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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(yán)重的表面高溫氧化。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(jìn)而對軋制力能參數(shù)產(chǎn)生影響。同時(shí)，工業(yè)生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)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(qiáng)耦合且黑箱狀態(tài)的特點(diǎn)，只有破解這種難題，才能實(shí)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(jìn)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(qiáng)耦合黑箱問題。

在熱軋過程中，軋件內(nèi)部顯微組織演變決定了其宏觀流變應(yīng)力。軋制力作為工業(yè)生產(chǎn)中可實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)檢測的關(guān)鍵參數(shù)，能夠準(zhǔn)確反映顯微組織變化。以流變應(yīng)力為橋梁，通過對熱軋力能參數(shù)工業(yè)大數(shù)據(jù)進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)，可揭示出軋制過程奧氏體再結(jié)晶及晶粒形態(tài)的演變過程。此外，熱軋生產(chǎn)過程中在鋼材表面隨時(shí)生成氧化鐵皮，充當(dāng)軋輥與軋件界面的潤滑介質(zhì)而影響它們的接觸狀態(tài)，進(jìn)而影響軋件軋制負(fù)荷變化。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)破解了顯微組織、力能載荷、摩擦系數(shù)強(qiáng)耦合關(guān)系，在精準(zhǔn)預(yù)測軋件軟化行為與摩擦狀態(tài)的基礎(chǔ)上，可精確預(yù)報(bào)熱軋過程軋制力變化，從而有效提升厚度和板形的控制精度。

軋制結(jié)束后，熱軋鋼材需經(jīng)歷加速冷卻過程以控制其相變行為。在此期間，形變奧氏體發(fā)生諸如鐵素體、珠光體、貝氏體及馬氏體的連續(xù)冷卻相變。影響軋件相變行為的主要因素包括：軋后奧氏體組織狀態(tài)和軋件冷卻路徑。它們共同作用決定了相變產(chǎn)物、各相比例及晶粒的細(xì)化程度。在軋制工藝參數(shù)基本不變的前提下，冷卻路徑將直接決定鋼材的相組成進(jìn)而決定其最終力學(xué)性能?？焖倬珳?zhǔn)獲得連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線（CCT）有助于制定出正確的冷卻路徑，實(shí)現(xiàn)對熱軋鋼材性能的精準(zhǔn)調(diào)控。為此，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)在建立不同鋼種CCT數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上，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(jī)器學(xué)習(xí)建模方法，實(shí)現(xiàn)了不同鋼種連續(xù)冷卻相變曲線的快速生成。

高強(qiáng)鋼在冷卻階段發(fā)生復(fù)雜的相變行為，受冷卻路徑影響十分敏感。傳統(tǒng)方法僅依賴靜態(tài)數(shù)字化數(shù)據(jù)的建模方法無法充分反映冷卻路徑波動對產(chǎn)品顯微組織及性能的影響，導(dǎo)致預(yù)測結(jié)果與實(shí)際性能間存在顯著偏差。為此，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)開發(fā)出動態(tài)深度學(xué)習(xí)模型，通過引入卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不僅有效克服了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)驅(qū)動機(jī)器學(xué)習(xí)模型在處理非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)時(shí)特征丟失問題，還顯著提升了對復(fù)雜物理現(xiàn)象的多模態(tài)信息整合能力，從而能夠感知影響鋼材最終顯微組織與力學(xué)性能的各種復(fù)雜因素。這一建模方法可自動學(xué)習(xí)并提取冷卻路徑對微觀結(jié)構(gòu)演變的影響規(guī)律，進(jìn)而精準(zhǔn)感知力學(xué)性能隨工藝參數(shù)變化的波動情況。

針對某1580mm熱連軋及連退產(chǎn)線，以低合金高強(qiáng)鋼和IF鋼等量大面廣的鋼種系列為研究對象，以工業(yè)大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，開發(fā)集成機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)關(guān)鍵影響因子的自主優(yōu)化。針對生產(chǎn)的Nb、Nb-Ti微合金鋼、IF鋼，實(shí)現(xiàn)軋制和連退過程組織演變的全流程溫度場計(jì)算以及奧氏體再結(jié)晶行為、相變行為、析出行為精準(zhǔn)計(jì)算，并以SAPH440、QstE380TM、S420MC、QstE460TM、S500MC、M3A45、M3A21為例實(shí)現(xiàn)了組織演變過程的精準(zhǔn)預(yù)測。針對SAPH440、S420MC、QStE420TM、DC04、DC06、St13等牌號實(shí)現(xiàn)力學(xué)性能在線預(yù)測，針對屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，有90%以上的鋼卷強(qiáng)度預(yù)測值與實(shí)際值誤差在±20MPa以內(nèi)；針對延伸率，有90%以上的鋼卷延伸率預(yù)測值與實(shí)際值誤差在±3%以內(nèi)。

3.2 2250mm熱連軋產(chǎn)線的推廣應(yīng)用

依托某2250mm熱連軋產(chǎn)線，通過融合軋鋼工藝學(xué)、大數(shù)據(jù)挖掘、人工智能技術(shù)，以工業(yè)大數(shù)據(jù)為牽引，通過物理機(jī)制及知識學(xué)習(xí)，開發(fā)出熱軋鋼材集成學(xué)習(xí)系統(tǒng)，解構(gòu)了工序、工藝、設(shè)備等關(guān)鍵參數(shù)與組織結(jié)構(gòu)的復(fù)雜關(guān)系，實(shí)現(xiàn)熱軋產(chǎn)品工藝智能設(shè)計(jì)。通過“初步學(xué)習(xí)-加強(qiáng)學(xué)習(xí)-優(yōu)化學(xué)習(xí)”的學(xué)習(xí)策略，通過融合工業(yè)大數(shù)據(jù)驅(qū)動和機(jī)器學(xué)習(xí)算法，實(shí)現(xiàn)熱軋過程再結(jié)晶、析出、表面氧化等物理過程的精準(zhǔn)解析，實(shí)現(xiàn)了包括Q235B、Q420B、600XL和700XL等20余個(gè)鋼種的性能在線預(yù)測，強(qiáng)度預(yù)測精度達(dá)到±6%，延伸率預(yù)測精度在±4%，大幅減少力學(xué)性能檢驗(yàn)量，提高市場響應(yīng)能力。此外，實(shí)現(xiàn)了熱軋氧化行為動態(tài)軟測量，產(chǎn)品的氧化鐵皮厚度和結(jié)構(gòu)預(yù)測精度分別達(dá)到了±2μm及±10%；在此基礎(chǔ)上，開發(fā)出了氧化鐵皮結(jié)構(gòu)柔性化控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了700MPa級別免酸洗鋼、SPHC為代表的易酸洗鋼系列新品種的開發(fā)。

3.3 5500mm寬厚板產(chǎn)線的推廣應(yīng)用

面對新型工業(yè)化帶來的生產(chǎn)與消費(fèi)結(jié)構(gòu)改變，寬厚板生產(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(diǎn)更加突出，產(chǎn)生的大量余坯給企業(yè)造成了巨大經(jīng)濟(jì)損失，而且過多的鋼種造成了煉鋼工序的復(fù)雜化，嚴(yán)重影響了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量的持續(xù)提高。針對上述難題，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)依托5500mm寬厚板產(chǎn)線，開發(fā)出了針對典型寬厚板產(chǎn)線的熱軋鋼材集成學(xué)習(xí)系統(tǒng)，可根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)狀態(tài)、工藝和環(huán)境變化，進(jìn)行模型自學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)模型參數(shù)的自動調(diào)優(yōu)，成功的實(shí)現(xiàn)了包括A、AH32、AH36、DH36、Q355MD等多個(gè)牌號產(chǎn)品力學(xué)性能的高精度預(yù)測。在此基礎(chǔ)上，建立了余坯工藝柔性設(shè)計(jì)對象庫，提出了余坯生產(chǎn)最優(yōu)組織結(jié)構(gòu)和性能指標(biāo)的評價(jià)函數(shù)，開發(fā)出智能化匹配尋優(yōu)算法，建立了余坯“成分-工藝-組織-性能”的預(yù)判模型。在綜合考慮細(xì)晶、析出、位錯(cuò)及相變等強(qiáng)化機(jī)制綜合作用的基礎(chǔ)上，提出了軋制工藝的柔性化設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)C-Mn、管線、低合金三大類系列鋼種跨厚度和跨強(qiáng)度工藝柔性化設(shè)計(jì)。

3.4 5000mm寬厚板產(chǎn)線的推廣應(yīng)用

近幾年，海上風(fēng)電用鋼異軍突起，需求量猛增。據(jù)權(quán)威機(jī)構(gòu)調(diào)研，每兆瓦海上風(fēng)電約使用200噸中厚板，“十四五”海上風(fēng)電新增裝機(jī)容量超過44GW，預(yù)計(jì)中厚板需求量≥880萬噸。其中，大厚度（60-150mm）海上風(fēng)電塔筒和管樁用鋼板需求巨大。成分設(shè)計(jì)上，常規(guī)特厚板一般采用高C高M(jìn)n+Cr\Ni\Cu等貴金屬，以及少量的Nb、V、Ti細(xì)化晶粒元素設(shè)計(jì)，主要通過合金元素的固溶強(qiáng)化和晶粒細(xì)化來保證特厚鋼板的力學(xué)性能。原設(shè)計(jì)不僅成本偏高，且因特厚連鑄板坯合金元素的中心偏析嚴(yán)重，導(dǎo)致特厚板心部性能下降明顯，尤其是心部低溫沖擊韌性難以滿足特厚板的性能需求。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)針對355-460MPa級別風(fēng)電用鋼，結(jié)合5000mm寬厚板生產(chǎn)線特點(diǎn)，采用超低C、N成分路線，對特厚鋼板成分體系進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，提高鋼中鈮含量，降低碳錳及其它貴金屬合金含量，改善特厚板坯中心偏析。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合熱軋鋼材集成機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)，通過對厚板厚度梯度方向溫度及組織分布進(jìn)行計(jì)算，實(shí)現(xiàn)60-150mm厚風(fēng)電用鋼軋制工藝設(shè)計(jì)。批量生產(chǎn)結(jié)果表明，355MPa強(qiáng)度級別鋼板力學(xué)性能合格率為100%，心部沖擊一次性能合格率達(dá)到98%以上。