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研究背景
鋼鐵生產是涵蓋多工序、多控制層級的大型復雜工業(yè)流程，是國民經濟發(fā)展的重要支撐。軋制過程生產工藝復雜、動態(tài)響應速度快、控制精度要求極高，是鋼鐵工業(yè)最復雜的生產場景。受制于簡化性假設和不確定性邊界條件等限制，各工序機理模型能力趨近于飽和，難以支撐復雜工況下的高精度控制，限制了產品質量的進一步提升。因此，需要充分發(fā)揮我國鋼鐵行業(yè)海量的數據資源優(yōu)勢，采用機理和工業(yè)數據融合驅動的生成式數字孿生建模，融合生產過程中的工業(yè)數據信息，自動調整和優(yōu)化生產過程，實現鋼鐵行業(yè)產品質量、成本和效率等進一步提升，更好地助力鋼鐵行業(yè)數字化轉型升級。
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關鍵技術
為實現鋼鐵生產過程的精準描述，東北大學項目團隊（以下簡稱“團隊”）結合傳熱學、流體力學等理論與人工智能等方法建立高保真、可泛化、具有一定解釋能力的數字孿生內核模型，融合生產數據和經驗知識，共同驅動，提高模型對復雜工況的適應能力，實現對物理實體運行規(guī)律的精準描述，從而實現熱連軋、冷連軋和中厚板過程產品高質化控制和過程高穩(wěn)定性控制，為鋼鐵生產各過程智能高效運行提供支撐。
2.1熱連軋數據驅動建模與智能優(yōu)化控制技術熱連軋生產過程控制精度要求高、動態(tài)響應時間短、軋制速度快及工藝參數多。在軋制高強鋼過程中存在品規(guī)切換效率低、過渡材消耗大、板形控制水平低、設定模型精度低、軋機振動頻發(fā)等難題，團隊開展系統分析和研究攻關，形成了高強鋼品規(guī)快速過渡和穩(wěn)定軋制智能優(yōu)化控制生產體系，提升了高強鋼批量穩(wěn)定生產能力。取得了如下創(chuàng)新成果：1）構建了面向快速過渡的“機理+數據”雙驅動控制模型，開發(fā)了基于概念偏移檢測及遷移學習的滾動優(yōu)化方法，實現了高強鋼三維尺寸和板形高精度控制，取得自主開發(fā)模型與產線進口模型高效融合創(chuàng)新突破，全面提升過程控制模型的適應性和精準性。2）從工序遺傳角度出發(fā)，創(chuàng)新研發(fā)了基于自抗擾控制的熱連軋機組振動抑制調節(jié)器優(yōu)化技術，建立了軋機振動能量預測模型，給出了精準判定軋機振動的能量判據，顯著降低了軋機振動能量，為熱連軋高強鋼穩(wěn)定高效生產提供保障。3）研發(fā)了高強鋼軋制狀態(tài)綜合診斷分析技術，開發(fā)了綜合診斷分析系統，形成了診斷分析報表和診斷人機交互工業(yè)軟件，實現了對高強鋼軋制狀態(tài)的精準診斷分析。4）構建了品規(guī)快速過渡與穩(wěn)定軋制協同管控方法，實現了軋輥輥形配置和板形優(yōu)化、軋制計劃優(yōu)化以及生產穩(wěn)定性提升，提升了高強鋼品規(guī)快速過渡水平和產線整體調控能力。2.2高品質帶鋼冷軋智能化核心技術創(chuàng)新冷連軋控制系統核心技術“黑箱”成為高端產品研發(fā)和前沿技術創(chuàng)新的“卡脖子”問題。面向帶鋼尺寸和軋制穩(wěn)定性等核心難題，融合生產數據提升了模型精度與適應能力，引入智能算法實現工藝參數協調優(yōu)化，研發(fā)出冷連軋智能化全套控制系統，滿足了高品質冷軋帶鋼極薄厚度、更高精度和更高穩(wěn)定性的生產需求。取得了如下創(chuàng)新成果：1）提出了基于人機混合智能的軋制規(guī)程多目標設計方法。構建了軋制過程知識圖譜，實現了極薄帶材復雜軋制工藝與經驗規(guī)則知識化，提出了融合經驗知識的軋制規(guī)程多目標優(yōu)化方法，實現了極薄高強精密帶材軋制規(guī)程的智能設計。2）實現了非穩(wěn)態(tài)過程厚度-張力綜合協調優(yōu)化控制。構建了冷連軋數字孿生模型，精準再現厚度-張力的動態(tài)演變過程，提出多機架厚度-張力綜合協調新模式，解決了單指標、單機架獨立控制相互干擾的問題，實現了非穩(wěn)態(tài)過程厚度、機架間張力波動較國外系統降低30%以上。3）創(chuàng)建了板形解析數學模型與板形精準控制信息物理系統。創(chuàng)建了考慮原料狀態(tài)和寬展變形的板形解析模型，構建了虛實映射的板形控制信息物理系統，實現了多機架的板形協調優(yōu)化?？刂齐y度最大的極薄帶材板形標準差小于7IU，較引進系統控制精度提升23.2%。4）開發(fā)出關鍵設備健康狀態(tài)與軋機穩(wěn)定狀態(tài)評估成套技術。設計了軋機關鍵設備故障診斷與健康度評估方法，形成了工藝自適應調整振動抑制策略，實現了0.18mm薄硬帶鋼1450m/min的高速穩(wěn)定軋制，突破了國內外同類產線1200m/min的速度極限。2.3中厚板生產數字化與智能控制體系中厚板軋線工藝流程復雜、工藝設備多樣，工藝控制難度極大，在工藝控制核心區(qū)域存在諸多常規(guī)控制系統難以有效解決的技術難題。針對軋制過程的自動轉鋼、平面形狀控制，異常軋制工況鐮刀彎和翹扣頭控制等難題，搭建“嵌入式感知-智能決策-精準執(zhí)行”的閉環(huán)智能體系，以數字孿生技術實現對復雜工況的具身推理，取得了如下創(chuàng)新技術成果：1）搭建了基于虛擬化技術的中厚板軋機數字化系統平臺，解決了高性能物理硬件性能過剩和老舊硬件性能過低的重組重用問題，透明化底層物理硬件，為數字化應用提供柔性擴展的物理條件。2）開發(fā)了基于具身智能技術的中厚板軋機自動轉鋼系統。自動轉鋼數字模型基于具身智能克隆算法，通過在中厚板轉鋼的數字場景中接受訓練，并在實際操作中持續(xù)學習和適應環(huán)境，獲得最佳的自動轉鋼效果。3）研發(fā)出中厚板平面形狀數字孿生控制技術。運用關聯規(guī)則挖掘技術解析歷史軋制數據中工藝參數與形狀指標的隱式關系，實現實測數據與工藝參數的端到端映射。投入平面形狀數字孿生控制技術后可提高綜合成材率0.5%以上。4）研發(fā)出中厚板異常軋制工況的智能感知與控制技術。構建鋼板形態(tài)的實時感知具身智能單元，形成鐮刀彎與翹扣頭測量數據集。基于多變量耦合作用的非線性映射，獲得鐮刀彎與翹扣頭調整策略，形成具備環(huán)境適應能力的“感知-決策-控制”的閉環(huán)智能系統。3
技術路線與實施方案
基于鋼鐵企業(yè)創(chuàng)新基礎設施“1網-3平臺”的基本架構，開展軋制流程數字化技術的研發(fā)應用和落地，充分發(fā)揮數字技術的放大、倍增、疊加作用，加快鋼鐵行業(yè)數字化轉型的速度，在企業(yè)形成創(chuàng)新的數字化生態(tài)。鋼鐵企業(yè)創(chuàng)新基礎設施架構圖如圖1所示。通過工業(yè)互聯網將底層數據傳輸到邊緣及云中的數據中心/機器學習平臺，在邊緣形成數字孿生模型代原有的機理模型，在云中通過機器學習處理實時數據，形成操作指令或進行操作指導，對資源配置進行優(yōu)化與管理。
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落實產業(yè)與實施效果
團隊以企業(yè)為主體，以市場為導向，將科技創(chuàng)新與鋼鐵產業(yè)創(chuàng)新融合，聚焦創(chuàng)新和轉化，充分發(fā)揮了鋼鐵行業(yè)數據資源和應用場景優(yōu)勢，實現了數字化技術的落地實施。相關技術落地產線與實施效果如下。
4.1熱連軋數據驅動建模與優(yōu)化技術
技術成功應用于山鋼日照2050mm熱連軋產線，提升了高強鋼品規(guī)快速過渡時模型的適應性、精準性和軋制穩(wěn)定性，平直度命中率提高到97.5%，楔形命中率提高到95.9%，凸度命中率達到96.5%。降低了軋機振動能量，振動速度由5mm/s降到1mm/s以內，具備2mm以下高強鋼批量穩(wěn)定生產能力，高強鋼占比提高到20.43%，過渡材減少到1.67%，過渡輥耗由40.81噸降低至34.95噸。本項目相關技術還推廣應用到首鋼、鞍鋼、馬鋼、本鋼等熱連軋產線，在汽車鋼、管線鋼、建筑用鋼等典型產品實現了品規(guī)快速過渡與穩(wěn)定軋制，極大提升了產線效率和效益。
4.2高品質帶鋼冷軋智能化核心技術
團隊在遷安九江薄板建成了我國第一條完全自主開發(fā)控制系統的高端冷連軋機組，在鞍鋼、寶武、沙鋼對國際頂級的PRIMETALS、TMEIC等引進系統進行升級優(yōu)化，完成了引進系統的全套國產化替代，且板形控制核心技術輸出至韓國高端汽車鋼制造企業(yè)現代制鐵，實現了從智能化系統自主研發(fā)到引進系統升級優(yōu)化、再到關鍵技術輸出的歷史跨越。相關技術已應用于20余條高端冷軋和30余條精密軋制產線，保障了高檔汽車面板、高品質電工鋼、食品級鍍錫板、高端不銹鋼等高品質板帶材自主供給，產品廣泛應用于交通、能源、國防軍工等重點領域，并批量出口至德國、日本、法國等。
4.3中厚板智能化核心技術
中厚板軋線數字化推廣至南鋼5000mm、鞍鋼4300mm、寶鋼湛江4200mm、南陽漢冶3800mm、普陽3500mm、唐山中厚板3500mm、南鋼中板2800mm、新天鐵2500mm、金鼎2500mm等十余條中厚板產線。自動轉鋼控制系統已成功應用于寶鋼湛江、新天鐵、普陽等產線；自動轉鋼系統在現場的投入率超過99%，自動轉鋼控制相比手動模式，每塊鋼坯平均轉鋼時間縮短超過1s。平面形狀智能優(yōu)化控制技術在福建三鋼、唐山中厚板、首鋼京唐、普陽、柳鋼、南鋼等十余條中厚板生產線應用，原來不具備平面形狀控制功能的軋線提高綜合成材率0.5%以上；國外引進系統通過智能優(yōu)化技術后，綜合成材率提升0.1%-0.2%。
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結語
我國鋼鐵行業(yè)要充分發(fā)揮自己在數據資源、應用場景和實時反饋賦能等方面的優(yōu)勢，將數字經濟、數字化技術與鋼鐵工業(yè)實體經濟結合，研發(fā)數字化核心關鍵技術，“智改數轉”“數字換腦”“模型換代”，實現鋼鐵行業(yè)的數字化轉型，并賦能綠色化、高質化與強鏈化，有組織引導實施鋼鐵數字化轉型升級，確保數字化關鍵核心技術自主可控，全面提升產品質量和產線運行水平，全方位提升鋼鐵行業(yè)的競爭力，形成創(chuàng)新生態(tài)，占領鋼鐵行業(yè)智能化發(fā)展的制高點。
