冶金工業(yè)軋制工藝的自動化技術(shù)發(fā)展研究

李小明

（南京鋼鐵股份有限公司特鋼事業(yè)部，江蘇 南京 210035）

中國冶金工業(yè)經(jīng)過多年發(fā)展處于艱難轉(zhuǎn)型期，軋制生產(chǎn)是成品材加工的主要工序，對提高產(chǎn)品質(zhì)量，合理使用資源十分重要。第4 次工業(yè)革命到來為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)帶來新的發(fā)展契機，軋制自動化技術(shù)在提升企業(yè)核心競爭力中起到至關(guān)重要的作用。文章對現(xiàn)代冶金工業(yè)軋制自動化相關(guān)主要技術(shù)未來發(fā)展趨勢做出展望。

1 冶金工業(yè)軋制工藝自動化技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

傳統(tǒng)意義的軋制自動化系統(tǒng)為典型由基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)，過程自動化與生產(chǎn)自動化系統(tǒng)組成的三級結(jié)構(gòu)。隨著軋制工藝進步，軋制自動化技術(shù)內(nèi)容有了擴展，向后可以外延到以生產(chǎn)管控為核心的制造執(zhí)行系統(tǒng)，向前包含以電氣與液壓傳動為代表的設(shè)備執(zhí)行系統(tǒng)。

1.1 設(shè)備執(zhí)行系統(tǒng)

軋制中的設(shè)備執(zhí)行系統(tǒng)主要包括各類電動機與開關(guān)等，自動化控制關(guān)鍵設(shè)備主要為軋制機的主傳動電動機控制。軋制主傳動系統(tǒng)要求電流和速度響應(yīng)快，轉(zhuǎn)矩脈動低。過去很長一段時間內(nèi)以直流傳動為主，直流電動機固有缺陷制約了軋機主傳動箱高速化方向發(fā)展。隨著矢量控制等先進控制算法出現(xiàn)，交流變頻調(diào)速系統(tǒng)取代直流調(diào)速系統(tǒng)［1］。

交交變頻容易實現(xiàn)電動運行，正反轉(zhuǎn)，具有轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點，目前國內(nèi)已在低速的大功率軋制傳動中得到成熟應(yīng)用。交交變頻系統(tǒng)具有調(diào)速范圍窄等缺點。交直交交變頻調(diào)速能克服以上缺點，但交直交型軋機主傳動技術(shù)目前基本被國外幾家公司壟斷。2013 年，國內(nèi)首次將交直交變頻技術(shù)應(yīng)用于超寬幅鋁合金板帶熱連軋生產(chǎn)線，對促進技術(shù)進步產(chǎn)生重要影響。

1.2 基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)

軋制中的基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)采用高性能控制器等對軋機進行直接控制，承擔(dān)各種生產(chǎn)工藝參數(shù)的計量檢測任務(wù)，控制主要依據(jù)金屬檢測器，測力儀，測厚儀等檢測儀表，通常配置人機接口系統(tǒng)。L1 級通關(guān)現(xiàn)場總線等多種通信與L0 設(shè)備執(zhí)行級進行數(shù)據(jù)交換。

基礎(chǔ)自動化是設(shè)備與工藝直接銜接的重要部分，生產(chǎn)工藝控制復(fù)雜，基礎(chǔ)自動化復(fù)雜程度越高，如熱軋帶鋼生產(chǎn)中，速度級聯(lián)控制等在L1 級中實現(xiàn)。中冶金企業(yè)中的控制系統(tǒng)基本得到普及，由于L1 級控制直接關(guān)系到設(shè)備執(zhí)行情況，針對技術(shù)升級改造是近年最為頻繁的。中國在系統(tǒng)集成控制上已具備與國外先進技術(shù)抗衡的能力，成套技術(shù)已應(yīng)用于武漢鋼鐵公司1700 等熱軋生產(chǎn)線。目前L1 級使用的高性能控制器等核心硬件依賴進口。

2 冶金工業(yè)軋制工藝自動化關(guān)鍵技術(shù)

軋制中涉及到的自動化設(shè)備系統(tǒng)較多，軋制自動化技術(shù)實施目的是提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本等，包括對自動化系統(tǒng)一次性投資等進行控制，產(chǎn)品質(zhì)量包括表面狀況等方面。

軋制產(chǎn)品外形尺寸控制技術(shù)主要指按產(chǎn)品尺寸設(shè)定值要求進行的動態(tài)調(diào)整技術(shù)，相對成熟的AGC 技術(shù)包括根據(jù)軋機出口測厚儀測出厚度偏差調(diào)節(jié)輥縫，根據(jù)入口測厚儀測得厚度偏差調(diào)節(jié)輥縫，根據(jù)各機架入出口金屬秒流量恒定原理調(diào)節(jié)輥縫等，各種AGC 控制實施效果與模型計算精度，檢測儀表響應(yīng)速度等有密切關(guān)系。

冷軋中速度快，產(chǎn)品精度要求高，不同機架需采用不同的AGC，通常需要加入加減速中慣性補償?shù)裙δ?，以得到理想的控制效果。目前現(xiàn)代冷連軋機組厚度偏差精度可以控制在厚度尺寸的±1%內(nèi)。

3 軋制工藝自動化技術(shù)發(fā)展趨勢

3.1 高端裝備技術(shù)的研發(fā)

中國大型冷熱連軋機，大批先進設(shè)備制造已基本實現(xiàn)國產(chǎn)化。軋制自動化技術(shù)發(fā)展，相關(guān)技術(shù)與大數(shù)據(jù)等信息化概念的融合是重要方向。需重點關(guān)注進口的關(guān)鍵技術(shù)的自主研發(fā)［2］。

冶金軋制領(lǐng)域基本普及了多級自動化功能的檢測系統(tǒng)，但中壓交直角軋機主傳動，或軋制線高端檢測分析儀表，都依賴國外進口，這些設(shè)備的研發(fā)有大量工作需完成。

具有高精度軋制能力的成套裝備技術(shù)成為重要的發(fā)展方向。中國已具備交交變頻主傳動能力，但核心控制器軟硬件依賴進口。整體先進的大功率交直交中壓變頻軋機主傳動系統(tǒng)，國內(nèi)沒有具有市場競爭力的成熟設(shè)備，導(dǎo)致冶金企業(yè)投資成本處于被動狀態(tài)。

中國掌握熱連軋全線計算機控制系統(tǒng)技術(shù)后，企業(yè)建設(shè)同等水平生產(chǎn)線投資成本將縮減原有1/4. 高端技術(shù)不僅會降低使用成本，也是提高中國冶金行業(yè)產(chǎn)業(yè)競爭力的必由之路。

3.2 精準快速化檢測技術(shù)研究

發(fā)展高精度快速化的檢測技術(shù)能降低企業(yè)設(shè)備維修成本，增加產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性。主要包括產(chǎn)品質(zhì)量綜合監(jiān)控，多功能質(zhì)量缺陷檢測技術(shù)等，非線性信號處理方法有望提高設(shè)備故障診斷準確性。

隨著計算機技術(shù)，信號處理技術(shù)的不斷完善，基于Internet 的遠程監(jiān)控技術(shù)，微型智能傳感器，激光與遠紅外測量技術(shù)等新技術(shù)應(yīng)用于設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測。很多國外冶金企業(yè)搭建了融合核心業(yè)務(wù)的信息網(wǎng)，為生產(chǎn)線的高度信息化管理奠定了堅實的基礎(chǔ)，利用先進的檢測技術(shù)可以實現(xiàn)快速化監(jiān)測控制。有利于整合生產(chǎn)線裝備信息。

3 結(jié) 語

中國冶金裝備與自動化技術(shù)研發(fā)起步較晚，缺少核心自主知識產(chǎn)權(quán)，對能耗等統(tǒng)籌優(yōu)化不完善，但目前中國冶金工業(yè)各方面具有雄厚的基礎(chǔ)，得益于國家企業(yè)投入，材料加工國家重點學(xué)科，大型企業(yè)研發(fā)中心等建設(shè)，使相關(guān)軋制生產(chǎn)核心裝備得以快速發(fā)展。

目前受到產(chǎn)能過剩等影響，多數(shù)企業(yè)意識到技術(shù)升級的必要性，面對第四次工業(yè)革命浪潮的契機，實施工業(yè)轉(zhuǎn)型升級專項行動等舉措。為軋制技術(shù)相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展帶來新的機遇。以大數(shù)據(jù)，云計算等為及時的，以模型控制等為主要內(nèi)容的軋制自動化技術(shù)將向信息化方向快速發(fā)展。