автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Разработка и моделирование методов анализа и управления технологическими процессами литейного производства в нестандартных ситуациях

УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

(на правах рукописи) УДК 621.742.4 :621.744 ЗЛЫГОСТЕВ Сергей Николаевич

РАЗРАБОТКА И МОДЕЛИРОВАНИЕ МЕТОДОВ АНАЛИЗА И УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ ЛИТЕЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА В НЕСТАНДАРТНЫХ СИТУАЦИЯХ

Специальность 05.16.04 — Литейное производство

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель — кандидат технических наук, доцент ХАЗАН Г.Л.

Екатеринбург, 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ.................................................................................................................5

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ЗЕРНОВОЙ ОСНОВЫ ФОРМОВОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ ЭВМ............................................................10

1.1 Влияние технологических свойств песка на качество отливок..........10

1.2 Генезис песчаников..................................................................................12

1.3 Модели пористого тела формы...............................................................13

1.4 Существующие подходы к определению фракционного

состава формовочных песков..................................................................25

1.5 О гранулометрических характеристиках...............................................26

1.6 Анализ информативности гранулометрических характеристик.........29

1.7 Автоматизация гранулометрического анализа

формовочных песков................................................................................33

1.7.1 Полиномиальные модели..........................................................34

1.7.2 Сплайны и их разновидности....................................................35

1.8 Методы определения характеристик зернового состава по неполному рассеву. Теоретические законы распределения

зерен в песках...........................................................................................40

1.8.1 Гранулометрия песков...............................................................40

1.8.2 Статистическое оценивание параметров распределения......44

1.9 Создание базы данных и ее анализ.........................................................45

1.10 Программное обеспечение для автоматизации ситового анализа.... 49 Выводы по главе 1..........................................................................................51

ГЛАВА 2.НЕЛИНЕЙНОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ОТКЛИКА ПРИ ОБРАБОТКЕ ДАННЫХ МНОГОФАКТОРНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА.............53

2.1 Проблема получения адекватной модели при

обработке экспериментальной информации.........................................53

2.2 Постановка задачи.................................. ..................................................54

2.3 Обзор основных подходов к аппроксимации........................................56

2.3.1 Линейные модели.......................................................................57

2.3.2 Усложнение моделей.................................................................58

2.4 Многофакторная полиномиальная модель............................................58

2.5 Нелинейное преобразование отклика....................................................60

2.6 Степенное преобразование. Поиск параметра преобразования..........62

2.6.1 Методы поиска параметра преобразования............................63

2.7 Метод Ньютона.........................................................................................64

2.7.1 Выбор начального значения и интервала

варьирования показателя степени............................................65

2.7.2 Использование областей комплексных решений...................67

2.8 Некоторые частные случаи......................................................................68

2.8.1 Обработка результатов пассивного эксперимента.................68

2.8.2 Активный эксперимент. Монотонная зависимость...............71

2.8.3 Активный эксперимент. Экстремальная зависимость...........77

2.9 О возможностях реализации метода......................................................79

2.9.1 Область применения и ограничения........................................81

2.9.2 Сравнительный анализ методов

нелинейной аппроксимации......................................................82

2.10 Применение преобразований для обработки технологической информации..............................................................82

2.11 Программное обеспечение....................................................................83

Выводы по главе 2..........................................................................................83

ГЛАВА 3. ПОИСК КОМПРОМИССНЫХ РЕШЕНИЙ ПРИ ШИХТОВКЕ.......86

3.1 Постановка задачи шихтовки..................................................................86

3.2 Современные методы расчета шихты....................................................88

3.2.1 Аналитический метод................................................................90

3.2.2 Графический и графоаналитический методы.........................91

3.2.3 Метод подбора............................................................................92

3.2.4 Метод последовательного корректирования..........................92

3.3 Поиск оптимального состава шихты. Критерии оптимизации...........92

3.3.1 Симплексный метод...................................................................93

3.4 Расчет шихты для выплавки алюминиевого сплава.............................96

3.5 Компромиссы при отсутствии прямого решения.................................99

3.6 Технологические предпосылки компромиссов.....................................103

3.7 Минимизация отклонения от исходных ограничений.........................104

3.7.1 Однофакторный и многофакторный компромисс..................104

3.7.2 Методы минимизации отклонения от

исходных ограничений..............................................................106

3.7.3 Выбор целевой функции............................................................107

3.7.4 Методы нелинейной оптимизации...........................................109

3.7.4.1 Методы нулевого порядка...........................................109

3.7.4.1 Методы первого порядка.............................................109

3.7.4.1 Методы второго порядка.............................................110

3.7.5 Анализ эффективности и применимость

методов минимизации.........................................................................111

3.8 Автоматизация расчета шихты и учета шихтовых материалов..........111

3.9 Особенности шихтовки в литейных цехах............................................114

3.10 Шихтовка песков под заданный зерновой состав...............................117

3.10.1 Метод моментов.......................................................................120

3.10.2 Метод наименьших квадратов................................................122

3.10.3 Критерии выбора метода обработки данных........................124

Выводы по главе 3..........................................................................................124

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..........................................................................................................126

ЛИТЕРАТУРА............................................................................................................128

ПРИЛОЖЕНИЕ..........................................................................................................136

ВВЕДЕНИЕ

Развитие современного литейного производства предполагает детальное изучение формовочных и литейных процессов. Основное внимание уделяется факторам, оказывающим существенное влияние на качество литой продукции. Целенаправленно изучается влияние тех или иных параметров технологического процесса на выход годного литья. Большую часть составляют разработки, ведущие к удешевлению производства отливок, а, следовательно, повышению их конкурентоспособности. В современных экономических условиях снижение себестоимости литых изделий часто сопровождается снижением их качественных показателей. Это происходит вследствие многих причин, основной из которых является снижение качества сырья и обеднение сырьевой базы литейного производства. Необоснованная замена свежих, качественных исходных материалов, будь то формовочный песок или шихтовые материалы для выплавки сплавов, на низкосортные, а также вовлечение в технологический поток большого количества отходов производства может стать критически опасным для качества отливок. Дефицитность и высокая стоимость необходимого сырья заставляет искать пути повышения усвоения отходов производства без существенного снижения качества конечной продукции.

Первоочередной задачей при повторном использовании материалов, прошедших технологический цикл, а значит утративших первоначальный набор свойств, является анализ. Именно анализ позволяет учитывать особенности применения вторичных ресурсов, а иногда и прогнозировать их влияние на свойства отливок. Значительна роль анализа в автоматизированном управлении технологическим процессом.

Огромную пользу при повышении культуры производства и производительности труда могут принести комплексы программно-аппаратных систем, которые позволяют управлять работой отдельных

агрегатов и линий более гибко и оптимально. Известно, что применение автоматизированных систем управления (АСУ) в промышленности сопряжено со значительными трудностями, обусловленными сложностью протекающих процессов и недостаточной информативностью существующих методов контроля и анализа. АСУ определяется как человеко-машинная система [41], в которой машина выполняет рутинную работу, а человек решает нестандартные задачи, требующие творческого подхода. Прежде всего, необходимо отметить, что АСУ имеет дело с информационными потоками, сопутствующими технологической цепочке. Факторами, обеспечивающими в итоге качество отливки, являются как субъективное влияние персонала цеха, так и объективная совокупность технологических факторов протекающих процессов.

Главную роль в обеспечении АСУ полноценной информацией играют методы контроля и анализа, от оперативности и точности которых зависит устойчивое функционирование системы. Многие из существующих методов контроля базируются на устаревших и статистически необусловленных характеристиках систем. Здесь под статистически необусловленными понимаются характеристики, величины которых оцениваются без определения погрешности, либо погрешность в определении оценки превышает допустимую. В некоторых случаях имеет место приближенная оценка уровня факторов, искаженная случайными и систематическими ошибками. В обработку данных зачастую вносятся субъективные погрешности, обусловленные произвольным выбором метода обработки, статистическая значимость которых не позволяет обосновать истинность полученных результатов. Целью данной работы является применение современных подходов в обработке первичной информации, поступающей от подготовительных переделов

литейного производства, а именно, смесеприготовления и подготовки шихты.

Подготовительные подразделения литейного цеха представляют собой одно наиболее важных звеньев технологического потока, поскольку оказывают непосредственное влияние на все последующие звенья. Большая неопределенность в оценке факторов, от которых зависит в конечном счете выход годного литья не позволяет строить какие-либо прогнозы в отношении оптимальности существующей технологии, затрудняет распознавание и выявление причин брака, способствует ошибочным оценкам и, как следствие, приводит к неверным решениям производственных задач.

Большую помощь в работе литейного цеха, особенно в планировании и контроле технологического процесса могут оказать современные персональные ЭВМ. Большинство программ, существующих в настоящее время, реализуют хорошо известные, фактически ставшие стандартными методы расчетов и алгоритмы. Программы для литейного производства можно разделить на два класса: универсальные и специализированные. Для первых характерен охват широкой области проблем литья, от проектирования литниковой системы до моделирования процесса кристаллизации слитка. Такие программы называются системами автоматизированного проектирования (САПР). Реализация САПР — трудоемкое и наукоемкое занятие, требующее привлечения больших материальных и человеческих ресурсов. САПР литейного производства обычно тяжеловесны и требуют применения высокопроизводительных ЭВМ. Более просты специализированные программы, которые решают узкий круг задач, например, выполняют расчет шихты. САПР можно представить как комплекс взаимосвязанных специальных программ, каждая из которых выполняет свои специфические функции, но при этом использует

общие для системы базы данных. В работе научно обоснованы направления расширения функциональных возможностей обоих типов подобных систем.

Основные задачи исследования:

1. Обосновать возможность и необходимость автоматизации зернового анализа формовочных песков;

2. Выявить перечень характеристик фракционного состава формовочного песка, существенно влияющих на его технологические свойства;

3. Разработать методику обработки результатов ситового анализа при рассеве на неполном наборе сит;

4. Промоделировать полидисперсную структуру пористого тела формы методом случайной плотной упаковки твердых сфер и выявить связь распределения частиц по размерам с характеристиками пористого тела;

5. Разработать методологию получения синтетических песков с требуемым зерновым составом из имеющихся компонентов;

6. Обеспечить минимальные отклонения по фракционному составу синтетического песка при условии, что задача синтеза не имеет прямого решения;

7. Разработать методы улучшения адекватности уравнений регрессии, построенных по экспериментальным данным без необходимости проведения дополнительных экспериментов;

8. Создать методическое и программное обеспечение для гранулометрических анализов, компромиссной шихтовки, моделирования полидисперсных структур и нелинейного преобразованию отклика при аппроксимации существенно нелинейных зависимостей.

К защите выносятся:

- методика автоматизированной обработки результатов ситового анализа на полном и неполном наборах сит и обоснование методов корректной аппроксимации результатов рассева;

- метод моделирования пористого тела формы и результаты, полученные на его основе;

- способ минимизации отклонений при компромиссной корректировке ограничений в задаче расчета многокомпонентных смесей;

- алгоритм нелинейного преобразования отклика при обработке данных многофакторного эксперимента.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ЗЕРНОВОЙ ОСНОВЫ ФОРМОВОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ ЭВМ

1.1 Влияние технологических свойств песка на качество отливок

Производство отливок в песчано-глинистых разовых формах является наиболее распространенным способом получения фасонного литья. Преимуществами литья в разовые формы являются относительная дешевизна, особенно при мелкосерийном производстве, высокая гибкость, наличие богатого опыта, накопленного многими поколениями литейщиков. Литье в формы, зерновой основой которых является песок, пригодно для среднесерийного и мелкосерийного производства. Габариты и масса изготавливаемых отливок могут широко варьироваться, а также может использоваться широкий спектр металлов и сплавов [1, 2, 10, 20].

При литье в песчано-глинистые формы всегда был актуален вопрос получения качественных отливок при сохранении дешевизны и гибкости технологии. Важность этого вопроса постоянно усиливается в связи со стремительно растущими требованиями к деталям и узлам машин. Высокие эксплуатационные свойства литой продукции, а также возможность минимизации дополнительной механической, термической и других видов обработки зависят не только от технологии выплавки металла, но и от правильного выбора литейной формы, и главным образом определяются качеством ее изготовления и характеристиками. Характеристики форм и стержней на зернистой основе в значительной степени зависят от качества формовочной смеси, применяемой для их изготовления [14, 20-22].

и

Формовочная смесь представляет собой совокупность зерновой огнеупорной основы и связующего или крепителя, влияние которых на качество формовочной смеси весьма значительно.

Требования, предъявляемые к литейной форме, довольно противоречивы и определяются особенностями литейного сплава, условиями кристаллизации отливки, классом литья и прочими факторами. С одной стороны необходима высокая прочность формы, обеспечивающая ее целостность в процессе заливки, и в то же время ее большая податливость, гарантирующая минимальное сопротивление усадке и предотвращающая образование дефектов типа холодных и горячих трещин. Высокая плотность набивки, дающая возможность получить точный отпечаток и гладкую поверхность отливки, должна сочетаться с достаточно большой газопроницаемостью. Взаимодействие расплавленного металла с формой относится к сложнейшим явлениям, в которых параллельно протекают физико-химические, термодинамические, гидравлические и другие процессы. Помимо функций формообразователя формовочная смесь может служить буфером, компенсирующим негативные последствия других переделов. Примером может служить ситуация, в которой высокая газопроницаемость формы смягчает влияние высокой газонасыщенности заливаемого металла, дает возможность свободному выходу газов и отводу их от кристаллизующейся отливки. У разных авторов данные по влиянию качества формовочной смеси на степень дефектности отливок различны, а иногда и противоречивы.

Контроль характеристик зерновой основы формовочного песка и управление его свойствами позволят воздействовать на качество литых изделий, поэтому важно рассмотреть способы анализа зернового состава песка и методы влияния на его структуру. Тем более это актуально в настоящее время, когда природные запасы

песков вырабатываются и истощаются, разработка новых месторождений сопряжена с финансовыми трудностями. Вследствие этого обостряется проблема повторного использования песка, прошедшего технологический цикл производства и утратившего первоначальный набор свойств. Уже существуют и используются технологии регенерации отработанной формовочной смеси, классификации, то есть разделения песка на фракции, и послед�