CC BY
90О.Н. Тулупов, А.Б. Моллер
ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И.Носова»
ЭВОЛЮЦИЯ МЕТОДОЛОГИЧЕСКОГО ПОДХОДА
К МОДЕЛИРОВАНИЮ ПРОЦЕССОВ СОРТОВОЙ ПРОКАТКИ В НАУЧНОЙ ШКОЛЕ КАФЕДРЫ ОМД МГТУ ИМ. Г.И.НОСОВА
Зарождение и развитие научной школы сортовой прокатки на кафедре ОМД МГТУ началось со времен основания кафедры М.И.Бояршиновым, что было продиктовано необходимостью создания работоспособных инженерных моделей расчета технических и технологических параметров сортовых станов и калибровки валков для условий сортопрокатного передела ММК.
Рассмотрим эволюцию методологического подхода к моделированию и исследованию технологических процессов сортовой прокатки, а также основные принципы математических моделей, возникавших в ходе развития научной школы под влиянием эволюции технологии, калибровки валков и развития требований к качеству продукции сортовых и проволочных станов горячей прокатки.
До 60-х годов ХХ века в основе характерных для научной школы сортовой прокатки инженерных методик расчета режимов сортовой прокатки, параметров калибровки профилей и валков лежали эмпирические модели, связанные с определением уширения металла в калибрах, как функции высотной деформации с учетом ряда технологических параметров, что в общем виде может быть представлено в виде функционала:
где К
эмпирический коэффициент;
Н^ к - коэффициент высотного обжатия;
Я, Н, к - параметры геометрии очага деформации;
Такой подход был многократно уточнен в процессе изучения и совершенствования режимов прокатки на действующих сортовых станах и был характерен для работ Б.П. Бахтинова, Б.Б. Диомидова [1, 2], получив развитие и систематизацию в научных работах Н.В. Литовченко [2] по принципам расчета типовых калибровок валков.
Повышение в 60-80е годы ХХ века актуальности новых технологических процессов сортовой прокатки (прокатка в многовалковых калибрах), а также возросшая в 80-х годах необходимость поиска резервов вытяжной способности двухвалковых калибров действующих станов нашли отражение в изменении принципов математического моделирования процессов сортовой прокатки в работах М.Г. Полякова [3], а впоследствии В.А. Курдюмовой и С.А. Тулупова [4]. Указанные подходы принципиально отличал учет закономерностей и механизма течения металла в калибрах.
Так, например, в работах Тулупова С.А., который к 1984 году возглавил научную школу сортовой прокатки кафедры ОМД, и его коллег [5] было предложено разделение моделируемого очага деформации при прокатке в вытяжных калибрах на 5 характерных зон по длине (рис. 1) и учет вытяжной способности калибра исходя из соотношения обжимаемых и необжимаемых участков полосы по длине калибра. Так, при прохождении фиксированного сечения полосы вдоль очага деформации было предложено различать следующие этапы формоизменения: контакт сечения с валками (геометрическое начало очага деформации) - вход в очаг деформации; локальная контактная деформация в условиях плоского деформированного состояния при наличии упругих внеконтактных зон, являющихся связью для пластически деформируемых участков - участок Л, деформация полосы по объемной схеме с отрицательным уширением кромок - участок ОП; продольная деформация полосы без отрицательного уширения кромок - участок П; выход из очага деформации.
ЛЬ = 0,70702/г!
] — 1
Л ^
с
V
Б
1 |(л — 1)
где в = ЛЬ = 0,57 + 0,08+ 0,414-1п
Б
Л О О
приведенным диаметр;
I.
од
] - степени деформации.
Для описания закономерностей формоизменения при сортовой прокатке был успешно применен топологический подход, а также т использованы экспериментальные поляризационно-оптические модели.
В эти годы научная школа развивалась в двух направлениях:
— создание и развитие эффективных математических моделей калибровки валков, процессов сортовой прокатки и продольного профилирования;
— разработка новых и совершенствование действующих технологических процессов сортовой прокатки, калибровок валков и оборудования сортовых, проволочных и профилегибочных станов.
Рис. 1. Характерные участки деформации: а - плоскость входа; б - граница между зонами ^ и ОП; в - граница между зонами ОП и П; г - сечение выхода из очага деформации; д - область поперечного сечения, пластически сжимаемая валками; е - боковые внеконтактные зоны в упругом состоянии; ж - боковая внекон-тактная зона в пластическом состоянии
Применение указанной методологии в сочетании с традиционными эмпирическими подходами, а также использование квалиметрических оценок позволили в 80-х годах ХХ века решить целый класс задач, связанных с увеличением вытяжной способности калибров, освоением увеличенного сечения заготовок, снижением количества поверхностных дефектов и повышения уровня качества заготовок, сортового проката и катанки на заготовочных, сортовых и проволочном станах ММК, а также решить задачи повышения качества при производстве гнутых профилей. По итогам этих теоретических и практических результатов в конце 80-х-начале 90-х учеными-производственниками ММК (В.Ф.Рашников, К.Л.Радюкевич, Ф.М.Ахметзянов) и учеными МГМИ им. Г.И.Носова (Н.Г.Шемшурова, Л.М.Цун, И.Г.Шубин) были успешно защищены кандидатские диссертации, в то время существенно укрепившие теоретический и практический фундамент научной школы сортовой прокатки кафедры ОМД.
В это время позитивное влияние на развитие и эволюцию научной школы сортовой прокатки оказала научная школа квалиметрии и управления качеством под руководством Г.С.Гуна, также сформировавшаяся на кафедре ОМД. Взаимодействие этих школ дало синергетический эффект, обеспечив взаимодействие научных коллективов при комплексном решении задач управления технологией и качеством при сортовой прокатке [5].
Дальнейшая эволюция научной школы кафедры ОМД по исследованию и развитию процессов сортовой прокатки во многом определялась возможностями математического моделирования процессов деформации в калибрах с учетом технологических режимов прокатки и особенностей оборудования сортовых и проволочных станов.
Следует отметить, что одним из основных факторов моделирования сортовой прокатки является способ описания геометрических параметров формоизменения. С середины 90-х годов с развитием возможностей вычислительной техники за рубежом получило мощное развитие практическое применение метода конечных элементов в задачах расчета и анализа различных процессов деформации, прогнозирования параметров напряженно-деформированного со-
стояния, энергосиловых параметров при ОМД, в том числе и при сортовой прокатке [6].
Решение задач деформации в калибрах методом конечных элементов имеет важнейшее значение для всестороннего изучения процессов, протекающих в очаге деформации. Вместе с тем, целый ряд практических задач сортовой прокатки требует применения математических моделей совершенно другого характера. Задачей таких моделей при разработке и анализе калибровки валков, оценке возможностей оборудования, совершенствовании режимов прокатки, настройке станов является обеспечение быстрых и надежных решений при одновременном учете варьируемых технологических параметров.
Следует отметить, что для реализации таких подходов к моделированию и решению задач ОМД достаточно эффективным является аппарат матричной алгебры, который давно и плодотворно используется научными школами кафедры ОМД Магнитогорского государственного технического университета. В частности, уже около 50 лет на кафедре ОМД МГТУ успешно развивается матричный метод описания нагрузок и деформаций листопрокатных клетей кварто, у истоков которого стояли В.В.Мельцер [7], В.М.Салганик [8, 9] и их ученики. Данный метод позволяет использовать распределенные (матричные) характеристики силовых условий и деформаций по длине бочки валка и эффективно решать широкий класс задач, связанных с моделированием процессов формоизменения металла и деформации валковых систем при листовой прокатке. Кроме этого, используя аппарат матричной алгебры, ученые кафедры ОМД МГТУ внесли существенный вклад в методологию метода конечных элементов применительно к задачам обработки металлов давлением, представив и реализовав метод конечных элементов в матричном виде [10], что повысило компактность и наглядность записи основных зависимостей по сравнению с традиционно используемыми уравнениями.
Во второй половине 80-х годов аппарат матричной алгебры был применен учеными научной школы сортовой прокатки кафедры ОМД, что определило успешное развитие школы на долгие годы.
В.Н.Заверюха и С.А.Тулупов предложили векторное (матричное) описание контура калибра простой формы [11-13], а затем С.А.Тулупов при участии О.Н Тулупова применил предложенный подход [14] для решения технологических задач формоизменения сортовых профилей, связанных с определением контура калибра простой формы и контура свободной поверхности металла в калибре. Следует отметить, что решения задач по расчету формоизменения в калибрах, полученные с применением данного метода, хорошо коррелируют с решениями, полученными С.А.Тулуповым и Е.Н.Чумаченко [15, 16] полуаналитическим методом конечных элементов, хотя быстродействие последнего при расчетах существенно ниже.
В кандидатской диссертации, представленной и защищенной О.Н.Тулуповым в 1993 году [17], показана возможность использования закономерностей конечномерных векторных пространств для разработки критериев оценки технологичности формоизменения металла в калибрах.
В 1995 г. в МИСиС С.А. Тулупов защитил докторскую диссертацию на тему «Разработка моделей и алгоритмов расчета формоизменения при сортовой прокатке с целью проектирования новых и совершенствования действующих калибровок», которая стала первой докторской работой, закрепившей основы новых принципов моделирования и совершенствования процессов сортовой прокатки [18].
Развитие идей применения матричных методов к задачам сортопрокатного производства в период 1995-2003 гг. под руководством О.Н.Тулупова привело к дальнейшей эволюции научной школы, разрабатывающей математические модели технологических схем сортовой прокатки и их практические приложения на основе структурно-матричного подхода (рис. 2).
Согласно данному подходу, защищенному в 2001 году О.Н.Тулуповым в виде докторской диссертации [19], в матричном виде могут быть представлены не только процессы формоизменения, но и свойства прокатываемого металла, температурно-скоростные условия, характеристики деформирующего инструмента и другие технологические параметры [20-22]. Особенности представле-
ния информации при таком подходе позволили обеспечить достаточно высокую степень универсальности описания конечного формоизменения профилей различной сложности, возможность адаптировать математические модели к различным технологическим процессам сортовой прокатки, а также легко интегрировать в разрабатываемые прикладные модели элементы других известных математических моделей и методов.
Рис. 2. Схема сортовой прокатки и их практические приложения на основе структурно-матричного подхода
Структурно-матричный подход позволяет достаточно легко адаптировать модели технологических схем к различному иерархическому уровню решаемых задач. При этом блочная структура матриц «сворачивается» и «разворачивается» в зависимости от значимости информации, необходимой для моделирования определенных процессов и решения определенного вида задач:
ГМ] [и ] З12 " З1ш Г[С1 ]!
[С2] — З21 [И2 ] З2ш [С2 ]
Рш]_ З _ ш1 Зш 2 " ' [Иш ]_ \Рш ]_
где [Сш ] и [С]
И ]
З
матрица, описывающая начальное и конечное состояние одного из свойств объекта; матрица изменения состояния;
зависимости между различными матрицами изменения (например, связь между формоизменением и температурой).
Для оценки эффективности технологических схем сортовой прокатки предложено использовать представление их в виде множества элементов конечномерного векторного пространства. При этом были применены свойства нормируемости и метризуемости пространства. Это позволило разработать универсальную систему матричных критериев для комплексного анализа калибровки валков для профилей любой сложности.
Решение многих технологических задач, связанных с повышением эффективности процессов сортовой прокатки, подробно описано в работе [20]. В работах [23, 24] представлены результаты разработки адаптивной структурно-матричной модели для решения задач настройки непрерывных групп клетей. Воздействие на формоизменение с возможностью управления станом предполагает объединение информации по всем основным показателям процесса, влияющим на размеры и качество получаемой формы (форму и размеры подката, температуру подката, марку стали, характеристики клетей, скорость прокат-
ки и т.д.). Все необходимые параметры записываются в сложную матрицу начального состояния [А], при этом матрица может состоять из блоков, которые, в свою очередь, содержат структуры данных. Задача настройки с помощью изменения зазора между валками была решена в кандидатской диссертации А.Б.Моллера [25] в 1996 году путем нахождения неизвестных значений величины изменения зазора каждой клети в матричном уравнении, записанном для клетей всего стана Кроме этого, А.Б.Моллер впервые разработал матричную модель, описывающую изменение формы контура калибра при износе валков.
В процесс эволюции научной школы и развитие адаптивных структурно-матричных моделей вложил существенный вклад коллектив ученых, защитивших кандидатские диссертации под руководством О.Н.Тулупова и при научной консультации А.Б.Моллера.
Так, в 1996-97 гг. А.А.Зайцев разработал принципы матричного описания формоизменения сортовых профилей в калибрах различной сложности, а также при участии М.Ф.Сафронова адаптировал этот подход к описанию процесса формоизменения при производстве гнутых профилей. В 1997 году в диссертации А.А.Зайцева [26] был разработан структурно-матричный подход, позволяющий описать технологические параметры процесса прокатки единым матричным уравнением, а также была доказана связь между величинами матричного критерия технологичности и работы формоизменения. Структурно-матричный подход, предложенный и обоснованный для моделирования процессов прокатки и калибровки фасонных профилей, был использован при совершенствовании калибровки уголка на действующих в то время станах ОАО «ММК», в том числе для стабилизации геометрических размеров уголка в открытых калибрах.
Решение комплекса научных и практических задач высокоскоростного комплекса по производству катанки на примере проволочного стана 150 ОАО «БМК» было представлено в 1999 году в диссертации Е.А.Евтеева [27], в результате чего на основе использования структурно-матричного подхода были установлены режимы прокатки с пониженным теплосодержанием заготовок,
разработана методика учета и контроля натяжений в чистовом блоке, а также способы стабилизации точности подката за счет кинематического рассогласования скоростей прокатки и настройки калибров по длине раската.
В диссертации В.В.Арцибашева [28] в 2001 году было представлено матричное уравнение, описывающее кинематические характеристики формоизменения металла и движения профиля по длине очага деформации, а неравномерность формоизменения металла в калибрах определена компонентами девиа-торной составляющей матрицы формоизменения и в результате оценена интегральными показателями, что позволило разработать методику совершенствования калибровки валков, обеспечивающую снижение неравномерности, и применить ее для решения задачи равномерного распределения медной оболочки вокруг стального сердечника при прокатке биметаллической катанки в условиях стана 320 ОАО «МММЗ».
Учет и моделирование формоизменения ликвационной зоны в непрерыв-нолитой заготовке представлены в 2001 году в диссертации А.А.Завьялова [29], где для геометрического структурно-матричного описания осевой ликвацион-ной зоны в поперечном сечении раската предложен способ, основанный на линейной аппроксимации формы с разбиением ее на отдельные сегменты, а также критерии, характеризующие формоизменение ликвационной области и входящие в общую структуру описания процесса наряду с матрицей формоизменения. На основании предложенного способа создан программный продукт, в котором структурно-матричная модель технологической схемы была дополнена матричной моделью формоизменения ликвационной зоны [29]. При помощи компьютерного моделирования были сформулированы рациональные рекомендации по режимам прокатки для условий сортопрокатного передела ОАО «ММК» с учетом планировавшейся в то время реконструкции предприятия, а также определено рациональное сечение заготовки.
Применяя информативность и системность структурно-матричного подхода к описанию геометрических параметров очага деформации, Д.И.Кинзин в 2003 году представил и защитил кандидатскую диссертацию [30], в которой на
основе использования принципа наименьшего сопротивления получены новые методики расчета показателей формоизменения при прокатке в калибрах и полей контактных напряжений. Разработка данных методик дала новый импульс развитию практических приложений для расчета и анализа калибровки валков в условиях калибровочного бюро, а также для решения задач оптимизации калибров по различным критериям, что нашло отражение и развитие в новых работах научной школы вплоть до 2014 года. Это связано с коренной реконструкцией сортового производства ОАО «ММК» и необходимостью структурирования и сохранения наработанного на старых станах опыта (эффективно действующих калибровок профилей), а также анализа и корректировки новых режимов прокатки для вновь строящихся прокатных станов 170, 370 и 450. Это привело к сокращению сроков и материальных затрат при переносе и освоении сортамента со старых станов на современные станы фирмы Danieli.
В развитие идеологии структурно-матричного моделирования (структурирование параметров технологического процесса в виде блоков матрицы и определение связей между ними) в диссертации А.В.Логинова в 2004 году [31] была предложена запись матричного блока, отражающая связь между технологическими параметрами термомеханически упрочненного проката и уровнем механических свойств, что позволило установить и использовать при производстве арматуры в сортовом цехе ОАО «ММК» математические зависимости между прочностными характеристиками термомеханически упрочненного проката, углеродным эквивалентом и технологическими параметрами прокатки и охлаждения, а также определить интервал температур, в котором охлаждение при прокатке оказывает влияние на прочностные характеристики, не ухудшая геометрических параметров раската.
Использование структурно-матричного подхода нашло отражение в диссертации Д.В.Колясова [32] и работах его соавторов в начале 2000-х при освоении и непродолжительной эксплуатации в условиях ОАО «ММК» стана фирмы «KOCKS» с трехвалковыми калибрами и характерной спецификой эксплуатации дорогостоящих прокатных валков с регламентированным их перемещением
по прокатному стану. Это способствовало доработке модели непрерывного стана до «сквозного» расчета всей калибровки как в двух-, так и в трехвалковых калибрах для комплексного расчета геометрических и энергосиловых параметров прокатки, а также реализации принципа описания и учета состояния валковых шайб в блоках трехвалковых калибров как основного критерия оценки дальнейшей пригодности шайбы в занимаемой позиции [33].
Вообще с середины 1990-х - до начала 2000-х гг. при помощи данного подхода был получен комплекс технических и технологических решений и результатов, основными из которых являются следующие:
- разработан и реализован на проволочном стане 250-2 ОАО «ММК» способ стабилизации геометрических размеров катанки по длине бунта путем дифференцированного охлаждения;
- разработана, промышленно опробована и внедрена на стане 320 цеха биметалла ОАО «МММЗ» калибровка валков чистовой группы, повышающая равномерность формоизменения при прокатке сталемедной катанки;
- разработаны и внедрены в практику работы калибровочного бюро ОАО «ММК» программные средства и методики анализа калибровок валков и технологических схем сортовой прокатки; пакет программ для расчета, анализа и совершенствования калибровки станов 300-1, 500, 250-1, 250-2, 300-3;
- разработаны и переданы с целью дальнейшего совместного использования фирмам Ефш AG (Германия) и Danieli (Италия) элементы математической модели и программного обеспечения для внедрения на действующих и вновь строящихся станах и для использования при анализе технологических схем;
- реализованы в условиях проволочного стана 150 ОАО «БМК» (г.Белорецк) компьютерная система-советчик для настройки непрерывных промежуточных групп стана и способ дифференцированной настройки для повышения стабильности размеров подката перед блоком, получены новые рекомендации по настройке;
— на основании моделирования режимов прокатки блюминга и НЗС 630/530 в обжимном цехе ОАО ММК предложены и экспериментально опробованы способ и калибровка для прокатки сляба с разделением и последующим получением сортовой заготовки.
Многолетнее успешное развитие научной школы было бы невозможно без тесного взаимодействия, постоянного научно-технического и методологического сотрудничества с крупнейшими специалистами в области технологии сортовой прокатки и моделирования процессов пластической деформации В.Г.Шеркуновым, В.А.Шиловым, А.А.Богатовым, А.И.Трайно, В.С.Юсуповым, В.А.Трусовым, О.М.Смирновым, Н.А.Чиченевым и другими коллегами.
Одной из основ существования и развития научной школы «Моделирование и развитие процессов сортовой прокатки» традиционно является постоянная связь и активное взаимодействие с коллегами из сортопрокатного производства ММК, а также других предприятий.
В развитие научной школы с начала 1990-х серьезный вклад внесли крупные специалисты-производственники В.Ф.Рашников, М.Ф.Сафронов, В.Г.Логинов, А.В.Титов, А.М.Алексеев, О.П.Ширяев (ОАО «ММК»), А.Н.Луценко, В.А.Монид (ОАО «Северсталь»), Е.А.Евтеев (ОАО «БМК»), а также многие технические специалисты сортовых и проволочных станов.
Особое место в расширении и эволюции научной школы всегда занимало и занимает взаимодействие с калибровочным бюро ОАО «ММК». Главные калибровщики П.В.Ширяев, В.Г.Логинов, а также такие маститые специалисты, как Р.Г.Загитов, В.М.Куприн, В.А.Авдонин и другие калибровщики всегда были участниками научной школы, а Д.И.Кинзин до начала работы над докторской диссертацией в течение семи лет работал в калибровочном бюро, внедряя структурно-матричный подход в практику в период коренной модернизации сортопрокатного передела ММК.
Сегодня калибровочное бюро ММК под руководством В.А.Шурыгина, продолжая многолетние традиции, активно и профессионально участвует в раз-
работке, опробовании и внедрении новых программных средств оптимизации калибровок, являясь частью интеллектуального потенциала научной школы.
Особой частью и продолжением научной школы на производстве по традиции являлись и являются руководители и специалисты сортовой лаборатории ЦЛК и сортового цеха ОАО «ММК» (Ю.В.Симаков, А.Ю.Дзюба, Д.В.Назаров, Р.В.Новицкий, Т.А.Мурзабаев и др.).
Взаимодействие с производственной частью научной школы является определяющим фактором актуальности и результативности проводимых научных исследований и позволяет наметить оптимальные векторы развития ее научно-технического потенциала. Характерными примерами являются выполненные в середине 2000-х гг. научные работы Ю.В.Симакова (ОАО «ММК») и А.Н.Луценко (ОАО «Северсталь»), представленные и защищенные в качестве диссертаций под руководством А.Б.Моллера и О.Н.Тулупова соответственно. В диссертации Ю.В.Симакова [34] определено количественное совместное влияние температуры, скорости и степени деформации на формирование структуры металла при высокоскоростной прокатке катанки и построена математическая модель прогнозирования уровня механических свойств как целевого показателя качества в зависимости от режима прокатки и охлаждения катанки. Диссертационная работа А.Н.Луценко [35] решила задачи совершенствования процессов деформации непрерывнолитой заготовки в калибрах на основе матричной модели формоизменения с целью повышения качества сортового проката.
Оба научных исследования показали растущую актуальность разработки, исследования, апробации и использования технологических методов управления качественными показателями продукции и необходимость развития и эволюционирования методологии научной школы в направлении системной постановки и решения большого класса задач управления качеством.
Технологические методы управления качеством сортового проката были представлены и защищены в одной из первых кандидатских работ по специальности «Стандартизация и управление качеством продукции (металлургия)» Д.Н.Тулуповым в 2004 г. под руководством В.М.Салганика. В этой работе [36]
с использованием эффективных методов оценки качества установлено приоритетное значение фактора межклетевого натяжения с точки зрения воздействия на показатели качества катанки по геометрическим размерам непосредственно в процессе прокатки, на основе экспериментальных исследований выявлена связь между характером влияния на точность раската равноосных и неравноосных калибров и разработаны инструменты управления качеством с использованием натяжения как управляющего фактора для повышения точности поперечного размера раската по длине.
Поэтому с 2003 года с появлением на кафедре ОМД новой специальности «Стандартизация и сертификация в металлургии» в научной школе «Моделирование и развитие процессов сортовой прокатки» выделилось и успешно развивается под руководством А.Б.Моллера научное направление «Повышение эффективности производства сортопрокатной продукции на основе структурирования и развития элементов менеджмента качества», включая взаимную увязку проблем управления качеством продукции, качеством технологического процесса и качеством подготовки и повышения квалификации персонала.
Эволюция научной школы в направлении проблем управления качеством определяется следующими группами факторов:
1. Уровень развития процессов производства сортового проката в направлении гибких высокоскоростных технологических схем при одновременном ужесточении требований к показателям качества профилей актуализировал вопросы поиска эффективных и результативных методов целенаправленного управления качеством продукции через воздействие на технологические факторы процесса, организацию труда и компетенции персонала.
2. Современные тенденции управления производством базируются на развитии организационных и методических основ стандартизации и управления качеством, применении адаптивных систем управления технологическими процессами и все более широко внедряемой системы менеджмента качества на основе международных стандартов ISO серии 9000.
3. Опыт металлургических предприятий показал эффективность применения достаточно простых, универсальных, быстродействующих, легко дополняемых и надежных моделей, отвечающих требованиям объектно-ориентированного математического обеспечения, реализованного для работы как в режиме ON LINE, так и в режиме моделей-имитаторов, оставляющих право принятия решения по управляющему воздействию за оператором технологического участка. Следует учитывать, что такие модели также являются эффективным инструментом повышения компетенций производственного персонала и, как следствие, результативности его работы. Вместе с тем, неоднозначная связь технологических параметров прокатки в калибрах различной сложности и небольшие возможности заочного тренинга молодых специалистов ограничивают разработку, внедрение и эффективное использование комплексных систем управления качеством продукции сортопрокатных станов. Применяемые в настоящее время системы характеризуются использованием типовых форм калибров, типовых вариантов изменения технологических параметров, включая режимы натяжения раската между клетями. Кроме того, затруднен мониторинг показателей качества продукции от стадии проектирования до непосредственного производства ввиду отсутствия единства математических подходов к описанию сортовых профилей, с одной стороны, и к методологии управления качеством сортового проката различных типоразмеров, с другой. Данное обстоятельство усложняется часто возникающей необходимостью изменения проект-но-компоновочных решений для сортовых станов в процессе их модернизации или строительства, что подчеркивает важность развития и применения адаптивных комплексных моделей управления качеством, решающих вопросы как системного, так и оперативного анализа альтернативных вариантов технологических схем.
Поэтому с середины 2000-х гг. разработка и совершенствование методов сквозного интегрированного и адаптивного управления качеством сортового проката на единой математической основе и единых принципах представления информации о критериях качества стала одним из приоритетных направлений
дальнейшего развития сортопрокатной научной школы кафедры ОМД МГТУ им. Г.И. Носова.
В эволюционирование научной школы в этом направлении вложил существенный вклад коллектив ученых, защитивших кандидатские диссертации под руководством А.Б.Моллера (С.А.Левандовский, Н.А.Ручинская, Д.В.Назаров, А.С.Лимарев) и О.Н.Тулупова (А.В.Наливайко).
Научная работа С.А.Левандовского [37]в 2005-2006 гг. решила задачу оперативного управления в рамках структурно-матричного подхода большим объемом технологических параметров, в связи с чем была разработана математическая модель для целенаправленного повышения параметров качества продукции путём оптимизации формы калибров по неравномерности деформации при прокатке круглого и квадратного профилей и соответствующая иерархическая база данных технологических параметров [38]. Задача сводилась к отысканию изменений величин радиус-векторов, характеризующих контур калибра, уменьшающих значение коэффициента неравномерности деформации Кнер до значения менее 0,25, а, значит, и саму неравномерность деформации раската при заданных условиях.
В рамках структурно-матричного подхода с применением принципа критериального подхода к управлению качеством Н.А.Ручинской в 2006-2008 гг. был разработан комплекс новых показателей точности прокатываемого профиля [39, 40]: распределенное отклонение профиля (РОП) поперечного сечения раската, отклонение, выраженное одним числом, - интегральное отклонение профиля (ИОП) и показатель соответствия профиля (ПСП) логического типа, отражающий соответствие отклонения допустимому диапазону. На базе разработанных показателей РОП, ИОП и ПСП по оригинальной методике для каждого профилеразмера определяются допустимые пределы варьирования температуры нагрева заготовки, предела текучести стали, количество переточек, которые не требуют предупреждающих действий (настройки клетей стана), а также диапазоны изменения основных параметров прокатки, позволяющие скоррек-
тировать качество проката путем целенаправленного изменения межвалкового зазора как основного инструмента управления.
Научные и практические результаты, полученные в 2006-2009 гг. Д.В.Назаровым [41], базируются на адаптивности структурно-матричного подхода и позволяют повысить точность и однозначность матричного определения точек пересечения базисных радиус-векторов с контуром калибра путем вынесения центра описания контура калибра из плоскости самого сечения. Наибольшее значение такое решение имеет при работе со сложными фланцевыми профилями при предварительной диагностике и формировании корректирующих мероприятий. Первый вариант заключается в оценке распределения значений метрик и определении тех клетей стана, в которых наблюдается высокий момент прокатки. Второй вариант является развитием первого. К модели оценки распределения нагрузки добавляется корректировка формы калибров в критически нагруженных клетях. Так, при совершенствовании калибровки швеллера №16 для стана «450» ОАО «ММК» по предложенной методике была получена новая калибровка чистовой группы клетей, позволившая снизить температуру нагрева в печи на 30°С и обеспечить температуру конца прокатки в диапазо-
Л
не 910-980°С, что в свою очередь обеспечило класс прочности 345 Н/мм при прокатке швеллера №16 из стали марки 09Г2С по ГОСТ 19281-89.
В работах А.С.Лимарева [40, 42, 43] в 2006-2009 гг. впервые представлена комбинация технологических методов управления качеством и компетентност-ных моделей. Были разработаны:
- методика управления качеством производства фасонных профилей, способствующая снижению усилий прокатки за счет рационального подбора элементов калибров, основанного на дискретном представлении их контуров;
- элемент управления качеством сортовой продукции на основе формирования компетенций персонала с применением адаптивных матричных моделей настройки станов;
— методика оценки квалификации технологического персонала металлургического предприятия на основе нового комплексного показателя, отвечающего требованиям к системам менеджмента качества.
В итоге в 2011 году в докторской диссертации А.Б.Моллера [44] представлена суть методологии, отвечающей принципу сквозного интегрированного управления качеством сортопрокатных технологических систем на единой математической основе структурно-матричного подхода представления информации, ее систематизации и применения в комплексе взаимосвязанных математических моделей. Это может быть представлено в виде упрощенной схемы (рис. 3) [40, 43].
Рис. 3. Суть методологии, представленная фрагментом диаграммы «причина-следствие»
Равноценным принципом TQM по сравнению с процессным подходом является вовлечение сотрудников. Сотрудники, вовлекаемые в процесс реализации целей организации, должны иметь соответствующую квалификацию для выполнения возложенных на них обязанностей. Модель управления качеством сортопрокатной продукции (рис. 4) содержит целый ряд разделов, обеспечи-
вающих комплексное сквозное моделирование процесса прокатки на сортовом стане с учетом уровня техники, технологии и компетентности персонала.
Рис.4. Модель управления качеством сортопрокатной продукции
Разработанная модель управления качеством сортопрокатной продукции, снабженная блоками расчета, информации, обучения и проверки знаний, позволяет решать следующие задачи менеджмента качества [43]:
- повышение качества выпускаемой продукции и эффективности производства;
- сокращение сроков качественного обучения операторов, вальцовщиков, калибровщиков и инженерно-технологического персонала сортового стана;
- повышение профессионального уровня и технологической дисциплины действующего эксплуатационно-технологического персонала цеха;
- обеспечение необходимой профессиональной базы и быстрой переподготовки кадров внутри цеха и предприятия;
— получение объективных оценок квалификации и профессиональных возможностей для повышения разряда, поощрения и перераспределения кадров на предприятии;
— накопление и передача производственного опыта.
В дальнейшем А.Б.Моллером и А.С.Лимаревым [45] на основе компе-тентностного подхода разработан комплексный показатель уровня квалификации технологического персонала, отображающий базовые компетенции, образование, опыт, мастерство, лидерские навыки, творческую активность и базовые компетенции. Разработана организационная структура функционирования модели-имитатора прокатки на сортопрокатном стане. На основании структуры модели и созданного математического аппарата был разработан программный комплекс «Стан 170», включающий элементы управления нормируемыми показателями качества, путем определения влияния на названные показатели основных технологических факторов, что позволяет выявить и предотвратить нарушения качества производимых работ. В качестве ПД согласно структуре модели формирования компетенций программный комплекс содержит встроенный электронный учебник и систему тестирования, контролирующую качество обучения и овладения навыками безаварийной и качественной работы, что и является целью СМК. Программный комплекс «Стан 170» активно используется на ОАО «ММК» и в ФГБОУ ВПО «МГТУ», в том числе в многопрофильном колледже (МпК) с целью повышения уровня компетенций специалистов и руководителей сортового цеха и смежных с ним производственных подразделений. Свыше 300 слушателей, прошедших обучение, получили свидетельства о высоком уровне знаний и умений по планированию проектирования и разработки (СТО СМК 2-7.3-03-2010) и обеспечению выпуска качественной продукции.
Созданный комплекс моделей и методики их применения, а именно: новые показатели качества процесса прокатки, методика оценки и повышения компетенций технологического персонала и методология управления качеством продукции на стадиях проектирования, внедрения, производства и совершенствования технологических схем прокатки сортовых профилей - обладают потен-
циалом получения синергетического эффекта в области повышения качества. Это позволяет в рамках тенденций развития современного менеджмента - «рачительное производство» (Lean Production), реинжиниринг-процесс и развитие информационных технологий - формировать стратегию предприятия по обеспечению качества путем расширения внедрения моделей-имитаторов. Они должны основываться на едином подходе построения модели управления качеством процесса производства и модели, формирующей компетенции персонала, обладать возможностью поиска «быстрых» нетиповых решений и их реализации без снижения уровня качества продукции.
Следует отметить, что в рамках научной школы «Моделирование и развитие процессов сортовой прокатки» имеется опыт решения современных задач управления качеством продукции сортовых станов с использованием квалимет-рического подхода и регрессионных моделей. Так, задачи достижения заданного уровня показателей качества проката на примере арматуры для разработки нормативного документа, упрощающего отгрузку продукции потребителю, были решены в 2009-2011 гг. в научной работе А.В.Наливайко [46] на основе предложенной им структуры комплексного показателя качества термоупроч-нённого арматурного проката, отличающегося применением новых, специфичных для арматуры А500С дифференциальных показателей [47]. При этом была получена регрессионная модель для прогнозирования показателей качества арматуры, а при оценке дифференциальных показателей качества арматуры в регрессионной модели использованы уравнения для расчета изменения дисперсии прочностных и пластических свойств готового проката. Результаты работы были внедрены в условиях ГУП «ЛПЗ» (г.Ярцево).
Эволюция и расширение методологического арсенала научной школы для решения задач сортовой прокатки связаны с актуализацией после кризиса 2008 года проблемы снижения расхода энергоносителей в технологических процессах. Поэтому в защищенной в 2013 году под руководством Д.И.Кинзина и при консультации С.А.Левандовского диссертационной работе О.Б.Калугиной [48] на основе структурно-матричного представления очага деформации разработа-
на модель и решена задача оптимизации для определения формы контуров калибров, обеспечивающей снижение энергозатрат при прокатке. В результате численного решения задачи оптимизации формы калибров выявлено, что система вытяжных калибров, обеспечивающая минимум работы деформации, должна содержать нечетные (неравноосные) калибры с плоским дном и выпуклой боковой стенкой. Кроме этого была установлена взаимосвязь между коэффициентом эффективности калибровки и равномерностью распределения коэффициента вытяжки по клетям стана.
Рассмотренные пути применения структурно-матричного подхода для моделирования процессов сортовой прокатки и его приложений к различным ранее перечисленным задачам показывают, что данный подход достаточно легко адаптируется к различным уровням технологических задач, позволяет вводить в структуру модели новые данные и устанавливать новые связи между технологическими параметрами и решать в том числе актуальные задачи по прослеживаемости производства и формирования потребительских свойств продукции [47]. Кроме этого, данный подход открыт для интегрирования с другими эффективными моделями, в частности, с моделями, описывающими фазовые и структурные превращения в сталях при деформации. Этим и определяются основные направления дальнейшего развития матричных методов в решении самого широкого спектра теоретических и технологических задач прокатки и управления качеством сортовых профилей и катанки.
Достижения научной школы сортовой прокатки кафедры ОМД были отмечены на государственном уровне. За разработку научных основ и практических приложений адаптивных структурно-матричных моделей для повышения эффективности процессов сортовой прокатки коллектив молодых ученых (Завьялов А.А, Кинзин Д.И., Логинов А.В., Левандовский С.А.) под руководством О.Н. Тулупова был удостоен премии Правительства РФ в области науки и техники за 2006 год.
Полученные и разрабатываемые научной школой сортовой прокатки кафедры ОМД решения используют преемственность и адаптивность применяе-
мого математического аппарата и основных принципов его построения как при решении технико-технологических задач, так и задач в области управления качеством продукции. Это позволяет адаптировать и применять структурно-матричные модели и их приложения в смежных технических областях и открывает широкие возможности дальнейшей эволюции данного методологического подхода.
Библиографический список
1. Бахтинов В.Б. Технология прокатного производства. Учебник для техникумов. М.: Металлургия, 1983. 488 с.
2. Диомидов Б.Б., Литовченко Н.В. Технология прокатного производства. М.: Металлургия, 1979. 488 с.
3. Поляков М.Г., Никифоров Б.А., Гун Г.С. Деформация металла в многовалковых калибрах. М.: Металлургия, 1979. 240 с.
4. Тулупов С.А., Курдюмова В А. Расчет средних коэффициентов при прокатке в вытяжных системах калибров // Изв. вузов. Черная металлургия. 1986. №11. С. 63-65.
5. Эффективность деформации сортовых профилей / С.А.Тулупов, Г.С.Гун, В.Д.Онискив, В.А.Курдюмова, К.Л.Радюкевич. М: Металлургия, 1990. 280 с.
6. Finite element modeling of shape rolling of complex shaped parts - a steady state approach / T.H.Kim, H.J.Kim, S.M.Hwang // Modelling of Metal Rolling Processes 3. Conference Papers. IOM, Chameleon Press Ltd, London, 1999. P. 98-103.
7. Мельцер В.В., Пышенков И.А. Матричный метод расчета профилирования валков станов кварто // Известия вузов. Черная металлургия. 1965. № 10. С. 94-100.
8. Мельцер В.В., Салганик В.М. Матричный метод расчета деформации и профилировки валков листопрокатных клетей кварто: уч. пособие. Магнитогорск: МГМИ, 1970. 50 с.
9. Салганик В.М. Оценка погрешности матричного метода расчета деформаций валков клетей кварто и выбор подходящих аппроксимирующих функций // Теория и технология прокатки: Межвуз. сб. науч. тр. Свердловск: изд. УПИ, 1972. Вып. 196. С. 117-121.
10. Заверюха В.Н., Салганик В.М., Румянцев М.И. Решение задач теории пластичности методом тонких сечений и методом конечных элементов: Уч. пособие. Свердловск: Изд. УПИ, 1986. 58 с.
11. Тулупов С.А., Заверюха В.Н. Матричный способ представления профилей и формоизменения металла в процессах обработки металлов давлением // Известия вузов. Черная металлургия. 1989. № 9. С. 62-65.
12. Тулупов С.А. Матричный способ представления процесса формоизменения металла при прокатке в калибрах простой формы. Сообщение 1 // Известия вузов. Черная металлургия. 1989. № 12. С. 63-65.
13. Тулупов С.А. Матричный способ представления процесса формоизменения металла при прокатке в калибрах простой формы. Сообщение 2 // Известия вузов. Черная металлургия. 1990. № 2. С. 48-50.
14. Тулупов О.Н., Тулупов С.А. Разработка критериев технологичности на базе векторного представления формоизменения металла в вытяжных калибрах // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. 1994. № 1. С. 39-42.
15. Тулупов С.А., Чумаченко Е.Н., Машкова Н.Н. Об одном алгоритме приближенного анализа объемного течения металла при прокатке // Известия вузов. Черная металлургия. 1994. № 11. С. 26-27.
16. Применение конечно-элементного анализа к процессу прокатки в калибрах / Е.Н.Чумаченко, Н.Н.Машкова, С.А.Тулупов и др. // Вестник машиностроения. 1998. № 3. С. 556-563.
17. Тулупов О.Н. Анализ и совершенствование систем вытяжных калибров сортовых станов на базе векторно-матричной модели формоизменения: Дис. ... канд. техн. наук. Магнитогорск, 1993. 153 с.
18. Тулупов С.А. Разработка моделей и алгоритмов расчета формоизменения при сортовой прокатке с целью проектирования новых и совершенствования действующих калибровок: Дис. ... д-ра техн. наук. М.: МИСиС,
1995. 320 с.
19. Тулупов О.Н. Повышение эффективности процессов прокатки и точности сортовых профилей на основе совершенствования технологии с использованием структурно- матричных моделей: Дис. ... д-ра техн. наук. Магнитогорск: МГТУ, 2001. 404 с.
20. Тулупов О.Н. Структурно-матричные модели для повышения эффективности процессов сортовой прокатки. Магнитогорск: МГТУ, 2002.
21. Tulupov O.N., Rashnikov S.F. Matrix mathematical modelling of roll pass design // Modelling of Metal Rolling Processes 3. Conference Papers. IOM. Chameleon Press Ltd. London. 1999. P. 458-467.
22. Стабильность формоизменения при прокатке стальной и сталемедной катанки / С.Ф.Рашников, О.Н.Тулупов О.Н., Логинов В.Г. и др. Магнитогорск: ПМП МиниТип, 1998. 106 с.
23. Адаптивные матричные модели настройки сортовых станов / О.Н.Тулупов, В.Ф.Рашников, С.А.Тулупов, Е.А.Евтеев. Магнитогорск: ПМП МиниТип, 1997. 92 с.
24. Методы применения математической модели настройки непрерывных сортовых станов / О.Н.Тулупов, А.Б.Моллер, А.А.Зайцев и др. // Производство проката. 1999. № 5. С. 7-12.
25. Моллер А.Б. Адаптируемая матричная модель для повышения точности непрерывной сортовой прокатки: Дис. ... канд. техн. наук. Магнитогорск,
1996. 158 с.
26. Зайцев А.А. Анализ и совершенствование схем калибровки равнопо-лочной угловой стали на основе матричных моделей формоизменения: Дис. ... канд. техн. наук. Магнитогорск, 1997. 150 с.
27. Евтеев Е.А. Совершенствование технологии прокатки катанки с использованием адаптивных моделей: Дис. ... канд. техн. наук. Магнитогорск, 1999.
28. Арцибашев В.В. Совершенствование систем калибров на основе структурно-матричного подхода для снижения неравномерности формоизменения при сортовой прокатке: Дис. ... канд. техн. наук. Магнитогорск, 2001. 157 с.
29. Завьялов А.А. Улучшение качества сортового проката путем определения рациональных размеров непрерывнолитой заготовки, уменьшающих влияние дефектов ликвационного происхождения: Дис. ... канд. техн. наук. Магнитогорск, 2001. 138 с.
30. Кинзин Д.И. Совершенствование и проектирование калибровок простых сортовых профилей на основе анализа показателей формоизменения и энергосиловых параметров: Дис. ... канд. техн. наук. Магнитогорск,
2003. 124 с.
31. Логинов А.В. Совершенствование процесса термомеханического упрочнения при прокатке арматурных профилей с применением структурно-матричного моделирования: Дис. ... канд. техн. наук. Магнитогорск,
2004. 118 с.
32. Колясов Д.В. Исследование технологических режимов прокатки катанки с целью расширения сортамента: Дис. ... канд. техн. наук. М.: 2006. 106 с.
33. Моделирование технологических возможностей стана 300-3 ОАО «ММК» и рационального использования валковых шайб при прокатке катанки из широкого марочного сортамента сталей / О.Н.Тулупов, А.Б.Моллер, Д.И.Кинзин, Д.В.Колясов, А.А.Завьялов, Ю.В.Симаков // Моделирование и развитие процессов ОМД: межрегиональный сборник научных трудов. Магнитогорск: МГТУ, 2002. С. 208-213.
34. Симаков Ю.В. Исследование и совершенствование прокатки катанки из высокоуглеродистой стали 70 корд и низкоуглеродистой стали Ст1кп с целью повышения комплекса механических свойств: Дис. ... канд. техн. наук. М., 2006. 153 с.
35. Луценко А. Н. Совершенствование процессов деформации непрерывно-литой заготовки в калибрах на основе матричной модели формоизменения с целью повышения качества сортового проката: Дис ... канд. техн. наук. Череповец, 2006. 119 с.
36. Тулупов Д.Н. Повышение качества стальной катанки на основе моделирования и совершенствования технологии прокатки с натяжением: Дис. ... канд. техн. наук. Магнитогорск: МГТУ, 2004. 129 с.
37. Левандовский С.А. Повышение результативности сортовых станов путем совершенствования модели управления качеством на стадиях проектирования технологии и производства продукции: Дис. ... канд. техн. наук. Магнитогорск: МГТУ, 2006. 150 с.
38. Разработка баз данных калибровки и технологических режимов для эффективной модернизации сортопрокатного производства / Б.А.Никифоров, О.Н.Тулупов, А.Б.Моллер, С.А.Левандовский, В.Г.Логинов, А.В.Гасилин, Ю.В.Симаков // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2004. № 4. С. 53-58.
39. Ручинская Н.А. Повышение результативности сортовой прокатки на основе применения предупреждающих действий при настройке стана: Дис. ... канд. техн. наук. Магнитогорск: МГТУ, 2008. 102 с.
40. Совершенствование сортопрокатных технологических систем через развитие элементов менеджмента качества / А.Б.Моллер, С.А.Левандовский, Н.А.Ручинская, А.С.Лимарев, Ю.В.Симаков, А.В.Логинов, Д.В.Назаров, Д.В.Колясов // Труды восьмого конгресса прокатчиков: Магнитогорск 11-15 октября 2010 г. Т1. Магнитогорск: Магнитогорский дом печати, 2010. С. 224-229.
41. Назаров Д.В. Совершенствование технологии прокатки для повышения эксплуатационных свойств швеллеров: Дис. ... канд. техн. наук Магнитогорск: МГТУ, 2009. 134 с.
42. Моллер А.Б. Повышение эффективности сортопрокатных технологических систем на основе структурирования и развития элементов менеджмента качества // Известия вузов. Черная металлургия. 2011. № 7. С. 6-9.
43. Моллер А.Б., Лимарев А.С., Логинова И.В. Квалиметрическая оценка компетентности персонала металлургического предприятия // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И.Носова. 2011. №1. С. 54-58.
44. Моллер А.Б. Методология управления качеством сортопрокатной системе на основе адаптивных моделей формирования потребительских свойств продукции: Дис. ... д-ра техн. наук. Магнитогорск: МГТУ, 2011. 285 с.
45. Лимарев А.С. Повышение эффективности производства сортового проката на основе управления качеством продукции и компетентностью технологического персонала: Дис. ... канд. техн. наук. Магнитогорск: МГТУ, 2009. 113 с.
46. Наливайко А.В. Повышение качества арматурного проката в условиях металлургического мини-завода на основе комплексного показателя: Дис. . канд. техн. наук. Магнитогорск, 2011. 145 с.
47. Матричный подход для решения задач прослеживаемости производства и формирования потребительских свойств сортопрокатной продукции / Тулупов О.Н., Моллер А.Б., Кинзин Д.И., Левандовский С.А., Ручинская Н.А., Наливайко А.В., Рычков С.С. // Неделя металлов в Москве: Сб. трудов Всероссийской науч.-техн. конф. - М., 2013. - С. 504-511.
48. Калугина О.Б. Оптимизация формы вытяжных калибров по критерию эффективности деформации с целью энергосбережения: Дис. ... канд. техн. наук. Магнитогорск, 2013. 127 с.
