前言
在產(chǎn)業(yè)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程中，測量技術(shù)一直發(fā)揮著基礎(chǔ)性的重要作用。新的測量技術(shù)推動產(chǎn)業(yè)和科學(xué)進(jìn)步，而這些進(jìn)步又催生新的測量需求。神戶制鋼廣泛供應(yīng)支撐基礎(chǔ)設(shè)施的關(guān)鍵零部件，測量技術(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)量提升的過程中得以錘煉發(fā)展。該公司不僅在無損檢測技術(shù)和過程測量技術(shù)方面有所建樹，還在特殊用途和環(huán)境條件下的測量技術(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℃以上高溫過程的遠(yuǎn)程實(shí)時測溫傳感技術(shù)等，這些領(lǐng)域往往存在缺乏通用產(chǎn)品或現(xiàn)有產(chǎn)品無法直接適用的問題。無損檢測技術(shù)應(yīng)用于汽車發(fā)動機(jī)用閥門彈簧和船舶發(fā)動機(jī)用曲柄軸等產(chǎn)品，保障其在長期反復(fù)載荷下的表面和內(nèi)部質(zhì)量。高溫、粉塵、振動等惡劣特殊現(xiàn)場環(huán)境下的過程測量技術(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形狀測量，以及評估硅片平整度所需的原子層水平納米精度的表面形狀測量技術(shù)，為公司產(chǎn)品及客戶產(chǎn)品和制造的安全、安心提供支持。在社會數(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)）空間過渡到虛擬空間的測量技術(shù)愈發(fā)重要。從應(yīng)對未來日本國內(nèi)勞動力人口減少、維持企業(yè)持續(xù)經(jīng)營的角度來看，自動化和制造業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型勢在必行，而推進(jìn)高度自動化的生產(chǎn)過程離不開測量技術(shù)的持續(xù)升級?；谶@些背景，神戶制鋼長期致力于測量技術(shù)的研發(fā)與改進(jìn)。本文將對相關(guān)技術(shù)內(nèi)容及應(yīng)用實(shí)例進(jìn)行介紹。
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無損檢測技術(shù)
20世紀(jì)70年代，神戶制鋼為強(qiáng)化自身開發(fā)能力、發(fā)揮技術(shù)綜合實(shí)力，新設(shè)技術(shù)開發(fā)部門，其下屬的檢測與測量小組開展了高性能傳感器的開發(fā)等工作。在當(dāng)時，攝像設(shè)備難以輕易獲取且價格昂貴，神戶制鋼率先自主開發(fā)了應(yīng)用光學(xué)傳感器的檢測技術(shù)。此后，該公司推進(jìn)了電磁波應(yīng)用測量技術(shù)、圖像處理技術(shù)以及激光和超聲波應(yīng)用測量技術(shù)的開發(fā)，不斷提升渦流探傷、磁粉探傷、超聲波探傷等無損檢測技術(shù)水平。本文以線材和棒鋼產(chǎn)品的無損檢測技術(shù)應(yīng)用為例進(jìn)行說明。
1.1保障線材、棒鋼產(chǎn)品質(zhì)量的檢測技術(shù)神戶制鋼的線材和棒鋼產(chǎn)品市場占有率高，冷鐓用線材和軸承鋼等是其代表性線材產(chǎn)品，主要應(yīng)用于對可靠性要求極高的汽車零部件。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)并采取對策至關(guān)重要。不過，鋼材在接近1000℃的高溫下進(jìn)行熱加工，且檢測對象在熱連軋過程中以每秒數(shù)十米的高速移動，檢測難度極大。神戶制鋼在應(yīng)對熱態(tài)且高速移動的線材軋制過程檢測的同時，為確保產(chǎn)品具備優(yōu)良特性和質(zhì)量，對上游工序的鋼坯半成品進(jìn)行自動磁粉探傷檢測。以下介紹該自動磁粉探傷檢測技術(shù)。自動磁粉探傷裝置的設(shè)備概要如圖1所示。磁粉探傷檢測按以下步驟進(jìn)行：1）向作為強(qiáng)磁性體的檢測對象噴灑熒光磁粉液；2）對檢測對象施加磁場使其磁化；3）磁化后的檢測對象表面缺陷部位會產(chǎn)生漏磁，熒光磁粉會吸附在該部位；4）用紫外光照射檢測對象表面，吸附在缺陷部位的熒光磁粉會發(fā)光；5）通過人工目視確認(rèn)發(fā)光部位或用相機(jī)拍攝，從而檢測出缺陷。神戶制鋼自20世紀(jì)70年代以來就致力于自動磁粉探傷檢測裝置的開發(fā)，通過提升圖像解析技術(shù)，不僅提高了對復(fù)雜、不規(guī)則缺陷的檢測率，還增強(qiáng)了對真實(shí)缺陷與磁粉噪聲的識別能力，最大限度減少了過檢測和誤檢測情況，如圖2所示。與此同時，針對檢測過程中紫外光源的老化和磁粉濃度波動等干擾因素，通過動態(tài)調(diào)整圖像處理閾值的功能，提高了檢測的穩(wěn)定性。此外，通過引入高靈敏度、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。近年來，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，神戶制鋼也在推進(jìn)將AI判定應(yīng)用于檢測技術(shù)，進(jìn)一步提升檢測技術(shù)水平。
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過程測量技術(shù)
神戶制鋼的過程測量技術(shù)始于鋼鐵部門，隨后拓展到鋁、銅、鈦等有色金屬制造過程，并進(jìn)一步延伸至機(jī)械部門產(chǎn)品的高性能化，以及集團(tuán)企業(yè)測量和檢測裝置的產(chǎn)品生產(chǎn)。制造過程中的測量與實(shí)驗(yàn)室等理想環(huán)境下的測量不同，會受到制造現(xiàn)場特有的各種干擾和限制。例如在鋼鐵行業(yè)，存在大量超過1000℃的高溫生產(chǎn)過程，由于耐熱性等限制，通用傳感器往往無法直接應(yīng)用，甚至安裝都困難重重。為此，神戶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。此類特殊環(huán)境下的測量技術(shù)多為該公司自主研發(fā)，市面上并不常見，是其競爭優(yōu)勢的重要來源。新測量技術(shù)的開發(fā)獲取的新過程信息，有時會推動革新性生產(chǎn)過程的建立。以下將介紹支撐高爐降低排放、助力實(shí)現(xiàn)綠色社會的過程測量技術(shù)。
2.1支撐高爐大量裝入HBI的鐵水溫度連續(xù)測量技術(shù)神戶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)、通過爐內(nèi)下降探針測量爐內(nèi)溫度分布技術(shù)等一系列爐內(nèi)測量技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了獨(dú)特的操作模式。近年來，為實(shí)現(xiàn)綠色社會，作為邁向2030年減排目標(biāo)（較2013財年減少30%-40%）的舉措之一，該公司開發(fā)了通過在高爐中大量添加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號高爐進(jìn)行的約1個月實(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)測爐溫急劇變化并采取適當(dāng)措施，開發(fā)了提前5小時預(yù)測鐵水溫度的技術(shù)，而準(zhǔn)確預(yù)測的關(guān)鍵在于實(shí)時連續(xù)測量鐵水溫度。為此，如圖3所示，通過高速相機(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（以下簡稱“出鐵渣流”），利用輻射測溫原理實(shí)現(xiàn)鐵水溫度的連續(xù)測量。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)鐵水溫度的測量。高爐出鐵口溫度測量的主要干擾因素是熱圖像中煙霧的影響。煙霧存在時，鐵水部分看起來比實(shí)際更暗，會產(chǎn)生測溫誤差，且受煙霧波動影響，鐵水部分亮度值的波動也會增大。通過圖像處理可以判別和檢測這種影響，確保測量的穩(wěn)定性。此外，該測量環(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)天就無法獲取熱圖像。神戶制鋼為相機(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)定測溫。圖4展示了輻射測溫結(jié)果，與熱電偶測溫結(jié)果吻合良好，測溫精度達(dá)到10℃以下。
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支持工作方式與生產(chǎn)流程變革的檢測與測量技術(shù)
隨著日本國內(nèi)勞動力人口減少，制造業(yè)的人手短缺問題相較于其他產(chǎn)業(yè)更為突出。人手短缺已成為影響企業(yè)持續(xù)經(jīng)營的顯著風(fēng)險，制造業(yè)自動化迫在眉睫。檢測和測量工作往往需要熟練技能，神戶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)檢測和測量的自動化。以下介紹曲軸自動超聲波探傷檢測、火花試驗(yàn)、熱鍛件尺寸測量的自動化案例。
3.1曲軸的自動超聲波探傷檢測神戶制鋼制造的曲軸主要分為兩類：一類是將名為“軸頸”的偏心工件組裝在名為“曲柄”的軸部上的裝配式曲軸；另一類是由圓棒材料鍛造而成的一體式曲軸。一般來說，曲軸需要承受長時間的反復(fù)載荷，例如，隨著近年來發(fā)動機(jī)的高功率化和緊湊化，一體式曲軸的軸頸和圓角部位對表面和內(nèi)部質(zhì)量的管理要求愈發(fā)嚴(yán)格。在過去，所有曲軸的探傷面都依靠人工手動檢測，全面探傷耗時久，探傷掃描和探傷面監(jiān)測工作給檢測人員帶來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，并記錄和保證全面檢測結(jié)果，神戶制鋼將自動超聲波探傷裝置實(shí)用化，該裝置可自動運(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，由于檢測范圍局限于中央狹窄區(qū)域，在對小曲率半徑的圓角部位進(jìn)行檢測時，除了物理探頭接近的極限問題，還需精細(xì)設(shè)定探頭的掃描間距，人工操作時檢測人員負(fù)擔(dān)極大。為此，神戶制鋼開發(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)。通過該技術(shù)，即使探傷面存在曲率，也能夠通過電子操作（稱為扇形掃描）檢測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工作自動化的案例，介紹近年來發(fā)展迅速的利用AI圖像識別技術(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?；鸹ㄔ囼?yàn)就是由熟練人員根據(jù)火花特征判斷鋼種的試驗(yàn)，作為鋼材判定檢測方法由來已久，但因其屬于需要熟練技能的感官檢測，一直有自動化需求。以往通過相機(jī)拍攝火花，利用傳統(tǒng)圖像處理技術(shù)（如模式匹配等）從火花圖像中檢測破裂和流線，進(jìn)而推定碳含量。不過，對于包含合金元素（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，神戶制鋼利用AI圖像識別技術(shù)，不僅能夠推定鋼材的碳含量，還開發(fā)出了判定合金鋼種的AI圖像識別技術(shù)，致力于將熟練技術(shù)數(shù)字化和自動化。圖7展示了鋼種判定流程的概念圖，通過構(gòu)建對輸入的火花圖像先推定碳含量，后進(jìn)行合金鋼種分類的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，最終實(shí)現(xiàn)了高精度的鋼種判定。
3.3熱鍛件尺寸測量測量技術(shù)在安全保障和應(yīng)對高溫環(huán)境方面也發(fā)揮了重要作用。神戶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，在神戶制鋼鍛壓工廠通過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，且人為測量誤差大。因此，為實(shí)現(xiàn)在安全距離外高速、高精度地測量筒節(jié)直徑，神戶制鋼開發(fā)并實(shí)用化了如圖8（b）所示的基于立體視覺法的圖像測量裝置。此外，針對其他熱鍛件的尺寸測量，也在持續(xù)推進(jìn)自動化測量工作。
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結(jié)語
本文介紹了神戶制鋼的無損檢測技術(shù)、過程測量技術(shù)以及支持自動化的檢測與測量技術(shù)，闡述了作為核心技術(shù)的測量技術(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，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。對此，神戶制鋼將通過提升測量技術(shù)的智能化水平，深化對新生產(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，推動制造業(yè)變革。近年來，隨著數(shù)字化轉(zhuǎn)型的推進(jìn)以及未來日本國內(nèi)勞動力人口的減少，自動化需求日益增長。在神戶制鋼的生產(chǎn)現(xiàn)場，盡管環(huán)境嚴(yán)苛，但對生產(chǎn)流程的精細(xì)控制要求極高，一直以來都充分利用檢測和測量技術(shù)。近年來機(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才能完成的操作知識提供了更多可能。另一方面，生產(chǎn)流程不斷變化，人類獨(dú)有的適應(yīng)能力和創(chuàng)造力也變得更加重要。如何通過將人類智慧與最新的檢測和測量技術(shù)相結(jié)合，滿足日益增長的高附加值需求，對于廣泛供應(yīng)支撐基礎(chǔ)設(shè)施關(guān)鍵零部件的神戶制鋼來說，將變得尤為重要。
