一、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)整體技術(shù)發(fā)展的重要指標。在國家持續(xù)科研與技術(shù)研發(fā)巨大投入的支持下，我國已在熱軋鋼材力學(xué)性能調(diào)控、尺寸與形狀控制及表面質(zhì)量優(yōu)化等領(lǐng)域取得了重要進展。成功開發(fā)出“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控制技術(shù)，保證了產(chǎn)品的尺寸精度；開發(fā)出熱軋氧化控制技術(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，在提升單一性能指標的同時勢必犧牲其他質(zhì)量指標。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，東北大學(xué)劉振宇教授團隊結(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)破解了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。
二、解決問題的思路與技術(shù)方案
圖1 熱軋鋼材“形-性-面”數(shù)字孿生系統(tǒng)流程
針對熱軋生產(chǎn)過程“黑箱”特性，通過融合工業(yè)大數(shù)據(jù)、物理冶金機理與人工智能技術(shù)，構(gòu)建覆蓋熱軋全流程的數(shù)字孿生系統(tǒng)，實現(xiàn)工藝參數(shù)的智能優(yōu)化與產(chǎn)品質(zhì)量的精準調(diào)控。熱軋過程中，傳統(tǒng)物理冶金學(xué)模型在描述鋼材組織演變時因過度依賴實驗假設(shè)且對組織演變-軋制載荷-表面摩擦單獨求解，導(dǎo)致無法反映真實的熱軋過程。為此，結(jié)合典型鋼材實驗結(jié)果、物理冶金原理和工業(yè)數(shù)據(jù)，通過“大數(shù)據(jù)+機器學(xué)習(xí)”，突破傳統(tǒng)方法的經(jīng)驗依賴與理論瓶頸?；诜枡C器學(xué)習(xí)算法，從海量工業(yè)數(shù)據(jù)中挖掘變量內(nèi)稟關(guān)系，構(gòu)建無假設(shè)約束的數(shù)學(xué)關(guān)聯(lián)，揭示成分、工藝對再結(jié)晶、應(yīng)變誘導(dǎo)析出等行為的影響規(guī)律，提升模型可解釋性與魯棒性。結(jié)合物理冶金學(xué)理論，開發(fā)“形-性-面”耦合機器學(xué)習(xí)方法，通過重構(gòu)軋制力能參數(shù)與流變應(yīng)力關(guān)系，反演奧氏體再結(jié)晶及晶粒形態(tài)演變規(guī)律，為組織調(diào)控提供定量依據(jù)。在連續(xù)冷卻階段，通過遺傳性機器學(xué)習(xí)動態(tài)生成CCT曲線，實現(xiàn)相變行為的精準描述。結(jié)合軋件冷卻路徑和CCT曲線等多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，構(gòu)建多模態(tài)深度學(xué)習(xí)模型，實現(xiàn)力學(xué)性能的動態(tài)跟蹤。最終構(gòu)建熱軋“形-性-面”數(shù)字孿生系統(tǒng)，實現(xiàn)鋼材生產(chǎn)過程組織演變和力學(xué)性能的精準預(yù)測。在此基礎(chǔ)上，針對產(chǎn)品質(zhì)量要求，結(jié)合多目標優(yōu)化算法，開發(fā)出了熱軋鋼材工藝智能優(yōu)化系統(tǒng)，實現(xiàn)鋼材質(zhì)量的動態(tài)優(yōu)化設(shè)計。
三、主要創(chuàng)新性成果
1、多因素耦合狀態(tài)下的軋制過程“形-性-面”一體化數(shù)字孿生
針對熱軋過程顯微組織演變不可見的黑箱問題，將軋制工藝學(xué)、物理冶金學(xué)與信息技術(shù)相結(jié)合，全方位解析軋制生產(chǎn)的宏-微觀變形與組織演變過程，實現(xiàn)組織演變過程物理冶金學(xué)現(xiàn)象復(fù)雜交互作用的精準解析、軋制過程多因素耦合作用的載荷特性的精準解析及氧化行為動態(tài)演變的精準解析。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合實際軋制生產(chǎn)線的數(shù)據(jù)特征空間分析和深度挖掘技術(shù)，建立了動態(tài)自學(xué)習(xí)方法，構(gòu)建出兼具可解釋性和自適應(yīng)能力的軋制成形成性過程“工藝-變形-載荷-組織-性能”高保真動態(tài)組織演變模型。
2、連續(xù)冷卻條件下CCT曲線動態(tài)生成及力學(xué)性能深度學(xué)習(xí)
針對鋼材力學(xué)性能受冷卻路徑影響敏感導(dǎo)致性能波動大的問題，考慮軋后奧氏體組織狀態(tài)和冷卻路徑，基于梯度提升樹與支持向量回歸建立珠光體、貝氏體等相變產(chǎn)物及相分數(shù)預(yù)測模型。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。通過綜合考慮連續(xù)冷卻CCT曲線與冷卻路徑，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。
3、基于多目標優(yōu)化的熱軋產(chǎn)品工藝智能設(shè)計
針對依托傳統(tǒng)“試錯法”進行熱軋工藝設(shè)計成本高、效率低的問題，開發(fā)多目標優(yōu)化算法，充分考慮顯微組織（鐵素體含量、鐵素體晶粒尺寸等）和性能指標（強度、塑性等）和多工序工藝約束條件，結(jié)合熱軋“形-性-面”數(shù)字孿生系統(tǒng)，開發(fā)熱軋鋼材工藝智能優(yōu)化方法。通過工藝參數(shù)全局尋優(yōu)并在實際生產(chǎn)中迭代優(yōu)化，快速給出最佳工藝窗口，為熱軋鋼材材生產(chǎn)過程成分體系設(shè)計、組織性能優(yōu)化、表面質(zhì)量提升及軋制載荷控制的全局一體化調(diào)控提供了新的技術(shù)方案。
四、應(yīng)用情況與成效
1、熱軋“形-性-面”數(shù)字孿生系統(tǒng)的產(chǎn)品綜合質(zhì)量控制
熱軋過程組織演變是一個黑箱過程，同時組織性能、形狀尺寸和表面氧化三者相互影響呈強耦合關(guān)系，由此導(dǎo)致工藝優(yōu)化過程全憑經(jīng)驗控制而無法獲得全局最優(yōu)工藝，嚴重制約了鋼鐵產(chǎn)品綜合質(zhì)量的進一步提升。
為此，項目團隊將軋制工藝學(xué)與物理冶金學(xué)通過人工智能算法融入熱軋模型開發(fā)之中。根據(jù)軋制載荷變化揭示了軋制過程奧氏體再結(jié)晶及晶粒形態(tài)演變。同時通過構(gòu)建熱軋過程氧化鐵皮厚度演變及界面摩擦的機器學(xué)習(xí)模型，實現(xiàn)了氧化鐵皮厚度及界面摩擦系數(shù)的精準預(yù)測。集成顯微組織演變、界面摩擦狀態(tài)反饋及軋制載荷變化情況，通過閉環(huán)迭代，最終形成熱軋過程高保真“組織-氧化-載荷”數(shù)字孿生模型，以實現(xiàn)熱軋產(chǎn)品性能-表面-尺寸的綜合調(diào)控。依托某熱連軋產(chǎn)線，針對700MPa級高強鋼，模型實現(xiàn)了組織性能、表面氧化及軋制載荷的高精度預(yù)測。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合多目標優(yōu)化算法實現(xiàn)了工藝優(yōu)化設(shè)計，工藝優(yōu)化后力學(xué)性能波動降低30%（圖2（a））；模型軋制力預(yù)測精度優(yōu)于傳統(tǒng)二級模型，在調(diào)控比例凸度過程中更加平穩(wěn)，有利于降低此類高強鋼邊浪風(fēng)險（圖2（b））；同時，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，達到了免酸洗產(chǎn)品的要求（圖2（c））。
圖2 高強鋼工藝優(yōu)化前后綜合質(zhì)量對比
（a）強度波動（b）比例凸度（c）氧化鐵皮厚度波動
2、中厚板余坯智能高效利用系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用
面對新型工業(yè)化帶來的生產(chǎn)與消費結(jié)構(gòu)改變，中厚板生產(chǎn)過程所具有的品種結(jié)構(gòu)復(fù)雜、小批量訂單多等特點更加突出，大量的產(chǎn)生余坯給企業(yè)造成了巨大經(jīng)濟損失，而且過多的鋼種造成了煉鋼工序的復(fù)雜化，嚴重影響了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量的持續(xù)提高。
依托某寬厚板產(chǎn)線，融合工業(yè)數(shù)據(jù)、物理冶金原理和機器學(xué)習(xí)等，建立了中厚板組織性能演變的數(shù)字孿生系統(tǒng)。結(jié)合合同訂單信息，根據(jù)成分放行標準和規(guī)格信息，綜合考慮成材率、壓縮比、展寬比范圍，搜索余坯成分、規(guī)格信息。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合力學(xué)性能放行標準和余坯“成分-工藝-組織-性能”預(yù)判模型，綜合考慮細晶、析出、位錯及相變等強化機制綜合作用，提出了軋制工藝的柔性化設(shè)計方法，實現(xiàn)C-Mn、管線、低合金三大類系列鋼種跨厚度和跨強度工藝柔性化設(shè)計。針對C-Mn、管線、低合金三大類厚板產(chǎn)品，消化原有庫存現(xiàn)貨滯留坯約4500噸，均按正品交付。自系統(tǒng)上線以來，已累積實現(xiàn)超7.5萬噸異鋼種軋制生產(chǎn)，全年實現(xiàn)可利用坯超過85%正品軋制。
圖3 中厚板余坯智能高效利用系統(tǒng)
3、寬厚板高效軋制工藝智能設(shè)計及應(yīng)用
高強船板鋼是船舶工業(yè)發(fā)展的重要基礎(chǔ)，對保障國家海洋戰(zhàn)略安全具有重要戰(zhàn)略意義。其生產(chǎn)過程通常采用控制軋制工藝以保障強韌性，然而傳統(tǒng)控制軋制會嚴重降低生產(chǎn)效率，影響生產(chǎn)節(jié)奏。例如，某單機架寬厚板生產(chǎn)線軋制高強船板鋼的粗軋與精軋之間待溫時間約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)工藝以提高生產(chǎn)效率，對企業(yè)降本增效具有重要的現(xiàn)實意義。
項目團隊結(jié)合產(chǎn)線布置特點，建立寬厚板熱軋“形-性-面”數(shù)字孿生系統(tǒng)，開發(fā)高強船板鋼高效軋制工藝。在加熱階段，通過將出鋼溫度由1130℃降低至1050℃，在保證顯微組織奧氏體化前提下實現(xiàn)低溫出鋼。在軋制階段，通過將中間坯長時間待溫的控制軋制工藝調(diào)整為不控軋，實現(xiàn)軋制效率的提升。同時提高精軋溫度促使奧氏體發(fā)生再結(jié)晶，細化奧氏體組織。在冷卻階段，通過優(yōu)化冷卻工藝，保證產(chǎn)品最終力學(xué)性能。圖4（a）和圖4（b）示出了實驗室條件下工藝優(yōu)化前后獲得的顯微組織對比。工藝優(yōu)化后，顯微組織更為細小、均勻，同時帶狀組織得以改善。工業(yè)試制結(jié)果表明，相比傳統(tǒng)工藝，新工藝下每塊鋼減少軋制時間約60秒（圖4（c）），同時力學(xué)性能仍能滿足標準要求（圖4（d））。針對30 mm以下的船板鋼，與采用控制軋制的船板鋼相比，工藝優(yōu)化后軋制效率由13.3塊/小時提升至15.3塊/小時，機時產(chǎn)量提高37t，軋制效率提升15%。
圖4 高強船板鋼工藝優(yōu)化前后溫度場及組織對比
（a）工藝優(yōu)化前顯微組織（b）工藝優(yōu)化后顯微組織
（c）工藝優(yōu)化前后溫度場對比（厚度：20 mm）（d）工藝優(yōu)化后力學(xué)性能分布（AH36船板鋼；厚度：20～30 mm）
4、節(jié)約型高強鋼化學(xué)成分數(shù)字化設(shè)計
應(yīng)用于深海、地震及凍土等極端環(huán)境重大工程中的傳統(tǒng)高強鋼生產(chǎn)依賴于大量添加Cr、Ni、Cu等合金元素以穩(wěn)定貝氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物結(jié)構(gòu)，從而提升強韌性及抗斷裂性。然而，這種以經(jīng)驗主導(dǎo)的成分設(shè)計模式不僅浪費合金資源，而且難以精準平衡化學(xué)元素配比、工藝參數(shù)與貝氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物之間的關(guān)系。
項目團隊結(jié)合基礎(chǔ)相變理論，集成梯度提升樹模型和支持向量機模型建立了合金成分、工藝參數(shù)與貝氏體相變產(chǎn)物之間的映射關(guān)系，實現(xiàn)了不同成分與工藝條件下相變產(chǎn)物類型及其含量的精準預(yù)測。在滿足目標力學(xué)性能的前提下，結(jié)合智能優(yōu)化理論，開發(fā)鋼材成分數(shù)字化設(shè)計方法，實現(xiàn)鋼材合金元素減量化配比方案及與之匹配的工藝參數(shù)優(yōu)化設(shè)計。針對國內(nèi)某寬厚板產(chǎn)線生產(chǎn)的X80M管線鋼（Cr：0.25 wt%、Ni：0.20 wt%、Cu：0.17 wt%），通過分析可知，當(dāng)冷卻速率控制在25-35℃/s范圍內(nèi)時，即使Cr、Ni、Cu的添加量分別降低20%、50%和100%，仍可通過調(diào)控加熱溫度和精軋溫度以在連續(xù)冷卻過程中獲得足夠的針狀鐵素體和板條貝氏體，補償合金元素降低導(dǎo)致的固溶強化貢獻減小，并細化有利于韌性和抗斷裂性的平均有效晶粒尺寸和MA島尺寸。類似地，550MPa級橋梁鋼的Cr、Ni、Mo用量減少16%、44%和100%，690MPa級海洋平臺鋼的Cu、Ni、Mo減量幅度達70%、64%和100%。
圖5 合金減量化設(shè)計及應(yīng)用成效
5、熱軋螺紋鋼組織演變數(shù)字孿生及應(yīng)用
螺紋鋼筋由于其優(yōu)良的綜合性能廣泛用于各種建筑結(jié)構(gòu)中。在螺紋鋼筋生產(chǎn)過程中，加熱、軋制和穿水冷卻過程中軋件內(nèi)部組織演變處于“黑箱”狀態(tài)，無法精準測量。當(dāng)前，鋼筋的生產(chǎn)以“工藝-性能”控制為主，生產(chǎn)控制目標模糊，導(dǎo)致鋼筋斷面組織易于產(chǎn)生閉合圈、產(chǎn)品性能波動大，困擾著高強鋼筋的高質(zhì)量生產(chǎn)。
與板帶材相比，熱軋螺紋鋼筋組織演變模型建立的難點主要體現(xiàn)在：軋制過程變形復(fù)雜；化學(xué)成分-力學(xué)性能可以匹配，化學(xué)成分-工藝可以匹配，但工藝與性能無法精確匹配。針對高強鋼筋工藝與性能無法精確匹配這一問題，依托國內(nèi)某棒材產(chǎn)線，基于生產(chǎn)數(shù)據(jù)的分析，確定了工藝-性能智能匹配準則，在一爐鋼內(nèi)實現(xiàn)了產(chǎn)品性能和工藝的智能匹配?；诟邚婁摻畛煞?工藝-性能對應(yīng)關(guān)系，建立了熱軋螺紋鋼筋組織演變數(shù)字孿生系統(tǒng)，實現(xiàn)了HRB400E等高強鋼筋產(chǎn)品軋制全流程組織演變的數(shù)值模擬和力學(xué)性能的高精度預(yù)測。HRB400E高強鋼筋屈服強度和抗拉強度在相對誤差±5%以內(nèi)的預(yù)測精度均高于90%，分別為95.1%和97.8%，減少產(chǎn)品力學(xué)性能取樣1/3。此外，基于模型實現(xiàn)了典型化學(xué)成分（如Mn含量）對屈服強度、抗拉強度、延伸率影響規(guī)律的定量化分析。
圖6 HRB400E鋼筋的強度預(yù)測精度及規(guī)律性分析
項目團隊基于熱軋工業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)及先進的數(shù)字手段，開發(fā)出了熱軋過程綜合考慮組織結(jié)構(gòu)演變、氧化鐵皮厚度演變、界面狀態(tài)及軋制載荷變化的“形-性-面”數(shù)字孿生系統(tǒng)，實現(xiàn)了熱軋過程主體環(huán)節(jié)的高保真數(shù)字孿生，解決了熱軋過程組織演變與界面狀態(tài)的黑箱問題，從而提升產(chǎn)品表面質(zhì)量和力學(xué)性能穩(wěn)定性。實際應(yīng)用于我國大型熱連軋及寬厚板軋機等10余家鋼企（如圖7），開發(fā)出以海洋風(fēng)電為代表的多種高性能鋼鐵材料的成分體系與最優(yōu)軋制工藝，生產(chǎn)出“內(nèi)外兼修”的高品質(zhì)熱軋鋼材并成功應(yīng)用于我國各類重大工程。所開發(fā)的熱軋“形-性-面”數(shù)字孿生系統(tǒng)顛覆了國際鋼鐵領(lǐng)域的傳統(tǒng)控制方法，在熱軋生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域走出了一條領(lǐng)先于日韓歐洲等鋼鐵企業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型之路。
圖7 熱軋“形-性-面”數(shù)字孿生系統(tǒng)推廣應(yīng)用情況
信息來源：東北大學(xué)數(shù)字鋼鐵全國重點實驗室
