基于PIDAS平臺(tái)厚板質(zhì)量管理的探索與實(shí)踐

肖桂林,劉 曄

(寶山鋼鐵股份有限公司1.厚板部,上海 200941; 2.中央研究院,上海 201999)

質(zhì)量是企業(yè)的生命線,其質(zhì)量管理水平直接影響企業(yè)的綜合實(shí)力,而質(zhì)量問題,也成為制約企業(yè)發(fā)展的重要因素。隨著智能制造、智能工廠等概念被不斷地重新定義和界定,大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等各類新技術(shù)得到不斷突破。企業(yè)逐步向數(shù)據(jù)化、數(shù)字化、智能化方向邁進(jìn),為質(zhì)量管理水平大幅度提升帶來了非常好的機(jī)遇[1]。

1 厚板產(chǎn)品質(zhì)量要求

厚板產(chǎn)品質(zhì)量要求是鋼板制造、質(zhì)量判定、產(chǎn)品使用的依據(jù)和規(guī)范,一般在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、制造協(xié)議或合同中進(jìn)行規(guī)定。因鋼板用途廣泛、品種繁多,使得中厚鋼板的質(zhì)量要求也多種多樣,通常主要由使用性能、工藝性能、內(nèi)部質(zhì)量、表面質(zhì)量、尺寸精度、板形精度、噴刻印質(zhì)量等方面構(gòu)成[2]。

使用性能的好壞決定了鋼板的使用范圍和使用壽命。使用性能主要包括鋼板的力學(xué)性能、物理性能、化學(xué)性能等。力學(xué)性能通過強(qiáng)度、塑性、韌性指標(biāo)來表征,通過試驗(yàn)來評定。物理性能和化學(xué)性能主要包括鋼板的耐熱性、耐蝕性、耐候性、耐低溫性、抗磁性等。

工藝性能是指鋼板在后續(xù)加工制造過程中特定的冷、熱加工條件下所表現(xiàn)出來的性能。如對鋼板的可焊性、彎曲性、切削加工性等的要求。

表面缺陷通常對應(yīng)缺陷產(chǎn)生的工序,如煉鋼星裂、軋制氧化鐵皮壓入等。內(nèi)部質(zhì)量主要是指對內(nèi)部缺陷的要求,如內(nèi)部裂紋、偏析、夾雜物、組織大小及均勻性等。尺寸精度通過厚、寬、長三維尺寸的偏差來評價(jià)。板形所含的內(nèi)涵很廣泛,厚板產(chǎn)品的板形通常是指鋼板的平直度,近年來,噴刻印清晰度也成為衡量鋼板質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)。

2 厚板質(zhì)量管理現(xiàn)狀

2.1 鋼鐵行業(yè)質(zhì)量管理現(xiàn)狀

近年來,鋼鐵行業(yè)自動(dòng)化水平取得了較大的進(jìn)步。很多企業(yè)號稱從質(zhì)量檢驗(yàn)階段、統(tǒng)計(jì)質(zhì)量控制階段跨進(jìn)了全面質(zhì)量管理階段,但事實(shí)上,由于缺少系統(tǒng)性的工藝和質(zhì)量數(shù)據(jù),很多鋼鐵企業(yè)的質(zhì)量管理仍處于傳統(tǒng)的質(zhì)量檢驗(yàn)管理階段,有部分專職質(zhì)檢人員從事產(chǎn)品質(zhì)量檢查把關(guān)工作。技術(shù)人員制定標(biāo)準(zhǔn),操作人員負(fù)責(zé)生產(chǎn),質(zhì)檢人員負(fù)責(zé)檢查產(chǎn)品質(zhì)量。這種做法的實(shí)質(zhì)是在產(chǎn)品中挑缺陷、劃等級。這樣做雖然在保證出廠產(chǎn)品質(zhì)量方面有一定的成效,但也有不可克服的缺點(diǎn),如:出現(xiàn)質(zhì)量問題容易扯皮、推諉,缺乏系統(tǒng)的觀念;只能事后把關(guān),而不能在生產(chǎn)過程中起到預(yù)防、控制作用,待發(fā)現(xiàn)缺陷時(shí)已經(jīng)成為事實(shí),補(bǔ)救成本高或很難補(bǔ)救;對產(chǎn)品的全數(shù)檢驗(yàn),有時(shí)在技術(shù)上做不到的,有時(shí)在經(jīng)濟(jì)上是不合理、不合算的。隨著生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大和生產(chǎn)效率不斷提高,這些缺點(diǎn)也就越來越突出。

2.2 厚板領(lǐng)域質(zhì)量管理現(xiàn)狀

中厚鋼板的生產(chǎn)具有流程長、工藝路線復(fù)雜、技術(shù)應(yīng)用密集度高等特點(diǎn),集中體現(xiàn)了鋼鐵生產(chǎn)流程型的特征。為滿足用戶的高表面、高板形、高尺寸精度的使用要求,需要花費(fèi)人力物力進(jìn)行實(shí)物的測量,如圖1所示。有的企業(yè)增配了表面、板形等檢測裝置。但由于統(tǒng)計(jì)方法應(yīng)用不深入、質(zhì)量因素規(guī)律性認(rèn)識(shí)不足等原因?qū)е氯尜|(zhì)量管理的基礎(chǔ)不夠牢固。各類質(zhì)量數(shù)據(jù)分散在不同層級的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中,仍然存在大量的數(shù)據(jù)孤島,質(zhì)量管理仍然處于質(zhì)量檢驗(yàn)和事后分析的被動(dòng)局面。

圖1 傳統(tǒng)的質(zhì)量檢查方法

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展,如何利用信息化技術(shù)實(shí)現(xiàn)企業(yè)質(zhì)量管理水平的提升,就成為企業(yè)在開展質(zhì)量管理中需要重點(diǎn)考慮的問題。鋼板的質(zhì)量控制及管理不僅需要先進(jìn)的裝備、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓に?還需要適用的檢測手段及系統(tǒng)科學(xué)的分析方法,只有將兩者的機(jī)能有機(jī)地結(jié)合起來,才能真正建立質(zhì)量管理的技術(shù)保障體系。

3 厚板智能質(zhì)量管理體系

傳統(tǒng)的質(zhì)量管理,可采集、可監(jiān)控的關(guān)鍵過程參數(shù)有限,實(shí)際生產(chǎn)過程中,影響產(chǎn)品質(zhì)量的因素很多,如果過程的波動(dòng)沒有及時(shí)識(shí)別并加以控制,被動(dòng)的事后分析在所難免。

如果可以實(shí)時(shí)采集過程數(shù)據(jù),尤其是現(xiàn)場測量儀表的毫秒級實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),將工序隨時(shí)間變化的各類細(xì)節(jié)數(shù)據(jù)進(jìn)行勾連分析,就容易發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的規(guī)律,也可以及時(shí)對趨勢進(jìn)行預(yù)警甚至進(jìn)行實(shí)時(shí)模型控制。

結(jié)合相關(guān)業(yè)務(wù)需求,經(jīng)過長達(dá)十多年工藝與信息技術(shù)研發(fā)融合,寶鋼自主開發(fā)了基于厚板業(yè)務(wù)的流程型過程智能數(shù)據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)(PIDAS:Process Intelligent Data Application System),智能質(zhì)量管理是PIDAS的核心模塊之一。PIDAS系統(tǒng)打通了數(shù)據(jù)孤島,實(shí)現(xiàn)了厚板數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通[3]。

寶鋼厚板智能質(zhì)量管理依托自動(dòng)化和數(shù)字化等智能制造技術(shù),整合并促進(jìn)質(zhì)量管理再次升級。通過自動(dòng)化,將更多的檢測工作交給設(shè)備和系統(tǒng);通過數(shù)字化,充分利用質(zhì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和決策;通過信息化技術(shù),最大程度地集成質(zhì)量數(shù)據(jù)、信息和知識(shí)。以問題為導(dǎo)向,結(jié)合用戶最敏感的質(zhì)量問題,形成了板形、尺寸、表面、性能的分析預(yù)測模型;以產(chǎn)品為載體,形成了最優(yōu)解的輔助工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng);以工序?yàn)槌霭l(fā)點(diǎn),通過采集跨層級多頻度異構(gòu)數(shù)據(jù),形成了實(shí)績分析優(yōu)化用的多視角數(shù)據(jù)圖、表等描述性功能應(yīng)用;以AI控制為終極目標(biāo),通過數(shù)據(jù)邏輯、工藝知識(shí)形成判斷邏輯,可實(shí)現(xiàn)尺寸、表面、板形及性能自動(dòng)判定。厚板智能質(zhì)量管理系統(tǒng)構(gòu)架如圖2所示。相關(guān)的功能和質(zhì)量管理模式提升通過后續(xù)章節(jié)以板形質(zhì)量管理為例加以說明。

圖2 厚板智能質(zhì)量管理系統(tǒng)構(gòu)架

4 基于PIDAS的板形質(zhì)量管理

4.1 板形平直度缺陷分類

鋼板的板形所含的內(nèi)涵很廣泛。廣義的板形是指鋼板的平直度、矩形度、板凸度;狹義的板形是指鋼板翹曲程度,沿鋼板長度和寬度方向上的平直程度。從表現(xiàn)形式看,有表觀板形及潛在板形之分。潛在板形是指鋼板中存在殘余內(nèi)應(yīng)力,但加工前不足以引起鋼板翹曲,稱為潛在板形不良;表觀板形是指鋼板殘余內(nèi)應(yīng)力足夠大,以致引起鋼板翹曲,稱為表觀板形不良。

寶鋼厚板廠TMCP工藝產(chǎn)品(控制軋制+控制冷卻)比例較高,TMCP工藝實(shí)現(xiàn)了“以水代金”降本增效。但要取得這樣的成效,首先就要從加熱、軋制、冷卻、矯直等全工序來進(jìn)行鋼板板形平直度控制。除了控制廠內(nèi)發(fā)生的可視的板形問題,還要控制后續(xù)切割翹曲“潛在”板形缺陷。這種可視或潛在的板形缺陷控制不良,都會(huì)嚴(yán)重影響廠內(nèi)的生產(chǎn)物流和最終用戶的使用感受。常見的平直度缺陷如圖3所示。

4.2 板形平直度改善的難題

為了確保板形受控,除了使用預(yù)矯改善板形,每塊鋼板還進(jìn)行了1～3道次在線熱矯直,但在用戶端,頻頻出現(xiàn)加工過程鋼板變形影響加工過程,部分鋼板變形嚴(yán)重,無法使用。在厚板廠內(nèi)也存在大量鋼板由于板形不滿足放行標(biāo)準(zhǔn),通過追加冷矯工序來確保滿足板形技術(shù)要求。

追加冷矯工序不僅增加了工序成本,也影響了生產(chǎn)效率,冷矯工序成為某些品種的瓶頸工序。板形問題,既影響物流,又影響交期,還增加了質(zhì)量成本。

圖3 板形缺陷類別

應(yīng)用傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)和方法解決板形問題遇到了各種困擾。從加熱、軋制、冷卻、矯直等工序多達(dá)上百個(gè)參數(shù)。板形儀只有一個(gè)圖譜,操作人員根據(jù)顏色來進(jìn)行板形質(zhì)量判定,結(jié)果只有追加冷矯和未追加冷矯兩個(gè)結(jié)果。判定的準(zhǔn)確與否暫且不談,平直度不良的區(qū)域在哪個(gè)部位？不平度的程度是多少？源頭在哪？為什么每次都批量出現(xiàn)？工序有沒有異常？哪些參數(shù)變化了？如何在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)？源頭如何管控等諸多疑問,都是亟待解決的問題。

一句話,要快速有效改進(jìn)板形,就要把板形數(shù)據(jù)與過程參數(shù)勾連起來。這個(gè)功能利用PIDAS系統(tǒng)第一次得以高效實(shí)現(xiàn)。

4.3 PIDAS板形改進(jìn)方案

4.3.1 板形測量數(shù)據(jù)數(shù)字化

原板形儀是個(gè)數(shù)據(jù)孤島,設(shè)備供應(yīng)商沒有留下接口,每塊鋼板經(jīng)過時(shí)僅刷新圖譜,在PIDAS系統(tǒng)中通過解析板形儀鋼板板形圖譜,將板形數(shù)據(jù)數(shù)字化,如圖4所示,并最終還原成數(shù)字化的母板板形。

圖4 數(shù)字化板形測量數(shù)據(jù)

4.3.2 細(xì)分缺陷類型

當(dāng)板形測量值數(shù)據(jù)化之后,板形缺陷得以進(jìn)一步細(xì)分,可分為操作側(cè)單邊浪、傳動(dòng)側(cè)單邊浪、頭部上翹、頭部下扣、寬度C翹、中間浪等十幾種板形缺陷。某規(guī)格產(chǎn)品,現(xiàn)場一直反映板形不好,在之前,操作和技術(shù)人員都描述不清到底是什么類型的板形缺陷,缺陷都搞不清楚談何改進(jìn)。板形儀數(shù)據(jù)解析化之后,問題就迎刃而解了。如圖5所示,基于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),某規(guī)格板形缺陷1、缺陷2是主要缺陷,占比72.9%。

4.3.3 回歸翹曲高度與過程參數(shù)的關(guān)系

除了可以區(qū)分板形缺陷類別,還可以將板形與過程參數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行回歸,找出浪形高度與過程數(shù)據(jù)的相關(guān)性。

如,通過回歸分析,頭部翹曲浪高=3.73+0.850 kcpp01+0.0254 kcpp02-0.0173 kcpp03-0.0111 kcpp04+0.287 kcpp05-0.00800 kcpp06+0.0164 kcpp07+0.0123 kcpp08-0.0047 kcpp09

圖5 板形缺陷排列圖

其中kcpp01-kcpp09為關(guān)鍵的過程參數(shù)。

4.3.4 對關(guān)鍵過程參數(shù)的監(jiān)控

關(guān)鍵參數(shù)明確了,利用數(shù)據(jù)和工藝至少建立板形敏感參數(shù)評價(jià)模型,通過雷達(dá)圖展示板形敏感指標(biāo)實(shí)時(shí)刷新,完成板形敏感參數(shù)的過程監(jiān)控,如圖6所示。

圖6 板形敏感參數(shù)雷達(dá)圖

4.3.5 出現(xiàn)浪形的概率預(yù)測

有了知識(shí)和數(shù)據(jù)的積累,預(yù)測板形發(fā)生概率也是水到渠成。 根據(jù)過程數(shù)據(jù),預(yù)測出現(xiàn)浪形缺陷的概率并加以控制,不僅有助于表觀的板形缺陷改進(jìn),對潛在的板形缺陷改進(jìn)也有更重要的意義。如在TMCP船板的板形改進(jìn)中,當(dāng)過程數(shù)據(jù)表征的浪形缺陷發(fā)生概率達(dá)某個(gè)閾值時(shí),通過動(dòng)態(tài)調(diào)整或自動(dòng)預(yù)定冷矯工序釋放應(yīng)力可有效降低用戶端潛在板形缺陷發(fā)生率。目前用戶反饋寶鋼厚板廠TMCP船板板形合格率處于國際先進(jìn)水平行列。

5 結(jié)論

本文介紹了傳統(tǒng)質(zhì)量管理模式存在的問題及瓶頸,闡述了基于PIDAS平臺(tái)厚板智能質(zhì)量管理系統(tǒng)的構(gòu)架。通過板形平直度改進(jìn)案例進(jìn)一步闡述可數(shù)字化分析、可數(shù)據(jù)化監(jiān)控、可智能化預(yù)測的智能質(zhì)量管理體系的探索與實(shí)踐。

(1) 自動(dòng)化、數(shù)據(jù)化、數(shù)字化為質(zhì)量數(shù)據(jù)的獲取和分析奠定了基礎(chǔ)。

(2) 通過信息化技術(shù),可最大程度地集成質(zhì)量數(shù)據(jù),充分利用質(zhì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和決策。

(3) 智能質(zhì)量管理系統(tǒng)需要培訓(xùn)和訓(xùn)練具有數(shù)據(jù)思維的人才。

(4) 智能質(zhì)量管理系統(tǒng)終極目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)質(zhì)量預(yù)防、診斷和在線控制。