Využití časové odchylky lití při operativním řízení ocelárny OVČÁČÍKOVÁ, Romana 1, BEDNAŘÍK, Lukáš 2 & DAVID, Jiří 3 1 Ing., Katedra 638, VŠB-TU Ostrava, 17. listopadu 15, Ostrava Poruba, 708 33, Romana.Ovcacikova@vsb.cz 2 Ing., Lukas.Bednarik@vsb.cz 3 Ing. Ph.D., J.David@vsb.cz Abstrakt: The trend of present in the steel production is to achieve constantly bigger volume of continuously casting steel to the detriment of the volume of steel casted to ingot mold. This can be achieved only by a perfect optimization of production with exploitation of computer technique applications both for operative control of production and for particular technological processes control. That means from the point of view of operative control to ensure continuous and effective passage of heats through the steelworks from entry as far as to continuous steel casting device, so that particular heat casting in sequence to be held, i.e. without casting interruption, is decisive. Klíčová slova: operativní řízení, plynulé odlévání oceli, optimalizace, predikce 1. Operativní řízení výroby oceli Pro lepší efektivnost ocelárny je nutné zdokonalit řídicí proces, a to především v oblasti operativního řízení výroby. To je podmíněno zkvalitněním prvotní evidence o výrobě, dalším jejím zpracováním v potřebných souvislostech, sledováním ekonomických údajů v potřebném detailu (např. na značku oceli, skupinu značek, podle pecních agregátů, výrobních způsobů apod.), a to tak, aby tyto údaje byly známy poměrně v krátkém časovém odstupu po provedených tavbách a mohly tak být v procesu operativního řízení a plánování výroby efektivně využity. Výpočetní technika nám zajišťuje rychlost, přesnost a včasnost požadovaného zpracování, ale v operativním řízení a plánování oceláren je potřeba ve větší míře uplatnit princip racionalizace s využitím přístupů, metod a teorií operačního výzkumu, zejména teorie rozvrhování a metod optimalizace. Cílem operativního řízení je: splnění výrobních úkolů vyplývajících z poptávky odběratelů, soulad mezi jednotlivými stupni, články a prvky výroby, hospodárnost a efektivnost výrobních jednotek. Operativní řízení výroby zahrnuje: operativní plánování, dispečerské řízení, operativní evidenci. Operativní plánování výroby zahrnuje činnosti zabezpečující rozpis úkolů na jednotlivé výrobní jednotky s časovým průběhem výroby, koordinaci úkolů a materiálně technické zabezpečení výroby. Je základním nástrojem podnikového řízení vycházejícím z konkrétních a detailních požadavků na výrobu. Specifikování zakázek je základem operativního plánování, tj. stanovení množství a značky oceli, typ odlití, termín dodání apod. Maximální
délka období, pro které se plány sestavují, závisí na charakteru a typu výroby. Důležitým požadavkem výrobního plánu je zajištění návaznosti jednotlivých úkolů, pokud jde o množství a lhůty a zároveň jeho zpřesnění směrem ke kratším časovým úsekům. Tab. 2 Schematické znázornění jednotlivých technologických operací Agregát Operace Důležité technologické údaje Kyslíkový konvertor LD Mimopecní zpracování (SHIP, IR-UT, LF, DH/RH) MTO Sázení Dmýchání 2. dmýchání Dohotovení Odpich Homogenizace horem Homogenizace spodem Vakuování Injektáž Ohřev pánvové pece Chemický ohřev Analýza surového železa Teplota surového železa Analýza oceli při hlavním dmýchání Očekávaná váha oceli na konci dmýchání Analýza oceli při 2. dmýchaní Analýza oceli při dohotovení tavby Složení oceli na začátku mimopecního zpracování, Měření teploty a aktivity, Analýzy chemického složení, Přidané legury, Analýza strusky, Složení oceli na konci mimopecního zpracování Příprava na odlévání Lití Rozměr kontislitku Váha oceli v pánvi Váha strusky v pánvi Teplota oceli Formát na licích proudech Odlitá hmotnost Dispečerské řízení zahrnuje regulaci, koordinaci a kontrolu průběhu výroby navazující na operativní plánování výroby, zajišťující plnění výrobních úkolů dle operativních plánů. V této části řízení získáváme aktuální informace o stavu technologického procesu, které jsou později využity v operativní evidenci. Operativní evidence zajišťuje a zaznamenává skutečný průběh a stav výrobního procesu. Sbírá a zpracovává informace umožňující kontrolu úkolů stanovených operativním plánem výroby. Tyto údaje jsou podkladem pro statistické zpřesňování operativního plánování výroby a plní tak funkci zpětné vazby. Metody operativního plánování výroby v ocelárnách ovlivňuje fyzikálně chemický charakter výrobního pochodu (viz. tab. 2). Jeho stochastický efekt je znásoben nedokonalou znalostí chemického složení i množství vstupních surovin. Tyto okolnosti vnášejí do operativního plánování dosti silný prvek nejistoty projevující se nejen v odchylkách od plánované doby tavby, ale i nutností změny vyráběné jakosti ještě v průběhu tavby.také skutečnost, že se jedná o vysokoteplotní proces, je nutné, aby veškeré operace, z nichž se proces skládá, tj. tavení v peci, mimopecní zpracování, lití včetně manipulačních operací, na sebe bezprostředně navazovali bez jakýchkoliv prostojů., neboť při nadměrném ochlazení oceli hrozí značná energetická ztráta. V případě plynulého odlévání oceli je z hlediska operativního řízení nejdůležitější zachování lití v sekvenci. Následkem by byla velká časová ztráta ( viz tab. 1), která by měla návazný vliv i na všechna technologická zařízení v celém výrobním řetězci a negativně by se promítla do ekonomických ukazatelů výroby. Tab.1 : Struktura přípravných operací pro nové lití a operačních času při přerušení lití Operace Doba trvání operace [min] Výměna mezipánve 0 3,5
Příprava mezipánve 1,5 Chlazení hlavy zátkové tyče 2,0 Vyprázdnění 20,5 Přísun zátkové tyče 1,0 Příprava zátkové tyče 10,5 Zavádění zátkové tyče do krystalizátoru 1,5 Utěsnění hlavy zátkové tyče v krystalizátoru 4,0 Příprava mezipánve 2,0 Příprava licí pánve 2,0 Otevření výtoku licí pánve 1,0 Plnění mezipánve 1,0 Otevření výtoku mezipánve 0,5 Celkem 47,5 51,0 2. Teorie odchylky lití Princip systému plánování taveb spočívá ve stanovení denních počtu taveb, který vychází jednak z dlouhodobých plánů a jednak z aktuálních požadavků válcovny. Denní počet taveb je rovněž omezen možnou denní výrobní kapacitou ocelářských pecí a aktuální situací na ocelárně. Na základě tohoto údaje je stanovena doby výroby oceli, ze kterých jsou vypočítávány časy odpichů v jednotlivých ocelářských pecích, které musí respektovat technologická omezení (nelze provádět souběžné dohotovení více taveb - posunutí taveb). Tím jsou dány jednotlivé tavby, kterým je přiřazena značka oceli, která stanoví technologii zpracování na agregátech sekundární metalurgie. Výpočtem s využitím průměrných operačních a mezioperačních technologických časů zpracování jednotlivých taveb na agregátech sekundární metalurgie jsou stanoveny časy přistavení jednotlivých taveb na tak, aby byla udržena plánovaná sekvence lití. Z logistického hlediska představuje tento postup tzv. push princip (push = tlačit, strkat), jehož cílem je co nejrychleji protlačit materiál celým výrobním řetězcem. Reálná situace na ocelárně z hlediska materiálových toků je řízena tzv. z logistického pohledu pull principem (pull = táhnout), při které je materiál tažen proudem vyvolávající koncový článek řetězce, než aby byl tlačen dopředu podle příkazů plánu. Z hlediska reálné situace na ocelárně to znamená, že tok materiálu (taveb) je řízen potřebami. Z tohoto pohledu mohou nastat 3 situace (viz obr. 1): 1. tavba je přistavena na v optimálním okamžiku, 2. tavba je přistavena na dříve, 3. tavba je přistavena na později.
Optimální okamžik přistavení tavby Situace 1 Ocelářské pece a sekundární metalurgie Zařízení plynulého odlévání oceli Situace 2 Ocelářské pece a sekundární metalurgie Zařízení plynulého odlévání oceli Situace 3 Ocelářské pece a sekundární metalurgie Zařízení plynulého odlévání oceli Tok materiálu 3. Rozbor jednotlivých situací Obr. 1 Schematické znázornění teorie odchylky lití Situace 1 představuje optimální řízení výrobního procesu, kdy doba výroby oceli a zpracování na agregátech sekundární metalurgie je stejná resp. nepatrně kratší jako čas odlití předchozí tavby na. Časová odchylka lití, která jako rozdíl plánovaného přistavení licí pánve s tavbou na a požadovaného času přistavení licí pánve s tavbou na, se v tomto případě blíží 0. Situace 2 představuje případ, kdy doba výroby oceli a zpracování na agregátech sekundární metalurgie je podstatně kratší než čas odlití předchozí tavby na. Časová odchylka lití v tomto případě nabývá záporných hodnot. Při této situace mohou v zásadě nastat dva případy Tavba v licí pánvi je připravena na otočném licím stojanu zařízení plynulého odlévání a čeká na dolití předchozí tavby. Nebezpečí spočívá v poklesu optimální teploty resp. teploty přehřátí nad teplotu likvidu čímž může dojít snížení jakosti předlitku a snížení výtězku kovu ( zamrznutí tavby v pánvi). Tavba v licí pánvi je v agregátu sekundární metalurgie, obvykle v pánvové peci, kde jsou udržovány optimální parametry tavby. V tomto případě nehrozí ovlivnění jakosti ani snížení výtěžku kovu, ale vzrůstá energetická náročnost výroby oceli, která se promítne i v ekonomických ukazatelích. Situace 3 představuje nejhorší případ ke kterému může dojít, kdy doba výroby oceli a zpracování na agregátech sekundární metalurgie je podstatně delší než čas odlití předchozí tavby na. Časová odchylka lití v tomto případě nabývá kladných hodnot. Při této situaci opět mohou nastat v zásadě dva případy. Může dojít ke zpomalení odlévání předchozí tavby a to buď snížením licí rychlosti s rizikem ovlivnění jakosti předlitku nebo zamrznutí licího proudu, nebo řízeným odstavením licího proudu. Jestliže dojde k odstavení nebo zamrznutí licího proudu, ale
udržení sekvence lití dojde k prodloužení lití následných taveb v sekvenci s následnými energetickými a ekonomickými vlivy. Dojde k přerušení sekvence lití a začátek nové sekvence. To znamená udržení jakosti avšak výrazné narušení plánu taveb s všemi negativními energetickými a ekonomickými následky. 4. Model časové odchylky Z hlediska reálného řízení je rozhodující čas přistavení tavby na zařízení plynulého lití () tak, aby bylo udrženo odlévání jednotlivých taveb v sekvenci, tzn. bez přerušení lití. Doba zpracovaní tavby na jednotlivých agregátech mimopecní metalurgie je proto přizpůsobena tomuto časovému údaji. Ke splnění tohoto cíle je nutné mít v čase, kdy končí lití tavby na připravenu novou tavbu s vhodným chemickým složením a licí teplotou. Přitom je nutné sledovat parametry jednotlivých taveb, aby nedošlo k ovlivnění (snížení) jakosti výsledných plynule litých předlitků (PLP). Parametry a technologické postupy jsou určeny značkou vyráběné oceli. Pro snadnější přístupy k těmto informacím jsou vytvořeny databáze detailních technologických předpisů (DTP). Databáze technologií obsahuje časově-teplotní modely výroby na jednotlivých agregátech. Lze je vytvářet dvěma způsoby: 1. Pro výpočet je možné použít matematický model vycházející obvykle z materiálové a tepelné bilance pro jednotlivou tavbu. Postup je poměrně náročný na sestavení programů pro výpočet modelů tak, aby postihovaly všechny možné varianty. 2. Modely vytvářené na základě statistického zpracování výsledků minulých taveb. 3. Kombinace obou předchozích způsobů, kdy modely vycházející z materiálové a tepelné bilance jsou korigovány na základě statistického zpracování výsledků minulých taveb. Do této databáze je nutno rovněž začlenit databáze dopravních cest, která obsahuje dopravní prostředky, jejich časové využití a případné možné varianty pro trasy přesunu mezi jednotlivými technologickými uzly ocelárny. Přitom je stanovena priorita užití dopravních tras a jejich variant a jsou stanoveny předávací body mezi dopravní cestou a technologickými prostředky. Způsob průchodu tavby ocelárnou je definován v DTP. Na základě analýzy toku materiálu ocelárnou bylo vymezeno 7 základních technologických schémat dopravních cest. Protože 3 z nich jsou určeny pro odlévaní oceli do kokil, nejsou pro úlohu časové odchylky důležité, protože jejich řešení je obdobné. Zbylé 4 schémata jsou tyto: 1. Lití na s úpravou oceli na stanici homogenizace inertním plynem a pánvové peci (LDS SHIP LF ) 2. Lití na s úpravou oceli na stanici homogenizace inertním plynem a chemickém ohřevu (LDS SHIP IR-UT ) 3. Lití na s úpravou oceli na stanici homogenizace inertním plynem, pánvové peci a vakuovací stanici (LDS SHIP LF DH/RH LP) 4. Lití na s úpravou oceli na stanici homogenizace inertním plynem, chemický ohřev a vakuovací stanice (LDS SHIP IR-UT DH/RH LP)
LF IR-UT LD SHIP LF DH/RH IR-UT DH/RH čas přistavení licí pánve na souhrnná doba výroby n-té tavby oceli v LD konvertoru a agregátech sekundární metalurgie souhrnná doba odlití n-1 tavby na Obr. 2 Schematické znázornění toků materiálu na ocelárně Označme souhrnnou dobu výroby n-té tavby oceli v LD konvertoru a agregátech sekundární metalurgie jako T V. Tato doba, jak je patrné z obrázku 2, je stanovována jako součet jednotlivých dob začínajících od času konce nalévání surového železa, přes dobu dmýchání, dohotovení a odpich tavby na LD konvertoru, zpracování tavby v licí pánvi na technologických agregátech sekundární metalurgie podle technologie výroby dané značky do času přistavení licí pánve s tavbou na včetně dopravních časů. Souhrnnou dobu odlití n-1 tavby na T O budeme nazývat dobu potřebnou pro přípravu a odlití tavby na. Stanovení celkového času zpracování tavby na agregátech mimopecní metalurgie, tj. predikci jednotlivých časů, je možno stanovit modelem založeném na kombinaci údajů DTP a údajů ze statistického zpracování dat pro příslušnou značkou. K těmto časům je nutné připočítat časy potřebné na dopravu tavby mezi jednotlivými agregáty a plánovanou údržbu. Při stanovení celkového času zpracování tavby na agregátech mimopecní metalurgie je nutné brát v úvahu, že: zpracování různých značek resp. skupiny značek probíhá na různých agregátech, tzn. jiná dopravní cesta, zpracování tavby na jednotlivých agregátech je závislé na DTP, doba zpracování je závislá na chemickém složení oceli a teplotě oceli na vstupu, tzn. dle vztahu: T V = i T Z, i + j T T, j [min] kde je T v doba výroby n-té tavby oceli [min] ΣT z,i souhrnný čas zpracování tavby na jednotlivých agregátech [min] ΣT t,j souhrnný transportní čas [min] T z,i doba zpracování tavby na i-tém agregátu [min] doba transportu tavby na j-tém dopravním úseku [min] T t,j
Systém bude monitorovat reálný stav taveb na jednotlivých agregátech a průběžně k nim připočítávat operační a mezioperační technologické časy ze systému plánování, které budou průběžně aktualizovány. Tím dostaneme pravděpodobnou hodnotu přistavení tavby na. Na obrázku 3 je prostřednictvím Ganttova diagramu znázorněna optimalizovaná časová posloupnost zpracování pěti taveb na jednotlivých agregátech, tak aby byla udržena sekvence lití. tavení 1 odpich 1 tavení 2 odpich 2 transport SHIP transport LF transport tavba 1 tavba 2 tavba 3 tavba 4 tavba 5 DH do lití lití 10:00 10:30 11:00 11:30 12:00 12:30 13:00 13:30 14:00 14:30 15:00 15:30 16:00 16:30 17:00 17:30 18:00 Obr. 3 Ganttův diagram časových posloupností Požadovaný čas přistavení tavby na lze stanovit z těchto údajů: počet aktivních licích proudů a formát předlitku, licí rychlost jednotlivých aktivních proudů, hmotnost oceli v licí pánvi a v mezipánvi. Tedy T m m O = + TP = TP M n υ S ρ J n [min] p kde je T O doba odlití n-1 tavby na [min] m hmotnost tavby [kg], M p licí výkon [kg min -1 ], n počet licích proudů [1], Tp doba přípravy tavby k odlévání na [min] v průměrná licí rychlost [m.min-1] S průřez PLP [m2] ρ měrná hmotnost oceli [kg.m-3] J výtěžek [1] Časovou odchylku lití pak získáme ze vztahu: Te = TV TO [min] kde je T e - časová odchylka lití [min],
T V T O - doba výroby n-té tavby oceli [min] - doba odlití n-1 tavby na [min] Na základě velikosti časové odchylky pak systém vytváří doporučení akčních zásahů operátorovi, které přispějí k minimalizaci této odchylky a přitom dodrží technologický postup výroby dané značky. Na obrázku 4 je příklad průběžné korekce časové odchylky v průběhu zpracovaní pěti taveb na jednotlivých agregátech. Čísla u zkratek agregátů znamenají začátky a konce jednotlivých operací. Z obrázku je patrné, že velké časové odchylky na počátku procesu jsou postupně korigovány do malých kladných hodnot. 50 40 30 20 10 0 LD 1 LD2 LD3 SHIP 1 SHIP 2 LF 1 LF 2 DH 1 DH 2 tavba 1 tavba 2 tavba 3 tavba 4 tavba 5-10 -20 Obr. 4 Grafické znázornění časové odchylky lití Závěr V rámci řešení etapy Systémy pro algoritmizaci rozhodovacích procesů při odlévání oceli grantového projektu GAČR 106/96/K032 Komplexní projekt technologické inovace plynulého odlévání oceli v ČR byl vytvořen model časové odchylky lití. Model srovnává souhrnný čas zpracovaní tavby na jednotlivých agregátech mimopecní metalurgie s predikovaným časem ukončení lití tavby na. Do modelu průběžně vstupují reálné stavy taveb na jednotlivých agregátech a tím je aktualizován čas přistavení tavby na a velikost časové odchylky. Model je součástí vytvářeného systému operativního řízení a na základě velikosti časové odchylky vytváří doporučení akčních technologických zásahů čímž minimalizuje vliv lidského faktoru při operativním řízení výroby a zpracování oceli
Literatura VROŽINA, M. A KOL. 1998. Systémy pro algoritmizaci rozhodovacích procesů při řízení plynulého odlévání ocelí. Dílčí zpráva etapy grantového projektu GAČR č. 106/96/K032 Komplexní projekt technologické inovace plynulého odlévání oceli v ČR za období 1996-1998,Ostrava : VŠB TU Ostrava, 1998. 48 s. VROŽINA, M. A KOL. 1999. Podpora rozhodovacích procesů a získávání informací při řízení závodů plynulého odlévání oceli. In Hutnické listy. Praha : Ocelot s.r.o., LIV, 1999, s. 24 28. ISSN 0018-8069 Informace pro zpracovatele příspěvku (nepublikují se): Použitý formát souboru s příspěvkem: Microsoft Word 97 (např. Microsoft Word 97) Údaje jednotlivých autorů pro zpracování autorského rejstříku: Pořadí Příjmení Jméno Název organizace a stát Email 1 Ovčáčíková Romana Technical University of Ostrava, Czech republic 2 Bednařík Lukáš Technical University of Ostrava, Czech republic 3 David Jiří Technical University of Ostrava, Czech republic romana.ovcacikova@vsb.cz lukas.bednarik@vsb.cz j.david@vsb.cz