一、研究的背景與問題

熱連軋高強鋼因其高強度、優(yōu)韌性、良焊接性能、出色耐腐蝕性和高生產(chǎn)效率等優(yōu)勢，成為建筑、汽車、航空等行業(yè)的重要材料。當前，隨著高強鋼在國民經(jīng)濟建設中應用領域不斷拓展，產(chǎn)品定制化生產(chǎn)特征日益增強，對質(zhì)量一致性要求不斷提高。熱連軋過程是高強鋼制造過程中的關鍵工序，軋件在生產(chǎn)過程中時變、非線性的特點，由單一品種批量化生產(chǎn)向多品種個性化生產(chǎn)轉(zhuǎn)型遇到瓶頸，在頻繁規(guī)格切換時質(zhì)量一致性和軋制穩(wěn)定性差，具體表現(xiàn)為過渡材消耗大、板形效果差、模型精度低、薄規(guī)格軋機振動頻發(fā)，制約了熱連軋高強鋼產(chǎn)品高效制造。

山東鋼鐵集團日照有限公司2050mm熱連軋產(chǎn)線2017年引進日本TMEIC新一代模型控制系統(tǒng)，但在高強鋼熱連軋過程中，多品種多規(guī)格頻繁切換時模型快速適應難度較大，主要存在個技術(shù)瓶頸：一是靜態(tài)模型精度低導致尺寸控制誤差大，二是快速過渡適應困難導致產(chǎn)品質(zhì)量一致性差，三是薄硬規(guī)格振動頻發(fā)導致軋制穩(wěn)定性差。當前，業(yè)內(nèi)大多以實際穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)進行高強鋼軋制工藝優(yōu)化，對于非穩(wěn)態(tài)過程的管控的手段和能力不足。因此，以品規(guī)快速過渡過程的精準建模和軋制工藝規(guī)程動態(tài)優(yōu)化為基礎，實現(xiàn)高強鋼軋制品種規(guī)格切換時的快速精準過渡和機架的協(xié)調(diào)穩(wěn)定控制，是高強鋼小批量多規(guī)格生產(chǎn)穩(wěn)定性和質(zhì)量一致性提升的必然選擇。

項目圍繞行業(yè)領域內(nèi)重大共性技術(shù)需求，依托山鋼日照2050mm熱連軋產(chǎn)線，由山鋼集團日照公司、東北大學、北京科技大學、山鋼股份和北京科技大學設計研究院有限公司組成的研發(fā)團隊，依托國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金及校企合作項目，開展了數(shù)據(jù)機理驅(qū)動的多模態(tài)融合控制大模型開發(fā)、軋制狀態(tài)綜合診斷分析、穩(wěn)定軋制協(xié)同管控和軋機振動抑制技術(shù)個方面的創(chuàng)新性研究，解決了高強鋼熱連軋多品種多規(guī)格頻繁切換時的軋制不穩(wěn)定和質(zhì)量波動大的難題。項目研究成果實現(xiàn)了智能化技術(shù)在熱連軋高強鋼的落地示范和引領，支撐下游行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

二、解決問題的思路與技術(shù)方案

項目采取的總體思路是突破高強鋼規(guī)格頻繁切換過程中質(zhì)量穩(wěn)定性和質(zhì)量一致性差的技術(shù)瓶頸，開發(fā)熱連軋高強鋼品規(guī)快速過渡與穩(wěn)定軋制智能優(yōu)化控制技術(shù)?；诟邚婁摕彳埳a(chǎn)大數(shù)據(jù)平臺，融合軋制機理模型建立機理數(shù)據(jù)多模態(tài)融合大模型，提高模型設定精度?；诖竽Ｐ脱邪l(fā)品規(guī)快速過渡協(xié)同管控技術(shù)和穩(wěn)定軋制工藝方案，縮短高強鋼規(guī)格切換過程的過渡時間，保證質(zhì)量一致性。解析加熱除鱗軋制工序遺傳效應，優(yōu)化液壓和傳動系統(tǒng)，研發(fā)數(shù)據(jù)驅(qū)動的抑振器自抗擾技術(shù)和工序遺傳的振動抑制技術(shù)，解決品規(guī)快速過渡引起的軋機振動難題。項目技術(shù)路線如圖所示。

總體技術(shù)路線

三、主要創(chuàng)新性成果

(1) 面向快速過渡的機理數(shù)據(jù)多模態(tài)融合控制大模型開發(fā)

研究了高強鋼快速過渡軋制存在問題，特別是規(guī)格切換后首支鋼和換輥后首支鋼的偏差較大，分析出主要原因是工藝控制模型的適應性整體較差，表現(xiàn)為浪形等板形問題較多、頭尾和全長命中率偏低、頭尾寬度控制水平低等，針對具體問題以機理模型作為機器學習不可測輸入節(jié)點，工程法模型作為多層架構(gòu)中間節(jié)點，輔以專家知識約束，研發(fā)了機理數(shù)據(jù)多模態(tài)融合大模型， 成功替代進口模型并應用于高強鋼三維尺寸控制。同時，對新開發(fā)產(chǎn)品的三維尺寸大模型進行遷移學習，二級品率下降26.98%。研發(fā)了基于概念漂移檢測的在線滾動優(yōu)化方法，解決了三維尺寸控制過程中因數(shù)據(jù)漂移而產(chǎn)生的模型精度下降的問題，并對模型參數(shù)進行實時更新優(yōu)化，從而保證模型的預測穩(wěn)定性。

2 “機理數(shù)據(jù)多模態(tài)融合控制大模型開發(fā)

(2) 高強鋼品規(guī)快速過渡與穩(wěn)定軋制協(xié)同管控技術(shù)

項目開發(fā)了質(zhì)量診斷系統(tǒng)，建立了模型參數(shù)誤差貢獻率評價模型，獲得了尺寸精度、板形等關鍵參數(shù)評分指標，通過品規(guī)分檔優(yōu)化，解決了快速過渡自學習跳變引起的質(zhì)量缺陷，突破了高強鋼熱軋變形抗力切換跨度<200MPa的局限。研發(fā)了輥系參數(shù)調(diào)優(yōu)技術(shù)，通過集合輥系軋件耦合變形、磨損輥形、熱輥形等模型，對疑難板形進行多機架協(xié)調(diào)優(yōu)化。開發(fā)了基于輥系優(yōu)化的排產(chǎn)優(yōu)化策略，系統(tǒng)可批量導入排產(chǎn)計劃并給出換品規(guī)時風險系數(shù)，為排產(chǎn)系統(tǒng)提供優(yōu)化依據(jù)，高強鋼品規(guī)過渡速度提升了28.6% 。建立了軋制規(guī)程的多目標動態(tài)優(yōu)化策略，實現(xiàn)了不同工況下規(guī)程的動態(tài)優(yōu)化，開發(fā)了品規(guī)快速過渡與穩(wěn)定軋制協(xié)同管控軟件，生產(chǎn)效率提高5.02%，質(zhì)量異議減少12.4%，實現(xiàn)了普碳鋼向1000MPa級高強鋼極薄規(guī)格的快速過渡。

品規(guī)快速過渡與穩(wěn)定軋制協(xié)同管

基于工序遺傳的高強鋼熱連軋過程振動抑制技術(shù)

項目研發(fā)了數(shù)據(jù)驅(qū)動的抑振器自抗擾技術(shù)，根據(jù)異常振動數(shù)據(jù)生成反向抑制信號，參與AGC調(diào)節(jié)，抵消系統(tǒng)的扭振、垂振和耦合振動。同時，研發(fā)了工序遺傳的振動抑制技術(shù)，采集上下游工序軋制力、傳動力矩、軋機垂振等信號，調(diào)整液壓油阻尼狀態(tài)和傳動系統(tǒng)控制頻率，減輕軋機振動能量。針對二維軋制界面特性及三維軋機振動進行分析，提出了多尺度多維度振動機理模型，融合振動數(shù)據(jù)，建立了軋機振動能量預測模型，給出軋機振動能量判據(jù)，振動預測精度達到92.3%。抑振技術(shù)實施后，扭振由異常振動時的幅值30.1t?m減小到5.7t?m;工作輥垂振加速度由0.147g減小到0.0025g，減少了軋機振動能量、降低了振動發(fā)生頻率，抑振效果明顯。

高強鋼熱連軋過程振動抑制技術(shù)

四、應用情況與效果

該項目首次開發(fā)了熱連軋高強鋼品規(guī)快速過渡與穩(wěn)定軋制關鍵技術(shù)，成功應用于山東鋼鐵集團日照有限公司2050mm熱連軋產(chǎn)線。典型規(guī)格高強熱軋過程的軋制力設定精度由93.4%提升至95.8%，厚度命中率達到97.5%。寬度命中率由92.3%提高至96.5% 。板凸度偏差在±15μm命中率達到97.3%，平直度偏差在±20IU命中率達到96.8%。規(guī)格切換效率提高了28.6%實現(xiàn)了1000 MPa級高強鋼1.5mm產(chǎn)品的快速過渡。本項目相關技術(shù)還推廣應用到首鋼、鞍鋼、馬鋼、本鋼等熱連軋產(chǎn)線，在汽車鋼、管線鋼、建筑用鋼等典型產(chǎn)品實現(xiàn)了品規(guī)快速過渡與穩(wěn)定軋制，直接經(jīng)濟效益顯著。項目形成的系列技術(shù)具有很強的應用示范作用，極大提升了產(chǎn)線效率和效益，可以在行業(yè)內(nèi)進行廣泛推廣應用。

應用效果

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