К

омпания Corus Special Profiles решила недавно провести технологическую перестройку важной части производственного процесса – отбора проб стали, производимой на ее заводе в городе Скиннингрув, Великобритания. Имеющие ключевое значение для проверки стали на прочность и химический состав пробы традиционно отбирались на производственной линии вручную специально обученными сотрудниками. Но забота о здоровье и безопасности людей при выполнении этой задачи – температура проб колеблется между 900ºC и 1 000ºC, а весить они могут до 100 кг – заставила Corus начать поиск альтернативных способов.
    В прошлом году у Билла Даунинга, менеджера производственных служб компании, возникла идея использовать робот для взятия проб стали. Движимый желанием разработать такой вариант, он вошел в контакт с находящейся в Чешайр компанией AMTRI, занимающейся производственным консультированием.
    Решение задачи было связано с рядом проблем. Помимо необходимости выдерживать экстремальные условия и, в частности, сильнейшую жару, робот должен также быть в состоянии справляться с очень большим разнообразием размеров проб. Кроме того, пространство, в котором ему предстояло совершать свои операции, было ограничено – решающее значение имело место расположения робота, который должен был собирать все сходившие с линии пробы.
    При наличии многих вариантов Боб Ллойд, менеджер проектов компании AMTRI, отвечавший за установку робота, решил воспользоваться набором программ моделирования с тем, чтобы проверить пригодность его конструкции. Он применил исходную программу действий робота, содержавшуюся в наборе цифровых производственных программ Delmia компании Dassault Systemes, которые позволили его сотрудникам усовершенствовать конструкцию зажимного устройства робота с тем, чтобы оно могло справляться со всеми пробами стали, с которыми придется иметь дело. Моделирование показало, что для взятия проб вполне подойдет размещаемый на стеллаже робот производства компании Kawasaki по типу того, который обычно используется при точечной сварке в автомобилестроении.
    Набор программ Delmia также позволил сотрудникам AMTRI определить самое подходящее для установления робота место и завершить разработку конструкции цементной подставки, на которой его надо будет размещать. Моделирование показало, что в плане размещения робота и обеспечения его эффективной работы допуск ошибки был очень мал (±20мм).
    После завершения работ по созданию подставки Ллойд ввел в программу Delmia данные, касавшиеся требуемого места ее установки. Повторное моделирование с использованием новой информации показало, что место для подставки было выбрано несколько неверно: в этом случае зажимное устройство робота не смогло бы взять некоторые пробы. "Даже при самой тщательной работе очень легко допустить ошибку. Речь ведь шла всего лишь о нескольких миллиметрах, но они имели критически важное значение", говорит Ллойд. Еще одно моделирование позволило конструкторам произвести дополнительную коррекцию подставки до размещения на ней робота.
    Сама установка робота осуществлялась в выходные дни, когда завод был закрыт. Программы моделирования Delmia использовались также для подготовки персонала к работе с оборудованием. Ллойд говорит: "Что касается подготовки операторов, моделирование оказалось очень эффективным. Оно, действительно, продвинуло как по маслу весь процесс вперед. Операторы усвоили все, что можно ожидать от нового оборудования."
    На заводе Corus в Скиннингруве это был первый робот. Как отмечает Ллойд, применение роботов в металлургии "немногочисленно и встречается редко". В случае с этим стальным гигантом моделирование принесло реальную выгоду, позволив ему овладеть довольно незнакомой технологией, подтвердив пригодность конструкции к работе и дав сотрудникам возможность отрегулировать конструкцию еще до размещения робота. "Моделирование действительно приобретает важнейшее значение, когда вы оказываетесь по сути в безвыходном положении – сталь течет, но вы не можете останавливать поток и потом пускать его снова," говорит Ллойд.
    Компания Сorus, очевидно, довольна конечным результатом. По словам Ллойда, "это – классический пример использования робота, когда он берет на себя трудную и нудную работу. Работу грязную."
    Хотя использование программ компьютерной динамики жидкостей и газов (CFD) широко распространено как метод моделирования потоков тепла и воздуха в печах, а моделирование в таких специфичных случаях, как планирование заводской структуры и объектов материально-технического обеспечения, подтвердило всю свою выгодность на находящемся в Чешайр заводе FE Mottram, производителе вторичного алюминия (см. Приложение к MBM по алюминию, сентябрь, 2003 г.), Ллойд считает, что возможности применения моделирования в металлургии намного шире. "Моделирование располагает намного большим потенциалом в деле налаживания работы металлургических заводов и оборудования, когда вам необходимо заранее предусмотреть и избежать как можно больше рисков, потому что поток (стали) останавливать нельзя. В таких отраслях, как, например, нефтехимическая, все время этим занимаются. Моделирование в равной степени применимо и к металлам, но очевидно, что в этой отрасли оно не столь хорошо известно", отмечает Ллойд.
    "Corus не смог бы добиться своего так успешно без моделирования. Без него все пошло бы не так." 
    Выдержки из беседы:
    МОДЕЛИРОВАНИЕ: БУДУЩЕЕ
    Гюнтер Готтштайн, директор института Institut für Metallkunde und Metallphysik в городе Ахен, Германия, входит в число ведущих ученых, занимающихся в Европе вопросами применения моделирования в металлургии с особым упором на исследования новых материалов. MBM попросил его рассказать о результатах своих последних исследовательских работ.
    Каковы основные моменты вашей нынешней работы по моделированию и какую цель вы ставите перед собой?
    Мы хотим обеспечить производителей и разработчиков инструментами моделирования, которые ускорили бы развитие новых материалов и оптимизацию процесса. Это сократит стоимость производства и разработки сплавов, а также сократит цикл развития, особенно учитывая тот факт, что срок службы продуктов неуклонно сокращается и по-прежнему проходит много времени – обычно 15 лет – прежде, чем новый материал поступает на рынок. Для поддержания своей международной конкурентоспособности европейским производителям необходимо применять эти инструменты. Наши инструменты предназначены для моделирования всего – от начала до конца – процесса производства материалов, от ликвидной стадии до стадии получения конечного продукта. Мы хотим обеспечить надежное прогнозирование свойств конечных материалов.
    Наблюдается ли сейчас недостаточное использование моделирования в металлургии и, если это так, то почему?
    Сейчас моделирование используется в отрасли, в основном, для контроля за процессом. Модели материалов при промышленном моделировании носят главным образом эмпирически математический характер, не имея какого-либо физического значения, и, потому, они не могут служить основой для прогнозирования вне рамок показателей проведенных испытаний. В рамках этих показателей на их основании можно строить хорошие прогнозы, но вне рамок они бесполезны в плане разработки новых материалов и различных вариантов самого процесса.
    Главным параметром свойств материалов является микроструктура, которая во время процесса сильно меняется. Поэтому, моделирование материалов должно учитывать эволюцию материалов. Мы предоставляем физически обоснованные модели эволюции микроструктуры, которые могут быть использованы как инструменты управления при разработке конечных составных вариантов моделирования, а могут быть также использованы при разработке поделенных на составные части вариантов моделирования для получения информации по константам материалов, которую невозможно получить экспериментальным путем.
    Что касается будущего, что, по вашему мнению, сможет дать моделирование металлургии – каковы ключевые области, в которых по мере технологических улучшений оно может быть применено?
    Нашей конечной целью является разработка материалов, то есть разработка материалов на компьютере, на виртуальном, так сказать, заводе, где мы моделируем любой связанный с процессом шаг в виртуальных условиях без каких-либо лабораторных экспериментов или необходимости использования дорогостоящих пилотных установок. В полной мере это все еще, возможно, относится к области мечтаний, но мы все-таки продвигаемся вперед. Наши модели постоянно улучшаются, ускоряются алгоритмы да и мощность компьютеров продолжает расти. Я убежден, что эти модели станут для отрасли в будущем стандартными инструментами для разработки сплавов и оптимизации всего процесса.