基于虛擬仿真技術(shù)的板形控制實踐教學平臺開發(fā)

羅曉東，王 強， 張麗萍， 蔣月月， 胡 彬

(1. 重慶科技學院 冶金與材料工程學院，重慶 401331；2. 中冶賽迪電氣技術(shù)有限公司，重慶 401122)

基于虛擬仿真技術(shù)的板形控制實踐教學平臺開發(fā)

羅曉東1，王 強2， 張麗萍1， 蔣月月1， 胡 彬1

(1. 重慶科技學院 冶金與材料工程學院，重慶 401331；2. 中冶賽迪電氣技術(shù)有限公司，重慶 401122)

針對當前材料成形及控制工程專業(yè)實踐教學環(huán)節(jié)存在的相關(guān)問題，開發(fā)出了基于虛擬仿真技術(shù)的板形控制實踐教學平臺，并針對性地分為原料準備、軋制過程控制、軋制板形控制基礎(chǔ)、軋制板形控制策略和板形控制仿真訓練5個模塊，循序漸進地深入到板形控制的各個環(huán)節(jié)，從點到面，有淺入深，有序地完成目前無法實現(xiàn)的板形控制實踐教學。并以板形控制仿真訓練中的軋制溫度及熱凸度模擬仿真為例，詳細分析了建模的過程，并進行了仿真訓練。通過2015屆學生的實踐，發(fā)現(xiàn)借助于該實踐教學平臺, 能夠有效激發(fā)學生的學習興趣,提高學生實際操作能力，為學生適應鋼鐵企業(yè)的復雜軋制條件和板形控制條件打下了堅實的基礎(chǔ)。

虛擬仿真； 板形控制； 實踐教學； 模塊教學； 案例分析

0 引 言

我校是一所省屬特色鮮明的應用型高校,作為具有60多年辦學歷史的傳統(tǒng)優(yōu)勢學科—材料成形及控制工程專業(yè)，背靠冶金，以軋制為主要發(fā)展方向，面向鋼鐵企業(yè)，培養(yǎng)板型管的專業(yè)技術(shù)人才[1-3]。傳統(tǒng)的軋制方向由于存在設(shè)備重、占地面積廣、投資大、利用率低等缺點，在實驗室設(shè)備投資上顯得捉襟見肘，因而大部分實驗以演示性為主，很難直觀地展現(xiàn)現(xiàn)場軋制的情景與軋制技術(shù)。而實踐教學質(zhì)量的提高對于實現(xiàn)“具有創(chuàng)新精神的應用型高級專門人才”的培養(yǎng)目標顯得尤為重要。

近年來虛擬網(wǎng)絡煉鋼大賽的發(fā)展，學生通過在虛擬平臺進行原料準備、工藝設(shè)計、節(jié)奏控制、成品質(zhì)量檢測，為學生應用能力的提升提供了一個很好的實踐平臺[4-6]。但該平臺對于板帶鋼成品質(zhì)量起決定作用的板形控制卻無能為力，為了更好地提高學生的實踐能力，加強與現(xiàn)場工藝的融合，在前期調(diào)研分析及學生實踐驗證的基礎(chǔ)上，嘗試建立基于虛擬仿真技術(shù)的板形控制實踐教學平臺，通過該平臺的建設(shè)，完善當前的實踐教學體系，為板帶鋼的板工藝設(shè)計及板形控制提供支撐。

1 板形控制實踐教學內(nèi)容

板帶鋼有通用鋼材之稱，可隨意切斷分離、拼湊組合。目前生產(chǎn)出來的鋼鐵制品80%以上為板帶鋼，因此在教學大綱設(shè)置時，為了在專業(yè)教學環(huán)節(jié)中更好地開展仿真實踐教學，對板帶鋼的內(nèi)容進行重點考究編排，《塑性加工力學》《塑性加工原理》《加熱爐》《軋鋼設(shè)備》《板帶鋼軋制工藝學》《材料加工CAD/CAE/CAM技術(shù)基礎(chǔ)》《材料成形自動化基礎(chǔ)》《連鑄連軋》《控軋控冷》《軋鋼車間設(shè)計》等作為基礎(chǔ)平臺課程和專業(yè)課，安排在第5～7學期。在開設(shè)專業(yè)課時，借助steel university平臺和鋼鐵制造國家級虛擬仿真實驗教學中心的仿真實驗平臺進行成分設(shè)計、鑄造工藝、加熱工藝、軋制工藝、熱處理及精整工藝的模擬。對于目前不具備的板形控制工藝部分，為了提高實踐教學效果，考慮到板形控制的工藝和過程，通過不同的階段設(shè)計及準備，通過不同的實踐項目(開設(shè)項目一覽表如表1所示)逐步提升學生的操作能力和實踐經(jīng)驗，提高學生的工程實踐能力[7]。

2 板形控制實踐教學平臺的設(shè)計

板形控制實踐教學平臺的設(shè)計宗旨是，針對企業(yè)的生產(chǎn)特點，加強教師的主導作用，強調(diào)實踐環(huán)節(jié)，以培養(yǎng)學生的能力為中心，提高學生的工程訓練水平和實踐應用能力?；谠撛瓌t，虛擬仿真平臺有5個部分組成。原料準備+ 軋制過程控制+軋制板形控制基礎(chǔ)+軋制板形控制策略+板形控制仿真訓練。

原料準備主要是根據(jù)軋制的要求為軋制備料，而為了滿足軋制溫度條件所具備的加熱工藝要求。主要包括加熱溫度(預熱段、加熱段、均熱段的溫度要求)、加熱速度(滿足加熱溫度的基礎(chǔ)上盡量減小氧化提高加熱效率)、爐壓制度(是組織火焰形狀、調(diào)整溫度場及控制爐內(nèi)氣氛的重要手段，在保證爐子出料端鋼料面壓力為零壓或微正壓，同時爐內(nèi)氣疏通暢的燃料計算及設(shè)計)、加熱時間(受鋼種、鋼料形狀和尺寸、爐內(nèi)布料方式、爐型結(jié)構(gòu)、供熱能力、加熱速度等因素的影響，確定需保證加熱均勻性、減輕鑄錠缺陷，減少氧化和脫碳、防止過熱過燒)等。

表1 板形控制平臺的實踐項目一覽表

軋制過程控制主要是通過對軋制過程的分析，參考軋制工藝設(shè)計的主要指標學習軋制方法及壓下量的設(shè)計、軋制速度及速度制度的設(shè)定、軋制時間和軋制溫度計算與校核、軋制壓力及軋制力矩計算、軋制強度校核，從而為后續(xù)的板形控制提供理論支撐。

軋制板形控制基礎(chǔ)[8-11]主要是通過該環(huán)節(jié)的訓練讓學生知道板形控制的基礎(chǔ)理論，了解板形與橫向厚差的關(guān)系，同時認識到板形不良的危害及板形控制對板帶鋼的重要性，在此基礎(chǔ)上分析影響輥縫形狀的因素：軋輥的熱膨脹、軋輥的磨損、軋輥的彈性壓扁、軋輥的原始輥型。

軋制板形控制策略[12-13]是通過板形控制理論的分析，通過相關(guān)理論計算及模型分析彎輥力、竄輥量、輥型曲線對板形的影響規(guī)律，從而獲得相關(guān)的控制策略。通過該部分的訓練幫助學生更深刻地認識到板形的主要控制手段及策略。

板形控制仿真訓練是結(jié)合板帶鋼軋制的特點，選取現(xiàn)場典型鋼種的軋制工藝，通過軋制溫度及熱凸度模擬仿真、彎輥力優(yōu)化模擬仿真、竄輥量優(yōu)化模擬仿真、輥型曲線設(shè)計及模擬仿真、同寬軋制模擬仿真、板形控制效果分析及調(diào)整來達到實踐能力提升的目的。

5個部分循序漸進地將學生引入到現(xiàn)場板形控制的情景中，為學生營造真實的實踐氛圍，激發(fā)學生的想象力和創(chuàng)造力。為學生掌握板形控制的方法及將來現(xiàn)場軋制策略制定打下堅實的基礎(chǔ)。

3 板形控制實踐教學平臺教學案例分析

以板形控制仿真訓練中的軋制溫度及熱凸度模擬仿真為例，首先通過理論講解，并結(jié)合前期的原料準備、軋制過程控制、軋制板形控制基礎(chǔ)模塊的學習，讓學生對軋制溫度和熱凸度有直觀的認識，然后借助平臺的板帶鋼軋制模擬仿真軟件，其輸入?yún)?shù)采用某廠真實數(shù)據(jù)如表2所示[14-15]。

表2 某廠2250熱連軋機設(shè)備參數(shù)

結(jié)合現(xiàn)場的軋制過程，通過對精軋運動過程進行分析，并通過觀看某2 250熱連軋企業(yè)的現(xiàn)場軋制過程的視頻，讓學生能夠基于有限模擬軟件建立起軋制的模型如圖1所示， 通過定義邊界條件和初始條件，并采用C3D8RT將坯料離散，然后選取材料并建立工藝參數(shù)，從而實現(xiàn)與現(xiàn)場軋制基本一致的工藝參數(shù)和性能特征，在檢查無錯的基礎(chǔ)上進行運行。

圖1 熱連軋帶鋼軋制模型

在運行的過程中不斷調(diào)整模型和參數(shù)，同時進行輥型、軋制溫度、壓下量等進行不斷校正，盡量按照現(xiàn)場的軋制工藝進行模擬仿真，重點對軋制過程中的溫度和熱凸度進行設(shè)置監(jiān)控，最終得到一系列結(jié)果，將精軋過程中溫度結(jié)果進行分析和整理如圖2、3所示，通過對模擬結(jié)果的分析可以得到整個精軋過程中溫度的分布，為控制軋制控制冷卻提供指導。

圖2 精軋過程中經(jīng)過第一機架出口時板坯中心位置的溫度分布

4 結(jié) 語

在整個虛擬仿真實踐過程中，我們對學生進行了抽卷調(diào)查，根據(jù)學生反饋的結(jié)果顯示學生的興趣度由原來的12.3%提高到了76.3%，教學效果良好。同時根據(jù)鋼鐵企業(yè)調(diào)研反饋結(jié)果顯示，通過該實踐平臺的實踐，學生對板形控制的理解更加深入，在2015屆簽約的學生中有51%的人從事板帶鋼相關(guān)工作，根據(jù)其現(xiàn)場一年的工作情況來看，進行過板形控制實踐的學生在現(xiàn)場的適應能力更強，能夠適應現(xiàn)場復雜的軋制條件，大大地提高了企業(yè)對學校的認可度。在2016屆的畢業(yè)雙選會中有71.5%的學生選擇板帶企業(yè)。

總之通過該板形控制實踐平臺的開發(fā)，提高了學生實際操作能力, 為學生積累了豐富的實踐經(jīng)驗, 鍛煉了學生分析解決問題的能力，為學生適應鋼鐵企業(yè)的復雜軋制條件打下了堅實的基礎(chǔ)。

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Development of Flatness Control Practical Teaching Platform Based on Simulation Technology

LUOXiaodong1,WANGQiang2,ZHANGLiping1,JIANGYueyue1，HUBin1

(1. College of Metallurgical and Materials Engineering, Chongqing University of Science and Technology, Chongqing 401331, China; 2. CISDI Electric Technology Co., Ltd., Chongqing 401122, China)

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.

simulation; flatness control; practical teaching; modular teaching; case analysis

2016-06-23

2014年國家級虛擬仿真實驗教學中心(鋼鐵制造虛擬仿真實驗教學中心，教高司函〔2013〕94號)；2014年重慶市本科高?！叭匦袆佑媱潯碧厣珜I(yè)群(渝教研〔2014〕7號)；2014重慶科技學院特色專業(yè)(201402)；2014重慶科技學院精品資源共享課(201408)；2016重慶科技學院冶金材料特色學科群課程建設(shè)項目

羅曉東(1981-)，男，河南許昌人，博士在讀，副教授，主要從事塑性加工相關(guān)教學和科研工作。

Tel.：023-65022425；E-mail：lxd336@163.com

TB 31;G 642

A

1006-7167(2017)05-0114-04