автореферат диссертации по металлургии, 05.16.05, диссертация на тему:Прогнозирование магнитных свойств при производстве проката изотропной электротехнической стали

РГ5 ОН

1 а ¡¡риЦ ЛИПЕЦКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

на правах рукописи

САМОРДИН Павел Васильевич

Прогнозирование магнитных свойств при производстве проката изотропной электротехнической стали

Специальность : 05.16.05 - " Обработка металлов давлением "

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Липецк, 1993

Работа выполнена в Липецком политехническом институте Научный руководитель - доктор физико - математических

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор Пименов А. <!>. - кандидат технических наук, доцент Мухин Ю. А.

Ведущее предприятие - Череповецкий металлургический

Зашита диссертации состоится 29 июня 1993 года в 10 часов на заседании специализированного совета К 0С4. 22. 01 в Липецком политехническом институте ( 398055, г. Липецк, ул. Московская,30 ).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Липецкого политехнического института.

Автореферат разослан 27 мая 1993 года. Ученый секретарь —'

наук, профессор Блюмин (1. Л.

комбинат.

с

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. Изотропная электротехническая сталь ( ИЭС ) является основным материалом для электромашиностроения. Основными характеристиками этой стали являются магнитные свойства, т.е. удельные ваттные потери и магнитная индукция.

При резком увеличении цен на сырье, энергоносители, а в конечном итоге, на сталь и электрические машины, особое значение и актуальность приобретают управление качеством при производстве динамной стали и обеспечение выхода высших марок стали.

ЦЕЛЬ И ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ. Целью данной диссертационной работы является повышение качества ИЭС за счет оптимизации технологических режимов при производстве проката на основе разработки и внедрения системы прогнозирования магнитных свойств.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

1. Разработка методики применения нового математико-статистического аппарата на основе методов рандомизированной обработки данных для оценки и обработки массивов информации различных технологических процессов производства динамной стали.

2. Исследование влияния на магнитные свойства изотропной электротехнической стали химического состава, технологических факторов производства, создание математических моделей их зависимости и проверка адекватности реальным производственным условиям.

3. Построение комплексной системы прогнозирования для получения ИЭС с требуемыми магнитными свойствами.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА ВЫНОСИМЫХ НА ЗАВДТУ ИССЛЕДОВАНИЙ И РАЗРАБОТОК. На основе методов рандомизированной обработки данных разработаны принципы и методика оценки и обработки информации, получаемой в условиях реального технологического процесса. Данные разработки впервые использованы при построении математических моделей технологических зависимостей в черной металлургии.

Установлены границы и степень влияния на магнитные свойства ИЭС химического состава и режимов технологии производства. Построенные по данным исследований математические модели показали адекватность результатов реальному технологическому процессу.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ. На основе диссертационной работы создана система прогнозирования магнитных свойств изотропной электротехнической стали в специализированном цехе холодной прокатки динамной стали ( ЛПЦ - 5 ) НЛМК.

Система позволяет:

- исходя из химического состава и параметров горячей прокатки определять потенциальные магнитные свойства проката и делать вывод о пригодности данной плавки для назначения на требуемую конечную марку;

- корректировать режимы обработки подката для получения требуемой конечной марки, т.е. заданных магнитных свойств проката;

- проводить системный анализ технологии производства с применением вычислительной техники.

Принцип системы прогнозирования, математический аппарат, использованный при ее создании, могут быть использованы при создании систем качества и в других производствах.

РЕАЛИЗАЦИЯ РАБОТЫ. Основные результаты диссертации использованы при разработке изменений к ТИ 106-СТ.КК1-05-88

Производство изотропной электротехнической стали (Технологическая инструкция) и к ТИ 106- ПГЛ.3-01-86 Производство листовой стали в листопрокатном цехе N3 ( Технологическая инструкция ).

Создана система анализа технологии и прогнозирования качества продукции на базе ПЭВМ в лаборатории изотропной стали НТЦ ЭС НЛМК.

АППРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Материалы диссертации доложены на Всесоюзной научно - технической конференции молодых ученых, инженеров и рабочих " Создание и освоение экологически чистых, ресурсосберегающих технологий в черной металлургии " ( май 1991 г. Донецк ) и межреспубликанской научно - технической конференции " Прогрессивные методы получения конструкционных материалов и покрытий, повышающих долговечность деталей машин" ( август 1992 г. Волгоград ).

ПУБЛИКАЦИИ. Материалы диссертации опубликованы в 5 печатных трудах.

0Б"ЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 75 наименований и 2 приложений. Диссертация изложена на 173 страницах машинописного текста, иллюстрируется 65 рисунками и 10 таблицами.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Анализ производства изотропной электротехнической стали в отечественной и зарубежной практике и постановка задач исследования

Анализ, особенностей производства ИЭС , выполненный по открытым отечественным и зарубежным публикациям, патентам, авторским свидетельствам показал, что формирование магнит-

ных свойств происходит на всех этапах технологического процесса: выплавке, горячей прокатке, термической обработке горячекатаного подката, холодной прокатке, термической обработке холоднокатаной стали. В то же время выявлено, что комплексно, в единой взаимосвязи эти процессы достаточно полно не освещаются, отсутствует обоснование моделей прогнозирования и оптимизации качественных показателей в ходе процесса производства проката ИЭС.

При изучении действующего технологического процесса производства динамной стали на НЛМК выявлено, что магнитная индукция является устойчивой величиной и обеспечивается в основном исполняемой технологической схемой производства. В противоположность ей уровень удельных ваттных потерь не является стабильной величиной и обеспечивается применяемой технологией не в полной мере. Это вызвало необходимость дополнительного более полного исследования с целью дальнейшего снижения удельных потерь в ИЭС.

С учетом вышеизложенного при разработке системы прогнозирования магнитных свойств и системного анализа технологии производства проката ИЭС необходимо было решить следующие задачи:

- разработать методику проведения исследований и обработки их результатов и реализовать математико - статистический аппарат анализа и оценки исходной информации для построения системы прогнозирования магнитных свойств ИЭС, адекватной реальным производственным условиям;

- выявить границы влияния химического состава и основных технологических факторов обработки ИЭС на уровень магнитных свойств;

- построить математико - статистические модели зависимостей магнитных свойств от химического состава и основных

технологических факторов обработки металла и провести проверку их адекватности реальным производственным условиям;

- определить корректирующие воздействия на технологические факторы для получения ИЭС с заданными магнитными свойствами;

- разработать и внедрить комплексный пакет программ системы прогнозирования магнитных свойств динамной стали и методику его практического применения с учетом возможности разработки новых перспективных технологических решений.

2. Методика проведения исследований

Разработка информационного обеспечения

С учетом того, что создаваемая система прогнозирования магнитных свойств ИЗС создана как дополнение к действующей системе слежения за металлом и управления производством листопрокатного цеха N5 НЛМК, определены реальные погрешности показаний измерительной цепочки " датчик - концентратор ввода/вывода ЭВМ " и предложены конкретные меры для снижения погрешности информации, используемой при построении моделей зависимости магнитных свойств динамной стали от основных технологических факторов.

Одним из предложений явилась созданная и внедренная подсистема контроля измерения толщины полосы на выходе стана 1400 холодной прокатки, обеспечивающая стабильную работу толщиномеров и передачу реальной информации.

При разработке системы прогнозирования создана база данных химического состава, основной технологической информации и результатов лабораторных анализов готовой продукции, которая в дальнейшем используется как при проведении работ, связанных с анализом текущего производства, так и

- 8 -

при прогнозировании магнитных свойств ИЭС.

С целью более полного изучения влияния химического состава и основных технологических факторов исследована выборка об"емом 4200 партий металла ИЭС.

Разработка математико - статистического обеспечения

Построение качественных математических моделей крайне затруднено ввиду многообразия и сложности взаимосвязей, а также в силу того, что сбор данных осуществляется в течение реального технологического процесса, не являющегося стационарным и тем более эргодическим. Повторение технологических актов в идентичных условиях крайне затрудено, дорого, а подчас и просто невозможно, что не позволяет применить для повышения точности моделей процедуры рандомизации на стадии получения данных. Серьезна проблема мультиколлинеарности исходных данных.

В связи с этим в работе использованы процедуры рандомизации на стадии обработки данных - статистические методы " бутстреп " ( МБП ), алгоритм реализации которого приведен на рис. 1 и " складной нож " ( МСН ). Соответствующее представление алгоритма реализации МСН приводится в диссертации.

С точки зрения моделирования технологических зависимостей предложено многократно подвергать обработке методом наименьших квадратов ( МНК ) искусственные выборки,машинно -- сформированные по одной реальной выборке тем или иным способом : МБП - тиражирование при помощи генератора случайных чисел, МСН - выкалывание одной или нескольких точек.

Для ослабления отрицательного влияния на качество моделей мультиколлинеарности при реализации метода наимень-

ших квадратов использован алгоритм Холецкого, на который мультиколлинеарность' практически не влияет.

1. Исходная выборка V - •{ х(и)т, у (и); и = 1.....N >

об"ема N .

МНК - оценка коэффициентов регрессии О

2. М сгенерированных на основе V выборок Ут , т - 1 ..... М , каждая об"ема N .

МНК - оценка коэффициентов регрессии

С* т . т - 1,...,М .

3. МБП - оценка коэффициентов регрессии

1 м

0* ---- 2 0*т

М т-1

• 4. МБП - оценка ковариационной матрицы оценки о* 1 м

СВ - -----Е ( 0т* - 0х ) ( Вт* - 3* )Т

М-1 т-1

Рис. 1. Алгоритм реализации метода " бутстреп "

В диссертационной работе разработана методика применения МНК, МБП и МСН для построения технологических зависимостей при производстве проката динамной стали с приведением результатов, полученных при применении данных методов. Разработана последовательность и порядок практического применения реализованного математического аппарата системы

- 10 -прогнозирования магнитных свойств ИЭС, осуществления проверки качества полученных моделей.

Для изучения влияния параметров, изменяющихся в узких пределах и поэтому имеющих низкое значение коэффициента корреляции, получены уравнения парных зависимостей магнитных свойств от исследуемых факторов и построены поверхности отклика.

3. Исследование влияния химического состава изотропной электротехнической стали на уровень магнитных свойств

Для проведения исследований построена с использованием метода " бутстреп " и проанализирована матрица корреляции . Определен перечень элементов химического состава, имеющих наиболыцую тесноту связи с уровнем удельных потерь: алюминий (-0,279), углерод готовой стали (-0,265), сера(+0,236).

Для более полного изучения влияния элементов химического состава на уровень магнитных свойств построены уравнения парных зависимостей и их поверхности отклика.

На основе анализа поверхностей отклика определены тенденции изменения химического состава ИЭС для получения требуемого уровня удельных ваттных потерь и выданы рекомендации^ в частности: снижение потерь возможно при уменьшении концентрации марганца менее 0,19%, при содержании кремния более 2,8%( рис. 2 ); снижение удельных потерь достигается при увеличении содержания алюминия выше 0,45%;

Построено МБП-уравнение ( М - 250 ) связи удельных ваттных потерь с химическим составом для динамной стали IV группы легирования:

Р1.5/50 - 2.83346 - 10.26717 * Ск + 15.06949 * N + ( 1 ) - 24.39492 * 3 - 0.44465 * А1 - 0.49496 а * Си + 1.26039 * Сг + 8.55088 * Т1,

где: Ск,М,5,А1,Си,Сг,Т1 - содержание элементов в стали, в весовых процентах ( вес X),

Коэффициент множественной корреляции 0.891, остаточная дисперсия 0.0099.

Результаты исследования влияния химического состава ИЭС на уровень ее магнитных свойств внесены в технологическую карту выплавки динамной стали IV группы легирования на НЛМК.

Нп

Рис. 2 . Влияние массовой доли кремния и марганца

4. Исследование влияния основных технологических факторов на магнитные свойства ИЭС

Для проведения исследования влияния основных технологических факторов обработки ИЭС на уровень магнитных свойств построена с использованием метода " бутстреп " и проанализирована матрица корреляции основных технологических параметров и уровня удельных ваттных потерь. Определены параметры, оказывающие наибольшее влияние на уровень удельных потерь: температура конца прокатки ( +0,377 ), температура нормализации ( -0,430 ),толщина горячекатаного подката ( -0,896 ).

Построенные уравнения парных зависимостей позволили л более глубоко изучить влияние технологических факторов на уровень магнитных свойств готовой ИЭС. Установлено, что снижение температуры конца прокатки дает возможность снизить уровень потерь в готовой стали, при этом температура смотки в рабочем интервале 620 - 640 °С не оказывает влияния ( рис. 3 ); с ростом температуры в камере нагрева печи усиливается отрицательное влияние повышения температуры нормализации на уровень удельных потерь( рис. 4 ); при повышении толщины подката в исследованном диапазоне 1,9 - 2,5 мм уровень удельных потерь снижается, что дает возможность увеличить толщину используемого подката.

Полученные выводы использованы при построении уравнения влияния на уровень магнитных свойств факторов горячей прокатки и нормализации ( МБП - уравнение ( М - 250 )):

Р1.5/50 - 2.67765 + 0.00095 * Ткп - 0.00031 * Тн - ( 2 ) - 0.00011 * Нп,

III

Рис. 3. Влияние температуры конца

прокатки и температуры смотки

к

800.00 820.00 840.00 860.00 880.00 900.00 920.00 940.00

Рис. 4. Влияние температуры в зоне нагрева и температуры нормализации

- 14 -

где: Ткп - температура конца прокатки, °С, Тн - температура нормализации, °С, Нп - толщина подката, мкм, коэффициент множественной корреляции 0.892,' остаточная дисперсия 0.00762.

Проведенные металлографические исследования влияния нормализации на текстуру горячекатаного подката и готовой стали показали, что при повышении температуры нормализации наблюдается рост плотности компоненты текстуры ( 310 ) при снижении ( 321 ) и ( 111 ). Изменение плотности компонент в зависимости от температуры нормализации приведены в таблице.

Таким образом, имеется возможность за счет параметров нормализации изменять в широких пределах набор текстурных компонент, которые оказывают влияние на уровень магнитных свойств ИЭС.

Изучение влияния ( режимов холодной прокатки позволило установить, что снижение величины обжатия на 5% приводит к росту диаметра зерна на 5 - 10 мкм; кроме того, снижение обжатия с 40 - 42% до 34 - 35% приводит к уменьшению компоненты ( 111 ) и увеличению компоненты ( 110 ), что положительно сказывается на магнитных свойствах стали. Также была определена оптимальная величина обжатия в первой клети стана 1400, составляющая для поката стали 2,2 - 2,5 мм 34 - 37%.

Изучение влияния совмещенного обезуглероживающе - рек-ристаллизационного отжига , являющегося важнейшим переделом в процессе формирования магнитных свойств ИЭС, позволило получить уравнение влияния факторов термической обработки на уровень удельных ваттных потерь ( МСН - уравнение ):

Р1.5/50 - 3.54528 - 0.00021 * S1 а Тн + 0.00961 * ( 3 ) * Ti * Тн + 0.00032 * Мп * Тз4 - 0.00071 а

- 15 -

* AI * Тз9 + 0.00877 * AI * H20 - 0.34296 *

* Ck * V7,

где: Sl.Ti,Mn,Al,Ск - содержание элементов химического состава, вес

Тн - температура нормализации, °С, Тз4 - температура зоны 4 печи AHO и ЭП, °С, Тз9 - температура зоны 9 печи AHO и ЭП, °С, Н20 - содержание влаги в зоне 3 печи AHO и ЭП, V7 - скорость транспортировки полосы AHO и ЭП, м/мин; коэффициент корреляции 0,856, остаточная дисперсия 0,0007.

Таблица .

Плотность компонент в зависимости от температуры нормализации

1 |Темп. 1 1 Компонента, 1 ее плотность, % 1

|норм., 1 поверхность / средний слой

1 с 1

1 К 100) 1 ( 110 ) 1 К Hl ) 1 1( 112 ) 1 ( 310 ) 1 1 1( 321 ) |

I г/к 1 [2,1 51,6 1 7,4 1 1 14,9 6,4 1 17,6 |

|5б,5 0,27 1 18,0 1 24,5 0,33 1 0,5 |

| 800 1 2,5 48,6 1 7,4 I 10,4 5,4 1 25,7 |

114,5 3,5 1 57,0 1 14,5 7,5 1 3,0 |

I 900 1 5,3 41,0 1 9,9 1 15,1 10,4 1 18,4 |

115,8 8,4 1 48,4 1 12,6 10,6 1 4,2 |

I 950 1 3,8 41,1 1 8,0 1 14,2 16,4 1 16,6 |

1 |50,9 | 0,6 1 16,8 1 1 24,7 | 2,4 1 4,5 | I 1

На основе полученных результатов разработана и внедрена технологическая карта прокатки металла марки 0402 на стане 2000 ЛПЦ - 3 НЛМК.

5. Система прогнозирования магнитных свойств изотропной электротехнической стали

Принцип работы системы прогнозирования заключается в математических расчетах на ЭВМ технологических параметров обработки конкретного металла по его химическому составу и передаче результатов через информационные каналы действующей системы слежения пользователям для принятия управляющих решений.

Большую роль приобретает система в работе с наличным металлом с учетом заказов, задании конкретных режимов работы всех агрегатов.

Последовательность использования системы :

- значения параметров химического состава поступившего в цех металла задаются в блок определения потенциальных возможностей плавки ( уравнение( 1 )), в зависимости от результатов расчета определяется возможная марка назначения;

- значения параметров горячей прокатки и возможных режимов нормализации задаются в блок учета параметров горячей прокатки и нормализации ( уравнение ( 2 )), в зависимости от результата расчета делается вывод о пригодности данной плавки для назначения на требуемую марку;

- по результатам работы блока расчета технологических параметров обработки металла ( уравнение С' 3 )) определяются режимы обработки металла на технологических агрегатах;

- проводится проверка соответствия расчетного значения удельных ваттных потерь расчетному значению магнитной ин-

дукции.

Данная система может применяться и при отклонении от заданного режимов обработки на предыдущем по технологической цепочке агрегате. В этом случае коррекция последующих переделов проводится с учетом возможностей технологического оборудования и химического состава данной плавки, для чего разработаны корректирующие воздействия. При невозможности корректировки режимов полученные данные используются для переназначения марки готового проката.

В случае достижения максимально возможной величины одного из корректирующих факторов, дальнейшее управление осуществляется следующим. Определен перечень "предпочтительных" для коррекции технологических параметров.

При проведении исследовательских работ, связанных с совершенствованием технологии производства ИЭС, система используется совместно с результатами активных экспериментов.

Работа системы проверена путем проведения активного эксперимента на тридцати пяти рулонах металла от плавок четвертой группы легирования, разделенных на пять групп для получения металла с наиболее одинаковым химическим составом. Результаты работы системы прогнозирования при экспериментальной проверке подтвердили ее работоспособность и адекватность реальному технологическому процессу.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. На основе методов рандомизированной обработки данных реализован новый подход к обработке и оценке массивов информации при построении различных технологических зависимостей производства ИЭС.

2. Разработан и программно реализован математике -

статистический аппарат для моделирования технологических зависимостей производства проката ИЭС на основе методов рандомизированной обработки данных.

3. Исследовано влияние химического состава металла на магнитные свойства ИЭС. Определены математические модели этих зависимостей.

4. Исследовано влияние режимов горячей и холодной прокатки, нормализации и конечного отжига на уровень магнитных свойств ИЭС II - IV групп легирования. Определены математические модели этих зависимостей.

5. Проведена проверка адекватности созданных уравнений влияния химического состава и технологических факторов на магнитные свойства реальному технологическому процессу производства проката ИЭС.

6. Разработана и внедрена локальная подсистема контроля достоверности технологической информации, создана база данных для контроля выполнения технологии производства проката ИЭС и системы прогнозирования.

7. Создана и внедрена система прогнозирования магнитных свойств при производстве проката ИЭС в ЛПЦ - 5 на НЛМК.

8. Использование разработок диссертации на НЛМК позволило оптимизировать технологию производства высоколегирова-ной ИЭС, в частности, увеличить выход высшей марки 2413 в июне 1992 г. на 10в июле - на 30,5%. Внедрение в 1990 году подсистемы контроля и измерения толщины полосы на стане 1400 дало годовой экономический эффект 45 тыс. руб.( в ценах 1990 года ).

Основные результаты диссертации опубликованы в работах: 1.Самордин П.В. Пути устранения основных причин прокатки металла вне допустимых толщин на стане 1400 ЛПЦ - 5 НЛМК// Тезисы докладов Всесоюзной научно - технической конференции

молодых ученых, инженеров и рабочих " Создание и освоение экологически чистых, ресурсосберегающих технологий в черной металлургии ",-ДонНШЧермет, Донецк, 22 - 24 мая,1991 г.-С. 54.

2. Блюмин С.Л., Самордин П.В. Прогнозирование конечных свойств конструкционных и электротехнических сталей с помощью нетрадиционных статистических методов// Тезисы докладов межреспубликанской научно - технической конференции

" Прогрессивные методы получения конструкционных материалов и покрытий, повышающих долговечность деталей машин"- Волгоградский политехнический институт. Волгоградский дом науки и техники, Волгоград,26 -28 августа 1992г. - С. 163.

3. Блюмин.С.Л., Самордин П.В. Рандомизация процедур обработки данных при моделировании технологических зависимостей

//Известия вузов. Черная металлургия. - 1992. - N8.- С. 1-4

I

4. Блюмин С.Л., Самордин П.В. Опыт бутстреп - моделирования при построении зависимостей в черной металлургии. // Заводская лаборатория.-1993.- N 3.- С. 40 - 44.

5. Блюмин С.Л., Самордин П.В. Сравнение применимости традиционного метода наименьших квадратов и метода складного ножа к моделированию технологических зависимостей // Известия вузов. Черная металлургия. 1993. - N5. С. 73-76.

Подписано к печати 20.05.93г. Объем In.л. Тип.115. Зак 35215 Типография НЛЩ