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研究背景
鋼鐵材料是支撐國民經(jīng)濟、重大工程和裝備建設(shè)的關(guān)鍵原材料，其中95%以上需經(jīng)熱軋工序才能成材。因此，熱軋鋼材的綜合質(zhì)量水平是衡量鋼鐵工業(yè)技術(shù)發(fā)展的重要指標(biāo)。在國家持續(xù)科研與技術(shù)研發(fā)支持下，我國已在熱軋鋼材力學(xué)性能調(diào)控、尺寸形狀控制及表面質(zhì)量優(yōu)化等領(lǐng)域取得重要進展。成功開發(fā)出以“新一代TMCP”為代表的熱軋生產(chǎn)技術(shù)，改善了鋼材強韌性；引進吸收并創(chuàng)新了自動厚度與寬度控制技術(shù)，保證了產(chǎn)品的尺寸精度；開發(fā)出的熱軋氧化控制技術(shù)提升了鋼材的表面質(zhì)量。然而，上述進展屬于工業(yè)時代技術(shù)進步的結(jié)晶，具有顯著各自為戰(zhàn)的獨立控制特色，在提升單一質(zhì)量指標(biāo)的同時勢必犧牲其他質(zhì)量指標(biāo)。因此，如何進一步改善熱軋鋼鐵綜合質(zhì)量，決定了我國能否進一步提升產(chǎn)品競爭力、實現(xiàn)高效生產(chǎn)，從而在世界基礎(chǔ)原材料競爭之中立于不敗之地。
熱軋流程是典型多場耦合的鋼材成形成性過程。溫度與變形的綜合作用使軋件內(nèi)部發(fā)生包括元素固溶、微合金元素析出、回復(fù)及再結(jié)晶軟化等一系列復(fù)雜的物理冶金學(xué)過程。這些組織演變行為不僅決定了產(chǎn)品內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能，而且決定了軋件的變形抗力并影響著軋制過程力能參數(shù)的變化，是控制產(chǎn)品形狀與尺寸精度的核心因素。另一方面，軋制過程中軋件始終暴露在高溫與空氣環(huán)境下，不可避免會發(fā)生嚴(yán)重的表面氧化。作為軋輥與軋件的界面介質(zhì)，氧化鐵皮厚度的變化可以改變界面摩擦系數(shù)，進而對軋制力能參數(shù)產(chǎn)生影響。同時，工業(yè)生產(chǎn)統(tǒng)計結(jié)果表明，產(chǎn)品表面質(zhì)量缺陷中的70%以上是由于高溫氧化行為控制不當(dāng)引起的。
總之，熱軋產(chǎn)品的組織演變、表面氧化行為和力能參數(shù)變化呈現(xiàn)強耦合且黑箱狀態(tài)的特點，只有破解這種難題，才能實現(xiàn)表面質(zhì)量、力學(xué)性能與尺寸精度的協(xié)調(diào)優(yōu)化，進而提升產(chǎn)品的綜合質(zhì)量。但傳統(tǒng)熱軋生產(chǎn)控制技術(shù)已無法解決這種復(fù)雜非線性系統(tǒng)的強耦合黑箱問題。近年來，大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)的快速發(fā)展在各行各業(yè)取得了顯著的應(yīng)用成效，為破解熱軋過程強耦合黑箱特性提供了可能。因此，結(jié)合工業(yè)大數(shù)據(jù)、軋制原理和新一代人工智能理論，開發(fā)破解熱軋過程強耦合黑箱特性的新方法，成為提升鋼材綜合質(zhì)量的重要發(fā)展方向。
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熱軋集成機器學(xué)習(xí)模型
為提高熱軋鋼材的綜合質(zhì)量，項目團隊融合基于數(shù)據(jù)的物理機制挖掘與知識學(xué)習(xí)、“力能組織界面”強耦合機器學(xué)習(xí)、動態(tài)相變遺傳機器學(xué)習(xí)和力學(xué)性能智能跟蹤，開發(fā)出熱軋集成機器學(xué)習(xí)模型系統(tǒng)，并基于此實現(xiàn)了熱軋產(chǎn)品質(zhì)量綜合調(diào)控，如圖1所示。
在基于數(shù)據(jù)的物理機制挖掘與知識學(xué)習(xí)方面，傳統(tǒng)物理冶金學(xué)模型因假設(shè)條件和實驗室數(shù)據(jù)擬合參數(shù)，在工業(yè)場景偏差大。項目團隊通過引入符號回歸等人工智能算法，在不考慮理論假設(shè)的條件下，從生產(chǎn)數(shù)據(jù)中挖掘變量內(nèi)稟關(guān)系，推導(dǎo)出顯示數(shù)學(xué)表達式，從而構(gòu)建出適用于復(fù)雜耦合環(huán)境的物理冶金學(xué)模型，并將這些模型作為熱軋集成機器學(xué)習(xí)系統(tǒng)的基礎(chǔ)模型框架。
在軋制過程中，項目團隊圍繞“組織-力能-氧化”強耦合現(xiàn)象，利用可實時測量的軋制載荷，通過流變應(yīng)力模型間接校正顯微組織演變模型關(guān)鍵參數(shù)，提升模型對熱軋產(chǎn)線的適應(yīng)性，并揭示出軋制過程奧氏體再結(jié)晶及晶粒形態(tài)的演變過程。同時，通過考慮軋件和軋輥的摩擦系數(shù)等影響因素，建立了非等溫氧化動力學(xué)模型，實現(xiàn)了對熱軋全流程氧化鐵皮厚度的預(yù)測，并進一步預(yù)測軋制力，從而提升板形的控制穩(wěn)定性。
在軋后連續(xù)冷卻過程，軋后奧氏體組織狀態(tài)和冷卻路徑共同作用決定了相變產(chǎn)物、各相比例及晶粒的細化程度。針對傳統(tǒng)模型無法準(zhǔn)確區(qū)分不同貝氏體形態(tài)相變產(chǎn)物的問題，項目團隊提出基于梯度提升樹與支持向量回歸的方法，實現(xiàn)相變產(chǎn)物類型及分數(shù)預(yù)測。在此基礎(chǔ)上，建立不同鋼種CCT數(shù)據(jù)庫，結(jié)合物理冶金學(xué)原理開發(fā)出了動態(tài)相變的遺傳性機器學(xué)習(xí)建模方法，實現(xiàn)了不同鋼種連續(xù)冷卻相變曲線的快速生成。
在力學(xué)性能智能跟蹤方面，高強鋼在冷卻階段發(fā)生復(fù)雜的相變行為，受冷卻路徑影響十分敏感。傳統(tǒng)組織性能預(yù)測模型僅依賴最終顯微組織數(shù)據(jù)，難以反映冷卻路徑對性能的影響。項目團隊通過綜合考慮連續(xù)冷卻CCT曲線與冷卻路徑，并引入卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建力學(xué)性能預(yù)測模型，提升模型對多模態(tài)信息的理解能力，實現(xiàn)力學(xué)性能高精度預(yù)測。
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熱軋集成機器學(xué)習(xí)模型的典型應(yīng)用
3.1熱連軋Ti微合金高強鋼綜合質(zhì)量及性能穩(wěn)定性提升
Ti微合金高強鋼因其優(yōu)異的力學(xué)性能和較低的生產(chǎn)成本廣泛應(yīng)用于汽車、工程機械等重點領(lǐng)域。然而鋼中Ti元素在冶煉過程中易與鋼水中的氧和氮發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致每爐鋼Ti的收得率都會發(fā)生較大變化。在當(dāng)前生產(chǎn)模式下，工藝控制過程未能考慮成分波動的影響，導(dǎo)致此類高強鋼產(chǎn)品性能波動巨大。如何持續(xù)提升Ti微合金高強鋼綜合性能指標(biāo)，解決性能波動問題，已成為兼顧企業(yè)利潤、滿足用戶使用需求的核心問題。
圍繞這一難題，項目團隊針對700MPa級Ti微合金高強鋼建立了熱軋集成機器學(xué)習(xí)模型，實現(xiàn)了加熱過程晶粒長大行為、軋制奧氏體再結(jié)晶行為、連續(xù)冷卻過程相變行為、微合金元素碳氮化物溶解析出行為、組織演變行為的定量描述，破解了鋼材軋制過程組織演變黑箱。通過重點計算Ti在熱軋全流程的溶解析出行為，建立析出行為對產(chǎn)品組織、性能影響規(guī)律的定量分析方法。根據(jù)煉鋼實際成分波動，利用模型動態(tài)優(yōu)化軋制及冷卻工藝，并通過二級系統(tǒng)進行實時控制，從而形成“反饋-計算-決策-控制”完整循環(huán)的動態(tài)工藝優(yōu)化。經(jīng)過工藝動態(tài)優(yōu)化，Ti微合金鋼性能波動降低50%以上。此外，通過充分考慮生產(chǎn)過程中軋件的顯微組織演變和表面氧化行為對軋制界面影響，使Ti微合金高強鋼軋制力預(yù)測精度較現(xiàn)有通用軋制力模型高出一倍以上。針對帶鋼表面氧化鐵皮過厚導(dǎo)致冷加工過程掉粉嚴(yán)重的問題，結(jié)合所開發(fā)的多目標(biāo)優(yōu)化算法，設(shè)計出兼顧力學(xué)性能與表面質(zhì)量的工藝優(yōu)化策略。工藝優(yōu)化后，氧化鐵皮厚度降低20%以上，大幅改善了冷加工過程鋼板表面掉粉問題，達到免酸洗產(chǎn)品要求。
3.2高強船板鋼寬厚板綜合質(zhì)量與軋制效率提升
高強船板鋼生產(chǎn)過程通常采用控制軋制工藝以保障強韌性，然而過低的軋制溫度易導(dǎo)致熱軋鋼板表面形成氧化鐵皮破壞軋件表面質(zhì)量，造成鋼板表面存在如色差、麻坑等缺陷，嚴(yán)重影響大型船舶的涂裝質(zhì)量。此外，傳統(tǒng)控制軋制還會嚴(yán)重降低生產(chǎn)效率。例如，單機架4300mm寬厚板生產(chǎn)線軋制高強船板鋼的中間坯待溫時間約4min，成為提高生產(chǎn)效率的瓶頸。因此，如何快速設(shè)計最優(yōu)工藝以改善產(chǎn)品組織性能和表面質(zhì)量，對提高企業(yè)生產(chǎn)水平至關(guān)重要。
為此，項目團隊建立高強船板鋼寬厚板熱軋集成機器學(xué)習(xí)模型，實現(xiàn)了軋制力的高精度預(yù)測。相比通用模型，集成機器學(xué)習(xí)模型預(yù)測精度大幅提升，為寬厚板產(chǎn)品的平面形狀控制奠定了良好基礎(chǔ)。此外，產(chǎn)品力學(xué)性能與表面質(zhì)量是鋼鐵產(chǎn)品不可或缺的衡量指標(biāo)，但二者的控制在熱軋生產(chǎn)中往往彼此矛盾，協(xié)同提升一直是鋼鐵行業(yè)的共性難題。基于寬厚板熱軋集成機器學(xué)習(xí)模型，通過多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計了高強船板鋼的生產(chǎn)工藝，取消了中間坯待溫過程。通過適度提高精軋溫度促使奧氏體發(fā)生再結(jié)晶細化晶粒，提高了顯微組織均勻性。與此同時，鋼板表面氧化鐵皮厚度降低至20-30μm，與原始工藝相比，表面氧化鐵皮與鋼板的界面平直度大大提高，使拋丸處理后鋼板的表面缺陷率與原始工藝相比降低75%以上，所開發(fā)的高效軋制工藝在保證力學(xué)性能的前提下，每塊鋼減少軋制時間超過2min，從而使整體軋制效率提高40%。實際工業(yè)生產(chǎn)表明，該工藝不僅為用戶提供了“內(nèi)外兼修”的高品質(zhì)船板鋼，而且實現(xiàn)了軋制效率的提升。
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結(jié)論與展望
目前，鋼鐵產(chǎn)品質(zhì)量控制的關(guān)鍵在于綜合控制顯微組織、尺寸形狀和表面質(zhì)量，而厘清其熱軋過程組織演變，破解“黑箱”過程成為控制產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵。本研究綜合利用機器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)及物理冶金學(xué)原理等，提出了融合多模態(tài)數(shù)據(jù)的熱軋鋼材集成機器學(xué)習(xí)模型。該模型可精準(zhǔn)解析軋制載荷、表面氧化和顯微組織間錯綜復(fù)雜的交互作用，從而實現(xiàn)軋件顯微組織演變、表面氧化行為和軋制力的高精度預(yù)測。同時，該模型能夠為工藝參數(shù)優(yōu)化、新鋼種和新工藝開發(fā)提供有力支持，進而提高整體生產(chǎn)效率。
