CC BY
24
DOI 10.23859/1994-0637-2019-2-89-6 УДК 004.023
Хлыбов Олег Станиславович
Кандидат технических наук, Центр исследовательских лабораторий АО «ВМЗ» (Выкса, Россия) E-mail: [email protected]
Храмешин Дмитрий Викторович
Кандидат технических наук, Центр исследовательских лабораторий АО «ВМЗ» (Выкса, Россия) E-mail: [email protected]
ОЦЕНКА ПРЕДСКАЗАТЕЛЬНОЙ СПОСОБНОСТИ ЛИНЕЙНОГО МНОЖЕСТВЕННОГО РЕГРЕССИОННОГО АНАЛИЗА В НЕРАЗРУШАЮЩЕМ СТАТИСТИЧЕСКОМ КОНТРОЛЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ И МИКРОСТРУКТУРЫ ГОРЯЧЕГО ПРОКАТА
Аннотация. Статья посвящена оценке способности статистического метода, основанного на вычислении уравнения множественной линейной регрессии, предсказывать те или иные механические свойства и свойства микроструктуры горячей полосы, исходя из режимов ее производства. Приводятся результаты расчета основных регрессионных уравнений, и описывается долгосрочное поведение основанных на них статистических моделей.
Ключевые слова: статистический контроль процессов, неразрушающий контроль проката, механические свойства полосы, аттестация металла, регрессионный анализ
© XmißoB O. C., XpaMemHH fl. B., 2019
Khlybov Oleg Stanislavovich
PhD in Technical Sciences, Vyksa Steel Works Plant (Vyksa, Russia) E-mail: [email protected]
Khrameshin Dmitrii Viktorovich
PhD in Technical Sciences, Vyksa Steel Works Plant (Vyksa, Russia) E-mail: [email protected]
EVALUATION OF THE PREDICTABILITY OF THE MULTIPLE LINEAR REGRESSION ANALYSYS IN NONDESTRUCTIVE TESTING OF MECHANICAL AND MICROSTRUCTURE PROPERTIES OF HOT ROLLED STEEL
Abstract. The article describes an evaluation of the statistical process control method based on multiple linear regression analysis to determine mechanical and microstructure properties of the hot rolled mill strip according to the process conditions. The article also contains the computations of regression equations and the description of long-term behavior of the statistical models built on them.
Kewords: statistical process control, nondestructive testing of rolled steel, mill strips mechanical properties, steel certification, regression analysis
Введение
С 2016 г. на Литейно-прокатном комплексе Выксунского металлургического завода (г. Выкса, Нижегородской области) введена в строй система неразрушающего статистического контроля металлопроката «АСАММ», аттестующая механические свойства и микроструктуру большинства рядовых марок стали [2]. Аттестация проводится при помощи статистической модели прогнозирования, основанной на уравнениях множественной линейной регрессии, рассчитанных индивидуально для каж-
Вестник Череповецкого государственного университета • 2019 • №2
69
дого аттестуемого параметра. Указанная модель создана с учетом требований отраслевого стандарта ОСТ 14-1-34-90 «Статистический приемочный контроль качества металлопродукции по корреляционной связи между параметрами».
С целью аттестации механических свойств неразрушающим контролем Выксун-ский металлургический завод инициировал изменения в ряд технологической документации для марок сталей, испытания которых ранее предусматривались лишь прямым (разрушающим) способом. Эти изменения затронули технологические условия для производства 12 марок стали, некоторые из которых ранее никогда не аттестовались статистическими методами. Отсутствие информации о применимости не-разрушающего контроля на подобных сталях в долгосрочной перспективе потребовало дополнительного изучения вопроса о способности статистического контроля обеспечить качественный прогноз механических свойств и не допустить повышения риска потребителя получить некачественный металл.
В течение года от принимаемого по «АСАММ» металла отбиралось большое число контрольных партий рулонного проката, на которых проводились прямые испытания для сравнения отклонений расчетных и фактических значений его аттестуемых свойств. Исследовалось поведение отклонений во времени, и, при необходимости, корректировались параметры уравнений. В случае смещения среднего значения отклонений по критериям контрольных карт корректировался свободный член уравнения. При изменении формы зависимости и критическом снижении точности уравнения производилась остановка автоматической аттестации и запускался полный перерасчет.
На основе накопленных за 2016-2018 гг. данных была изучена предсказательная возможность статистического метода для расчета ряда аттестуемых параметров горячего проката.
Основная часть
Выбор областей применимости уравнений регрессии
Для повышения качества статистической модели (в первую очередь, коэффициента множественной корреляции регрессионных уравнений) отдельные уравнения были посчитаны для каждого параметра каждой марки стали. В ряде случаев, согласно требованиям технологических условий производства той или иной марки, автоматическая аттестация была ограничена лишь частью производимого сортамента. Охват был произведен только для заданного диапазона толщин горячего листа или ограничивался металлом, производимым по определенной технологической карте. В табл. 1 представлен перечень марок, аттестуемых неразрушающим контролем на Литейно-прокатном комплексе АО «ВМЗ».
Ограничение толщины до 4 мм для сталей 10 и Ст2ПС связано с тем, что более толстый лист из этих марок производится сравнительно редко и, в отличие от тонколистового проката, требует аттестации дополнительных механических свойств. Из-за малого количества данных об испытаниях рулонов этой толщины не удалось собрать представительную выборку для расчета полноценных уравнений регрессии, поэтому было решено продолжить отправлять металл данного сортамента на прямые испытания. Для марки «сталь 20», производимой по внутренней технологии (кодовое обозначение 20-2), ограничение в 10 мм возникло из-за того, что на толстом сортаменте
70
Вестник Череповецкого государственного университета • 2019 • №2
уравнение «Ударная вязкость КСУ при -5° С» для этой марки не удовлетворяло требованиям отраслевого стандарта (имело слишком большое значение средней ошибки). В остальных случаях были получены корректные уравнения, прошедшие проверку по статистическим критериям и с величиной множественного коэффициента корреляции не ниже 0,4.
Таблица 1
Перечень марок, аттестуемых по «АСАММ», с действующими ограничениями по геометрии листа
Марка стали Внутренняя технология производства Действующие ограничения
Сталь 10 10-1 До 4 мм
Ст2ПС 8Т2РБ-1 До 4 мм
8Т2РБ-4 До 4 мм
Сталь 20 20-1 Весь сортамент
20-2 До 10 мм
Р2350Н Р2350Н-1 Весь сортамент
СтЗСП 8Т3БР-1 Весь сортамент
22ГЮ 220И-2 Весь сортамент
220Ц-7 Весь сортамент
220и-11 Весь сортамент
09Г2С 0902Б-7 Весь сортамент
09ГСФ 090БЕ-7 Весь сортамент
С345 С345 Весь сортамент
Б35512Н Б35512Н-1 Весь сортамент
155 155 До 11 мм
155-3 От 10 до 12 мм
17Г1СУ 1701Б-и-3 Весь сортамент
Расчет производился на годовой выборке данных по каждой марке стали. Собранные данные сортировались в случайном порядке и делились на две группы, по одной из которых строились регрессионные уравнения зависимостей, а вторая служила для их проверки.
Перечень свойств горячего проката, подлежащих статистическому контролю Изначально система неразрушающего контроля на Литейно-прокатном комплексе АО «ВМЗ» должна была аттестовывать только механические свойства горячего листа, однако по мере ее развития регрессионные уравнения были получены также для ряда свойств микроструктуры. Перечень свойств обоих типов, рассчитываемых при помощи статистических моделей к февралю 2017 г., представлен в табл. 2.
Для 14 из 16 свойств рассчитаны соответствующие уравнения регрессии (кроме отношения предела текучести к временному сопротивлению, которое считается как частное двух других свойств, и изгиба в холодном состоянии, который аттестуется по совокупности попадания остальных расчетных свойств в приемочные числа).
Корректировка уравнений происходит в автоматическом режиме [1]. 10 % от всех изготовленных партий металла принудительно отправляются на прямые испытания. Значения механических и микроструктурных свойств с этих испытаний сравнивают-
Вестник Череповецкого государственного университета • 2019 • №2
71
ся с расчетными, и, при необходимости, в уравнениях регрессии свободный член корректируется на величину среднего накопленного отклонения.
Таблица 2
Свойства горячего проката, аттестуемые по «АСАММ»
Описание свойства Тип Число действующих уравнений
Балл зерна (больший и меньший) Свойство микроструктуры 8
Временное сопротивление (продольное и поперечное) Механическое свойство 13
Изгиб в холодном состоянии Механическое свойство 8
Относительное удлинение (продольное и поперечное) Механическое свойство 13
Отношение SigT к SigB Механическое свойство 4
Поглощенная энергия К^ -10 (продольная) Механическое свойство 1
Поглощенная энергия KV 0 (продольная и поперечная) Механическое свойство 2
Предел текучести (продольный и поперечный) Механическое свойство 11
Тест зерна цементита Свойство микроструктуры 1
Ударная вязкость и -40° С Механическое свойство 4
Ударная вязкость И -60° С Механическое свойство 4
Ударная вязкость И при -20° С Механическое свойство 2
Ударная вязкость V при +20° С Механическое свойство 1
Ударная вязкость V при -20° С Механическое свойство 4
Ударная вязкость V при -5° С Механическое свойство 2
Ударная вязкость после механического старения Механическое свойство 2
Для определения надежности расчета того или иного свойства проката статистическим методом используется критерий надежности I уравнения О . , вычисляемый согласно формуле:
я
О = -»-,
I N
I
где N . - количество корректировок свободного члена горегрессионного уравнения в течение установленного срока, Д . - коэффициент множественной регрессии -го уравнения.
В случае, когда значение критерия надежности падает ниже критического значения, запускается процедура приостановки аттестации и полного пересчета относящегося к нему регрессионного уравнения.
Так, например, через четыре месяца после начала аттестации уравнение расчета ударной вязкости V при -5° С для марки стали 20 перестало удовлетворять указанному критерию. После остановки аттестации оператор «АСАММ» инициировал процедуру пересчета уравнения, завершившуюся через 2,5 часа. После пересчета в течение последующих двух месяцев дополнительных корректировок свободного
72
Вестник Череповецкого государственного университета • 2019 • №2
члена уравнения не потребовалось. Фактическая остановка аттестации за счет скорости пересчета не повлияла на отгрузку металла.
При помощи критерия надежности возможно определить среднюю надежность оценки того или иного свойства, аттестуемого неразрушающим статистическим контролем безотносительно марки стали. Для этого параметр N следует заменить относительной частотой изменений, являющейся частным числа действующих уравнений, рассчитывающих указанное свойство, и суммой числа всех изменений их свободных членов.
В табл. 3 перечислены механические свойства, уравнения которых наиболее часто подвергались корректировке за восемь месяцев с момента запуска «АСАММ», их коэффициенты множественной корреляции, относительные частоты изменений и средний показатель критерия надежности для каждого свойства.
Таблица 3
Корректировки свободного члена регрессионных уравнений
Ранг Название свойства Количество изменений Средний коэффициент корреляции Относительная частота изменений Средний критерий надежности
1 Ударная вязкость и-40° С 1 0,66 0,25 2,64
2 Ударная вязкость и-60° С 1 0,61 0,25 2,44
3 Ударная вязкость V при -20° С 2 0,65 0,5 1,3
4 Ударная вязкость И при -20° С 2 0,74 1 0,74
5 Предел текучести 10 0,64 0,91 0,7
6 Балл зерна 12 0,52 1,5 0,35
7 Временное сопротивление 25 0,61 1,92 0,32
8 Ударная вязкость после механического старения 5 0,68 2,5 0,27
9 Относительное удлинение 31 0,52 2,38 0,22
Из этой таблицы видно, что уравнения с наибольшим коэффициентом множественной корреляции не всегда являются лучшими в плане стабильности прогнозирования новых значений. С течением времени такие уравнения могут требовать большего числа корректировок свободного члена, даже несмотря на то, что их средняя ошибка изначально дает меньшую погрешность, чем ошибка других уравнений.
На основании полученных данных можно сделать вывод, что лучше всего статистическому контролю подвержены механические свойства ударной вязкости, металлографический анализ и испытания на растяжение (кроме относительного удлинения) имеют средние значения надежности, а относительное удлинение имеет одну из худших оценок качества прогнозирования.
Вестник Череповецкого государственного университета • 2019 • №2
73
Выводы
Использование неразрушающего контроля в условиях Литейно-прокатного ком -плекса оправдано для прогнозирования механических свойств и свойств микроструктуры горячего проката.
Погрешность работы системы АСАММ соответствует допуску, установленному отраслевым стандартом. Величина отказов в аттестации, связанных с получением некорректных данных, ошибками расчета и нарушением статистических границ приемочных чисел составляет не более 0,5 % от общей доли аттестуемого проката.
Расчет критерия надежности подтверждает соответствие наблюдаемых отклонений границам приемочных чисел для всех аттестуемых в настоящее время механических свойств и свойств микроструктуры.
Литература
1. Хлыбов О. С., Храмешин Д. В., Кабаков З. К. Применение алгоритмов диагностики и автоматической настройки в системе неразрушающего статистического контроля механических свойств горячекатаного проката // Металлург. 2018. № 7. С. 21-26.
2. Хлыбов О. С., Храмешин Д. В., Кабаков З. К. Разработка и внедрение автоматической системы аттестации металла по механическим свойствам на выксунской производственной площадке // Металлург. 2017. № 8. С. 14-20.
References
1. Khlybov O., Khrameshin D., Kabakov Z. Primenenie algoritmov diagnostiki i avtomaticheskoi nastroiki v sisteme nerazrushaiushchego statisticheskogo kontrolia mekhanicheskikh svoistv goriachekatanogo prokata [Application of diagnostic algorithms and automatic tuning in system of non-destructive statistical control of mechanical properties of hot-rolled products]. Metallurg [Metallurgist], 2018, no. 7, pp. 21-26.
2. Khlybov O., Khrameshin D., Kabakov Z. Razrabotka i vnedrenie avtomaticheskoi sistemi attestatsii metalla po mekhanicheskim svoistvam na vyksunskoi proizvodstvennoi ploshchadke [Development and implementation of automatic system for attestation of metal by mechanical properties at Vyksa production site],Metallurg [Metallurgist]. 2017, no. 8, pp. 14-20.
Для цитирования: Хлыбов О. С., Храмешин Д. В. Оценка предсказательной способности линейного множественного регрессионного анализа в неразрушающем статистическом контроле механических свойств и микроструктуры горячего проката // Вестник Череповецкого государственного университета. 2019. № 2 (89). С. 69-74. DOI: 10.23859/1994-0637-2019-2-896
For citation: Khlybov O. S., Khrameshin D. V. Evaluation of the predictability of the multiple linear regression analysis in nondestructive testing of mechanical and microstructure properties of hot rolled steel. Bulletin of the Cherepovets State University, 2019, no. 2 (89), pp. 69-74. DOI: 10.23859/1994-0637-2019-2-89-6
74
Вестник Череповецкого государственного университета • 2019 • №2
