許多重要的參數(shù)被用來控制和監(jiān)控連鑄生產(chǎn)過程，以確保安全、一致、高質(zhì)量和高性價(jià)比的產(chǎn)品。一些例子包括監(jiān)測(cè)鋼的化學(xué)成分、中間包進(jìn)入結(jié)晶器鋼水流量、結(jié)晶器鋼水液面、鋼水溫度和鑄坯表面溫度、連鑄拉速、結(jié)晶器傳熱散熱、二冷水流量控制和結(jié)晶器振動(dòng)控制。大部分?jǐn)?shù)據(jù)可以直接從相應(yīng)的傳感器反饋中實(shí)時(shí)收集，有些因素也可能是部分或完全由人控制的，如中間包和結(jié)晶器保護(hù)渣添加，[1]但仍然可以通過鑄造機(jī)上的傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)這種操作。圖1是該連鑄工藝過程的主要部分的展示。

連鑄生產(chǎn)過程中要想測(cè)量軋輥和軸承的狀態(tài)是不現(xiàn)實(shí)的，在傳統(tǒng)板坯連鑄機(jī)中，扇形段夾持輥之間的輥縫、扇形段夾持輥錐度值和連鑄設(shè)備的對(duì)中性能對(duì)鑄坯的內(nèi)部質(zhì)量至關(guān)重要，通常只能在鑄機(jī)停機(jī)或更換斷面時(shí)候才能進(jìn)行測(cè)量。世界各地的多家公司已經(jīng)開發(fā)了許多解決方案來提供各種各樣測(cè)量監(jiān)測(cè)選項(xiàng)，[4]其中一些測(cè)量可以使用渦流探傷和超聲波探傷設(shè)備對(duì)單個(gè)軋輥的表面和內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢查，以檢測(cè)夾持輥表面的缺陷，也可以使用更大規(guī)模的超聲波傳感器對(duì)夾持輥表面到中心的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢查。

如圖2所示為一些公司的不同測(cè)量系統(tǒng)的例子。他們廣告宣稱提供在線夾持輥表面測(cè)量、夾持輥對(duì)中測(cè)量、輥?zhàn)颖砻嫘螤?、夾持輥彎曲和輥?zhàn)有D(zhuǎn)狀況等。[5,6]

準(zhǔn)確的幾何形狀和對(duì)連鑄扇形段輥?zhàn)拥恼{(diào)整被認(rèn)為對(duì)最終坯的質(zhì)量和對(duì)整個(gè)工藝的順行是非常重要的，特別是現(xiàn)在一段時(shí)間生產(chǎn)后。[7]測(cè)量技術(shù)是在不斷進(jìn)步中，但評(píng)估來自這些測(cè)量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)工作還是落在了操作者和現(xiàn)場(chǎng)工程師的身上。本項(xiàng)目的目標(biāo)是將夾持輥之間的輥縫和對(duì)中數(shù)據(jù)集成到連鑄數(shù)字孿生模型中，結(jié)合二冷計(jì)算機(jī)模型中的凝固模擬計(jì)算，使其更好地達(dá)到可視化目的。

通過使用多個(gè)應(yīng)變儀陣列、線性可變位移傳感器(LVDTs)、兩個(gè)彩色高溫計(jì)和線掃描高溫計(jì)，二冷模型更加精確。組合夾持輥輥縫數(shù)據(jù)信息和凝固信息到數(shù)字孿生中，將使操作人員和工程師能夠更好地做出實(shí)時(shí)決策，選擇合適的連鑄拉速，以避免在連鑄扇形段內(nèi)處于不恰當(dāng)凝固區(qū)域。諸如此類的測(cè)量工具所提供的數(shù)據(jù)的正確解釋可以幫助減少板坯缺陷，不需要中斷連鑄生產(chǎn)進(jìn)行人工測(cè)量或分析都可以減少停機(jī)時(shí)間和節(jié)省運(yùn)行成本。[9]

雖然一些有經(jīng)驗(yàn)的操作者和現(xiàn)場(chǎng)工程師可以看到原始數(shù)據(jù)或圖表，并迅速或直接地得出結(jié)論進(jìn)行操作作業(yè)，但新人的或缺乏經(jīng)驗(yàn)的人可能需要更長(zhǎng)的時(shí)間才能得出相同的結(jié)論，甚至更糟糕的是會(huì)誤解數(shù)據(jù)。開發(fā)這個(gè)項(xiàng)目是為了獲取適時(shí)當(dāng)前數(shù)據(jù)，并創(chuàng)建新的方法來幫助可視化操作，而現(xiàn)有方法可能顯示不出來問題。在決策過程中節(jié)省需要的時(shí)間，或者在某些情況下，在煉鋼冶煉決策之前達(dá)到更好地理解，都可以幫助創(chuàng)造更好的產(chǎn)品，使設(shè)備保持更好的狀態(tài)和更長(zhǎng)久安全正常生產(chǎn)，并節(jié)省維護(hù)資金。

該項(xiàng)目由某國鋼鐵協(xié)會(huì)(AIST)數(shù)字轉(zhuǎn)型贈(zèng)款資助，由Purdue大學(xué)西北分校通過可視化和模擬創(chuàng)新中心(CIVS)的學(xué)生和工作人員以及Cleveland-Cliffs Burns Harbor鋼廠的工作人員組成。當(dāng)前的工作是在之前的項(xiàng)目上持續(xù)開發(fā)的，之前的項(xiàng)目在2021年的AISTech上發(fā)表過一篇題為“使用Unity 3D開發(fā)過程數(shù)字孿生框架”的論文，[10] 論文詳細(xì)介紹了該軟件如何使用視頻游戲行業(yè)的工具來開發(fā)的一般方法，該工具可以創(chuàng)建一些基本的界面來查看從工廠數(shù)據(jù)庫查詢的外部文件提供的數(shù)據(jù)，并以一種允許過程數(shù)據(jù)的2D和3D可視化的格式提供數(shù)據(jù)。開發(fā)了一個(gè)數(shù)字孿生軟件原型，涵蓋了生產(chǎn)數(shù)據(jù)、連鑄機(jī)設(shè)備健康指數(shù)、冷卻信息和驅(qū)動(dòng)輥校準(zhǔn)信息等領(lǐng)域的部分內(nèi)容(圖3)。

由于開發(fā)時(shí)間大大縮短，之前的項(xiàng)目與預(yù)期的結(jié)果好壞參半，但總體想法引發(fā)了一些關(guān)于如何繼續(xù)進(jìn)行的討論和想法。利用從ClevelandCliffs鋼廠的項(xiàng)目中學(xué)到的東西，下一步是瞄準(zhǔn)原型的特定部分，開始開發(fā)它們，使其功能更全面，用戶界面更友好。

目前，該項(xiàng)目正在使用Burns Harbor鋼廠1號(hào)連鑄機(jī)作為繼續(xù)研發(fā)的參照連鑄機(jī)。與本項(xiàng)目相關(guān)的是，該連鑄機(jī)使用電池驅(qū)動(dòng)的計(jì)算機(jī)控制輥縫測(cè)量?jī)x裝置進(jìn)行了各種測(cè)量，然后由人員進(jìn)行分析和評(píng)估，以確定夾持輥狀況和扇形段設(shè)備是否符合已知目標(biāo)值。其中一些價(jià)值信息包括：

• 輥縫值-測(cè)量外弧輥面和內(nèi)弧輥面之間的距離。

• 輥?zhàn)油庑螤顩r-輥面與直邊基準(zhǔn)的偏差。

• 輥?zhàn)訌澢?輥?zhàn)有D(zhuǎn)時(shí)的偏心量。

• 輥?zhàn)有D(zhuǎn)-在已知負(fù)載和最小摩擦情況下自由旋轉(zhuǎn)。

• 外弧輥對(duì)弧校正-用于識(shí)別扇形段錯(cuò)位造成連鑄機(jī)對(duì)中的偏差。

在停機(jī)期間，輥縫測(cè)量?jī)x連接到引錠桿上，并在鑄流扇形段內(nèi)上下移動(dòng)，每個(gè)完整的引錠上下時(shí)產(chǎn)生兩個(gè)數(shù)據(jù)集。一旦完成，信息將被下載，然后傳給維護(hù)或操作人員進(jìn)行查看對(duì)比，他們將確定扇形段設(shè)備是否處于合理的范圍內(nèi)，使用幾種類型的2D圖顯示數(shù)據(jù)。關(guān)于一些測(cè)量和有問題的鑄機(jī)數(shù)據(jù)由一些合作者先前發(fā)表在《鋼鐵技術(shù)》上。[10]

• 目標(biāo)

項(xiàng)目的目標(biāo)是細(xì)化先前原型軟件的選定部分，并使其在日常生產(chǎn)中更加實(shí)用。這還包括研究一些額外的功能，這些功能可以在未來的多個(gè)目標(biāo)更新中包含。

該項(xiàng)目的目標(biāo)包括幾個(gè)主題，但建議中的目標(biāo)主要集中在下列領(lǐng)域：

• 基于Burns Harbor鋼廠1號(hào)連鑄機(jī)的選定的讀數(shù)，探索數(shù)字孿生原型的扇形段夾持輥數(shù)據(jù)部分新的可視化方法。

• 補(bǔ)充和改進(jìn)由軟件生成的現(xiàn)有夾持輥圖數(shù)據(jù)。

• 改進(jìn)數(shù)據(jù)加載方法和用戶加載數(shù)據(jù)的選項(xiàng)。

• 探索數(shù)據(jù)庫訪問功能，與同等重要的加載分離文件一起工作。

• 研究創(chuàng)建機(jī)器學(xué)習(xí)模型預(yù)測(cè)的可行方法。

• 讓學(xué)生參與項(xiàng)目開發(fā)工作，讓他們接觸了解鋼鐵行業(yè)。

由于可以在前一篇文章中找到該軟件以前方法的詳細(xì)版本，因此本文只在較高的層次上介紹它，然后詳細(xì)介紹這個(gè)特定項(xiàng)目的新部分或重點(diǎn)部分。

Unity 3D被用作軟件的主要開發(fā)平臺(tái)，它提供了許多工具和集成軟件，允許二維和三維可視化的不同應(yīng)用程序，合并用戶定義的函數(shù)，用戶界面元素，所需的插件等。一些原始的可視化也將使用內(nèi)置的特性和資源來構(gòu)建。

Microsoft Visual Studio用于集成開發(fā)環(huán)境(IDE)平臺(tái)，用于軟件中任何開發(fā)或修改的代碼，主要使用C#語言，因?yàn)閁nity直接支持C#語言和Visual Studio。

Autodesk 3ds Max用于任何模型，需要?jiǎng)?chuàng)建或修改為項(xiàng)目所需，這可能是需要更多的模型調(diào)整，以使使用的模型更接近目標(biāo)鑄機(jī)的實(shí)際幾何形狀。

這個(gè)項(xiàng)目的很大一部分是為所提供的數(shù)據(jù)生成新的可視化方法，因此，首先至少需要能夠復(fù)制或重建一些與現(xiàn)有設(shè)備類似的圖形東西。為了做到這一點(diǎn)，Unity使用了一個(gè)名為XCharts的數(shù)據(jù)可視化插件，它支持在各種圖形模板中使用解析數(shù)據(jù)集，其中包含一些定制元素，可以對(duì)每個(gè)圖形進(jìn)行更改，所有這些都可以實(shí)時(shí)運(yùn)行。這對(duì)于在運(yùn)行時(shí)加載新數(shù)據(jù)集尤為重要，如圖4所示，這是一個(gè)簡(jiǎn)單的曲線圖，由Unity插件生成，并從.csv文件中讀取樣本數(shù)據(jù)集。

• 繪圖和2D/3D可視化

利用來自數(shù)據(jù)集的一些信息，可以建立一些檢查，以幫助在圖形上可視化地后期處理數(shù)據(jù)。第一個(gè)也可以在圖4中看到，這是數(shù)據(jù)集的閾值的建立。閾值本身是預(yù)先設(shè)置的數(shù)據(jù)組，就像從.csv文件加載的數(shù)據(jù)一樣。它們可以是類似于圖4中所示的靜態(tài)值，也可以是由外部值集提供的一系列值?；谝粋€(gè)簡(jiǎn)單邏輯上，可以在運(yùn)行時(shí)執(zhí)行，每個(gè)要放在圖上的數(shù)據(jù)點(diǎn)都可以接受以下檢查:

下限閾值（n）< 當(dāng)前數(shù)值（n）<上限閾值（n）

其中n是正在檢查的當(dāng)前夾持輥號(hào)。如果數(shù)值不符合給定的閾值范圍，可以將其標(biāo)記為需要更多關(guān)注的數(shù)值。這些數(shù)據(jù)可以用不同于圖表上其他數(shù)據(jù)點(diǎn)的方式進(jìn)行表示，并做到可視化使其突出。在需要強(qiáng)調(diào)嚴(yán)重性差異的情況下，還可以建立多個(gè)級(jí)別的閾值。

到目前為止，開發(fā)該功能的目的是保留現(xiàn)有可視化2D圖形的一些基本功能，但允許根據(jù)可視化需求和反饋允許進(jìn)行一些修改。在項(xiàng)目接近結(jié)束時(shí)，可能還會(huì)對(duì)如何將顏色編碼、閃爍和其他可視指示器應(yīng)用到繪圖中進(jìn)行一些探索，以使加載數(shù)據(jù)集中的異常和有問題的值更容易被挑選出來。

在2021年的論文中，連鑄機(jī)狀況檢測(cè)儀對(duì)驅(qū)動(dòng)輥試圖使用了一些以前的可視化軟件，在閾值或其他后處理數(shù)據(jù)中檢測(cè)到的問題類型得到更好的可視化指標(biāo)方面取得了進(jìn)展，雖然最終版本的更改應(yīng)該包含2D和3D可視化方面的一些修改，但當(dāng)前的可視化概念目前正在制作2D原型，利用扇形段中的一對(duì)上輥和下輥的二維映射，二維圖形后處理的輸出可用于對(duì)二維映射應(yīng)用進(jìn)行更改。如圖5所示，是基于閾值檢查的一些2D映射的模型示例。

在數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)的問題通常很難直觀可視地表達(dá)問題是什么，特別是在某些情況下，數(shù)據(jù)被處理成絕對(duì)值之類的數(shù)值，在這種情況下，導(dǎo)致的問題需要用戶參考原始數(shù)據(jù)來進(jìn)行識(shí)別。這些問題將按比例擴(kuò)大化，以便明顯地顯示錯(cuò)誤的位置，因?yàn)橛行﹩栴}的閾值在某些情況下可能達(dá)到千分之一英寸，如果按正常的比例繪制，仍然幾乎不可能可視看到問題的出現(xiàn)，這可以與顏色編碼相結(jié)合，以突出表明問題的嚴(yán)重性(圖6)。

也可能在某些情況下，在讀數(shù)中需要忽略已知的某些特定輥?zhàn)訑?shù)值(尤其是在測(cè)量開始時(shí))，并可以這樣標(biāo)記，如圖6中的灰色部分。此外，在一些已知不符合設(shè)置閾值的情況下，或者使用過濾器屏蔽掉某些數(shù)值，或者是某些特定獨(dú)立范圍，如圖6中的藍(lán)色部分。不同的顏色可以用于不同的目的，標(biāo)記顯示檢測(cè)到的問題的嚴(yán)重性，或者標(biāo)記不同類型的已經(jīng)知曉問題，結(jié)合其他視覺效果，可以類似于圖4所示的數(shù)據(jù)圖表點(diǎn)。

隨著對(duì)初始2D映射和繪圖功能進(jìn)行微調(diào)優(yōu)化的工作越來越多，還需要將過濾出來的信息傳輸?shù)教摂M環(huán)境中的3D模型中，并顯示與2D映射中相同的所有信息。當(dāng)向這個(gè)方向移動(dòng)時(shí)，需要考慮的其他事情是，扇形段輥?zhàn)颖旧砜赡苁且桓陛伝蛘呤欠止?jié)輥的組合，在輥?zhàn)拥拈L(zhǎng)度方向上，在不同的位置上要使用不同的輥縫測(cè)量?jī)x，這可能為2D和3D可視化增加額外的維度。

這通?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)際觀察并與CAD圖紙結(jié)合起來才能起到真實(shí)的效果，所以以這種方式探索輥縫數(shù)據(jù)的可視化可以使一些問題更加直觀。如圖7所示為幾個(gè)扇形段俯視投影示意圖，可以看出單輥和分節(jié)輥布置上的不同。

• 訪問數(shù)據(jù)庫功能

由于該軟件是用C#語言開發(fā)的，并利用了Microsoft System . net數(shù)據(jù)庫，因此可以訪問一些不同的自帶數(shù)據(jù)庫類型，目前正在進(jìn)行一些測(cè)試，以開發(fā)Unity項(xiàng)目中SQL數(shù)據(jù)庫的工作流程和尾端。

Cleveland-Cliffs鋼廠目前正在研究測(cè)試這些功能的選項(xiàng)，以及如何將最終的版本放在一起，以便在工廠中實(shí)際使用，以便通過項(xiàng)目的其余部分進(jìn)行進(jìn)一步的測(cè)試和反饋。

• 使用過程數(shù)據(jù)的機(jī)器學(xué)習(xí)

在撰寫本文時(shí)，在將機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)應(yīng)用于連鑄工藝數(shù)據(jù)方面還沒有進(jìn)行大量的工作，但在撥款期限結(jié)束前，如果時(shí)間允許，將完成了一些初步的文獻(xiàn)綜述，以研究調(diào)查潛在的選項(xiàng)。

將一些不同的論文和案例研究作為參考，但目前正在研究的是非線性技術(shù)的使用，如支持向量機(jī)(svm)在一些時(shí)間序列預(yù)測(cè)應(yīng)用中的成功使用。[11]更常見的線性技術(shù)無法以最佳結(jié)果來預(yù)測(cè)某些過程的性質(zhì)，而支持向量機(jī)是一種通常在非線性、非穩(wěn)態(tài)和在某些情況下不完全由原來定義的情況中表現(xiàn)良好的技術(shù)。在支持向量機(jī)不是一個(gè)可行的預(yù)測(cè)建模選擇的情況下，研究了不同的更常見的解決方案的優(yōu)缺點(diǎn)。目前，已經(jīng)發(fā)表的論文比較不同線性和非線性方法正在評(píng)估中。[12]

項(xiàng)目期限定于2022年6月結(jié)束，在撰寫本文時(shí)，根據(jù)項(xiàng)目提案中最初的時(shí)間表，項(xiàng)目進(jìn)展順利。圖形和2D可視化方面的可視化工作正在進(jìn)展，到2022年4月，它們應(yīng)該可以由鋼廠的工作人員進(jìn)行審查和修訂，3D可視化方面的繼續(xù)工作將在項(xiàng)目結(jié)束時(shí)進(jìn)行。

將軟件硬件組合在一起并進(jìn)行驗(yàn)證之后，接下來的步驟將是幫助引入用于數(shù)據(jù)庫的訪問步驟，并改進(jìn)數(shù)據(jù)輸入方法，以允許更用戶友好的數(shù)據(jù)訪問。如果處理得當(dāng)，這一改進(jìn)變化將極大地影響該軟件對(duì)其它數(shù)據(jù)集的使用性能，最終目標(biāo)是使軟件能夠以處理離線數(shù)據(jù)文件的相同方式直接訪問數(shù)據(jù)庫值。這還包括處理不同數(shù)據(jù)集的能力，因此隨著連鑄機(jī)的需求發(fā)生變化，對(duì)用戶界面上目標(biāo)變量的更改更容易迭代和貫徹實(shí)現(xiàn)。

機(jī)器學(xué)習(xí)一直是工業(yè)應(yīng)用中的熱門話題，連鑄也不例外。找到一些對(duì)預(yù)測(cè)建模有用的初始變量，并建立一些模型來進(jìn)行工藝過程預(yù)報(bào)，在未來不僅可以查看現(xiàn)有數(shù)據(jù)，還可以添加一個(gè)“預(yù)測(cè)”模式，允許用戶查看“假設(shè)”場(chǎng)景。

這本身就可以改變操作者和技術(shù)人員操作思維方式，了解連鑄機(jī)參數(shù)的變化如何影響影響工藝過程，并幫助他們實(shí)時(shí)對(duì)連鑄機(jī)操作做出更明智的決策。使用故障場(chǎng)景的預(yù)測(cè)建模也可以很好地在數(shù)據(jù)中找到潛在的導(dǎo)致故障的主要因素，如論文中提到的輥縫測(cè)定儀數(shù)據(jù)，或者是工藝生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)，并在以前的生產(chǎn)過程中對(duì)最終產(chǎn)品中出現(xiàn)質(zhì)量問題進(jìn)行分析對(duì)比，發(fā)現(xiàn)和測(cè)試具有不同變量集的各種線性和非線性模型可能是未來需要進(jìn)行長(zhǎng)期工作的一個(gè)項(xiàng)目，預(yù)測(cè)可能會(huì)顯示出更加良好的結(jié)果。

這個(gè)項(xiàng)目在CIVS和Cleveland-Cliffs鋼廠引起的興趣導(dǎo)致了一個(gè)更大、更復(fù)雜的項(xiàng)目，將起源于CESMII正在研究的結(jié)果和改進(jìn)應(yīng)用到其它連鑄機(jī)上。最終，該軟硬件改造成為系列模塊，使其可用于除了當(dāng)前測(cè)試鋼廠以外的其他連鑄機(jī)上。

致謝：作者要感謝某國鋼鐵協(xié)會(huì)(AIST)基金會(huì)通過數(shù)字轉(zhuǎn)型贈(zèng)款資助這個(gè)項(xiàng)目，感謝Cleveland-Cliffs鋼廠團(tuán)隊(duì)對(duì)這個(gè)項(xiàng)目上合作并提供信息和建議，感謝CIVS的學(xué)生和工作人員在項(xiàng)目期間做出的貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

作者