅钢1420双机架平整机组、2012年被推广应用到宝钢1220双机架UCM平整机组、2013年被推广应用到宝钢1550CAL VC辊平整机组，取得了良好的使用效果，带钢表面粗糙度的预报误差控制在10%以内，成品粗糙度合格率达到99.6%。

2.2高等级带钢表面横向条纹控制技术

对于高等级带钢而言，表面横向条纹缺陷主要产生于振动，这种振动既有可能发生于一次冷轧或二次冷轧工序，也有可能发生于平整工序，还有可能发生于连续退火工序。对于发生于一次冷轧、二次冷轧及平整工序的振动问题比较常见，主要起源于轧机的振动。研发团队针对一次冷轧、二次冷轧及平整机组的设备与工艺特点，开发出了一套完整的振动测试技术，建立了效益的振动分析系统，实现了利用一次冷轧、二次冷轧及平整机组现有的数据采集系统，在不添加新硬件的基础上对机组的振动进行在线分析与预报，并在此基础上从压下规程、张力制度、工艺润滑制度等方面的优化入手，提出了一套适合于一次冷轧、二次冷轧以及平整高速轧制过程中振动综合治理技术，可以有效的控制了一次冷轧、二次冷轧以及平整工序带钢表面的横向条纹问题。

对于连续退火工序产生的带钢表面横向条纹缺陷，以往国内外技术人员对其产生的机理以及治理技术没有进行过系统的研究。基于此，中心研发团队在大量的现场跟踪与理论研究的基础上，得出了连退机组带钢表面横向条纹形成机理如下：在连续退火过程中，由于某种特定原因的触发，使得运行中的带钢在炉内固定高温工艺段长期出现较为强烈的振动，带钢与炉辊（为方面描述，假设该炉辊为炉辊A）进行有规律的互相接触拍打。因为带钢是不断运行的，所以对于特定的带钢而言，其与炉辊A拍打的次数是有限的，因此初始阶段带钢表面并不会出现横向条纹缺陷。随着生产的进行，在带钢长时间的不断拍打下，炉辊A的表面将会出现横向条纹。当炉辊A表面出现横向条纹之后，只要带钢运行至该炉辊并存在振动时，两者互相拍打，带钢表面将会出现显性（可以通过打磨看出来）或者隐性（无法通过打磨看出来）的横向条纹，并且在横向条纹部位与非横向条纹部位存在着一些性能上的差异。与此同时，随着带钢的运行，这种带有显性或者隐性横向条纹的带钢在经过炉辊A下游的其它炉辊时，必然会对下游炉辊表面产生一定的影响，长期作用下会使得下游炉辊表面出现较为轻微的横向条纹。下游炉辊表面的轻微横向条纹与已经存在显性或者隐性横向条纹缺陷的带钢相互作用，会加剧带钢表面的横向条纹。随后，这种带有显性或者隐性横向条纹缺陷的带钢进入平整工序，在平整过程中，横向条纹部位与非横向条纹部位的绝对压下量、轧制压力等也会存在一些差异，随着平整延伸率的增大，这些差异也就随之增大，反映到外观上，就出现了横向条纹缺陷程度加重的现象，并且在特严重的时候会有手感。特别的，如果此时，平整工序另有振动，平整振动而引起的振动纹与横向条纹叠加，将会加剧带钢表面横向条纹缺陷。实际上，高等级带钢连续退火工序表面横向条纹严重的程度就取决于四个因素：1）是否振动以及振动的幅度；2）拍打到炉辊表面力的大小。拍打到炉辊表面上的力越大，条纹程度越严重；3）炉辊表面本身的状态。炉辊表面如果横向条纹很严重，那么只要轻微的拍打与接触，就会在带钢表面出现横向条纹；4）带钢的软硬。带钢越软，表面越容易出现条纹。显然，从炉内张力角度来说，其对条纹的影响就表现在两个方面，一方面张力越大，抑制振动，可以起到减轻暗纹的作用；但是，另外一个方面，张力越大，拍打到炉辊上的力也就越大，会恶化横向条纹缺陷。因此，得寻找一个最优张力值，而不可以一味的增大。这个最优张力值与钢种密切相关。对于硬钢，最优张力相对较大；对于软钢，最优张力相对较小。在上述机理分析的基础上，针对连续退火工序的设备与工艺特点，有针对性地提出以下六条适合于连退工序带钢表面横向条纹缺陷治理的技术措施：（1）优化带钢变规格张力切换时间，将张力切换时间控制在20秒以上，以减少张力切换带来的张力波动，抑制炉内带钢振动；（2）将炉子段所有传动的响应速度在原来的基础适当降低，抑制带钢振动；（3）建立入、出口活套张力检查机制，一旦发现张力波动异常及时查找原因，分析张力控制器的选择是否合理，切除振动源；（4）加强对炉辊表面情况检查，一旦发现炉辊表面出现条纹，及时更换炉辊；（5）优化张力设定工艺规程，抑制振动；（6）优化计划编排，采用以成品宽度、厚度分档原则，在同一档内，相同的钢种安排到同一批次生产，避免档内穿插现象，减少因为变换规格而带来的张力波动，抑制振动。

高等级带钢表面横向条纹控制技术开发成功后，一次、二次冷轧及平整工序带钢表面横向条纹缺陷治理技术2004年被推广应用到宝钢2030CAl平整机组、2009年被推广应用到首钢1850连退平整机组、2011年推广应用到宝钢1220二次冷轧机组、2012年被推广应用到宝钢1420冷连轧机组0.18mm以下超机组极限薄规格镀锡基板的轧制、2014年被推广应用到梅钢1420冷连轧机组。其中宝钢1420五机架冷连轧机组实现了0.17mm产品的最高恒速速度高于850m/min，厚度小于0.17mm产品的最高恒速速度高于800m/min，无振动痕、热划伤等质量缺陷改判；梅钢1420五机架冷连轧机组实现了平均轧制速度由项目开展前的1050mpm提高到1318mpm，提高了25.52%。带钢表面横向条纹缺陷量从项目开展前的224.8t/m下降到44.7t/m。与此同时，连续退火机组带钢表面横向条纹综合治理技术2004年被推广应用到宝钢2030连退机组，2010年被推广应用到首钢1850连退机组，均取得了良好的应用效果。其中，宝钢2030连续退火机组带钢表面横向条纹改判率从2003年的月平均42.11t逐步下降到2006年的月平均0.833t，几乎可以忽略。由于横向条纹缺陷的控制，使得该机组汽车外板逐步放开用户得到了扩展，由原来主要针对奇瑞、江铃等用户，现已经扩展到一汽大众、上海大众、一汽海马等用户；首钢1850连退机组横向条纹缺陷的发生率从原来的100%下降到2.78%，并且横向条纹的严重程度大大减轻。

2.3高等级带钢表面热滑伤与打滑及划痕综合控制技术

在冷轧发展的起步阶段，由于轧机的轧制速度普遍较低，带钢的表面缺陷大致分成以下两类：一类是由于材料本身因素所引起的，如板坯表面裂纹、残存鳞状裂纹等缺陷；另外一类是由于轧制过程中非正常因素所引起的，如辊印、凹坑、烙痕等等。对于这些在冷轧生产中经常出现的表面缺陷，现场经过多年的技术攻关，已经掌握了这些表面缺陷产生的原因，并提出了相应的治理措施，所以中心研发团队对该类缺陷也没有展开研究。由于高速轧制能够使得轧机的轧制周期大大缩短并且生产率大为提高，因此，随着轧制工业的发展，带钢轧制的高速化就成为现代化冷轧生产的一大趋势。伴随着轧制速度的提高，轧制变形区的温度、摩擦条件、前滑值等情况变得更加复杂，在冷轧带钢表面出现了一类与轧制工艺参数（如道次压下量、张力制度、轧制速度等）及工艺润滑制度（如乳化液的流量、温度、浓度等）等密切相关的表面缺陷，其表现形态主要为短粗状的热滑伤与由打滑而引起的细长状的划痕。这类表面缺陷的出现，大大降低了产品的品质与市场竞争力，从而立刻成为现场技术攻关的重点。如何通过理论研究与生产实践相结合，消除该类缺陷，提高生产效率，为现场创造经济效益，实现科研为生产服务，就成为摆在中心研发团队面前的一个重要使命。

针对高等级带钢表面的热滑伤与打滑及划痕问题，中心研发团队充分结合冷连轧高速轧制过程的设备与工艺特征，经过大量的现场跟踪与理论研究，开发了一套完整的适合于高等级带钢的表面热滑伤与打滑及划痕控制技术，其创新点与技术要点包括以下几个方面：（1）在对带材高速轧制过程中热滑伤产生机理深入研究的基础上，提出了滑伤指数的新概念与新的热滑伤判断条件，从而可以对冷连轧过程中可能产生的热滑伤现象及其影响因素进行定量的分析与研究，并能够定量的描述热滑伤发生的概率及程度，这在国际同类研究中处于领先地位。并且，在此基础上建立了一套冷连轧机以热滑伤防治为目标的压下规程优化理论，填补了国内该领域研究的空白；（2）通过对带钢高速轧制过程中打滑的机理进行深入的研究，提出了打滑因子的新概念，以中性面在变形区内的相对位置作为判断打滑出现概率的依据，建立起了表征轧机不同机架、不同规格产品在冷轧过程中打滑发生概率的统一标准，既有利于横比又有利于纵比。而在此之前的同类研究中，人们往往简单的把前滑值或者中性角的绝对值大小作为判断打滑出现概率的依据，认为前滑值或者中性角越小，越容易出现打滑现象。其实，这是很不科学的。同时中心研发团队从统计学的角度给出了新的打滑判断条件，并在此基础上建立了冷连轧机以预防打滑为目标的压下规程优化理论，为打滑的治理奠定了坚实的理论基础，这在国内外也属首创，国内外同类研究中尚无此例；（3）在对划痕缺陷的微观与宏观特征进行了大量的现场跟踪与实验室观察的基础上，首次阐明了带钢表面划痕的发生机理，提出轧辊与轧件之间打滑和轧辊表面铁粉富集是引发划痕的必要条件，定义了划痕综合判断指标，并从应急治理、轧制规程优化、工艺润滑制度优化、轧辊表面铁粉富集的预防等四个方面入手，提出了相应的划痕综合防治措施；（4）对于一个特定的冷轧过程而言，随着轧制变形区润滑油膜当量厚度的增大，摩擦系数变小，打滑因子及划痕综合判断指标的值增大，打滑发生的几率增大，轧制过程变得不稳定，同时划痕缺陷发生的概率也增大；而与此同时，在这种情况下，滑伤指数的值却减小，热滑伤发生的几率（或滑伤程度）减小。可以这么说，打滑与划痕是润滑过量的结果，而热滑伤则是润滑不足结果。这样，对于一个冷轧过程来讲，打滑、划痕和热滑伤的防治必须综合治理，保证带钢在高速轧制时，既不发生热滑伤又不会出现打滑、划痕现象。基于此，中心研发团队首次提出了打滑、划痕及热滑伤综合判断指标，为带钢轧制过程中表面热滑伤与打滑及划痕综合控制奠定了基础；（5）将乳化液的润滑性能与冷却性能有机结合起来，把乳化液的流量、浓度、温度等参数作为一个整体，建立了一套是以打滑、划痕以及热滑伤综合防治作为目标的工艺润滑制度优化技术；（6）首次考虑到带钢轧制过程中打滑、划痕以及热滑伤的综合防治问题，建立了工作辊原始粗糙度与换辊周期综合优化技术；（7）充分考虑到冷连轧机的生产工艺特点，在分析了轧制规程与板形、负荷、轧制压力、打滑与热滑伤、划痕等关键轧制工艺参数之间关系的基础上，首次提出了一套适合于冷连轧机高速轧制的轧制规程综合优化模型；（8）以机架出口带材前张力横向分布（即板形）均匀为目标，以打滑、划痕以及热滑伤的综合防治为约束条件，同时保证机架出口带材的板形与表面质量指标，建立了一套冷连轧高速轧制过程中乳化液分段冷却控制模型，通过结合设备分段情况和实际流量控制精度对乳化液流量进行了分段设定，减少了由于润滑问题造成的打滑、划痕与热滑伤等问题。

高等级带钢表面热滑伤与打滑及划痕综合控制技术开发成功后，2003年被推广应用到宝钢2030五机架冷连轧机组、2004年被推广应用到宝钢1220五机架冷连轧机组、2013年被推广应用到宝钢1420五机架冷连轧机组。其中2030五机架冷连轧机取得了热滑伤实际减少44%、薄窄料小时产量实际提高15%、IF钢小时产量实际提高20%、辊耗实际降低14%、年创经济效益1963.11万元的生产业绩；而1220五机架冷连轧机则实现了产品质量明显改善，产量提高43265吨、0.2-0.25mm的薄带实际平均轧制速度提高34%、0.2mm以下的薄带的实际平均轧制速度提高42.88%，根据统计，在成果应用之前，75%左右的薄规格产品实际轧制速度小于1200m/min、15%左右的薄规格产品实际轧制速度在1200-1300m/min之间、实际轧制速度大于1300m/min的仅占10%左右、而速度达到1600m/min的则基本没有。而成果应用之后，87%左右的产品实际轧制速度要达到1200m/min以上，实际轧制速度大于1300m/min达到67%左右；速度达到1500m/min以上的达到了31.82%，1600m/min以上达到11.82%。仅增加产量一项2004年就创造经济效益1594万元。

2.4高等级带钢表面色差综合控制技术

在平整及二次冷轧轧制过程中，由于带钢表面轧制压力与延伸率的分布不均匀，使得带钢或者轧辊表面粗糙度出现局部不均匀，造成其反光性的差异，从而在视觉上表现为色差。色差缺陷的出现，大大地降低了产品的表面质量，使得产品不得不降级处理，给企业造成较大的经济损失。所谓的色差分带材表面色差与轧辊表面色差两种，而且两者是互相影响互相作用的，既有可能出现由于轧制压力局部过大而使得带材表面先出现色差影响轧辊，也有可能是因为轧辊辊间接触压力不均匀，局部过大，先在轧辊表面出现色差，而后影响到带钢表面。为了保证生产出合格的产品，带材与轧辊表面都不允许出现色差问题，两者必须综合治理。以往，现场对于色差的治理问题，往往依赖现场经验，并且将轧辊与带材孤立开来分别治理，因此效果不佳。

针对高等级带钢表面的色差问题，中心研发团队经过大量的现场跟踪试验与理论研究，充分结合平整机组与二次冷轧机组的设备与工艺特点，开发出了一套完整的适合于高等级带钢的表面色差综合控制技术，其创新点与技术要点包括以下三个方面：（1）首次提出了带材色差影响函数、带材色差判断条件、轧辊色差影响函数、轧辊色差判断条件、色差综合判断目标函数，为实现色差缺陷的定量控制奠定了基础；（2）在提出一个板形与机械性能及表面粗糙度综合控制目标函数的基础上，根据金属模型参数的优化特点及平整与二次冷轧机组的设备特征，将板形与机械性能以及带钢表面粗糙度作为控制目标，而将色差控制作为约束条件，建立了一套平整与二次冷轧机组轧制力及前中后张力协调控制数学模型；（3）结合平整与二次冷轧机组的工艺特点，以充分发挥出机组所有辊系参数控制手段的潜力为前提，将色差综合控制目标函数作为控制目标，首次建立了一套适合于平整及二次冷轧机组的辊系模型参数综合优化设定模型，开发出了相应的工程上实用的模型计算策略，实现了利用模型对弯辊、窜辊等辊系参数的适时设定。

高等级带钢表面色差综合控制技术开发成功后，2008年被推广应用到宝钢1220二次冷轧机组平整模式、2009年被推广应用到首钢1850平整机组、2010年被推广应用到宝钢1220二次冷轧机组轧制模式、2011年被推广应用到宝钢1220UCM双机架平整机组、2013年被推广应用到梅钢1420双机架平整机组，取得了良好的使用效果，以梅钢1420双机架平整机组为例，高等级带钢表面色差综合控制技术应用后带钢表面的色差缺陷从平均3%下降到0.34%以内，为现场创造了较大的经济效益。

2.5其他与高等级带钢表面质量控制相关的特色技术

在高等级带钢表面粗糙度预报与控制技术、高等级带钢表面横向条纹控制技术、高等级带钢表面热滑伤与打滑及划痕控制技术、高等级带钢表面色差综合控制技术等与带钢表面质量控制相关的主要特色技术的基础上，针对一次冷轧、退火、二次冷轧以及平整等四道工序生产中的实际问题，中心研发团队还开发出了高等级带钢冷轧过程的乳化液斑迹与黑灰黑斑综合控制技术、高等级带钢罩退过程粘结控制技术、高等级带钢连退过程麻点控制技术、高等级带钢表面平整液斑迹及表面残油控制技术、高等级带钢平整过程表面丝毛印控制技术等各类与带钢表面质量控制相关的特色技术，并已经分别推广应用到宝钢1220五机架冷连轧机组、宝钢2030罩式退火机组、宝钢1220罩式退火机组、宝钢不锈钢有限公司连退机组、宝钢1220二次冷轧机组、梅钢1420双机架平整机组、宝钢1220连退平整机组等生产线，均取得了良好的使用效果，给机组带来了较大的经济效益。

3结语

中国作为钢铁大国却不是钢铁强国，目前国内大部分钢铁企业所生产的板带产品属于利润率较低、产品厚度和质量要求不高的以建筑用钢为主的中低端产品，而高档汽车、高档家电、高档包装所用的高等级板带产品仍然以从国外引进为主。燕山大学国家冷轧板带装备及工艺工程技术研究中心高等级带钢表面质量研发团队经过16年的技术攻关而开发的“高等级带钢表面质量控制技术”以提高高等级板带产品的表面质量、实现产品表面质量全流程、智能化控制为目的，相关技术可达国际先进水平，满足了钢铁企业在该领域的技术需求，市场前景极其广阔。