冶金轧制设备技术数字化智能化发展分析

时间：2024-07-28

张俊，付振刚

（广西柳钢中金不锈钢有限公司广西玉林 537000）

0 引言

现代工业的不断发展，钢铁行业的发展在经济发展中占据重要特殊地位。其科技技术水平的高低直接影响工业化的整体发展水平。因此，在钢铁冶金行业中，应将智能化、数字化的制造技术深入融合到日常的生产中，只有技术水平不断提高，才能为产业发展与转型带来新的契机。与此同时，冶金应用设备的专业化、智能化有助于确保其生产的安全与稳定，提高产品的生产质量，在提高冶金设备技术水平的基础上，为整体行业的智能化水平奠定良好的基础。

1 板形自动控制系统与检测技术

轧制自动化的广泛应用，板形自动化控制系统的重要地位日益凸显。其主要功能在于通过调整、优化机架的板形以及板凸度，在轧制条件和各机架前后带钢平直度间形成一定的数学关系。不断调整液压弯辊以及轧辊轴移，提高产品的质量与水平。板带轧机的控制系统主要由过程自动化级以及基础自动化级实现控制作用。其中，过程自动化级主要通过在生产管理级获得钢卷的生产信息，同时实现钢卷预定设计，将设计运算的结果有效的传送给基础自动化级进行优化与控制工作。基础自动级在轧制未稳定前的反馈控制无法投入使用的情况下，由过程控制级的设定值实现控制作用。当轧制过程稳定时，及时引入反馈控制，将其设定值当作初始值。反馈控制能够依据轧制的过程进行不断的调整偏差。一般情况下板形的设定控制作为整体过程控制的重要环节，利用数学模型将其设定为计算的子模型。既能对系统平台实现操作，又能够实现数据的资源共享[1]。

现阶段的板带材的检测技术在传统的无损检测技术的基础上，实现了机器视觉检测。其原理主要是通过图像传感器的方式进行检测与测量工作，主要由采集摄像机、照明部件等工具组成。计算机技术的发展使得以图像传感器为检测手段的视觉检测技术应用广泛。其优势主要在于节省时间，检测范围较广、效率高以及检测误差小等优势，在任何复杂的环境中都能够很好地应对，并能够实现连续的检测任务。其中，激光扫描检测技术是利用光源向受测材料进行激光束的发射，借助采集到的模块对材料产生的信号进行测量后进行合理的计算与处理。该检测技术的主要优势在于检测的灵敏度较高且实用性较强，但由于容易受到外界影响造成维护较为困难。除此之外，板形控制仪结构较为简单、维护方面以及成本造价低廉等优势，其传感器是非传动件，因此安装较为简单方便。同时，传感器与带钢表面能够实现非接触式，因而对带钢表面不易发生划伤等情况，热带钢通常选用的是板形控制仪进行板形的测量工作。但该板形控制仪由于检测信号并非是直接传输信号，因此，对信号处理的技术要求相对较高。

2 板带轧制过程稳健运行控制技术与设备管理维护

为有效对轧机进行监控与管理，可以采用对轧机的电机以及传动部件进行动态特征检测的方式。实际上，轧机状态的监控与轧制工艺在现阶段的结合无法达到工艺施工标准，融合效果较低。智能传感技术、信息处理器在发展与应用过程中逐渐将机械智能化深入到工业生产中。相关工艺、零部件运行以及板带的质量都能以数据参数的方式进行展现。工业生产中的数据参数较为复杂、多变，因而在处理上难度较大，若只依据数据信息技术无法对轧制系统进行有效的判断，所以大数据在进行技术应用中应以变量机理的关系为重点。基于此，明确板带质量、轧机运行两者存在密不可分的关系。两者的特性能够运用在线数据的方式更好地体现出来，分析轧制过程中的多元异构特征，进一步挖掘数据控制技术的应用效果，不断调控板带的质量、设备的维护与运行，是提高板带生产智能化的基础。智能控制技术能够实现轧机系统状态的在线监控，为实现数据与实践的分析与研究，轧机稳健运行机理数据驱动控制技术应运而生。该技术的设计与数据处理方案中包含对生产中轧机工作的状态、相关工艺数据以及生产的产品质量进行了实时的数据采集工作。在完成采集后对轧制的运行状态进行合理的评估，利用现代化的控制技术为轧制过程的稳定提供技术支持，确保其优化控制相对稳定。通过采用相关的设备动力学作为相关的理论数据基础的方式，加之传感器测试技术的应用，能够有效地解决参数变化的难题，并依据原始的数据参数对轧制工艺参数制定相关的控制措施。与此同时，提高对板带质量与稳定的重视程度，确保系统在设计的初期以及策略的控制方面都与板带的生产质量相符。有效融合机理研究与数据技术，从而形成智能化的轧机运行制度，组织搭建相关的在线控制技术平台，利用相关优势，实现钢铁生产技术的优化与升级[2]。

关于轧制设备的管理与维护，首先应制定完整的设备点检工作制度。依据轧制设备的现状，明确点检任务后具体落实到个人。在日产的装配或进行维修的前期，需要对设备表面的杂物进行有效的清除，做好设备的维修与检修工作，明确不同的故障诊断技术方式，及时发现轧制设备的故障，并进行及时处理，防止设备出现无法运转的情况。重视轧制设备的润滑管理，对设备的维护来说，需依据轧制设备的使用指定相应的维修方案。如果冷凝器的冷水进入量不够充足的情况下，油温易产生升高的问题，从而致使轧机的油膜轴承部位因油膜厚度降低，出现磨损问题。因此，需要选择弹性较为良好的流动体动压进行润滑的方式，提高润滑的效果。与此同时，应做好设备故障的周报、月报制度，提高轧制设备管理人员的自觉意识。建立相应的岗位责任机制，加强管理与维修人员的沟通与交流，对轧制设备实现全方位、多角度的检修与维护工作。为保证轧制设备能够平稳运行，需要根据轧制设备的性能等信息，明确具体责任人，做好设备的跟踪调查工作。除此之外，应落实设备的大中修计划，对设备进行定期的技术改造以及检修，为保证设备能够平稳高效的运营，设备管理人员应不断积累实践经验，延长设备的使用寿命。

3 机理数据双驱产品质量诊断理论技术

3.1 板带轧机在线监控和决策数据平台

由于板带生产过程的复杂性，造成在此过程中仍无法全面掌握相关数据参数、感知相关设备信息，对非对称条件下的轧机动态与关键位置的故障形成了一定的阻碍作用。在运行中容易发生关键信息的丢失，进而造成生产管理的松散、混乱，进一步导致产品质量的降低、设备运行稳定性下降等问题。板带轧机在线监控和决策数据平台的应用，能够实现在线测试、数据分析与挖掘、轧机设备状态监控、数据调取等不同功能。在线测试能够对数据采集的环境以及存储位置进行合理的布置，数据分析与挖掘能够有效处理相关的工艺参数、衡量板带的综合质量，并对产生的数据进行合理化的处理。

3.2 机理数据双驱板带产品质量综合管控与工艺参数深度优化

现阶段的板带质量检测多使用的是利用经验控制的方法，获得相关的检测数据。因而弊端较为明显，对板带进行产品质量的诊断时，主观因素的影响、缺乏合理的反馈调节造成整个流程的滞后，由于后期工序流程受到不利影响，进而导致问题不断延续与延伸，影响数据信息的获得，产品质量随之下降。一方面，由于工况、工作流程较为复杂，因而质量缺陷在任意环节都极易发生，且种类各不相同。若要解决上述产品质量诊断问题，采用科学的数据驱动技术制定合理的诊断方案，明确工序、工艺以及产品质量的密切关系，结合相关数据模型的参数意义，对质量的诊断进行深入挖掘。另一方面，做好轧制全过程的产品质量诊断，掌握质量缺陷与质量工艺两者之间的内在关系，深入融合数据技术为提高产品质量水平提供支持与保证。对智能化应用于工业发展的难题与限制条件进行妥善处理，进一步推动行业技术发展，提高整体行业经济效益。优化工艺的数据参数，利用多组工艺参数的数据和相关的误差数据，建立相关模型，利用遗传算法获得最佳数据信息。上述方案在解决复杂计算方式的基础上，进一步提高优化结果的精确程度，有助于实现板带质量的综合管理和控制，从而为工艺相关参数提供理论的支撑[3]。

4 构件疲劳损伤失效理论

4.1 新型应力场强理论

4.1.1 单轴高周疲劳

在疲劳强度和平均正应力的关系中，主要有描述疲劳强度与平均正应力关系的著名经验方法通常有GOODMAN线性关系以及GERBER椭圆关系等，上述方法均含有一定的经验性。在具体工程施工中采用大量数据试验的方式，既耗时耗力，又无相应的理论支撑。对于单轴高周疲劳应力来说，其荷载的主要路径有载单轴拉伸、纯扭转等。

4.1.2 多轴高周疲劳

在疲劳损伤的过程中有相应的能量耗散，该耗散主要有塑性应变能耗散以及其他非弹性应变能耗散两种形式。一般情况下，对已存在的能量耗散，均通过材料进行循环稳定的方式进行应力应变当作能量耗散的标准，再通过和材料的疲劳寿命建立起相关的非线性关系。借助单次的循环弹塑性应变能的密度能够有效获得相关参数。也就是说，应变能法具有一定的物理含义，尽管在损伤参数数据中无法得出较为合理的物理理论解释说明，但仍存在材料塑性的硬化是由一些塑性耗散能所贡献出来的。故此，通过材料循环的稳定状态应力形成的相关耗散能量，并非全部为有效的损耗能。一般来说，损伤耗能会与疲劳损伤形成相互映射的指标。依据相关损伤力学和不可逆的热力学框架，成功运用多轴高周疲劳强度进行合理、科学的预测[4]。

4.2 轧机接触冲击损伤失效动态分析

4.2.1 提高金属冲击力动态分析

作为结构失效形式，冲击破坏具有重要意义。其拥有较为明显的规律特征，例如，当应力应变响应在状态逐渐复杂的条件下、缺口敏感度不断加大以及超出其荷载能力的情况下极易发生脆性的断裂。现阶段，构件在反复的冲击下荷载易失效的行为暂时还未建立起有效、完善的基础理论体系，在板带材料中，轧辊具有重要意义，其作为核心构件，冲击失效行为和构件寿命的合理预估有助于提高轧辊的使用寿命、提高产品质量以及市场竞争能力。因而，通过深入研究与探索金属结构中有裂纹出现时，当遇到冲击效应的动态行为与失效间的关系，有助于获得冲击荷载中的失效机理行为，进一步得到不同条件、不同环境中材料冲击失效后所产生的相关规律，形成金属构件裂纹在反复冲击作用中的动态行为与失效理论。一般来说，裂纹在冲击荷载下的行为是不断扩张的，直到最后发生断裂。通过建立相关的裂纹冲击模型的方式，综合考量其惯性，对金属裂纹产生的动态变化进行详细的求解，形成裂纹在冲击荷载下的动态扩张体系，建立健全冲击复合裂纹失效的制度机制，以不同的角度、不同的方式进行疲劳裂纹规律的试验与演化，深入探讨裂纹动态响应与结构失效间的关系与转化，为在实践中解决冲击裂纹响应的相关机制、实现高强度的可靠设计提供理论依据[5]。

4.2.2 疲劳损伤演化跨尺度分析

在材料的内部以及表面多存在一定的缝隙或裂纹，裂纹在外力等客观因素的作用下不断进行扩张，从而降低了材料与结构力学性能。断裂力学在宏观裂纹出现前无法对其进行有效的判断或分析，也无法对其力学性能作出有效的判断。相较于宏观的裂纹，细微的缺陷无法及时发现并解决，进而引出了相关疲劳损伤理论，通过建立相关计算方式对产品构件的损伤程度进行精准地计算。利用材料的跨尺度分析方式，有助于对构件寿命进行合理、科学的预测。使用相关张量模型的损伤变量得出由于细微结构无法持续变化进而造成结构力学性能的降低。与此同时，细微缺陷的存在，以及取向和分布均与受载力方向有关，因此，材料在损伤程度上是各不相同的。利用疲劳损伤演化的相关模型，能够有效获得相关的疲劳损伤演变计算过程。而微观力学的应用则能够以微观的细节尺度进行材料的推导与研究，其力学模型同样能够实现方程的构建。局部的材料在进行细观组织中容易发生微塑性的变形，而该种变形通常情况下不可逆。当循环应力的最大数值小于最小极限值时，材料容易产生疲劳损坏的现象。反复的疲劳极易造成微塑性的伤害。当宏观的连续介质力学在细观的层面开始分布离散缺陷材料力学行为时，可以有效通过跨尺度的理论进行分析的方式，建立相关的金属疲劳损伤评估机制，见图1。

5 轧制生产污染自动化检测技术

轧制行业过去一直使用传统的手动监控，由于人为和经济原因，不可能对任何类型的污染源进行长期和系统的监测。因此，监测结果往往与污染源的实际情况大相径庭，治理领域的决策已导致相当大的困难。随着自动化技术的进步，各种材料可进行自动化检测，促进了轧制生产环保的发展。例如，当按照传统的监测和管理方法监测污染源时，每个污染源都需要几个人和不同类型的监测仪器来采集样本、进行实验室分析和统计计算，这是一项非常困难的任务。现有的污染源环境保护自动监测系统集成了污染源在线监测，能够自动实时采集、存储和传输在线监测仪器的数据信息，同时分析和处理各种在线监测数据，并对环境进行统计分析。这大大减少了管理人员的日常工作量和强度，避免了未知或不规则流程等人为因素造成的数据偏差和错误，使监控数据更加准确可靠，并对主要污染源进行相关预警，使环保工作者能够及时采取相应措施，显著提高轧制行业环保效果。