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鋼鐵產品組織性能與表面氧化狀態智能預測及工藝協同優化我國鋼產量世界第一，是國民經濟建設的支柱性產業。目前，我國鋼鐵工業正面臨製造業轉型升級帶來的前所未有挑戰，用戶對鋼材質量的要求已不可同日而語。產品性能波動大、穩定性差等質量問題，仍是困擾我國鋼鐵工業的重中之重。鋼鐵材料獨特之處在於，其內在顯微組織結構對生產工藝極為敏感。由於這種敏感性，同一鋼種的顯微組織會因工藝參數變化而改變，從而導致性能發生大幅度變化，即：「熱軋工藝→顯微組織→產品性能」。因此，精準控制顯微組織演變是決定鋼材性能質量的核心因素。 當前生產以「工藝-性能」控制為主，生產過程中的組織演變處於黑箱狀態，導致生產控制目標模糊，成為當前鋼鐵生產急需解決的核心問題。

想要控制鋼材內部的組織，調整、改變其組織和性能，需精確感知軋件內部的信息，需要模型系統具有感知能力。項目研究人員在工業大數據的基礎上，基於物理冶金學研究，通過AI（人工智能）和機器學習等現代信息技術，進一步賦予模型和系統以感知、記憶、思維、學習能力以及行為決策能力等能力。針對生產過程複雜性和用戶個性化需求，構建跨系統、跨工序的鋼鐵工藝質量大數據平台，充分利用工業大數據驅動，融合物理冶金學原理和智能優化策略實現鋼材生產全流程組織-性能演變的數字解析，從而統籌全流程關鍵工藝質量參數，關聯各製備工序和多控制層次知識；同時開發高效的多目標優化算法，針對用戶個性化需求，形成生產全局工藝快速設計，通過多工序協調匹配來提高鋼鐵產品質量的穩定性和生產效率。

（一）關鍵技術

（1）基於機器學習的物理冶金學模型

開發出包括固溶、再結晶、相變、析出等模型系統；基於大數據平台，以人工智能理論和成分-工藝-組織性能對應關係的物理冶金學理論為指導，開發可實現機器學習的成分-工藝-組織-性能的對應物理冶金學模型，解決了傳統機理模型對於複雜動態過程適用性差、規律性低、預報精度不高等問題，首次實現了將熱軋過程複雜組織演變物理過程高精度映射為數字信息。預測精度較TIEMIC和UBC模型提高了20%以上，鋼種適應性由C-Mn鋼和普通HSLA鋼擴展至強度級別達700-800MPa級的超高強鋼。

（2）基於大數據的智能化力學性能預測模型

採用多維數據挖掘技術，對工業大數據進行數據清洗和歸併、相似工藝分層聚類等處理，開發出基於AI的神經網絡和機械學習算法，並建立智能化力學性能在線預測模塊，構建在線力學性能預報預警平台，實現力學性能的高精度預測，預測精度較國家「十三五」重點攻關指標提高了5%以上，實現了熱軋生產的高精度在線預測，使產品力學性能檢測量減少50%，提高了市場響應能力；此外，依託承鋼1780mm和漣鋼2250mm熱連軋產線，在國際上率先實現了結構用鋼帶性能的通卷預測，為熱軋產品穩定性控制提供了手段。

（3）智能化工藝反向優化設計

針對熱軋產品 生產成本高、力學性能波動大的問題，統籌熱軋全流程關鍵工藝質量參數，關聯各製備工序和多控制層次知識，基於數據、機理和經驗知識建立全過程優化模型，開發高效多目標粒子群優化算法，結合力學性能預測模型，形成全局工藝快速設計軟件包。主要功能：1.鋼種化學成分優化設計；2.熱軋工藝優化設計；3.冷卻路徑及控冷工藝優化設計。依託漣鋼2250mm熱軋產線，首次實現700MPa級高強鋼性能波動的窄幅控制，性能波動降低60%以上。結合工藝動態快速優化算法開發出鋼種性能柔性控制方法，實現多因素狀態下鋼種成分的最優化歸併。在鞍鋼2150mm、以及梅鋼1422mm和1780mm熱連軋生產線鋼種牌號已減少50%以上，實現了熱軋的集約化生產，大幅節約合金成本的同時降低因混澆坯降級處理或判廢造成的經濟損失。

（4）表面質量智能化控制

將氧化基礎理論和數據庫、信息技術相結合，實現熱軋過程中板帶表面氧化鐵皮厚度的實時監測；結合熱軋產品溫度履歷，預測連續冷卻過程中的組織轉變和最終氧化鐵皮結構組成；開發智能化工藝優化設計模塊，根據用戶需求的特定氧化鐵皮結構給出所需的最優工藝。國際首次實現了熱軋過程氧化行為動態軟測量及氧化行為的智能控制。氧化鐵皮厚度減薄20%以上使酸洗耗酸量每噸鋼降低3.15公斤；通過氧化鐵皮結構優化計算而非生產試錯開發出批量供貨陝汽的免酸洗鋼。

技術推廣應用效果

項目研發團隊開發出的以組織性能預測與優化為核心的鋼鐵智能化製造技術已在鞍鋼2150、梅鋼1422和梅鋼1780、承鋼1780、漣鋼2250以及韓國現代鋼鐵熱軋生產線進行了推廣應用。在鞍鋼2150熱連軋生產線開發出焊瓶用鋼屈強比波動控制技術，解決焊瓶鋼屈強比窄幅（0.735-0.785）控制這一軋鋼領域的世界性難題，使此類產品的屈強比波動降低至原來的1/4，大幅提高了產品的合格率；開發出厚度規格為9-12mm結構板材Q345B升級Q390B的軋制技術，生產出的鋼板性能穩定。在梅鋼1422和1780熱連軋生產線，通過組織性能預測與工藝優化，鋼種牌號已減少60%以上，實現了熱軋的集約化、綠色化生產，大幅促進了企業的節能減排；同時，針對厚度規格為2.5mm的汽車車輪用鋼，通過組織性能預測與工藝優化，使鋼中錳含量降低一半，噸鋼節約材料成本約50元。依託承德1780產線，在國際上率先實現了結構用鋼帶卷性能的通長預測，為熱軋產品穩定性控制提供了手段。此外，熱軋鋼材表面氧化鐵皮形態的軟測量和工藝優化系統成功地輸出至韓國現代鋼鐵，為其產品表面質量控制提供模型依據。