我國冷軋生產技術的發展探討

孫文權，袁鐵衡

（北京科技大學高效軋制與智能制造國家工程研究中心，北京 100083）

前言

工業是國家經濟的重要體量，鋼鐵是工業生產的支柱，它是國防、建筑、制造業等方面的基礎及推動力，直接代表了我國的工業實力和軍事實力。鋼鐵業的發展與中國的工業化進程之間存在緊密關聯。建國以來，中國鋼鐵業的發展不僅僅在產量方面有了大幅增長，也反映出相關技術水平的增長，鋼鐵產量躍居世界第一，同時也實現了生產的自給自足。應該說，這是建國以來中國鋼鐵工業在發展過程中取得的重要成就之一，同時也為中國經濟的快速、高質量發展創造了重要的保障條件[1-3]。

冷軋生產是鋼鐵生產中不可或缺的一環，冷軋生產的產品數量和產品質量一定程度上反映了國家工業水平的高低，而冷軋生產技術這70余年的發展，值得我們去學習與思考，學習發展的歷程，思考未來的發展方向。

1 追求產量——緊跟世界步伐

建國初期，中國幾乎沒有一個完整的鋼鐵聯合企業，鋼鐵產量還不到當時世界年總產量的千分之一。面對中國缺鋼少鋼的形勢，國家確立了“以鋼為綱”的工業發展指導方針。此時的冷軋生產是以追求產量，提高生產能力為導向，通過購買國外先進生產設備，學習國外先進生產知識,解決國家切實需求的技術發展。冷軋技術從生產設備到生產工藝流程的雙管齊下，建立了一套完整的板帶材生產體系，為我國的鋼鐵生產打下了堅實的基礎。

（1）對生產設備而言，我國鋼鐵生產建設初期，設備基本靠國外進口，存在被壟斷的情況，直至上世紀80年代，由第一重機廠設計制造的第一套大型軋機——1700 冷連軋板軋機[4]，填補了我國自制的大型冷連軋機的空白。冷連軋的生產技術相較于單卷軋制，其加減速過渡階段減少，穩態軋制過程增加。無論是否進行前后卷動態變規格,軋制力等工藝參數的波動及帶鋼的厚度偏差都優于單卷軋制，極大地提高了冷軋生產的效率。該軋機的發明，打破了我國冷連軋機必須從國外進口的情況，這是我國冷軋技術發展的重要一步，是基礎生產設備自主化的第一步。

（2）對生產工藝而言,冷軋生產是一個承上啟下的過程，將不同生產工序連接起來,構成聯合生產線進行生產，這樣可以減少不同工序的連接及聯合，可以極大地提高生產效率。目前冷軋生產主要包括：酸洗-冷連軋聯合生產；冷連軋-連續退火聯合生產；酸洗-冷連軋-連續退火聯合生產。世界上，在80年代就應用了酸洗-冷軋的聯合機組，而在90 年代，我國才逐步推廣該聯合機組[5]，這表明了我國的冷軋工業生產設備正在逐步向世界前列靠攏。

（3）在國有鋼鐵廠不斷建設成立的同時，民營鋼鐵廠也如雨后春筍般冒出，這也極大地提高了我國冷軋的鋼鐵產量，但是，這也為目前的冷軋生產中各企業無序競爭埋下伏筆。

經過了多年的發展，我國的冷連軋產量躍居世界前列，其生產大多實現了如圖1的流程。

圖1 冷連軋生產流程圖

隨著工業化進程的不斷深入，冷軋板帶的比例也相應增加，產量也逐年提高，盡管解決了我國缺鋼、少鋼的窘境，但是也暴露了一些問題。此時生產的帶鋼大多為粗鋼，對于在船舶、高檔汽車、汽車零部件、工程機械、高層建筑、高速鐵路等高端產品大多仍依賴進口。

2 提高品質——位居世界前列

上世紀90年代及本世紀初期，隨著鋼鐵工業的不斷發展，我國的鋼產量已經較之前有了長足的進步，在1996 年就已經躍居世界鋼產量第一位，在高速發展時期過后，國家對冷軋工業生產的要求便從提高產量變成了控制產能，以追求高產品質量與高產品附加值為導向的生產技術發展，打破國外“卡脖子”的問題。同時對于鋼鐵生產這種大批量的，重復生產模式，也要最大限度地實現少人化甚至全自動化。

2.1 提高產品質量

（1）自動控制系統

自動控制系統具有代替人工進行實時控制，擁有閉環反饋的機制，相較于人工而言，其控制精度更高，調節速度更快，控制效果更好，可以對產品質量進行進一步的提高。冷軋生產帶鋼，其產品表觀質量主要有以下兩個目標，沿寬度方向的板形合格情況及沿長度方向的厚度合格情況。因此，自動板形控制系統（ASC）、自動厚度控制系統（AGC）與自動邊降控制系統（AEC）便被廣泛應用于冷軋帶鋼生產中。

ASC 通過檢測設備與目標板形曲線進行對比，得到帶鋼的實時板形偏差，采用數學的方法，對板形偏差進行曲線擬合，獲得板形偏差的一次系數、二次系數和高次系數，通過板形控制手段進行調節，該方法可以實現板形的閉環控制，對一次板形、二次板形具有良好的調節能力，對高次板形而言也有一定的效果[6]，其控制示意圖如圖2所示。

圖2 自動板形控制系統示意圖

AGC 根據冷軋生產中的秒流量原理,通過高精度的數字閉環控制實現對輥縫、張力等的控制，即實現對帶鋼厚度精確的控制，該控制手段是在一定范圍內的，即以L2 設定參數為基礎進行調節，故研究人員也會對參數進行整定，以提高產品質量[7]，其控制示意圖如圖3所示。

圖3 自動厚度控制系統示意圖

AEC 系統根據冷連軋機出口安裝的斷面儀檢測到的帶鋼邊緣降，反向閉環控制S1～55 機架的工作輥竄輥并結合輥形技術，實現電工鋼等需要橫縱向厚度控制要求產品的高精度控制，該技術廣泛地應用于中低牌號無取向電工鋼酸連軋機組上，取得了良好的應用效果。

上述三個自動控制系統及其他生產中的必要控制手段均在該階段得到了廣泛應用，為實現冷軋生產的自動化做好鋪墊，大幅度地提升了帶鋼的產品質量，滿足用戶日益提高的需求。

（2）先進生產設備

為了更好地提高冷軋帶鋼的產品質量，鋼鐵企業開始廣泛應用控制手段更多樣，調控能力更強的軋機，如UCM、UCMW 及CVC輥形技術等，其增加了如彎輥、竄輥等調控機構，這些手段都可以對板形進行控制[8]，一些常見的冷軋機結構如圖4所示。

圖4 冷軋機結構示意圖

在針對板形、厚度的精準控制，追求更小的軋輥徑長比，國內同樣引進了許多十八輥、二十輥軋機等多輥軋機，也據此進行了研究。近年來，寶鋼、首鋼、攀鋼、漣鋼等先后建設了十八輥高強鋼軋機，結構如圖5所示，主要用于超高強鋼的生產，部分兼顧高牌號硅鋼和鈦板軋制。

圖5 二十輥軋機結構示意圖

在電工鋼生產方面，寶鋼、首鋼等鋼鐵企業正在建設以6 機架小輥徑六輥連軋機組，該機型的建設將大幅提高連軋機生產高牌號、高強、薄規格無取向電工鋼的能力和產品質量，并有可能帶來連軋機與20輥單機架軋機的競爭，改寫電工鋼生產裝備配置路線。

該階段的生產，冷軋技術逐步轉向為以自動控制系統為主，人工輔助進行修正調節的生產模式。但是對于控制系統和新型軋機，我國仍采用的是國外進口的方式，缺少自主設計，缺少核心競爭力。

2.2 提高產品附加值

隨著我國工業的整體發展，用戶對于質量的要求也逐步提高，普鋼已經難以滿足我國產業的需求，因此對于冷軋生產而言，寬薄帶鋼、高強鋼、特殊鋼等具有技術含量的帶鋼就變為企業生產的主流。

以大家熟知的“手撕鋼”為例，寶武太鋼集團所研制出的手撕鋼極限厚度僅為0.015 mm，價格高達200 萬元/t，即使價格不菲依然供不應求[9]。這是由于產品附加值所導致的，也打破了國外對我國的技術壟斷，甚至在中國軋鋼人員的不懈努力下，達到世界領先水平。高強度鋼種也是被鋼鐵企業所關注的重點，DP980、DP1180、DP1480 等一系列強度極高的鋼種被開發出來，且保證了冷軋后的產品質量，在汽車、輪船等方面有了極大應用，實現了自給自足。一些特殊鋼種，如耐寒、耐熱等帶鋼生產，在航天、科研等方面也頗有建樹，為推動我國整體實力和國際競爭力做出了不可磨滅的貢獻。

時至今日，牢牢跟緊國家供給側結構改革措施，追求產品的高質量、高附加值仍是當前冷軋生產的主流。我國生產的冷軋帶鋼，已基本滿足我國各行各業的需求，在某些方面打破了國外的壟斷，處于世界前列。

3 展望未來——引領世界潮流

《中國制造2025》行動綱領，為國家工業支柱的鋼鐵行業，為鋼鐵行業中的重要環節——冷軋生產指明了方向。對冷軋生產技術而言，該文中提出要以新一代信息技術與制造業深度融合為主線，以推進智能制造為主攻方向；建設具有核心競爭力的產業集群和企業群體，走提質增效的發展道路；著力掌握關鍵核心技術，完善產業鏈條，形成自主發展能力。

3.1 智能制造

目前我國正在經歷數字化、信息化、智能化時代，這對于冷軋生產而言，既是機遇，也是挑戰，以智能化為目標的冷軋生產技術正在不斷地發展和改進，那么就需要從以下幾點入手[10]。

（1）信息化

信息化是對數據的抽象提取，挖掘數據的潛在價值，并抽象提煉成知識，作用于分析與決策。而冷軋生產的信息針對的有兩個目標，分別是企業和用戶。企業通過信息化系統實時了解生產動態，分析生產趨勢，做出路線決策；而用戶能夠更加詳細地明確和了解自己的需求和所購買帶鋼的情況，做到“買的放心，用的舒心”。

目前我國已經建成的信息化系統大多是針對企業而言的，并沒有很好地加入用戶購買數據提煉的信息，該種信息仍舊是由技術人員或銷售人員自行提煉的，有時會缺少系統性、完善性的總結。未來，將用戶購買和使用信息實現自動信息化提煉、融合后進行大數據分析，可以更為方便地指導企業進行生產決策，以用戶為中心，逐漸向“服務型”工業生產做轉變。

（2）數字化

數字化是智能制造的前提，是對冷軋生產及相應車間的數據進行數據化提取，將這些數據進行整合，轉化成人們所需要的。數據化的實現可以極大地改善傳統信息記錄中易丟失、傳遞效率慢等的現象。

如此可見，該獲取何種數據是一個重要的問題。鋼鐵生產是一個多工序聯合的生產模式，冷軋作為其中的一環至關重要，上承熱軋生產，下接退火工序。為保證更好更快地生產，進一步提高產業的數字化，就是要打破鋼鐵生產數據壁壘，如冷軋生產的工藝參數不僅要考慮到熱軋帶鋼的遺傳因素，還需要針對下一級的生產需求參數進行調節。

2021 年馬鋼冷軋數智中心的成功建設（系統結構如圖6所示），為國內冷軋智能生產和一體化管控帶來了新的思路，并取得了非常好的效果?？梢?，冷軋目前的數字化生產結構已經初見成效，技術人員已經可以通過數智化分析軟件實現對冷軋多條產線的各種數據的把控和輔助分析決策。極大程度上方便了技術研究人員的數據獲取及分析。完善的數據化是指導生產實際的重要依靠。

圖6 數智中心結構示意圖

但是目前也存在許多的問題，例如，大多數企業打通自煉鋼至冷軋的數據方面還存在一定的問題，數據不充分的問題仍舊比較突出；另一方面，獲取的生產數據部分參數無法應用于生產實際，無法指導實踐，例如熱軋的溫度波動會導致帶鋼全長的性能波動，進而導致產品質量的下降。因此更廣泛地收集各類數據，并用于輔助指導生產將是未來鋼鐵工業發展的重點。

（3）智能化

智能化，就是應用大數據及智能算法等先進技術，達到機器可以代替人工進行操作及決策的效果，其基礎便是信息化和數字化的完備。工業生產從歷史的角度來看，是一個以人為主導的過程到以機器為主導的過程，智能化就是通向該過程的橋梁。

智能算法在冷軋生產中的研究已經頗多，以板形預測為例，在目前較多的研究中，應用人工智能算法對板形的預測準確率通常能達到95%以上甚至更高，但是，許多研究便止步于此。智能化的應用不僅僅在于預測，盡管預測等可以做到減少人工的參與，做到更精準地判斷與分析，但對于智能控制而言，不應僅僅如此，在大數據化的冷軋工業生產下，智能控制所需要做到的，是發現問題、解決問題、學習問題、預測問題及分析報告的能力。詳細來說，上述五個步驟不僅可以形成以數字化為基礎，以數據為驅動的，甚至優于操作人員面對冷軋生產問題而實現精細的智能控制，還可以進行對生產問題的自學習，通過數據分析進行生產問題預測以實現從源頭上杜絕問題的發生，還可以形成信息化的分析報告，方便技術人員進行對智能控制系統及生產工藝的進一步優化，方便管理人員對企業路線進行決策優化。

3.2 提質增效

歷史告訴我們，我國的冷軋生產技術經歷了從提產量到提質量的轉變，根據歷史發展規律和現在冷軋生產的問題，在質量得到提升后，在保質的前提下保量，是我們現在需要著手的目標。同時國家提出的供給側結構改革措施，應從企業和產品的角度入手，減少低端的過剩的產能和庫存，增多和培育高端的產品，從整體上提高產品層次和企業效率。

工業生產的基礎便是高效和穩定，這在冷軋生產中意味著更高的成品率和更低的生產事故。寬薄帶鋼，強度高的帶鋼，必然帶來更多的問題。如DC01 不銹鋼，隨著用戶對產品質量要求的不斷提高，不能保持100%的良品率，且會隨著用戶的要求提高而導致良品率的進一步下降。

較高的良品率才能保持較低的成本，才能在激烈的市場競爭中存活下來，我國的工業發展是絕不允許“劣幣驅逐良幣”現象發生的。因此，在保證高產品質量的前提下，提高該產品的合格產量，提高產品競爭力，是目前亟待解決的問題。

3.3 自主發展

自主發展是一個國家的核心競爭力，對于我國目前的冷軋生產而言，其大多的核心設備和控制系統都向國外進行購買，也存在著相應的問題。以控制系統為例，大多鋼廠的控制系統購買時間為二十世紀初，之前所使用的控制系統有時不能很好地解決目前生產的問題，例如生產高強鋼時，ASC控制系統不能對其產生的1/4 浪進行調節，冷軋生產雙相鋼時，其厚度呈現類周期性波動的問題也很難通過AGC 進行解決。這種隨著我們高附加值產品的冷軋生產所呈現的問題，是當初建立控制系統時所無法預料且難以解決的。

為了解決上述問題，提高我們的產品附加值，提高產品競爭力。國產化的冷軋控制系統也是我們所要追求的目標之一。同時，控制系統可以隨著我國自主智能化的發展而替代原有的國外控制系統，掌握核心技術才能掌握話語權。

我國的冷軋技術發展，應該以中國制造2025 為根本，切實研究鋼鐵企業痛點的問題，提高我國冷軋生產技術水平，形成一套完整自主的冷軋生產體系。

4 結論

從追求產量到追求質量，從解決中國人民內部需求到發展國家經濟走向世界，經過我國軋鋼人員近70年的不懈奮斗，我國的冷軋技術水平已經位于世界前列，對于冷軋技術的進一步發展也有了更深層次的思考。

（1）冷軋生產工業的發展是一個不斷追求產品質量和生產效率的過程，從保量生產到追求高品質帶鋼，從高品質帶鋼的優量生產到追求更高品質的帶鋼。這是一般事物的發展規律，更是冷軋生產技術的發展規律。目前我國正處于第二、三個階段交匯處，該問題需要我們對生產設備，控制手段具有更進一步的理解和把控，才能更好處理新發展中產生的新問題。

（2）冷軋工業生產應緊緊跟隨國家步伐，把握時代發展機遇，以中國制造2025 為藍本，研究智能化的生產體系，該體系需要打破鋼鐵生產的多工序壁壘，進行數智化的生產信息整合，構建產業生態，協同發展。智能制造的根本，是為了指導生產為目標而創造的，不論是指導生產實際還是生產規劃，開發人員所研發的智能系統都應該以此為導向，抓住痛點問題，才能建造一個完備獨立的智能化工廠。

（3）我國冷軋技術目前已處于世界前列，但在設備與控制方面仍大多依賴進口，企業應該努力提高冷軋國產化水平，掌握核心科學技術，在設備、控制、管理三個方面擁有全套高效的自主能力，才是不畏技術壟斷，引領世界發展的根本途徑。同時，智能制造是打破技術壟斷，實現冷軋生產技術的跨越式發展，達到冷軋生產完全自主化的必經之路。