CN1875329A - 用于控制生产钢的设备的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于控制生产钢的设备的方法，其中钢具有取决于结构并可由设备的运行参数影响的特殊材料特性，这些运行参数借助用于优化结构的计算程序来确定，在此还同时借助该用来优化结构的计算程序确定钢的化学组成的额定值。

Description

用于控制生产钢的设备的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种用于控制生产钢的设备的方法和装置，其中钢具有取决于结构并可由设备的运行参数影响的特殊材料特性，这些运行参数借助于用来优化结构的计算程序确定。

背景技术

钢必须按照用户希望的材料特性进行生产。钢的重要材料特性例如有：抗拉强度、弹性限度以及断裂伸长。如果钢是为了深引伸(例如在制造车体板或者饮料罐)，则这些材料特性具有关键的意义。

钢的材料特性由其组织结构决定，而组织结构又由制造过程的生产规程影响和确定。

在制造中必须保证，钢的化学组成与各额定值一致。这些额定值对应于可以通过化学实验室分析检验的组成比。

为了生产与预定特性对应的钢，还要求保持一定的运行参数。这些运行参数包括对于熔化、浇铸、加热、轧制和冷却各个阶段的额定值。在此，例如可以涉及温度、压力、速度或者其它时间上的改变。

特定的元素组成比的额定值或者运行参数的额定值总是由一个目标值以及下限值和上限值构成，公差范围介于该下限值和上限值之间。

在炼钢厂或轧制厂中，经常难于为生产确定适当的额定值，使得在尽可能低廉和少有风险的生产条件下在最终产品中得到所希望的材料特性。在此，必须将例如用户对于特定应用领域的标准化钢质量的的要求在考虑炼钢厂中所使用的生产方法的条件下予以满足。这些生产方法包括对于钢质量的工厂标准以及各个生产步骤的目标值和公差范围。

但是，在实际中产品的实测值总是偏离制造过程的额定值。在一个生产步骤中的实测值的偏差必须在随后的步骤中对其进行反向作用，使得可以达到所要求的材料特性、例如抗拉强度的最小值。如果不能达到该值，则相应的钢材(金属液、扁锭或线材)就不能适合于预定的任务。在这种情况下，必须将该任务的这部分的处理再次从第一生产步骤开始，这导致了经济上的损失以及还可能的交货延迟。

通常，由计划部门在技术上对任务规划的框架中来确定对于生产适合的额定值。工作人员利用存储在数据处理设备中的不同的技术表格将客户的任务转换为工厂的适当生产方法，其中，这些生产方法与特定的额定值相关联。

对于钢要确定各个元素的、可以通过化学实验室分析检验的组成比。该组额定值也被称为钢特征。同样地，还要确定对于各生产步骤的运行参数的额定值。在炼钢厂中制造金属液并从中浇铸出扁锭。在炉中将扁锭为轧制过程进行加热。在热轧机中将扁锭轧制成线材，必要时在冷轧机中进行进一步轧制或者对线材进行定量的调质，并且必要时将其分割成更小的形状。

经常出现这样的情况：可以通过由表格中给出的、多个可替换的额定值组来实现特定的任务。为了达到所希望的特性，工作人员必须确定这些可能的额定值组中的一个，因为下达给生产部门的生产任务仅允许一个额定值组。工作人员根据其生产经验确定一个特定的额定值组。在由质量部门维护的这些技术表格中，蕴藏了公司就生产过程而言的全部技术诀窍(Know-how)。这些表格中的新项目和变动是通过多年的生产经验以及逐步改变额定值组的试生产而形成的。

在过去的数年间，开发了各种用于计算钢的材料特性的数学方法。这些方法包括制造过程的物理-冶金学模型，并且为每个生产步骤确定钢的组织结构的改变，以及由此计算出材料特性。

通过这种方式，可以在计算机上模拟各个生产步骤。对于通常的钢类型加以验证，所计算出的材料特性于实践测量的值良好地吻合。

EP 0901016A2公开了一种用于确定钢的特性的数学方法。借助神经元网络来确定典型的参数，如弹性限度、抗拉强度、断裂伸长、硬度，等等。

WO 99/24182公开了一种用于控制冶金技术设备以生产钢或铝的方法，在此，制造具有取决于结构的特定材料特性的钢，其中这些材料特性取决于用来运行设备的运行参数。运行参数的确定要借助于结构优化器根据所希望的钢的材料特性来进行。该结构优化器是一个利用神经元网络用来优化结构的计算程序。

但是，缺点在于，生产计划经常不能产生良好的生产程序、即良好的顺序，因为要对每个生产任务确定一个额定值组。为此的一个例子是熔化计划，其必须在熔炼和技术上兼容的熔炼顺序中综合进具有不同钢特性和规模的多个生产任务。在一次熔炼中仅可以处理一种钢特征的任务，而在一个序列中仅能依次进行具有兼容钢特征的熔炼。经常在任务储备中存在大量品质上类似的任务，其量少、但却具有不同的钢特征。这种情形经常导致差的生产程序，因为在程序中可能的熔炼数量很低，而各种熔炼经常必须利用所谓的支撑任务(Lagerauftraege)来填补，因为缺少适合客户任务的质量。

缺点还在于，为了根据对材料特性和生产造价的要求来对额定值数组进行优化，质量部门必须花费许多金钱和时间。众多所要求的利用修改的额定值数组进行的生产实验，以及分别随后利用实验室样本对材料特性进行的检验导致了高的开销。因此，许多额定值数组就所追求的目标值和公差范围而言，是必须从不充分的生产实验次数中导出的安全性的折衷。对于特定材料特性的、更大公差范围以及更低廉的目标值，只能在对一种钢类型的多年生产之后才可以实现。

各个生产单元的调节系统基本上试图保持其输出量的额定值，即使输入值、即前面步骤的实测值发生偏差。如果扁锭从炉中出来到达轧制线上时太冷，则轧制线的调节系统就试图通过适当地改变调节系统的调节参数，来达到其对于轧制带输出温度的额定值。这仅对于还可以影响的额定值才起作用，例如可以改变到一定程度的错误温度和尺寸。但是，不可能在后续的轧机中还改变具有错误的化学分析的钢，即具有错误的合金元素组成比的钢。

如果例如因为在化学分析中各元素超出了边界值、而不能容忍偏差，则要取消对于该任务的当前中间产品。通过生产计划必须以更高的优先权重新生产材料，但是这将导致时间延迟。当前的中间材料，要么被转换到其它的适当任务、即另作它用，不得已时成为与客户无关的支撑任务；要么被从生产中剔除并临时存放。后一种可能性是，将材料标记为废品并再次投入资源循环。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题是，提供一种用于控制生产钢的设备的方法，该方法可以更灵活地规划任务并且可以更灵活地对于与额定值的偏差作出反应。

为了解决上述技术问题，本发明建议在本文开始部分提到的类型的方法中，借助于用来优化结构的计算程序同时确定钢的化学组成的额定值。

与公知的方法不同，不仅借助于用来优化结构的计算程序确定对于材料特性具有影响的运行参数，而且同时还确定钢的化学组成的额定值。概念“同时”还包括了这样的方法，其中例如在第一计算过程中确定化学组成的额定值，随后在第二计算过程中确定运行参数，或者反之。各个计算过程可以依次地进行，其中总是考虑化学组成的额定值和运行参数。因此对于技术方案提供了多种自由度，因为每个任务不仅可以利用一个事先确定的额定值数组，而是可以利用多个额定值组。迄今为止，不能对额定值数组进行校正，因为生产单元上的操作者不能确定或者预先给定对于随后的生产步骤所必要的影响。但是，借助于用来优化结构的计算程序则可以在考虑所需要的材料特性的条件下，从迄今为止的生产结果中在线地计算出对于随后的生产步骤所必须的额定值调整。

本发明基于下列认知：在确定额定值时不仅要考虑单个生产步骤，而且还要考虑对于额定值改变的整个可能的解空间，以便实现所要求的材料特性。在该带有相对且通过生产步骤相互倚赖的额定值的解空间中包含了比迄今为止所使用的多得多的自由度和对应的解的可能性。

通过将用来优化结构的计算程序同时用于确定钢的化学组成以及运行参数的额定值，可以更灵活地构造生产计划。此外，可以在各生产步骤期间执行贯穿的在线质量控制。利用这种改善的生产计划可以将额定值的所有可能的改变引入计算中，从而可以从现有的任务储备中建立改善的生产程序，即，更长的熔炼序列以及在熔炼中更少的填充任务。

通过按照本发明的方法，在生产期间将各实测值与额定值的偏差通过对随后额定值的必要改变的计算而进行了平衡，使得迄今为止不能容忍的偏差也可以被容忍。因此，本发明的方法使得可以扩大在钢中所包含的元素的组成比的公差范围。

适当的是，将化学组成的额定值以及必要时与其匹配计算出的、用于特定的钢用途的运行参数分别综合在一个数据组中。作为优化计算的结果，通过计算程序如下地选择并且输出一个对于特定的钢用途的数据组：在生产计划中对于待计划任务的每种钢应用选择最佳的数据组组合。

在本发明的方法中可以将钢的化学组成的实测值以及运行参数的实测值与额定值进行比较，并且在出现偏差时重新执行用来优化结构的计算程序。该计算的结果可以是，选出另一个更适合于实测值的额定值组。由此明显地提高了可能的组合的数目，并且在实测值和额定值之间出现偏差的情况下，可以如下将钢产品按照较高的可能性仍然用于所打算的目的：利用一个修改的额定值组来执行后续生产步骤。

按照本发明方法的一种优选的实施方式，为额定值分配一个介于下限和上限之间的公差范围，并且在超出用于确定钢的化学组成和/或运行参数的额定值的公差范围时重新执行用来优化结构的计算程序。

用来优化结构的计算程序可以针对一个或多个优化参数来进行优化。适当的是，用来优化结构的计算程序以最小的材料开销和/或生产开销为目的来运行。例如，通过在改变的温度下执行特定的处理步骤，可以节省特定的昂贵合金元素。

在本发明的方法中尤其有优势的是，在生产步骤期间和/或之后，借助于用来优化结构的计算程序、通过将额定值与实测值进行比较来进行质量控制。由此，可以放弃相对缓慢且昂贵的实验室测试，这些测试的说服力在许多情况下仅是有限的。通过用来优化结构的计算程序连续地针对其材料特性以及对额定值的保持来检验所有的钢产品，如金属液、扁锭或线材，从而可以将例如拉力检查的实际材料检查减小为偶尔的控制实验。

本发明建议，在热轧机中在生产运行期间在不同的点上进行质量控制。为此特别适合的是，在扁锭仓库中、在加热炉的输出端上、在前机架和生产线末端绕线车的输出端上，进行按照生产任务的扁锭围扎。在每个控制点上，用来优化结构的计算程序从迄今为止的产品的已知实测值以及带有对应的额定值的随后处理中计算出预期的材料特性。如果在随后的生产步骤中利用当前的额定值不能实现所要求的材料特性，则结构优化器尝试自动进行额定值调整。如果计算得到积极的结果，则质量控制就释放额定值的调整。如果计算得不到结果，则质量控制就借助于用来优化结构的计算程序在任务储备的额定值清单中寻找一个造价低且适合的额定值组，并将中间材料转换到该任务上。由此，也为随后的产生步骤确定了新的额定值。

可以将本发明的方法与钢生产设备的生产计划进行耦合。生产计划和质量控制是生产控制系统(生产执行系统)的模块。与此对应地，还可以直接将本发明的方法与钢制造设备的生产控制系统进行耦合。

本发明还涉及一种用于实施上述用于控制生产钢的设备的方法的装置。在此，按照本发明用来结构优化的计算程序被构造成，同时确定钢的化学组成的额定值。

附图说明

本发明的其它优点和细节借助于附图由下面对优选实施方式的描述给出。图中：

图1示出结构优化器的作用方式的示意图；

图2示出随着温度以及元素含量的钢的机械特性的改变；

图3示出结构优化器与生产控制系统的相互作用；

图4示出带有各方法步骤的流程图；

图5示出在生产期间进行的质量控制；以及

图6示出对于整个生产途径的最佳额定值的确定。

具体实施方式

图1示出合金造价优化中结构优化器作用方式的示意图。在下面被标示为结构优化器1的、用来优化结构的计算程序，获得化学组成的额定值2以及额定过程的运行参数的额定值3。额定值2、3共同给出所谓的钢特征，钢特征是基于经验的并且包含了对于各任务的生产所需要的所有信息。所生产的钢的材料特性可以通过设备的运行参数影响，运行参数包括处理温度和压力、必要时还可以是它们的时间导数。在结构优化器1中实现了数学模型，其模拟材料特性并为每个生产步骤确定钢的组织结构的改变。结构优化器1还可以利用神经元网络的方法工作。作为结果，结构优化器1在执行了优化计算之后提供对于钢的化学组成的修改的额定值4，后者与额定值2相比允许造价更低廉的生产。例如，可以追求在不出现材料特性恶化的条件下，减少相对昂贵的合金材料，如铌、锰或钛。对于生产过程的修改后的额定值5与对于化学组成的修改后的额定值相关联。额定值4、5共同构成作为生产的基础的额定值组。

图2示出了钢的机械特性随着温度以及元素含量的改变。

结构优化器1应该对生产成本进行优化、即最小化。一种减小成本的可能性在于，减小特定化学元素、特别是合金元素的元素含量。图2中的水平轴表示特定元素的元素含量。垂直轴表示温度。在图2中示出的线6表示具有相同机械特性的元素含量与温度的组合。迄今为止，特定的钢利用通过点7给出的元素含量进行制造。不过已知的是，如果将点7沿着箭头方向移动到点8，则在图2中示出的、例如可以是涉及强度的特性保持恒定。这在实践中意味着，可以减小各个合金元素的含量，但同时必须提高对于特定生产步骤的温度的额定值。通过减小该元素的组成比带来了造价的减小，其中钢的机械特性保持不变。

图3示出了结构优化器1与生产控制系统的相互作用。也被称为生产执行系统(MES)的生产控制系统9包括生产计划和质量控制等等。结构监视器是一个这样的计算模块，其根据输入的数据来计算如强度或弹性限度的材料特性。由此，可以尽可能地替代费时的实验室检验。如果在进行了结构监视器的计算之后确定不能保持机械特性的话，则借助于结构优化器1进行分析：是否可以通过改变额定值这样来处理有关的钢产品，使得其处在公差范围内。作为结构监视器或者结构优化器1的输入量的实测值10，包括各化学元素的组成比、处理温度等等。作为额定值11输出作为后续生产步骤基础的运行参数和过程参数。

通过结构优化器1与生产控制系统9层面的耦合可以实现成本的降低，因为对于生产应用了优化后的钢特征。在对线材的质量进行检验时可以节省时间，因为结构监视器最大程度地替代了实验室检验。这样，为每个线材计算材料特性，使得出错的概率减小。另外的优点在于，在生产计划中提供了多个自由度。迄今为止，对于每项任务存在具有对于热轧和冷却的预定额定值的唯一的标准化的钢特征。与此相反，在本发明的方法中对于每个任务提供了可以分别满足所要求的材料特性的多个预定值。每个预定值由给出钢特征的、包括对于热轧和冷却的额定值的工厂标准组成。从这些预定值中可以通过结构优化器1计算并选择出形成最低生产成本的一个。

任务规划为每个任务的熔炼计划提供了用于实现材料特性的可选工厂标准的清单，以及还有与此匹配的、借助于结构优化器计算出的额定值。由此，对于熔炼的计划给出了多得多的自由度。可以建立降低钢特征转换数目的较大序列。同样，可以减小熔熔炼中的填充任务。可以如下利用降低数目的钢特征进行生产：通过所计算的轧制和冷却规则平衡针对任务的特性。任务规划为熔炼计划提供了具有相同钢特征的多个任务，以便实现改善的生产程序。结构优化器为针对任务的材料特性计算出合适的额定值。

图4以热轧机为例示出了带有各方法步骤的流程图。

在开始生产之前，针对化学分析离线地对造价进行优化。该优化的结果可以在方法步骤12中使用，以便对生产控制系统的干线数据进行修改。任务规划13可以为熔炼计划的每个任务提供用于计划的对钢特征的宽泛选择。熔炼计划在生产计划中针对材料特性对成本进行优化。进行在线质量控制15，其中在任务中对于扁锭的围扎要么进行拯救，要么在线地围扎扁锭。在炉中加热或者在前机架中轧制之后，进行另一个在线质量控制16。在绕线车之后进行另一个质量控制17之后可以立刻释放线材，由此结束该方法。

图5示出了在生产期间进行的质量控制。

当前的过程数据从炉或者前机架18到达生产控制系统(MES)9。在步骤19中进行检验，看是否可以实现所要求的材料特性。如果结论是“是”，则利用当前的额定值继续生产。如果结论是“否”，则必须在步骤20中对任务的额定值进行调整。为此，生产控制系统9与结构监视器和结构优化器1共同作用，并且得到修改后的额定值。在修改后的额定值的基础上，在步骤21中检验，看利用修改后的额定值能否实现强度。如果可以实现强度，则利用修改后的额定值进行生产。如果不能实现强度，则输出围扎要求，以便将扁锭与另一个任务结合。减小围扎的数目，通过对于额定值的修改在许多情况下还可以对于目前的任务挽救扁锭。对于目前任务不再适合的扁锭或线材被立刻围扎，不再进行其它生产步骤。

图6以图示的形式示出了对于整个的生产途径的最佳额定值的确定。

通过本发明的方法为整个生产途径确定了最佳额定值，其中，对生产流程的各个操作和处理步骤进行计算机模型化和模拟。优化计算的基础是化学分析22，其结果是对于管线铸造23的输入量。随后是热轧24和冷轧25。为了改善结构，在冷轧之后跟随着退火过程26。所有的各个处理步骤流入结构优化器1的数学模型，使得该数学模型可以在考虑整个生产流程的条件下确定最佳额定值。结构优化器1还与生产控制系统(MES)9耦合，与此对应地可以根据结构优化器1的结果来控制生产。总之，通过该方法可以显著地节省能量和材料成本。此外，通过整个过程建立起专家知识。

Claims (15)

1.一种用于控制生产钢的设备的方法，其中钢具有取决于结构并可由设备的运行参数影响的特定材料特性，这些运行参数借助用于优化结构的计算程序确定，其特征在于，借助该用于优化结构的计算程序同时确定钢的化学组成的额定值。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述化学组成额定值以及必要时与其匹配计算出的、用于特定钢的用途的运行参数分别综合在数据组中。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，通过所述用于优化结构的计算程序，在生产计划中对于待计划任务的每种钢应用选择最佳的数据组组合。

4.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，将钢的化学组成的实测值以及运行参数的实测值与额定值进行比较，并且在出现偏差时重新执行所述用于优化结构的计算程序。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，为额定值分配介于下限和上限之间的公差范围，并且在超出用于确定钢的化学组成和/或运行参数的额定值的公差范围时重新执行所述用于优化结构的计算程序。

6.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述用于优化结构的计算程序以尽可能低的材料开销和/或生产开销为目的来确定所述额定值。

7.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在生产步骤期间和/或之后，借助所述用于优化结构的计算程序、通过将所述额定值与实测值进行比较来进行质量控制。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在扁锭仓库中和/或在加热炉的输出端和/或在前机架的输出和/或生产线末端的绕线车的输出端上，进行对按照生产任务在扁锭围扎中的、热轧机的质量控制。

9.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述用于优化结构的计算程序检验，在随后的生产步骤中是否可以以当前的额定值实现所要求的材料特性。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，如果在随后的生产步骤中不能以当前的额定值实现所要求的材料特性，则所述用于优化结构的计算程序调整额定值。

11.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，将该方法与钢生产设备的生产计划进行耦合。

12.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，将该方法与钢生产设备的生产控制系统进行耦合。

13.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，通过所计算的运行参数的改变，在确定对于任务的钢特征时减少工厂的钢特征的数目。

14.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，通过运行参数的改变，增大对于钢特征的化学元素的公差范围。

15.一种用于实施根据上述权利要求中任一项所述的用于控制生产钢的设备的方法的装置，其中钢具有取决于结构并可由设备的运行参数影响的特定材料特性，这些运行参数借助用于优化结构的计算程序确定，其特征在于，所述用于优化结构的计算程序被构造成用于确定钢的化学组成的额定值。

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