材料成形过程自动化：第一章 绪论

材料成形过程自动化第1章绪论

1.1材料成形过程自动化的重要性和必要性1.2本课程的核心内容和特点1.3如何学好本课程1.4解决问题示例1.5中厚板工程介绍1.1本课程的重要性和必要性材料成型及控制工程专业培养目标：本专业主要研究各种材料成形的工艺方法、质量控制以及材料成型的机械化和自动化。是集材料制备与成形及过程自动化为一体的综合性学科。本专业培养冶金及装备制造业需要的材料成形科研、生产及管理方面的高级工程技术人员，通过基础课及专业课的学习，掌握材料成形的基础知识，具备新材料、新产品、新工艺开发的能力。1.1本课程的重要性和必要性材料成型及控制工程专业所属学科：0805材料科学与工程（一级学科）080501材料物理与化学080502材料学080503材料加工工程（二级学科）1.1本课程的重要性和必要性5级人类不断增长的文化需要，（1哲学2文学3法学4艺术学5历史学6教育学7军事学8经济学）4级人类不断增长的物质需要（包括军事），生活必需品供应3级制造，建筑，运输，自动化计算机，信息（通讯），贸易流通，能源动力；2级冶炼与材料，加工，化工，1级9农学10工学11理学12医学13管理学，养殖（植物动物水产），采矿（煤炭石油金属非金属），水力风力电力，水利0级自然资源与能源，1)土地2)海洋3)河流4)矿藏5)风力6)阳光1.1本课程的重要性和必要性材料成型及控制工程专业毕业生适应范围：本专业的毕业生适合工业企业、科研和设计单位以及高等院校，从事与材料制备与成形有关的科研、教学、技术开发、技术改造及经营管理等方面的工作。此外，本专业非常注重培养学生多方面的综合能力，尤其是适应未来信息社会快速高效发展的能力，使毕业生掌握一定的新材料、新能源、信息科学与技术、自动化、计算机等诸多相关领域的知识和技术，学生的就业面大大拓宽，符合未来社会对综合型人才的要求。本专业毕业生遍及冶金、机械、汽车、航空航天、电子、信息、交通、建筑等国民经济各个领域，社会需求量大。1.1本课程的重要性和必要性材料成型及控制工程专业主要课程：数学、工程力学、材料成形力学金属学及热处理、材料成形理论与工艺、控制轧制与控制冷却机械原理及零件、材料成形机械设备电工与电子技术、微机原理与计算机应用材料成形过程控制及自动控制理论等。1.1金属塑形加工学-轧制理论与工艺大力开发高精度轧制技术；（高精度化）以物理冶金理论为基础，加强控制轧制和控制冷却研究和应用，提高产品的冶金质量，扩大品种；（组织和性能）大力推广连铸连轧工艺及短流程轧制技术；（新工艺）轧制过程连续化的新进展-无头轧制技术；（连续化）采用柔性化的轧制技术；（自由化）轧制过程的自动控制和智能控制；深加工现代轧制工艺技术的特点和发展趋势：1.1本学科（材料成型与控制工程）特点以材料加工力学、金属学、摩擦学为理论基础，轧制工艺学；轧制过程赋予金属一定的尺寸和形状；精确化（高精度化）、高速化、连续化，与自动化学科的结合；轧制过程赋予金属一定的组织和性能；控制轧制和控制冷却；温度（加热冷却）、变形、组织（演变）、性能；与材料学科的结合；1.1本课程的重要性和必要性本课程历史沿革授课年级第学期课程名称学时类型“检测技术”200097级7压力加工自动化32考查单独200198级6成形过程控制及自动化40考试单独200299级7材料成形过程自动化60考试并入1.1本课程的重要性和必要性工艺技术人员为什么要学习自动化知识？材料成形过程更加连续化、高速化、大型化、自动化；用户对产品质量要求更高、更苛刻；过程和控制、工艺和自动化联系越来越紧密；强烈需要复合型人才掌握复合型知识和技术；1.2本课程的核心内容和特点工艺：材料成形理论与工艺（型、棒线，板、带，管），控制轧制与控制冷却，金属学与热处理设备：机械设备（轧机辊道等），动力设备（电力拖动和液压传动），加热和冷却设备自动化：关键工艺参数和工艺过程的控制，以保证工艺路线的实现；1.2本课程的核心内容和特点需要解决问题：效益，品种，质量，成本，产量品种是有无的问题质量是好坏的问题成本是盈亏的问题产量是快慢的问题效益是最终的问题工艺是龙头，设备是基础，自动化是保证；1.2本课程的核心内容和特点检测技术驱动：液压和电气传动（位置/压力）关键工艺参数和工艺过程的控制厚度、张力、温度、宽度、板凸度和平直度（板形）、平面形状、侧弯、头部翘曲；1.3如何学好本课程正确认识，多学习专业相关知识抓住核心，工艺-设备-自动化相结合听课和阅读相结合，多看书和文献与教师密切配合，多思考多问1.4示例1-中厚板平面形状控制工艺问题提出：中厚板轧制过程通常采用固定尺寸的坯料生产不同宽度和不同厚度的钢板，通常采用纵-横-纵或横-纵轧制方式，由于钢板头尾与中部在轧辊中的流动不一致，成品形状并不是矩形。为提高成材率，减少切损，能否实现产品近矩形化？成材率损失组成1.4示例1-中厚板平面形状控制不同的展宽和延伸得到钢板最终形状不同，平面形状控制是使最终产品矩形化，减小轧件的切头尾和切边损失，从而提高成材率的有效方法。基本思想：对轧制终了的钢板平面形状进行定量预测，依据“体积不变原理”换算后，在成形阶段和展宽阶段最末道次上进行厚度调整，改善最终的矩形度。1.4示例1-中厚板平面形状控制1.4示例1-中厚板平面形状控制实现以上功能的控制要点：根据不同产品的展宽比和延伸比计算板坯的带载压下形状（数学模型）根据轧制速度校核轧机液压缸带载压下速度是否满足要求（设备条件，在1m/s轧制速度下，液压压下速度>20mm/s）平面形状控制模型计算结果设定（与基础自动化系统通讯）钢板在辊缝中的微跟踪精度，要求液压缸压下与抬起对称；液压缸位置控制系统的动态特性（基础自动化系统控制算法，设定与反馈跟随情况）1.4示例1-中厚板平面形状控制仅头尾形状控制一项可提高成材率1%以上，按中厚板厂年产120万吨计算，可直接带来1.2万吨的效益。液压缸油柱跟随情况1.4示例2-钢板头部翘曲控制问题提出：钢板咬入时由于一些不稳定因素的影响，常常发生头部上翘或下扣的情况，上翘过大会损伤轧机、影响冷却和矫直；下扣过大会损害辊道寿命，常见的影响因素包括：钢板上下表面温度差异下工作辊标高与轧制中心线不一致上下辊尺寸不一致其它设备因素等实际生产过程要求钢板头部最佳状态为微翘头，如何做到？1.4示例2-钢板头部翘曲控制控制手段：钢板的头部弯曲状态可以通过咬钢时对上下工作辊的转速进行控制，即“雪橇轧制”，但首先要找到上下辊速差与头部弯曲之间的关系。1.4示例2-钢板头部翘曲控制利用有限元软件进行数值模拟：初始条件：入口厚度：10mm-150mm压下率：5%-30%上下辊速差：1.0-1.2模拟结果：轧出1m处头部高度1.4示例2-钢板头部翘曲控制对数值模拟计算的离散化结果进行拟合处理，可采用多种方法，下图为利用模糊神经网络训练，建立输入与输出之间的关系。H=20mmH=40mm1.4示例2-钢板头部翘曲控制通过对钢板头部弯曲的人工反馈和所需的设定值，在拟合的关系中找到所需的辊速差设定，输出至主电机实现头部弯曲的雪橇控制。1.4示例2-钢板头部翘曲控制实现以上功能的控制要点：拟合得到上下辊速差与钢板头部弯曲之间关系（数学模型）上下辊主电机否满足雪橇控制要求（设备条件，电流不能超过限幅）根据头部弯曲反馈计算辊速差设定（通讯传递数据）咬钢时控制主电机转速，实现“雪橇”控制（基础自动化系统实现）1.5中厚板工程介绍-首钢3340mm

时间：1998年，99年10月12－21日，中修10日，恢复生产项目：首钢中板厂3340mm精轧机液压AGC的改造项目

技术特点：投资较少，多项专有技术，产品精度达到国内领先水平成果：2001年中国冶金科学技术二等奖和2002年北京市科技进步二等奖1.5中厚板工程介绍-首钢3500mm时间：2000年，2001年，2002年10月10日－2003年1月14日，98天项目：首钢3500mm中厚板四辊精轧机液压AGC及控轧、控冷自动化控制系统

国家十五攻关项目：首钢3500mm中厚板轧机核心轧制技术和关键设备研制背景：当时国内共有27套中厚板轧机，除酒泉钢厂一套为全部引进外，其余26套大多是60～70年代的水平；装备水平低：轧制力小，无法实现控制轧制；无轧后冷却系统，无法实现控制冷却；自动化程度低：不能实现全过程控制；产品质量差：无论从产品的尺寸公差还是品种质量，均远远不能满足国民经济发展的需要；通过引进、消化、吸收、改造，已经积累了相当的技术和经验；国家从行业的全局出发，从具备的条件和国家发展需要出发，决定支持中厚板轧机核心轧制技术和关键设备研制的国产化1.5中厚板工程介绍-首钢3500mm首钢3500装备的中国之最液压缸：直径1450mm压下速度29mm/s牌坊单侧重325吨高度：13.320m7000kW×2交流调速轧制力：70400kN轧机刚度：10700kN/mm最完备的控制冷却系统1.5中厚板工程介绍-首钢3500mm2004年冶金科学技术奖一等奖

2005年国家科技进步奖二等奖1.5中厚板工程介绍-唐钢3500mm轧机1.5中厚板工程介绍南钢中板技术改造工程2500四辊精轧机液压AGC及控轧、控冷自动化控制系统，2001营口中板厂技术改造工程四辊精轧机液压AGC系统，2002河北文丰3000mm中厚板精轧机液压AGC和轧后冷却控制系统，2004河北普阳钢铁有限公司3500mm中厚板轧钢工程HAGC系统，2006邯郸钢铁股份有限公司3500mm中厚板工程HAGC控制系统，2006唐山中厚板材有限公司3500mm中厚板轧钢生产线自动化控制系统，2006河北敬业集团3000mm中厚板轧线自动化控制系统，2007福建三钢3000mm中板轧钢工程自动化控制系统，2007江阴长达2800mm中板轧机HAGC控制系统，2007重钢集团环保搬迁4100mm宽厚板工程AGC、AWC、过程自动化系统，2007武钢热轧总厂中厚轧板分厂技术改造工程主轧线自动化系统，2010首秦4300mm中厚板轧机二级模型控制技术开发，2012福建三钢3000mm中板平面形状控制和自动化系统技术开发，2013唐山中厚板双机架AGC系统及平面形状开发，20151.5中厚板工程介绍-控制系统分级计算机技术和网络技术的发展，使自动化控制系统规模更大、应用更广；包括控制自动化和管理自动化；一般分为4级，目前尚无绝对的一定的分级标准，根据行业不同、企业规模不同以及管理者的管理理念不同，系统分级并不统一。分级控制特点4—企业资源计划（ERP）3—制造执行系统（MES）2—过程控制级（PCS）1—基础自动化级（BA）0—检测驱动级1.5中厚板工程介绍-控制系统分级具体内容4ERP全称E