Efficient strategies for operation of production complex «induction heating - metal hot forming»

Full Text

Основной целью работы является исследование эффективности стратегий функционирования производственного комплекса «нагрев - обработка металла давлением» на примере широко распространенной технологии прессования на горизонтальных гидравлических прессах предварительно нагретых в индукционных печах заготовок цилиндрической формы для получения изделий из алюминиевых сплавов [1, 2]. Производственный комплекс «нагрев - обработка металла давлением»состоит из трех последовательных стадий технологического цикла тепловой обработки заготовок:нагрев в индукционной нагревательной установке, передача нагретой заготовки к прессу и процесс прессования(рис. 1). В процессе функционирования комплекса для придания требуемых пластичных свойств металла используется стадия предварительного нагрева обрабатываемой заготовки в индукционной печи, а для получения прочностных характеристик и требуемого профиля заготовки осуществляется прессование.Технология прессования в рассматриваемом производственном комплексевключает операцию выдавливания алюминия из замкнутой полости через фильеру матрицы, соответствующей сечению прессуемого профиля. Каждая стадия обработки металла характеризуется изменением прочностных свойств и температурных кондиций, которые тесно взаимосвязаны. Рис. 1. Стадии обработки заготовки в производственном комплексе «нагрев - обработка металла давлением» Актуальные задачиприкладных научных исследований в области моделирования и оптимизации взаимосвязанных электромагнитных, температурных и деформационных полей до недавнего времени решались независимо друг от друга и отдельно для процессов индукционного нагрева металлов (ПИНМ) и пластической деформации [1, 2].В настоящее время разработан ряд математических проблемно-ориентированных на использование в оптимизационных процедурах численно-аналитических моделей различного уровня сложности, описывающихизменяющееся во времени температурное распределение по объему заготовки в процессе нагрева и прессования, которое ввиду определяющей роли температурного фактора можнорассматривать как управляемую функцию состояния объекта [3, 4]. Под эффективностью функционирования производственного комплекса «нагрев - обработка металла давлением» понимается соответствие технико-экономического показателя работы всех его компонентов требованиям, предъявляемым к производительности и (или) энергоэффективности. Себестоимость выпускаемой продукции определяется суммой статей расходов , на изготовление продукции комплекса и будет рассматриваться в качестве основного показателя эффективности: (1) где - стоимостные коэффициенты статей расходов, определяемые тарифами на энергетические ресурсы и стоимостью сырья; - условно-постоянные затраты, к которым относятся коммунальные и арендные платежи, заработная плата обслуживающего персонала и т. п. Анализ основных статей затрат в (1) показал, что основную долюв себестоимости продукции занимают энергетические затраты на нагрев и прессование [1-4]. Энергетические затраты комплекса определяются величиной потребления электрической энергии. Трансформации электрической энергии в полезную работу зависит от КПД нагревательной установки и деформирующего оборудования. КПД индукционной установки равен произведению электрического итермического КПД[4]: , (2) где - полная мощность, определяемая полезной мощностью нагрева и тепловыми потерями через изолирующий цилиндр , - электрическая мощность, подведенная к индуктору. Полезную мощность , необходимую для нагрева заготовки, можно определить по формуле [4] , (3) где - теплоемкость нагреваемого металла; - длительность нагрева; - масса заготовки; - величина нагрева, усредненная по объему заготовки. Тогда с учетом (2) и (3) удельный расход электроэнергии, необходимой для нагрева единицы массы металла, определяется выражением[4] . (4) Полный КПД пресса определяется произведением КПД насосной установки , гидросистемы и механического КПД гидроцилиндра [4]: , (5) где -энергия потока жидкости; -индикаторная энергия гидроцилиндра; -полезная работа деформации; - величина затраченной электрической энергии в процессе прессования. Величина работы деформации определяется произведением силы , приложенной к заготовке, на путь пуансона : , (6) здесь - величина давления на пресс-шайбе; - объем металлической заготовки. Величина среднего прироста температуры в пластической зоне за счет теплового эффекта деформации пропорциональна величине давления на пресс-шайбе: , (7) где z - коэффициент, определяемый теплофизическими характеристиками прессуемых материалов [5]. В результате определяетсязависимость, связывающая величину прироста температуры пластической зоны с объемом потребления электрической энергии в процессе прессования: ; (8) , (9) откуда удельный расход электрической энергии ,отнесенный к единице массы металла, можно определить как , (10) где - плотность металла. Скорость прессования оказывает значительное влияние на прирост температуры пластической зоны в процессе прессования. С ростом скорости прессования происходит увеличение теплового потока контактного трения и повышение интенсивности внутренних источников тепла, определяемых энергией пластического формоизменения [3, 5]. Рис. 2. Зависимость скорости прессования от максимального прироста температуры пластической зоны при различных температурах нагрева T0 На рис. 2 приведен график изменения скорости прессования от максимального прироста температуры пластической зоны при различных температурах нагрева T0. При этом скорость прессования изменялась в диапазоне от 0 до 11 мм/с, а температурное распределение перед прессованием по длине и радиусу заготовки принималось равномерным. При анализе работы производственного комплекса, которая базируется на жестких технологических инструкциях, прежде всего необходимо учитывать ограничения на максимально допустимую температуру в процессе прессования . На рис. 3 показаны зависимости удельного расхода электрической энергии при предварительном нагреве в индукционной печи , прессовании и суммарном потреблении электрической энергии от скорости прессования (а) и максимальной температуры нагрева (б) при, , , , , . а б Рис. 3. Зависимости удельногорасходаэлектрической энергии при предварительном нагреве в индукционной печи , прессовании и суммарном потреблении электрической энергии от скорости прессования (а) и максимальной температуры нагрева (б) Выводы Анализ зависимостей (см. рис. 3) показал, что увеличение производительности комплекса «нагрев-обработка металла давлением» приводит одновременно к увеличениюрасхода электрической энергии на пресс и уменьшению на нагрев в индукционной печи. Это объясняется тем, что прирост температуры пластической зоны увеличивается при больших скоростях прессования, а это, в свою очередь, приводит к понижению температуры нагрева заготовки в индукторе и росту требуемого усилия прессования. Кроме того, установлено, что электрический КПД индукционной установки выше аналогичного КПД пресса, поэтому повышение производительности комплекса приводит к росту суммарного удельного расхода электрической энергии. Таким образом, стратегии минимального энергопотребления и максимальной производительности являются конкурирующими, а выбор весовых коэффициентов критерия (1) должен осуществляться исходя из текущих требований по выпуску продукции. На основе выбранной стратегии функционирования комплекса «нагрев - обработка металла давлением» при соответствующей фиксации отдельных весовых коэффициентов критерия (1) могут быть сформулированы соответствующие задачи оптимизации режимов работы комплекса. В частности, в [6, 7] сформулирована и решена задача совместной оптимизации температурных режимов индукционного нагрева и обработки металла давлениемпо критерию максимального приближения к режиму изотермического прессования с управляющим воздействием по начальному температурному состоянию прессуемой заготовки, которое, в свою очередь, обеспечивается на этапе нагрева в индукционной нагревательной установке с заданным градиентом температуры по длине заготовки.

About the authors

Alexander A Afinogentov

Samara State Technical University

(Ph.D. (Techn.)), Associate Professor 244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100, Russian Federation

Maxim Yu Derevyanov

Samara State Technical University

(Ph.D. (Techn.)), Associate Professor 244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100, Russian Federation

References

Supplementary files