R&D 100 Awards／轉爐出鋼製程數位雙生系統

【撰文／陳怡如】

鋼鐵為工業之母，也是國家重要產業。在煉鋼過程中最後一道的出鋼製程，不僅危險性高，也極度仰賴老師傅經驗，不易傳承。工研院和中鋼合作打造「轉爐出鋼製程數位雙生系統」，以虛實整合的介面模擬最佳出鋼參數，榮獲2024全球百大科技研發獎。

高溫1,600度、重達250噸的火紅鋼液，從煉鋼廠中的轉爐傾瀉而下。「轉爐出鋼」是煉鋼過程中最後一道、也是最關鍵的製程，當轉爐將鐵水吹煉成鋼液後，須以人工操作的方式傾倒轉爐，將鋼液倒出，每天需操作多達85個爐次，出鋼結果關係著每次鋼液的數量和品質，而身負這個重責大任的人就是「出鋼手」。

出鋼手的任務有多難？每當出鋼時，出鋼手得穿上厚厚的防護衣，忍受高溫煎熬，透過轉爐前的透明小視窗，觀察轉爐狀況，但小窗視野僅有一小部分，無法監看全貌。

由於煉鋼過程會產生鋼渣，出鋼手得判斷傾倒的速度、角度、鋼液量、落渣量和噴濺量等多重因素，倒得太快，會將鋼渣一同倒出，若爐口溢鋼，更會造成設備損傷；倒得太慢，又會讓鋼液凝固。出鋼手不只要操作轉爐，當鋼液落在底下的盛鋼桶上時，也要稍微左右搖晃，避免鋼液凝固，而這一切操作全都依靠出鋼手的經驗判斷。

但近年中鋼面臨退休潮，老師傅技術恐將斷層，加上人工操作難以量化經驗，無法每次都達到精準控制。出鋼手只要一次出錯，影響非常重大，不僅整批鋼液可能都會報廢，若鋼液噴濺量太多，也要等鋼液凝固、溫度冷卻後，才能剷除再倒下一批，也因此，一旦出鋼不如預期就要停工，平均搶修時間3至7天，增加不少生產成本與能耗。

以小樣本生成大數據　建立模型參數

為了解決這個痛點，中鋼找上工研院，希望雙方攜手共同開發一套數位化系統，協助出鋼手傾倒轉爐。「轉爐出鋼製程數位雙生系統」不僅建議最佳參數，更透過虛實整合的數位雙生方式，以逼真影像模擬鋼液傾瀉而下的狀態，期望輔助出鋼手更直覺地判斷出鋼過程。

想要數位化，第一步就要先安裝感測器，蒐集數據。過去煉鋼廠難以數位化的最大原因，就是1,600度高溫，能挺過如此高溫的感測器不多，時間一久也容易損壞，加上現場塵害也大，光是一天在地上就會積起數公分厚的灰渣，嚴苛環境大幅增加鋼鐵廠數位化的困難。

原先中鋼就有裝設2個特殊感測器，一個是在爐口的熱影像感測器，紀錄鋼液的傾倒狀況；另一個則用雷射掃描器，計算爐壁內的鋼渣厚度，但過去這些感測器只為了監控製程，並沒有再進一步數位化分析利用。

「我們的挑戰是，如何運用廠內僅有的感測器所蒐集到的小數據樣本，發展一套數位化系統，進而模擬全部的出鋼參數，」工研院電子與光電系統研究所組長劉建志說。工研院以中鋼提供的120爐歷史資料，作為訓練系統的依據，由於資料量有限，許多參數得由團隊自行生成設定，像是鋼液的黏著度、密度、出鋼量等，比對模擬參數與實際鋼液是否相符，若有誤差便不斷調整，最終相符程度達90%以上。

模擬鋼液掉落　打造逼真視覺效果

不只建議最佳參數，這套系統另一個創舉則是視覺化的數位雙生影像，以實際影像模擬出鋼畫面，協助出鋼手以更直觀的方式，看到整個出鋼過程。劉建志表示，由於中鋼目的就是要協助第一線的出鋼手，而非幕後的工程人員，「因此對於視覺效果的擬真性非常在意。」

劉建志形容，一開始團隊模擬液體流出的畫面有點像水，不太像是鋼液掉落時，一顆顆粒子噴濺的感覺，於是團隊藉由高達600萬顆粒子凝聚來模擬鋼液，並賦予每顆粒子對應的物理性質運動狀態，「給予鋼液模擬粒子物理模型」，再透過與中鋼團隊密切討論下，最終才調整出符合實際出鋼影像的視覺模型。

目前這套系統持續與中鋼驗證優化中，除了出鋼手原先觀看的透明小視窗外，一旁再多架設一個螢幕，呈現最佳參數建議及虛擬的出鋼影像，讓出鋼手既能看到現場實際狀況，又能輔以視覺模型，「提供一個虛實整合的操作方式。」

煉鋼廠要走向完全的智慧自動化，未來這套系統除了可以擴散至國內其他鋼鐵業中，這種細緻的多粒子模擬技術，也能應用在其他領域，比如半導體業或電子業上，協助更多產業順利邁向數位轉型。