Повышение результативности сортовой прокатки на основе применения предупреждающих действий при настройке стана

Техническая возможность получения и передачи больших объемов данных о технологических процессах, производстве, менеджменте, состоянии оборудования и т. д. в условиях новых производств стала на порядок больше. Вместе с тем на основе предшествующего опыта нет возможности эффективно использовать эти данные. Это объясняется тем, что на производственных объектах предшествующих поколений задачи управления качеством решались i 1 ' • на основании ограниченных объемов информации, не собранных в единые базы данных. Управленческие решения по управлению качеством и т. д. в большинстве случаев принимались на основе опыта и интуиции персонала.

Поэтому при переходе к технологическим процессам нового поколения (в частности, к новым процессам производства сортового проката) существует проблема эффективного использования текущих данных для формирования с структурированной информации, позволяющей принимать рациональные решения в области управления качеством технологических процессов и-качества продукции.

Современные подходы к системе менеджмента качества (СМК) определяют возможность и необходимость принятия обоснованных^решений в области качества на базе достоверной информации согласно одному из принципов менеджмента качества по ИСО 9000:2005 — «Принятие решений, основанное на фактах» [1]. Этот принцип может реализоваться, если организация будет вести измерение и сбор данных и информации по всем важным процессам, обеспечивать точность, надежность и доступность данных и информации, анализировать их с помощью подходящих методов.

Особое значение здесь приобретает возможность использования согласно рекомендациям ИСО 9001:2000 эффективных корректирующих и предупреждающих действий, исключающих появление несоответствующей продукции [2].

В сортовом производстве несоответствующая продукция характеризуется, прежде всего, отклонением геометрических размеров проката от регламентированных. Поэтому оценка влияния различных факторов на точность готового профиля, выбор наиболее существенных из них и определение необходимых корректирующих и предупреждающих действий актуальны. На современных сортовых станах, имеющих мощные информационные системы, эта задача должна решаться на основе эффективного анализа данных и применения адекватных моделей процессов, что позволит отказаться от затратного эмпирического подхода, практикуемого на ряде существующих станов. В связи с техническим и технологическим перевооружением сортопрокатного производства и строительством новых современных мини-заводов наличие корректирующих и предупреждающих действий с точки зрения управления качеством сортового проката является неотъемлемой частью. В первую очередь решение обозначенной задачи необходимо для профилей простой формы, учитывая их востребованность на рынке сортового проката в целом.

Целью данной работы является повышение качества продукции сортовых станов путем обеспечения точности прокатки на основе разработки и внедрения предупреждающих действий при настройке стана.

Основные задачиработы:

• Разработка методик обеспечения точности геометрических размеров сортового проката простой формы на основе выявления и систематизации предупреждающих действий при настройке стана.

• Определение эффективных повышающих результативность прокатки предупреждающих действий в виде изменений межвалковых зазоров по клетям в ответ на колебания технологических параметров.

• Внедрение в СМК сортопрокатных комплексов рекомендаций, по использованию предупреждающих действий, обладающих-вариативностью применения.

Выводы по главе 2.

1. Предложены принципы использования адаптивной структурно-матричной модели, разработанной на кафедре ОМД ГОУ ВПО МГТУ, в целях моделирования процесса формирования геометрических характеристик профиля при прокатке на стане для задач СМК.

2. Разработана модель процесса «Настройка стана», которая определяет соответствующие действия, исполнителей и документы, необходимые для ее реализации.

3. На основе матричного метода описания геометрических параметров сечений проката предложены новые показатели точности: векторный — распределенное отклонение профиля (РОП), скалярные — интегральное отклонение профиля (ИОП) и показатель соответствия профиля (ПСП). Используя новые показатели, можно определять, соответствует ли профиль в последней клети каждой группы клетей заданным геометрическим размерам, и требуется ли настройка конкретной группы клетей.

4. С целью практического использования разработанных в диссертации показателей ИОП и ПСП созданы модельные карты, позволяющие выразить точность прокатки через диапазоны и значения ИОП и ПСП.

5. В результате применения метода экспертных оценок для определения наиболее значимых параметров, влияющих на точность прокатки, установлено, что такими параметрами являются: предел текучести, температура заготовки и диаметр валков. Влияние износа валков и натяжения раската в данной диссертационной работе не рассматривается.

6. Разработана методика оценки допустимых значений показателя ИОП при помощи модельных карт.

7. На основе данных сортовых станов ОАО «Северсталь» при помощи многовариантного компьютерного моделирования с применением предложенной в данной работе методики модельных карт установлены допустимые с точки зрения обеспечения точности диапазоны ИОП, при которых ПСП=1. Это позволило определить необходимые критерии для разработки и применения предупреждающих действий.

8. Разработаны форма, принципы заполнения и дальнейшего использования таблиц предупреждающих действий при настройке стана в случаях изменения значимых технологических параметров.

Глава 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕЖИМОВ НАСТРОЙКИ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРЕДУПРЕЖДАЮЩИХ ДЕЙСТВИЙ.

3.1. Основные принципы использования модели для определения предупреждающих действий.

Математическая модель [96] позволяет выявить важные с точки зрения управления качеством производимой продукции зависимости режимов настройки от изменений технологических параметров процесса прокатки.

Практическую значимость полученных результатов выражают следующие принципы использования модели при разработке предупреждающих действий:

• определение взаимосвязи значимых параметров, выявленных в п. 2.5 (температуры нагрева заготовки, марки стали (предела текучести), диаметра рабочих валков (количества переточек)), с новыми показателями РОП, ИОП и ПСП;

• определение для каждого профилеразмера стали известных допустимых пределов варьирования: температуры нагрева^ заготовки, предела текучести, количества переточек, не требующих предупреждающих действий (настройки клетей стана);

• определение предупреждающих действий (режимов настройки) и выявление клетей, оказывающих наибольшее влияние на настройку.

Определение взаимосвязи температуры нагрева заготовки, предела текучести, количества переточек с показателями РОП, ИОП-и ПСП проводилось по следующей методике:

• подготовка соответствующей базы данных в цифровой форме представления калибров;

• моделирование режимов изменения температуры нагрева заготовки, предела текучести, количества переточек поочередно для каждого профиля;

• выполнение алгоритма пошаговой настройки клетей стана в направлении против хода прокатки при помощи программы [90]. Для этого в каждой клети рассчитывается единичное вертикальное смещение валков на ОД мм с постоянной проверкой ИОП в последней клети подгруппы. Если ИОП не обеспечивает условия ПСП = 1, тогда происходит циклическое повторение операции настройки до получения требуемого заполнения калибров.

Для выявления наиболее значимых клетей при настройке в программе существует возможность исключать клети из расчета. Значимость клети определяется по наименьшему изменению зазора в настраиваемой клети. Это позволяет предложить альтернативные варианты предупреждающих действий с использованием различного количества клетей.

Для определения предупреждающих действий была разработана следующая методика моделирования:

• моделируется изменение температуры нагрева заготовки (предела текучести, количества переточек) с определением формоизменения и расчетом показателей РОП, ИОП и соответствующего значения ПСП;

• моделируется настройка группы клетей и определяются изменения межвалковых зазоров в различных клетях группы, необходимые для обеспечения точности прокатки по критерию ПСП = 1;

• состояние данных прокатного стана возвращается к исходному (базовому);

• вновь моделируется изменение того же фактора на ту же величину, но настройка осуществляется с другой комбинацией клетей (см. принципы заполнения таблиц ПД в п. 2.7);

• выбираются предпочтительные сочетания настраиваемых клетей и альтернативные варианты предупреждающих действий.

3.2.

Создание баз данных для моделирования предупреждающих действий в процессе настройки стана.

Рассмотрим основные принципы создания баз данных при адаптации модели настройки [97] на примере станов 350, 250 и 150 ОАО «Северсталь».

При адаптации модели и создании баз данных были приняты следующие допущения и ограничения:

• модель применяется к каждой группе клетей каждого сортового стана;

• основными варьируемыми факторами, влияющими на точность прокатки, являются значимые параметры, выявленные в п. 2.5;

• основным способом повышения точности прокатки является регулировка зазоров в калибрах;

• расчет настройки калибров ведется в группе против хода прокатки по условию выполнения профиля на выходе из последней клети подгруппы. Точность расчета зазора составляет 0,1 мм.

Все необходимые параметры по проходам (по клетям) согласно модели [62] были представлены в виде сложных матриц (баз данных) [A]j, состоящих из блоков, содержащих сгруппированные данные. Это позволило использовать матричную структуру не только как математический объект, но и как структуру для хранения, упорядочения и обработки данных по всем программам прокатки для станов 350, 250 и 150.

В общем виде матрицу можно представить так:

3.1) где [Ф] - матрица формы профиля раската;

777]. — матрица, текущих технологических параметров (скорость.прокатки, зазор между валками, прокатанный тоннаж);

CP] - матрица свойств раската (температура прокатки, пластические свойства стали);

ПО]- - матрица, которая описывает параметры оборудования^ (диаметры. валков, передаточные отношения главных линий);

ПЩ — матрица, характеризующая* износ калибров (в данной работе износ не рассматривается, поэтому принимается [ПИ]= [Ф].

Как указано в п. 3.1, при адаптации' модели к станам сечения раската по клетям были описаны с помощью-матриц [98]. При этом компонентами матрицы являются, длины радиус-векторов, проведенных из центра тяжести-сечения до пересечениях контуром калибра через равные углы, причем часть, сечения попадает в разъем.

Данный способ позволил учесть в модели^все особенности" формы контуров калибров, используемых в группах клетей станов 350, 250 и 150.

Подготовка исходных данных (баз данных) и адаптация модели была проведена следующим образом [99, 100]. Путем прямых измерений по чертежам калибров и шаблонов для нарезки калибров с точностью 0,05 мм при помощи программных средств AutoCAD были сформированы матричные модели калибровок черновых групп с учетом зазоров, выставляемых по калибровке. Компоненты матриц, характеризующие ширину сечения по разъему, определялись для каждой калибровки из практических данных таблиц калибровки- «по железу» с учетом максимальных диаметров валков. При этом для каждого калибра был учтен не только контур ручьев, но и контур боковой поверхности' раската в зоне разъема валков.

Методика описания, калибров и прокатываемых сечений состоит в следующем [97]:

• в AUTOCAD определяется центр симметрии сечения калибра;

• вводятся по запросу в командную строку необходимые данные для построения векторов, описывающих контура сечения калибра (выбор п).

При этом впервые в практике применения матричных моделей число п =200, что позволяет легко менять п от 10 (применяется в модели настройки) до 200, что в будущем позволит, используя базу данных, решать другие задачи управления качеством;

• указывается угол, на который будут отражаться указанное количество векторов (-90);

• подтверждается заполнение указанным количеством векторов указанных углов.

На рис. 3.1 приведен пример векторного (матричного) описания контура сечения ромбического калибра и прокатываемого в нем сечения.

OV'-i Псмякл V-. Эсчйвкд ®-№Гг Сервис Pncoeewe Размеры Изменения Ova Пинана G X.

Цайваз^ ««а> У f Ч ^ ^ ^ Н ES В» в — li Vihouams д| l|"j Р Q1j131B"ktoo —. f.

Рис. 3.1. Пример описания контура сечения ромбического калибра.

Диаметры валков были включены в модель через максимальное и минимальное значения. Изменение диаметров было предложено описывать не в миллиметрах, а через переточки, величина и количество которых регламентарованы технологической инструкцией' (максимальная величина съема металла за одну переточку зависит от степени изношенности калибров и для валков, применяемых в сортовом цехе ОАО «Северсталь» составляет: 6−10 мм). Это позволило упростить эксплуатацию модели на стане.

Пластические свойства стали были учтены через базовый предел текучести. При этом, в модель включены значения предела текучести для всех прокатываемых сталей (сталь углеродистая обыкновенного качества: Ст1 — Стб (кп, сп, пс) — сталь повышенной прочности: 09Г2С, 09Г2, 15 ГФ, 15ХСНД и, др.) [101, 102].

Изменение температуры прокатки было предложено определять с использованием методики, изложеннойв работах [98−100].

Характеристики износа калибров могут быть в дальнейшем учтены в модели на основании статистических исследований валков на станах 350, 250 и 150 через матрицы износа, подробно характеризующие геометрию-формы изношенного калибра.

При моделировании режимов настройки было предложено рассчитывать величины зазоров между валками с точностью 0,1 мм. При этом с целью более эффективного использования результатов модель рассчитывает не только величины зазоров, — но и ход нажимного винта (изменение зазора), необходимый для их установки, что позволяет легко формировать таблицы предупреждающих действий.

3.3 Определение предупреждающих действий для стана 150 ОАО «Северсталь».

Влияние температуры заготовки, предела текучести, количества* переточек на показатели РОП, ИОП и ПСП анализировали при прокатке на стане 150 круга диаметром: 5,5- 6,5 и 9,0 мм.

При исследовании 1-я и 2-я группы были объединены в одну, поскольку настройка в двух отдельных клетях не представляется возможной. Для каждой калибровки были введены следующие базовые параметры, при которых процесс прокатки считается условно «базовым»: температура нагрева заготовки 1100 °C, предел текучести 100 МПа, количество переточек валков 0.

Для обеспечения точности прокатки необходимо, чтобы соблюдалось условие ПСП = 1 (то есть значение ИОП последней клети группы не должно превышать граничных значений ИОП, приведенных в табл. 2.5).

Предупреждающие действия при изменении температуры заготовки.

Рассмотрено изменение температуры в диапазоне 1000−1180°С с интервалом изменения в 50 °C.

При температурах меньше базовой наблюдается переполнение калибра и ПСП = 0. Превышение базовой температуры приводит к недозаполнению калибра и значение ПСП = 0. В этих случаях требуются предупреждающие действия.

При отклонении температуры в пределах ±-30−50°С от базового значения ИОП находится в допустимом диапазоне (диапазоны допустимых ИОП определены в п. 2.6.) и ПСП = 1, что обеспечивает необходимую точность прокатки и предупреждающие действия не требуются.

Данные об участвующих в настройке клетях и изменении зазоров в них представлены в виде таблиц ПД. Например, таблица 2.6 (см. п. 2.7), является* таблицей предупреждающих действий при изменении температуры заготовки при прокатке круга 05,5 мм. Для круга диаметром 6,5 и 9,0 мм таблицы ПД представлены в приложении 3.

Моделированием было установлено, что наиболее значимыми клетями при настройке являются четные клети (клети с неравноосными калибрами). Если размеры профиля увеличиваются, то значение ИОП становится менее чувствительным к изменению температуры.

Из анализа таблиц ПД следует:

• В черновой группе стан лучше всего настраивать 8-й клетью, при таком варианте будет получена наибольшая эффективность работы стана. Даже незначительное изменение межвалкового зазора позволяет обеспечить точность прокатки в последней клети группы.

• В промежуточной группе клетей ИОП превышает допустимые значения только при понижении температуры. Поэтому при температурах свыше 1000 °C предупреждающих действий в виде настройки не требуется. При уменьшении температурыболее эффективным вариантом ПД является настройка четырнадцатой клетью.

•> В чистовой группе клетей при изменении температуры в большинстве случаев настройка эффективно выполняется двадцать второй клетью. Но при температуре 1150 °C настройка не представляется возможной, поэтому для обеспечения точности прокатки рекомендуетсянастройку осуществлять двадцатой и двадцать второй клетями.

Предупреждающие действия. при изменении предела текучести-, стали.

Моделирование влияния предела текучести исследовали в диапазоне 60−140 МПа с интервалом изменения 20 МПа. Такие значения предела текучести позволяют полностью охватить практически весь марочный сортамент сталей.

Установлено, что значения ИОП очень чувствительны к изменению предела текучести. Поэтому ПД (настройка) не требуются при незначительных отклонениях предела текучести (менее ±10 МПа). Значения ИОП более чувствительны к изменению предела текучести при его уменьшении.

Данные об участвующих в настройке клетях и изменении зазоров в них представлены в виде таблиц ПД. Таблица 3.1 является таблицей ПД при изменении диаметра валков при прокатке-05,5 мм. Для остальных рассматриваемых профилей таблицы ПД представлены в приложении 3.

В результате моделирования было установлено, что наиболее значимыми клетями при настройке являются четные клети (клети с неравноосными калибрами). При увеличении размеров профиля требуются более существенные ПД, а при прокатке «мелких» профилей можно настроить стан при меньшем ходе нажимного винта и меньшим количеством клетей.