【材料课件】材料塑性成型工程学－生产工艺优化部分11

材料塑性成型工程学原料-产品生产系统的优化又称为计算机辅助生产管理系统一、.计算机轧制辅助工程发展状况二、生产系统的优化三、工艺规程制订的数学模拟一、计算机轧制辅助工程发展状况•1.1.引言•1.2.国内外轧钢生产中的模拟和优化•研究•1.3.国内外轧钢生产中原料－产品生•产系统的优化•1.1.引言•目前在我国一提到计算机应用，人们往往想到自动化控制系统，而忽视技术决策支持系统的作用。•轧钢技术决策支持系统可为轧钢产品结构优化提供可靠的依据。同时，它本身就是工艺技术结构优化的一个重要方面。•美国钢铁学会组织众多专家、学者指出：•必须开发灵活的能够比较不同生产工艺和产品质量的方法，考虑带有一定柔性以适应不同生产路径或对现有工艺进行改造•我国国家冶金局规划发展司组织的冶金科技发展指南中也指出，“十五”期间，我国钢铁工业科技进步的具体目标与主要方向是：•（1）优化钢铁生产流程，节能降成本，提高经济效益•（2）以市场为导向，调整产品结构，提高实物质量和增加短缺品种•（3）加强环保和资源综合利用，推进清洁生产，走可持续发展道路•（4）提高钢铁企业生产过程的自动化水平和管理信息化水平•着重提出要大力研究钢铁企业内部各工序间的优化组合，充分发挥整条生产线的生产能力•21世纪轧钢技术进步将集中于生产工艺流程的连续化、紧凑化，过程控制将实现轧材性能的高品质化、品种规格多样化及控制和管理的计算机化和信息化。•计算机辅助轧钢生产管理系统（PPS）、计算机辅助工艺制定（CAP）•计算机辅助设计（CAD）•计算机辅助质量监控（CAQ）•计算机辅助工程（CAE）以及其他种种计算机辅助功能。•综合应用到整个轧钢生产过程中，形成了计算机集成生产系统（CIM）••图轧钢系统CIM方案。•其中轧钢技术决策支持系统提出决策或为决策提供依据，自动化控制系统是实现决策的执行系统。1.2.国内外轧钢生产中的模拟和优化研究•用计算机模拟生产过程中各工段或各工序的配合以优化生产过程的协调性，模拟变形过程以优化变形参数以及其他工艺制度的优化,美国、德国、日本、加拿大和前苏联等国。•①生产过程的模拟与优化•美国开发了均热炉—初轧机仿真系统，均热坑数量和装入能力的优化设计及均热炉—轧机的合理配合和作业调度；•加拿大的轧钢厂直观仿真系统用于编制作业计划，减少了工序和生产时间，减少了中间库存。•②变形过程和参数的模拟与优化：•德国IBF研究所开发了轧制钢轨和工字钢等异型断面时变形区中各点的变形分布、温度分布等的模拟。•建立了轧材组织和性能与工艺参数间关系的模型。按工艺参数预报轧后轧材组织和性能，或者按产品性能要求优化控轧、控冷工艺制度。•德国、美国一些工厂还开发了无缝钢管在变形区中的形状变化、壁厚分布和各有关参数变化的模拟和图形显示系统，用以优化工具参数和轧机调整参数。•前苏联也建立了根据轧制工艺参数预报轧材性能或按轧材性能要求优化轧制工艺的程序系统。其中用于高精度型材拉拔工艺的系统。•③工艺制度的优化：•前苏联建立了钢锭从浇注到轧制成品整个过程中的热状态变化模型，得出综合能耗最小的钢锭加热制度。•I.Koffner等报道了优化加热制度可使轨梁轧机生产率提高5%、温度波动下降70%、废品率下降60%。•美国报道的热轧带钢压下规程计算机优化程序能按多目标优化压下规程。•前苏联建立了描述型钢轧后水冷时轧件温度场模型，它可以模拟有任何水冷段数的冷却过程和预报在连续冷却过程中奥氏体的分解，据此可以优化控轧控冷制度。•④以提高成材率为目标的工艺优化是计算机应用于轧钢工艺优化的中的一个重要方面。•用计算机根据各成品材的定尺长度综合优化钢锭（连铸坯）—中间坯—成品材之间的尺寸和重量关系，并根据轧后轧件的长度预报，优化成品剪切方案，以减少切损提高成材率。•如前苏联某2800mm厚板轧机使用计算机优化板坯重量和轧后厚板的剪切，使初轧机金属消耗下降6kg/t，因厚板剪切量减少可获经济效益10万卢布/年。•另一钢管厂的优化程序使1988年管坯消耗比原计划下降1360t。••工艺过程的计算机模拟还用来代替新轧机投产时的试轧，大大缩短了投产期。•前苏联某φ450mm连续中型轧机投产前用计算机模拟了各产品的轧制工艺，发现φ60mm圆钢在原设计终轧速度为4.7m/s时，设备负荷和咬入条件等均比允许值低许多。•1.3国内外轧钢生产中原料－产品生产系统的优化•轧钢领域中，应用孔型设计优化、压下—温度—速度规程优化、坯料和剪切优化、设备匹配优化等单元工艺技术优化系统集成起来形成了轧钢工艺技术决策优化系统。•原料和成品的剪切优化系统直接决定着钢材产品的成材率和定尺率，影响着企业的总体经济效益。•国外研究过程及现状•1976年，前苏联学者提出了一种启发式算法,在保证轧件剪切长度不超出公差的前提下，采用计算机控制，充分利用板坯的有效长度，在钢坯定尺范围内适当改变钢坯剪切长度，基本上做到了每根轧件的无剩余剪切。•1976年G.B.Tilanus和C.Gerhardt提出一种两阶段启发式算法。首先从众多的坯料中找出了与定货品种在重量,数量方面相匹配的坯料,然后应用启发式算法找出其中最优的六种组合,并粗略地考虑了钢坯重量波动的影响。实践证明在大型机上只需几秒钟即可得到问题的解。•1977年R.S.Stainton报道了他们采用启发式算法编制的剪切规划用于某厂的高强度棒材剪切[8],使棒材切余减少大约4%。•1989年，前苏联学者进行了锭－坯－材系统两阶段剪切优化研究[9]。他们采用了一种启发式算法，以切余最少为目标进行了从中型开坯轧机到棒材轧机坯料及产品的剪切优化，该算法应用于前苏联某棒材厂，头一年就使该厂的金属消耗下降118吨。•上述文献报道中的剪切优化都是单纯采用了启发式算法。•1981年住友制铁所在生产中采用线性规划，将定货的钢种、规格与原料的钢种、规格进行最佳调配，并采用启发式算法对生产的型钢进行•在线剪切优化，每隔1-2小时对来料重量进行实测，修改由原来估计重量为基础制定的剪切方案。该算法使住友大型型钢厂成材率提高2.0-4.0%。•1981年新日铁报道了室兰制铁厂棒材分厂采用计算机控制提高棒材剪切成材率的经验。他们采用了动态规划方法，以切余为最小目标进行了棒材的剪切优化，实现了成材率优先、主定尺优先、操作性能优先的三种剪切制度的模拟。在优化结果的指导下，该厂对控制设备和剪切设备进行了改造，使该厂1980年棒材成材率提高到97.4%。•1979年前苏联学者报道了阿则尔巴德任斯克钢管厂进行的由850型初轧机、750开坯机到轧管机组的全程剪切优化的综合研究。他们采用动态规划方法，以钢锭利用体积最大为目标，编制了从初轧开始到轧管前管坯剪切结束的多阶段剪切制度优化程序。该程序的应用使此厂每年获得24.6万卢布的经济效益。•1977年前苏联一家型钢厂针对中间坯编制的随机优化程序，使每根中间坯的切损从2.78卢布降到1.82卢布。•1989年前苏联学者使用了概率理论对钢锭重量进行了优化，其优化对象是1150板坯初轧机。生产实践表明，各种规格板坯与钢锭重量的匹配情况得到较大改善。•由以上两篇文献报道可见，人们开始将概率和随机的方法引入优化。•前苏联某钢厂建立了从初轧机到连续式开坯机的优化系统，用于该厂1300初轧厂，得出了使各部分工作节奏协调的坯料尺寸，使初轧道次减少两道，轧机负荷均匀，产量增加。•总之，国外在研究轧钢领域上下工厂（车间）供料关系优化中，剪切优化方法及目标函数是多种多样的。•国内研究过程及现状•对于自动化程度比较好的轧钢生产厂其剪切优化的研究主要放在控制系统上。例如：•成都无缝钢管厂设计的管坯剪切自动控制系统，可完成管坯的自动称重、测长和输送，以及长度优化剪切计算，定尺送料剪切等一系列的自动控制操作。•首钢第二型材厂通过对高速成品飞剪定长配尺剪切的影响因素及对成品材尾段的控制分析，提出了正确可行的优化配尺剪切控制方案。•包头钢铁设计研究院对引进的泰国泰龙棒材轧机因坯料长度波动而出现的堆钢现象，进行了倍尺剪的优化剪切研究，投入生产后效果较好。•但是，多数轧钢企业由于轧机比较陈旧，生产工艺不尽合理、连铸比低、供料关系不合理等原因，使得综合成材率较低。•1987年鞍钢140自动轧管机组使用“黄金定律”优化计算后，将原料从6m改为5.4m，下料支数减少15％，成材率提高0.75％，产量上升7%。•1990年北京科技大学与首钢特钢厂合作，采用了启发式方法、参数估计法、随机概率法等优化方法对原料至成品的规格匹配问题进行了优化。该软件在首钢特钢公司轧钢二厂进行了现场实验，效果良好。•1992年北京科技大学与包钢合作，对重轨的锭重和坯重进行了优化，采用了动态规划法和仿真优化，使成材率提高0.26%。•1998年唐钢把工程概率优化设计方法应用于剪切规程设计中，采用反向推理技术，以棒材规格、全定尺长度及根数作为已知条件，求解成材率最大时原料的规格和定尺长度，获得了更符合实际的剪切规程。••广州钢铁公司二轧厂棒材线，长期以来产品一直是按一定尺一非定尺组织生产的，平均定尺率只有53%左右。由于市场的变化，非定尺材造成积压。为使产品适销对路，必须进行生产改造。通过试轧，修改确定了合理的坯料单重，并改造了相应的生产设备。L20、22全定尺生产的投资费用在半年内已收回，定尺率的提高和定尺材差价两项在1995年和1996年累计已超过1千万元的经济效益。•从以上文献报道可以看出，确定合理的用坯尺寸是提高成材率的关键。•除了少数企业对剪切规程进行了优化设计外，大多数生产厂都是在生产中凭经验和手工计算，通过试轧摸索各种钢材的合适的坯料尺寸。这样势必会影响正常的生产秩序，而且每次修改都要改造一些装备，造成极大的人力、物力、财力的浪费。同时，该规划通过实验进行，无法总结其内在的规律性，以充分发挥设备的生产潜力。•综上所述，轧钢系统上下工厂（车间）供料关系的优化问题可分为两种类型：一种是在线优化，它是将优化和控制结合起来，也即根据来料的•情况选择相应的优化方案，控制轧制制度和剪切制度，降低某阶段的金属消耗，提高综合经济指标。这种优化算法适用于控制设备和监测设备完善的轧钢系统。另一种是离线优化，它考虑了较多的影响因素，对一个或几个过程进行整体规划，从宏观上改进系统的供料关系，提高企业的综合经济指标。•随着计算机运算速度的不断提高，人们开始将概率和随机的方法引入规划过程，选择并改进合适的优化算法，突破了以往只对某一确定性问题进行优化的局限性，把最优解看成带有波动的随机变量综合作用的结果。优化的对象也正从过去的某一阶段或某一过程扩大到轧钢系统的全过程。二、生产系统的优化•1.生产优化方法的选择•什么是最优化问题？•我们所选择的方案是一切可能方案中最优的方案，这就是最优方案。•（1）安排生产计划方面：如何在现有人力、物力条件下，合理安排产品生产，使总产值最高。•（2）安排生产工艺方面：轧钢自动控制系统中连轧机各机架压下量的设定：•（3）孔型方面设计：在设备、工艺条件允许的前提下，改变各中间孔型的形状、尺寸使轧制能耗最小。•最优化技术的发展•最优化技术研究解决的两类问题：•1）如何将最优化问题表示成数学模型•2）如何根据数学模型，尽快求出最优解•最优化技术迅速发展的主要原因：•▲近代科技与生产发展的需要•▲电子计算机的飞速发展•优化是在给定环境下获得最好结果的行为。优化的数学基础是运筹学。•运筹学是数学的一个分支，是涉及用科学的方法和手段进行决策及确定最优解的数学。表2-1给出了运筹学中定义明确的领域。•表2-1中，数学规划可用于在给定的约束集合下，求解多变量函数的极值。随机过程过程的方法可用于分析由一组已知概率分布的随机变量描述问题。•对各种不同类型的优化问题，必须选用适当的优化方法。因为目前还不存在一种优化方法可以有效地求解所有优化问题。•几种轧钢领域中常用的方法和可能利用的优化方法加以讨论。•(1)启发式算法•即运用与求解问题的特性有关的启发性知识（如解决问题的策略，技巧，对解的特性及规律的估计等实践知识），加快推理过程，提高搜索效率，减少运算时间