автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Разработка методик исследования и совершенствования тепловых процессов в металлургических комплексах термической обработки

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ СТАЛИ И СПЛАВОВ

На правах рукописи

УДК 669.046.4.-621.7&223.4-1Ш

Шихора Бернд

РАЗРАБОТКА МЕТОДИК ИССЛЕДОВАНИЯ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ В МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПЕЧНЫХ КОМПЛЕКСАХ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

специальность 05.16.02 - "Металлургия черных металлов*

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА 1994

Работа выполнена на кафедре "Теплофизики и теплоэнергетики металлургического производства" Московского института стали и сплавов (ИиСиС) и на Саксонском заводе по производству высококачественной стали г. Фрайталь (Германия).

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент В.Ф.Бердыаев

Официальные оппоненты: профессор доктор технических наук, М.Д.Климовицкий кандидат технических наук, А.И.Плужников

Ведущее предприятие: АО "Стальпроект" Защита состоится "" марта 1994 г. на заседании специализированного ученого совета К.053.08.01 при Московском институте стали и сплавов по адресу: 117936, Москва, ГСП-1, Ленинский проспект, 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института. Автореферат разослан "-3 » марта 1994 г.

Справки по телефону 237-84-45

Ученый секретарь специализированного совета

И.Ф.Курунов.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Возрастающая потребность промышленности в высококачественен металле предопределяет необходимость интенсификации металлургического производства, и в частности технологических процессов термической обработки. Современный металлургический завод имеет в своем составе производственные участки для термической обработки металла, т.н. печные комплексы, представляющие собой взаимосвязанную совокупность тепловых и транспортных агрегатов,обеспечивающих возможность гибкого ведения производства.

Решение задачи интенсификации термической обработки в условиях этих комплексов возможно лишь на основе разработки новых методик исследования и адекватной модели функционирования печных комплексов, это обеспечит возможность гибкого ведения технологического процесса и уменшит длительности циклов тепловой обработки металла путем выбора оптимальной последовательности посада садок и назначения маршрутов транспортировки при их обработке.

Вышеуказанное обусловливает актуальность разработки методик исследования и совершенствования технологических процессов термической обработки на металлургических печных комплексах.

Целью работы являются совершенствование теплотехнологическо-го процесса в металлургических печных комплексах для термической обработки, сопровождающееся повышением технико-экономических показателей этих комплексов в результате рационального согласования отдельных ойераций производственного цикла и состояния оборудования, а также,дальнейшее развитие методик автоматизированного теплотехнического исследования печных агрегатов.

Достижение указанной цели обеспечирается: анализом функциональной структуры печного комплекса и технологических операций.

при тепловой обработке широкого сортамента стальных заготовок; разработкой методики и проведением автоматизированного промышленного эксперимента; проведением комплексного изучения температурных режимов печей и садок металла во взаимосвязи с транспортными операциями; разработкой имитационной модели прогнозирования состояния комплекса для выбора оптимальной последовательности обработки материала; разработкой соответствующего технологического и информационно-алгоритмического сопровождения технологического цикла, включая внедрение результатов работы в производство.

Настоящее исследования выполнено в рамках отраслевого заказа бывшего Министерства горного дела и металлургии ГДР (1988-1989 г.г.) и реализации плана подготовки и внедрения инвестиционого объекта - автоматизированного комплекса термической обработки стальных заготовок Саксонского завода по производству высококачественной стали г. Фрайталя (1988-1990 г.г.)

Методы проведения работы. В основу теоретических, методологических и практических разработок данной диссертации положены труды ученых России, Германии и других стран в области металлургических печей. .

В процессе исследования были использованы нетоды промышленного эксперименту, методы автоматизированной обработки экспериментальных данных, методы математического моделирования тепловых процессов в камерных печах; методы имитационного моделирования технологических процессов металлургического печного комплекса как гибкой производственной системы при одновременном использовании идей системного подхода, а также математических методов оптимизации и. экономических методов оценки эффективности производственного процесса.Сочетание, научного эксперимента и матема-

тического моделирования обеспечило высокую эффективность решения поставленных задач.

Основные функции имитационной модели реализованы на персональном компьютере типа PC/AT,подключенной в терминальном варианте, с использованием программных средств TURBO-PASCAL, TURBO-C и операционной системы MS-DOS. Дополнительные функции частично реализованы программными средствами FORTRAN- 77 и операционной системы Micro-RSX управляющей вычислительной машины типа Micro-PDP-1153.

Научная новизна диссертационной •работы состоит в следующем:

1. Сформулированы ряд предложений о металлургических печных комплексах как самостоятельных объектах изучения и прикладных исследований, включая их классификацию, с последующим использованием указанных предложений для достижения практических результатов .

2. Разработана методика экспериментального промышленного автоматизированного исследования комплекса, включающая изучение статики и динамики теплового состояния его объектов, транспортных и технологических операций с целью структурирования и идентификации изучаемого обьекта,как элемента теплотехнологического комплекса термической обработки,

3. разработана методика и алгоритмы составления динамического теплового баланса для оперативной оценки изменения теплового' состояния камерной печи. ' ;

4. разработана методика целенаправленного изменения параметров технологических режимов при реализаций технологических операций в условиях обеспечения многовариантной структуры производства.

5. Разработана методика совершенствования тепловых режимов с

использованием имитационного моделирования технологического процесса .

6. Разработана методика оценки эффективности производственных процессов печного комплекса, выявлены и обоснованы и. соответствующие критерии эффективности.

7. Разработана имитационная нодель функционирования печного комплекса в условиях гибкоперестраиваемого производства.

8. Разработана методика и процедура оценки адекватности имитационной модели,критериев ее оценки.

Достоверность полученных результатов базируется на значительном объеме промышленных эспериментов, соответствующей оценке погрешностей измерений в автоматизированном эксперименте,высоком уровне адекватности разработанных моделей и детальной верификацией в производственных условиях, а также сопоставлением с литературными данными.

Практическая значимость выполненного исследования эаключа-ется в следующем:

1. Разработано методическое и техническое обеспечение для проведения промышленного'эксперимента.

2. Разработаны программные средства для фиксации результатов эксперимента, их обработки и визуализации.

3. Получены' данные о. реальном характере тепловой работы агрегатов при реализации различных режимов термообработки и видов садок с последующим использованием этих данных для совершенствования технологии обработки.

» »

.4. Разработаны новые средства для диалога обслуживающего персонала с' функционирующей системой управления производством.

. 5. Создана и внедрена в систему управления комплексом имитационная прогнозирующая модель для нахождения оптимальной после-

. довательности посада садок.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на заседании Дрезденского областного совета по автоматизации технологических процессов (Arbeits- kreis Automatisierungstechnik der KDT, Bezirksverband Dresden) и на заводских совещаниях по внедрение автоматизированного устройства термической обработки стальных заготовок, а также на научных семинарах кафедры Теплофизики и теплоэнергетики металлургического производства МиСиС.

Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано .4 печатные работы.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов, заключения, списка литературы (73 наименований) и приложений.

Обьем диссертации составляет 148 страницы машинописного текста, 52 рисунков, 14 таблиц и 4 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ ПУТИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛА НА АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПЕЧНЫХ КОМПЛЕКСАХ И ФОРМУЛИРОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ Увеличение потребности промышленности в высококачественном металле вызывает необходимость интенсификации всех процессов ме-таллургическго производства. Цель» представленной работы является снижение общих затрат,увеличение производительности автоматизированных комплексов термической обработки стальных заготовок. Данный участок производства представляет собой совокупность печных агрегатов для нагрева металла, охлаждающих устройств и транспортных средств, состояние которых одновременно с обрататы-ваёмным металлом непрерывно или дискретно изменяется в прост-ранствие (движение садок металла с помощью транспортных устройств) и во времени (переходные процессы в печи, нагрев и ох-з

лаждение металла). В виду сложности изучаемого объекта, совершенствование функционирования отдельных агрегатов не приведет к

■ и

значительному увеличению эффективности тепловой обработки металла для всего производства.И лишь при рассмотрении работы комплекса в целом, как единой печной системы, что отвечает подходам системного анализа, возможно объективное матеатическое описание и совершенствование процессов тепловой обработки металла этой печной системой или так называемым печным комплексом.

Детерминированое математическое описание процессов функционирования печного комплекса невозможно как по причине сложности протекающих в нем процессов так и по причинам вероятностного характера многих событий, возникающих при термической обработке металла. Невозможность детерминированного описания вытекает также из анализа известных работ посвященных вопросам совершенство-

вания работы такого типа комплексов.

Вместе с тем имеется настоятельная необходимость в таком математическом описании, расчеты по которому дадут возможность оптимального выбора параметров (как технологических, так и производственно-организационных) для осуществления эффективной тепловой обработки садок.

В'силу указанных особенностей моделируемого объекта, предпочтительной оказывается разработка имитационной модели. Расчеты по такой модели позволяют выявить наиболее экономичную, в смысле производственных затрат, последовательность посада садок, а также наилучшие маршруты их обработки на агрегатах печного комп-> лекса. Критерием оптимальности той или иной последовательности обработки и маршрута были выбраны производственные затраты, которые в результате предварительного стоимостного анализа оказались эквивалентны определяющему критерию ( времени обработки садки), в то время как другие критерии (расход топлива, время холостого хода печей и др.) не являются полностью определяющими, а носят более частный характер.

Построение инитационной модели потребовало предварительного анализа и изучения производственных, тепловых и технологических процессов. Исходя из общей цели работы, заключающейся в повышении эффективности функционирования автоматизированного металлургического печного комплекса и использования существующих рекомендаций по совершенствованию процесса, наметился ряд сопряженных задач, решение которых явилось основным направлением исследования :

1. Анализ производственных и технологических особенностей тепловой обработки, выделение определяющих факторов и ограничений;

2. Изучение тепловых процессов и процессов транспортировки, их взаимодействия и динамики. Подготовка и проведение промышленного эксперимента. Выбор метода математического описания процесса, проработка методики его моделирования.

3. Отработка стратегии подготовки и ведения технологического процесса. Создание соответствующего прикладного программного обеспечения, учитывающего специфические особенности имеющегося информационного обеспечения предприятия.

4. Проведение исследований производственного процесса печного комплекса на имитационной модели. Производственно-экономическая оценка различных вариянтов реализации процесса тепловой обработки.

5. Изучение существующих технических средств и концепций управления технологическим процессом, изучение характера изменений производственного потока, выявление •недостатков существующей концепции реализации тепловой обработки заготовок в металлургическим печном комплексе и выработка соответствующих рекомендаций по устранению этих недостатков.

АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЙ ПЕЧНОЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

В результате, анализа, организации производства при тепловой обработке металла на печном автоматизированном комплексе выявлена возможность параллельной обработки нескольких садок и возможность осуществление альтернативных маршрутов обработки отдельной • *

саДки. Такие возможности отвечают концепции гибкого автоматизированного производства.

В составе основного оборудования печного комплекса имеется: проходная двуххамерная печь нагрева перед закалкой; участки за-

калки (водой, маслом или воздухом),, две проходные двухкамерные печи нагрева перед отпуском, участок окончательного охлаждения (водяной душ), транспортные устройства (рольганги, автоматические краны).

Поддержание необходимых режимов работы нагревательных устройств осуществляется техническими средствами АСУТП участка нагрева. Несмотря на достаточно развитые средства АСУТП не решает следующих задач:

1. Не учитывается время необходимое для установления заданной температуры печи. • .

2. Маршрут садки назначается заранее без учета возможного состояния агрегатов (отсутствует прогноз состояния оборудования).

3. Не учитывается возможные отклонения по отношению к запланированным во времени началу и общей длительности технологических операций.

Предлагаемая работа позволит устранить эти недостатки только после разработки дополнительных технических и программных средств.

Для прогнозирования состояния оборудования на печном комплексе в работе решены вопросы статистической обработки информации о поступающих на обработку заказах.

В процессе изучения функционирования печного комплекса выявлены внешние связи указаного комплекса с другими производственными участками (прокатный цех,' кузнечный цех. промежуточный склад и др.). В работе проведено структурирование информации необходимой для ведения процессов тепловой обработки заказов, а также исследовано содержание", взаимосвязь и динамика материальных и информационных потоков.

Технология термической обработки металла предполагает его

нагрев, выдержку при заданной температуре и тот или иной способ охлаждения (вода, наело, воздух, водянной душ). Структурирование базировалось на включении в рассмотрение основного цикла, объединяющего перечисленные этапы тепловых воздействий на иеталл, а также перемещение садки в постранстве.

После анализа основных циклов для разных режимов термической обработки (закалка, нормализация, отпуск и. др.) было установлено, что в целях уменьшения простоя печных агрегатов перед очередным посадом садки, целесообразно применять гибкое назначение маршрута на момент посада очередной садки. Эта возможность обеспечивается оборудованием печного комплекса и программами обработки (где для каждой садки и вида основного цикла определены позиции обработки). Анализ позволил выявить наиболее загруженные агрегаты, а также реализовать более равномерную загрузку и повышение производительности.

После изучения состава входных заказов и их влияния на тепловое состояние и загруженность агрегатов тепловой обработки можно предположить, что управление очередностью обработки заказов позволит существенно увеличить пропускную способность печного комплекса (уменьшается время необходимое для подготовки печей). /

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ

Возможность моделирования комплекса предполагает знание тепловых и временных характеристик печей. Наиболее длительным этапом работы явилась разработка методики и проведение промышленного эксперимента для изучения и оценки этих характеристик.

Схема расположения экспериментальных средств для определения температур в печном пространстве и в садке материала, расхода

природного газа и времени транспортировки приведена на рис. 1. Для измерения температуры печного постранства использовались штатные зональные термоэлектрические преобразователи (погрешность измерения +-(3-6)"С. Для измерения температуры металла были приготовлены экспериментальные садки, в элементах которых устанавливались кабельные термоэлектрические преобразователи (погрешность +-(3-5)'С. Измерение расхода природного газа осуществлялось с помощью штатных крыльчатых счетчиков-расходомеров. Перемещение садок фиксировалось с помощью фотоэлектрических устройств индикации положения материала.' Обработка данных измерений осуществлялась системой управления комплексом. На выходе системы данные представлялись в цифровом виде.

На рис. 2 приводятся обработанные на персональной ЭВМ данные исследования по нагреву экспериментальной садки круглого материала диаметром 60 мм. По ходу экперимента фиксировались следующие данные: температуры трех зон регулирования, температуры металла и текущий расход природного газа. Эксперимент осуществлялся по следующим участкам: Ъ1-12 предварительный нагрев, Ъ2-13 загрузка эксперимнтальной садки, Ь3^4 первая фаза нагрева по заданной температуре 700'С, втора» фаза нагрева при заданной темпе-

ратуре 840'С, t5-t6 выгрузка садки; охлаждение пустой печ-

ной камеры и охлаждение садки вне печи.

-н-

Схема расположения измерительных средств в печи

О

е-1- $

- > гии ииии и ииииииииио ОООООООООООООООООО)

3-« о

2 ^

(ЗНЙНЙЬШТ

I I

1/2/3 4/5/6 7

9/10Л1 13/14.

а/Ь/с (1/е/Г 8/Ь

зональные термоэлектрические термометры камер 11А/В/Б) зональные термоэлектрические термометры камер 12Л/В/Б; крыльча'тыа счотчнх -расходомер природного газа печных камер НА/В/О (8 - счетчик-расходомер камер 12А/В/р); протяжные термопары измерения температуры вблизи . поверхности и в центре материала;

световое устройства икднзацик положения материала в печных камерах НА/В/О (15/16 в в камерах 12А/В/0);

преобразователи сигналов;

вычислительные звенья центральной: УВЦ АСУТП; вычислительные звенья персональной ЭВМ исследования.

Рис..1

Неравномерность распределения температуры металла достигала 45 К. Установление, что нагрев садки до 700*С при условиях близких к производственным возможен в технологически заданное время 80 мин. Перепад температур металла по сечению в конце фазы нагрева достигал 5 К, а отклонение температуры печного пространства от заданной в режиме выдержки не превышала значений 5 К. После скачка заданной температуры (Ъ4) до 840'С процесс нагрева замедляется, что в первую очередь связано с теплоемкостью рольганга, нагреваемого одновременно с садкой.

Для изнерения температур наружной поверхности кладки печи и шеек роликов рольганга использовался переносной измерительный комплект, состоящий из контактного датчика термоэлектрического преобразователя и цифрового вторичного прибора с погрешностью измерения +-2,5'С. После экспериментальной оценки температурного состояния поверхности печи и рольганга видно, что наибольшему тепловому воздействию подвергаются стенки печи вблизи горелок.и рольганга. При максимальной температуре в печи 1050'С максимальная температура поверхности достигает 60*С, а максимальная температура повехности шеек 95'С.

С целью оценки изменения теплового сотояния печи на основе данных измерении в процессе нагрева экспериментальной садки составлялся интегральный динамический тепловой баланс. При этом для каждого интервала измерения (64 с) производится расчет поступающих и отходящих тепловых-потоков. С целью идентификации условий процесса в алгоритм расчета динамического баланса был введен код, с помощью которого учитываются компоненты баланса. Из-за отсутствия измеренных данных температур рольганга внутри печи и температур внутренней поверхности кладки печи определялись расчетным путем.

Изменение температуры прутков диаметром 60 мм в камере типа 11

|

I

<000

100

воо

400

гоо

1 1 1 1 11 1 1 . 1 « 1- 1 1 1 1

1 1 ы ' г ГУ \го 1 " 1 1 1 ^¿Г 1

I № t 1 1 1 1 ; 1 V 1 \ 1 \ 1 \ 1

1 11 I 1? ! 1 1 \ 1 \ 1

N N 1 1 1

о

Зооо

ееоо

'с.

ч

Зремя,

9000 ■6

5

I

1 I

гоо ко еоо ¿о

/2оо <7

1/2/3 12

9/10/11 7

»3

Ч.

'5 ' «6. :

7

- температура внешней, среднее и внутренноя зон регулирования печной камеры;

- заданная температура для всех зон регулировании камеры;

- температура металла вблизи поверхности сверху, в центре и вблизи поверхности снизу;

- текущая раоход природного газа печное камеры;

- соединение датчиков измерения температуры металла;

- загрузка прутков в печку» камеру;

- начало первой фазы нагрева;

- конец первой фазы нагрева, изменение температурного режима, начало второй фазы нагрева;

- конец второй фазы нагрева;

- разгрузка прутков из печной камеры;

- отсоединение датчиков иэмерекяя температуры металла.

Рио; 2

Для этапов загрузки и нагрева садки до 700'С был проведен расчет модифицированного теплового баланса. Он характеризует изменение составляющих баланса по ходу процесса нагрева. Из него видно, что за период нагрева тепловое состояние становится стационарным. Количество неучтенных потерь в конце периода нагрева не превышает 5%.

Статистическое исследование временных характеристик технологических операций и транспортных процессов комплекса не выявило . значительных отклонений от технологических заданий. Существующие отклонения времени технологических операций находятся в ожидаемых пределах и с технологической точки зрения не оказывают влияния на процессы термообработки. Обработка данных транспортных процессов показала ожидаемую зависимость их от технической конструкций печного комплекса, однако существующие отклонения времени не превышли допустимых пределов.

Исследование производственной программы показало.; что существующий способ задания последовательности посада садок связан с относительно произвольным изменением технологических параметров. Характеристика потока материала из склада комплекса пот-верждает целесообразность подготовки производственного процесса путем целенаправленного варьирования кластеров заказов. При ¿этом утверждается, что управление последовательностью посада садок в первую очередь эффективно влияет на затраты и прежде всего удовлетворяет стоимостному критерию оптимизации производства.

РАЗРАБОТКА КОМБИНИРОВАННОЙ МОДЕЛИ РАБОТЫ ПЕЧНОГО КОМПЛЕКСА

Построение общей - модели в ранках единого математического н методологического подхода для тепло-технологического комплекса невозможно. Тем не менее в данной работе предлагается концепция

комбинированной модели, представляющая собой объединение вероятностных подходов имитационного моделирования производственных процессов с детерминированным описанием тепло-технологических процессов.

По исполнению, такая модель представляет собой широкий спектр программного обеспечения непрерывно функционирующего на персональной ЭВМ в темпе с процессон в условиях теплотехнологи-ческого комплекса термообработки. Разработанная программная среда, являющаяся реализацией комбинированной модели, функционирует в условиях тесного взаимодействия с существующей системой автоматизированного управления производством, а также при постоянном контакте с имеющимися средствами автоматизации.

Дгя моделировании технологического режима предложено' представить процесс в виде элементарных теплотехнологических операций, которые включают в себя одну транспортную операцию и/или задание на нагрев, выдержку или охлаждение. Такое разбиение существенно упрощает описание процесса.

Все возможные операции процессов термической обработки можно представить в виде следующих пяти групп:

1. Транспортировка садки на заданную позицию для нагрева и нагрев в соответствии с технологическим заданием;

2. Транспортировка садки на заданную позицию для охлаждения и охлаждение в соответствии с технологическим заданием;

3. Транспортировка садки на последующую заданную позицию без заданного теплового воздействия на этой позиции (транспортировка) ;

4. Выполнение нового задания на нагрев в соотве-тствии с технологическим заданием без изменения позиции;

5. Выполнение "нового задания на охлаждение в соотвестствии с

- 19 -

технологическим заданием без изменения позиции.

Модельное описание элементарных тепло-технологических операции как элементов цикла, включают в себя наличие входных, выходных и внутренних параметров. Входные и выходные параметры определяются условиями сопряжения, внутренние - технологическими параметрами для данной позиции.

Входной параметр момента начала операции Ыач зависит от выходного параметра момента окончания предыдущей операции <;кон, а также от технической и тепловой готовности запланированной позиции. Время транспортировки садки как внутренний параметр элемента 1х-у зависит от пути транспортировки и времени предоставления транспортного средства. Длительность пребывания садки на позиции зависит от заданного времени тепловой операции tэд с учетом ожидаемого отклонения с№у. Момент окончания операции Ъкон вычисляется по известным параметрам: Ъкон^нач+Ъх-у+Ъэд+<^у.

Процессы нагрева и выдержки садки в элементарных операциях, согласно технологии, характеризуется заданной температурой Тзд и заданным временем tзд, а процессы охлаждения садки только заданным временем 1зд. Входной параметр Тнач, температура печи в начале технологической операции, определяется технологией. В момент выгрузки садки температура печи равна заданной Гкон=Тэд.

Благадоря параллельному управлению отдельными циклами термической обработки, вычислительно-управляющий конплекс ножет обрабатывать тепло-технологические задания практически одновременно и независимо друг от друга. Однако оптимальная последовательность выполнения соответствующих операций определяется только в рамках возможностей гибкого назначения свободных технологических позиции. При это» пересечение с транспортными операциями других циклов запрещено.

При моделировании транспортных условий сопряжений и занятости позиций представительными данными явились техническое состояние, определяющее принципиальную возможность загрузки позиции и длительность обработки двух прошедших загрузок.

Временная последовательность реализации технологических заданий двух садок на одной и той же позиции связана как с техническими, так и тепло-технологическими условиями сопряжения. Начало транспортировки садки и начало процесса нагрева или выдержки зависят от того, установилась ли в камере необходимая (технологически заданая) температура, в противном случае (например, после длительных периодов простоя камеры) необходимо дополнительное время для достижения требуемой температуры печи. Это время увеличивает длительность цикла термической обработки.

Температурное состояние печи зависит от прошедших периодов нагрева. Для запланированной загруэхи учитывается температура печи в момент технически возможного начала загрузки Ънач*. Как правило, исходная температура печи Тисх в этот момент принимается равной конечной температуре прошедшей загрузки Ткон'=Тзд', поскольку печное пространство дальше подогревается для следующей садки в период холостого хода. Однако в случае, если в момент Ъкон' для печной позиции следующая загрузка не запланирована, то учитыватся охлаждение печи во время периода простоя Ъначл-^он1 и исходная температура печи соответственно снижается Тисх<Ткон'.

Предварительный переход в новое температурное сотояние печи происходит до достижения допустимой начальной температуры запланированной тепловой операции Тнач. Допустимое значение разницы между начальной температурой печи и заданной температурой нагрева «ЗГдоп зависит от технологии и уровня температуры в печи. Ими-

тация переходных процессов в незаполненой печной камере осушест-> вляется с помощью эмпирических соотношений:

для нагрева Т1 = Тэд - Уо * е-а^

для охлаждения Тх = Уо * е-Ь*Ь

Т1 - температура печного пространства, *С; Тэд - заданная температура печи, 'С;

Уо - ступенчатое изменение температуры, К; t - время, мин; а,Ь - параметры функции, адаптированные по экспериментальным, данным.

Для решения задачи предварительного расчета производственного процесса термической обработки, включая расчет оптимальной структуры, модель оперирует следующим набором объектов: "промежуточный склад", "цикл термической обработки" и "агрегат", с помощью которых становится возможным управление соответствующими фазами имитации: выбор параметров, определение структуры циклов термической обработки и изменение состояния комплекса'.

Исходное состояние "агрегата" определяется его техническими характеристиками, а также изменениями первоначального состояния загрузки и теплового состояния печных камео вследствии термической обработки предыдущих садок.-

Выбор параметров цикла термической обработки текущей садки из "промежуточного склада" происходит на основе технологических данных основной информации и фиксированных технологических данных. При определении технически и технологически возможных маршрутов "цикла термической обработки" садки принимается, что осуществление термической обработки может проходить по любому из предложенных маршрутов.

Параметры сопряжения выбираются таким образом, чтобы обработка садки осуществлялась без конфликтов транспортных процессов

по садкаи других маршрутов, а также с соблюдением температурных режимов в запланированных печных камерах. Определение новых параметров предварительного нагрева или охлаждения, вследствие изменения температурного режима, осуществляется функциями модели по аналогии с соответствующими функциями системы управления комплексом.

спрогнозированные, в результате анализа временной занятости позиций, задержки технологических операций переносятся "вперед" таким образом, что поступление садки на первую позицию комплекса не происходит до тех пор, пока становится возможна нормальная последовательность проведения планируемых операций процесса.

После выбора маршрута < термической обработки определяются временные характеристики прогнозируемого процесса.Полученные температурные и временные данные учитывается в функции изменения состояния занятости и теплового состояния камерных позиции "агрегата".

Для обработки данных основной информации о садках было разработано новое программное обеспечение, удовлетворяющее производственным требованиям в рамках существующих функций управляющей системы комплекса, а также требованиям имитационной модели. В качестве "эксперта" модель имеет возможность выдачи рекомендации о наилучшем распределении массы заказа по садкам.

Техническое состояние комплекса определяется для одного или нескольким имитационных расчетов в диалоговом режиме. При этом определяется, какие позиции из-за технических или других причин находятся вне распоряжения модели. Принятые технические ограничения определяют и соответствующие технологические ограничения, которые выражаются в том, что соответствующий режим термической обработки реализуется только по ограниченным маршрутам или вооб-

ще не реализуется.

Температурное состояние и состояние занятости определяются в процессе имитационного расчета и в результате определения структуры цикла термической обработки, исходя из определенного исходного состояния.

В качестве функции "эксперта" персоналу дается возможность в диалоговом режиме убедиться в том, возможно ли тот или иной режим термической обработки при технических ограничениях состояния-комплекса, и насколько уменьшится количество . араллельных маршрутов. Взаимодействие основных процедур модели представлено в виде функциональной структуры на рис. 3. Алгоритм прогнозирующего расчета термической обработки садок производственной программы представляется в виде внутреннего цикла модели: последовательный расчет структур цикла термической обработки садок и соответствующего изменения состояния комплекса (рис. 3: 1-2-3-4-5-6/8-7).

Алгоритм расчета последовательности посада садок выполнен в виде внешнего цикла: последовательное изменение набора данных производственной программы после окончания внутренного цикла модели и суммарная оценка соответствующего процесса реализации режимов термической обработки (рис. 3: 8 -9-10-11-внутренный цикл).

Функциональная структура модели

И !

изменение последовательности посада садок

+ -

10

+ —:--------.--------+

операции с технологическими данными основной информации о текущей садке +---------.---------4

операции с фиксированными технологическими данными

- +

определение структуры цикла термообработки по воем маршрутам реализации цикла

определение оптимальной пути •

реализации +------------------+

+------------.------+

управление данными технического, технологического, термического состояния комплекса

- +

+--------------+

-! критерии |

! оптимизации, | - [ приорететы |

+------------------+ -------------

| суммарная оценка !---! критерии -1 технологического .! 9 ', оптимизации I процесса |---! и завершения

+

1 - представление основной информации о текущей садки;

2 - целенаправленный доступ к технологическим данным;

3 - определение начальной структуры цикла; .4 - определения условия реализации цикла;

5 - решение об оптимальной реализации цикла;

6 - изменение тепло-технологического состояния комплекса;

7 - переход к основной информации о последующей садки;

8 - определение суммарных показателей процесса;

9 - решение об оптимальной последовательности садок; 10 - варьирование последовательности садок;

И - представление последовательности садок или завершение,

Рио . 3

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕПЛОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

Предложенная концёпция совершенствования режинов работы автоматизированного металлургического печного комплекса термической обработки была внедрена на Саксонском заводе высококачественных сталей в г.Фрайталь.Она сводится к нахождению наилучшей реализации циклов тепловой обработки путем имитацион*юго-расчета прогноза оптимальной последовательности посада, садок Оптимизация потоков материала энергии и топлива определяет общие затраты на осуществление дискретно-непрерывного процесса термообработки в целом. При этом общее сокращение затрат можно, свести к задачам экономии расхода и времени производственного цикла.

Анализ существующих в производстве затрат позволил выделить , главный и вторичный критерии оптимизации: время реализации цикла термической обработки и время изменения температурных режимов . Выбранный целевой критерий д: стельности цикла плбжен в основу оценки работы прогнозирующей имитационной модели.

Реализация прогностических свойств модели верифицирована как в полярных состояниях производства: выхода из простоя, и завершения рпризводственной программы, ' так и при нормальной эксплуатации комплекса.

Прогнозирование осуществлялось в темпе с процессом по стратегии динамического посада (решение дается для все'х элементов посада) методами случайного и полного перебора. Представлены расчеты более 60 вариантов посада.

Сформулировано теплотехнологическое понятие кластеров однородных и неоднородных заказов, позволившее существенно улучшить оперативность прогноза.

Установлено, что изменение временных показателей процесса

(суммы длительностей холостого хода печных камер, задержек при посаде, предварительном нагреве и охлаждении) оказывает значительное влияние на последовательность посада садок. В свою очередь изменение последоватнльности посада садок приводит к существенному изменению тепловых характеристик процессов (суммарного количества тплиаа на предварительный нагрев печных камер и холостой ход).

Жесткие требования к оперативности выбора оптимальной последовательности потребовали значительных усилий по отработке методики его поиска. Способ случайного перебора, формирование кластеров псевдозаказов, перестановки соседних элементов, частичный перебор данных списка заказов, не удовлетворили производственным задачам. Решение было найдено путем сокращения переборов методом "удаления" последовательностей, неоптимальность которых заранее известна. Таким образом, было получено субоптимальное решение для отдельных сгрупированных участков последовательности (6-10 участков). Метод предварительного разбиения обеспечил нахождение наилучшей последовательности для самых сложных состояний производственного процесса'.

На рис. 4 приведены изменения показателей процесса по ходу, выбора, наилучшей последовательности термической обработки садок. Видно, что временные показатели в общем критерии занимают больший вес, по отношению к тепловым.

Промышленная эксплуатация внедренной модели и системы прогнозирования позволила сократить общие затараты на термообработку на 7,7% , сэкономть 2% затрат на топливо, причем экономия на предварительный нагрев составила 1,2%. При этом существенно сокращаются: длительность цикла обработки на 8,5%, холостого хода печей на 21%, задержки садок при посаде на 10%, длительность

Иэменение характерных показателей при совершенствовании процесса

«

2 о а а

2400 г.300 Z.200 2.100 гооо

1.900

ш

■

э

ч 4

'7000 6000 5000 4000

зсгз 2000 1000 о

10000

B0C0

о

6000 е

S

4w0 i;

w

а

2000 ® г

о &

§х

0) а ю

г а

3 I-

ю

а ^

и

05

• 134 130 120 122 118 114 110

—'—, Í ,

\ .<1 1

ГЧ-

_Lio Г

Т" 1 —г- "

2 -М-

400

300

100 J ю

о

0

1.7 1U 115 1« 146 152 159

номер варианта расчета

- время обработки заказов, мин;

- сумма изменении заданных температур,"С;

- сумма абсолютных значения изменения заданных температур,*С ;

- сумма длительноо.тев холостого хода печных камер, мин;

- сумма длительностей: задержек садок при посаде, мин;

- сумма длительностей предварительного нагрева, мин; сумма длительноотея предварительного охлаждения, мин;

1 2

3

4

5

6

7

8 - суммарный объем топлива на предварительные нагрев, м

9 - суммарный объем топлива во время холостого хода, м^;

10 - суммарный объем топлива в незаполненных металлом камерах

(предварительный нагрев и холостоа ход),*«3;

11 - затраты на тонну заготовок, СМ/т;

J.

Ряо. k

предварительного нагрева печных канер на 30%. Экономическая эффективность работы системы выражается в снижении общих затрат на 1СШМ/Т термообрабатываемого металла.

ВЫВОДЫ

1.Выполнен системный анализ металлургических производств, на основе которого выдвинута концепция металлургических комплексов, интегрирующих технологическим процессом тепловые и транспортные операции. Предложена их классификация и пооперационный анализ состояния.

2. На базе выдвинутой концепции разработана методика исследования и анализ состояния современного автоматизированного металлургического комплекса термической обработки, выявлены его специфичные особенности, номенклатура, структура и связь информационных, материальных и тепловых потоков. Сформулированы задачи по исследованию и совершенствованию металлургического комплекса, включающие разработку методик и средств автоматизированного комплексного эксперимента, моделирование тепловых, транспортных и оптимизационных задач, расчетное исследование и промышленное использование полученных результатов.

3.. Проведено экспериментальное изучение комплекса термической обработки Саксонского завода по производству высокока-чественныхсталей г. Фрайталь средствами автоматизированного эксперимента. Показано, что при организации работы комплекса существенное значение имеет неоднородность характеристики переходных процессов, как в тепловой подготовке печных камер, так и в транспортных операциях и, главное, гибком назначении маршрутов следования термообрабатываеиого металла. Установлена возможность достижения более высокой эффективности производства.

- го -

4. Сформулированы критерии совершенствования производства, включающие повышение гибкости й выборе оборудования комплекса, назначении оптимальных маршрутов и очередности обработки заказов.

5. Для решения тепловых задачпредложены иразработаны модель и методика исследования методом интегрального динамического теплового баланса основных элементов металлургического комплекса, отражающих весь цикл работы печных камер. Установлена существенная нестационарность теплового состояния в течение всего периода, обработки.

6. Разработана методика имитационного моделирования тепло-технологического процесса в комплексе термообработки и создана эмпирико-дедуктивная модель включающая детерменированные непрерывные и дискретные стохастические функции, описывающие тепло-технологический процесс с последующей оценкой и оптимизацией методом интегрального- программирования. Модель реализована в виде прикладного программного обеспечения интегрированного в программное обеспечение комплекса. Предложены, проанализированы и опробированы различные методы оперативного анализа наиболее при-емлимым выбран метод полного перебора с кластеризацией заказов.

7. Реализована методика кластеризации состояний процесса с целью достижения максимальной оперативности получения решения поиска наиболее эффективной последовательности посада и маршрутов .транспорта в процессе выполнения заданных параметров термической обработки, позволяющих сократить производственные затраты не менее чем на 10%, ¡гарантировать качество выпускаемой продукции, снизить расходы топлива и другие затраты производства.

8. Реализованные методики исследования, алгоритмы, модели и программное обеспечение введено в качестве информационно-управляющей компоненты в функционирующую автоматизированную систему

- 3ö -

комплек.а в виде терминальной персональной ЭВМ, и может быть легко адаптировано к условиям других металлургических комплексов. Применение ее позволило получить значительный экономический эффект, оцениваемый более чем 10DM/ Т термообрабатываемо-го металла, причем на долю топлива приходится около 12% .

Основное содержание изложено в работах:

»

1. George М., Goehler W., Muench G. , Schikora В. Inbetriebnahme einer modernen Stabstahlvergueteanlage in den Saechsischen Edelstahlwerken GmbH Freital // 13. KDT-Fachtagung Waermebehand-lung und Werkstoffkunde, Gera, 1990. - S. 48-52.

2. Eckstein H.-J. Gefuegebildungsprozesse unter den thermischen Bedingungen der ' neuen Durchlaufvergueteanlage der Saechsi- sehen Edelstahlwerke GmbH Freital, Forschungsbericht // Bergakade mie Freiberg, Fachbereich Metallurgie und Giessereitechnik.- 1989.

3. Goebel В., Schikora B. Simulation komplexer Waernebe-handlungsprozesse am Beispiel der Stabstahlvergueteanlage in den Saechsischen Edelstahlverken GmbH, Freital // 4. Fachtagung Infor- matik und Schulung, Oldenburg, 1991.

4. Fortschrittsbericht гит Investitionsobjekt Vergueteanlage // Friedensstahl - Betriebszeitung der Saechsischen Edelstahlwerke GmbH Freital. - 1991. - »2