作者簡介

    郭朝暉（1968-），山東濟(jì)南人，工學(xué)博士，教授級高工。主要從事冶金自動化與信息化方面的研究。1997年畢業(yè)于浙江大學(xué)并獲博士學(xué)位，同年進(jìn)入寶鋼技術(shù)中心，2000年獲得寶鋼最高榮譽(yù)“金牛獎?wù)?rdquo;。2002年起擔(dān)任寶鋼研究院首席研究員，同年獲得全國青年崗位能手稱號。2003年到牛津大學(xué)進(jìn)行短期學(xué)術(shù)訪問。2005年升為教授級高工。主要社會兼職包括：東北大學(xué)博士導(dǎo)師，上海交通大學(xué)兼職教授，中國工業(yè)與應(yīng)用數(shù)學(xué)學(xué)會常務(wù)理事、中國現(xiàn)場統(tǒng)計學(xué)會理事、上海市人工智能學(xué)會理事、中央企業(yè)青聯(lián)委員。著有《管中窺道——技術(shù)創(chuàng)新的觀念與方法》一書。

    其他作者：王巍、 、蘇異才、張群亮、夏瑛、張丕軍 

    摘要：經(jīng)過了幾十年的發(fā)展，熱軋帶鋼力學(xué)性能預(yù)報技術(shù)仍然存在不少問題。本文對問題的本質(zhì)進(jìn)行了深入分析，并結(jié)合寶鋼的實際條件給出了解決思路，建立了全局通用型熱軋帶鋼力學(xué)性能預(yù)報模型（Glosp)。全局通用型模型覆蓋了80%以上的鋼種，完全具備了大規(guī)模推廣應(yīng)用的條件。

    關(guān)鍵詞：熱軋帶鋼；力學(xué)性能預(yù)報；模型 

    1 前言

    鋼材性能預(yù)報就是利用數(shù)學(xué)模型預(yù)測鋼材組織演變和最終的力學(xué)性能。鋼鐵研究總院院長干勇院士認(rèn)為：鋼材組織性能預(yù)報系統(tǒng)的離線和在線應(yīng)用是世界鋼鐵工業(yè)昨天的夢想、今天的努力和明天的現(xiàn)實, 是用高新技術(shù)改造和提升傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的具體的、可行的、有效的步驟, 是以信息技術(shù)集成為代表的新經(jīng)濟(jì)在鋼鐵工業(yè)中的一次偉大實踐[1]。

    這一想法最初由Irvine 和Pickering在20世紀(jì)50年代提出[2-3]。此后，世界上許多國家政府、國際組織、科研院校和企業(yè)都相繼開展了大量研究。其中，英國Sheffield大學(xué)的Sellars[4]和加拿大McGill大學(xué)的Jonas[5]等人在性能預(yù)報的基礎(chǔ)研究方面做出了開創(chuàng)性貢獻(xiàn)。上世紀(jì)90年代，在美國能源部和美國國家鋼鐵局的巨額資助和主持下, 加拿大不列顛哥倫比亞大學(xué)冶金過程工程中心和美國國家標(biāo)準(zhǔn)局以及北美14家大型鋼鐵企業(yè)共同開發(fā)了一套板材熱連軋的過程模擬軟件(HSMM)。西門子和澳鋼聯(lián)也分別推出了VAI-Qst rip[6]和BM_MM。在國內(nèi)，鋼鐵研究總院、中科院金屬所、東北大學(xué)、北京科大等在性能預(yù)報應(yīng)用方面也進(jìn)行過有益的探索[1]。

    盡管如此，該技術(shù)在實際應(yīng)用中仍存在很多問題，應(yīng)用效果和取得的效益并不理想。事實上，造成這種現(xiàn)象的客觀原因在于模型精度不能滿足具體的應(yīng)用要求，主觀原因是用戶對模型的可靠性持有懷疑態(tài)度，根本原因還是在于多數(shù)模型技術(shù)本身的不成熟[7]。本文從實際應(yīng)用角度出發(fā)，剖析了該項技術(shù)所面臨的各種問題，并給出了解決思路與對策，成功研制出全局通用型熱軋帶鋼力學(xué)性能預(yù)報模型(GlOSP)。其中，全局通用是指同一個模型能用于特定成份和工藝范圍內(nèi)的所有鋼種。全局通用型模型可以用來預(yù)報從未生產(chǎn)過的產(chǎn)品、可用于從未采用過的工藝制度。

    下面介紹了寶鋼性能預(yù)報模型技術(shù)的優(yōu)勢與特點，以及在應(yīng)用方面的工作與思考。

    2 常見問題及創(chuàng)新思路

    長期以來，性能預(yù)報技術(shù)在世界范圍內(nèi)備受關(guān)注，然而卻未因此而走向成熟，本質(zhì)上是沒有解決好用戶需求和現(xiàn)實條件之間的矛盾。

    成功的新技術(shù)必須能更好地滿足用戶需求。同樣，性能預(yù)報模型必須在精度、應(yīng)用范圍等方面超越經(jīng)驗公式。然而，筆者卻在實踐過程中發(fā)現(xiàn)，模型精度存在一個難以超越的極限，而好的經(jīng)驗公式卻能接近這一極限。數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明：成分、工藝參數(shù)、性能測試等環(huán)節(jié)誤差所導(dǎo)致的預(yù)報誤差，往往接近經(jīng)驗?zāi)Ｐ皖A(yù)報誤差。換言之，如果針對特定鋼種建立的模型，檢測誤差大體決定了模型精度的上限。可見，數(shù)據(jù)質(zhì)量差是性能預(yù)報模型技術(shù)多年來難以取得突破的本質(zhì)原因。

    事實上，能夠取得突破的地方在模型的適用范圍，而適用范圍對實用性的影響很大。例如：如果模型僅僅針對特定鋼種，可取得較高的平均精度。但是，設(shè)計新鋼種時無模型可用；優(yōu)化工藝和成分時，發(fā)現(xiàn)在模型精度急劇下降；判斷帶鋼是否合格時，發(fā)現(xiàn)對合格品預(yù)報精度高，不合格品預(yù)報精度低。所以，要達(dá)到實用性的目標(biāo)，需要在材料學(xué)規(guī)律的基礎(chǔ)上，建立跨鋼種、跨工藝、跨產(chǎn)線的通用的性能預(yù)報模型。

    建立通用的力學(xué)性能預(yù)報模型是人們長期以來的夢想，只是由于難度太大，多數(shù)研究工作只針對特定鋼種展開。一般來說，長期得不到解決的難題，往往是解決條件尚不齊備。但是，隨著新技術(shù)的不斷發(fā)展，條件也在不斷發(fā)生變化。近年來，計算機(jī)技術(shù)和數(shù)據(jù)存儲技術(shù)突飛猛進(jìn)，使得海量生產(chǎn)數(shù)據(jù)的記錄與存儲變成了現(xiàn)實。以寶鋼為例，經(jīng)過10多年的積累，適合模型研究的數(shù)據(jù)就多達(dá)40多萬條，這就為性能預(yù)報技術(shù)的突破奠定了條件。當(dāng)然，在此基礎(chǔ)上，不僅需要從一個嶄新的角度認(rèn)識冶金機(jī)理，還要在數(shù)據(jù)處理分析技術(shù)上采用一套全新的思路。

    寶鋼自1998年起耗時12年，最終研制成功全局通用型熱軋帶鋼力學(xué)性能模型。其基本思路是：將力學(xué)性能模型分解成若干子模型。在所涉及的鋼種中，各個子模型采用相同的計算方法，這就體現(xiàn)了模型的全局性。

    3 寶鋼模型介紹

    如無特殊說明，下面的分析結(jié)果均基于2000~2009年的寶鋼2050產(chǎn)線的實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)所得。

    3.1 模型預(yù)報的范圍和比例

    （1）模型預(yù)報的范圍包含了普通CMn鋼、耐候鋼、IF鋼、析出強(qiáng)化鋼等四個類型。在671個鋼種中，可保證預(yù)報精度或具高參考價值的鋼種581個，占86.6%。不能保證預(yù)報精度的鋼種90個，占13.6%。 另外，在不能保證預(yù)報精度的鋼種中，有大約2/3實際上仍然取得了較高的預(yù)報精度，只是無法事先判斷能否準(zhǔn)確預(yù)報。

    （2）排除關(guān)鍵數(shù)據(jù)不完整、明顯出錯數(shù)據(jù)共計337608條。其中，可保證預(yù)報精度或具高參考價值的帶鋼303702條，占89.95%；不能保證預(yù)報精度的33906條，占10.05%。

    3.2模型偏差

    受模型輸入數(shù)據(jù)誤差和隨機(jī)不可見因素的影響，特定帶鋼的預(yù)報誤差并不能代表模型本身真實的誤差。要衡量模型真實的誤差，可針對特定鋼種，分別計算預(yù)報值和實際值的平均值。當(dāng)取樣量足夠大時，兩個平均值之間的差異可以代表模型本身精度，稱為模型偏差。

                  

                   圖1 抗拉強(qiáng)度預(yù)報值與實際值            圖2 屈服強(qiáng)度預(yù)報值與實際值 

    圖1、圖2分別為2050產(chǎn)線自2005年至今，抗拉和屈服強(qiáng)度的檢測和預(yù)報平均值之間的關(guān)系。

    3.3針對特定帶鋼的預(yù)報誤差

    在寶鋼2050產(chǎn)線上，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度誤差的標(biāo)準(zhǔn)差分別是17.5MPa和21.3MPa。預(yù)報誤差分布如下。需要強(qiáng)調(diào)的是：受隨機(jī)不可見因素及輸入數(shù)據(jù)誤差的影響，即便模型正確，預(yù)報誤差也不可能徹底消除。

                

                          圖3 抗拉強(qiáng)度誤差分布               圖4 屈服強(qiáng)度誤差分布 

    表1為2050產(chǎn)線典型鋼種的預(yù)報偏差和誤差標(biāo)準(zhǔn)差的對比情況(單位MPa)。

     表1典型鋼種的預(yù)報偏差和誤差

   

    表2為2050產(chǎn)線不同強(qiáng)度級別預(yù)報誤差和偏差的分布(單位：MPa)。

    表2不同強(qiáng)度級別的預(yù)報偏差和誤差

   

    3.4 預(yù)報誤差的均勻性

    多數(shù)模型的精度與建模樣本的密集程度有關(guān)：樣本多時誤差小，樣本少時誤差大。這樣的模型難以用于鋼種的設(shè)計和優(yōu)化。全局型通用型模型則完全不存在這種問題。

    （1）對小樣本鋼種的預(yù)報

    容易理解，小樣本鋼種的預(yù)報效果與新鋼種設(shè)計的預(yù)報效果大體相當(dāng)。筆者選取了24個只有一個樣本的鋼種，對應(yīng)預(yù)報結(jié)果如圖5、圖6所示。

                

                   圖5 抗拉強(qiáng)度預(yù)報值與實際值 圖6 屈服強(qiáng)度預(yù)報值與實際值 

    在這24個樣本中，標(biāo)準(zhǔn)差分別為16.7MPa和19.1MPa。由此可見，模型對小樣本鋼種的預(yù)報誤差與平均誤差大體相同。

    （2）對不合格樣本的預(yù)報

    表3 針對復(fù)檢不合格樣本的預(yù)報結(jié)果

   

    表4 針對預(yù)報不合格樣本的檢測結(jié)果

   

    注1：檢測或預(yù)報結(jié)果與強(qiáng)度上下限距離20MPa以內(nèi)時，就可以判斷為近似不合格。這是因為對于性能不合的帶鋼，同一位置兩次取樣平均相差20MPa以上。

    注2：為減少隨機(jī)因素造成的判廢損失，企業(yè)規(guī)定將兩次測試不合的帶鋼能判定為不合格。

    3.5 產(chǎn)線適用性

    寶鋼有3條熱軋產(chǎn)線，在建立性能預(yù)報模型時，使用了2050熱軋產(chǎn)線的數(shù)據(jù)。但稍加修訂，模型就能用于其它產(chǎn)線：

                   

                        圖7 1880抗拉強(qiáng)度預(yù)報值與實際值 圖8 1880屈服強(qiáng)度預(yù)報值與實際值 

                

                    圖9 1580抗拉強(qiáng)度預(yù)報值與實際值 圖10 1580屈服強(qiáng)度預(yù)報值與實際值 

    4 模型應(yīng)用的思考及實現(xiàn)

    4.1 模型功能與作用

    （1）輔助新鋼種開發(fā)。對100噸的冶煉爐來說，一次試驗失敗的損失一般不少于10萬元。采用性能預(yù)報技術(shù)，有望降低試驗爐的用量，進(jìn)而降低試驗費(fèi)用、縮短研制周期、提高新產(chǎn)品開發(fā)的能力。對新建產(chǎn)線來說，意義更大。

    （2）支撐柔性制造技術(shù)。為滿足合同需要，板坯產(chǎn)量肯定大于合同的訂貨量。剩余材料過多會增加庫存，迫使企業(yè)將產(chǎn)品“以優(yōu)充劣”。與國外先進(jìn)企業(yè)相比，國內(nèi)企業(yè)常常要多生產(chǎn)10%的板坯才能滿足合同要求。按每噸減少300元利潤計算，百萬噸級的企業(yè)每年凈損失數(shù)千萬元。性能預(yù)報技術(shù)可提高不同材料之間互用充當(dāng)?shù)谋壤瑴p少不必要的庫存和降級。

    （3）實施性能動態(tài)控制。熱軋帶鋼力學(xué)性能不合的發(fā)生率大約在0.2%~0.4%，并主要集中在高端產(chǎn)品上。按每噸損失2000元計算，200萬噸的熱軋線每年損失上千萬元。性能預(yù)報技術(shù)可通過對工藝參數(shù)動態(tài)優(yōu)化，實時對L2過程控制模型目標(biāo)值在線調(diào)整，從而減少不合格產(chǎn)品。

    （4）推動技術(shù)降本。為保證合格率，企業(yè)往往需要在合金和工藝上花費(fèi)較高成本。利用性能預(yù)報技術(shù)，可以計算產(chǎn)線的合金含量與性能的關(guān)系，減少合金投入量，這類合金優(yōu)化往往可降低20~1000元的噸鋼成本。另外，模型還可用于減少帶鋼的取樣量，降低取樣成本、加快物流周期。

    4.2 帶鋼實例研究

    抗拉或屈服強(qiáng)度低于目標(biāo)下限是力學(xué)性能不合格的主要原因之一。以下筆者選取了4條具有代表性的帶鋼，說明如何應(yīng)用性能預(yù)報模型解決實際問題。

    表5 預(yù)報不合格樣本的處理方式

   

    4.3 實際應(yīng)用情況

    （1）減少帶鋼取樣頻率。根據(jù)寶鋼HFW產(chǎn)線的粗略統(tǒng)計，使用性能預(yù)報模型后，取樣量較之前下降了約69%，交貨期提前了1天時間。

    （2）板坯余材動態(tài)充當(dāng)。2006年7月以來，每年完成兩萬多噸板坯余材的動態(tài)充當(dāng)，按設(shè)計工藝參數(shù)生產(chǎn)出來的最終產(chǎn)品質(zhì)量100%符合用戶的要求，每年帶來400多萬的直接經(jīng)濟(jì)效益。

    （3）鋼種優(yōu)化。用性能預(yù)報模型優(yōu)化某鋼種成分，避開包晶區(qū)域，提高了板坯的無缺陷率。

    5 結(jié)論

    熱軋帶鋼力學(xué)性能預(yù)報技術(shù)的發(fā)展跨越了幾十年，雖然已經(jīng)有商用化的模型軟件出現(xiàn)，但在實際應(yīng)用中卻遇到了眾多的問題，根本原因在于建模時忽略了需求和現(xiàn)實條件。因此，雖然很多模型宣稱的精度很高，可是卻不能很好地與應(yīng)用相結(jié)合。本文結(jié)合寶鋼在性能預(yù)報方面的研究工作，指出了性能預(yù)報建模及模型在使用過程中的關(guān)鍵問題，給出了相應(yīng)的解決思路與方法。寶鋼按照冶金機(jī)理與統(tǒng)計相結(jié)合的研究思路，建立了全局可加的力學(xué)性能預(yù)報模型，覆蓋了CMn鋼、耐候鋼、IF鋼、析出強(qiáng)化鋼等500多個鋼種。其中部分模型已經(jīng)在線應(yīng)用，創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。實踐證明：寶鋼建立的性能預(yù)報模型，完全具備了大規(guī)模推廣應(yīng)用的條件。

    參考文獻(xiàn)

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    [7]郭朝暉，張群亮，蘇異才，夏瑛. 關(guān)于熱軋帶鋼力學(xué)性能預(yù)報技術(shù)的思考[J]，冶金自動化, 2009, 33(2): 1-6.