一、研究的背景與問題
熱連軋高強(qiáng)鋼因其高強(qiáng)度、優(yōu)韌性、良好焊接性能、出色耐腐蝕性和高生產(chǎn)效率等優(yōu)勢(shì)，成為建筑、汽車、航空等行業(yè)的重要原材料。當(dāng)前，隨著高強(qiáng)鋼在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展，產(chǎn)品定制化生產(chǎn)特征日益增強(qiáng)，對(duì)質(zhì)量一致性要求不斷提高。熱連軋過程是高強(qiáng)鋼制造過程中的關(guān)鍵工序，軋件在生產(chǎn)過程中時(shí)變、非線性的特點(diǎn)，由單一品種批量化生產(chǎn)向多品種個(gè)性化生產(chǎn)轉(zhuǎn)型遇到瓶頸，在頻繁規(guī)格切換時(shí)質(zhì)量一致性和軋制穩(wěn)定性差，具體表現(xiàn)為過渡材消耗大、板形效果差、模型精度低、薄規(guī)格軋機(jī)振動(dòng)頻發(fā)，制約了熱連軋高強(qiáng)鋼產(chǎn)品高效制造。
山東鋼鐵集團(tuán)日照有限公司2050mm熱連軋產(chǎn)線于2017年引進(jìn)日本TMEIC新一代模型控制系統(tǒng)，但在高強(qiáng)鋼熱連軋過程中，多品種多規(guī)格頻繁切換時(shí)模型快速適應(yīng)難度較大，主要存在3個(gè)技術(shù)瓶頸：一是靜態(tài)模型精度低導(dǎo)致尺寸控制誤差大，二是快速過渡適應(yīng)困難導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量一致性差，三是薄硬規(guī)格振動(dòng)頻發(fā)導(dǎo)致軋制穩(wěn)定性差。當(dāng)前，業(yè)內(nèi)大多以實(shí)際穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行高強(qiáng)鋼軋制工藝優(yōu)化，對(duì)于非穩(wěn)態(tài)過程的管控的手段和能力不足。因此，以品規(guī)快速過渡過程的精準(zhǔn)建模和軋制工藝規(guī)程動(dòng)態(tài)優(yōu)化為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)鋼軋制品種規(guī)格切換時(shí)的快速精準(zhǔn)過渡和機(jī)架的協(xié)調(diào)穩(wěn)定控制，是高強(qiáng)鋼小批量多規(guī)格生產(chǎn)穩(wěn)定性和質(zhì)量一致性提升的必然選擇。
項(xiàng)目圍繞行業(yè)領(lǐng)域內(nèi)重大共性技術(shù)需求，依托山鋼日照2050mm熱連軋產(chǎn)線，由山鋼集團(tuán)日照公司、東北大學(xué)、北京科技大學(xué)、山鋼股份和北京科技大學(xué)設(shè)計(jì)研究院有限公司組成的研發(fā)團(tuán)隊(duì)，依托國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金及校企合作項(xiàng)目，開展了“數(shù)據(jù)+機(jī)理”驅(qū)動(dòng)的多模態(tài)融合控制大模型開發(fā)、軋制狀態(tài)綜合診斷分析、穩(wěn)定軋制協(xié)同管控和軋機(jī)振動(dòng)抑制技術(shù)等4個(gè)方面的創(chuàng)新性研究，解決了高強(qiáng)鋼熱連軋多品種多規(guī)格頻繁切換時(shí)的軋制不穩(wěn)定和質(zhì)量波動(dòng)大的難題。項(xiàng)目研究成果實(shí)現(xiàn)了智能化技術(shù)在熱連軋高強(qiáng)鋼的落地示范和引領(lǐng)，支撐下游行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。
二、解決問題的思路與技術(shù)方案
項(xiàng)目采取的總體思路是突破高強(qiáng)鋼規(guī)格頻繁切換過程中質(zhì)量穩(wěn)定性和質(zhì)量一致性差的技術(shù)瓶頸，開發(fā)熱連軋高強(qiáng)鋼品規(guī)快速過渡與穩(wěn)定軋制智能優(yōu)化控制技術(shù)?；诟邚?qiáng)鋼熱軋生產(chǎn)大數(shù)據(jù)平臺(tái)，融合軋制機(jī)理模型建立“機(jī)理+數(shù)據(jù)”多模態(tài)融合大模型，提高模型設(shè)定精度?；诖竽Ｐ脱邪l(fā)品規(guī)快速過渡協(xié)同管控技術(shù)和穩(wěn)定軋制工藝方案，縮短高強(qiáng)鋼規(guī)格切換過程的過渡時(shí)間，保證質(zhì)量一致性。解析加熱-除鱗-軋制工序遺傳效應(yīng)，優(yōu)化液壓和傳動(dòng)系統(tǒng)，研發(fā)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的抑振器自抗擾技術(shù)和工序遺傳的振動(dòng)抑制技術(shù)，解決品規(guī)快速過渡引起的軋機(jī)振動(dòng)難題。項(xiàng)目技術(shù)路線如圖1所示。
圖1總體技術(shù)路線
三、主要?jiǎng)?chuàng)新性成果
1、面向快速過渡的“機(jī)理+數(shù)據(jù)”多模態(tài)融合控制大模型開發(fā)
研究了高強(qiáng)鋼快速過渡軋制存在問題，特別是規(guī)格切換后首支鋼和換輥后首支鋼的偏差較大，分析出主要原因是工藝控制模型的適應(yīng)性整體較差，表現(xiàn)為浪形等板形問題較多、頭尾和全長(zhǎng)命中率偏低、頭尾寬度控制水平低等，針對(duì)具體問題以機(jī)理模型作為機(jī)器學(xué)習(xí)不可測(cè)輸入節(jié)點(diǎn)，工程法模型作為多層架構(gòu)中間節(jié)點(diǎn)，輔以專家知識(shí)約束，研發(fā)了“機(jī)理+數(shù)據(jù)”多模態(tài)融合大模型，成功替代進(jìn)口模型并應(yīng)用于高強(qiáng)鋼三維尺寸控制。同時(shí)，對(duì)新開發(fā)產(chǎn)品的三維尺寸大模型進(jìn)行遷移學(xué)習(xí)，二級(jí)品率下降26.98%。研發(fā)了基于概念漂移檢測(cè)的在線滾動(dòng)優(yōu)化方法，解決了三維尺寸控制過程中因數(shù)據(jù)漂移而產(chǎn)生的模型精度下降的問題，并對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)更新優(yōu)化，從而保證模型的預(yù)測(cè)穩(wěn)定性。
圖2“機(jī)理+數(shù)據(jù)”多模態(tài)融合控制大模型開發(fā)
2、高強(qiáng)鋼品規(guī)快速過渡與穩(wěn)定軋制協(xié)同管控技術(shù)
項(xiàng)目開發(fā)了質(zhì)量診斷系統(tǒng)，建立了模型參數(shù)誤差貢獻(xiàn)率評(píng)價(jià)模型，獲得了尺寸精度、板形等關(guān)鍵參數(shù)評(píng)分指標(biāo)，通過品規(guī)分檔優(yōu)化，解決了快速過渡自學(xué)習(xí)跳變引起的質(zhì)量缺陷，突破了高強(qiáng)鋼熱軋變形抗力切換跨度<200MPa的局限。研發(fā)了輥系參數(shù)調(diào)優(yōu)技術(shù)，通過集合輥系-軋件耦合變形、磨損輥形、熱輥形等模型，對(duì)疑難板形進(jìn)行多機(jī)架協(xié)調(diào)優(yōu)化。開發(fā)了基于輥系優(yōu)化的排產(chǎn)優(yōu)化策略，系統(tǒng)可批量導(dǎo)入排產(chǎn)計(jì)劃并給出換品規(guī)時(shí)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)，為排產(chǎn)系統(tǒng)提供優(yōu)化依據(jù)，高強(qiáng)鋼品規(guī)過渡速度提升了28.6%。建立了軋制規(guī)程的多目標(biāo)動(dòng)態(tài)優(yōu)化策略，實(shí)現(xiàn)了不同工況下規(guī)程的動(dòng)態(tài)優(yōu)化，開發(fā)了品規(guī)快速過渡與穩(wěn)定軋制協(xié)同管控軟件，生產(chǎn)效率提高5.02%，質(zhì)量異議減少12.4%，實(shí)現(xiàn)了普碳鋼向1000MPa級(jí)高強(qiáng)鋼極薄規(guī)格的快速過渡。
圖3品規(guī)快速過渡與穩(wěn)定軋制協(xié)同管控
3、基于工序遺傳的高強(qiáng)鋼熱連軋過程振動(dòng)抑制技術(shù)
圖4高強(qiáng)鋼熱連軋過程振動(dòng)抑制技術(shù)
項(xiàng)目研發(fā)了數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的抑振器自抗擾技術(shù)，根據(jù)異常振動(dòng)數(shù)據(jù)生成反向抑制信號(hào)，參與AGC調(diào)節(jié)，抵消系統(tǒng)的扭振、垂振和耦合振動(dòng)。同時(shí)，研發(fā)了工序遺傳的振動(dòng)抑制技術(shù)，采集上下游工序軋制力、傳動(dòng)力矩、軋機(jī)垂振等信號(hào)，調(diào)整液壓油阻尼狀態(tài)和傳動(dòng)系統(tǒng)控制頻率，減輕軋機(jī)振動(dòng)能量。針對(duì)二維軋制界面特性及三維軋機(jī)振動(dòng)進(jìn)行分析，提出了多尺度多維度振動(dòng)機(jī)理模型，融合振動(dòng)數(shù)據(jù)，建立了軋機(jī)振動(dòng)能量預(yù)測(cè)模型，給出軋機(jī)振動(dòng)能量判據(jù)，振動(dòng)預(yù)測(cè)精度達(dá)到92.3%。抑振技術(shù)實(shí)施后，扭振由異常振動(dòng)時(shí)的幅值30.1t·m減小到5.7t·m;工作輥垂振加速度由0.147g減小到0.0025g，減少了軋機(jī)振動(dòng)能量、降低了振動(dòng)發(fā)生頻率，抑振效果明顯。
四、應(yīng)用情況與效果
該項(xiàng)目首次開發(fā)了熱連軋高強(qiáng)鋼品規(guī)快速過渡與穩(wěn)定軋制關(guān)鍵技術(shù)，成功應(yīng)用于山東鋼鐵集團(tuán)日照有限公司2050mm熱連軋產(chǎn)線。典型規(guī)格高強(qiáng)熱軋過程的軋制力設(shè)定精度由93.4%提升至95.8%，厚度命中率達(dá)到97.5%。寬度命中率由92.3%提高至96.5%。板凸度偏差在±15μm命中率達(dá)到97.3%，平直度偏差在±20IU命中率達(dá)到96.8%。規(guī)格切換效率提高了28.6%，實(shí)現(xiàn)了1000MPa級(jí)高強(qiáng)鋼1.5mm產(chǎn)品的快速過渡。本項(xiàng)目相關(guān)技術(shù)還推廣應(yīng)用到首鋼、鞍鋼、馬鋼、本鋼等熱連軋產(chǎn)線，在汽車鋼、管線鋼、建筑用鋼等典型產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了品規(guī)快速過渡與穩(wěn)定軋制，直接經(jīng)濟(jì)效益顯著。項(xiàng)目形成的系列技術(shù)具有很強(qiáng)的應(yīng)用示范作用，極大提升了產(chǎn)線效率和效益，可以在行業(yè)內(nèi)進(jìn)行廣泛推廣應(yīng)用。
圖5應(yīng)用效果
信息來源：山東鋼鐵集團(tuán)日照有限公司
