一、研究的背景與問題

隨著鋼鐵產(chǎn)品應(yīng)用場景的高端化以及消費者要求的進一步提高，對高品質(zhì)板帶的外觀精細特性和組織性能均提出了更為苛刻的要求。通過對業(yè)內(nèi)的主要鋼廠調(diào)研發(fā)現(xiàn)，此類高品質(zhì)的帶鋼產(chǎn)品出現(xiàn)的質(zhì)量抱怨和質(zhì)量異議90%出現(xiàn)在外觀精細特性上。這種形表外觀精細特性的控制，一方面源于對技術(shù)的掌控，同時對設(shè)備管理和生產(chǎn)管理也提出了極高的要求。項目組工作力求實現(xiàn)高品質(zhì)板帶形性表檢測的智能化、預(yù)報的準確性、系統(tǒng)優(yōu)化的兼容性。

板形檢測技術(shù)是采集帶材本身的物理特征并轉(zhuǎn)化為板形顯示，大多數(shù)冷軋產(chǎn)線選擇接觸式板形輥作為檢測的主要手段，但是熱軋產(chǎn)線受高溫高速影響一般不適用接觸式測量?，F(xiàn)有的熱軋產(chǎn)線多數(shù)采用的是IMS公司的平直度儀，采用干涉條紋原理，調(diào)試復(fù)雜而且導(dǎo)出結(jié)果只是凸度曲線，不夠直觀也不利于后續(xù)追蹤調(diào)控。升級的Topplan系統(tǒng)增加了掃描攝像頭，其受環(huán)境因素干擾，導(dǎo)致精度下降且維護成本較高。此外，檢測系統(tǒng)和設(shè)備放置位置存在限制，機架間的板形情況以及遺傳變化情況均無法實際測量。因此，板形檢測的另一項研究核心是利用智能算法與軋制工藝參數(shù)相結(jié)合以對軋后板形進行離線預(yù)測?？墒且酝腟MS、Tmeic模型預(yù)測結(jié)果精度的一致性較差。另一方面熱軋需要考慮到軋件、軋輥、冷卻水的綜合影響，也導(dǎo)致現(xiàn)有的預(yù)報系統(tǒng)準確度不高。與之相對應(yīng)的熱軋來料組織性能參數(shù)作為熱連軋過程力學(xué)性能預(yù)報、溫度制度與軋制規(guī)程優(yōu)化控制的重要初始條件，如何解決連鑄坯組織性能參數(shù)輸出與熱軋來料組織性能參數(shù)輸入的斷鏈問題，也顯得更為突出且重要。

目前眾多鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)表面質(zhì)量檢測一直由人工目視卷料的缺陷類型、級別、位置，人工檢出率僅能達到80%。而高端的國外檢測設(shè)備，例如德國Parsytec和美國Cognex系統(tǒng)采購和維護成本高昂，在面對一些復(fù)雜的工況環(huán)境，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和檢測精度會受到一定影響。而且這些系統(tǒng)依然采用傳統(tǒng)的算法模式需要漫長的數(shù)據(jù)收集工作，與企業(yè)現(xiàn)有其他生產(chǎn)管理軟件的兼容性存在問題，數(shù)據(jù)交互障礙明顯，導(dǎo)致這些系統(tǒng)的檢測精度、深度、靈活性不足又無法本土化融入。

項目組在立項時，已經(jīng)完成了表面質(zhì)量檢測、板形預(yù)報等理論模型的開發(fā)。完成單位燕山大學(xué)在軋制領(lǐng)域有著專業(yè)的理論功底與強大的科研力量，河鋼、寶鋼、鞍鋼等集團公司有著豐富的生產(chǎn)經(jīng)驗，國內(nèi)外享譽全球的產(chǎn)品技術(shù)創(chuàng)新實踐平臺。因此，項目組在科研力量、創(chuàng)新水平、推廣應(yīng)用以及工業(yè)化生產(chǎn)等方面有著絕對性的優(yōu)勢。

二、解決問題的思路與技術(shù)方案

總體思路與項目整體技術(shù)路線如下圖所示。

圖1項目總體思路和技術(shù)路線

首先，完成多模態(tài)信息融合檢測與多機架多工序協(xié)同的板形控制技術(shù)的開發(fā)：建立基于三角測量原理的3D線激光及可見光圖像融合的熱軋帶鋼平直度檢測系統(tǒng)。作為板帶智能檢測技術(shù)的補充和延伸，開發(fā)考慮冷卻水復(fù)雜環(huán)境下軋輥及板形狀態(tài)的智能預(yù)報系統(tǒng)。在板形控制方面，研發(fā)以各機架竄動量與彎輥力作為參數(shù)的控制模型和冷熱軋工序板形前饋控制技術(shù)，實現(xiàn)冷熱軋工序板形與斷面形狀的協(xié)同控制。

其次，完成基于大模型的熱軋過程工藝與力學(xué)性能控制技術(shù)的開發(fā)：建立熱軋跨工序過程顯微組織參數(shù)對應(yīng)關(guān)系模型，保證熱連軋產(chǎn)線全流程材料組織演變與性能參數(shù)計算的連續(xù)性。開發(fā)基于大數(shù)據(jù)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的帶鋼力學(xué)性能算法，借助產(chǎn)品成分與連軋工藝影響模型對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型參數(shù)進行優(yōu)化，實現(xiàn)熱軋高品質(zhì)鋼力學(xué)性能綜合控制系統(tǒng)的開發(fā)。

最后，完成高品質(zhì)板帶表面特性智能檢測及一體化檢控技術(shù)的開發(fā)：搭建了表面質(zhì)量檢測整機設(shè)備及系統(tǒng)，開發(fā)表面質(zhì)量缺陷檢測識別深度學(xué)習(xí)算法。研發(fā)出表面質(zhì)量缺陷設(shè)定模型、數(shù)值仿真模型和缺陷信息反饋控制集成系統(tǒng)。同時組建一套帶鋼表面粗糙度預(yù)報模型和表面缺陷治理技術(shù)，最終形成高品質(zhì)板帶形性表綜合控制技術(shù)的創(chuàng)新與應(yīng)用。

三、主要創(chuàng)新性成果

1. 高品質(zhì)板帶板形與斷面形狀智能檢測及預(yù)報控制技術(shù)    建立了基于雙線 3D 線激光的熱軋帶鋼平直度檢測系統(tǒng)，提出了板帶振動平直度算法補償技術(shù)，實現(xiàn)了熱軋帶鋼生產(chǎn)過程中的平直度、浪形缺陷檢測。建立了完整的“預(yù)報-檢測-反饋-控制”全生態(tài)板形智能綜合控制手段，開發(fā)了一套充分考慮冷卻水復(fù)雜環(huán)境下軋輥狀態(tài)及板形智能預(yù)報系統(tǒng)。研發(fā)了以各機架竄動量與彎輥力作為控制參數(shù)的帶鋼板形與斷面形狀控制模型，實現(xiàn)了對熱軋帶鋼板形與斷面形狀的協(xié)同控制。開發(fā)了一套冷熱軋過程板形預(yù)報與前饋控制系統(tǒng)，進一步提升板帶質(zhì)量。獲發(fā)明專利7項；學(xué)術(shù)論文11篇；軟件著作權(quán)5項。

2. 高品質(zhì)熱軋板帶過程工藝與力學(xué)性能智能控制技術(shù)    建立熱軋跨工序過程顯微組織參數(shù)對應(yīng)關(guān)系模型，保證熱連軋產(chǎn)線全流程材料組織演變與性能參數(shù)計算的連續(xù)性。開發(fā)基于大數(shù)據(jù)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的高品質(zhì)鋼力學(xué)性能算法，借助全流程一體化跨尺度集成計算設(shè)計平臺和產(chǎn)品成分與連軋工藝影響模型對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型參數(shù)進行優(yōu)化，實現(xiàn)力學(xué)性能參數(shù)的快速準確計算。以變形抗力的橫縱向分布為橋梁，將組織演變與性能關(guān)系和軋制壓力模型相結(jié)合，建立薄板熱連軋過程板形與斷面形狀機理模型，以此反映帶鋼力學(xué)性能沿寬度方向的變化。進而，揭示熱連軋產(chǎn)線高品質(zhì)鋼成分-工藝-組織-性能之間的數(shù)字映射關(guān)系，建立熱連軋產(chǎn)線連軋過程多維動態(tài)數(shù)字孿生平臺，實現(xiàn)帶鋼橫縱方向屈服強度、抗拉強度與延伸率等力學(xué)性能指標的數(shù)字化模擬與可視化顯示。獲發(fā)明專利5項；學(xué)術(shù)論文8篇；軟件著作權(quán)2項。

3. 高品質(zhì)板帶表面特性智能檢測及控制技術(shù)的開發(fā)    在表面質(zhì)量方面建立了表面質(zhì)量缺陷設(shè)定模型和AI驅(qū)動的深度學(xué)習(xí)識別算法，搭建了表面質(zhì)量檢測整機設(shè)備及系統(tǒng)，為目標鋼板的缺陷分類分級以及智能化控制系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)分析與決策支持。完成了表面質(zhì)量缺陷設(shè)定模型、數(shù)值模擬仿真和和缺陷信息反饋控制手段三方面結(jié)合的統(tǒng)一架構(gòu)，研發(fā)了三維點云數(shù)據(jù)專用算法和實時渲染技術(shù)，利用模擬仿真方法對檢測到的缺陷進行建模重現(xiàn)，同時利用缺陷重建后缺陷信息進行反饋調(diào)節(jié)。形成一套完整的覆蓋冷熱軋及后處理工序的形表一體化智能測控技術(shù)，實現(xiàn)了對高品質(zhì)板帶缺陷的全面調(diào)控。獲得發(fā)明專利7項；學(xué)術(shù)論文5篇；軟件著作權(quán)2項。

4. 國內(nèi)外同類技術(shù)對比

隨著鋼鐵產(chǎn)品應(yīng)用場景的高端化以及消費者要求的進一步提高，對高品質(zhì)板帶的外觀精細特性和組織性能均提出了更為苛刻的要求。目前，國際上對于高品質(zhì)板帶的外觀精細特性和組織性能控制工藝研究較多、水平較高的主要集中在德國蒂森、西門子、西馬克（SMS）公司、日本分東芝三菱公司、韓國浦項等發(fā)達國家的先進企業(yè)，但普遍存在生產(chǎn)工藝復(fù)雜、生產(chǎn)成本高、產(chǎn)品性能波動大、工藝及質(zhì)量不穩(wěn)定等技術(shù)難題。本項目所研發(fā)的高品質(zhì)板帶形性表綜合控制技術(shù)，以實現(xiàn)高品質(zhì)板帶生產(chǎn)的“形、性、表”測控一體化為目標，圍繞板帶形性表檢測、預(yù)報、控制等難題展開技術(shù)攻關(guān)。實現(xiàn)高品質(zhì)板帶形性表檢測的智能化、預(yù)報的準確性、系統(tǒng)優(yōu)化的兼容性。與國內(nèi)外同類產(chǎn)品關(guān)鍵指標對比，技術(shù)先進性體現(xiàn)如表5-1所示。

表1 該技術(shù)與國內(nèi)外同類技術(shù)對比情況表

由此看出，在表面質(zhì)量檢測水平和板形預(yù)報控制方面，趕超國際指標；在熱軋平直度檢測、支撐輥壽命提高和事故減少方面完成了新的突破。整體實現(xiàn)了全流程高精度、高質(zhì)量、智能化批量穩(wěn)定生產(chǎn)。滿足了高端企業(yè)市場對板帶的板形、表面質(zhì)量及性能差異性需求。

四、應(yīng)用情況與效果

實施效果1：

通過創(chuàng)新點一所述技術(shù)的應(yīng)用，系統(tǒng)檢測最大速度達到1200米/分鐘；熱軋板可軋厚度范圍最小可達1.5mm、最大可達25.4mm；熱軋板可軋寬度范圍最小可達1000mm、最大可達2130mm；寬度方向檢測精度達到0.375mm/點、行進方向檢測精度達到9mm/點檢測性能方面：使得板帶寬度測量精度≤±1mm、基于輥道中心的跑偏量測量精度≤±5mm、浪形高度精度≤±1mm、由于板形不良造成的板帶劃傷率≤0.3%；研發(fā)的板形預(yù)報及控制技術(shù)，大大加強了軋制過程中板形控制能力，提高了成品板形質(zhì)量，其中熱軋板形質(zhì)量≤35UI、板凸度≤20μm、板形預(yù)報精準≥97%、斷面形狀預(yù)報精準≥95%、軋輥輥形保持和磨損輪廓的精準預(yù)報≥90%、軋輥剝落事故次數(shù)減少30%、軋輥壽命提高30%；

實施效果2：

通過創(chuàng)新點二所述的技術(shù)應(yīng)用，實現(xiàn)帶鋼橫縱方向屈服強度、抗拉強度與延伸率等力學(xué)性能指標的數(shù)字化模擬與性能提升。其中產(chǎn)品性能預(yù)報準確率≥99.5%、工藝控制命中率100%。

實施效果3：

通過創(chuàng)新點三所述的技術(shù)應(yīng)用，表面缺陷綜合檢出率由96%提升到98%，分類分級準確率由91%提升到95%，自動判級人工一致率由之前的86%提升到90%，最終成品合格率從94%提升到99%；同時通過缺陷表現(xiàn)與生產(chǎn)工藝的關(guān)聯(lián)關(guān)系，指導(dǎo)工藝人員優(yōu)化工藝參數(shù)，相比于人工識別降低人工成本80萬元，效果顯著。

表2 應(yīng)用效果

圖2 應(yīng)用效果分類對比

圖3 應(yīng)用實施現(xiàn)場圖