一、研究背景與核心問(wèn)題

高品質(zhì)薄板廣泛應(yīng)用于高端汽車(chē)、現(xiàn)代建筑、軍工裝備、智能家電等國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的重要領(lǐng)域，其技術(shù)裝備現(xiàn)代化程度和產(chǎn)品譜系完備性均達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。而下游制造業(yè)對(duì)薄板產(chǎn)品的綜合質(zhì)量，特別是高精度板形控制、全域性能一致性、表面質(zhì)量穩(wěn)定性等方面提出了更高要求。“形、性、表”一體化控制已成為制約薄板產(chǎn)業(yè)高端化發(fā)展的瓶頸，而一體化控制面臨三大突出難題：

1）預(yù)報(bào)誤差大：多物理場(chǎng)耦合建模不足，難以適應(yīng)小批量多規(guī)格生產(chǎn)。

2）檢測(cè)精度低：傳統(tǒng)設(shè)備受高溫干擾（如熱輻射），缺陷漏檢率高。

3）控制能力弱：冷/熱軋及后處理工序協(xié)同不足；“形性表”控制耦合關(guān)系被忽視，孤立調(diào)控導(dǎo)致綜合質(zhì)量難以提升。

進(jìn)一步從更深層次來(lái)看，板形、性能與表面三者孤立運(yùn)行，缺乏協(xié)同調(diào)控，嚴(yán)重制約了產(chǎn)品綜合質(zhì)量水平提升。因此，亟需構(gòu)建“預(yù)報(bào)、檢測(cè)、控制”縱向貫通和“形、性、表”橫向協(xié)調(diào)的雙維度一體化工藝檢控體系。為此項(xiàng)目組圍繞形性表進(jìn)行了一系列關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新。

二、關(guān)鍵技術(shù)及科技創(chuàng)新

創(chuàng)新點(diǎn)一：針對(duì)“板形”，首發(fā)多模態(tài)信息融合檢測(cè)與多機(jī)架多工序協(xié)同板形控制技術(shù)

項(xiàng)目組從預(yù)報(bào)技術(shù)入手，搭建軋制板形板廓多尺度協(xié)同預(yù)報(bào)系統(tǒng)，在行業(yè)首次提出“軋輥冷卻效能動(dòng)態(tài)修正”的技術(shù)思路，創(chuàng)新集成軋件彈塑性變形、輥系多因素變形及冷卻介質(zhì)動(dòng)態(tài)傳熱的多物理場(chǎng)耦合，突破了傳統(tǒng)解析方法在復(fù)雜工況下的適應(yīng)性局限，規(guī)格2.5mm×1500mm的780MPa級(jí)熱軋高強(qiáng)鋼板形預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率達(dá)到行業(yè)最高的97%以上。

在熱軋板形檢測(cè)方面，創(chuàng)新性引入藍(lán)色激光光源，自主研發(fā)了高精度雙線激光三維點(diǎn)云重構(gòu)技術(shù)和成套化裝備，實(shí)現(xiàn)了帶鋼表面空間形貌的毫米級(jí)實(shí)時(shí)重建，解決了高溫環(huán)境下傳統(tǒng)紅外測(cè)量易受熱輻射干擾“測(cè)不準(zhǔn)”的行業(yè)難題，寬度方向檢測(cè)精度由原來(lái)的每點(diǎn)1.2mm提高到每點(diǎn)0.375mm，突破性實(shí)現(xiàn)浪形高度檢測(cè)精度由2mm提高到0.1mm。

在預(yù)報(bào)和檢測(cè)的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)冷熱軋聯(lián)動(dòng)調(diào)控的板形板廓控制技術(shù)，研發(fā)了熱軋多目標(biāo)溫度精準(zhǔn)控制和復(fù)雜工況竄輥量與彎輥力匹配技術(shù)，聯(lián)動(dòng)前饋控制開(kāi)發(fā)多機(jī)架全工序板形協(xié)同控制技術(shù)，解決了熱軋、冷軋及后處理全流程板形調(diào)控多工序互相掣肘的技術(shù)難題，規(guī)格2.5mm*1500mm的780MPa級(jí)熱軋板形值控制在35IU以內(nèi)、規(guī)格0.8mm*1500mm的980MPa級(jí)冷軋板形值控制在5 IU以內(nèi)。

創(chuàng)新點(diǎn)二：針對(duì)“性能”，創(chuàng)新研發(fā)基于先驗(yàn)規(guī)則的熱軋過(guò)程工藝與力學(xué)性能控制技術(shù)

開(kāi)發(fā)基于PINN（物理信息神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）網(wǎng)絡(luò)的熱軋帶鋼力學(xué)性能預(yù)報(bào)算法，構(gòu)建包括晶粒度、析出模型、復(fù)相強(qiáng)化模型為基礎(chǔ)的物理約束嵌入的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，創(chuàng)新性將先驗(yàn)規(guī)則嵌入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，研發(fā)出符合物理定律的力學(xué)性能預(yù)測(cè)模型，實(shí)現(xiàn)模型更強(qiáng)的可解釋性與泛化能力。相比傳統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，僅需小樣本量的訓(xùn)練，即可達(dá)到較高的性能預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率，屈服強(qiáng)度為例：晶粒強(qiáng)化軟鋼≥99.5%，細(xì)晶及析出強(qiáng)化中等強(qiáng)度鋼≥99%；抗拉強(qiáng)度為例：多相強(qiáng)化超高強(qiáng)鋼≥97%。

在高精度預(yù)測(cè)基礎(chǔ)上，構(gòu)建了基于多環(huán)反饋的力學(xué)性能綜合控制系統(tǒng)，創(chuàng)新性提出軋鋼及后處理工藝調(diào)控作為反饋內(nèi)環(huán)、成分及煉鋼工藝調(diào)控作為反饋外環(huán)的技術(shù)架構(gòu)，自主研發(fā)出銜接PINN（物理信息神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）算法的成套力學(xué)性能綜合控制系統(tǒng)，對(duì)340-1180MPa系列薄板的工藝控制命中率達(dá)到100%。

創(chuàng)新點(diǎn)三，針對(duì)“表面”，開(kāi)發(fā)基于高速協(xié)同算法的高精度板帶表面特性智能檢控技術(shù)

針對(duì)薄板帶高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下表面缺陷漏檢的行業(yè)突出問(wèn)題，自主開(kāi)發(fā)雙模成像+FPGA（加FPGA）的表面質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)，研發(fā)了智能自適應(yīng)光源技術(shù)和高精度線陣與全局面陣雙模成像系統(tǒng)，精準(zhǔn)檢測(cè)傳統(tǒng)系統(tǒng)難以捕捉的十微米級(jí)瑕疵及復(fù)雜灰度差異，實(shí)現(xiàn)毫秒級(jí)協(xié)同運(yùn)算和十微米級(jí)檢測(cè)，表面缺陷綜合檢出率由95%提升到98%。

在算法方面，自主創(chuàng)建“自監(jiān)督預(yù)訓(xùn)練+動(dòng)態(tài)多模遷移”機(jī)制的深度學(xué)習(xí)算法，首創(chuàng)“嵌入式協(xié)同感知+多模型自適應(yīng)分割+多模態(tài)分級(jí)決策”三位一體技術(shù)體系，構(gòu)建缺陷類別特征空間與自進(jìn)化提取，減少數(shù)據(jù)依賴的同時(shí)相比傳統(tǒng)算法實(shí)現(xiàn)誤檢率降低60%以上，分類分級(jí)準(zhǔn)確率由90%提升到95%，自動(dòng)判級(jí)人工一致率達(dá)到90%。

在控制方面，研發(fā)了基于缺陷數(shù)模重現(xiàn)的工藝設(shè)定及仿真控制技術(shù)，建立表面質(zhì)量缺陷設(shè)定模型，對(duì)缺陷重現(xiàn)結(jié)果實(shí)施后處理捕捉和跟蹤，協(xié)助檢測(cè)系統(tǒng)完成缺陷的分析和判斷，助力提高系統(tǒng)的精度和控制水平。聚焦突破熱軋粗糙度因素，有效解決上游來(lái)料的缺陷遺傳問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)多工序表面質(zhì)量反饋調(diào)控，對(duì)于軋鋼可控環(huán)節(jié)表面缺陷發(fā)生率降低73%。

創(chuàng)新點(diǎn)四，針對(duì)“形性表一體化”，首次研發(fā)“形、性、表”多目標(biāo)耦合約束的一體化工藝控制技術(shù)

通過(guò)統(tǒng)籌板形、性能、表面質(zhì)量三個(gè)維度的檢控技術(shù)，深度融合動(dòng)態(tài)工藝參數(shù)、多模態(tài)異構(gòu)數(shù)據(jù)及物理機(jī)理，建立形性表特征函數(shù)，對(duì)多目標(biāo)函數(shù)就行耦合優(yōu)化，構(gòu)建三目標(biāo)Pareto最優(yōu)解集目標(biāo)函數(shù)實(shí)現(xiàn)多準(zhǔn)則決策，也就是通過(guò)動(dòng)態(tài)工藝參數(shù)和多模態(tài)異構(gòu)數(shù)據(jù)的樣本采集找到形性表共性參數(shù)作為自變量，通過(guò)Pareto方法對(duì)三個(gè)不同方向的目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行重新排序、交叉、融合，尋找到符合優(yōu)化目標(biāo)的最優(yōu)解集。開(kāi)發(fā)了“形、性、表”多目標(biāo)耦合約束的一體化工藝控制技術(shù)，突破傳統(tǒng)孤立檢控范式，實(shí)現(xiàn)“檢測(cè)-預(yù)報(bào)-控制”的閉環(huán)協(xié)同。

三、主要技術(shù)指標(biāo)先進(jìn)性

本項(xiàng)目在板形智能檢測(cè)的運(yùn)行速度、檢測(cè)精度、板形板廓預(yù)報(bào)控制等方面優(yōu)于德國(guó)西馬克（SMS）、瑞典視平線（Shapeline）等國(guó)際先進(jìn)企業(yè)同類技術(shù)。此外，表面缺陷綜合檢出率、分類分級(jí)準(zhǔn)確率、自動(dòng)判級(jí)人工一致率均優(yōu)于美國(guó)阿美特克（AMETEK）同類技術(shù)。

1：同類技術(shù)對(duì)比

技術(shù)指標(biāo)

對(duì)比瑞典Shapeline

公司技術(shù)參數(shù)

該項(xiàng)目技術(shù)參數(shù)

比較結(jié)論

板形智能檢測(cè)

產(chǎn)線運(yùn)行速度

Max.1200米/分鐘

優(yōu)于

寬度方向檢測(cè)精度

1.2mm/點(diǎn)

0.375mm/點(diǎn)

優(yōu)于

行進(jìn)方向檢測(cè)精度

20mm/點(diǎn)

9mm/點(diǎn)

優(yōu)于

浪形高度精度

≤±0.5mm

≤±0.1mm

優(yōu)于

基于輥道中心的跑偏量測(cè)量精度

≤±5mm

≤±5mm

相當(dāng)

技術(shù)指標(biāo)

對(duì)比德國(guó)SMS

公司技術(shù)參數(shù)

該項(xiàng)目技術(shù)參數(shù)

比較結(jié)論

板形板廓預(yù)報(bào)

板形預(yù)報(bào)精準(zhǔn)

≥95%

≥97%

優(yōu)于

板廓預(yù)報(bào)精準(zhǔn)

≥95%

≥95%

相當(dāng)

板形板廓控制

板形控制

熱軋≤40I，冷軋≤8I，平整≤4I，有碎浪

熱軋板形35 IU以內(nèi)；冷軋板形5 IU以內(nèi)；平整成品2 IU以內(nèi)，無(wú)碎浪；

優(yōu)于

板廓控制

≤25μm

≤20μm

優(yōu)于

技術(shù)指標(biāo)

對(duì)比美國(guó)AMETEK公司技術(shù)參數(shù)

該項(xiàng)目技術(shù)參數(shù)

比較結(jié)論

性能預(yù)報(bào)控制

性能預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率

≥99%

≥99.5%

相當(dāng)

工藝反饋控制命中率

100%

優(yōu)于

表面質(zhì)量檢測(cè)及控制

表面缺陷綜合檢出率

95%

98%

優(yōu)于

分類分級(jí)準(zhǔn)確率

90%

95%

優(yōu)于

自動(dòng)判級(jí)人工一致率

無(wú)判級(jí)功能

90%

優(yōu)于

表面缺陷發(fā)生率

73%

優(yōu)于

四、項(xiàng)目實(shí)施效果

項(xiàng)目取得發(fā)明專利授權(quán)59件，發(fā)表學(xué)術(shù)論文24篇，軟件著作權(quán)39項(xiàng)。研究成果在河鋼、寶鋼、鞍鋼等國(guó)內(nèi)大型鋼鐵企業(yè)推廣，成功應(yīng)用于熱軋、冷軋、后處理等近30條產(chǎn)線，區(qū)域性輻射京津冀、長(zhǎng)三角核心鋼鐵產(chǎn)銷區(qū)。中國(guó)鋼鐵工業(yè)協(xié)會(huì)組織專家對(duì)本項(xiàng)目進(jìn)行評(píng)價(jià)：整體技術(shù)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。

經(jīng)濟(jì)效益方面，因項(xiàng)目應(yīng)用，成品板帶因板形、性能、表面質(zhì)量等問(wèn)題而引起的缺陷率下降80%，年均質(zhì)量降級(jí)量減少15萬(wàn)噸，近三年累計(jì)創(chuàng)效5.2億元。社會(huì)效益方面，項(xiàng)目攻克了板帶高品質(zhì)生產(chǎn)的核心瓶頸，推動(dòng)了鋼鐵行業(yè)自主創(chuàng)新與轉(zhuǎn)型升級(jí)。滿足了高端市場(chǎng)對(duì)板形、性能及表面質(zhì)量要求與差異性需求，應(yīng)用前景廣闊。

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