Učinek uporabe procesnega računalnika v procesu legiranja jekla UDK: 669.168.1.31,65.011.51 ASM/SLA: U4k, X14, D5, A5f, 1-54, 18-74 Jože Segel Neposredna uporaba procesnega računalnika in matematičnih metod optimiranja v procesu legiranja ima izreden ekonomski in kakovostni učinek. Kljub temu, da so razmere v jeklarni za uporabo računalnika vse prej kot idealne, lahko dosežemo znatne prihranke pri porabi ferolegur, izboljšamo lahko enakomernost končne kemijske sestave in znižamo odstotek ketnijsko zgrešenih šarž. Pričujoči članek spada v serijo člankov, ki so ali še bodo objavljeni v Železarskem zborniku na temo »uporaba procesnega računalnika v elektro-jeklarni« in opisuje izkušnje Železarne Ravne na tem področju. MATEMATIČEN MODEL OPTIMIZACIJE IZRAČUNA DODATKA FEROLEGUR Za celoten koncept uporabe procesnega računalnika v jeklarni je značilno, da se je treba posluževati različnih matematičnih metod optimiranja. Pri izračunu dodatka ferolegur še posebej izstopa kombinacija uporabe metod linearnega programiranja in statističnih regresijskih enačb. Ciljna funkcija linearnega programa so minimalni stroški: g = f (Si, S2, S3... S4) =i> min. ali (1) g = 2 ci • xi =) mi" (2) j = i pri čemer pomeni S,, S2, S3... strošek dodatka posamezne komponente legiranja (Cj = cena, Xj = količina j-te komponente). Omejitev linearnega modela je predpisana končna kemijska sestava jekla, ki ima za en kemijski element naslednjo obliko: SMeI < VP + IZel. 2 (di • Xi) < ZMeI (3) i = 1 SMel = zahtevana spodnja meja za element (kg/t) ZMel = zahtevana zgornja meja za element (kg/t) VP = vsebnost elementa v talini pred legiranjem (kg/t) Jože Segel, dipl. inž. met.: vodi službo za organizacijo in avtomatizacijo proizvodnih procesov v Železarni Ravne IZcl = izkoristek elementa pri legiranju d; = delež elementa v i-t feroleguri (kg/t) X; = količina i-t ferolegure (kg/t) Pri obravnavanem modelu mora biti vsota vseh elementov v jeklu enaka 1 toni: n m dat-SlZei-j . 21 (d,j .Xy) < 1000 (4) j = 1 i = 1 dlit = izplen litja Dodatne omejitve linearnega modela optimiranja so razpoložljive količine posameznih surovin (enačba 5) in obvezno jemanje surovin zaradi tehnoloških razlogov (enačba 6): Xsu,i S QSUii (5) dsu,i - XSUii < Dsu i (6) dsu,i = minimalen dodatek i-t ferolegure (kg/1) Dsu,i = maksimalen dodatek i-t ferolegure (kg/t) Xsu_i = dodatek i-t surovine (kg/t) Qsu i = razpoložljiva količina i-t ferolegure (kg/t) Predpisana (zahtevana) kemijska sestava in tehnološko predpisani dodatki se med jekli razlikujejo. Zato je tudi dimenzija matrike, ki nastopa v linearnem programu, spremenljivka. Matrika je velika tudi do 30 vrstic X 80 kolon in razvita iz zgoraj opisanih neenačb (1 do 6). Osnovnemu linearnemu matematičnemu modelu je dodan statističen model v obliki večkompo-nentnih nelinearnih regresijskih enačb, ki pojasnjujejo zakonitosti v procesu izdelave jekla in povečujejo matematično determiniranost procesov in zanesljivost izračunov. Regresijske enačbe (7) je mogoče poiskati s pomočjo obstoječih računalniških programov in podatkov iz proizvodnje. Za izračun dodatka ferolegur ima enačba izplena posameznega legiranega elementa naslednjo obliko: Izplen = Ao + A,. % Cpr + A2. % MEpr + A3. . (% MEko — % MEpr) + A4 (O/o MEko - % MEpr)2 (7) kjer pomeni: A0, A,, A2, A3, A4 = koeficient regresijske enačbe % Cpr = vsebnost ogljika pred legiranjem (%) % MEpr = vsebnost metala v predpreizkušan-cu (%) 1/ as Slika 1 Izplen silicija pri različnih skupinah jekla Fig. 1 Yield of silicon in various steel groups % MEko = ciljana končna vsebnost metala v jeklu (%) Slika 1 prikazuje odvisnost izplena silicija od porasta vsebnosti silicija med legiranjem. Za posamezne predstavnike skupin jekel so vrisane premice, ki ponazarjajo linearne regresijske enačbe: Izplensi = Ao + A3. (% Siko — % Sipr) (8) Iz splošnejše enačbe (7) smo dobili za izplen silicija razmeroma preprosto regresijsko enačbo. Za druge legirne elemente imajo regresijske enačbe drugačne oblike, vendar vse v okviru splošne enačbe (7). Matematično statistični model regresijskih enačb, ki so mu dodane praktične izkušnje v obliki omejitev, je dinamičen, saj je koristno in potrebno občasno iskati nove regresijske enačbe, ki pojasnjujejo novosti v tehnološkem procesu. V Železarni Ravne je že izdelana II. in za nekatera jekla III. generacija regresijskih enačb izplenov. V regresijsko enačbo so vključeni poleg izplena tudi drugi korekturni parametri, kot sistematične napake teže vložka, kemijska analiza in podobno. Zato izraz izplen ni povsem točen in pride do tega, da dajo enačbe včasih tudi preko 100 °/o »izplen«. V takšnih primerih seveda ne gre za izplen, temveč le za korekcijski faktor. Način uporabe računalnika Z računalniškega vidika je uporabljen on-line open loop model (enolinijski model odprte zanke). To je model neposredne uporabe računalnika v toku proizvodnega procesa, pri katerem gredo informacije iz računalnika do človeka in ne direktno v proces. Delovodja ali talilec pokliče računalniški program »LEGI« za izračun dodatka ferolegur preko video terminala (slika 2). Pokliče ga lahko kadarkoli. Običajno je to takrat, ko je pri ročnem izračunavanju pristopil k uporabi logaritmičnega računala. Izračun lahko po potrebi večkrat ponovi. ............../LEGI IZRf»l:UN DODATKA FEROLEGUR 24-SEP-78 12S05 JEKLO ? L C riu :l. 00 ENAC, CILJANA KEMIJSKA SESTAV, 'e JEKLA i 1 EL. CILJ,. S AN AL , PREDPIS C 0 »2.10 0.1 SO - 0,230 S O.035MAX 0.000 -■■ 0,035 SI 0,320 0»150 - 0,400 CR 1»200 1 * .1.00 - 1 ,400 CU 0» 350MAX 0.000 ■••■ 0,350 MN 1.040 0,900 •- 1,200 HO 0 «235 0,200 - 0,300 P 0»035MAX 0,000 - 0,035 NI 0,300MAX 0,000 - 0,300 PREDPISANA TEMPE RATURA ] [ZLIVA S , IZPLEN V L. OZKA (Z> t {■ * * * * * i PREDPISANI DODAT MAFERIAL V EK KG/T! PEC V P ON» AL Z V 1 »35 0» 40 GASI 0«00 1 »50 ALI ZEL IS POPRAV ITI VREDNOSTI - 1 SKUPAJ SARZIRAN0 /KG/ ? 7000 KEMIJSKA SESTAVA PREDPRODE J 16.50* » 90 »0.0 :l. C ? 2 S ? 3 SI ? 4 CR ? 5 CU 'i' 6 MN ? 7 HO ? e p ? p, 28 ,0_K). 0 ,1 ? 0 • 032 Legenda: i vtipka delovodja Slika 2 Talilec pri uporabi video terminala Fig. 2 Smelter using video terminal 9 NI T 0,08 ALI ZEL18 POPRAVITI VREDNOSTI - O/H *? Ji V NAPREJ DODANO PO PREDPROBIt :!. NAZIV '? Slika 3 Dialog računalnik-talilec pri vnosu podatkov za izračun dodatka ferolegur Fig. 3 Dialog betvveen the computer and the smelter in data input for the calculation ot ferroalloy additions s a r za i 72420 jeklo» ecm0100 cas ? 12 507 datum t 24- sep -78 ::::;.:::.;:.::,'::: ::::::: :::::::::::::;:::::::::::::: :;:::.:::::::;:::::::::::::::;:::::.::;::::::; r.:::::::::::::::::: ::•:::::::::::::;;::.:::::::::::::::::::::::::.:::::::.::::::::::::::;:::::;.::;:;;:;:;::::: .•:;;.::: —;;:: material dodati KG ze dodano kg STROSK.i al z V 58* 1229,60 al z v .y PONOVCO 16, 339,20 časi v PONOVCO 63, 2142,00 femo O % v 7350,00 fecra 31, 666 50 eecrc 431, 6120,20 simn 477, 4626,90 sicr 97, 1503,50 skupaj'; 1208, 23977,90 teza vloz K a teza sarze v p0n0mc1 bo .43263« s t r o s ki !... e g t r a n j a < din / k g) , » , ♦ ♦♦♦ , 0,5 5 pade o temperature pri' legi ran ju ♦♦♦ 55* dodano k g predpr, izracz CII.....J •anal, predpis izplen ::': :;;: :::; :::: :::: :::: :::: :::: :::: :::: :•:: :::: ;::: u:: :::: :::: :::: :::: :::: :::: :::: :::• :::: ;::: :::: :::: :::r :::: :::: :::: :::: :::: :::: :::: :::: :::: :::: :::; :::: :::: :::: :::: :::: :::: :::: :::: :::: :::: :::: :::: :::: n:: :::: :::: :::: 37,59 0.120 0,210 0,210 0,180 .... 0,230 106,671 s 0,02 0, 025 0,024 -0,035 0,000 .... 0,035 100,000 si 160,10 0,010 0,320 0,320 0,150 .... 0,400 83,840 gr 347,92 0,470 1,200 1,200 1,100 .... 1,400 92,090 cu 0 »03 0,280 0,274 -0,350 0,000 .... 0,350 100,000 mn 31.6 ,6 3 0,400 1 ,040 1,040 0,900 .... 1,200 88,678 mo 25,11 0,190 0,235 0,235 0,200 .... 0,300 84,847 p •0,01 0,032 0,031 -0,035 0,000 .... 0,035 100,000 ni 0, 00 0,080 0,078 -0,300 0,000 .... 0,300 100,000 ali bos izračun uporabil pri leg i ran ju •••• D/N ? D Slika 4 Rezultat izračuna dodatka ferolegur Fig. 4 Result of calculation of ferroalloy addition To pride v poštev takrat, kadar želi zaradi priprave ferolegur dobiti orientacijski izračun. Klicanje programa »LEGI« pri predlegiranju je samostojno in se od končnega legiranja loči v toliko, da je pred nazivom jekla črka P (predlegiranje). Za to novo oznako jekla ima računalnik pripravljen povsem samostojen model izračuna dodatka ferolegur. Delovodja vtipka v video terminal po načelu vprašanje — odgovor osnovne vhodne podatke: — številko šarže, — oznako jekla, — težo vložka in — kemijsko sestavo zadnjega predpreizkušanca. Kot kaže slika 3, je mogoče v primernem trenutku začasno prilagoditi računalniški model izračuna posebnim zahtevam ali situacijam pri peči. Zniža ali poviša se ciljana kemijska sestava posameznega elementa, prepove ali vsili se dodatek določene ferolegure itd. Takšne manipulacije pri legiranju nastopajo razmeroma redko. V Železarni Ravne je v teku projekt direktne povezave procesnih računalnikov v kemijskem laboratoriju z glavnim računalnikom jeklarne. Ta povezava bo omogočila neposreden prenos kemijske analize predpreizkušanca v program »LEGI« in se bo s tem ročno vtipkavanje podatkov skrajšalo. Na sliki 4 je prikazan rezultat izračuna dodatka ferolegur. Razdelimo ga lahko v dva dela: — V prvem delu so izpisani podatki, koliko posameznih ferolegur je potrebno vreči v peč ali ponovco. Dopisani so tudi stroški legiranja. — V drugem delu so podrobnejši podatki izračuna. Podatki povedo: koliko čistega legiranega elementa bo dodano (DODANO KG), kemijska analiza predpreizkušanca (PREDPR.), računska končna kemijska analiza (IZRAČ %), ciljana kemijska analiza (CILJ), analizni predpis (ANAL. PREDPIS) in izračunan izplen elementa (IZPLEN). Rezultat izračuna se shrani v eksterni računalniški spomin in ga je mogoče kasneje vrniti nazaj na video terminal. Poleg tega se rezultat izračuna zaradi dokumentacije in kasnejših analiz izpiše na papir glavnega terminala jeklarne. Vsi pomembnejši podatki iz računalnika se beležijo na ta terminal, ki predstavlja istočasno tudi rezervni terminal za primer izpada video terminala. Uporaba računalniškega izračuna dodatka fe-rolegur je za delovodje ali talilce neobvezno. Delovodja se sam odloči, ali bo izračun uporabil v celoti ali samo delno, kajti samo on ve, ali je šarža normalno vodena, on je vtipkal v računalnik ključne podatke za izračun in je še vedno odgovoren za končno kemijsko analizo jekla. POSTOPEK UVAJANJA UPORABE PROCESNEGA RAČUNALNIKA Za uvajanje izračuna dodatka ferolegur s pomočjo matematičnega modela in procesnega računalnika so značilne izredno zahtevne in obširne priprave. Priprava in umeritev matematičnih modelov izračuna dodatka ferolegur je povezana z obširnimi večkomponentnimi nelinearnimi analizami regresije. Takšna analiza je za podatke iz preko 3000 šaržnih kartonov izvedljiva praktično le s pomočjo večjega računalnika. Dela bi bilo še več, če v železarni ne bi izkoristili banke podatkov TKR na IBM računalniku, v kateri so shranjeni podatki o kemijski sestavi, mehanskih, me-talografskih in drugih lastnostih izdelkov Železarne Ravne za obdobje več kot štirih let. V železarni se že več kot šest let pogosto uporablja računalnik pri matematično statističnih analizah, zato to delo ni bilo novo, vsekakor pa je bil nenavaden obseg analiz. Za preko 150 najbolj pogosto delanih jekel smo morali izdelati model izračuna dodatka ferolegur, pri čemer je potrebno usmeriti izračun vsakega legiranega elementa posebej. Med temi jekli je dobra tretjina takšnih, pri katerih nastopa dvakraten izračun dodatka ferolegur: predlegiranje in legiranje. Predlegiranje, ki zahteva posebne enačbe izplenov legirnih elementov in modelov izračuna dodatka ferolegur je sicer manj obsežno, vendar nič manj pomembno. Skupaj s predlegiranjem je bilo potrebno pripraviti, umeriti in skrbno kontrolirati preko 800 modelov izračunov dodatka ferolegur. Pri tem predstavlja en model izračun dodatka več različnih ferolegur, za en legirni element in pri eni vrsti jekla. Tudi vseh 130 regresijskih enačb izplenov je bilo potrebno preveriti s testiranjem »za mizo«. Nekatere enačbe so se pokazale kot neuporabne in iskati je bilo potrebno nove. Še posebej intenzivna je bila kontrola modelov izračuna takoj po inštalaciji računalnika na Ravnah. V tem času je bil za vse delovodje in talilce organiziran tečaj uporabe računalnika pri legiranju. Da bi v modele izračunov dodatka ferolegur vgradili najboljši način le- giranja, so bili v pripravljalna dela intenzivno vključeni izkušeni jeklarji. Samo šest tednov po inštalaciji računalnika na Ravnah, to je 12. junija 1977, se je pričela na vseh štirih elektroobločnih pečeh neprekinjena uporaba računalnika pri legiranju in teče še danes, kar pomeni preko 13000 ur obratovanja računalnika. Računalnik dela 24 ur na dan in je delno izklopljen samo pri preventivnem vzdrževanju. Delovodja in talilci se poslužujejo računalnika neposredno sami, brez posredovanja računalniškega operaterja, ki dela tako samo na eno izmeno. Naslednje tri mesece ni bila uvedena nobena druga aplikacija uporabe računalnika v jeklarni, kajti vsa pozornost je veljala neprekinjeni kontroli uporabe računalnika pri legiranju. Tudi javljanje rezultatov analiz preizkušancev iz kemijskega laboratorija se je na računalnik uvedlo kasneje. (JUN-DEC 77) (JAN-JUN 78) Slika 5 Pogostost uporabe kompletnega računalniškega izračuna Fig. 5 Frequency of application of the complete computer system To je takrat, ko je bila uporaba računalnika za le-giranje osvojena in je postala sestavni del procesa izdelave jekla. Eno od možnih meril uspešnosti uporabe računalnika pri legiranju je pogostost uporabe kompletnega računalniškega izračuna za dodatek ferolegur. V nekaterih ameriških jeklarnah2 se pogostost uporabe kompletnega izračuna giblje pri ogljikovih in nizko legiranih jeklih med 60 in 70 odstotkov. V Železarni Ravne (slika 5) je povprečna uporaba kolpletnega izračuna za vse vrste jekla in štiri peči enaka 75 %, samo za ogljikova in niz-kolegirana jekla pa je 86 %. Na sliki 5 je prikazan tudi povprečen odstotek uporabe kompletnega izračuna med uvajanjem uporabe procesnega računalnika. Sprememba strukture porabe ferolegur V jeklarni so stroški ferolegur v primerjavi z ostalimi stroški izredno visoki. Zato imajo spremembe strukture v porabi ferolegur močan vpliv na skupne stroške izdelave jekla. Na sliki 6 vidimo, da predstavljajo v železarni Ravne stroški ferolegur povprečno kar 22 % vseh stroškov surovega jekla. Zato ima znižanje porabe in spremem- U2 57 1001 -1 Ostalo, , „. vBšBaEmmmm. od ( 4 b'/.) L ____I Remonti Ostalo' OD ( A. Remonti Električna energip (4,0%) Rezijski material (elektrode,obzidava itd) (9,0%) Surovo železo in žlindrini dodatki (5,6 %) Fero legure 21,9% Legirani odpadki 19,8% Staro železo 22,2% FIKSNI STROSKI 11,6% Slika 6 Struktura stroškov izdelave surovega jekla Fig. 6 Cost structure in manufacturing raw steel 1=100 ///^ / // /// /// '/// v/, Pred uporabo računalnika (1975-76L.) Med uvajanjem računalnika Pri uporabi računalnika (JAN-JUN 1978) ( J UN-DEC 1977) Slika 7 Povečanje porabe SiMn/tono jekla Fig. 7 Increased consumption of SiMn per ton steel ba struktur porabe ferolegur izredno močan ekonomski učinek. Razmeroma drag krom v FeCr suraffine in mangan v FeMn suraffine želimo, kolikor je le mogoče, zamenjati z večjo porabo cenejšega kroma v FeCr carbure in SiCr ter mangana v SiMn in FeMn carbure. Neposreden učinek uporabe linearnega programiranja in procesnega računalnika na spremembo strukture porabe dragih in cenenih ferolegur nam kažejo slike od 7 do 12. Na sliki 7 vidimo povečanje povprečne porabe SiMn/tono jekla. Indeks (I) porabe te ferolegure je narastel iz 100 pred uporabo računalnika na 257. To pomeni, da se je povprečna poraba te ferolegure povečala za 2,6 krat. SiCr se je pred uvedbo računalnika uporabljal zelo redko in v glavnem le takrat, kadar je bil predpisan s tehnološkim procesom. Slika 8 kaže skoraj 6 kraten porast povprečne porabe SiCr/tono jekla, že med uvajanjem se je poraba dvignila 4 krat. Tako močna sprememba porabe SiCr je za /--590 Pred uporabo računalnika <1975-76 L) Med uvajanjem računalnika tJUN-DEC 1977) Pri uporabi računalnika (JAN-DEC 1978) Slika 8 Povečanje porabe SiCr/tono jekla Fig. 8 Increased consumption of SiCr per ton steel vsakdanjo prakso zelo nenavadna in povezana z zaskrbljenostjo, ali bo res vse v redu. Pokazalo se je, da je bila zaskrbljenost odveč. Tudi poraba FeCr carbure se je povečala, vendar le za 40 %. Onstotek sicer ni tako velik, vendar je to razumljivo, saj je bila poraba FeCr carbure pred uvedbo računalnika neprimerno večja kot poraba SiMn in SiCr (slika 9). Na porabo ferolegur vpliva proizvodni program, zato je za objektivnejšo sliko primerno vzeti daljše obdobje in analizirati, kakšna je sprememba porabe drage ferolegure v primerjavi s porabo 1 = 139 I =100 Pred uporabo računalnika (1975-76 L.) Med uvajanjem računalnika (XIL -DEC 1977) Pri uporabi računalnika (JAN-JUN 1978) Slika 9 Povečanje porabe FeCr carbure/tono jekla Fig. 9 Increased consumption of FeCr carbure per ton steel 1=100 Pred uporabo Med uvajanjem Pri uporabi računalnika računalnika računalnika (1975 - 76 L.) (JUN-DEC1977) (JAN-DEC 1978) Slika 10 Znižanje porabe FeCr suraffine v primerjavi s porabo FeCr carbure Fig.10 Reduced consumption of FeCr surrafinfe compared to FeCr carbure comsumption 1=31 1=21 Med uvajanjem Pri uporabi računalnika računalnika (JUN-DEC 1977) (JAN-DEC 1978) Slika 11 Znižanje porabe FeCr suraffine v primerjavi s porabo SiCr Fig.11 Reduced consumption of FeCr surraffine compared with SiCr consumption 1 = 100 Pred uporabo Med uvajanjem Pri uporabi računalnika računalnika računalnika (1975 - 76 L.) (JUN-DEC 1977) (JAN-DEC 1978) Slika 12 Znižanje porabe FeMn aff + suraffine v primerjavi s porabo SiMn Fig.12 Reduced consumption of FeMn affine and suraffine compared vvith SiMn consumption cenene ferolegure. Na to razmerje imajo spremembe proizvodnega programa manjši vpliv. Razmerje porabe FeCr suraffine/FeCr carbure je prikazano na sliki 10. že med uvajanjem je bilo prvič porabljeno na mesec več FeCr carbure kot FeCr suraffine. Razmerje se je v korist znižanja porabe drage ferolegure in povečanja iporabe cenene ferolegure znižalo za 34 %. Kot kaže slika 11, se je razmerje porabe FeCr suraffine/SiCr znižalo kar za 5 krat! To lahko pripišemo predvsem izrednemu povečanju! porabe SiCr. Podoben učinek vidimo na sliki 12 pri spremembi razmerja FeMn aff + suraffine/SiMn. že med uvajanjem je opazen takojšen učinek uporabe računalnika in linearnega programiranja, saj se je razmerje med omenjenima ferolegurama spremenilo za 2/3 v korist znižanja porabe drage ferolegure v primerjavi s porabo cenejšega SiMn. POVEČANJE ENAKOMERNOSTI KEMIJSKE SESTAVE IN ZNIŽANJE ODSTOTKA KEMIJSKO ZGREŠENIH ŠARŽ Uporaba računalnika pri legiranju učinkuje na porazdelitve vsebnosti posameznih kemijskih elementov na več načinov: a) S spremembo lege porazdelitve v ugodnejše področje: — se zniža odstotek kemijsko zgrešenih šarž, — zniža se povprečna vsebnost elementa in — regulirajo se lahko nekatere lastnosti jekla. b) S samo zožitvijo porazdelitve se zniža odstotek kemijsko zgrešenih šarž. Kakovost jekla je enakomernejša. c) Zožitev in premaknitev porazdelitve v ugodnejše področje je najučinkovitejše, vendar ne vselej izvedljivo. Zožitev porazdelitve se mora najprej zanesljivo dokazati in če je dovolj velika, sledi sprememba lege porazdelitve. Kadar širina porazdelitve ne dovoljuje spreminjati lego porazdelitve znotraj predpisane kemijske sestave, se zadovoljimo s tem, da ciljamo pri izračunu dodatka ferolegur v sredino 2EL£ZAfNA RAVNE analiziranega predpisa in tako znižamo odstotek zgrešenih šarž na stvarni minimum. Ugotavljanje dejanske porazdelitve posameznega elementa za vsako vrsto jekla posebej je povezano z obdelavo velikega števila podatkov. Obdelava podatkov mora biti dinamična. Ko je na razpolago dovolj podatkov, sledi analiza porazdelitve in analiza možnosti premaknitve porazdelitve v ugodnejše področje. V Železarni Ravne opravlja večino tega dela IBM 370 računalnik. S pomočjo posebnega programa obdela vse končne kemijske analize in izpiše predloge za spremembo ciljane kemijske sestave. Primer takšnega izpisa kaže slika 13. Računalnik išče mošnost spremembe ciljane kemijske sestave bližje spodnji predpisani meji, kar pa kljub predlogu ni vedno izvedljivo, saj lahko pri nekaterih jeklih s pretiranim nižanjem vsebnosti vseh legirnih elementov ogrozimo druge lastnosti jekla. V nadaljevanju bo opisan za vse pomembnejše legirne elemente, skupine jekel in tehnologije izdelave, učinek uporabe računalnika. Za primerjavo sta vzeti dve obdobji: — obdobje pred uporabo računalnika (leto 1975 in 1976) in KEMUOA DATUM: 01 03 75 PREDLOG SPREMEMBE CILJANE KEMIJSKE SESTAVE JlzKLG : Co 4172 PPfJKVsc 3 KOD/ 8005 lr, ANALIZNI PREDPIS: 12» 000 - 14,000 3!CR 2c STATISTIČNI PcEATKI: ŠTEVILO ŠARŽ SLEDNJA VREDNOST N= 30 X= 13 s 0265 STANDARDNA DEVIACIJA S= 0,2455 SPODNJA MEJA(X-1,96*S)= 12,5453 {X-3*S)= 12, 2900 ZGORNJA MEJAIX+1»96*S)= 13,5076 IX+3*S)= 13,7630 30 M. CsNGvI STATo ANALIZE PREDLAGAMO SPREMEMBO CILJANE VREDNOSTI: CILJANG VREDNOST ZMANJŠATI PRI 95% SIGURNOSTI ZA: 0,545 PRI 99,91' SIGURNo ZA: 0,290 Slika 13 Predlog spremembe ciljane kemijske sestave Fig.13 Proposal for changed aimed chemical composition — pri 6-mesečni uporabi računalnika (od jan. do jun. 1978). Za nekatere elemente in jekla je bilo premalo časa in izdelanih premalo šarž, da bi lahko bila pri zoženih porazdelitvah tudi že izvršena premaknitev porazdelitve v ugodnejše področje. Na slikah 1 do 19 je s puščico označeno, da je bil dobljen predlog spremembe ciljane kemijske sestave. Ogljik Spremembe porazdelitve vsebnosti ogljika pri uvedbi računalnika so vidne predvsem v ugodni spremembi lege porazdelitve. Pri nekaterih jeklih je ta sprememba lege porazdelitve vzrok občutnemu znižanju odstotka zgrešenih šarž. Pri ogljiku ni dosežena, ne glede na vrsto tehnologije ali skupine jekla, pomembna zožitev porazdelitve. Računalnik lahko uporabljamo le za spremembo lege porazdelitve, ki pa daje glede na velikost standardne deviacije razmeroma majhen manevrski prostor, uporabljen predvsem za zmanjšanje odstotka zgrešenih šarž in manj za izboljšanje mehanskih in drugih lastnosti jekla. Silicij Za silicij so dobljeni različni učinki uporabe računalnika, odvisno od povprečne vsebnosti elementa in tehnologije izdelave jekla (slika 14). Porazdelitev se je zožila pri vseh predstavnikih, razen pri jeklu Č 4150, ki se dela po pretalitvenem postopku. Posebej ugodno izstopa jeklo Č 3230 in č 4571. Prvo jeklo se dela na »črno žlindro« in ima Č.I531 CK 45 "c.. -— V. Si N X SIC IZ 0.10. Q20 0.30 g 40 806 0273 Q040 Q6 208 0.259 0.038 0 / J C 3230, VMS 13 5 "C.. -- % Si N X sie IZ 1.10 1.20 30 uo 34 1277 0.086 5.9 i 15 1271 0055 0 \ r- / s Č5432 VCNMo 200 "S.. —— •/. N X SI G IZ o.ip 0.20 0,30 0,40 71 3,260 0,044 0 / | 16 1.218 0,036 0 ž I C. 4571 PK1I "K.. -— ■/. s, N X SIC IZ 0,30 0.40 0.50 0.60 a 70 030 38 0.533 0105 0 i ?? ■v? 13 3 501 0,053 0 \ t . 41 SO OCR 12 "P.. '0 N 7 SIC IZ 10 Q20 .030 0.40. 316 Q281 0,052 1,3 I 2 Ž 31 0.281 0.061 1,2 Legenda: N-število šarž /Z-Indeks zgrešenih šarž V//, - pred upor računalnika X - sred vrednost C - črna žlindra K-klasična r - pri upor računalnika SIC-sigma_5- sintetična žlind. P-pretopit Slika 14 Sprememba porazdelitve vsebnosti silicija učinka uporabe procesnega računalnika. Fig.14 Changed distribution of silicon content razmeroma visok predpisan odstotek silicija. Drugo jeklo se dela po klasični rafinaciji. Za obe vrsti jekla je značilen visok koeficient determinacije in kvalitetne regresijske enačbe izplena. Zato je izračun dodatka silicijevih ferolegur natančnejši in zanesljivejši. Lego porazdelitve lahko premaknemo bližje spodnji meji s spremembo ciljane kemijske sestave v modelu izračuna dodatka silicija. Kako je razmeroma ozka porazdelitev vsebnosti silicija pomaknjena bliže spodnji meji, vidimo na sliki 14 za jeklo Č 5432. Pri tem jeklu lahko smatramo, da je dobil model izračuna dodatka silicija »končno« obliko, ki se lahko spremeni le, če se bistveno spremeni standardna deviacija. Občutno se je znižal odstotek zgrešenih šarž pri jeklu C 3230. Slika 15 Sprememba porazdelitve vsebnosti kroma Fig. 15 Changed distribution of chromium content Krom Za 20 do 50 % zoženje porazdelitve vsebnosti kroma kaže na izredno pozitiven učinek računalnika (slika 15). Očitno je močno znižanje odstotka kemijsko zgrešenih šarž in premaknitev ali možnost premaknitve lege porazdelitve bližje spodnji predpisani meji. Kar pri štirih od petih obravnavanih jekel je padel odstotek zgrešenih šarž na nič. To je še posebej pozitivno pri jeklih, ki so imela pred uporabo računalnika zelo visok indeks (IZ) zgrešenih šarž. Pri vseh obravnavanih jeklih je bila že dosežena delna premaknitev srednje vrednosti k nižjim vsebnostim elementa, vendar še niso izkoriščene vse možnosti, saj lahko npr. pri Č4172 in Č 4150 še znatno znižamo povprečno koncentracijo kroma. Krom je tipičen primer možnosti, ki jih daje uporaba procesnega računalnika. Vo Cr % Cr Legenda - pred upor računalnika - pri upor računalnika N_- šle vilo šarž IZ-indeks zgrešenih šarž X - sred vrednost C-črna žlindra K-klasična raf S/C - s igma S - sintetična, zl. P-preiopitev % Cr % Cr Dosežena je: — sprememba lege porazdelitve, — zožitev porazdelitve in —■ kombinacija zožitev in spremembe lege porazdelitve (Č 4571). Nikelj V vseh primerih je dosežena pomembna zožitev porazdelitve in znižanje odstotka kemijsko zgrešenih šarž. Znižanje povprečne vsebnosti je doseženo pri jeklu Č 5420 in Č 4571. Dodatno je mogoče znižati vsebnosti razmeroma dragega niklja pri jeklih C 4571 in Č 5420 (slika 16). Legendo: '//// pred upor. računalnika ■frffft pri upor, računalnika N- število šarž IZ-indeks zgrešenih šarž X- sred. vrednost S - sintetično i/. SIG-sigmg_K - klasična raf_ Slika 16 Sprememba porazdelitve vsebnosti niklja Fig.16 Changed distribution of nickel content Vanadij Podobno kot pri ostalih elementih lahko na sliki 17 vidimo izredno učinkovito zožen je porazdelitve, znižanje odstotka zgrešenih šarž in znižanje povprečne vsebnosti vanadija. Povprečna vsebnost vanadija se ni znižala pri Č 7680, kajti pri tem jeklu, kakor tudi pri č 4830 je bilo treba najprej doseči znižanje odstotka zgrešenih šarž. To je bilo doseženo v obeh primerih. Lege porazdelitve pri jeklu Č 7680 ne smemo spreminjati, kajti premaknitev srednje vsebnosti iz sredine analiziranega predpisa bi povzročila nepotrebno povečanje odstotka zgrešenih šarž. Volfram Pri vseh obravnavanih jeklih (na sliki 18) je bilo treba najprej doseči znižanje odstotka zgrešenih šarž in šele v drugi fazi po možnosti znižati vsebnost dragega volframa. Znižanje zgrešenih šarž je doseženo pri vseh jeklih. Edino jeklo, pri katerem odstotek ni padel na nič, je Č 4650, vendar s premaknitvijo ciljane vrednosti v modelu izračuna dodatka volframa v sredino analiznega predpisa, lahko pričakujemo še dodatno znižanje odstotka kemijsko zgrešenih šarž. Tik pred uvedbo računalnika je prišlo pri jeklu Č 7680 do stro- Slika 17 Sprememba porazdelitve vsebnosti vanadija Fig. 17 Changed distribution of vanadium content Legenda N- število Sar ž IZ- indeks zgreSenh lari ///■ - pred upor računalnika 7- sred vrednost K-klasična rafinaciia **** - pn upor računalnika_S/G- sigma_P- pretopile v_ Slika 18 Sprememba porazdelitve vsebnosti volframa Fig. 18 Changed distribution of tungsten content žjega analiznega predpisa, ki bi pri obstoječi porazdelitvi imel katastrofalne posledice. Pričakovali bi lahko okoli 1/3 zgrešenih šarž. Zaradi uporabe računalnika pa je padel odstotek na nič; Očiten prihranek, ki ga je mogoče še povečati, je dosežen pri jeklu Č 4750. Mangan Pri analizi regresije izplenov mangana se je pokazalo, da je to najbolj »problematičen« element. To je razlog, da kar pri treh jeklih na sli- Legenda: N- število šari IZ-indeks zgrešenih Sari /M - pred upor. računalnika X- sred. vrednost S - sintetična 21 P-pretopitev - pri upor računalnika SIG-sigma_K - klasična raf__ Slika 19 Sprememba porazdelitve vsebnosti mangana Fig.19 Changed distribution of manganese content ki 19 ni prišlo do zoženja porazdelitve. Boljši rezultati so doseženi pri jeklih, ki se delajo s klasično rafinacijo ali po pretalitvenem postopku. Pri jekleni litini ČL 7361 je doseženo 40 % in pri jeklu Č 4150 25 % zoženje porazdelitve. Pomembna sprememba odstotka zgrešenih šarž je dosežena samo pri jeklu Č 4150, kjer je odstotek zgrešenih šarž padel za 4,6 krat. Povprečna vsebnost mangana se je znižala zaradi ugodnejše lege porazdelitve, pri vseh obravnavanih jeklih, razen pri jekleni litini ČL 7361, kjer pa nam puščica nakazuje, da je mogoče znatno spremeniti ciljano kemijsko sestavo dodatka FeMn. Molibden Pri tem elementu je doseženo do 30 % zoženje porazdelitve in 20 do 100 % znižanje odstotka kemijsko zgrešenih šarž. Povprečna vsebnost molibdena je padla, kot nam kaže slika 20, pri vseh jeklih, razen pri jeklu Č 5432, kjer je bilo potrebno v prvi vrsti doseči znižanje odstotka zgrešenih šarž. Pri brzoreznem jeklu Č 7680 je tik pred pričetkom uvajanja procesnega računalnika prišlo do zožitve anaiiznega predpisa. Zato bi pri nespremenjeni širini porazdelitve lahko pričakovali dosti višji odstotek zgrešenih šarž. Zaradi uvedbe računalnika se to ni zgodilo. Postopoma, v odvisnosti od števila izdelanih šarž, lahko za posamezno vrsto jekla dosežemo znižanje odstotka kemijsko zgrešenih šarž. Pri jeklih, ki se delajo pogosteje, je to doseženo običajno prej kot pri jeklih, ki se delajo občasno. ^ pred uporabo računalnika ^ pri uporabi računalnika Cr Mn R CTl iS rs. i ^ oi ^r — -s Slika 21 Znižanje odstotka zgrešenih šarž jekla Č.4150 pri uvedbi procesnega računalnika Fig. 21 Reduced portion of wrongly composed melts of č.4150 steel by introducing computer control Slika 20 Sprememba porazdelitve vsebnosti molibdena Fig. 20 Changed distribution of molybdenum content Poleg tega je uspeh odvisen od vrste tehnologije izdelave jekla in jakosti legiranja (povprečne vsebnosti legiranih elementov). Primer občutnega znižanja odstotka zgrešenih šarž nam kaže slika 21. Še posebej drastično je znižanje zgrešenih šarž pri manganu; pri siliciju, kromu in vanadiju pa je odstotek padel na nič. Primerjalni podatki so vzeti za prvih pet mesecev 1978 in povprečje dveh let pred uporabo računalnika. Č 4732. VCMo UO 12MnMo I Legenda: ~ pred upor. računalnika s/SS - pri upor, računalnika N-število bari IZ-indeks zgrešenih šari X - sred vrednost C -črna A K-klasična rgf SIG- slgmc_5 -sintetične z i P- prelopltev V. Mn 0,60, , Q70 — V. Mn Q30. . Q40 . % Mn Legenda: -pred upor računalnika — pri upor računalnikb N- število šarž IZ - indeks zgrešenih šarž X - sred. vrednost S - sintetično žl. P-pretopitev S/G-sigma_K - klasična raf MOŽNOST REGULACIJE NEKATERIH LASTNOSTI JEKLA Brez dvoma ima kemijska sestava jekla vpliv na mehanske, metalografske in druge lastnosti jekla, vendar nihanja kemijske sestave znotraj predpisanih mej nimajo na omenjene lastnosti vedno izrazitega vpliva. Močnejše vplive imajo drugi, predvsem tehnološki parametri. Pozornost na te vplive je zmanjšana tudi zato, ker imamo običajno opraviti s porazdelitvami kemijske sestave, ki pokrivajo celotno širino posameznega analiznega predpisa in je zato manevrski prostor za spreminjanje povprečne vrednosti zelo majhen. Eden od pomembnih učinkov uporabe računalnika pri legiranju je zoženje porazdelitve končne kemijske sestave, ki znaša 50 % in več. To je novi moment pri možnostih reguliranja nekaterih lastnosti jekla, kajti glede na željene lastnosti nekaterih jekel lahko povprečje posameznega elementa premaknemo bližje zgornji ali spodnji predpisani meji, ne da bi ogrozili zadet je analize. C 4570. PK 2 SP "K -«- /. N, N y SIS IZ 1.50 2.50 84 2078 0,180 4.8 I 7? z < 1 71 2J5i 1114 1.4 i C 4570 PK 2SP _ '.o ena delta fentc N X SIC IZ 7 4 5 20 3.85 1.39 25 Y/ 20 3.25 0.72 0 Legendo A/ - število šarž V//' - pred spremembo X - sred. vrednost && - po sprememb* SIG-sigmo IZ- indeks zgrešenih šari k - klasična rcfinacija Sliika 22 Povezava spremembe vsebnosti delta ferita ob spremembi vsebnosti niklja pri jeklu C.4570 Fig. 22 Relation betvveen the changed content of delta ferrite and the changed nickel content in Č.4570 steel Na prekaljivost jekla ima kemijska sestava jekla znaten vpliv. Zato lahko pričakujemo pri pravilni uporabi procesnega računalnika manjše odstopanje od željene prekaljivosti in boljše prilagajanje predpisanim pasovom kaljivosti. Posebej pozorni moramo biti na Cr, Mn in C, kjer se gibljejo skupni koeficienti determinacije od 0,40 do 0,60, v odvisnosti od jekla in globine meritve trdote.4 Ugotovljen je tudi pomemben vpliv Si in C na žilavost in velikost avstenitnega zrna pri cemen-tacijskih jeklih. Vpliv ni tako močan, kot ga kaže aluminij (ki z uporabo računalnika nima praktično nobene zveze), vendar je vreden pozornosti.3 Pri nerjavnem jeklu Č 4570 ima odstotek delta ferita pomemben vpliv na predelavnost jekla. Problematično je lahko valjanje na bloomingu. Zaželjen je nizek odstotek delta ferita, ki naj bo vsaj pod 10 % (ocene 5). Na odstotek delta ferita v jeklu ima močan vpliv vsebnost niklja in kro- ma. Nižji odstotek delta ferita dobimo, če imamo nikelj blizu zgornje meje in krom blizu spodnje meje analiznega predpisa. Pred uporabo in v prvih tednih uporabe računalnika je bilo valjanje jekla Č 4570 zelo kritično. Analize so pokazale, da imajo šarže razmeroma nizko vsebnost niklja in pogosto visok odstotek delta ferita. Sprejet je bil nov ožji interni predpis vsebnosti niklja od 2,00 do 2,50 %. Temu predpisu se je prilagodila nova ciljana vsebnost niklja v modelu izračuna dodatka ferolegur na procesnem računalniku. Na sliki 22 je prikazana porazdelitev vsebnosti niklja in delta ferita pred spremembo predpisa za nikelj in po njej. Učinek spremembe predpisa in uporabe računalnika je dobro viden. Ožja porazdelitev in premaknitev porazdelitve v zgornjo polovico JUS analiznega predpisa za nikelj zelo ugodno vpliva na nižjo vsebnost delta ferita v jeklu. Od preiskovanih šarž imajo vse šarže oceno delta ferita pod 5. Tako so problemi pri valjanju ingotov praktično rešeni. Nova širina porazdelitve niklja v jeklu Č 4570 nam daje skoraj dvakrat večji maneverski prostor, poleg tega pa je očitno, da ni pri vsakem jeklu in elementu mogoče porazdelitve premakniti čim bližje spodnji predpisani meji, ampak je potrebno pri pripravi modela izračuna dodatka ferolegur upoštevati in izkoriščati še kvalitetne momente jekla. Zaključek V razmeroma kratkem času se je v jeklarni Železarne Ravne pokazala učinkovitost uporabe procesnega računalnika na področju legiranja. Že v prvih mesecih uporabe računalnika je doseženo znatno znižanje materialnih stroškov, povečana je enakomernost končne kemijske sestave in znižan je odstotek kemijsko zgrešenih šarž. Poraba dragih ferolegur kroma in mangana se je znižala v primerjavi s porabo cenenih ferolegur 1,5 do 6 krat! Pri uporabi računalnika so porazdelitve končne kemijske sestave pogosto tudi za polovico ožje. Učinek lahko pripišemo naslednjim funkcijam: — računalnik je neposredno vključen v proces izdelave jekla (24 ur na dan), — v vsakdanji in pogosti uporabi so matematične metode optimiranja (linearno programiranje), — uporabljeni so matematični modeli izračuna izplena ferolegur in — uporaba računalnika je poenotila postopek in ciljane vsebnosti legirnih elementov pri izračunu dodatka ferolegur. Rezultati kažejo, da je investicija v procesni računalnik izredno ekonomična in dosega ali celo presega pričakovanja. Literatura: 1. Segel J.: Approaches to Computer Control in Meltshop Steelnrfcing, 3rd International Iron and Steel Congress, 1978, Chicago 2. Shroeder D. L., Lendman T. T.: Materials Management in Electric Furnace Steelmaikiing, A. I. S. E. Steel Show, Cleveland, Ohio, sap. 1977 3. Segel J.: Analiza kakovostnega nivoja in vpliv kemijske sestave na ZF 6. Interna dokumentacija železarne Ravne, 1976 4. Segel J.: Kontrola pasov garantirane kaljivosti in analiza vpliva kemijske sestave na kaljivost, Železarski zbornik, (Jesenice), 9, 1975 5. Segel J.: Uporaba procesnega računalnika v elektrojek-larni, Železarski zbornik (Jesenice) 12 (1978) 2, str. 37—47 ZUSAMMENFASSUNG In verhaltnismassig kurzes Zeit hat sich im Stahlvvenk des Hiittemverkes Ravne der Nutzeffekt der Anvvendung des Prozessrechners auf dem Gebiet des Legierungsver-fahrens gezeigt. Schon in den ersten Monaten der Anvvendung des Rechners ist eine betrachtliche Verminderung der materiallen Kosten erzielt vvorden, die Gleichmassig-keit der Stahlzusammensetzung in der Endanalyse hat sich vergrossert und der Prozentanteil der Fehlschargen ver-inindert. Die Stahlerzeugungskosten sind stark von der Struktur der Einsatzstoffe und der Ferrolegierungen abhangig und gerade auf diesem Gebiet ist ein grosser Erfolg erzielt worden. Der Verbrauch von teueren Ferrolegierungen vvie Chrom und Mangan hat sich zu Gunsten der billigeren Ferrolegierungen um 1.5 bis 6 Mal vermindert. Bei der Anvvendung des Prozessrechners ist die Ver-teilung der chemischen Endzusammensetzung haufg um die Halfte enger. Dieses Ergebnis kann folgenden Tatsachen zugeschrie-be-n werden: — der Rechner ist unmittelbar und ununterbrochen in den Stahlerzeugungsprozess eingeschlossen (24 Stunden am Tag) — die mathematischen Optimierungsmethodan (lineare Programierung) werden taglich und haufig angevvendet — die mathematischen Modelle werden fiir die Aus-rechung der Ferrolegierungsausbeute angevvendet und — die Anvvendung des Prozessrechners hat das Ver-fahren und die gezielten Gehalte der Legierungselemente bei der Ausrechnung der Ferrolegierungszugabe verein-heitlicht. Die Ergebniisse zeigen, dass sich die Investition in den Prozessrechner als sehr akonomisch erwiesen hat und die Ervvartungen erreicht, oder sogar iibertroffen vvorden sind. SUMMARY In a relatively short time, the application of the pro-cess computer control in alloying processes showed re-sults in the steel plant of Ravne Ironvvorks. Already the first months of computer control indicated substantial reduction of cost, increased uniformity of final chemical composition, and reduced portion of chemically wrong!y composed melts. Manufacturing costs of steel are highly influenced by the consumption structure of feed and feroalloys. Here an extraordinary success was achieved: Consumption of expensive chromium and manganese ferroalloys in comparison with cheaper ferroalloys was reduced for 1,5 to 6 times. Computer control reduced the variation of final chemical composition to a half. The effect can be ascribed to: — computer is directly and constantly controlling the manufacturing process of steel (24 hours per day), — often mathematical methods of optimisation are applied (li-near programming), — mathematical models are applied in determining the yield of ferroalloys, and — computer control unified the procesess and the aimed values of alloying elements in calculation of the additions of ferroalloys. The results clearly show that in-vestment into the process computer was very profitable and it even exceeds the expectatioms. 3AKAIOTEHHE CpaEHHTGAUIO b KOpOTKOM npoMe?KyTKy BpeMeHH b CTaAenAaBH-AbHOM uexe MeTaAAyprnqeCKoro 3aBOAa }KeAe3apHa PaBHe yCTaHOB-AeHa 3eKTHBHOCTb npHMeHeHH« BiJIHCAHTeAbHOfl MalHHHH B 06Aa-cth CTaAH. y»ce b nepBbix Mecauax ynoTpe6AeHHH bbmhcahteabhoii ManiHHbi 3aMeiJ>eKT mo5kho npiraHCAHTfa CAeAyiomHM <}>aKTopaM: — cieTHaa ManiHHa HenocpeACTBeHO h SecnpepbiBHO bkakraeha b npouecc H3roT0BAeHHH CTaAH (24 q b cyTKn), — e>KeAHeBHOMy h HaCTOMy npHMeHeHHio matemath^eckoro Me-TOAa onTHMH3auH« (AimefiHoe nporpaMHpoBaHne), — npHMeHeHHio MaTeMaT«qecKHX MOAeAeft aah BbiracAeHHe bh-xoAa eppocnAaBOB. IlpHMeHeHHe chcthoh MauiHHM Bbi3BaAo yHHHKamno caMoro cnocoSa, h aocth«eHHe iieAeBbnc bcah^ihh AerapoBaHHbix 3AeMeHTOB npH BbumcAeHHH Ao6aBKH (JieppocriAaBOB. pe3yabtatm noKa3aAH, uto BAo>KeHHa b ynpaBAflK>niyio bm