羅曉東，王 強(qiáng)， 張麗萍， 蔣月月， 胡 彬

(1. 重慶科技學(xué)院 冶金與材料工程學(xué)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(shí)踐教學(xué)平臺(tái)開發(fā)

羅曉東1，王 強(qiáng)2， 張麗萍1， 蔣月月1， 胡 彬1

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

針對(duì)當(dāng)前材料成形及控制工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)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(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，并針對(duì)性地分為原料準(zhǔn)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(xùn)練5個(gè)模塊，循序漸進(jìn)地深入到板形控制的各個(gè)環(huán)節(jié)，從點(diǎn)到面，有淺入深，有序地完成目前無法實(shí)現(xiàn)的板形控制實(shí)踐教學(xué)。并以板形控制仿真訓(xùn)練中的軋制溫度及熱凸度模擬仿真為例，詳細(xì)分析了建模的過程，并進(jìn)行了仿真訓(xùn)練。通過2015屆學(xué)生的實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)借助于該實(shí)踐教學(xué)平臺(tái), 能夠有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,提高學(xué)生實(shí)際操作能力，為學(xué)生適應(yīng)鋼鐵企業(yè)的復(fù)雜軋制條件和板形控制條件打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

虛擬仿真； 板形控制； 實(shí)踐教學(xué)； 模塊教學(xué)； 案例分析

0 引 言

我校是一所省屬特色鮮明的應(yīng)用型高校,作為具有60多年辦學(xué)歷史的傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)學(xué)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(diǎn)，在實(shí)驗(yàn)室設(shè)備投資上顯得捉襟見肘，因而大部分實(shí)驗(yàn)以演示性為主，很難直觀地展現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)軋制的情景與軋制技術(shù)。而實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量的提高對(duì)于實(shí)現(xiàn)“具有創(chuàng)新精神的應(yīng)用型高級(jí)專門人才”的培養(yǎng)目標(biāo)顯得尤為重要。

近年來虛擬網(wǎng)絡(luò)煉鋼大賽的發(fā)展，學(xué)生通過在虛擬平臺(tái)進(jìn)行原料準(zhǔn)備、工藝設(shè)計(jì)、節(jié)奏控制、成品質(zhì)量檢測(cè)，為學(xué)生應(yīng)用能力的提升提供了一個(gè)很好的實(shí)踐平臺(tái)[4-6]。但該平臺(tái)對(duì)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(xué)生的實(shí)踐能力，加強(qiáng)與現(xiàn)場(chǎng)工藝的融合，在前期調(diào)研分析及學(xué)生實(shí)踐驗(yàn)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(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，通過該平臺(tái)的建設(shè)，完善當(dāng)前的實(shí)踐教學(xué)體系，為板帶鋼的板工藝設(shè)計(jì)及板形控制提供支撐。

1 板形控制實(shí)踐教學(xué)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(xué)大綱設(shè)置時(shí)，為了在專業(yè)教學(xué)環(huán)節(jié)中更好地開展仿真實(shí)踐教學(xué)，對(duì)板帶鋼的內(nèi)容進(jìn)行重點(diǎn)考究編排，《塑性加工力學(xué)》《塑性加工原理》《加熱爐》《軋鋼設(shè)備》《板帶鋼軋制工藝學(xué)》《材料加工CAD/CAE/CAM技術(shù)基礎(chǔ)》《材料成形自動(dòng)化基礎(chǔ)》《連鑄連軋》《控軋控冷》《軋鋼車間設(shè)計(jì)》等作為基礎(chǔ)平臺(tái)課程和專業(yè)課，安排在第5～7學(xué)期。在開設(shè)專業(yè)課時(shí)，借助steel university平臺(tái)和鋼鐵制造國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行成分設(shè)計(jì)、鑄造工藝、加熱工藝、軋制工藝、熱處理及精整工藝的模擬。對(duì)于目前不具備的板形控制工藝部分，為了提高實(shí)踐教學(xué)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(jì)及準(zhǔn)備，通過不同的實(shí)踐項(xiàng)目(開設(shè)項(xiàng)目一覽表如表1所示)逐步提升學(xué)生的操作能力和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力[7]。

2 板形控制實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)的設(shè)計(jì)

板形控制實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)的設(shè)計(jì)宗旨是，針對(duì)企業(yè)的生產(chǎn)特點(diǎn)，加強(qiáng)教師的主導(dǎo)作用，強(qiáng)調(diào)實(shí)踐環(huán)節(jié)，以培養(yǎng)學(xué)生的能力為中心，提高學(xué)生的工程訓(xùn)練水平和實(shí)踐應(yīng)用能力。基于該原則，虛擬仿真平臺(tái)有5個(gè)部分組成。原料準(zhǔn)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(xùn)練。

原料準(zhǔn)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(yù)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(chǎng)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(shí)爐內(nèi)氣疏通暢的燃料計(jì)算及設(shè)計(jì))、加熱時(shí)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(tái)的實(shí)踐項(xiàng)目一覽表

軋制過程控制主要是通過對(duì)軋制過程的分析，參考軋制工藝設(shè)計(jì)的主要指標(biāo)學(xué)習(xí)軋制方法及壓下量的設(shè)計(jì)、軋制速度及速度制度的設(shè)定、軋制時(shí)間和軋制溫度計(jì)算與校核、軋制壓力及軋制力矩計(jì)算、軋制強(qiáng)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(xùn)練讓學(xué)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(shí)認(rèn)識(shí)到板形不良的危害及板形控制對(duì)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(jì)算及模型分析彎輥力、竄輥量、輥型曲線對(duì)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(xùn)練幫助學(xué)生更深刻地認(rèn)識(shí)到板形的主要控制手段及策略。

板形控制仿真訓(xùn)練是結(jié)合板帶鋼軋制的特點(diǎn)，選取現(xiàn)場(chǎng)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?jī)?yōu)化模擬仿真、輥型曲線設(shè)計(jì)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(dá)到實(shí)踐能力提升的目的。

5個(gè)部分循序漸進(jìn)地將學(xué)生引入到現(xiàn)場(chǎng)板形控制的情景中，為學(xué)生營(yíng)造真實(shí)的實(shí)踐氛圍，激發(fā)學(xué)生的想象力和創(chuàng)造力。為學(xué)生掌握板形控制的方法及將來現(xiàn)場(chǎng)軋制策略制定打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3 板形控制實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)教學(xué)案例分析

以板形控制仿真訓(xùn)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(zhǔn)備、軋制過程控制、軋制板形控制基礎(chǔ)模塊的學(xué)習(xí)，讓學(xué)生對(duì)軋制溫度和熱凸度有直觀的認(rèn)識(shí)，然后借助平臺(tái)的板帶鋼軋制模擬仿真軟件，其輸入?yún)?shù)采用某廠真實(shí)數(shù)據(jù)如表2所示[14-15]。

表2 某廠2250熱連軋機(jī)設(shè)備參數(shù)

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的軋制過程，通過對(duì)精軋運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行分析，并通過觀看某2 250熱連軋企業(yè)的現(xiàn)場(chǎng)軋制過程的視頻，讓學(xué)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(shí)現(xiàn)與現(xiàn)場(chǎng)軋制基本一致的工藝參數(shù)和性能特征，在檢查無錯(cuò)的基礎(chǔ)上進(jìn)行運(yùn)行。

圖1 熱連軋帶鋼軋制模型

在運(yùn)行的過程中不斷調(diào)整模型和參數(shù)，同時(shí)進(jìn)行輥型、軋制溫度、壓下量等進(jìn)行不斷校正，盡量按照現(xiàn)場(chǎng)的軋制工藝進(jìn)行模擬仿真，重點(diǎn)對(duì)軋制過程中的溫度和熱凸度進(jìn)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(jìn)行分析和整理如圖2、3所示，通過對(duì)模擬結(jié)果的分析可以得到整個(gè)精軋過程中溫度的分布，為控制軋制控制冷卻提供指導(dǎo)。

圖2 精軋過程中經(jīng)過第一機(jī)架出口時(shí)板坯中心位置的溫度分布

4 結(jié) 語

在整個(gè)虛擬仿真實(shí)踐過程中，我們對(duì)學(xué)生進(jìn)行了抽卷調(diào)查，根據(jù)學(xué)生反饋的結(jié)果顯示學(xué)生的興趣度由原來的12.3%提高到了76.3%，教學(xué)效果良好。同時(shí)根據(jù)鋼鐵企業(yè)調(diào)研反饋結(jié)果顯示，通過該實(shí)踐平臺(tái)的實(shí)踐，學(xué)生對(duì)板形控制的理解更加深入，在2015屆簽約的學(xué)生中有51%的人從事板帶鋼相關(guān)工作，根據(jù)其現(xiàn)場(chǎng)一年的工作情況來看，進(jìn)行過板形控制實(shí)踐的學(xué)生在現(xiàn)場(chǎng)的適應(yīng)能力更強(qiáng)，能夠適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜的軋制條件，大大地提高了企業(yè)對(duì)學(xué)校的認(rèn)可度。在2016屆的畢業(yè)雙選會(huì)中有71.5%的學(xué)生選擇板帶企業(yè)。

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

[1] 朱光俊,楊治立,楊艷華. 校企聯(lián)合應(yīng)用型本科人才培養(yǎng)機(jī)制探析[J]. 職業(yè)與教育，2012(26):39-40.

[2] 陳 靜.地方院校應(yīng)用型本科人才培養(yǎng)模式探究[J].重慶科技學(xué)院學(xué)報(bào)(社會(huì)科學(xué)版)，2011(3):160-162.

[3] 吳婭梅,胡 彬,陽 輝.材料成型及控制工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)的改革探索[J].科技資訊，2011(8):208.

[4] 李 平，毛昌杰，徐 進(jìn). 開展國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)提高高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化水平[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2013,32(11):5-8.

[5] 袁曉麗,萬 新,杜長(zhǎng)坤,等.仿真技術(shù)在冶金工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用[J]. 重慶科技學(xué)院學(xué)報(bào)(社會(huì)科學(xué)版)，2013(3):191-193.

[6] 邵 琰,劉敏超. 虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在應(yīng)用型大學(xué)的搭建及虛擬仿真技術(shù)在化工類課程教學(xué)中的探索性研究[J]. 廣東化工，2015,42(14):243-244.

[7] 羅曉東,尹立孟,王青峽,等. 基于虛擬仿真技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)—以材料成型及控制工程為例[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2016,35(4):5-8.

[8] 陳先霖.新一代高技術(shù)寬帶鋼軋機(jī)的板形控制[J].北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)，1997，19(S1):1-5.

[9] 張 杰. CVC軋機(jī)輥形及板形的研究[D].北京:北京科技大學(xué),1990.

[10] 婁燕雄.輥凸度連續(xù)可調(diào)(CVC)軋機(jī)的軋輥輥面曲線[J].中南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),1995,26(3):357-359.

[11] 郭忠峰.熱連軋帶鋼板形控制與輥形優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].沈陽：東北大學(xué),2008.

[12] A. Seilinger, A. Mayrhofer, A. Kainz. SmartCrown.改善軋機(jī)凸度和平直度控制的新系統(tǒng)[J].中國(guó)冶金, 2003(1): 42-43.

[13] 張 杰,陳先霖,徐耀寰，等.軸向移位變凸度四輥軋機(jī)的輥形設(shè)計(jì)[J].北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)，1994,16(Sl):98-100.

[14] 胡松濤. 太鋼2 250 mm不銹鋼熱連軋生產(chǎn)線的工藝及設(shè)備[J].軋鋼，2006,23(5):33-36.

[15] 郭立君.邯鋼CSP與2 250熱軋廠精軋機(jī)主要設(shè)備比較與分析[J].金屬世界，2011(2):57-59.

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(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心(鋼鐵制造虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，教高司函〔2013〕94號(hào))；2014年重慶市本科高?！叭匦袆?dòng)計(jì)劃”特色專業(yè)群(渝教研〔2014〕7號(hào))；2014重慶科技學(xué)院特色專業(yè)(201402)；2014重慶科技學(xué)院精品資源共享課(201408)；2016重慶科技學(xué)院冶金材料特色學(xué)科群課程建設(shè)項(xiàng)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(xué)和科研工作。

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

TB 31;G 642

A

1006-7167(2017)05-0114-04