冷軋超高強鋼退火板形優化技術研究進展

張理揚， 萬照堂， 張文軍

(1. 寶山鋼鐵股份有限公司冷軋廠， 上海 200941；2. 湛江鋼鐵有限公司冷軋廠， 廣東 湛江 524072；3. 燕山大學 國家冷軋板帶裝備及工藝工程技術研究中心， 河北 秦皇島 066004)

近年來，隨著我國汽車、家電、建筑等行業的迅速發展，國內板帶市場需求量日益增長，國內鋼鐵企業均在不影響板帶板形、力學性能、表面質量的前提下展開技術攻關，進一步提高機組的生產效率，追求極致產能[1]。與此同時，隨著國家“碳中和”與“碳達峰”政策的提出，為滿足鋼鐵行業綠色發展的需求，板帶也在加快朝著高強、減薄、耐蝕方向發展[2-4]，在一定程度上降低了自然資源和能源綜合消耗量。超高強鋼因具有更高的強度，可在保證強度的前提下減少橫截面尺寸，在汽車行業上的應用最為顯著，可在保證安全性能的前提下達到節能減排的目的[5-6]。超高強鋼產品在鋼鐵技術進步與市場需求拓展的強力推動作用下得到了蓬勃發展，其生產工藝改進與質量控制已成為國內外鋼鐵企業的研究熱點。其中，帶鋼連續退火工序作為超高強鋼生產的關鍵工序之一，通過再結晶退火可達到消除冷軋加工硬化、改善成品性能和板形及提高帶鋼塑性變形能力的目的。

而板形質量作為帶鋼成品的重要質量指標，更是超高強鋼退火生產過程控制的難點所在。國內外學者[7-14]針對帶鋼連退過程中板形控制技術展開了諸多研究，一般可通過優化來料板形、退火工藝、張力制度、爐輥輥型、爐輥材質、冷卻速率，改善來料厚度均勻性，采用新型冷卻控制技術及裝置等手段以達到提高通板穩定性和退火板形質量的目的。同時，針對連退出口平整工序展開研究，進一步提升帶鋼板形質量[15-18]。目前，超高強鋼作為當今鋼鐵市場的當紅產品，了解當前退火工序的板形控制技術發展現狀，緊跟世界前沿技術，是鋼鐵企業提高自身生產技術水平、滿足市場高標準要求的關鍵所在，同時也是該領域國內外研究學者把握理論研究方向與開展深度研究的基礎。本文即在此背景下對超高強鋼退火過程的板形優化技術研究現狀做系統性的概述。

1 連續退火機組的設備配置及發展概況

冷軋帶鋼退火處理的設備分為罩式退火爐與連續退火爐兩種。本文主要介紹連續退火機組，其是集電解清洗、連續退火、平整、精整檢查等各主要生產工序于一身的全連續機組。連續退火技術具有生產效率高、產品品種多樣化、產品質量高、生產成本低等諸多優勢。近年來連續退火技術得到了迅猛發展，在投資能力具備下，新建產能基本都選連續退火技術。目前連續退火技術逐漸向專業化、高速化和智能化方向發展。典型的連續退火機組一般分為入口段、退火爐、平整段和出口段，其中入口段通常配有開卷機、入口剪、焊機和清洗等設備；退火爐通常包括預熱段、加熱段、均熱段、緩冷段、快冷段、過時效段(時效1，時效2)、終冷段和最終水冷段，部分新建機組還在快冷段后布置再加熱段、在退火爐出口布置酸洗閃鍍段；平整段一般配有四輥/六輥平整機，有的機組還配備有板形儀和在線力學性能檢測儀；出口段配有圓盤剪、測寬儀、測厚儀、表面缺陷檢測儀、飛剪和卷取機等設備[19-23]，如圖1所示。

圖1 國內某鋼廠傳統連續退火機組簡圖Fig.1 Schematic diagram of a continuous annealing line in a domestic steel plant

根據連退機組組成可以初步分析連退機組對板形的控制，可以通過控制退火爐的退火溫度曲線和退火時間(帶鋼的運行速度)，從而調節帶鋼的內部應力分布來調節帶鋼板形，也可以通過調節帶鋼冷卻起止溫度和冷卻速率來調節帶鋼的殘余應力分布，從而實現帶鋼板形調節，還可以在平整段通過控制平整工藝參數如彎輥力、竄輥量、工作輥傾斜量和平整延伸率等來控制帶鋼板形。除此之外，可以通過制定合適的張力制度、規范來料板形和改進爐輥輥型等進行協同控制優化，從而達到改善退火機組產品板形的目的[10-14]。

2 冷軋超高強鋼退火板形控制技術

2.1 冷軋超高強鋼退火過程板形問題簡介

冷軋超高強鋼退火過程中的板形問題一方面遺傳于上游冷軋機組軋硬卷板形，另一方面來源于帶鋼退火過程板形的演變。這里值得注意的是，帶鋼退火過程的板形變化與軋制過程的板形變化是不同的。在軋制過程中，帶鋼同時承受軋制力及冷軋張力，發生大變形量的塑性變形，產生加工硬化，主要是沿帶鋼寬度方向上發生不均勻的塑性變形而導致板形的變化；在退火過程中，帶鋼主要承受退火張力，基板冷軋纖維組織發生回復、再結晶及晶粒長大，帶鋼在高溫下發生彈性變形和少量塑性變形，相變強化鋼還發生相變強化，整個連續退火過程比軋制過程復雜得多，來料板形、張力大小、爐室溫度、帶鋼橫向溫度分布和爐輥輥型等因素都會影響到帶鋼應力分布[24-25]，從而引起帶鋼寬度方向的不均勻的塑性變形，進而導致板形的變化，且會使得帶鋼發生一定程度的拉窄。換言之，連退過程板形的變化歸根結底是帶鋼橫向拉應力的不均勻分布造成的，引起帶鋼橫向拉應力分布不均的原因有來料板形、張力大小、相變均勻性、溫度均勻性、爐室溫度和爐輥輥型等因素，這也是對退火板形進行優化的主要控制對象。

與此同時，連退過程中的張力制度不但影響板形質量，而且還會影響到爐內通板的穩定性，在加熱區加熱溫度與機組運行速度下，由于張力控制系統失衡，導致機組張力過大時出現帶鋼瓢曲；張力過小時，帶鋼產生跑偏、屈曲問題[7,10,12]。同時帶鋼在緩冷段由于輥面材料發生疲勞蠕變進而輥面變形也會導致帶鋼的瓢曲[14]。為了描述帶鋼連退過程的板形演變，王云祥[13]提出了單元內板形與單元外板形的概念，其中單元內板形是指受到溫差、輥型和爐輥安裝誤差等因素的表觀板形，單元外板形是在排除上述影響因素之后帶材內部應力重新分布之后的板形，同時揭示了中浪板形、肋浪板形、雙邊浪板形和高次浪板形的演變規律。例如，當帶鋼在加熱過程中由于爐輥輥型曲線異常磨損等導致帶鋼邊部加熱不均勻引起的帶鋼邊部溫度不均勻，會導致帶鋼出現單邊浪問題[11]。典型的連退板形缺陷如圖2所示[26]。

圖2 典型連續退火帶鋼板形缺陷[26](a)中浪；(b)單邊浪；(c)對稱雙邊浪；(d)非對稱雙邊浪；(e)中單組合浪；(f)中雙組合浪；(g)單肋浪；(h)多肋浪；(i)中肋組合浪；(j)邊肋組合浪Fig.2 Typical continuous annealed strip shape defects[26](a) medium strip shape; (b) one-side strip shape; (c) symmetrical two-side strip shape; (d) asymmetrical two-side strip shape; (e) medium single combination strip shape; (f) medium double combination strip shape; (g) single rib strip shape; (h) multi-rib strip shape; (i) middle rib combination strip shape; (j) side rib combination strip shape

2.2 冷軋超高強鋼退火板形優化與控制研究現狀

根據連續退火機組的設備與工藝特點，當前退火機組的板形缺陷控制主要集中在加熱區、冷卻區、平整區、退火張力制度以及爐輥輥型優化。

2.2.1 加熱區板形優化技術

爐室溫度控制對超高強鋼在退火過程中的板形演變有著明顯的影響，加熱區板形出現異常一般是帶鋼加熱控制系統精度較低導致帶鋼橫向溫度分布不一致，或者由于所制定的保溫時間(機組運行速度)、加熱溫度和帶鋼張力等退火生產工藝參數之間的協同控制不良導致板形問題在退火過程中加重。針對該問題晏曉華[27]對比了爐溫-煤氣二級串級控制、帶溫-爐溫-煤氣三級串級控制與帶溫-煤氣二級串級控制，認為帶溫-煤氣二級串級控制有利于帶溫的穩定。另外在CPU板溫控制基礎上增加動態速度控制和預加熱控制可以進一步減小帶鋼溫度控制偏差[28]。陳戰鋒等[29]提出了帶鋼退火溫度與運行張力、爐輥輥型協同控制技術，該技術通過對連退工藝中對板形演變造成影響的退火溫度、張力大小與爐輥凸度等調控手段的充分協同控制，改變帶鋼橫向拉應力分布，使其在該工藝參數下退火板形盡可能接近目標板形曲線，從而達到了提高板形質量與機組穩定運行的目的。張久林[30]認為采用誘導加熱技術可以改進帶鋼寬度方向溫度均勻性，從而利于改善帶鋼板形。另外，帶鋼退火溫度與屈服應力之間存在著內在關系，通過大數據挖掘揭示帶鋼退火溫度與屈服應力之間的映射關系是優化超高強鋼退火板形的一種途徑。張勇[31]基于人工神經網絡BP算法，研究了帶鋼退火溫度與屈服應力的預報技術，提高了帶鋼在爐區的實時監測功能。爐區燃燒嘴數量與布置位置對帶鋼溫度的橫向分布有著直接的影響，尤其是對超高強鋼的板形演變過程更為明顯。文獻[32-33]通過優化爐區燃燒噴嘴數量與布置位置減少了熱應力集中，有效抑制了板形缺陷的產生。配有正對帶鋼直火燒嘴的機組，邊部燒嘴負荷控制也影響退火板形。同時，針對由于板形缺陷引起的爐內帶鋼跑偏問題，文獻[34]提出了板形不對稱評價指標的概念與臨界值，制定了連續退火生產線來料板形控制標準，應用后有效降低了連退爐區由于板形問題導致的帶鋼跑偏的問題。

2.2.2 冷卻區板形優化技術

帶鋼在冷卻區通過控制冷卻速度、冷卻均勻性、張力均勻性、水淬溫度及時間來調節帶鋼在橫向上的拉應力分布均勻性，該拉應力分布不均會導致帶鋼出現板形不良甚至瓢曲[35-37]。目前，從國外先進連退機組的冷卻區冷卻設備配置來看，一些機組已經采用了爐內水霧冷卻控制系統，相比傳統的風冷，水霧冷卻控制技術顯著地提高了帶鋼的冷卻速度，相比傳統的水淬冷卻，沿帶鋼寬度方向精確調節控制的水霧冷卻能夠提高板形控制精度，從而實現超高強鋼相變強化與板形的優良兼顧。文獻[38]開發了高氫快冷柔性化生產技術、水淬柔性化生產技術、高氫快冷冷卻速率提升技術和高氫快冷段大張力跑偏控制技術等，實現了1000～1300 MPa超高強鋼的雙工藝路線(水淬/氣冷)穩定生產，相關技術達到國際領先水平。文獻[39]開發了高氫冷卻和水淬冷卻技術，在提高冷卻速率的同時并保持較好的板形，并通過爐內板形自動控制二次開發，進一步改善了水淬小板形(局部凸起)問題。針對傳統風冷裝置，文獻[40-42]通過優化輥冷段數學模型考慮了帶鋼寬度方向上的溫度處理，并對噴嘴閥門、擋板與風機的控制條件進行了優化，提高了冷卻區溫度控制精度，此外建立了輥冷+對側噴吹與后噴吹冷卻微分方程的控制模型，制定了溫差與冷卻氣體風壓大小的關系，提高了橫向板溫的控制精度，這對超高強鋼連退冷卻區板形優化有著重要的作用。

2.2.3 平整區板形優化技術

對于常見的連退機組來說，在平整區配置的平整機有單機架四輥和單機架六輥兩種主要形式，有的機組在平整后還配置有拉矯裝置，每種形式均適用于不同的產品[43]。帶鋼在經過退火之后，由于殘余應力的影響仍然存在發生瓢曲、浪形缺陷的問題，因此通過布置在退火機組末端的平整軋機來改善板形質量。由于平整機在原理上屬于軋機，因此采用的手段與冷軋板形控制手段基本相同[44]。平整軋制可以通過縱向壓應力與前后張力來控制板形，其板形控制手段相對豐富，主要調控工藝參數包括：平整延伸率、彎輥力、竄輥量、工作輥傾斜量、前后張力，還可以對平整輥輥型進行調整。因此，可以利用平整軋制實現對退火爐內僅依靠拉應力作用而無法解決的板形缺陷的有效控制，同時，在沒有強力拉矯情況下這也是超高強鋼成品板形質量的最后一層保障。在此方面，各大鋼鐵企業進行了較多的技術攻關，并取得了較好的實踐成果。例如：文獻[45-46]對平整過程進行了仿真分析，通過防皺輥、工作輥與防橫斷輥的控制優化，減少了帶鋼的翹曲；此外，在1550連退機組上通過采用延伸率累計偏差模塊與軋制力、張力閉環控制系統，大大提高了機組的平直度。文獻[47]通過提高帶鋼壓下量、優化竄輥量、軋機速度、軋制溫度并增配拉矯系統消除了帶鋼的邊浪、中浪、肋浪以及鐮刀彎板形缺陷。文獻[48]對罩退后雙機架平整機的彎輥力、軋輥軸向移動量、平整前后張力等進行了優化，解決了薄規格帶鋼平整羽痕缺陷。

2.2.4 張力制度優化技術

一般情況下，張力制度是與加熱溫度、爐輥輥型和保溫時間協同控制來提高退火板形質量。在其他條件一定下，退火爐內帶鋼所受的張力大小不但對張應力橫向分布以及板形變化有著明顯影響，而且影響爐內帶鋼通板穩定性，張力值越大，越容易造成帶鋼發生熱瓢曲，張力值越小，越容易導致帶鋼出現跑偏。因此，對于超高強鋼連退過程中爐內張力制度的調控，不能僅考慮板形控制，否則有可能引起跑偏或瓢曲缺陷的發生，甚至是斷帶事故，應對板形質量與通板穩定性同時兼顧。在此方面，該領域研究學者進行了較多的研究工作，例如：文獻[49]建立了一套張力控制模型并開發了一套張力在線控制技術，提高了連退機組的運行穩定性與板形質量。文獻[50]開展了不同張力退火工藝下帶鋼橫向殘余應力的研究，為張力制度優化奠定了基礎。白振華等[51-52]提出了段內板形與段外板形的概念，通過分析張力條件下板形的演變規律，大大提升了連退機組的通板穩定性和板形質量，并以保證爐內穩定通板為目標，兼顧板形質量控制，開發了連退機組爐內張力優化設定技術，使得超高強鋼連退過程張力制度得以優化。

2.2.5 爐輥輥型優化技術

在連續退火過程中，爐輥輥型對帶鋼的板形也會產生影響，其主要通過影響退火過程中帶鋼沿寬度方向的張力分布，并結合自身接觸帶鋼部分實際凸度對帶鋼產生橫向壓應力，對帶鋼的瓢曲、跑偏和板形產生影響。連退爐輥的輥型包括平輥、凸度輥、單錐度輥、雙錐度輥等不同形式。其中，雙錐度輥的防跑偏能力最強，單錐度輥的防瓢曲能力最好[53]。因受到來料板形的影響(例如：鐮刀彎、S彎)，加之爐輥輥型作用，帶鋼張力分布與板形、跑偏、瓢曲直接相關。針對上述問題，文獻[54]對單梯度爐輥輥型的錐差和粗糙度進行了優化，跑偏和斷帶發生率均降低了50%左右，有效地提高了成品質量與機組運行速度。文獻[55]通過利用雙錐度爐輥的防跑偏能力與單錐度爐輥的防瓢曲能力，構造了輥型目標函數對爐輥輥型曲線進行了優化，提高了爐輥的服役周期與機組的通板穩定性。

3 連續退火板形控制系統研發現狀

在現有機組設備基礎上通過增加輔助控制系統，進而有效提升板形控制精度與板形質量是目前研究的熱點趨勢。文獻[56]研究了一種連續退火機組板形仿真系統，通過計算機采集生產控制系統數據，實現帶鋼參數的實時獲取，進一步實現了板形的實時動態預報。文獻[57]通過搭建輥環結構參數的數學模型，建立了BP神經網絡控制系統，并通過模擬算法實現輥環結構參數優化，提高了板形儀的檢測精度。文獻[58]實現了連退平整軋制線的自動控制調整，并實現了軋制力與彎輥力的自動控制，研制了自動換輥系統、自動延伸率控制、自動過焊縫控制系統，大大提高了連退平整機的板形控制能力。在冷卻區控制方面，東北大學取得了巨大的進展，首先通過研發了具有極強抗干擾能力的Smith預估的模糊神經網絡PID控制器，實現了快冷段帶鋼出口溫度的精確控制[59]；其次，在上述研究的基礎上，將神經網絡與數學模型進行結合，預報水冷輥位置，用于輥冷溫降模型計算，顯著提高了帶鋼溫度控制精度[60]；還研究了冷卻區水冷輥位置預設定和帶鋼溫度控制系統，設計了一種基于Smith預估的模糊免疫PID控制器，具有很強的抗干擾性、魯棒性和良好的動靜態性能[61]。在加熱區，文獻[62]提出了AGA-Fuzzy PID控制系統，提高了系統的穩定性、動態性能及穩態性能，并實現了爐溫變化的快速跟蹤，極大地提高了加熱區溫度控制的精度。

4 展望

1) 在連續退火機組設備發展方面，激光焊接技術、多段高效清洗技術、在線清潔度自動檢測技術、雙凸度爐輥設計、快速加熱技術、快速冷卻技術、沿帶鋼寬度方向溫度均勻性調節技術、橫磁感應加熱技術、智能退火技術、冷卻水在線超細精濾技術、酸洗閃鍍技術、濕平整技術、工作輥輥面激光毛化技術、強力拉矯技術、剪切自動換刀技術、帶鋼力學性能在線檢測等技術的發展和應用，將極大地提升帶鋼的板形與表面質量，也將大大提高機組的運行速度[63]。

2) 在連續退火板形控制技術方面，控制技術將會向多維度、多變量的協同控制方向發展，結合機組設備的先進技術，實現板形控制精度的提升[64-65]，未來將與在線力學性能檢測結果和在線板形檢測結果一起實現板形和產品性能的智能綜合調節控制。

3) 從普通強度鋼到高強鋼再到超高強鋼的研究一直是研究重點，特別是集超高強度、超高延伸率和超高擴孔率于一身的低成本綜合性能優良的超高強鋼一定是未來發展重點。帶鋼強度的提升必然會促進機組設備與工藝技術的提升。超高強鋼的高速穩定生產，特別是“一鍵”退火、自動退火，甚至是根據用戶個性化需求實現生產工藝(含退火溫度、機組速度、平整工藝等)在線自動調整的智能退火，實現少人化、無人化，將成為連續退火的發展趨勢。

4) 隨著國家“碳達峰”與“碳中和”戰略的提升，冶金行業采取了一系列的節能減排措施，在連續退火機組方面，低溫堿洗、堿液在線循環利用、低溫余熱回收、高效加熱、快速熱處理、低溫退火工藝、高速穩定通板、平整液在線回收利用、帶鋼質量與節能關系等技術的研究也將成為趨勢[66]。