冶金工业轧制工艺的自动化技术发展研究

冶金工业轧制工艺的自动化技术发展研究摘要：阐述冶金工业轧制自动化技术的特点和主要内容，总结轧制自动化关键技术的发展现状，分析相关方面的优势与不足，指出轧制自动化技术的未来发展将会以大数据、物联网、云计算等为基础，向更有效服务于制造装备业的智能化、信息化、绿色化方向发展；除解决传统系统的精度、质量与效率问题以外，在轧制自动化技术发展中应更加注意相关技术与全流程信息化概念的融合，重点关注依然长期依赖进口的关键装备与技术的消化吸收和国产化。关键词：冶金工业；轧制自动化；发展引言中国冶金工业经过多年发展处于艰难转型期，轧制生产是成品材加工的主要工序，对提高产品质量，合理使用资源十分重要。第4次工业革命的到来为传统产业带来新的发展契机，轧制自动化技术在提升企业核心竞争力中起到至关重要的作用。文章对现代冶金工业轧制自动化相关主要技术未来发展趋势做出展望。1冶金工业轧制工艺自动化技术发展现状1.1设备执行系统轧制过程中的设备执行系统主要包括各类电动机、液压缸、电磁铁、阀门和开关和各类传感器等，其中与自动化控制水平密切相关的关键设备主要为水平方向上轧机的主传动电动机控制系统及垂直方向上的液压伺服控制系统。轧机主传动系统是轧制生产的核心装备，其特点是单机容量大（2～20MV·A），要求电流和速度响应快、调速精度高、转矩脉动低、动态速降小。在过去很长一段时间内，由于功率器件和控制手段的限制，这一领域长期以直流传动为主，但直流电动机的固有缺陷限制了轧机主传动向大型化、高速化方向的发展。随着功率半导体器件的更新换代、矢量控制与直接转矩控制等先进控制算法的出现，交流变频调速系统逐步开始取代直流调速系统。应用于轧机的交流调速系统主要有交交变频和交直交变频两类。与直流传动相比，交交变频很容易实现电动运行、再生制动、正反转和电气传动4象限运行，具有转换效率高，无需换流装置等优点，目前国内已在低速、频繁可逆的大功率轧制传动中得到成熟应用，但交交变频系统又有输入侧谐波大、功率因数低、调速范围窄等缺点。而以新型全控功率半导体器件为代表的交直交变频调速系统能够克服上述缺点，逐步成为近些年轧机主传动系统改造的主要方向，但交直交型轧机主传动技术与装备目前基本被国外几家公司所垄断，一次性投资成本较高。2013年10月，国内首次将大功率的高性能交直交变频技术应用在超宽幅的铝合金板带热连轧生产线上，取得了与国际先进技术和装备同样的控制效果，这对于促进该技术的进步及降低企业投资成本将产生重要影响。高速、高精度的液压伺服控制是实现精确轧制质量控制的关键，其闭环控制部分主要在基础自动化系统中实现，对精度要求高的应用场合，主要执行机构的本体设备还依赖进口或合资企业生产。1.2基础自动化系统轧制中的基础自动化系统采用高性能控制器等对轧机进行直接控制，承担各种生产工艺参数的计量检测任务，控制主要依据金属检测器，测力仪，测温、测压、位移、测厚仪等检测仪表，通常配置人机接口系统。L1级通过现场总线等多种通信与L0设备执行级进行数据交换。基础自动化是设备与工艺直接衔接的重要部分，生产工艺控制复杂，基础自动化复杂程度越高，如热轧带钢生产中，速度级联控制等在L1级中实现。中国冶金企业中的控制系统基本得到普及，由于L1级控制直接关系到设备执行情况，针对技术升级改造是近年最为频繁的。中国在系统集成控制上已具备与国外先进技术抗衡的能力，成套技术已应用于武汉钢铁公司1700等热轧生产线。但目前L1级使用的高性能控制器等核心硬件依赖进口。2轧制工艺自动化技术发展趋势2.1高端装备技术的研发中国大型冷热连轧机，大批先进设备制造已基本实现国产化。轧制自动化技术发展，相关技术与大数据等信息化概念的融合是重要方向。需重点关注进口的关键技术的自主研发。冶金轧制领域基本普及了多级自动化功能的检测系统，但中压交直交轧机主传动，或轧制线高端检测分析仪表，都依赖国外进口，这些设备的研发有大量工作需完成。具有高精度轧制能力的成套装备技术成为重要的发展方向。中国已具备交交变频主传动研发制造能力，但核心控制器软硬件仍依赖进口。整体先进的大功率交直交中压变频轧机主传动系统，国内没有具有市场竞争力的成熟设备，导致冶金企业投资成本处于被动状态。中国掌握热连轧全线计算机控制系统技术后，企业建设同等水平生产线投资成本将缩减原有1/4.高端技术不仅会降低使用成本，也是提高中国冶金行业产业竞争力的必由之路。2.2基于物联网的冶金信息化平台建设冶金行业的自动化装备水平正在从数字化向信息化、智能化发展，在其运行中更加强调智能化的作用，包括研发设计、生产制造、经营管理和市场营销的智能化等等。将轧制自动化技术作为一个平台和节点，建立基于物联网的信息化体系，实现生产、检测、控制、管理等众多环节精确、快速的无缝对接，不仅能够为冶金企业提供系统化的数据源，还能为企业管理、系统维护提供更好的服务，而且能在一定程度上改进并提升企业的生产和业务流程。在过程控制方面，物联网化的冶金信息化平台将采用先进传感器、光机电一体化技术和数据处理等技术对冶金工艺流程实施在线连续检测；在生产管理方面，该平台一方面实现纵向信息集成，另一方面整合实时数据和关系数据库，运用数据挖掘，为生产管理控制的决策提供依据；在企业信息化方面，该平台将逐步实现管控一体化，做到实时性能管理。借鉴发达国家对第4次工业革命的预测，车间采用信息化管理系统的最终发展方向是少人甚至是无人化运作模式；先进的物联网、云计算平台可为企业提供全方位的有效信息；智能化的工业机器人将得到广泛应用。可见，发展装备信息综合管理一体化系统和智能控制系统无疑也将成为冶金领域的重要发展方向，可构建具有高价值、高品质、低能耗、低污染综合平台技术，这其中主要包括基于物联网和云计算的冶金生产信息化技术、复杂流程智能化自动控制技术、基于产品全生命周期的质量信息与质量控制技术、基于信息网络技术的智能机器人技术等。2.3大数据支持的控制优化技术大数据技术在促进工业化与信息化融合方面的作用已经在很多领域得到体现，成为带动检测与控制、决策功能进一步发展的重要技术。将云计算、大数据技术应用于传统冶金生产过程的全流程和全生命周期的数据分析挖掘，能够对控制过程优化起到有效支持，也可为进一步提高金属制品的轧制质量及生产效率、降低生产成本及节能降耗、实现绿色制造提供新的思路。结语中国冶金装备与自动化技术研发起步较晚，缺少核心自主知识产权，对能耗等统筹优化不完善，但目前中国冶金工业各方面具有雄厚的基础，大型企业研发中心等建设，使相关轧制生产核心装备得以快速发展。目前受到产能过剩等影响，多数企业意识到技术升级的必要性，面对第四次工业革命浪潮的契机，实施工业转型升级专项行动等举措。为轧制技术相关领域技术发展带来新的机遇。以大数据，云计算等为及时的，以模型控制等为主要内容的轧制自动化技术将向信息化方向快速发展。参考文献：[1]张勇军，何安瑞，郭强.冶金工业轧制自动化主要技术现状与发展方向［J］.冶金自动化，2015，39（3）：1-9.[2]张勇军，郝春辉，张永康，等．国产交直交轧机主传动变频系统开发及应用［C］//第九届中国钢铁年会论文集．北京：中国金属学会，2013．