前言
在產(chǎn)業(yè)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程中，測(cè)量技術(shù)一直發(fā)揮著基礎(chǔ)性的重要作用。新的測(cè)量技術(shù)推動(dòng)產(chǎn)業(yè)和科學(xué)進(jìn)步，而這些進(jìn)步又催生新的測(cè)量需求。神戶(hù)制鋼廣泛供應(yīng)支撐基礎(chǔ)設(shè)施的關(guān)鍵零部件，測(cè)量技術(shù)作為支撐安全、安心產(chǎn)品和可持續(xù)制造的主要基礎(chǔ)技術(shù)，在持續(xù)挑戰(zhàn)產(chǎn)品穩(wěn)定供應(yīng)和質(zhì)量提升的過(guò)程中得以錘煉發(fā)展。該公司不僅在無(wú)損檢測(cè)技術(shù)和過(guò)程測(cè)量技術(shù)方面有所建樹(shù)，還在特殊用途和環(huán)境條件下的測(cè)量技術(shù)上取得了獨(dú)特進(jìn)展，如微波或毫米波在粉塵環(huán)境中的測(cè)距技術(shù)、大型結(jié)構(gòu)體內(nèi)部宇宙射線透視/可視化技術(shù)、1300℃以上高溫過(guò)程的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)測(cè)溫傳感技術(shù)等，這些領(lǐng)域往往存在缺乏通用產(chǎn)品或現(xiàn)有產(chǎn)品無(wú)法直接適用的問(wèn)題。無(wú)損檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)用閥門(mén)彈簧和船舶發(fā)動(dòng)機(jī)用曲柄軸等產(chǎn)品，保障其在長(zhǎng)期反復(fù)載荷下的表面和內(nèi)部質(zhì)量。高溫、粉塵、振動(dòng)等惡劣特殊現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下的過(guò)程測(cè)量技術(shù)，是提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量的基礎(chǔ)，如今更是神戶(hù)制鋼高爐大量裝入直接還原鐵（HBI）實(shí)現(xiàn)CO?減排的技術(shù)關(guān)鍵所在。此外，精密測(cè)量技術(shù)，如具有復(fù)雜形狀的機(jī)械加工零件和鑄鍛件的高精度3D形狀測(cè)量，以及評(píng)估硅片平整度所需的原子層水平納米精度的表面形狀測(cè)量技術(shù)，為公司產(chǎn)品及客戶(hù)產(chǎn)品和制造的安全、安心提供支持。在社會(huì)數(shù)字化和AI技術(shù)加速發(fā)展的當(dāng)下，將數(shù)據(jù)從物理（現(xiàn)實(shí)）空間過(guò)渡到虛擬空間的測(cè)量技術(shù)愈發(fā)重要。從應(yīng)對(duì)未來(lái)日本國(guó)內(nèi)勞動(dòng)力人口減少、維持企業(yè)持續(xù)經(jīng)營(yíng)的角度來(lái)看，自動(dòng)化和制造業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型勢(shì)在必行，而推進(jìn)高度自動(dòng)化的生產(chǎn)過(guò)程離不開(kāi)測(cè)量技術(shù)的持續(xù)升級(jí)?；谶@些背景，神戶(hù)制鋼長(zhǎng)期致力于測(cè)量技術(shù)的研發(fā)與改進(jìn)。本文將對(duì)相關(guān)技術(shù)內(nèi)容及應(yīng)用實(shí)例進(jìn)行介紹。
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無(wú)損檢測(cè)技術(shù)
20世紀(jì)70年代，神戶(hù)制鋼為強(qiáng)化自身開(kāi)發(fā)能力、發(fā)揮技術(shù)綜合實(shí)力，新設(shè)技術(shù)開(kāi)發(fā)部門(mén)，其下屬的檢測(cè)與測(cè)量小組開(kāi)展了高性能傳感器的開(kāi)發(fā)等工作。在當(dāng)時(shí)，攝像設(shè)備難以輕易獲取且價(jià)格昂貴，神戶(hù)制鋼率先自主開(kāi)發(fā)了應(yīng)用光學(xué)傳感器的檢測(cè)技術(shù)。此后，該公司推進(jìn)了電磁波應(yīng)用測(cè)量技術(shù)、圖像處理技術(shù)以及激光和超聲波應(yīng)用測(cè)量技術(shù)的開(kāi)發(fā)，不斷提升渦流探傷、磁粉探傷、超聲波探傷等無(wú)損檢測(cè)技術(shù)水平。本文以線材和棒鋼產(chǎn)品的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用為例進(jìn)行說(shuō)明。
1.1保障線材、棒鋼產(chǎn)品質(zhì)量的檢測(cè)技術(shù)神戶(hù)制鋼的線材和棒鋼產(chǎn)品市場(chǎng)占有率高，冷鐓用線材和軸承鋼等是其代表性線材產(chǎn)品，主要應(yīng)用于對(duì)可靠性要求極高的汽車(chē)零部件。這些產(chǎn)品的質(zhì)量要求逐年提高，尤其是軋制鋼材表面和內(nèi)部缺陷的殘留情況對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量影響重大，因此，在生產(chǎn)上游工序盡早發(fā)現(xiàn)并采取對(duì)策至關(guān)重要。不過(guò)，鋼材在接近1000℃的高溫下進(jìn)行熱加工，且檢測(cè)對(duì)象在熱連軋過(guò)程中以每秒數(shù)十米的高速移動(dòng)，檢測(cè)難度極大。神戶(hù)制鋼在應(yīng)對(duì)熱態(tài)且高速移動(dòng)的線材軋制過(guò)程檢測(cè)的同時(shí)，為確保產(chǎn)品具備優(yōu)良特性和質(zhì)量，對(duì)上游工序的鋼坯半成品進(jìn)行自動(dòng)磁粉探傷檢測(cè)。以下介紹該自動(dòng)磁粉探傷檢測(cè)技術(shù)。自動(dòng)磁粉探傷裝置的設(shè)備概要如圖1所示。磁粉探傷檢測(cè)按以下步驟進(jìn)行：1）向作為強(qiáng)磁性體的檢測(cè)對(duì)象噴灑熒光磁粉液；2）對(duì)檢測(cè)對(duì)象施加磁場(chǎng)使其磁化；3）磁化后的檢測(cè)對(duì)象表面缺陷部位會(huì)產(chǎn)生漏磁，熒光磁粉會(huì)吸附在該部位；4）用紫外光照射檢測(cè)對(duì)象表面，吸附在缺陷部位的熒光磁粉會(huì)發(fā)光；5）通過(guò)人工目視確認(rèn)發(fā)光部位或用相機(jī)拍攝，從而檢測(cè)出缺陷。神戶(hù)制鋼自20世紀(jì)70年代以來(lái)就致力于自動(dòng)磁粉探傷檢測(cè)裝置的開(kāi)發(fā)，通過(guò)提升圖像解析技術(shù)，不僅提高了對(duì)復(fù)雜、不規(guī)則缺陷的檢測(cè)率，還增強(qiáng)了對(duì)真實(shí)缺陷與磁粉噪聲的識(shí)別能力，最大限度減少了過(guò)檢測(cè)和誤檢測(cè)情況，如圖2所示。與此同時(shí)，針對(duì)檢測(cè)過(guò)程中紫外光源的老化和磁粉濃度波動(dòng)等干擾因素，通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整圖像處理閾值的功能，提高了檢測(cè)的穩(wěn)定性。此外，通過(guò)引入高靈敏度、高性能的傳感器設(shè)備，增強(qiáng)光源輸出，提升計(jì)算機(jī)處理性能等方式，實(shí)現(xiàn)了高精度檢測(cè)。近年來(lái)，軟件技術(shù)尤其是AI技術(shù)發(fā)展迅猛，為實(shí)現(xiàn)更高的產(chǎn)品質(zhì)量，神戶(hù)制鋼也在推進(jìn)將AI判定應(yīng)用于檢測(cè)技術(shù)，進(jìn)一步提升檢測(cè)技術(shù)水平。
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過(guò)程測(cè)量技術(shù)
神戶(hù)制鋼的過(guò)程測(cè)量技術(shù)始于鋼鐵部門(mén)，隨后拓展到鋁、銅、鈦等有色金屬制造過(guò)程，并進(jìn)一步延伸至機(jī)械部門(mén)產(chǎn)品的高性能化，以及集團(tuán)企業(yè)測(cè)量和檢測(cè)裝置的產(chǎn)品生產(chǎn)。制造過(guò)程中的測(cè)量與實(shí)驗(yàn)室等理想環(huán)境下的測(cè)量不同，會(huì)受到制造現(xiàn)場(chǎng)特有的各種干擾和限制。例如在鋼鐵行業(yè)，存在大量超過(guò)1000℃的高溫生產(chǎn)過(guò)程，由于耐熱性等限制，通用傳感器往往無(wú)法直接應(yīng)用，甚至安裝都困難重重。為此，神戶(hù)制鋼確立了為傳感器提供耐熱設(shè)計(jì)技術(shù)和冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)，以保護(hù)其免受熱輻射影響，以及配備防護(hù)裝置以穩(wěn)定確保傳感器、視野和視程不受粉塵、蒸汽干擾等環(huán)境適應(yīng)工程技術(shù)。這些技術(shù)不僅保證了基本測(cè)量精度，還極大提升了傳感器在特殊環(huán)境下的耐用性、可靠性和可維護(hù)性。此類(lèi)特殊環(huán)境下的測(cè)量技術(shù)多為該公司自主研發(fā)，市面上并不常見(jiàn)，是其競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的重要來(lái)源。新測(cè)量技術(shù)的開(kāi)發(fā)獲取的新過(guò)程信息，有時(shí)會(huì)推動(dòng)革新性生產(chǎn)過(guò)程的建立。以下將介紹支撐高爐降低排放、助力實(shí)現(xiàn)綠色社會(huì)的過(guò)程測(cè)量技術(shù)。
2.1支撐高爐大量裝入HBI的鐵水溫度連續(xù)測(cè)量技術(shù)神戶(hù)制鋼此前在高爐操作中，運(yùn)用中心焦炭裝入技術(shù)、使用自產(chǎn)球團(tuán)礦技術(shù)、通過(guò)爐內(nèi)下降探針測(cè)量爐內(nèi)溫度分布技術(shù)等一系列爐內(nèi)測(cè)量技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了獨(dú)特的操作模式。近年來(lái)，為實(shí)現(xiàn)綠色社會(huì)，作為邁向2030年減排目標(biāo)（較2013財(cái)年減少30%-40%）的舉措之一，該公司開(kāi)發(fā)了通過(guò)在高爐中大量添加HBI實(shí)現(xiàn)低碳排放的操作技術(shù)。2020年10月，在加古川煉鋼廠3號(hào)高爐進(jìn)行的約1個(gè)月實(shí)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，能夠?qū)Q定高爐排放量的還原劑比例從518kg/t降至415kg/t（CO?排放量減少約20%），同時(shí)達(dá)到較低水平的焦比（239kg/t鐵水）。要實(shí)現(xiàn)高爐大量裝入HBI，需要將工程業(yè)務(wù)的MIDREX工藝生產(chǎn)HBI的技術(shù)與鋼鐵業(yè)務(wù)的獨(dú)特高爐操作技術(shù)（高爐HBI裝入技術(shù)、利用AI的高爐操作技術(shù)、該公司獨(dú)有的球團(tuán)礦改良技術(shù)）相融合。在利用AI的高爐操作技術(shù)中，為預(yù)測(cè)爐溫急劇變化并采取適當(dāng)措施，開(kāi)發(fā)了提前5小時(shí)預(yù)測(cè)鐵水溫度的技術(shù)，而準(zhǔn)確預(yù)測(cè)的關(guān)鍵在于實(shí)時(shí)連續(xù)測(cè)量鐵水溫度。為此，如圖3所示，通過(guò)高速相機(jī)拍攝從高爐出鐵口以每秒數(shù)米速度噴出的鐵水和熔渣的混合噴流（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“出鐵渣流”），利用輻射測(cè)溫原理實(shí)現(xiàn)鐵水溫度的連續(xù)測(cè)量。出鐵渣流中，由于高溫熔融狀態(tài)的鐵水和熔渣輻射率存在差異，在熱圖像中呈現(xiàn)出斑紋狀?；诖颂卣?，通過(guò)圖像解析確定鐵水部分并提取其亮度，從而實(shí)現(xiàn)鐵水溫度的測(cè)量。高爐出鐵口溫度測(cè)量的主要干擾因素是熱圖像中煙霧的影響。煙霧存在時(shí)，鐵水部分看起來(lái)比實(shí)際更暗，會(huì)產(chǎn)生測(cè)溫誤差，且受煙霧波動(dòng)影響，鐵水部分亮度值的波動(dòng)也會(huì)增大。通過(guò)圖像處理可以判別和檢測(cè)這種影響，確保測(cè)量的穩(wěn)定性。此外，該測(cè)量環(huán)境極為惡劣，存在鐵水等高溫熔融物的輻射熱、飛濺物和粉塵等。若安裝通用相機(jī)，會(huì)因受到輻射熱導(dǎo)致相機(jī)本體溫度升高而發(fā)生故障，或者因粉塵附著在鏡頭上造成光學(xué)障礙，通常數(shù)天就無(wú)法獲取熱圖像。神戶(hù)制鋼為相機(jī)賦予了獨(dú)特的冷卻功能以及吹走飛濺物和粉塵的防護(hù)功能，能夠在半年以上的免維護(hù)期內(nèi)獲取良好的熱圖像，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定測(cè)溫。圖4展示了輻射測(cè)溫結(jié)果，與熱電偶測(cè)溫結(jié)果吻合良好，測(cè)溫精度達(dá)到10℃以下。
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支持工作方式與生產(chǎn)流程變革的檢測(cè)與測(cè)量技術(shù)
隨著日本國(guó)內(nèi)勞動(dòng)力人口減少，制造業(yè)的人手短缺問(wèn)題相較于其他產(chǎn)業(yè)更為突出。人手短缺已成為影響企業(yè)持續(xù)經(jīng)營(yíng)的顯著風(fēng)險(xiǎn)，制造業(yè)自動(dòng)化迫在眉睫。檢測(cè)和測(cè)量工作往往需要熟練技能，神戶(hù)制鋼一直從提高生產(chǎn)效率、減少人為操作差異、提升安全性等角度出發(fā)，推進(jìn)檢測(cè)和測(cè)量的自動(dòng)化。以下介紹曲軸自動(dòng)超聲波探傷檢測(cè)、火花試驗(yàn)、熱鍛件尺寸測(cè)量的自動(dòng)化案例。
3.1曲軸的自動(dòng)超聲波探傷檢測(cè)神戶(hù)制鋼制造的曲軸主要分為兩類(lèi)：一類(lèi)是將名為“軸頸”的偏心工件組裝在名為“曲柄”的軸部上的裝配式曲軸；另一類(lèi)是由圓棒材料鍛造而成的一體式曲軸。一般來(lái)說(shuō)，曲軸需要承受長(zhǎng)時(shí)間的反復(fù)載荷，例如，隨著近年來(lái)發(fā)動(dòng)機(jī)的高功率化和緊湊化，一體式曲軸的軸頸和圓角部位對(duì)表面和內(nèi)部質(zhì)量的管理要求愈發(fā)嚴(yán)格。在過(guò)去，所有曲軸的探傷面都依靠人工手動(dòng)檢測(cè)，全面探傷耗時(shí)久，探傷掃描和探傷面監(jiān)測(cè)工作給檢測(cè)人員帶來(lái)了巨大的精神和身體負(fù)擔(dān)。因此，為實(shí)現(xiàn)高速、穩(wěn)定檢測(cè)，并記錄和保證全面檢測(cè)結(jié)果，神戶(hù)制鋼將自動(dòng)超聲波探傷裝置實(shí)用化，該裝置可自動(dòng)運(yùn)行并全面掃描，為曲軸的高可靠性提供了有力支持（圖5）。以垂直探傷為例，由于檢測(cè)范圍局限于中央狹窄區(qū)域，在對(duì)小曲率半徑的圓角部位進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，除了物理探頭接近的極限問(wèn)題，還需精細(xì)設(shè)定探頭的掃描間距，人工操作時(shí)檢測(cè)人員負(fù)擔(dān)極大。為此，神戶(hù)制鋼開(kāi)發(fā)了采用相控陣法的獨(dú)特超聲波探頭及其掃描機(jī)構(gòu)。通過(guò)該技術(shù)，即使探傷面存在曲率，也能夠通過(guò)電子操作（稱(chēng)為扇形掃描）檢測(cè)到表面平底孔直徑為0.5mm的反射源，其示意圖如圖6所示。
3.2火花試驗(yàn)作為將需要熟練技能的檢測(cè)工作自動(dòng)化的案例，介紹近年來(lái)發(fā)展迅速的利用AI圖像識(shí)別技術(shù)的火花試驗(yàn)。將鋼材壓在砂輪上產(chǎn)生的火花，因鋼種和所含元素量的不同而具有不同特征。火花試驗(yàn)就是由熟練人員根據(jù)火花特征判斷鋼種的試驗(yàn)，作為鋼材判定檢測(cè)方法由來(lái)已久，但因其屬于需要熟練技能的感官檢測(cè)，一直有自動(dòng)化需求。以往通過(guò)相機(jī)拍攝火花，利用傳統(tǒng)圖像處理技術(shù)（如模式匹配等）從火花圖像中檢測(cè)破裂和流線，進(jìn)而推定碳含量。不過(guò)，對(duì)于包含合金元素（如S、Cr、Mo、Ni）的多種合金鋼的鋼種判定，傳統(tǒng)圖像處理技術(shù)存在局限性。因此，神戶(hù)制鋼利用AI圖像識(shí)別技術(shù)，不僅能夠推定鋼材的碳含量，還開(kāi)發(fā)出了判定合金鋼種的AI圖像識(shí)別技術(shù)，致力于將熟練技術(shù)數(shù)字化和自動(dòng)化。圖7展示了鋼種判定流程的概念圖，通過(guò)構(gòu)建對(duì)輸入的火花圖像先推定碳含量，后進(jìn)行合金鋼種分類(lèi)的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，最終實(shí)現(xiàn)了高精度的鋼種判定。
3.3熱鍛件尺寸測(cè)量測(cè)量技術(shù)在安全保障和應(yīng)對(duì)高溫環(huán)境方面也發(fā)揮了重要作用。神戶(hù)制鋼制造的大型鍛件，如用于石油精制壓力容器（反應(yīng)釜）的筒節(jié)（直徑4-6m），如圖8（a）所示，在神戶(hù)制鋼鍛壓工廠通過(guò)8000噸壓力機(jī)鍛造成預(yù)定形狀，隨后進(jìn)行切削加工以達(dá)到產(chǎn)品形狀要求。以往，在壓力機(jī)作業(yè)中確認(rèn)形狀的方法是，工作人員靠近壓力機(jī)下方處于500-900℃的熱鍛工作區(qū)域，使用卡尺進(jìn)行尺寸測(cè)量。但這種作業(yè)在高溫環(huán)境下進(jìn)行，工作負(fù)荷極大，且人為測(cè)量誤差大。因此，為實(shí)現(xiàn)在安全距離外高速、高精度地測(cè)量筒節(jié)直徑，神戶(hù)制鋼開(kāi)發(fā)并實(shí)用化了如圖8（b）所示的基于立體視覺(jué)法的圖像測(cè)量裝置。此外，針對(duì)其他熱鍛件的尺寸測(cè)量，也在持續(xù)推進(jìn)自動(dòng)化測(cè)量工作。
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結(jié)語(yǔ)
本文介紹了神戶(hù)制鋼的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)、過(guò)程測(cè)量技術(shù)以及支持自動(dòng)化的檢測(cè)與測(cè)量技術(shù)，闡述了作為核心技術(shù)的測(cè)量技術(shù)在支撐安全、安心產(chǎn)品制造和可持續(xù)生產(chǎn)方面所發(fā)揮的作用。今后，為了實(shí)現(xiàn)可持續(xù)社會(huì)，例如在鋼鐵行業(yè)，預(yù)計(jì)電爐等生產(chǎn)流程中的減排舉措將加速推進(jìn)，制造流程或?qū)l(fā)生重大變革。對(duì)此，神戶(hù)制鋼將通過(guò)提升測(cè)量技術(shù)的智能化水平，深化對(duì)新生產(chǎn)流程的基礎(chǔ)科學(xué)理解，并將其與生產(chǎn)操作高度融合，推動(dòng)制造業(yè)變革。近年來(lái)，隨著數(shù)字化轉(zhuǎn)型的推進(jìn)以及未來(lái)日本國(guó)內(nèi)勞動(dòng)力人口的減少，自動(dòng)化需求日益增長(zhǎng)。在神戶(hù)制鋼的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，盡管環(huán)境嚴(yán)苛，但對(duì)生產(chǎn)流程的精細(xì)控制要求極高，一直以來(lái)都充分利用檢測(cè)和測(cè)量技術(shù)。近年來(lái)機(jī)器人技術(shù)和AI技術(shù)取得了突破性進(jìn)展，這為掌握和操控以往只有人類(lèi)才能完成的操作知識(shí)提供了更多可能。另一方面，生產(chǎn)流程不斷變化，人類(lèi)獨(dú)有的適應(yīng)能力和創(chuàng)造力也變得更加重要。如何通過(guò)將人類(lèi)智慧與最新的檢測(cè)和測(cè)量技術(shù)相結(jié)合，滿(mǎn)足日益增長(zhǎng)的高附加值需求，對(duì)于廣泛供應(yīng)支撐基礎(chǔ)設(shè)施關(guān)鍵零部件的神戶(hù)制鋼來(lái)說(shuō)，將變得尤為重要。
