автореферат диссертации по металлургии, 05.16.05, диссертация на тему:Развитие технологических систем на основе комплексного моделирования для производства конкурентоспособного стального проката

9зогб/ог

Открытое акционерное общество

«Магнитогорский ^етадл^гиц^ций к-пмйинатц

ь -л V м В 4 К Р о с с к.

л л , че■ • • л"

-'гУ'^ .

РАШНИКаВ Виктор Филиппович

т У & а д е и и * В А К с ■'

с

РАЗВИТИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ НА ОСНОВЕ КОМПЛЕКСНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА КОНКУРЕНТОСПОСОБНОГО СТАЛЬНОГО ПРОКАТА

Специальность 05.16.05 - Обработка металлов давлением

ДИССЕРТАЦИЯ

в виде научного доклада на соискание учёной степени доктора технических наук

Магнитогорск - 1998

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор доктор технических наук, профессор доктор технических наук, профессор

Ведущее предприятие: ОАО «Северсталь», г. Череповец

Защита состоится 8 октября 1998 года в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 063.04.01 в Магнитогорском государственном техническом университете имени Г.И. Носова по адресу: 455000, г. Магнитогорск, пр. Ленина, 38, МГТУ, малый актовый зал.

С диссертацией в виде научного доклада можно ознакомиться в библиотеке Магнитогорского государственного технического университета имени Г.И. Носова.

Диссертация в виде научного доклада разослана 4 сентября 1998 г.

Учёный секретарь диссертационного совета

Зиновьев А.В. Коцарь С.Л. Салганик В.М.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Производство стального проката является одним из важнейших направлений функционирования как отечественной, так и зарубежной промышленности. Доля проката во внутреннем валовом продукте в развитых странах составляет около 10 %. В условиях рыночных отношений первостепенное значение приобретает конкурентоспособность выпускаемой продукции, определяемая достижением гарантированных показателей качества при низких издержках производства.

Обеспечение конкурентоспособности представляет собой сложную многофакторную проблему. Ее радикальное решение невозможно без системного анализа сквозной технологической схемы от производства стали до получения готового проката и изделий из него. Для такого исследования разнородных процессов необходимо создание комплекса различных по физической сущности и математическим методам моделей,, применение которых позволяет получить научно-обоснованные весомые результаты. В конечном счете их обобщение дает основу для позитивного развития сложной технологической системы «сталь - прокат - металлопродукция».

Цель и задачи исследования. Целью диссертации является обеспечение стабильного экономичного производства стального проката гарантированного качества и изделий из него на основе создания технических и технологических решений, направленных на совершенствование и развитие системы «сталь -прокат - металлопродукция».

ГГ^гйля достижения этой цели поставлены и решены следующие задачи:

| - разработана информационная система анализа сквозных технологий и на

I ■

. разе предложена стратегия управления качеством продукции;

| - выполнено исследование с применением метода конечных; элементов л|СЭ) напряженно-деформированного состояния (НДС) металла в очаге де-

I-

при прокатке; . „\

-4- создан комплекс математических моделей процесса формирования структуры и механических свойств стального проката при разнообразных технологических условиях;

- развит матричный метод для анализа и совершенствования калибровки валков и процесса сортовой прокатки;

- осуществлено совершенствование действующих технологических систем листопрокатного и сортопрокатного производств, определены перспективы их развития и выбраны виды продукции и соответствующие технологии для эффективной глубокой переработки металла.

Научная новизна. Применительно к действующей технологической системе создана, информационная структура, которая формирует соответствующую базу знаний с четырьмя основными функциональными выходами: 1) нормативных режимов; 2) коррекции назначений полупродукта; 3) динамической коррекции технологии; 4) новых технологий. Разработана система управления качеством продукции, ядром которой является указанная информационная структура.

Математическая модель НДС прокатываемого металла, основанная на МКЭ, создана для объемной задачи с возможностью сокращения порядка системы разрешающих уравнений и сведения процедуры к последовательности решений обобщенных двумерных задач.

Комплекс математических моделей процесса структурообразования и формирования механических свойств проката разработан с учётом важнейшей особенности горячей деформации - существенной подвижности границ зерен и эволюции зеренной структуры. Последняя описана в тесной связи, с одной стороны, с эволюцией дислокационной субструктуры, а с другой, - с изменением состояния границ зёрен в результате накопления на них деформационных дефектов. '

На основе развития матричного 'Подхода к описанию сортовых калибров и процесса деформирования в них, а также учета закономерностей метрического векторного пространства введён критерий технологичности формоизменения

■ -5- . -'■"■' для сравнительного анализа калибровок валков. Предложена матричная математическая модель настройки в реальном масштабе времени межвалковых зазоров и скоростей проката в непрерывных группах клетей сортовых станов, учитывающая влияние комплекса наиболее существенных технологических факторов (марки стали, температуры, диаметра валков, износа калибров).

Создан комплекс защищенных авторскими свидетельствами и патентами технических и технологических решений применительно к структуре и объектам листопрокатного и сортопрокатного производств, а также к эффективным процессам глубокой переработки металла - получению гнутых профилей, прямо- и спиральношовных труб малого и большого диаметров, штампованных изделий из холоднокатаного листа.

Практическая ценность работы. Диссертация связана с проблемами реконструкции и развития ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат», , определенными в последние годы Указами Президента Российской Федерации № 1089 от 27.05.94, № 537 от 13,04.96, Постановлениями Правительства Российской Федерации № 747 от 22.06.94, № 796 от 12.07.96, региональными документами, а также решениями Совета директоров и Правления открытого акционерного общества.

Практическое использование предложенных принципов информационного анализа сквозных технологий позволяет сформировать достоверную базу знаний для действующего технологического комплекса, которая выдает нормативы технологии, сигналы динамической коррекции процесса при различных , возмущениях (отклонениях состава сырья, параметров полупродукта, выходе из строя оборудования и т.д.), а также при необходимости рекомендует ввод новых элементов технологии. Интегрирование этой системы как ядра в трехуровневую (агрегат-цех-комплекс) систему сквозного управления качеством способствует обеспечению стабильного производства продукции гарантированного качества.

Математическое 'моделирование НДС обрабатываемого металла для случая горячей сортовой прокатки дает действительные поля напряжений и скоростей

-6в очаге деформации, по которым можно найти разнообразные технологические параметры реального процесса. В результате создается объективная основа для совершенствования действующих и проектирования новых эффективных технологий. Кроме того, знание НДС необходимо для дальнейшего описания процессов структурообразования.

На основе прогнозирования структуры и механических свойств проката уточняется нормативная технологическая база для действующих и проектируемых сортовых и листовых станов, вводится коррекция температурно-скорост-ных и деформационных режимов прокатки, направленная на повышение потребительских свойств продукции и ее конкурентоспособности.

Критерий технологичности формоизменения, предложенный исходя из матричного подхода, является инструментом для сравнительного анализа, выбора и совершенствования калибровок валков сортопрокатных станов. С помощью матричной модели настройки непрерывных станов проводят многовариантные исследования различных сочетаний клетей и величин межвалковых зазоров, выбирая в итоге наиболее эффективный вариант получения точного и стабильного профиля.

Системный информационный анализ и комплексное моделирование служат научной основой создания и внедрения новых технических и технологических решений, направленных на совершенствование листопрокатного и сортопрокатного комплексов, производства по глубокой переработке металла и определение эффективных путей их развития.

Реализация результатов работы в промышленности. Все результаты диссертационной работы внедрены на основных переделах, использующих процессы обработки металлов давлением, ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат». Информационная система анализа сквозных технологий реализована в технологическом комплексе «кислородно-конвертерный цех -листопрокатный цех № 10 (со станом 2000 горячей прокатки) - листопрокатный цех № 5 ( со станом 2500 холодной прокатки)». Результаты работы системы постоянно используются для коррекции технологических процессов и ми-

нимизации потерь от влияния возмущений по составу сырья, характеристикам полупродукта и сбоям в работе оборудования. Разработанные новые технические решения по усовершенствованию деформационных и температурно-ско-, ростных режимов листовой и сортовой прокатки, калибровки валков и настройки процессов, внедрены на широкополосных станах 2000 и 2500 горячей прокатки, непрерывно-заготовочном 530, сортовых 250-1, 2, 300-1. Осуществление этих мероприятий привело к повышению потребительских свойств (предела прочности, пластичности, точности), расширению сортамента выпускаемой продукции и, следовательно, ее конкурентоспособности.

Для развития крупнейшей технологической системы комбината «ККЦ -цех горячей листовой прокатки» разработан проект и ведется строительство нового цеха холодной листовой прокатки со станом 2000. Пуск этого цеха резко .повысит технико-экономические показатели листопрокатного комплекса. Предложены решения по совершенствованию системообразующих связей между его отдельными переделами.

Разработана концепция поэтапного развития сортопрокатного комплекса ОАО «ММК». Предусмотрена реализация новой высокотехнологичной линии в составе электросталешгавильных печей, агрегатов «печь-ковш», машин непрерывного литая заготовок и современных автоматизированных сортовых станов широкого сортамента.

Внедрение процессов глубокой переработки металла представлено соот-, ветствующим оборудованием и технологическими процессами для производства гнутых профилей разнообразного сортамента, включая специальные гофрированные большой ширины и профили дорожных ограждений мирового уровня, прямошовных труб малого диаметра, штампованных изделий для автомобилестроения, сельского хозяйства и других отраслей. Принят к реализации проект линии с двумя станами для изготовления спиральношовных труб большого диаметра, предусматривающий их антикоррозионное покрытие. Разработана технология получения высокопрочной упаковочной холоднокатаной ленты.

Апробация работы. Основные положения диссертации были доложены и обсуждены на международных симпозиумах в США (Чикаго, 1993 г., Лас Ве-гас, 1995 г., Гонолулу, 1995 г.), Бразилии (Сан Пауло, 1994, 1997 гг.), Чехии (Прага, 1998 г.); на ведущих фирмах в области металлургических технологий и оборудования Германии, Италии, Франции, США, Японии в 1990 - 1998 гг.; на международном коцгресре прокатчиков в Череповце (1997 г.); на ежегодных научно-технических конференциях в Магнитогорском государственном техническом университете в 1993 - 1998 гг.

Публикации. Содержание научного доклада отражено в 6 книгах, 21 научной статье, 18 авторских свидетельствах и патентах России. Представленные к защите материалы являются результатом работы, проведенной лично автором, под его руководством и с его участием.

1. Анализ сквозных технологий и управление качеством продукции [13,21,26]

Для реализации сформулированной выше цели работы необходимо создать эффективную и надёжную информационную структуру анализа сквозных технологий, пригодную к промышленному использованию (рис. 1). Под сквозной технологией понимаем комплекс технологических операций в системе «сталь-прокат-металлопродукция». В основе предлагаемой информационной структуры - концепция .формирования базы знаний о действующем технологическом процессе в реальном масштабе времени. Указанная концепция обусловлена многофакторностью анализируемого динамического процесса, большим количеством возмущающих воздействий на него. Поэтому часто возникают отклонения от нормального хода производства и в случае отсутствия анализирующей структуры соответствующие управленческие решения, принимаемые за ограниченное время и при недостатке информации, далеки от наилучших. В результате растут производственные потери, снижается качество продукции, что отрицательно сказывается на её конкурентоспособности.

Предложенная информационная система синтезирует интегрированную базу знаний сквозной технологии методами пассивного и активного технологических и вычислительного экспериментов. Исходные значения технологических параметров собирают и представляют: в режиме реального времени — база данных, а в режиме долговременного хранения - консолидированный банк. Экспертные оценки для базы знаний вырабатываются под входным воздействием двух ветвей обработки информации из базы и банка данных (на рис. 1 - левая и правая ветви).

В левой ветви используется математическое моделирование физической сущности технологических операций (см. ниже комплекс математических моделей). Модели приспосабливаются к реальным производственным условиям с помощью модуля адаптации. С этой же целью из расчётного модуля привлекаются и инженерные оценки значений технологических параметров. Предусмотрена возможность проведения вычислительных экспериментов и построения итоговых регрессионных зависимостей. Они являются простым и быстродействующим вариантом обобщения результатов математического моделирования. Построенные промышленно-применимые модели позволяют найти области допустимых значений технологических параметров, а также оперативно вырабатывать предложения по улучшению хода процесса.

В правой ветви в двух последовательных модулях осуществляется статистическая обработка текущей информации. В первом модуле происходит составление выборок технологических данных, реализация стандартных процедур их обработки, генерация отчётов и рапортов, а во втором - построение по запросам выборок произвольной сложности, реализация расширенного набора процедур обработки данных, построение графиков и гистограмм, вывод эмпирических правил и разработка регрессионных моделей. Выходом правой ветви также являются предложения по улучшению хода процесса.

Результаты обработки информации в обеих ветвях системы обобщает модуль экспертной оценки, который даёт заключение о целесообразности предлагаемых изменений технологии, а также выполняет планирование

Консолидированный банк технологических данных.

;МоЦуй?м'ойелированйя» физических процессов

][ Расчетный модуль'

МОДУЛЬ адаптации

Модуль обработки»;; технологической-: информации

_ -ПНИЩ

I Модуль поддержки технологических. 1 решений

Модуль экспертной, оценки

Устойчивые технологии

Снижение влияния возмущений

Новые технологии

Рис. 1. Информационная система анализа сквозных технологий

технологических экспериментов и управляет их проведением.

Синтезируемая в конечном счёте база знаний использует в качестве входной информации как текущие экспертные оценки хода технологического процесса, так и данные внешних источников знаний и результаты осуществления исследовательских проектов. База знаний имеет четыре основных функциональных выхода (см. рис. 1),

Первый из них представляет собой таблицу штатных производственных режимов с указанием областей допустимых значений технологических параметров. Следующие два выхода содержат алгоритмы снижения потерь от нарушений технологии. Причём второй предусматривает достижение этого путём оперативного переназначения полупродукта в пределах имеющегося портфеля заказов, а третий — путём коррекции параметров процесса на последующих переделах. Следовательно, информация с указанных трёх выходов направлена на стабилизацию действующей технологии и минимизацию потерь от влияния возмущений.

Информация с четвёртого выхода предназначена для коренного обновления процесса получения требуемой продукции, применения,с этой целью новых технологий. Последний выход функционирует в случае неэффективности действующей технологии, невозможности обеспечения регламентиров�