Моделирование процессов и объектов в металлургии

Введение

По мере развития технологии производства цветных металлов повышаются требования к качеству технологического процесса. В переработку поступает все более сложное, комплексное сырье, содержащее помимо основного извлекаемого металла ряд других ценных компонентов. Например, медная руда помимо меди содержит цинк, свинец, железо, серу, золото, серебро и другие примеси. Комплексное использование сырья предполагает извлечение из него всех ценных компонентов, возможное на данном уровне развития технологии.
Чем жестче требования по комплексности использования сырья, тем сложнее технологическая схема, тем больше количество операций в этой схеме, тем больше количество полупродуктов и оборотов в таких схемах. Управлять такими схемами и проектировать такие технологии становится сложнее.
Второй особенностью современных технологических процессов является увеличение единичной мощности технологических агрегатов. Возрастают требования по экологической безопасности процесса.
Вследствие этого эффективно управлять такими технологическими процессами на основе опыта и интуиции персонала становится невозможно, а ошибки по управлению становятся слишком дорогими.
Выходом из этой ситуации становится внедрение информационных систем для управления технологическими процессами, основное назначение которых состоит в том, чтобы обеспечить обработку информации о технологическом процессе и на основе результатов этой обработки оказать помощь персоналу, управляющему технологическим процессом по принятию решений, направленных на изменение параметров технологического процесса для достижения поставленной цели. Информационные системы работают наиболее эффективно, если в их составе имеется модельная система поддержки принятия решений, в основе которой лежит математическая модель технологического процесса, позволяющая на основе расчетов прогнозировать ход и результат технологического процесса при изменяющихся условиях его проведения.
Инженер-металлург, управляющий технологическим процессом, должен владеть методами создания и использования математических моделей для совершенствования и оптимизации технологии.
Цель – изучить моделирование процессов и объектов в металлургии.
Для достижения цели необходимо выполнить следующие задачи:
- изучить технологические процессы в металлургии;
- рассмотреть системный анализ;
- охарактеризовать методы построения математических моделей.

Технологические процессы в металлургии

Технологические процессы обеспечивают осуществление первичного передела: извлечение металлов из руд, их обогащение, литье, ОМД, ТО и др. относятся к металлургическим процессам. А отрасль промышленности, в которой они осуществляются, называется металлургия. Технологические процессы литья, ОМД, ТО и пр. также широко применяются и в др. отраслях промышленности: авиационной, общем и тяжелом машиностроении, судостроении и пр. Разработкой технологии занимается технолог-специалист, хорошо понимающий специфику протекающих в ходе обработки процессов. Технолог устанавливает количество и последовательность операций, выполняет эскизное проектирование оснастки, назначает режимы обработки заготовки. Свои рекомендации он оформляет в виде технологических и маршрутных карт, эскизов полученных деталей (изделий).
Проектированием оснастки занимается технолог-конструктор. Результатом его работы являются 3D-модели и чертежи оснастки, согласованные с технологом и службами (другими предприятиями) занимающимися изготовлением этой оснастки. Общие сведения о моделировании ТП. В своей деятельности конструкторам-технологам и технологам приходится сталкиваться с моделированием и моделями. В самом широком понимании модель – это упрощенное представление исследуемого объекта.
Соответственно моделирование – это процесс создания и исследования модели. На основании исследования модели мы получаем информацию об интересующем нас объекте. В связи с широким кругом использования существует огромное разнообразие моделей и их классификаций. Модели можно разделить на физические и абстрактные. Физические модели – это модели, выражающие своими физическими характеристиками свойства исследуемого объекта. Для исследования физической модели требуется проведение эксперимента или наличие накопленной статистической информации о поведении объекта исследования. Абстрактные модели (модели спецификации) описывают поведение объекта исследования с помощью принятых обозначений (устных или письменных). Среди абстрактных моделей наиболее важными являются математические модели – записываются с помощью математических обозначений. Использование математических моделей не всегда удобно в связи с тем, что необходимо выполнять значительное количество математических операций в связи, с чем в настоящее время широкое распространение получили программы, реализованные на их основе

. Другими словами компьютерная программа это электронный аналог математической модели, который обеспечивает более удобную работу.
Существующее многообразие программ можно разделить на несколько групп. Наиболее важные из них для конструкторов и технологов, это: CAD – системы проектирования трехмерных геометрических моделей и чертежей (Компас, NX, Catia и др.); САЕ – системы инженерных расчетов – обеспечивают моделирование физических процессов, протекающих в твердых телах, потоках газов под воздействием электромагнитных и температурных полей. САЕ – системы условно можно разделить на универсальные (Ansys, Abaqus) и технологические (Deform, Pam-Stamp, Pro-Cast). Технологические программы, в отличие от универсальных, созданы специально для решения узкого круга задач литья, ОМД, сварки и пр. CAM – системы технологической подготовки производства – программы, позволяющие упростить труд технологов и рабочих при осуществлении управления сложным производственным оборудованием с числовым программным управлением (ЧПУ). Фактически это программы, которые позволяют создать программы управления станками с ЧПУ.
Системный анализ

Основным понятием данного раздела является понятие о технологических процессах и объектах как о системах.
Система – составной объект, части которого закономерно объединены и совместно выполняют общую функцию.
Системы могут быть искусственными и естественными.
Естественные системы. Они не имеют определенной цели существования и создаются в ходе эволюции. Примером естественных систем являются биологические, например организмы. Другим примером являются социальные системы.
Искусственные системы отличаются тем, что они создаются для вполне определенной цели (технические и технологические системы).

left43180


Рис. 1. Технологический процесс

Целью технологических систем в металлургии цветных металлов является переработка сырья, содержащего цветные металлы, с получением продукта, имеющего заданные свойства.
Система, как целостный объект, существует во внешней по отношению к ней среде (можно провести границу между системой и внешней средой). 
В технологических системах внешняя среда проявляет себя, как источник перерабатываемого сырья и как потребитель произведенного продукта.
Система мысленно или физически может быть разделена на элементы, таким образом, система представляет собой совокупность элементов. Элементы объединяются в систему за счет связей. Таким образом, в любой системе существует определённая структура связей.
Задачей системного анализа является определение свойств изучаемой системы. Изучение этих свойств позволяет в последующем выбрать соответствующий задаче метод построения модели. Таким образом, системный анализ является инструментом, позволяющим изучать функционирование сложных технологических систем и выбирать методы моделирования таких систем.
Система – это объект, обладающий набором системных свойств, к числу которых относятся:
- целостность и членимость;
- наличие существенных связей;
- наличие структуры или организации;
- наличие интегративного качества.
Целостность и членимость. Система, как целостный объект, может быть выделена из внешней среды, а как составной объект, может быть мысленно или физически разделена на составные части. Границами технологической системы в металлургии являются точки поступления исходного сырья и выхода готовой продукции. Масштаб системы может быть различным: от предприятия до отдельно рассматриваемой химической реакции, которая протекает в том или ином технологическом процессе. Как систему можно рассматривать также и отдельный технологический аппарат, совокупность таких аппаратов или технологических операций, т.е. технологическую схему, участок, отделение или цех.
Наличие существенных связей.
Элементы объединяются в систему за счет связей между элементами. Связи можно разбить на три основные группы:
- вещественные;
- энергетические;
- информационные.
Вещественные связи – представляют собой потоки вещества, циркулирующие между элементами системы. Особенности потоков вещества:
- агрегатное состояние может быть различным (твердое, жидкость, газ)
- фазовое состояние (одно- или многофазное).
Вещественные связи в системе подчиняются закону сохранения вещества: сумма масс всех потоков, поступающих в элемент системы, равна сумме масс, покидающих элемент системы. То есть для каждого элемента системы мы можем составить материальный баланс.
Энергетические связи – представляют собой потоки энергии, циркулирующие между элементами системы