山钢日照：热连轧高强钢品规快速过渡与稳定轧制智能优化控制技术开发

一、研究的背景与问题

 

热连轧高强钢因其高强度、优韧性、良好焊接性能、出色耐腐蚀性和高生产效率等优势，成为建筑、汽车、航空等行业的重要原材料。当前，随着高强钢在国民经济建设中应用领域不断拓展，产品定制化生产特征日益增强，对质量一致性要求不断提高。热连轧过程是高强钢制造过程中的关键工序，轧件在生产过程中时变、非线性的特点，由单一品种批量化生产向多品种个性化生产转型遇到瓶颈，在频繁规格切换时质量一致性和轧制稳定性差，具体表现为过渡材消耗大、板形效果差、模型精度低、薄规格轧机振动频发，制约了热连轧高强钢产品高效制造。

 

山东钢铁集团日照有限公司2050mm热连轧产线于2017年引进日本TMEIC新一代模型控制系统，但在高强钢热连轧过程中，多品种多规格频繁切换时模型快速适应难度较大，主要存在3个技术瓶颈：一是静态模型精度低导致尺寸控制误差大，二是快速过渡适应困难导致产品质量一致性差，三是薄硬规格振动频发导致轧制稳定性差。当前，业内大多以实际稳态数据进行高强钢轧制工艺优化，对于非稳态过程的管控的手段和能力不足。因此，以品规快速过渡过程的精准建模和轧制工艺规程动态优化为基础，实现高强钢轧制品种规格切换时的快速精准过渡和机架的协调稳定控制，是高强钢小批量多规格生产稳定性和质量一致性提升的必然选择。

 

项目围绕行业领域内重大共性技术需求，依托山钢日照2050mm热连轧产线，由山钢集团日照公司、东北大学、北京科技大学、山钢股份和北京科技大学设计研究院有限公司组成的研发团队，依托国家重点研发计划、国家自然科学基金及校企合作项目，开展了“数据+机理”驱动的多模态融合控制大模型开发、轧制状态综合诊断分析、稳定轧制协同管控和轧机振动抑制技术等4个方面的创新性研究，解决了高强钢热连轧多品种多规格频繁切换时的轧制不稳定和质量波动大的难题。项目研究成果实现了智能化技术在热连轧高强钢的落地示范和引领，支撑下游行业高质量发展。

 

二、解决问题的思路与技术方案

 

项目采取的总体思路是突破高强钢规格频繁切换过程中质量稳定性和质量一致性差的技术瓶颈，开发热连轧高强钢品规快速过渡与稳定轧制智能优化控制技术。基于高强钢热轧生产大数据平台，融合轧制机理模型建立“机理+数据”多模态融合大模型，提高模型设定精度。基于大模型研发品规快速过渡协同管控技术和稳定轧制工艺方案，缩短高强钢规格切换过程的过渡时间，保证质量一致性。解析加热-除鳞-轧制工序遗传效应，优化液压和传动系统，研发数据驱动的抑振器自抗扰技术和工序遗传的振动抑制技术，解决品规快速过渡引起的轧机振动难题。项目技术路线如图1所示。

 

 

图1 总体技术路线

 

三、主要创新性成果

 

1、面向快速过渡的“机理+数据”多模态融合控制大模型开发

 

研究了高强钢快速过渡轧制存在问题，特别是规格切换后首支钢和换辊后首支钢的偏差较大，分析出主要原因是工艺控制模型的适应性整体较差，表现为浪形等板形问题较多、头尾和全长命中率偏低、头尾宽度控制水平低等，针对具体问题以机理模型作为机器学习不可测输入节点，工程法模型作为多层架构中间节点，辅以专家知识约束，研发了“机理+数据”多模态融合大模型， 成功替代进口模型并应用于高强钢三维尺寸控制。同时，对新开发产品的三维尺寸大模型进行迁移学习，二级品率下降26.98%。研发了基于概念漂移检测的在线滚动优化方法，解决了三维尺寸控制过程中因数据漂移而产生的模型精度下降的问题，并对模型参数进行实时更新优化，从而保证模型的预测稳定性。

 

 

图2 “机理+数据”多模态融合控制大模型开发

 

2、高强钢品规快速过渡与稳定轧制协同管控技术

 

项目开发了质量诊断系统，建立了模型参数误差贡献率评价模型，获得了尺寸精度、板形等关键参数评分指标，通过品规分档优化，解决了快速过渡自学习跳变引起的质量缺陷，突破了高强钢热轧变形抗力切换跨度<200MPa的局限。研发了辊系参数调优技术，通过集合辊系-轧件耦合变形、磨损辊形、热辊形等模型，对疑难板形进行多机架协调优化。开发了基于辊系优化的排产优化策略，系统可批量导入排产计划并给出换品规时风险系数，为排产系统提供优化依据，高强钢品规过渡速度提升了28.6%。建立了轧制规程的多目标动态优化策略，实现了不同工况下规程的动态优化，开发了品规快速过渡与稳定轧制协同管控软件，生产效率提高5.02%，质量异议减少12.4%，实现了普碳钢向1000MPa级高强钢极薄规格的快速过渡。

 

 

图3 品规快速过渡与稳定轧制协同管控

 

3、基于工序遗传的高强钢热连轧过程振动抑制技术

 

 

图4 高强钢热连轧过程振动抑制技术

 

项目研发了数据驱动的抑振器自抗扰技术，根据异常振动数据生成反向抑制信号，参与AGC调节，抵消系统的扭振、垂振和耦合振动。同时，研发了工序遗传的振动抑制技术，采集上下游工序轧制力、传动力矩、轧机垂振等信号，调整液压油阻尼状态和传动系统控制频率，减轻轧机振动能量。针对二维轧制界面特性及三维轧机振动进行分析，提出了多尺度多维度振动机理模型，融合振动数据，建立了轧机振动能量预测模型，给出轧机振动能量判据，振动预测精度达到92.3%。抑振技术实施后，扭振由异常振动时的幅值30.1t·m减小到5.7t·m;工作辊垂振加速度由0.147g减小到0.0025g，减少了轧机振动能量、降低了振动发生频率，抑振效果明显。

 

四、应用情况与效果

 

该项目首次开发了热连轧高强钢品规快速过渡与稳定轧制关键技术，成功应用于山东钢铁集团日照有限公司2050mm热连轧产线。典型规格高强热轧过程的轧制力设定精度由93.4%提升至95.8%，厚度命中率达到97.5%。宽度命中率由92.3%提高至96.5%。板凸度偏差在±15μm命中率达到97.3%，平直度偏差在±20IU命中率达到96.8%。规格切换效率提高了28.6%，实现了1000 MPa级高强钢1.5mm产品的快速过渡。本项目相关技术还推广应用到首钢、鞍钢、马钢、本钢等热连轧产线，在汽车钢、管线钢、建筑用钢等典型产品实现了品规快速过渡与稳定轧制，直接经济效益显著。项目形成的系列技术具有很强的应用示范作用，极大提升了产线效率和效益，可以在行业内进行广泛推广应用。

 

 

图5 应用效果

 

来源：山东钢铁集团日照有限公司