Куваєв Володимир Миколайович. Розвиток наукових основ автоматизації процесів виробництва арматурного прокату

Краткое описание

Куваєв Володимир Миколайович. Розвиток наукових основ автоматизації процесів виробництва арматурного прокату : Дис... д-ра наук: 05.13.07 - 2007.

Куваєв В.М. Розвиток наукових основ автоматизації процесів виробництва арматурного прокату. Рукопис
Дисертація на здобуття ученого ступеня доктори технічних наук за фахом 05.13.07 Автоматизація технологічних процесів Національний гірничий університет, Дніпропетровськ, 2007.
Дисертація присвячена рішенню науково-технічної проблеми стабілізації якості арматурного прокату, скорочення втрат металу й енергоресурсів при його виробництві на основі удосконалення технологічної автоматизації.
Ідея роботи полягає в автоматизації процесів виробництва арматурного прокату за параметрами технологічного процесу, що спостерігаються, на основі їхнього взаємозв'язку з якісними показниками товарної продукції.
Формалізовано задачу й обґрунтовано критерії взаємозалежного управління комплексом операцій виробництва мірної продукції, автоматизація на основі яких забезпечує максимально можливий вихід мірної продукції. Обґрунтовані принципи автоматизації процесу термозміцнення арматурного прокату на основі електромагнітного контролю кількості магнітної фази в прокаті. Запропоновано науково-технічні рішення по ідентифікації режиму міжклітьових зусиль в групі клітей з урахуванням стохастичного характеру процесу безперервної прокатки
Результати роботи впроваджені на підприємстві «Міттал Стіл Кривій Ріг».

У дисертаційній роботі вирішена актуальна наукова проблема розвитку наукових основ автоматизації процесів виробництва арматурного прокату щодо взаємозв'язку параметрів технологічного процесу, що спостерігаються, з якісними показниками товарної продукції. Встановлено, що:
а) максимальний вихід мірної продукції при автоматизації операцій виробництва арматурного прокату в стрижнях досягається при мінімальному немірному залишку в прутках, величина якого пропорційна середньоквадратичному відхиленню координат групування прутків у пакеті на виході холодильника від перетину їхнього групування;
б) одержання необхідних механічних властивостей арматурного прокату забезпечується автоматизованим настроюванням процесу термозміцнення при якому магнітна фаза в прокаті на виході установки термозміцнення знаходиться в заданому інтервалі з граничними значеннями, які є убутними пропорційними функціями масової частки вуглецю в сталі;
в) автоматичне управління швидкісним режимом прокатки в чорнових групах клітей безперервних дрібносортних станів базується на статистичній ідентифікації міжклітьових зусиль у прокаті у всіх міжклітьових проміжках і на всіх стадіях заповнення і звільнення групи клітей прокатом, що забезпечується зіставленням статистичних характеристик статичних моментів навантаження електроприводів клітей у процесі прокатки.
Наукові положення і технічні пропозиції з автоматизованого управління виробництвом арматурного прокату підтверджені експлуатацією реалізованих автоматизованих систем.
Отримані наступні теоретичні і наукові результати:

Встановлено, що глобальний техніко-економічний критерій ефективності виробництва арматурного прокату в стрижнях являє собою згортку складових показників якості готової продукції: мірного прокату, немірного прокату і коротких стрижнів. При цьому, коефіцієнти при складових показниках немірного прокату і коротких стрижнів через співвідношення цін, приплат, дисконтних втрат і додаткових витрат доповнюють коефіцієнт виходу мірної продукції основний показник, який застосовується на практиці для оцінки ефективності виробництва прокату в стрижнях.
Показано, що задача оптимального управління операціями виробництва прокату в стрижнях є багатокритеріальною з лексикографічною послідовністю критеріїв, обумовленою можливістю масового сортування стрижнів у технологічному потоці. Основними критеріями є: максимальна кількість стрижнів у пачках, що містять тільки мірний прокат; максимальна кількість мірних стрижнів; максимальна товарна вартість стрижнів з урахуванням дисконтних утрат на немірну продукцію.
Встановлено, що автоматизоване оптимальне управління розрізанням прокату летучими ножицями повинне забезпечувати розкрій прокату на мінімально можливу кількість прутків з двома модифікаціями довжин прутків, що відрізняються один від одного на одиницю кратності мірної довжини. Кількість прутків кожної модифікації визначається умовою забезпечення довжини немірного залишку кожного прутка не менш мінімального значення, який пропорційний середньоквадратичному відхиленню координат торців прутків у пакеті на виході холодильника щодо центра їхнього групування.
Вперше запропонована стратегія оптимального управління комплексом операцій формування відносного розташування прутків у пакеті, що полягає в сполученні в одному перетині холодильника (перетині групування прутків) координати перших оптимальних різів прутків однієї кратності мірній довжині повинні бути суміщені в одному перетині холодильника (перетині групування прутків), а перетини групування прутків з довжинами, що відрізняються кратністю мірній довжині на одиницю, повинні відстояти один від одного на мірну довжину. При цьому перетин групування прутків з більшою кратністю мірній довжині повинен розташовуватися ближче до стаціонарних ножиців холодильника.

Вперше запропонована розрахункова модель механічних властивостей арматурного прокату, що заснована на часткових розрахункових моделях механічних властивостей структурних складових сталі в поперечному перетині прокату. Вихідними даними для розрахункової моделі є средньомасова температура прокату на виході установки термозміцнення, масова частка вуглецю в сталі, номер профілю (діаметр прокату) і частковий вміст мартенситу в сталі.
Показано, що питома кількість магнітної фази в перетині прокату є убутною лінійною функцією масової частки вуглецю в сталі і обернено-пропорційною різниці средньомасової температури і температури поверхні прокату, а параметром, який найбільш суттєво визначає стабільність температури поверхні прокату, є температура води на виході з останньої секції установки термозміцнення.
Вперше доведено, що кореляційний зв'язок між механічними властивостями прокату і кількістю магнітної фази в прокаті не може бути встановлений, тому що коефіцієнт кореляційного зв'язку механічних властивостей, зокрема тимчасового опору розриву прокату, з масовою часткою вуглецю в сталі має позитивний знак, а коефіцієнт кореляційного зв'язку з кількістю магнітної фази в прокаті на виході установки термозміцнення від’ємний.
Показано, що статистичний аналіз результатів контролю кількості магнітної фази і температури охолоджувальної води дозволяє одержати статистичні характеристики температури самовідпуску і масової частки вуглецю в сталі заготовок і визначити область значень механічних властивостей прокату.
Вперше обґрунтовані цільові функції автоматичного настроювання швидкісного режиму прокатки, що полягають у мінімізації області коливань міжклітьових зусиль у процесі заповнення і звільнення групи клітей прокатом, причому дана область повинна включати точку, що відповідає нульовим межклітьовим зусиллям. Розташування границь області щодо точки, яка відповідає нульовим межклітьовим зусиллям, залежить від величин стискальних зусиль, при яких настає втрата прокатом стійкості, і розтяжних зусилль (натягу), що відповідає початку пружно-пластичної деформації. Система цільових функцій автоматичного настроювання швидкісного режиму прокатки чорнової групи клітей являє собою лексикографічну послідовність цільових функцій окремих міжклітьових проміжків з більш високим пріоритетом критеріїв міжклітьових проміжків, розташованих ближче до випускної кліті стану.

Запропоновано ідентифікувати області змін міжклітьових зусиль у прокаті на основі послідовного визначення статистичних характеристик міжклітьових зусиль і моментів формозміни в останньої, в напрямку прокатки, кліті з прокатом поточної заготовки в процесі заповнення групи клітей заготовкою. Моменти формозміни в інших клітях приймаються апріорно за результатами їхньої ідентифікації на попередніх стадіях прокатки заготовки. Визначення статистичних характеристик міжклітьових зусиль на кожній стадії звільнення групи клітей виробляється з уточненням моментів формозміни в клітях, зв'язаних між собою прокатом, методом найменших квадратів.

Показано, що в основу алгоритму автоматичного настроювання швидкісного режиму прокатки може бути покладений один з методів чисельної оптимізації, а сама процедура розрахунку швидкісного режиму прокатки зводиться до рішення системи лінійних рівнянь. Коефіцієнти даної системи рівнянь визначаються на підставі результатів статистичної ідентифікації міжклітьових зусиль при прокатці попередніх заготовок.

Цільова спрямованість досліджень дозволила намітити шляхи їхнього практичного використання, з яких найважливішими є наступними:

Запропоновані в роботі цільові функції вибору раціонального режиму міжклітьових зусиль доцільно використовувати як при автоматичному настроюванні швидкісного режиму прокатки в групах клітей, у яких ідентифікація міжклітьових зусиль здійснюється на основі ситуаційного аналізу статичних моментів навантажень електроприводів клітей, так і при виборі величин вільних прогинів прокату в міжклітьових проміжках з автоматичною стабілізацією прогину прокату;
Використання оптимального автоматичного управління операціями виробництва арматурного прокату в стрижнях забезпечує вихід мірної продукції до 98%. Тип барабанних ножиць, які використовуються для розкрою прокату, істотно не впливає на вихід мірної продукції різниця складає 0,50,7% виходу стрижнів мірної довжини;
Автоматичне формування пакета прутків із запропонованою в роботі конфігурацією дозволяє практично виключити пачки, що містять зі стрижнями мірної довжини стрижні інших довжин, і тим самим виключити операцію сортування при масовому виробництві мірного прокату;
Автоматизація процесу термозміцнення на основі електромагнітного методу дозволяє скоротити розкид тимчасового опору розриву до 100 Н/мм2і менш при регламентованому стандартом України припустимому діапазоні їхній зміни 300 Н/мм2, що дозволяє використовувати запропоновані в роботі методології як для автоматизованого, так і для автоматичного настроювання режиму термозміцнення.
Автоматизоване коректування режиму термозміцнення при якому відношення відхилень кількості магнітної фази в прокаті на виході установки термозміцнення і температури самовідпустку прокату на холодильнику від базових величин є від’ємним, постійним і дорівнює заданій величині, дозволяє підвищити стабільність механічних властивостей прокату в умовах коливань вмісту вуглецю в сталі заготівок.