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罗晓东
, 王强
LUO Xiaodong, WANG Qiang
中图分类号: TB31
文献标识码: A
文章编号: 1006-7167(2017)05-0114-04
收稿日期: 2016-06-23
网络出版日期: 2017-05-20
版权声明: 2017 《实验室研究与探索》编辑部 《实验室研究与探索》编辑部 所有
基金资助:
作者简介:
作者简介:罗晓东(1981-),男,河南许昌人,博士在读,副教授,主要从事塑性加工相关教学和科研工作。Tel.:023-65022425;E-mail:lxd336@163.com
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摘要
针对当前材料成形及控制工程专业实践教学环节存在的相关问题,开发出了基于虚拟仿真技术的板形控制实践教学平台,并针对性地分为原料准备、轧制过程控制、轧制板形控制基础、轧制板形控制策略和板形控制仿真训练5个模块,循序渐进地深入到板形控制的各个环节,从点到面,有浅入深,有序地完成目前无法实现的板形控制实践教学。并以板形控制仿真训练中的轧制温度及热凸度模拟仿真为例,详细分析了建模的过程,并进行了仿真训练。通过2015届学生的实践,发现借助于该实践教学平台, 能够有效激发学生的学习兴趣,提高学生实际操作能力,为学生适应钢铁企业的复杂轧制条件和板形控制条件打下了坚实的基础。
关键词：
Abstract
Simulation technology can realistically simulate the real world, cultivate students’ innovative practice ability, improve practical teaching effect. In view of the problems existing in the practical teaching of materials processing and controlling engineering, we designed a flatness control practical teaching platform based on simulation technology. The development of practical teaching platform divided into five modules: raw material preparation, rolling process control, flatness control foundation, flatness control strategy and flatness control training. The five modules contain all aspects of flatness control, and introduce from point to surface, from shallow to deep. The rolling temperature and thermal crown simulation were taken as examples, the process of modeling and simulation were introduced in detail. The teaching platform can stimulate students’ interest of learning, improve students’ practical ability, also can make the students handle the complex rolling conditions and the complex flatness control conditions.
Keywords：
我校是一所省属特色鲜明的应用型高校,作为具有60多年办学历史的传统优势学科—材料成形及控制工程专业,背靠冶金,以轧制为主要发展方向,面向钢铁企业,培养板型管的专业技术人才[1-3]。传统的轧制方向由于存在设备重、占地面积广、投资大、利用率低等缺点,在实验室设备投资上显得捉襟见肘,因而大部分实验以演示性为主,很难直观地展现现场轧制的情景与轧制技术。而实践教学质量的提高对于实现“具有创新精神的应用型高级专门人才”的培养目标显得尤为重要。
近年来虚拟网络炼钢大赛的发展,学生通过在虚拟平台进行原料准备、工艺设计、节奏控制、成品质量检测,为学生应用能力的提升提供了一个很好的实践平台[4-6]。但该平台对于板带钢成品质量起决定作用的板形控制却无能为力,为了更好地提高学生的实践能力,加强与现场工艺的融合,在前期调研分析及学生实践验证的基础上,尝试建立基于虚拟仿真技术的板形控制实践教学平台,通过该平台的建设,完善当前的实践教学体系,为板带钢的板工艺设计及板形控制提供支撑。
板带钢有通用钢材之称,可随意切断分离、拼凑组合。目前生产出来的钢铁制品80%以上为板带钢,因此在教学大纲设置时,为了在专业教学环节中更好地开展仿真实践教学,对板带钢的内容进行重点考究编排,《塑性加工力学》《塑性加工原理》《加热炉》《轧钢设备》《板带钢轧制工艺学》《材料加工CAD/CAE/CAM技术基础》《材料成形自动化基础》《连铸连轧》《控轧控冷》《轧钢车间设计》等作为基础平台课程和专业课,安排在第5~7学期。在开设专业课时,借助steel university平台和钢铁制造国家级虚拟仿真实验教学中心的仿真实验平台进行成分设计、铸造工艺、加热工艺、轧制工艺、热处理及精整工艺的模拟。对于目前不具备的板形控制工艺部分,为了提高实践教学效果,考虑到板形控制的工艺和过程,通过不同的阶段设计及准备,通过不同的实践项目(开设项目一览表如表1所示)逐步提升学生的操作能力和实践经验,提高学生的工程实践能力[7]。
表1 板形控制平台的实践项目一览表
| 模块 | 对应阶段 | 实践项目 |
|---|---|---|
| 原料准备 | 加热工艺控制 | 炉压调节与控制 |
| 加热时间设计与分配 | ||
| 加热温度制定 | ||
| 加热速度选取 | ||
| 轧制过程控制 | 轧制工艺设计 | 轧制方法及压下量的设计 |
| 轧制速度及速度制度的设定 | ||
| 轧制时间、轧制温度计算与校核 | ||
| 轧制压力及轧制力矩计算 | ||
| 轧制强度校核 | ||
| 轧制板形控制基础 | 辊缝设定及影响分析 | 板形及板形不良 |
| 热凸度辊缝影响规律研究 | ||
| 轧辊的磨损对辊缝的影响规律研究 | ||
| 轧辊的弹性压扁对辊缝的影响规律研究 | ||
| 轧制板形控制策略 | 板形控制理论分析 | 弯辊力对板形的影响规律研究 |
| 窜辊量对板形的影响规律研究 | ||
| 辊型曲线对板形的影响规律研究 | ||
| 板形控制仿真训练 | 板形控制仿真分析 | 轧制温度及热凸度模拟仿真 |
| 弯辊力优化模拟仿真 | ||
| 窜辊量优化模拟仿真 | ||
| 辊型曲线设计及模拟仿真 | ||
| 同宽轧制模拟仿真 | ||
| 板形控制效果分析及调整 |
板形控制实践教学平台的设计宗旨是,针对企业的生产特点,加强教师的主导作用,强调实践环节,以培养学生的能力为中心,提高学生的工程训练水平和实践应用能力。基于该原则,虚拟仿真平台有5个部分组成。原料准备+ 轧制过程控制+轧制板形控制基础+轧制板形控制策略+板形控制仿真训练。
原料准备主要是根据轧制的要求为轧制备料,而为了满足轧制温度条件所具备的加热工艺要求。主要包括加热温度(预热段、加热段、均热段的温度要求)、加热速度(满足加热温度的基础上尽量减小氧化提高加热效率)、炉压制度(是组织火焰形状、调整温度场及控制炉内气氛的重要手段,在保证炉子出料端钢料面压力为零压或微正压,同时炉内气疏通畅的燃料计算及设计)、加热时间(受钢种、钢料形状和尺寸、炉内布料方式、炉型结构、供热能力、加热速度等因素的影响,确定需保证加热均匀性、减轻铸锭缺陷,减少氧化和脱碳、防止过热过烧)等。
轧制过程控制主要是通过对轧制过程的分析,参考轧制工艺设计的主要指标学习轧制方法及压下量的设计、轧制速度及速度制度的设定、轧制时间和轧制温度计算与校核、轧制压力及轧制力矩计算、轧制强度校核,从而为后续的板形控制提供理论支撑。
轧制板形控制基础[8-11]主要是通过该环节的训练让学生知道板形控制的基础理论,了解板形与横向厚差的关系,同时认识到板形不良的危害及板形控制对板带钢的重要性,在此基础上分析影响辊缝形状的因素:轧辊的热膨胀、轧辊的磨损、轧辊的弹性压扁、轧辊的原始辊型。
轧制板形控制策略[12-13]是通过板形控制理论的分析,通过相关理论计算及模型分析弯辊力、窜辊量、辊型曲线对板形的影响规律,从而获得相关的控制策略。通过该部分的训练帮助学生更深刻地认识到板形的主要控制手段及策略。
板形控制仿真训练是结合板带钢轧制的特点,选取现场典型钢种的轧制工艺,通过轧制温度及热凸度模拟仿真、弯辊力优化模拟仿真、窜辊量优化模拟仿真、辊型曲线设计及模拟仿真、同宽轧制模拟仿真、板形控制效果分析及调整来达到实践能力提升的目的。
5个部分循序渐进地将学生引入到现场板形控制的情景中,为学生营造真实的实践氛围,激发学生的想象力和创造力。为学生掌握板形控制的方法及将来现场轧制策略制定打下坚实的基础。
以板形控制仿真训练中的轧制温度及热凸度模拟仿真为例,首先通过理论讲解,并结合前期的原料准备、轧制过程控制、轧制板形控制基础模块的学习,让学生对轧制温度和热凸度有直观的认识,然后借助平台的板带钢轧制模拟仿真软件,其输入参数采用某厂真实数据如表2所示[14-15]。
表2 某厂2250热连轧机设备参数
| 参数 | F1 | F2 | F3 | F4 | F5 | F6 | F7 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 工作辊辊身长度/m | 2.25 | 2.25 | 2.25 | 2.25 | 2.25 | 2.25 | 2.25 |
| 支撑辊辊身长度/m | 2.25 | 2.25 | 2.25 | 2.25 | 2.25 | 2.25 | 2.25 |
| 工作辊直径/mm | 765~850 | 765~850 | 765~850 | 765~850 | 630~700 | 630~700 | 630~700 |
| 支撑辊直径/m | 1.44~1.60 | 1.44~1.60 | 1.44~1.60 | 1.44~1.60 | 1.44~1.60 | 1.44~1.60 | 1.44~1.60 |
| 支撑辊辊颈直径/mm | 955 | 955 | 955 | 955 | 955 | 955 | 955 |
| 工作辊弯辊缸间距/m | 3.35 | 3.35 | 3.35 | 3.35 | 3.35 | 3.35 | 3.35 |
| 压下油缸间距/mm | 3.35 | 3.35 | 3.35 | 3.35 | 3.35 | 3.35 | 3.35 |
| 各机架牌坊刚度/(t·mm-1) | 680 | 680 | 680 | 680 | 630 | 630 | 630 |
| 各机架工作辊弯辊力范围/(t·侧-1) | 0~150 | 0~150.1 | 0~150.2 | 0~150.3 | 0~150.4 | 0~150.5 | 0~150.6 |
| 各机架工作辊窜辊量范围/mm | -150-150 | -151-151 | -152-152 | -153-153 | -154-154 | -155-155 | -156-156 |
| 各机架中心线与其后架中心线间距/m | 5.925 | 5.5 | 5.5 | 5.5 | 5.5 | 5.5 | 5.5 |
| 各机架中心线至其后水冷节点间距/m | 2.7 | 2.7 | 2.7 | 2.7 | 2.7 | 2.7 | N/A |
| 水冷节点有效喷洒区域/mm | 800 | 800 | 800 | 800 | 800 | 800 | N/A |
| 入口测温仪至第一机架中心线间距/m | 2.62 | ||||||
| 入口测温仪至入口除鳞箱中心线间距/m | 7.60 | ||||||
| 除鳞箱有效喷洒区域/m | 2.62 | ||||||
| 末机架中心线至出口测温仪间距/m | 5.50 | ||||||
结合现场的轧制过程,通过对精轧运动过程进行分析,并通过观看某2 250热连轧企业的现场轧制过程的视频,让学生能够基于有限模拟软件建立起轧制的模型如图1所示, 通过定义边界条件和初始条件,并采用C3D8RT将坯料离散,然后选取材料并建立工艺参数,从而实现与现场轧制基本一致的工艺参数和性能特征,在检查无错的基础上进行运行。
在运行的过程中不断调整模型和参数,同时进行辊型、轧制温度、压下量等进行不断校正,尽量按照现场的轧制工艺进行模拟仿真,重点对轧制过程中的温度和热凸度进行设置监控,最终得到一系列结果,将精轧过程中温度结果进行分析和整理如图2、3所示,通过对模拟结果的分析可以得到整个精轧过程中温度的分布,为控制轧制控制冷却提供指导。
在整个虚拟仿真实践过程中,我们对学生进行了抽卷调查,根据学生反馈的结果显示学生的兴趣度由原来的12.3%提高到了76.3%,教学效果良好。同时根据钢铁企业调研反馈结果显示,通过该实践平台的实践,学生对板形控制的理解更加深入,在2015届签约的学生中有51%的人从事板带钢相关工作,根据其现场一年的工作情况来看,进行过板形控制实践的学生在现场的适应能力更强,能够适应现场复杂的轧制条件,大大地提高了企业对学校的认可度。在2016届的毕业双选会中有71.5%的学生选择板带企业。
总之通过该板形控制实践平台的开发,提高了学生实际操作能力, 为学生积累了丰富的实践经验, 锻炼了学生分析解决问题的能力,为学生适应钢铁企业的复杂轧制条件打下了坚实的基础。
The authors have declared that no competing interests exist.
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校企联合应用型本科人才培养机制探析 [J].
在校企联合培养人才过程中由于认识上的差异和缺乏有效沟通和制度 经费保障,以及企业参与合作教育的积极性和主动性不高,导致校企合作保障机制亟待建立,文章从政策保障、制度保障、沟通交流、全程参与和利益保障等方面对 建立校企联动机制进行了探讨,提出了校企联合培养应用型本科人才的有效途径,有利于实现校企双赢,进一步推动高校发展.
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| [2] |
地方院校应用型本科人才培养模式探究 [J].DOI:10.3969/j.issn.1673-1999.2011.03.067 URL 摘要
根据地方院校拥有的办学资源及主要服务地方社会经济发展的特点,认为地方院校本科教育应主要培养应用型人才。提出了构建地方院校应用型本科人才培养模式的依据和原则,阐述了应用型本科教育在确立培养目标、专业设置、课程体系和培养途径方面应当注意的问题。
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| [3] |
材料成型及控制工程专业实践教学的改革探索 [J].DOI:10.3969/j.issn.1672-3791.2011.08.167 URL [本文引用: 1] 摘要
在分析了材料成型及控制工程专业实践教学环节重要性及现状的基础上,分别就对实践教学环节中的校内实践(课程实验教学)和校外实践(生产实习)进行了相应的改革与探索。
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| [4] |
开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设提高高校实验教学信息化水平 [J]. |
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仿真技术在冶金工程专业实践教学中的应用 [J].DOI:10.3969/j.issn.1673-1999.2013.03.073 URL 摘要
在冶金工程专业实践教学中适当应用仿真技术,可以大大提高教学效率。介绍了在冶金工程专业的实验、实习、实训环节中应用计算机拟仿真技术的做法。
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| [6] |
虚拟仿真教学实验平台在应用型大学的搭建及虚拟仿真技术在化工类课程教学中的探索性研究 [J].DOI:10.3969/j.issn.1007-1865.2015.14.125 URL [本文引用: 1] 摘要
化学工程与工艺专业具有极强的实践性、应用性和工程性,应用型大学在人才培养中必须重视实践能力的教育。文章探讨了虚拟仿真技术与化工类课程结合的优点,以及虚拟仿真技术在化工类课程建设、实验室建设和实训实习中的应用,同时提出了具体实施思路和内容。
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基于虚拟仿真技术的实验教学平台设计—以材料成型及控制工程为例 [J]. |
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新一代高技术宽带钢轧机的板形控制 [J].
提出界定轧机板形控制性能的辊缝调节特性空间（CQ－CH－q）及评价的主要参数：辊缝基本凸度及可调度、辊缝刚度、弯辊调控幅度、辊缝曲线四次分量可调度和辊间接触压力峰值．分析了板形控制的“柔性辊缝策略”与“刚性辊缝策略”．提出采用“交接触长度（VCL）支持辊”以改善连轧机组的板形控制性能，并在生产中应用．
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CVC轧机辊形及板形的研究 [D].
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辊凸度连续可调(CVC)轧机的轧辊辊面曲线 [J].
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热连轧带钢板形控制与辊形优化设计 [D]. |
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改善轧机凸度和平直度控制的新系统 [J].
SmartCrown是奥钢联开发的一种新型凸度和平直度控制系统,适用于钢铁和铝工业的热轧机和冷轧机。凭借SmartCrown辊的独特形状,可以改善带材凸度并实现更高阶的板形控制。系统的一个特点是大幅度消除两肋波浪。根据操作参数将SmartCrown同CVC技术进行了比较。
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轴向移位变凸度四辊轧机的辊形设计 [J].
板材轧机上一对带特殊辊型的工作辊轴向相对移动时，可改变辊缝凸度，调节板形。通过对这类辊型的研究，特别是对三次辊型的研究和ＣＶＣ辊型的破译，给出了确定辊型参数的方法，并指出了ＣＶＣ辊型和ＵＰＣ辊型的区别及应用范围。
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太钢2 250 mm不锈钢热连轧生产线的工艺及设备 [J].DOI:10.3969/j.issn.1003-9996.2006.05.011 URL [本文引用: 1] 摘要
介绍了太原钢铁(集团)有限公司新建150万t不锈钢系统工程中的2250mm热连轧厂的产品和主要工艺装备情况.
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邯钢CSP与2 250热轧厂精轧机主要设备比较与分析 [J].DOI:10.3969/j.issn.1000-6826.2011.02.015 URL [本文引用: 1] 摘要
邯钢CSP于1999年年底投产,2250热轧厂于2008年8月投产,两条生产线的机械设备都是由德国西马克设计,体现了当时国内领先水平。在设备结构上,2250热轧厂进行了一些优化,最大限度避免重大设备事故的发生。通过对邯钢CSP与2250热轧厂精轧机冷却框架、出口上刮水板、弯辊缸的比较,重点从设备维护角度进行比较,供设备维护人员参考。
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