MéTODO Y SISTEMA DE OPTIMIZACION DE PROCESOS DE LAMINACIóN DE ACERO

D E S C R I P C I ó N

OBJETO DE LA INVENCIóN

La presente invención se refiere a un método y sistema de optimización de procesos de laminación de acero que tiene aplicación en la industria siderúrgica, y más concretamente en el ámbito de la conformación de láminas de acero, permitiendo analizar de manera automática unas variables de proceso para seleccionar una configuración determinada de un tren de laminación, de manera previa a la ejecución del proceso de laminación, que permite obtener unas determinadas caracteristicas y propiedades del producto final, previamente seleccionadas, evitando la necesidad de tratamientos térmicos posteriores, con la consiguiente reducción en los costes de producción.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIóN

Los procesos de laminación de acero tienen como objeto conseguir una reducción del espesor o canto de una lámina de acero hasta conseguir unas dimensiones requeridas, lo cual se realiza mediante operaciones que comprenden someter a la lámina a sucesivas deformaciones mecánicas .

Durante las operaciones que comprende el proceso de laminación se producen en la lámina variaciones de temperatura y una serie de esfuerzos que producen una

serie de transformaciones metalúrgicas del acero y que determinan la microestructura del acero finalmente obtenido.

En la actualidad, el objetivo principal en los procesos de laminación es conseguir la mayor precisión en la geometría, dimensiones y forma, del producto final, minimizándose inconvenientes como son la existencia defectos en las láminas o el desgaste sufrido por los equipos y el utillaje que interviene en el proceso.

Sin embargo, el objetivo referido en el párrafo anterior no contempla la influencia que tienen en el proceso de laminación otros aspectos, como por ejemplo las sucesivas transformaciones microestructurales que tienen lugar durante el proceso y que se producen como consecuencia de la deformación y las variaciones térmicas a las que se encuentran sometidas las láminas.

Por este motivo, en la actualidad, el control para obtener una determinada microestructura en el acero requiere la realización de tratamientos térmicos posteriores a los que es necesario someter al producto final con el objeto de que el acero obtenido tras un proceso de laminación tenga unas determinadas características y propiedades, de acuerdo con unos determinados requisitos en cuanto a su aplicación industrial, lo cual alarga el proceso de obtención del producto y encarece los costes de producción.

En la década de los años 70, en el siglo pasado, se comenzó a plantear un control térmico del proceso, es decir un control de las condiciones de temperatura durante el proceso de laminación, con el objeto de influir en la precipitación de determinados elementos

contenidos en la aleación, como por ejemplo el Niobio o el Titanio, de cara a garantizar su efecto directo en el incremento de la resistencia del acero obtenido.

Más recientemente, la investigación en el ámbito de la industria siderúrgica, se ha orientado hacia un control termomecánico del proceso de laminación, es decir hacia la obtención de unas características y propiedades mecánicas determinadas, atendiéndose no solo a la componente térmica del proceso sino también a la influencia que la componente mecánica tiene en el mismo. De este modo, además del control de la temperatura en cada una de las etapas que comprende el proceso, se realiza un control de las reducciones de espesor que se imponen a la lámina durante cada pasada a través de los rodillos de laminación, es decir en cada caja, obteniéndose una microestructura más refinada, lo que repercute en una mejora de las propiedades mecánicas del producto final.

La influencia de la evolución microestructural del acero durante el proceso de laminación es un factor muy importante a considerar. Se ha comprobado el efecto positivo que tiene propiciar un proceso de recristalización controlado de la austenita, de manera que tenga el menor tamaño de grano posible, de un orden de magnitud de 10 mieras aproximadamente. Posteriormente, una vez que se alcanza la temperatura de no recristalización (T _nr ) en el proceso, toda la deformación adicional que se efectúa hasta el instante en el que se produce el cambio de fase de austenita a ferrita, produce la aparición de unos puntos en los que posteriormente se producirá la nucleación de ferrita, con lo que se consigue una disminución del tamaño de grano de la ferrita durante dicha transformación de austenita a

ferrita, obteniéndose una microestructura más homogénea y de menor tamaño respecto a un acero en el que el proceso de recristalización de la austenita no ha sido controlado de la manera descrita.

Por otro lado, con el objeto de evitar los inconvenientes anteriormente expuestos, fundamentalmente debidos a la necesidad de realizar tratamientos térmicos sobre el acero después del proceso de laminación, se han desarrollado métodos para la predicción de las propiedades y características que tendrá el acero tras el proceso de laminación, los cuales tienen en consideración determinados parámetros y variables del propio proceso de laminación, si bien presentan importantes limitaciones e inconvenientes, tal y como se expone a continuación.

Uno de los inconvenientes que este tipo de métodos presenta es que no proporcionan una predicción de los valores que los parámetros y variables del proceso de laminación han de tener con el objeto de obtener unas determinadas características del acero finalmente obtenido, según unos requisitos previos, sin la necesidad de tener que realizar tratamientos térmicos a posterior!.

Algunos de estos métodos permite obtener un valor óptimo para un único parámetro o una única variable sin considerar el resto, no existiendo ningún método que tenga en consideración la evolución de la microestructura del acero durante el proceso de laminación, lo cual resulta un aspecto fundamental que determina las propiedades del producto finalmente obtenido, tal y como se explicado anteriormente.

A continuación se mencionan algunas patentes que se refieren al control del proceso de laminación de acero

con el objeto de obtener algunos parámetros óptimos para conseguir determinadas características en el producto final .

Por un lado, la patente estadounidense N° . US 2005267612 se refiere a un modelo matemático para una planta metalúrgica, y a un método para la optimización del funcionamiento de dicha planta, que optimiza la operación de una planta metalúrgica desde el punto de vista del consumo energético, tiempos y costes, pero no considera las propiedades mecánicas del producto final.

Por otro lado, la patente china N° . CN 1556487 se refiere a un método de coordinación jerárquica y planificada de producción de acero, presentando un método de control y planificación de la producción basado en señales de operación recogidas en la linea de producción, sin disponer de modelos predictivos ni teniendo en consideración las propiedades mecánicas del producto final .

La patente china N° . CN 1589986 se refiere a un método para la optimización y el control automático de parámetros técnicos de un laminador de chapa, definiendo un sistema de control automático que registra datos operativos en la linea de producción para la optimización de las fuerzas de los rodillos de laminación, no disponiendo de modelos predictivos termomecánicos ni micorestructurales, y no teniendo en consideración, al igual que las patentes anteriores, las propiedades mecánicas del producto finalmente obtenido.

Por último, la patente rusa N ⁰ . RU 2263552 se refiere a un método de calibración de una instalación de laminación continua, en el que se registran determinados parámetros operativos, como por ejemplo el tamaño del

material laminado o los regímenes de revoluciones de los rodillos de laminación, de manera que en función de dichos parámetros registrados, estos se predicen para las siguientes laminaciones con el objeto de minimizar el consumo eléctrico de la instalación, sin disponer de modelos predictivos termomecánicos, microestructurales ni tensionales, ni teniendo como objeto la optimización de las propiedades mecánicas del acero laminado.

Tal y como se ha podido comprobar, estas patentes se refieren a métodos para la optimización de parámetros operativos del proceso que se obtienen durante la realización del mismo, no permitiendo una predicción de dichos parámetros. En algún caso se realiza una optimización de un único parámetro, sin permitir un planteamiento de cara a optimizar varios parámetros a la vez, para la obtención de un determinado acero. Además ninguno de estos métodos tiene en consideración la evolución de la microestructura del acero durante el proceso de laminación, ni su influencia en las propiedades del producto final obtenido.

De todo lo anteriormente expuesto, se plantea la necesidad, de cara a optimizar los procesos de laminación, de evaluar los efectos que produce una variación de los parámetros de proceso que influyen en el mismo, y por lo tanto disponer de un método y un sistema que permitan determinar el valor de dichos parámetros de proceso de cara a conseguir un determinado objetivo, o conjunto de objetivos, es decir un acero con unas características y propiedades determinadas, permitiendo además diseñar nuevos procesos de laminación, nuevas instalaciones en las que llevarlos a cabo, así como investigar en la obtención de nuevos tipos de aceros.

Resulta especialmente interesante la -posibilidad de predecir el comportamiento y las propiedades del acero durante los procesos de laminación teniendo en consideración la evolución microestructural del acero, mediante su modelización, sobre todo a la vista de la gran variedad de aceros microaleados existentes en la actualidad, que son utilizados en muy diversas aplicaciones especializadas en diferentes ámbitos industriales.

DESCRIPCIóN DE LA INVENCIóN

La presente invención se refiere a un método y sistema de optimización de procesos de laminación de acero, que permite analizar automáticamente, de manera previa a la realización del proceso de laminación, unos rangos de unas variables de proceso para seleccionar una configuración óptima de un tren de laminación de cara a obtener un producto final con unas características y propiedades determinadas, que han sido seleccionadas previamente, de acuerdo con la aplicación industrial del producto final, sin la necesidad de realizar tratamientos térmicos posteriores para la obtención de dichas características.

El método y el sistema que la invención propone permiten obtener unos valores óptimos para unas variables de proceso que intervienen e influyen en las propiedades del acero obtenido durante el proceso de laminación, a la vez que contempla una serie de restricciones, de manera que consigue un acero con las características requeridas, optimizándose notablemente la producción, reduciéndose los costes, permitiendo prescindir de tratamientos térmicos posteriores al proceso de laminación,

obteniéndose un producto final con unas caracteristicas y propiedades determinadas de manera previa al proceso de laminación o conformado final del acero, teniéndose en consideración desde el tratamiento térmico previo a la laminación, por ejemplo en un horno de recalentamiento, hasta el enfriamiento posterior a la laminación.

De manera detallada, a continuación se exponen las ventajas que el método y el sistema de la invención aportan, mediante la optimización de las variables de proceso.

El método y el sistema de la invención permiten, en primer lugar, un control preciso de las dimensiones de las láminas obtenidas, asi como de su geometría, consiguiéndose láminas perfectamente planas.

En segundo lugar permiten obtener unas propiedades mecánicas determinadas para el producto final, de acuerdo con su aplicación industrial, permitiendo incluso la obtención de diferentes propiedades mecánicas, según se requiera, a partir de aceros con las mismas caracteristicas, por ejemplo con la misma composición química.

En tercer lugar, el método y el sistema de la invención permiten reducir el número de elementos aleantes, asi como la proporción de los mismos en la aleación ferrosa, requeridos para la obtención de un acero con unas determinadas propiedades mecánicas, con lo que se reducen los costes de producción.

En cuarto lugar, permiten reducir las operaciones de mantenimiento necesarias en determinados elementos de los equipos de la instalación en la que se realiza la laminación, por ejemplo se consigue prologar la vida útil

de los rodillos de laminación, reduciendo por lo tanto las operaciones de reposición de los mismos, lo que supone una reducción de los costes de mantenimiento de los equipos de laminación y por lo tanto de los costes de producción.

El método de la invención se puede aplicar a cualquier tipo de sección de acero a laminar, como por ejemplo planchón, redondo o palanquilla.

El sistema de la invención está configurado para analizar de forma automatizada unos parámetros de planta, unos parámetros del acero y unas variables de proceso que intervienen en el proceso de laminación, e influyen en las características y propiedades del producto final, analizando unos valores o rangos de valores que dichas y variables de proceso.

El método de optimización permite obtener unos valores óptimos para todas las variables de proceso a la vez, de cara a obtener un acero laminado con unas características y propiedades determinadas, teniendo en consideración, además de la evolución térmica experimentada por el acero durante el proceso de laminación, los cambios que se producen en la microestructura del acero.

El sistema de optimización de procesos de laminación de acero que la invención propone comprende:

un módulo de optimización, configurado para relacionar las distintas variables de proceso para la obtención de unos valores óptimos de dichas variables de proceso, de manera que teniendo las variables de proceso dichos valores óptimos se obtiene un acero con al menos

una características determinada, pudiendo requerirse la obtención de un acero con más de una característica determinada, constituyendo dichas características a obtener unas funciones objetivo.

El módulo de optimización está configurado para utilizar cualquier función matemática o algoritmo de optimización, cuyo objetivo es evaluar unas variables que minimizan al menos una función objetivo, según se requiera, como por ejemplo algoritmos tipo SQP-Sequential Quadratic Programming, línea, genético o una función de coste .

El módulo de optimización está configurado para ser implementado como un programa, o herramienta de software, en un dispositivo de cálculo matemático o un ordenador, que gestiona la definición y solución de problemas de optimización de tipo general, es decir, aquellos en el que el objetivo es encontrar unos valores determinados de unas variables con el objeto de minimizar al menos una función que se requiere optimizar, es decir al menos una función objetivo.

Una posible definición en términos matemáticos de un problema general a optimizar, de acuerdo con un problema de optimización de tipo general anteriormente referido, sería la siguiente:

Se tiene una función objetivo (F(X)) a minimizar, considerando unas funciones restricciones (Gj (X) ) , que se encuentran limitadas superior e inferiormente por un límite superior (bji) y un limite inferior (bj _S ) entre las cuales se encuentra, es decir se tiene que:

b _j i ≤ Gj(X) ≤ b _js , donde j = l....m

Teniendo unas variables de diseño (X) , representadas vectorialmente, que se encuentran entre un limite inferior (Xi) y un limite superior (X ₃ ) , es decir se tiene que:

Xi < X < X ₃

El módulo de optimización puede funcionar de dos maneras. En primer lugar el módulo de optimización está configurado para funcionar a partir de unos valores iniciales de las variables de proceso, definiéndose de manera previa un punto inicial a partir del cual el módulo de optimización obtendrá unos valores óptimos de dichas variables de proceso.

En segundo lugar, el módulo de optimización puede funcionar para diseñar experimentos. En este caso, una vez que se ha definido el proceso que se requiere optimizar, se define una serie de experimentos para la evaluación de las simulaciones teniendo en consideración diferentes valores de determinados datos, como por ejemplo las reducciones en cada caja de laminado. Una vez que los experimentos generados han sido evaluados, se pueden analizar los datos, por parte de un usuario, para estudiar el experimento que se aproxima mejor al valor objetivo. A partir de dicho experimento, se realiza una optimización como la descrita en el párrafo anterior, la cual ya se encontrarla muy cercana al valor óptimo buscado. Está forma de funcionamiento permite una aproximación a la solución óptima y un calculo más rápido que en el primer modo de los valores óptimos.

- módulo analizador, que está configurado para considerar unas restricciones del proceso de laminación,

mediante el cual el módulo de optimización tiene en consideración las restricciones que existen o se imponen para las variables de proceso y las funciones objetivo.

Las restricciones son las limitaciones que se consideran en el sistema de la invención para la obtención de los valores óptimos de las variables de proceso que maximizan o minimizan una función objetivo.

El modulo analizador comprende dos tipos de restricciones, para su consideración:

restricciones de proceso, son las restricciones que tienen las variables de proceso determinadas por los limites que tiene la planta de laminado, de acuerdo con sus características, como por ejemplo fuerzas de laminación, temperaturas de bobinado, reducción máxima de espesor en las diferentes pasadas o velocidad de entrada limite máxima y mínima. Las variables de proceso se definen en un rango de variación mediante las restricciones de proceso, para garantizar que los limites operativos de trabajo de la instalación no son superados, lo cual resulta sumamente importante para asegurar la integridad de los equipos, como por ejemplo las cajas de laminación, y

- restricciones de objetivo, son las restricciones según unos valores mínimos que tienen que ser respetados, no pueden ser inferiores, para cada función objetivo y sirven para acotar los objetivos considerados, filtrando los casos evaluados

que están demasiado alejados de los objetivos requeridos, o que cumplimenten uno, pero no los demás en un grado requerido .

Con estos dos tipos de restricciones el sistema reduce el tiempo de operación del método y se filtran las soluciones de manera que la obtención de un resultado óptimo se alcanza antes; por último el sistema comprende

- un módulo predictivo, que a su vez comprende diferentes módulos integrados que representan diferentes procesos que tienen lugar de manera conjunta en el proceso de laminación.

Tal y como se ha señalado con anterioridad, la deformación del material en caliente produce una serie de fenómenos de reducción de espesor, o sección, del producto, los cuales tienen asociada una generación de calor, que está producida por la fricción que se produce entre la superficie y la generación de calor volumétrica debida a la deformación, a la vez que en el contacto con los rodillos se produce una evacuación de calor por conducción. Además en las cajas de laminación que contienen los rodillos se generan unos esfuerzos y en el producto laminado unas tensiones de fluencia que influyen en la microestructura del acero de manera directa. Otros parámetros que también influyen de manera directa en las propiedades mecánicas del producto final son la existencia de grietas o poros.

El módulo predictivo está configurado para considerar tres modelos de comportamiento del acero durante el proceso de laminación, y está configurado para calcular las propiedades mecánicas del producto final a

partir de los parámetros de planta y los parámetros del acero, para lo cual comprende:

un módulo termomecánico que recoge el comportamiento térmico y mecánico del acero, que comprende una evolución teórica de la temperatura y de la deformación a la que se encuentra sometido el acero durante el proceso de laminación.

El módulo termomecánico comprende dos submódulos, cada uno de los cuales está configurado para realizar un cálculo diferente que posteriormente se integran de manera automática, un submódulo térmico y un submódulo de deformación, los cuales funcionan de la siguiente manera. A partir de los parámetros de planta y los parámetros del acero, el submódulo térmico está configurado para calcular, matemáticamente, una conducción de calor en una malla analítica que caracteriza el material a laminar. Se analiza la transferencia de calor en el interior de la pieza y entre esta y el medio que la rodea, asi como la generación de calor debida a las deformaciones sufridas por la pieza, como por ejemplo debido al contacto con los rodillos o el rozamiento, para la cual se requiere tiene en consideración la variación en el espesor de la pieza durante el proceso de laminación, que está configurado para calcular el submódulo de deformación, de acuerdo con una tasa de deformación. Por otro lado el submódulo de deformación, a

partir de la deformación que se ha impuesto a la lámina, una velocidad de deformación y una velocidad de los nodos de la malla definida anteriormente, está configurado

5 para calcular una generación de calor en la lámina, debido tanto a la generación de calor interna como al rozamiento entre la pieza y el rodillo. Con la integración del cálculo combinado de ambos submódulos

10 térmico y de deformación se obtiene una historia térmica de la lámina objeto de análisis,

un módulo tensional que está configurado

15 para calcular unas tensiones a las que se encuentra sometida la lámina de acero así como unas fuerzas de los rodillos del tren de laminación. A partir de los resultados obtenidos del módulo termomecánico, el

20 módulo tensional está configurado para calcular y obtener unos valores de fuerza de los rodillos, determinando las fuerzas de laminación, un número de pares de rodillos necesarios, valores de planitud a la salida

25 de cada etapa, o caja, de deformación o condiciones geométricas, y

un módulo microestructural que comprende una evolución teórica de la microestructura del

30 acero durante el proceso de laminación. A partir de los resultados obtenidos del módulo termomecánico y del módulo tensional, el módulo microestructural está configurado para calcular una historia microestructural

35 del acero laminado durante el proceso, desde

los hornos previos, hasta los sistemas de enfriamiento rápido posteriores, en el caso de que los haya.

El módulo microestructural está configurado para registrar, en el caso de que se haya requerido, un crecimiento de una capa de óxido sobre el material a laminar, también denominado cascarilla, asi como su posterior eliminación en cada una de las etapas.

A partir de los resultados obtenidos del módulo microestructural, el módulo predictivo está configurado para calcular unos valores de las propiedades mecánicas del producto final, como por ejemplo el módulo elástico, la tensión de fluencia o la elongación, obteniendo asimismo otra serie de resultados, como por ejemplo datos térmicos y mecánicos, datos de fuerzas y pares de laminación, planitud y forma geométrica de la lámina, asi como datos de la microestructura de la pieza, como por ejemplo tamaños de grano, fases presentes o precipitados.

Es necesario señalar que el módulo predictivo está configurado para ser implementado como un programa, o herramienta de software, en un dispositivo de cálculo matemático o un ordenador.

Resumiendo, el módulo optimización está configurado para definir unos casos a analizar en el módulo predictivo, que está configurado para evaluarlos en función de las retricciones que comprende el módulo analizador, estando configurado dicho módulo predictivo para descartar unos casos en los que no se cumplen dichas restricciones. A la vista de los valores obtenidos el módulo de optimización está configurado para decidir la

evaluación de nuevos casos hasta conseguir un óptimo.

El sistema de la invención está configurado para calcular y disponer, mediante su almacenamiento y muestra según se requiera, no solo resultados relativos a las propiedades mecánicas del material laminado, sino también resultados de los procesos intermedios, clasificándose los resultados obtenidos en cuatro grupos :

- Resultados de configuración, que son las variables de proceso y definen la configuración óptima, también son los valores de las funciones objetivo. Antes de realizar una optimización es posible generar una serie de experimentos de cara a analizar mejor la evolución de una función objetivo a analizar, como por ejemplo el tamaño de grano de la austenita. Para cada variable se define su rango de variación asi como el número de valores que se quiere dar a dicha variable. Seguidamente se define el valor de la posible restricción y por último se genera automáticamente el grupo de experimentos. En una tabla se visualizan los experimentos, permitiendo una diferenciación entre experimentos que cumplen la restricción, experimentos que no cumplen la restricción y experimentos no válidos, es decir, con cuyos valores de las variables no se puede simular el proceso elegido. Se pueden seleccionar, por parte de un usuario, los experimentos que se quieren evaluar, decidiéndose a partir de los resultados obtenidos si es necesario refinar los experimentos o lanzar una optimización del

experimento que se aproxima más al objetivo.

Resultados termomecánicos de la historia termomecánica del material. El sistema está

5 configurado para registrar las temperaturas a lo largo del proceso en diferentes puntos de la sección, valores calculados de las fuerzas de laminación en cada caja de laminación, la historia de reducción de

10 espesor estimada, evolución de las características físicas del material y valores de deformación y velocidades de deformación, valores de las fuentes de calor que existen durante el proceso, como por

15 ejemplo de rozamiento y generación de calor por deformación, las fuentes de extracción de calor. Asimismo se pueden obtener representaciones gráficas de dichos valores.

20 - Resultados microestructrales de la historia microestructural en diferentes puntos de la lámina. Durante el proceso de laminado la microestructura del acero se modifica en función de los diferentes fenómenos,

25 produciendo un cambio continuo tanto en el tamaño como en el porcentaje de las fases presentes en el material, el sistema está configurado para registrar el cambio de tamaño y porcentaje de fases presentes en el

30 material según el diagrama de fases. Se registran los tamaños de las diferentes fases que se encuentran presentes en cada instante, así como la proporción entre las mismas. Se pueden seleccionar los datos de

35 unos nodos determinados del dominio, una

malla, o bien seleccionar los datos de todos los puntos repartidos en el dominio, es decir toda la malla. Estos datos se pueden obtener de manera gráfica.

Resultados mecánicos, que comprenden las propiedades del producto final en diferentes puntos de la sección, tales como el limite elástico, el limite de rotura, alargamiento, tenacidad o resiliencia.

Una vez se ha descrito el sistema de optimización de la invención, a continuación se define el método que la invención propone, el cual comprende el sistema anteriormente definido.

Asi pues, el método de optimización de procesos de laminación de acero, objeto de la invención comprende las siguientes etapas:

Una etapa A que comprende disponer, obtener o recopilar, de unos parámetros de planta cuyos valores son fijos y se encuentran determinados por unas características técnicas de una planta de laminación en la que se realiza el proceso a optimizar. El sistema anteriormente definido puede estar configurado para adquirir o recopilar los parámetros de planta de manera automática .

Los parámetros de planta están clasificados en tres grupos:

parámetros de tren de laminación, para cada caja de laminación se dispone del diámetro de sus rodillos, de los materiales de dichos

rodillos, de la reducción de espesor, de las posiciones y distancias entre cajas, de la disposición o no de refrigeración secundaria,

parámetros de procesos térmicos, es decir una mesa de enfriamiento, durante el proceso de laminado, disponiéndose de datos relativos a unos caudales de unas boquillas que comprende cada tramo de la mesa de enfriamiento, permitiendo la desactivación de tramos, caudales de fluidos refrigerantes, posiciones de los sistemas refrigerantes dentro o fuera del tren así como longitudes activas, características de los fluidos refrigerantes como temperatura y composición, posición del horno solera, túnel o equivalente, y temperaturas a la salida del sistema.

Parámetros operativos iniciales y finales del producto, disponiéndose de una temperatura del acero, espesor inicial y espesor objetivo, velocidad inicial a la entrada del sistema y temperatura a la entrada del sistema.

El método comprende una etapa B, que a su vez comprende disponer, obtener o recopilar manualmente o mediante soportes informáticos, de unos parámetros del acero a laminar, que lo definen, cuyos valores son fijos y se encuentran determinados por la composición química del acero y por lo tanto relacionados con las propiedades del mismo.

Además de la composición química, los parámetros del acero comprenden otros parámetros que caracterizan el acero a diferentes temperaturas, tales como parámetros que definen el comportamiento mecánico del acero en función de la temperatura, como por ejemplo el calor específico, la densidad, el módulo de elasticidad o módulo de Young y la conductividad del acero.

Otros parámetros definen el comportamiento de la microestructura en función de la temperatura, como por ejemplo temperaturas de cambios de fase, energías de activación de reacción, tamaño de grano de austenita de equilibrio, crecimiento de precipitados, tamaño de grano inicial dO (mieras) , energía de activación, energía de recristalización, indicador k donde k = 2 para recristalización estática y k = 1 para recristalización metadinámica, DgbO, Qgb y GAMMAgb.

En el método de la invención los parámetros de planta y los parámetros del acero definen el proceso de laminación a optimizar.

El método comprende una etapa C, que a su vez comprende determinar, o seleccionar, unos valores determinados, teóricos o arbitrarios, para unas variables de proceso, que en el caso de adoptar unos valores diferentes se obtienen unas características de acero diferentes tras el proceso de laminación. El método de la invención permite obtener un valor óptimo para cada variable de proceso, de acuerdo con unas condiciones relativas a las propiedades del acero que se quieren obtener tras el proceso de laminación, que es el que se aplica en la ejecución del proceso de laminación.

Las variables de proceso, son variables que el

método de la invención está configurado para optimizar, de acuerdo con una función objetivo, es decir para obtener un tipo de acero a obtener con unas propiedades determinadas. El método comprende las siguientes variables de proceso:

Curva de homogeneización aplicada en un horno de recalentamiento.

- Velocidad de entrada al tren de laminación.

Temperatura a la salida del horno de recalentamiento, también puede ser temperatura a la entrada del laminador.

Reducciones de espesor a aplicar en cada etapa, o caja, de laminación.

Refrigeraciones secundarias entre cada etapa, o caja, de laminación.

Refrigeración posterior al proceso de laminación, disponiéndose del tipo, como por ejemplo refrigeración al aire o refrigeración mediante túnel de enfriamiento .

A continuación el método comprende una etapa D, que comprende determinar, o seleccionar, al menos una función objetivo, o función ponderación, que se requiera optimizar, y para lo cual el método está configurado para encontrar los valores óptimos de las variables de proceso .

Las funciones objetivo representan unas

características del proceso de laminación, asi como las características del acero, que permiten optimizar el sistema, a la vista de una instalación determinada, es decir, una vez se dispone de los parámetros de planta, en la etapa A, en función de las características técnicas de la instalación, y los parámetros del acero, en la etapa B, se seleccionan las funciones objetivo que se quieren conseguir en el producto final, en función de las necesidades de la producción, a la vista de los recursos disponibles para su producción.

El método y el sistema están configurados para permitir determinar una única función objetivo a optimizar, o bien varias a la vez, para obtener unos determinados valores óptimos para las variables de proceso. Dichos valores óptimos se utilizarán posteriormente para la ejecución del proceso de laminación.

Las funciones objetivo son unas características y propiedades del acero a obtener que se determinan o seleccionan como objetivo, y para las cuales el método optimiza los valores que han de tener las variables de proceso. Las funciones objetivo que comprende el método son:

Generación de capa de óxido, también denominada cascarilla, durante el proceso de tratamiento térmico previo a la laminación, que puede realizarse en un horno túnel, un horno solera o equivalente.

Desgaste sufrido por los útiles, como rodillos de las diferentes etapas, cajas, de laminación.

- Tiempo de ciclo libre de mantenimiento de las cajas de laminación.

- Geometría de producto final, es decir, las características de forma como planitud o desviaciones respecto del eje.

Propiedades mecánicas de producto final, como por ejemplo la definición de un valor del limite elástico, elongación previa a rotura o tensión de rotura del acero obtenido.

- Energía consumida por la instalación.

- Materiales empleados, como por ejemplo lubricantes .

El método comprende una etapa E que a su vez comprende determinar, o disponer, unas restricciones que existen o se imponen de manera arbitraria, tanto para las variables de proceso como para las funciones objetivo.

Tal y como se ha descrito anteriormente el módulo de optimización está configurado para considerar las restricciones mediante el módulo analizador.

A continuación el método comprende una etapa F, que comprende entrar, suministrar o introducir, los parámetros de planta, los parámetros del acero, las variables de proceso y las funciones objetivo en un dispositivo de cálculo matemático, o un soporte como un ordenador, que comprenda el módulo de optimización.

Posteriormente, el método comprende una etapa F' , en la que el módulo de optimización está configurado para calcular unos valores óptimos de las variables de proceso. Esta etapa comprende analizar, por parte del módulo de optimización, según las funciones objetivo determinadas en la etapa D, una configuración del proceso de laminación que mejor cumple los objetivos definidos, mediante un algoritmo de cálculo que logra obtener unos valores de las variables de proceso que permiten obtener un producto final que cumpla las condiciones fijadas, seleccionadas, mediante las funciones objetivo a optimizar .

Seguidamente, el método comprende una etapa G, que comprende entrar, suministrar o introducir, los parámetros de planta de la etapa A, los parámetros del acero de la etapa B y los valores óptimos obtenidos en la etapa F' en un dispositivo de cálculo matemático, o un soporte como un ordenador, que comprenda el módulo predictivo, definido anteriormente en el sistema de la invención.

A continuación, el método comprende una etapa G' , en la que el módulo predictivo está configurado para realizar un cálculo considerando los tres módulos de comportamiento del acero, que tal y como se explicó anteriormente son un módulo termomecánico, un módulo microestructural y un módulo tensional, y proporciona como resultado datos teóricos de las funciones objetivo, es decir unas funciones objetivo teóricas.

A partir de los valores óptimos que se obtienen en la etapa F' , y considerando los tres módulos de comportamiento del acero, el módulo predictivo está configurado para simular el proceso de laminación y

obtener resultados teóricos de las funciones objetivos, es decir, esta configurado para obtener resultados de las combinaciones de parámetros del acero, parámetros de planta y los valores óptimos de las variables de proceso.

De está manera el método de la invención está configurado para simular el proceso de laminación y comprobar las características y propiedades del material laminado obtenido, a la vista de una combinación de parámetros y variables de proceso, todo ello sin la necesidad de ensayar y ejecutar en la realidad en proceso de laminación, con el consiguiente desgaste de la instalación y pérdida de material, que es necesario ensayar para obtener finalmente los resultados requeridos.

Posteriormente el método de la invención puede comprender una etapa G' ' , que comprende entrar, introducir o suministrar las funciones objetivo teóricas obtenidas en G' , de nuevo en el modulo de optimización, es decir repitiendo la etapa F y la etapa F' , estando configurado para obtener unos segundos valores óptimos de las variables de proceso. Esto sirve para comprobar si los segundos valores óptimos coinciden con los valores óptimos que se obtuvieron inicialmente después de la etapa F, verificándose si los valores óptimos eran válidos para las funciones de objetivo. En caso contrario, es decir si no coincide, el módulo de optimización está configurado para calcular unos terceros valores óptimos de las variables de proceso que posteriormente en de nuevo realizando la etapa G y la etapa G' , son analizados por el módulo predictivo, repitiéndose este proceso, etapas F-G' , iterativo hasta que el módulo de optimización consigue unos valores óptimos para las variables de proceso.

El proceso descrito en el párrafo anterior, es un proceso iterativo, mediante el que se van obteniendo distintos valores para las funciones objetivo, de forma que tras varias iteraciones, se obtiene una curva que representarla los valores de las funciones objetivo y selecciona aquellos en los que son máximos o mínimos según se requiera.

Por último, el método comprende una etapa H, que comprende disponer de los valores óptimos de las variables de proceso, obtenidos en las etapas anteriormente descritas, para su aplicación en la ejecución del proceso de laminación del acero.

Dichos valores óptimos se corresponden, tras la realización de las etapas A-G' del método de la invención, con las funciones objetivo maximizadas o minimizadas, según se halla seleccionado.

Asi pues, de acuerdo con la invención descrita, el método y sistema de optimización de procesos de laminación de acero que la invención propone constituyen un avance en los métodos de optimización hasta ahora utilizados, y resuelven de manera plenamente satisfactoria y sencilla la problemática anteriormente expuesta, en la linea de permitir una simulación completa del proceso de laminación, asi como la predicción de unos valores óptimos de unas variables de proceso, de cara a optimizar unas funciones objetivo, es decir unas características y propiedades del acero obtenido, con el consiguiente ahorro en los coste de producción, asi como ventajas en la investigación de nuevos aceros.

DESCRIPCIóN DE LOS DIBUJOS

Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características del invento, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica del mismo, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:

La figura 1.- Muestra un esquema del sistema de optimización de de procesos de laminación de aceros que la invención propone.

La figura 2.- Muestra una vista en perspectiva de una instalación de laminación de aceros, en la que pueden apreciarse una pluralidad de cajas de laminado.

La figura 3.- Muestra un diagrama de fases del acero, en el que puede apreciarse el cambio de fase de austenita (Y) a ferrita (α) , en función de la temperatura y del porcentaje de carbono presente en la aleación.

La figura 4.- Muestra un diagrama de flujo de las etapas que comprende el método de optimización de procesos de laminación de acero de la invención.

REALIZACIóN PREFERENTE DE LA INVENCIóN

A la vista de las figuras reseñadas puede observarse como en una de las posibles realizaciones de la invención, el sistema de optimización de procesos de laminación de acero, tal y como se recoge en la figura 1, comprende:

- un módulo de optimización, configurado para calcular unos valores óptimos de unas variables de proceso a partir de unos parámetros de planta, unos parámetros del acero, las variables de proceso, unas restricciones y unas funciones objetivo, que comprenden unas características y propiedades del acero a obtener tras el proceso de laminación, en el que los parámetros de planta son valores son fijos y se encuentran determinados por unas características técnicas de una planta de laminación en la que se realiza el proceso a optimizar, comprendiendo:

parámetros de tren de laminación, parámetros de procesos térmicos, y - parámetros operativos iniciales y finales del producto.

El sistema puede estar configurado para adquirir o recopilar los parámetros de planta de manera automática.

Por otro lado los parámetros del acero a laminar, comprenden valores fijos y se encuentran determinados por la composición química del acero y parámetros que caracterizan el comportamiento del acero a diferentes temperaturas, así como el comportamiento de la microestructura en función de la temperatura.

Asimismo las variables de proceso comprenden:

Curva de homogeneización aplicada en un horno de recalentamiento.

Velocidad de entrada al tren de laminación.

Temperatura a la salida del horno de recalentamiento, también puede ser

temperatura a la entrada del laminador. - Reducciones de espesor a aplicar en cada etapa de laminación.

Refrigeraciones secundarias entre cada etapa de laminación.

Refrigeración posterior al proceso de laminación.

Por último las funciones objetivo, que comprenden unas características y propiedades del acero a obtener tras el proceso de laminación, comprenden:

Generación de capa de óxido durante el proceso de tratamiento térmico previo a la laminación.

Desgaste sufrido por los útiles de las diferentes etapas de laminación. Tiempo de ciclo libre de mantenimiento de las cajas de laminación. - Geometría de producto final.

Propiedades mecánicas de producto final. Energía consumida por la instalación. Materiales empleados, como por ejemplo lubricantes .

El módulo de optimización está configurado para utilizar cualquier función matemática o algoritmo de optimización, cuyo objetivo es evaluar unas variables que minimizan al menos una función objetivo, según se requiera, como por ejemplo algoritmos tipo SQP-Sequential

Quadratic Programming, linea, genético o una función de coste. El módulo de optimización está configurado para ser implementado como un programa, o herramienta de software, en un dispositivo de cálculo matemático o un ordenador.

El módulo de optimización puede funcionar de dos maneras. En primer lugar el módulo de optimización está configurado para funcionar a partir de unos valores iniciales de las variables de proceso a partir de los cuales el módulo de optimización obtendrá unos valores óptimos de dichas variables de proceso.

En segundo lugar, el módulo de optimización puede funcionar para diseñar experimentos. En este caso, una vez que se ha definido el proceso que se requiere optimizar, se define una serie de experimentos para la evaluación de las simulaciones teniendo en consideración diferentes valores de determinados datos, como por ejemplo las reducciones en cada caja de laminado. Una vez que los experimentos generados han sido evaluados, se pueden analizar los datos, por parte de un usuario, para estudiar el experimento que se aproxima mejor al valor objetivo. A partir de dicho experimento, se realiza una optimización como la descrita en el párrafo anterior, la cual ya se encontrarla muy cercana al valor óptimo buscado. Está forma de funcionamiento permite una aproximación a la solución óptima y un calculo más rápido que en el primer modo de los valores óptimos.

Asimismo el sistema de la invención comprende:

un módulo analizador configurado para considerar unas restricciones del proceso de laminación, que son limitaciones para la obtención de los valores óptimos de las variables de proceso que maximizan o minimizan una función objetivo.

El modulo analizador comprende dos tipos de restricciones:

restricciones de proceso, son las restricciones que tienen las variables de proceso determinadas por los limites que tiene la planta de laminado, y restricciones de objetivo, son las restricciones para cada función objetivo.

Por último el sistema de la invención comprende:

un módulo predictivo, configurado para considerar tres modelos de comportamiento del acero durante el proceso de laminación, y configurado para calcular las propiedades mecánicas del producto final a partir de los parámetros de planta y los parámetros del acero, para lo cual comprende:

un módulo termomecánico que recoge el comportamiento térmico y mecánico del acero, que comprende un submódulo térmico y un submódulo de deformación, configurados para calcular una conducción de calor en una malla analítica que caracteriza el material a laminar y para calcular una velocidad de deformación y una velocidad de los nodos de la malla definida anteriormente, está configurado para calcular una generación de calor en la lámina, con el cálculo combinado de ambos submódulos térmico y de deformación se obtiene una historia térmica de la lámina objeto de análisis, un módulo tensional que está configurado para calcular unas tensiones a las que se encuentra sometida la lámina de acero asi como unas fuerzas de los rodillos del tren

de laminación, y un módulo microestructural que comprende una evolución teórica de la microestructura del acero durante el proceso de laminación.

Es necesario señalar que el módulo predictivo está configurado para ser implementado como un programa, o herramienta de software, en un dispositivo de cálculo matemático o un ordenador.

El sistema de la invención está configurado para calcular y disponer, mediante su almacenamiento y muestra según se requiera, no solo resultados relativos a las propiedades mecánicas del material laminado, sino también resultados de los procesos intermedios, clasificándose los resultados obtenidos en cuatro grupos:

Resultados de configuración, que son las variables de proceso y definen la configuración óptima, también son los valores de las funciones objetivo.

Resultados termomecánicos de la historia termomecánica del material.

- Resultados microestructrales de la historia microestructural en diferentes puntos de la lámina.

Resultados mecánicos, que comprenden las propiedades del producto final en diferentes puntos de la sección, tales como el limite elástico, el limite de rotura, alargamiento, tenacidad o resiliencia.

Un segundo aspecto de la invención se refiere a un método de optimización de procesos de laminación acero, el cual comprende el sistema anteriormente

definido, y que tal y como se puede apreciar en la figura 4 comprende las siguientes etapas:

- Una etapa A que comprende disponer, obtener o recopilar, de unos parámetros de planta.

- Una etapa B, que comprende disponer, obtener o recopilar manualmente o mediante soportes informáticos, de unos parámetros del acero a laminar.

Una etapa C, que comprende determinar, o seleccionar, unos valores determinados, teóricos o arbitrarios, para unas variables de proceso.

- Una etapa D, que comprende determinar, o seleccionar, al menos una función objetivo, o función ponderación, que se requiera optimizar, y para lo cual el método está configurado para encontrar los valores óptimos de las variables de proceso.

- Una etapa E que a su vez comprende determinar, o disponer, unas restricciones que existen o se imponen de manera arbitraria, tanto para las variables de proceso como para las funciones objetivo.

- Una etapa F, que comprende entrar, suministrar o introducir, los parámetros de planta, los parámetros del acero, las variables de proceso y las funciones objetivo en un dispositivo de cálculo matemático, o un soporte como un ordenador, que comprenda el módulo de optimización.

Una etapa F' , en la que el módulo de optimización está configurado para calcular unos valores óptimos de las variables de proceso. Esta etapa comprende

analizar, por parte del módulo de opt±mización, según las funciones objetivo determinadas en la etapa D, una configuración del proceso de laminación que mejor cumple los objetivos definidos, mediante un algoritmo de cálculo que logra obtener unos valores de las variables de proceso que permiten obtener un producto final que cumpla las condiciones fijadas, seleccionadas , mediante las funciones objetivo a optimizar.

- Una etapa G, que comprende entrar, suministrar o introducir, los parámetros de planta de la etapa A, los parámetros del acero de la etapa B y los valores óptimos obtenidos en la etapa F' en un dispositivo de cálculo matemático, o un soporte como un ordenador, que comprenda el módulo predictivo, definido anteriormente en el sistema de la invención.

- Una etapa G' , en la que el módulo predictivo está configurado para realizar un cálculo considerando los tres módulos de comportamiento del acero, que tal y como se explicó anteriormente son un módulo termomecánico, un módulo microestructural y un módulo tensional, y proporciona como resultado datos teóricos de las funciones objetivo, es decir unas funciones objetivo teóricas.

El método de la invención puede comprender una una etapa G' ' , que comprende entrar, introducir o suministrar las funciones objetivo teóricas obtenidas en G' , de nuevo en el modulo de optimización, es decir repitiendo la etapa F y la etapa F' , estando configurado para obtener unos segundos valores óptimos de las variables de proceso.

Por último, el método comprende una etapa H, que

comprende disponer de los valores óptimos de las variables de proceso, obtenidos en las etapas anteriormente descritas, para su aplicación en la ejecución del proceso de laminación del acero.

A la vista de esta descripción y juego de figuras, el experto en la materia podrá entender que las realizaciones de la invención que se han descrito pueden ser combinadas de múltiples maneras dentro del objeto de la invención. La invención ha sido descrita según algunas realizaciones preferentes de la misma, pero para el experto en la materia resultará evidente que múltiples variaciones pueden ser introducidas en dichas realizaciones preferentes sin exceder el objeto de la invención reivindicada.