仿真模型技术在钢铁冶金领域的应用

在钢铁冶金领域，仿真模型和过程控制二级模型是应用最广的两类模型技术。仿真模型是采用计算机数值模拟手段研究燃烧、流动、温度、变形、焊接及材料等冶金特性规律，是支撑工艺参数设计和设备结构优化的有效方法；而过程控制模型则是通过数学模型和自动化手段实现对生产过程工艺参数的自动控制，过程控制模型的优劣决定着生产过程指标的精度控制水平。

仿真是以专业技术为基础，以计算机和仿真软件为工具，利用数学模型对实际或设想系统进行模拟试验研究的一种综合性技术。仿真不仅可以减少实验次数，缩短研发周期，而且还可以进行实验难以实现的高温、高速、大变形等复杂工况条件下的材料流动、变形、微观组织演化等行为规律研究，支撑着冶金企业产品设计、工艺优化由经验试错型向精益研发方向发展，并在降低排放、减量化生产、产品质量提高等方面发挥重要作用。

在首钢，仿真技术起步较晚，始于2002年的热风炉燃烧CFD数值模拟技术研究。但在发展初期，首钢作为老牌传统钢铁制造企业，经验和“眼见为实”的生产试错方式根深蒂固，对于新技术新方法接受程度不高，最初几年发展并不顺利，但至今已经逐步发展到炼钢、轧钢、材料及用户服务技术等相关领域中，并取得了多项研究成果。2009年，首秦连铸坯“夹杂物超标”压力大，影响了管线钢等新产品开发，首钢技术研究院开发了数值RTD示踪技术，用于首秦2号板坯铸机中间包结构优化设计，该技术是在数模中引入水模RTD思想，据此自主设计了新型稳流器结构并获得专利，采用新控流装置使中间包活塞流从原来的39%提高到了78%。由于产线需求急迫，优化设计出的控流方案没有进行水模验证直接进行了生产试验，并一举获得成功。优化的中间包结构生产应用后，经“铸坯大样电解”和“定量金相”检验，不仅铸坯内夹杂物总量和尺寸比原中间包结构显著降低，而且浇次铸余降低后，尾坯夹杂物控制水平也达到了正常坯质量，当年该项目为首秦创造2513.4万元的年经济效益。该成果的取得不仅是仿真技术的工业应用成功范例，还显著提升了课题组成员信心，并为仿真技术的推广应用打下了扎实基础。随后，技术研究院又开展了气、渣、液多相界面VOF跟踪技术，应用于钢包底吹氩、RH循环流量、结晶器多物理场耦合等问题研究，为底吹砖位置的优化布置、结晶器工艺参数优化提供技术支撑，为合金化混匀效率提高、降低夹杂物含量和翘皮卷渣等提供理论指导。2010年又开始进行材料热力学动力学仿真技术研究工作，2012年开发出首钢钢铁材料组织转变及微合金析出模型和材料数据库，建立了CCT曲线的计算模型，可部分替代实验方法确定CCT曲线相变点，不仅提高研发效率减少生产试错，还降低了研发成本、缩短研发周期等。在用户技术方面，针对自卸车等大型专用车轻量化的发展趋势，课题组对车厢、车架等进行了高强等代的静/动态加载的强度及模态CAE分析，为首钢主动引导用户进行车辆轻量化设计提供了重要的理论支撑。

相比仿真模型，二级过程控制模型对产线工艺控制和产品质量的影响则更直接。以自动化程度最高的热连轧生产线为例，对于各条国外先进热轧生产线，过程控制模型往往是外商技术竞争力和报价的关键。而轧制模型属于整个轧线的“大脑”，负责生产过程中各项工艺参数的设定，其设定准确性直接影响产品的宽度、厚度、凸度、平直度、温度等控制精度，决定了产品质量和生产稳定性。但模型也不是万能的，需要结合所生产的产品和产线特点，不断对模型进行研究与开发，使其更“聪明”，才能生产出更高质量、技术独有和无法“复制”的有竞争力的产品。

宝钢作为中国钢铁龙头企业，在1998年通过成立自动化研究所最早开始系统地进行自动化技术研究，研发工作起步就从二级过程控制模型开始，5年后开始成规模地向基础自动化、生产控制、企业管理层级的核心技术研发拓展。到2009年，宝钢已经具备各类炼钢炉模型、各种连铸及各种不同工艺规格的热轧过程控制模型的研发能力。首钢近几年快速扩张，在迁钢、京唐引进了多条具有国际先进装备水平的热轧、冷轧生产线。但首钢在自动化模型领域中实现快速培养自动化人才和团队建设方面，与先进企业相比还有一定差距。在产线建设初期的模型调试和培训期，技术研究院科研力量没有获得学习和熟悉系统的机会，等产线验收后，众多生产控制问题逐步暴露出来，技研院又作为主要科研力量去产线攻关，这就容易理解为什么大多数模型工作归零从新开始的原因。

近年来，薄规格带钢热轧板形控制问题一直困扰产线，板形质量异议也频发。2011年，公司成立大板形攻关组，技研院板形课题组重点围绕迁钢1580二级控制系统开始进行系统的模型攻关工作，在完成了精轧模型FSU、板形模型GSM、轧辊模型ROP、公共模块MDS等解析工作的基础上，于2014年初在首自信协助下首次搭建完成了首钢第一套可以离线运行的GSM板形仿真分析系统，大幅提升了首钢科研人员对板形问题的分析、优化和控制系统调控能力，对解决轧制板形控制问题具有非常重要战略意义。利用该平台解决了1580产线一直存在的热平衡持续不收敛的问题，使机架间浪形得到明显改善。自2014年8月底二次热膨胀优化方案实施后，马口铁、SPHC、硅钢等钢种的C40全长命中率有较大幅度提高，如9月份冷轧基料C40全长命中率较实验前提高了2.3个百分点，硅钢S23的C25命中率较实验前提高了18个百分点以上。目前课题组与迁钢热轧产线一起正在继续进行自学习和模型设定策略等方面的模型优化工作，而且，基于1580板形调试经验，2160板形模型攻关也开始有序展开。

首钢经过10年努力，产品结构已由传统长材转向高端板材，但轧钢核心技术（二级模型）均为引进。引进是捷径，重要是创新。只有在引进基础上，开发、创新出自主的先进工艺、装备及技术，才能使企业和产品具有市场差异性竞争力。对于过程控制模型解析优化工作，虽然首钢目前也取得了一些进展，但由于前期技术积累和人力资源储备不足，攻关工作还不能在每条产线上都全面展开，因此，板形及整个二级过程控制模型系统的解析优化工作任重道远，是一项长期持续性的技术攻关工作。