鋼鐵行業(yè)是國民經(jīng)濟的重要基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，是建設(shè)現(xiàn)代化強國的重要支撐，也是我國制造業(yè)二氧化碳排放的重點行業(yè)。綠色低碳鋼鐵冶金全國重點實驗室前身為鋼鐵冶金新技術(shù)國家重點實驗室，依托北京科技大學(xué)于2011年經(jīng)科學(xué)技術(shù)部批準(zhǔn)成立。2022年，以國家戰(zhàn)略需求為導(dǎo)向，圓滿完成國家重點實驗室重組任務(wù)，更名為綠色低碳鋼鐵冶金全國重點實驗室，成為首批進入新序列運行的全國重點實驗室。為此，世界金屬導(dǎo)報系統(tǒng)梳理了實驗室的最新技術(shù)進展，組織系列專題，加大成果宣傳、服務(wù)成果轉(zhuǎn)化，助力我國鋼鐵行業(yè)綠色低碳轉(zhuǎn)型發(fā)展。
鋼鐵被譽為工業(yè)的“糧食”，更是航母、高鐵和大飛機等國之重器的“骨骼”。在“十四五”這一我國實現(xiàn)碳達峰、碳中和戰(zhàn)略目標(biāo)的關(guān)鍵時期，鋼鐵行業(yè)也迎來了高質(zhì)量轉(zhuǎn)型發(fā)展的重大機遇。煉鋼-連鑄過程作為鋼鐵制造流程的核心環(huán)節(jié)，對生產(chǎn)效率和成本控制具有深遠影響。多年來，北京科技大學(xué)劉青教授領(lǐng)銜的冶金過程解析與智能化團隊，針對煉鋼-連鑄流程智能化轉(zhuǎn)型中面臨的共性難題，圍繞“鋼包精煉爐智能冶金”“連鑄凝固冷卻精益制造”“煉鋼廠多工序動態(tài)協(xié)同運行”等關(guān)鍵技術(shù)，開展了系統(tǒng)的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，取得了顯著的研究進展。 01 鋼包精煉爐智能冶金關(guān)鍵技術(shù) 高品質(zhì)鋼鐵材料是高端制造的基礎(chǔ)。鋼包精煉爐（Ladle Furnace，LF）作為鋼鐵生產(chǎn)工藝流程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，以其強大的精煉功能、良好的工序匹配性和較低的設(shè)備投資等優(yōu)勢，成為生產(chǎn)高品質(zhì)優(yōu)特鋼的“標(biāo)配”工序。然而，隨著鋼鐵工業(yè)向高端化、智能化、綠色化方向發(fā)展，當(dāng)前的LF精煉過程仍面臨冶煉效率低、模型精度差、操作依賴經(jīng)驗等行業(yè)共性問題，其主要原因在于工藝探索不全面、機理解析不完善、模型構(gòu)建不充分等。 針對這些問題，團隊自主創(chuàng)新研發(fā)了面向高品質(zhì)鋼生產(chǎn)的鋼包精煉爐智能冶金關(guān)鍵技術(shù)，并在多家鋼廠進行了推廣應(yīng)用。團隊立足于工藝解析和功能優(yōu)化，采用工況模式、專家知識、冶金機理與機器學(xué)習(xí)相融合的策略，原創(chuàng)了高品質(zhì)鋼LF智能精煉系統(tǒng)，并與實際數(shù)據(jù)緊密結(jié)合，實現(xiàn)了精煉過程中造渣脫硫、鋼水溫度、合金化和鋼包底吹氬氣的精準(zhǔn)預(yù)測和控制，突破了傳統(tǒng)LF精煉依賴多次取樣和操作人員經(jīng)驗進行控制的模式，如圖1所示。 首先，在精煉渣系優(yōu)化和脫氧脫硫方面，團隊開發(fā)了硫化物與氧化物復(fù)合夾雜控制技術(shù)及脫硫與夾雜物塑性化協(xié)同控制技術(shù)，攻克了脫硫與夾雜物塑性化相互制約的難題；構(gòu)建了適用于小樣本數(shù)據(jù)集的精煉脫硫模型，實現(xiàn)了一次添加石灰即可滿足精煉終點鋼水硫含量控制要求。 其次，在鋼水溫度控制方面，研發(fā)了基于專家控制與孤立森林-ZCA白化-改進深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)融合的鋼水溫度預(yù)測模型，并開發(fā)了基于熱平衡、工況模式和大數(shù)據(jù)分析的精煉鋼水溫度實時計算模型；首創(chuàng)了基于可解釋性機器學(xué)習(xí)的鋼水溫度控制方法，填補了傳統(tǒng)機器學(xué)習(xí)在鋼水溫度預(yù)測方面缺乏可解釋性的空白，鋼水溫度誤差在±5℃以內(nèi)的命中率達92%以上，實現(xiàn)了鋼水溫度“雙保險+窄窗口”的協(xié)同控制。 接著，在鋼水合金化方面，采用主成分分析法對高維特征輸入數(shù)據(jù)進行降維處理，明確了實際數(shù)據(jù)與模型輸入變量之間的定量關(guān)系，簡化了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并融合質(zhì)量守恒定律和改進的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建了高精準(zhǔn)的合金收得率預(yù)測模型和合金加入量計算模型；硅鐵合金和錳鐵合金加入量計算值與實際值的誤差分別在±10kg和±5kg以內(nèi)的命中率均達到98%以上，實現(xiàn)了合金料加入量的精準(zhǔn)計算，從根本上解決了精煉鋼水成分控制不準(zhǔn)確的難題。 最后，在鋼包底吹氬氣攪拌方面，運用響應(yīng)面法開發(fā)了多模式鋼包底吹氬氣調(diào)控模型，實現(xiàn)了定量化、標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化的氬氣控制，完善了底吹氬氣操作模式，提高了鋼水?dāng)嚢栊?，突破了生產(chǎn)現(xiàn)場依賴渣眼控制鋼包底吹氬氣流量而無法兼顧鋼水質(zhì)量和精煉效率的瓶頸。 項目成果在三家鋼廠應(yīng)用后，LF精煉鋼水質(zhì)量和生產(chǎn)運行效率顯著提升，大幅提高了鋼包智能精煉水平，實現(xiàn)了高品質(zhì)鋼的穩(wěn)定生產(chǎn)。電極消耗降低0.035kg/t，石灰消耗降低0.36kg/t，鋁線消耗降低0.183kg/t，硅鐵合金消耗降低0.35kg/t，錳鐵合金消耗降低0.43kg/t，氬氣消耗降低0.16m3/t，精煉周期縮短3.6min，電能消耗降低4.05kWh/t。2021年至2023年，三家鋼鐵企業(yè)新增銷售額逾103億元，創(chuàng)造利潤逾12億元。成果榮獲中國商業(yè)聯(lián)合會科技進步獎特等獎、世界發(fā)明創(chuàng)新大賽WIC金獎，入選“2023年度鋼鐵工業(yè)智能制造十大要聞”、加拿大工程進展AIE。
02 連鑄凝固冷卻精益制造關(guān)鍵技術(shù) 連鑄作為生產(chǎn)高品質(zhì)鋼的核心工序之一，精確控制連鑄坯的凝固傳熱行為是實現(xiàn)鑄坯高效、高質(zhì)量生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。然而，當(dāng)前連鑄生產(chǎn)過程普遍面臨冷卻機理模型不完善、工藝控制精度低、鑄坯質(zhì)量波動大等共性難題；同時，在連鑄噴嘴的運維管控及檢測分析手段方面也存在顯著不足，這些問題嚴(yán)重制約了高品質(zhì)鋼的連鑄生產(chǎn)?；诖?，研究團隊聚焦連鑄過程中的凝固傳熱、配水優(yōu)化與缺陷控制等關(guān)鍵技術(shù)，深入開展研究，創(chuàng)新性地研發(fā)了高品質(zhì)鋼連鑄凝固冷卻精益制造技術(shù)，并在國內(nèi)多家鋼鐵領(lǐng)軍企業(yè)成功推廣應(yīng)用。 針對鑄坯凝固特性差異顯著、缺陷類型多樣且成因復(fù)雜等問題，單一化的連鑄冷卻控制技術(shù)難以滿足高品質(zhì)鋼連鑄的需求。為此，團隊創(chuàng)新性地提出了基于鋼凝固特性的多模式連鑄冷卻調(diào)控技術(shù)。通過解析不同類型鋼種的凝固特性與缺陷形成機理，確定了其冷卻過程關(guān)鍵參數(shù)的控制范圍，并開發(fā)了多種連鑄冷卻調(diào)控模式，如圖2所示，有效解決了相應(yīng)鋼種裂紋及偏析等缺陷頻發(fā)的問題。此外，團隊運用機器學(xué)習(xí)方法，構(gòu)建了基于主成分分析（PCA）-深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（DNN）的連鑄坯內(nèi)部裂紋預(yù)測模型，為連鑄工藝的關(guān)鍵參數(shù)調(diào)控提供了科學(xué)指導(dǎo)。 針對連鑄坯二次冷卻不均勻性問題，主要表現(xiàn)為鑄坯表面寬度方向的溫度差異（橫向冷卻不均勻性）和拉坯方向的溫度波動（縱向冷卻不均勻性），團隊開發(fā)了連鑄縱-橫凝固冷卻控制技術(shù)及相應(yīng)的檢測設(shè)備。 針對噴嘴性能波動、冷卻水量和噴淋系統(tǒng)配置不合理導(dǎo)致的鑄坯質(zhì)量問題，團隊創(chuàng)新研發(fā)了多功能噴淋水霧化及冷卻效果檢測設(shè)備。系統(tǒng)解析了二冷區(qū)噴淋水量分布特征，揭示了鑄坯表面水量分布和溫度變化的不均勻性本質(zhì)?；诖?，進一步優(yōu)化了噴嘴配置方案，有效解決了鑄坯在縱、橫方向上的冷卻不均性調(diào)控問題。 另外，微合金鋼析出相變行為調(diào)控是提升鑄坯高溫力學(xué)性能和顯微組織的關(guān)鍵。針對第二相粒子尺度小、難以動態(tài)檢測、缺乏定量化表征方法的問題，團隊創(chuàng)新性地提出了采用“浮凸”表征第二相析出行為的新方法，揭示了不同冷速下第二相粒子析出尺寸、數(shù)量和分布的變化規(guī)律，并探究了第二相析出行為對促進γ→α組織相變的作用機制。在此基礎(chǔ)上，建立了基于鑄坯表面冷速控制的第二相粒子釘扎力預(yù)測模型，以及描述α鐵素體析出量、轉(zhuǎn)變時間、開始轉(zhuǎn)變溫度、冷卻速率等多參數(shù)的定量關(guān)系模型，實現(xiàn)了連鑄過程微合金鋼析出相變行為的精準(zhǔn)控制。 團隊研發(fā)的連鑄凝固冷卻精益制造關(guān)鍵技術(shù)，在高品質(zhì)鋼連鑄生產(chǎn)領(lǐng)域取得了重大突破。該技術(shù)成果已成功在多家板材、棒材、線材等領(lǐng)軍企業(yè)中得到全面推廣與應(yīng)用，實現(xiàn)了高品質(zhì)鋼連鑄板坯凝固冷卻過程的精準(zhǔn)控制，顯著改善了非調(diào)質(zhì)鋼、合金包晶鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼和優(yōu)質(zhì)碳素鋼連鑄坯的裂紋、偏析等缺陷，大幅提升了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。自2018年至今，累計產(chǎn)生經(jīng)濟效益達16.16億元。此外，該技術(shù)成果榮獲德國紐倫堡、瑞士日內(nèi)瓦、韓國首爾國際發(fā)明博覽會金獎1項、銀獎2項，以及中國發(fā)明協(xié)會發(fā)明創(chuàng)業(yè)獎創(chuàng)新獎一等獎、冶金科學(xué)技術(shù)獎二等獎。
03 煉鋼廠多工序動態(tài)協(xié)同運行關(guān)鍵技術(shù) 鋼鐵工業(yè)作為國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)，自“十四五”以來始終堅持高質(zhì)量發(fā)展理念，智能化已成為其重點發(fā)展方向。煉鋼廠作為鋼鐵企業(yè)的核心單位，其智能制造的關(guān)鍵難題在于如何面向生產(chǎn)全流程，通過構(gòu)建制造流程物理系統(tǒng)和數(shù)字系統(tǒng)的深度融合，實現(xiàn)多工序動態(tài)協(xié)同運行，以適應(yīng)復(fù)雜多變的生產(chǎn)環(huán)境，為產(chǎn)品帶來高品質(zhì)和高附加值。 團隊聚焦國內(nèi)大量存在的無精煉跨煉鋼廠（車間布局復(fù)雜）以及多樣化的生產(chǎn)訂單要求，針對生產(chǎn)計劃與調(diào)度難、多工序銜接效率低、協(xié)同性差、運行水平難以準(zhǔn)確評價等一系列共性問題，創(chuàng)新研發(fā)了煉鋼廠多工序動態(tài)協(xié)同運行關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)了鐵素物質(zhì)流動態(tài)有序、協(xié)同連續(xù)運行。該技術(shù)基于冶金流程學(xué)理論，首先在物質(zhì)流運行規(guī)律的知識提取方面，基于系統(tǒng)化知識構(gòu)建思想，通過揭示多因素作用下的鐵素物質(zhì)流運行規(guī)律，根據(jù)其通用性、專用適配性和動態(tài)性分類提取出調(diào)度規(guī)則，開發(fā)了具有高普適性的調(diào)度規(guī)則庫，提升了一般生產(chǎn)調(diào)度模型/系統(tǒng)的可用性，對各工序標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)起到了引導(dǎo)作用。 進而，在生產(chǎn)調(diào)度層面，團隊開展了基于生產(chǎn)運行模式優(yōu)化的智能調(diào)度研究，根據(jù)“爐-機對應(yīng)”的原則，創(chuàng)新性地開發(fā)了“一爐對一機”和“定爐對定機”模式下適用于集中決策的靜態(tài)調(diào)度模型和算法，以及動態(tài)擾動環(huán)境下適用于分散決策的多智能體（Multi-Agent）動態(tài)調(diào)度系統(tǒng)模型，率先攻克了國內(nèi)煉鋼廠爐-機對應(yīng)關(guān)系復(fù)雜、各類隨機擾動頻發(fā)等影響生產(chǎn)運行的難題。 之后，在生產(chǎn)管控層面，團隊開展了面向動態(tài)協(xié)同運行的系統(tǒng)仿真研究，針對我國煉鋼廠較為普遍存在的無精煉跨復(fù)雜車間布局與多工序協(xié)同運行難以管控等問題，首次提出了綜合考慮車間平面布置、天車運行、鋼包運轉(zhuǎn)等多種約束的煉鋼廠多工序運行仿真模型，創(chuàng)新實現(xiàn)了煉鋼廠生產(chǎn)運行模式與天車/鋼包運行的動態(tài)協(xié)同。 最后，為量化評價煉鋼廠多工序協(xié)同效果，團隊提出了多工序協(xié)同運行質(zhì)量的綜合評價技術(shù)，如圖3所示，開發(fā)了基于層流運行水平、工序匹配水平和調(diào)度模型可用性的綜合評價模型；提出了可量化表征煉鋼-連鑄過程多工序協(xié)同運行水平的評價指標(biāo)，填補了煉鋼廠多工序協(xié)同運行質(zhì)量評價領(lǐng)域的空白。 項目在兩家鋼廠實施后，煉鋼廠的生產(chǎn)運行節(jié)奏與有序性顯著提升，大幅提高了煉鋼廠生產(chǎn)運行的智能化水平。煉鋼-連鑄過程單澆次總生產(chǎn)運行時間縮短了18.6min以上，轉(zhuǎn)爐出鋼溫度降低了5.2℃以上，氧氣消耗減少了2.6m3/t以上，兩廠年精整鑄坯量減少1700余支。2019年至2021年，兩廠新增鋼產(chǎn)量達125.33萬噸，新增產(chǎn)值52.2982億元，創(chuàng)造利潤4.9012億元。該成果榮獲教育部科技進步二等獎和中國商業(yè)聯(lián)合會科技進步一等獎。 近五年，團隊發(fā)表學(xué)術(shù)論文60余篇，獲得授權(quán)國家發(fā)明專利30余件，美日等國際發(fā)明專利10余件，出版專著2部；榮獲國際獎勵8項，省部級科技獎勵6項，各有2項成果分別入選“2023年度鋼鐵工業(yè)智能制造十大要聞”和“加拿大工程進展AIE”。上述成果對寶武、河鋼、南鋼、湘鋼、山鋼等企業(yè)的科技進步起到了有力的推動作用。
