??讓數(shù)字化成為鋼鐵熱軋產(chǎn)品質(zhì)量控制的制勝法寶

??——記東北大學(xué)2011鋼鐵共性技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心先進(jìn)熱軋工藝、裝備及產(chǎn)品團(tuán)隊(duì)

??鋼鐵是保障經(jīng)濟(jì)民生與重大工程建設(shè)的基礎(chǔ)原材料，我國(guó)年產(chǎn)鋼量超過(guò)11億噸，穩(wěn)居世界首位。95％以上的鋼鐵材料，需經(jīng)過(guò)熱軋工序軋制成材。因此，熱軋是鋼鐵生產(chǎn)的核心工序，而熱軋鋼材的質(zhì)量，則是一個(gè)國(guó)家鋼鐵工業(yè)整體水平的標(biāo)志，它不僅決定了鋼材的尺寸形狀，也決定了內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)、宏觀力學(xué)性能以及表面質(zhì)量。

??鋼材熱軋生產(chǎn)，既是一個(gè)成形成性的多工序集成，也是一個(gè)充滿“黑箱”的未知世界。要想實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制，需要每個(gè)“黑箱”都能夠清晰呈現(xiàn)出來(lái)，一直以來(lái)，都是鋼鐵人為之奮斗的終極目標(biāo)。

??正是在這一背景下，20世紀(jì)70-80年代，世界各國(guó)的鋼鐵企業(yè)，開(kāi)始了軋制過(guò)程組織演變及表面氧化行為的探索。當(dāng)時(shí)，中國(guó)的鋼鐵工業(yè)即將騰飛，中國(guó)工程院院士王國(guó)棟已經(jīng)敏銳地抓住了這一國(guó)際發(fā)展趨勢(shì)。劉振宇教授當(dāng)時(shí)正在王院士門下攻讀碩士研究生，從此，破解軋制過(guò)程黑箱的難題，便成了他至今仍魂?duì)繅?mèng)繞的所在。

??艱辛探索，實(shí)現(xiàn)“一鋼多能”的集約化生產(chǎn)目標(biāo)

??熱軋過(guò)程看似只是加熱鋼材壓延成型的簡(jiǎn)單過(guò)程，但其實(shí)卻是極端復(fù)雜的：不僅生產(chǎn)過(guò)程中需要同時(shí)控制的變量多達(dá)幾十上百個(gè)，而且還需要在高速運(yùn)行的狀態(tài)下完成材料的成形成性。如此一來(lái)，主要依靠海量模擬實(shí)驗(yàn)建立的軋制過(guò)程顯微組織演變與鋼材氧化模型，由于實(shí)驗(yàn)條件與生產(chǎn)過(guò)程嚴(yán)重不符，會(huì)導(dǎo)致模型的預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程存在很大差距。

??與此同時(shí)，隨著鋼鐵產(chǎn)品高強(qiáng)化的發(fā)展，添加微合金元素帶來(lái)的復(fù)雜性，導(dǎo)致現(xiàn)有物理冶金學(xué)理論無(wú)法精準(zhǔn)描述熱軋生產(chǎn)中發(fā)生的各種現(xiàn)象。破解“黑箱”成為一項(xiàng)不可能完成的課題，國(guó)際各大鋼鐵企業(yè)紛紛下馬了相關(guān)研究項(xiàng)目。

??國(guó)際人工智能領(lǐng)域的突破，為這種令鋼鐵人一籌莫展的局面帶來(lái)了一絲曙光。為跟蹤這一新發(fā)展趨勢(shì)，劉振宇與東北大學(xué)自動(dòng)化專業(yè)的王殿輝合作，將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論和方法應(yīng)用于熱軋鋼材組織性能的預(yù)測(cè)，在國(guó)際上首次發(fā)表了應(yīng)用人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)研究C-Mn鋼性能的論文。

??這一突破帶來(lái)了系列研究及應(yīng)用成果，初步解決了熱軋鋼材性能變化的定量把控問(wèn)題，于1999年獲得了遼寧省科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。在此之后，基于梅鋼1422熱連軋生產(chǎn)線，劉振宇團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了智能化鋼種歸并技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了熱軋過(guò)程“一鋼多能”的集約化生產(chǎn)目標(biāo)。

??這項(xiàng)技術(shù)簡(jiǎn)化了煉鋼和連鑄工藝，提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品成材率，使新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期大大縮短，實(shí)現(xiàn)了對(duì)市場(chǎng)需求的快速響應(yīng)。在此期間，東北大學(xué)軋制技術(shù)及連軋自動(dòng)化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室還抓住智能技術(shù)發(fā)展的寶貴機(jī)遇，開(kāi)展軋制過(guò)程智能技術(shù)應(yīng)用研究，并在本鋼、寶鋼等工業(yè)生產(chǎn)線上應(yīng)用，為這些企業(yè)解決了性能在線預(yù)測(cè)的難題。2001年，金屬軋制過(guò)程的人工智能優(yōu)化項(xiàng)目獲得國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。

??“黑箱變白”，用數(shù)字孿生賦能鋼鐵智能制造

??在熱軋流程中，產(chǎn)品的組織性能、形狀尺寸和表面氧化呈現(xiàn)強(qiáng)耦合的特點(diǎn)決定了破解這些黑箱狀態(tài)是不可能通過(guò)解析單一過(guò)程而實(shí)現(xiàn)的。但以目前的理論和方法，只能通過(guò)引入相關(guān)假設(shè)條件再求解，割裂各現(xiàn)象之間的聯(lián)系，將彼此密切相關(guān)問(wèn)題拆分為彼此獨(dú)立的個(gè)體，因此結(jié)果會(huì)大大偏離實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程。

??近一個(gè)世紀(jì)以前，世界鋼鐵研究者即開(kāi)始思考如何精準(zhǔn)計(jì)算熱軋過(guò)程的軋制力變化，提出的模型林林總總，但至今也不能考慮顯微組織演變對(duì)鋼材軟化及硬化行為的影響以及氧化鐵皮厚度對(duì)界面摩擦的影響，因此嚴(yán)重制約了軋制力的計(jì)算精度。

??該如何突破這一難題，使軋制過(guò)程能夠清晰地呈現(xiàn)在生產(chǎn)者眼前？這成為了鋼鐵生產(chǎn)技術(shù)邁上新臺(tái)階的瓶頸。與國(guó)際各研究小組一樣，劉振宇教授與團(tuán)隊(duì)成員同樣在這道難題面前嘗遍了苦果，多年找不到突破的方向而徘徊不前。這方面的研究工作只能在艱辛跋涉中苦苦支撐。然而，在每次嘗試失敗后，王國(guó)棟院士總是給予鼓勵(lì)和支持，幫助分析前進(jìn)的方向和解決問(wèn)題的方案，溫暖的鼓勵(lì)和思路的點(diǎn)撥，使劉振宇和團(tuán)隊(duì)的研究終于堅(jiān)持了下來(lái)。

??為了找到鋼鐵生產(chǎn)智能化方向的突破口，2014年，王國(guó)棟院士主持召開(kāi)了“基于大數(shù)據(jù)的煉鋼-連鑄-軋鋼-熱處理一體化鋼鐵材料組織性能控制研討會(huì)”。會(huì)議分析了大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代信息技術(shù)，確立了基于大數(shù)據(jù)的一體化鋼鐵材料組織性能控制的任務(wù)與目標(biāo)，先后與鞍鋼、寶鋼梅鋼、河鋼承鋼建立了科研合作，以工業(yè)大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，利用大數(shù)據(jù)處理與挖掘技術(shù)，進(jìn)行材料力學(xué)性能預(yù)測(cè)，獲得高保真度的預(yù)測(cè)模型，即數(shù)字孿生，為鋼材性能的高精度智能化控制奠定了基礎(chǔ)。

??同時(shí)，新一代信息數(shù)字技術(shù)為破解鋼材表面質(zhì)量、力學(xué)性能與尺寸精度黑箱提供了新的方法路徑。吳思煒在攻讀博士期間，提出了數(shù)據(jù)逆向優(yōu)化方法，獲得了更高精度的軋制過(guò)程組織演變模型，在熱軋生產(chǎn)中解決了鋼材屈強(qiáng)比控制這一行業(yè)難題，證明了用好工業(yè)大數(shù)據(jù)的重要性。

??通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)科學(xué)與機(jī)器學(xué)習(xí)／深度學(xué)習(xí)等理論與方法的深入掌握，劉振宇團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步認(rèn)識(shí)到，熱軋生產(chǎn)中，軋制力作為可實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)檢測(cè)的關(guān)鍵參數(shù)，其實(shí)反映著軋件內(nèi)部顯微組織的演變狀態(tài)；與此同時(shí)，熱軋過(guò)程氧化行為影響著軋件與軋輥之間的摩擦狀態(tài)，也會(huì)在軋制力上反映出來(lái)。因此，只要能夠圍繞軋制力，通過(guò)工業(yè)數(shù)據(jù)的逆向?qū)W習(xí)，就一定可以同時(shí)弄清楚軋件流變應(yīng)力和界面摩擦系數(shù)的變化過(guò)程，從而解析出軋件再結(jié)晶、應(yīng)變誘導(dǎo)析出等組織演變與流變應(yīng)力、軋件表面氧化厚度與界面摩擦狀態(tài)的耦合關(guān)系，構(gòu)建起了熱軋大模型體系，實(shí)現(xiàn)了熱軋過(guò)程“形-性-面”高保真動(dòng)態(tài)數(shù)字孿生，從而使得熱軋過(guò)程“黑箱變白”。（如圖1所示）

??思路一變天地闊。這一學(xué)術(shù)思想突破以后，又一道難題擺在了眼前，就是如何才能通過(guò)僅有的實(shí)測(cè)軋制力去回溯如此復(fù)雜的組織演變和表面氧化過(guò)程呢？國(guó)際國(guó)內(nèi)沒(méi)有這方面的工作可以借鑒，更沒(méi)有相關(guān)算法可以使用。唯一的出路是自己開(kāi)發(fā)有關(guān)機(jī)器學(xué)習(xí)算法。這對(duì)于以材料和材料加工專業(yè)為主的劉振宇團(tuán)隊(duì)成員，無(wú)疑是一項(xiàng)難題。

??在困難面前畏首畏尾，從來(lái)不是他們的選擇。曹光明、吳思煒、周曉光、常嘯老師，帶領(lǐng)博士生崔春園、曹陽(yáng)、劉建軍、高志偉、李鑫等，經(jīng)過(guò)3年多的艱苦努力，終于開(kāi)發(fā)出獨(dú)有的算法程序。在此基礎(chǔ)上，他們建立了軋制過(guò)程軋件軟化行為與流變應(yīng)力以及表面氧化狀態(tài)與軋制摩擦狀態(tài)的耦合關(guān)系模型，開(kāi)發(fā)了熱軋過(guò)程“形-性-面”耦合機(jī)器學(xué)習(xí)框架，建立了通過(guò)集成學(xué)習(xí)方法實(shí)現(xiàn)軋制過(guò)程“形性面一體化”高保真動(dòng)態(tài)數(shù)字孿生，最終團(tuán)隊(duì)建立了生成式預(yù)訓(xùn)練系統(tǒng)，使破解熱軋過(guò)程強(qiáng)耦合黑箱過(guò)程成為可能，徹底突破了現(xiàn)有理論體系下對(duì)軋制生產(chǎn)過(guò)程的認(rèn)知。

??圖1熱軋強(qiáng)耦合過(guò)程及“形-性-面”一體化新方法

??圖2 Ti微合金鋼熱連軋軋制力計(jì)算精度對(duì)比及板形設(shè)定變化

??(a) 國(guó)際通用模型; (b) “形-性-面”耦合機(jī)器學(xué)習(xí)；（c）比例凸度變化曲線

??截至目前，劉振宇教授團(tuán)隊(duì)基于熱軋大模型開(kāi)發(fā)出的“形-性-面”一體化控制技術(shù)在我國(guó)鋼鐵生產(chǎn)線上已初具成效。在國(guó)內(nèi)某2250mm熱連軋產(chǎn)線，針對(duì)其生產(chǎn)的鈦微合金高強(qiáng)鋼，通過(guò)“形-性-面”耦合機(jī)器學(xué)習(xí)，使熱軋過(guò)程全面“黑箱變白”。采用此套方法，使軋制力預(yù)測(cè)精度比國(guó)際通用模型提高了一倍還多，大幅降低了薄規(guī)格產(chǎn)品產(chǎn)生邊浪的風(fēng)險(xiǎn)；通過(guò)工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)，使700MPa級(jí)別高強(qiáng)鋼性能波動(dòng)降低50%以上，且實(shí)現(xiàn)了免酸洗。針對(duì)國(guó)內(nèi)某中厚板產(chǎn)線管線鋼產(chǎn)品，在熱軋大模型基礎(chǔ)上通過(guò)“形-性-面”耦合機(jī)器學(xué)習(xí)進(jìn)行高效軋制工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了高效軋制工藝，實(shí)現(xiàn)了奧氏體晶粒和析出相尺寸細(xì)化，在力學(xué)性能和道次軋制負(fù)荷保持不變的基礎(chǔ)上，使軋制生產(chǎn)效率提高了近四分之一。

??圖3 700MPa級(jí)別高強(qiáng)鋼性能穩(wěn)定性控制的實(shí)際應(yīng)用效果

??如今，數(shù)字化技術(shù)已深深融入了鋼鐵智能制造的變革之中。鋼材智能制造的發(fā)展為鋼鐵產(chǎn)業(yè)帶來(lái)了巨大而積極的影響，讓“黑箱變白”，在提高生產(chǎn)效率的同時(shí)，提升了產(chǎn)品質(zhì)量。劉振宇教授團(tuán)隊(duì)采用數(shù)字化技術(shù)助力我國(guó)鋼鐵行業(yè)的智能制造，讓大數(shù)據(jù)握手大生產(chǎn)，促進(jìn)我國(guó)鋼鐵行業(yè)從依靠產(chǎn)量增加的規(guī)模化發(fā)展向高質(zhì)量發(fā)展轉(zhuǎn)變，更持續(xù)賦能世界鋼鐵工業(yè)持續(xù)發(fā)展。

??劉振宇教授為企業(yè)進(jìn)行熱軋技術(shù)講座

??劉振宇教授團(tuán)隊(duì)

（作者：王鈺慧）

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