热连轧轧制生产线自动控制系统

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1、设备才能实现的试验功能， 集成 为一体， 实现一机多功能， 极大地 提高了试验效率和节约成本， 克 服了国外同类产品随着实验内容 不同， 需要更换不同部件的缺点。 国外的热力模拟实验机只能 实现加热、 拉伸、 压缩等功能， 在 单道次压缩和多道次压缩试验 时， 需要更换机头 （占整体设备 的近一半部件） ， 无法同时实现拉 伸、 压缩等实验功能。MMS 热 力模拟实验机可以在不更换任何 部件的情况下， 就可以进行各项 试验， 可以模拟温度、 应力、 应变、 位移、 力、 扭转角度、 扭矩等参数， 能进行热处理、 拉伸、 单道次压 缩、 多道次压缩、 平面应变压缩、 焊接热模拟、 单道次扭转、

2、多道次 扭转、 静态 CCT、 动态 CCT、 动 态再结晶等多种实验。特别是拉 扭复合、 压扭复合大变形实验是 MMS 系列热力模拟实验机独有 的实验功能， 为材料性能的研究 开辟了新的方法和手段。 试验时， 根据不同类型试验 的需要， 通过液压马达的转动调 整半离合器的移动侧和固定侧的 相对位置， 可以进行不同的试验。 当液压马达顺时针旋转时， 由于 半离合器的啮合作用， 移动侧带 动二轴向左移动， 顺时针旋转到 极限时， 移动侧被左侧的二轴定 位梁挡住， 此时可以做拉伸试验； 当液压马达逆时针旋转时， 由于 半离合器的啮合作用， 移动侧带 动二轴向右移动， 旋转到一定位 置后， 移动侧的

3、挡柱与固定侧的 挡柱接触在一起， 由于固定侧的 位置不能移动， 移动侧不能继续 向右移动， 使移动侧带动着二轴 与固定侧及液压马达共同逆时针 旋转， 此时可以做扭转试验或组 合连续大变形试验。移动侧与固 定侧处于上述两种位置之间的相 对位置时， 可以进行单道次压缩、 多道次压缩、 热处理、 连铸、 焊接、 平面变形等试验。 3.2 精确的温度测量策略保 证了试验温度的测量和控制的准 确性和精确度 发明专利 “一种断电采集温 度的测量采样方式” 针对直接电 阻加热时交变电流会在试样周围 形成交变电磁场以及交流电的频 率变化不规则， 严重影响温度测 量和控制精度等问题， 提出了断 电触发采集和采集

4、时刻重置的温度测量策略， 保证了试验过程中 温度的测量和控制的准确性和精 确度。 由于在直接电阻加热试样 时， 有上万安培的交流电流过试 样， 这样将在试样及其周围空间 形成相当强的电磁场， 这种强磁 场在热电偶回路及测试仪器中产 生的干扰信号非常大， 不能测量 到正确的温度信号。如何实现快 速加热过程的精确温度测量与控 制， 是热力模拟面临的一大难题， 本课题采用一种特殊温度测量策 略后， 顺利解决了该难题。 如图 2 所示， 利用每周期可 控硅导通前约 20相位角的短 暂周期来实现断电采集温度值， 采样周期为 10ms， 在可控硅导通 前， 试样两端的电压值几乎为零， 没有电流流过， 所以

5、磁场的干扰 很小， 这时所测量的温度是试样 的实际温度， 可达到精确测量温 度的目的。 3.3 高精度高响应的控制系 统与应用软件 计算机软件著作权 “MMS 系列热力模拟试验机应用软件” 和 “MMS 系列热力模拟实验机 焊接热循环计算机应用软件” 构 建了高精度、 超快速响应的控制 系统和应用软件。由于采用小试 样进行模拟实验， 变形过程往往 只有 20-50ms， 需要在短暂时间 内精确控制和测量位移、 温度、 应 力等参数， 并保持同步， 对控制系 统要求十分苛刻。采用 BP 神经 网络 PID 控制策略和模糊控制 策略， 保证了 MMS 系列热力模 拟实验机的高精度和快速变形 的准确

6、性； 同时采用试验分类策 略， 简化了界面复杂程度， 使设备 操作简单易行。 MMS 系列热力模拟实验机 的主要性能指标达到或超过国外 先进产品， 项目成果达到了国际 先进水平。实验功能超出国外同 类设备， 部分主要参数超过国外 设备指标。标志着我国在材料热 加工领域应用的物理模拟设备开 发能力和性能指标已达到国际先 进水平， 填补了该领域的国内空 白， 进一步拓宽了材料性能研究 的方法和手段， 为国内企业和研 究院校提供了功能齐全、 质优价 廉的设备， 社会效益巨大， 市场前 景广阔。表 1 是本装备与国外先 进设备的性能比较。热力模拟试验技术与装备MMS模拟试验机研制1 项目背景 热力模拟

7、试验是冶金材料研 究的重要手段， 在新品开发和工 艺优化中起重要作用。钢铁材料 的热力模拟试验是指利用小试 样， 借助热力模拟实验机， 再现钢 铁材料在制备或热加工过程中的 受热或同时受热受力的物理过 程， 充分暴露与揭示钢铁材料在 该过程中的组织和性能变化规 律， 评定或预测材料在制备或热 加工时出现的问题， 为制定合理 的加工工艺以及研制新材料提供 基础数据和技术方案。利用热力 模拟实验机， 其一， 可通过变化材 料的成分开发出具有某种组织特 征和结构特征并且符合要求的力 学性能、 物理性能或具有某种特 殊功能的新材料； 其二， 可通过 改变工艺来开发新材料， 即将发 展新材料与优化工艺技

8、术、 优化 产品结构结合起来， 开发出技术 含量高的高、 新、 精的产品。由于 它既可以节省现场工业试验的大 量费用、 时间和精力， 又可以对所 要求的各种参数进行精确的测量 与控制， 为工业大生产过程积累 必要的参数， 提供指导。热力模 拟技术及热力模拟实验机已广泛 用于钢铁材料热加工过程的研 究， 成为开发新材料， 测定热加工 过程组织演变规律的常用技术与 关键设备。 当前， 在国际上围绕开发具 有高洁净度、 超细晶粒、 高均匀 性、 强韧性、 耐蚀性和经济性的新 一代钢铁材料展开了新一轮竞 争。我国于 1998 年启动了 973 项目 “新一代钢铁材料重大基础 研究” ， 于 2004

9、年开展了 “提高 钢铁质量和使用寿命的冶金学基 础研究” 等以 “新一代钢铁材料 的开发” 为背景的国家重大基础 研究项目， 热力模拟实验机已经 在其中扮演着重要角色。同时， 随着我国从钢铁大国向钢铁强国 跨越， 需要钢铁研究部门和企业 大力开展技术创新， 强化开发研 究手段， 在这过程中热力模拟实 验机必将发挥重要作用。除了传 统的热力模拟试验之外， 为探索获得超细晶粒钢的途径， 还需要 开展一些现有热力模拟实验机不 能完成的新型试验， 如多向复合 剪切大变形细化晶粒试验等。为 此， 需要开展相关的应用基础研 究， 开发新一代热力模拟试验装 置， 促进我国钢铁研究手段的升 级换代。 热力模拟

10、实验机只有美国、 日本等极少数发达国家能够研制 生产， 处于高度垄断状态， 我国一 直无法生产。但是我国是应用热 力模拟技术进行研制工作最活跃 的国家， 国内企业和研究院校对 热力模拟试验机的需求很大， 本 课题就是在这种背景下提出的。 2 MMS 热力模拟试验机介 绍 项目研发始于 2000 年， 历经 10 多年的积累， 先后得到了科技 部、 教育部、 国家自然科学基金等 的大力资助。热力模拟实验机是 一种综合性高技术含量的大型仪 器设备， 它融材料科学、 传热学、 力学、 机械学、 工程检测技术、 自 动控制和计算机领域的知识和技 能为一体， 构成了独特的、 跨学科 的专业领域； 是一个

11、高精度的复 杂系统， 集机、 电、 气、 液于一体。 本项目根据相似理论提出了 利用小试样进行性能及工艺模拟 的方法， 在此方法的基础上， 发明 了独特的机械结构和控制采集策 略， 因为有了这些创新性发明， 从 而解决了热力模拟试验机众多实 验功能一体化、 压扭大变形实验 功能和高精度高响应的控制测量 等实践问题。MMS 系列热力模 拟实验机是一台高精度、 高性能 多功能模拟实验机， 具有多功能 模拟能力和实验能力。可以模拟 温度、 应力、 应变、 位移、 力、 扭转 角度、 扭矩等参数， 能进行多种实 验。具体的实验种类包括： 拉伸 实验； 单道次压缩实验； 平面应 变压缩实验； 多道次压缩

12、实验； 单道次扭转实验； 多道次扭转实 验； 大变形实验 （压扭复合实验） ； 动态 CCT 实验； 动态再结晶实 验； 控轧控冷实验； 应变诱导实 验； 热裂纹敏感性实验 （SICO） ；应力松弛 PTT 实验； 零强温度 (NST) 的测定试验； 零塑性温度 （NDT）的测定实验； 热处理实 验； 静态 CCT 实验； 铸造实验； 静态再结晶实验； 焊接热循环试 验； 焊接热影响区连续冷却转变 试验 （SH-CCT 试验） ； 扩散焊试 验； 电阻对焊试验； 温度应力循 环变化疲劳试验。 目前， 已经具备 MMS-100、 MMS-200 和 MMS-300 三种型 号热力模拟实验机的研发

13、能力， 拥有国家发明专利 6 项， 实用 新型专利 3 项， 计算机软件著 作权 2 项。已生产不同型号的 MMS 系列热力模拟实验机 8 台。 MMS 热力模拟实验机的照片如 图 1 所示。实验设备分别应用于 东北大学、 济南钢铁集团公司、 华 菱湘潭钢铁公司、 包钢、 江西理工 大学等地， 运行情况良好， 在用户 中拥有良好的口碑。于 2009 年 通过了由中国金属学会组织的科 技成果鉴定。该项目 2010 年获 辽宁省科技进步一等奖； 2011 年 获冶金科学技术二等奖。 MMS 系列热力模拟实验机 的成功研制与推广应用， 标志着 我国在材料热加工领域应用的物 理模拟设备开发能力和性能指

14、标 已达到国际先进水平， 填补了该 领域的国内空白， 进一步拓宽了 材料性能研究的方法和手段， 为 国内企业和研究院校提供了功能 齐全、 质优价廉的设备， 社会效益 巨大。同时为研发大型高精尖实 验设备积累了经验。 3 MMS 热力模拟试验机的 创新性成果和主要性能指标 RAL 研发的 MMS 热力模 拟试验机具有以下创新性成果。 3.1 机械结构与实验功能 发明专利 “多功能热力模拟 实验机”和 “一种输出位移和扭 转的机械传动装置”所涉及的 机械结构与独创的传动装置， 使 MMS 热力模拟实验机成为一套 可以同时实现拉伸、 压缩及扭转、 压扭复合大变形等实验的高性 能、 多功能一体化实验装

15、置， 将原 来国外热力模拟实验机需要多台图 1 MMS-200 热力模拟实验机照片经验模型。由于轧线上特别是变 形区内的一些事件和现象尚未得 出完善的理论解释， 比如变形区 内的摩擦条件的变化、 轧辊和轧 件的热量传递机制、 金属在变形 区内的流动规律等； 一些常用假 设与实际情况存在差异， 比如轧 辊压扁后仍为圆形假设、 平面变 形假设； 冷却过程中的水冷机制 的对流区、 核沸腾区、 膜沸腾区、 小液态聚集区推想等； 这些问题 限制了数学模型的计算精度与稳 定性。 层别数据的使用为提高模型 的计算精度和稳定性提供了切入 点， 无论国外主流数学模型还是 国内自主开发的数学模型， 均采 用层别数

16、据机制来构建模型。层 别划分过粗则不利于提高计算精 度， 层别划分过细则提高调试难 度， 降低模型的使用性能。两者 之间需要一种平衡。 东北大学轧制技术及连轧自 动化国家重点实验室在充分了解 热连轧带钢生产工艺、 设备和技 术条件的基础上， 开发了以粗轧 设定模型、 精轧设定模型、 板形设 定和控制模型、 机架间冷却设定 和控制模型、 层流冷却设定和控 制模型为核心的一套热连轧带钢 过程控制数学模型。 从轧制规程、 速度制度、 温度制度等方面， 综合 考虑现场条件， 实现对热轧带钢 产品外形质量和组织性能质量的 全面设定和控制。采用钢族形式 划分层别， 为新产品提供了预留 接口和空间， 即保证设定和控制 精度， 又提高了模型的可用性。 2.1 轧机设定模型 轧机设定模型分为粗轧机组 设定模型和精轧机组设定模型。 其主要功能为设定轧线的压下制 度、 速度制度和温度制度。轧机 设定模型的优劣决定了该轧线产 品质量精度、 生产 效率和流畅性， 是 轧制过程控制模型 的核心。 粗轧过程控制 系统的模型包括轧 件空冷温降模型、 水冷温降模型、 塑 性功温升模型、 轧 件轧辊接触导热