一、研究的背景与问题

当前新一轮产业变革方兴未艾，数实融合正成为大国科技竞争的主战场，习近平总书记强调要把高质量发展贯穿新型工业化全过程，要“大力推进新型工业化”“广泛应用数智技术、绿色技术，加快传统产业转型升级”。高精度制造是实现高质量发展必由之路，将现有制造技术与最新计算机信息技术融合，探索开发新一代高精度制造技术，是实现高质量发展关键所在。

在特种板材制造领域，在研发、生产、关键设备模型、质量管控等各方面一直存在四大难题亟待突破：

1、新品研发依赖工程师经验，试错成本高、研发周期长。中厚板新品种多，性能要求高，生产流程复杂，目前其产品研发仍依赖工程师经验，缺少专业化研发工具，研发过程与现代智能化、信息化及大数据技术融合度差，研产销数据各自独立，历史研发成果和知识没有结构化，产品研发在产品成分及工艺参数设计上无法做到精准控制，也难以做到知识传承，存在研发工艺参数设计难、设计命中率差、人工试错率高、效率低周期长、成本高等问题。

2、高精度高洁净钢冶炼人工操作偏差大，质量稳定性差。炼钢过程物化反应复杂，多变量强耦合，虽然目前工艺和工装已基本实现量化管控，但人工操作稳定性仍是行业共性难题，也是影响各企业炼钢水平主要因素。长期以来，重点以规范人工操作提升管控水平，但难从根本上解决问题。

3、中厚板关键控制模型依赖进口，自主迭代能力差。我国中厚板产线引进为主，导致关键控制模型，源代码、最新技术迭代等均掌握在外方手中，而且很多引进模型还是基于传统机理建模方法，控制精度趋于饱和，提升潜力有限。关键控制模型已成为制约我国中厚板制造能力提升的关键难题。

4、质量数据孤岛式分布，质量管控系统性差、波动性大。虽然目前各企业都已基本形成了四级信息化系统，海量过程数据得以采集保存，但数据相对独立，各环节质量管控成孤岛式分布，每一个孤岛管控出现偏差，都会体现在最终产品上。ERP、MES等系统不具备数据处理分析功能，质管还需依赖人工，并多采取“事后”检验方式，无法实时工艺优化，导致质量控制波动大。

二、解决问题的思路与技术方案

本项目基于全球首家特钢行业灯塔工厂建设，聚焦特种板材制造共性问题，以构筑全球领先特殊钢智能制造生态系统为目标，引进院士团队，依托省部共建高品质特殊钢冶金与制备国家重点实验室和江苏省院士工作站，将现代信息通信和信息物理系统技术与实际业务场景深度融合，通过“两平台+双系统”建设，自主开发并形成涵盖“研发-制造-管控”新一代全流程特种板材智能制造技术，技术思路如图1。开发高精度智能敏捷研发平台，解决产品研发依赖工程师经验，试错率高、研发周期长难题，实现客户需求快速响应和研发成本大幅降低；开发窄成分高洁净钢智能冶炼系统，解决炼钢人工操作规范差、成分和洁净度控制波动大难题，实现国际领先的成分和洁净度控制；开发高精度轧制关键控制模型系统，解决关键轧制模型依赖进口、自主迭代能力差难题，实现尺寸精度、性能均匀性等指标达国际先进水平；开发全流程信息物理系统智能质管平台，解决数据孤岛式人工管控，质量稳定性差难题，实现性能合格率和质量稳定性大幅提升。

图1 项目设计思路及关键技术

三、主要创新性成果

1. 针对新品研发依赖工程师经验，试错成本高、研发周期长的问题，以研发业务需求为导向，开发面向研发的数据萃取和分类数据库技术，建立特种板材高精度敏捷研发平台，实现高精度性能预测和逆向工艺参数预测。

传统工业大数据是基于生产的，分散在各个平台，各品类数据冗杂，有效数据知识萃取难度大，采用人工筛选效率低，以上导致了现有平台数据研发适用性差，数据价值难以充分挖掘。所以首先紧紧围绕研发，建立适用于研发业务需求大数据库，从数据源上为高精度预测奠定坚实基础。然后基于每个细分数据库，通过数据分析平台利用多种机器学习算法进行模型开发，进行AI数据预测，并建立模型预测结果准确性的有效评价方法，不断优化模型，使其达到高精度预测。通过建模所需参数与及模型梳理，设计反向工艺推导功能，构建生产过程与检测结果之间的关联关系，在实际应用中通过对产品性能要求的设定，根据模型反推出最优化的工艺参数设置值或所在区间，研发人员可以输入目标性能与部分工艺参数，点击计算按钮，后台利用寻优算法实现最佳工艺参数寻找，最终计算一组最优工艺参数，并还可自动从研发数据库中提取相近成分工艺历史数据从另外一个维度为科研人员提供参考。通过平台开发，节约了大量研发成本，实现了研发效率的大幅提升和客户需求的快速响应。

图2 模型误差与理论经验公式预测误差对比

图3 抗拉强度预测值与实际检验值对比

2、针对高洁净钢冶炼智能化水平低，人工操作导致无论成分还是夹杂物控制波动大的难题，首创国际领先的高洁净度钢智能冶炼技术。

基于大数据和智能算法，开发最小势能线下规划算法模型，并打通模型、分厂、工序、自动化四级系统开发了合金投料智能控制系统，建立了模型自优化和投料控制双闭环的在线投料装备系统，不但能够代替人工实现最精准最经济合金投用方案，并能够合金加入一键完成。在精炼工序开发基于视觉计算的钢包吹氩效果识别及控制系统，智能化精确控制吹氩参数，开发钢包吹氩多相耦合仿真模型、视觉识别与自适应控制系统，解决了炼钢人工操作偏差大、效果波动大的共性难题，高洁净钢控制水平提升了30%。实现智能作业率提升90%以上。

图4 钢包软吹氩视觉识别系统

3、针对轧制模型受限于国外技术封锁，大多控制精度趋于饱和且继续提高潜力有限的问题，自主研发物理模型与大数据计算相融合的成套高精度中厚板生产控制模型，涵盖加热炉智能控制、变形抗力精准预测模型、全流程温度预测与控制模型，打破国外技术封锁。

模型投用后，系统稳定性大幅提升，设备系统平均热停时间下降84.1%；炉温控制精度±20℃提升33.2%；板坯温度预测精度±15℃提升11.8%；轧机最大能力发挥由70%提高到了87.8%，冷却温度命中率提升15.1%，冷却均匀性提升28.5%。本项目自主开发的轧制模型厚度精度控制指标优于普瑞特、达涅利、西马克轧制模型，达到了国际先进水平，极大保障了极限规格、低压缩比、高芯部性能要求等高品质特种产品的开发。

图5 变形抗力预报值和实测值对比

图6 温度计算模型程序和21层温度控制

4. 针对钢铁制造流程孤岛式分布导致的协同性差的难题，通过信息大数据技术，贯通全工序生产过程质量数据收集和智能分析构建高精度在线信息物理系统，实现全过程质量管控和追溯能力。

通过对生产节拍分析，开发实时在线数据采集功能，抓取、汇聚类实时数据，并开发关键质量控制参数智能识别技术，建立不同钢种重要特征因子数据库，实现全工序关键工艺参数智能识别和精确管控。本项目还建立了过程能力控制分析可视化界面，构建均值、极差、CP/CPK等过程能力指数、直方图等多方位分析某一参数的过程控制能力、并实现某一段时间、某一班组等的过程控制能力的对比，从多维度查找过程控制薄弱点，解决了传统过程控制无法全方位多维度过程实施高精度质量控制的痛点。智能化全流程质量管控平台的投用，进一步提升了兴澄的质量控制和保证能力，质量稳定性和客户满意度明显提升。

图7 质量管控预警及工艺参数智能调控逻辑

四、应用情况与效果

本项目支撑兴澄特钢加入了全球灯塔工厂网络，为传统钢铁制造业数智化升级提供了可行性路径和方案，经中国金属学会组织专家鉴定，项目总体达到国际先进水平，其中高洁净钢冶炼等模型达国际领先水平，经济社会效益显著。

2023年12月，世界经济论坛公布最新一批“灯塔工厂”名单，兴澄特钢成为全球特钢行业首家“灯塔工厂”。

本项目形成25项专利，其中，授权发明专利14件，日本专利授权1项，韩国专利授权1项，实用新型专利9件。获得软件著作权4件、发表论文5篇，完成成果评价1项，先后获得金砖国家工业创新大赛三等奖、全国机械冶金建材职工技术创新成果一等奖、第五届中国先进技术转化应用大赛优胜奖、中信集团“绽放杯”数字化应用大赛金奖。完成省部共建项目“利用人工智能技术研发新一代特殊钢宽厚板过程控制模型（项目编号SKLASS2019-Z012）”1项。

通过项目成果应用推广，极大提升了公司高精端产品的生产制造能力，两年累计新增产值12.5亿元，新增利润1.65亿元。通过成材率提升、研发成本节约以及性能合格率提升质量损失减少等，项目近二年累积节支1.45亿元。

信息来源：江阴兴澄特种钢铁有限公司