Digital twin for combined casting and rolling line control

Full Text

Введение

Технология получения готовых изделий при обработке металлов, в особенности длинномерных, является многоцикловой и включает множество промежуточных технологических операций. Эти факторы приводят к высокой себестоимости продукции и, как следствие, к ее низкой конкурентоспособности. В мировой практике металлообработки в последнее время особое развитие приобрели работы, направленные на создание интегрированных мини-производств с реализацией технологий получения изделий из цветных металлов и сплавов по схеме обработкив одной непрерывной линии расплав – кристаллизация – формоизменение [1]. Для этих процессов характерно объединение процессов литья, обработки металлов давлением и термической обработки в единый технологический процесс. Непрерывный процесс позволяет исключить процесс литья крупных слитков, их нагрев и горячую прокатку, что приводит к экономии капитальных затрат и значительному повышению выхода годного. В то же время, такой подход к производству предъявляет дополнительные требования к алгоритмам управления.

Для современного эффективного управления технологиями обработки металлов необходимо создание и использование компьютерных инструментов имитации процессов. Такой инструмент может представлять собой программу для расчета и отображения взаимосвязанных изменений технологических параметров при изменении условий процесса. Имитационные расчеты осуществляются встроенной в программу математической динамической моделью процесса. Опыт применения подобных программ при получении алюминия-сырца описан в работах [2–4].

Моделирование литейно-прокатных установок для задач управления представлено в литературе в ограниченном объёме и направлено на управление параметрами в отдельных узлах (модель натяжения между клетями, регулирование ширины проката и т. п.) [5]. Имеются модели, описывающие тепловое и напряженно-деформированное состояния узла деформации и кристаллизации [1; 6]. Эти модели разрабатывались с целью определения технологических и энергосиловых параметров деформирующего узла для получения полуфабрикатов необходимого качества из алюминия и его сплавов.

Математическая модель, комплексно описывающая взаимосвязанное изменение параметров узлов агрегата совмещенной обработки металла, позволяет рассчитать и визуализировать процесс в каждой точке линии. Программное обеспечение на базе такой модели является виртуальным двойником литейно-прокатной линии и позволяет отладить алгоритмы управления до запуска реального технологического цикла.

Таким образом, создание подобного рода моделей и программ является сложной научно-технической задачей, до настоящего времени не решённой в полном объёме, что определяет актуальность исследований.

Объект исследования

Объектом исследования является литейно-прокатный комплекс, схематично представленный на рис. 1, и состоящий из: лотка для выливки металла (1), роторного кристаллизатора (2), индукционной печи для нагрева заготовки перед прокаткой (3), прокатной клети (4), охладительно-выпрямительного устройства (5), шпулей для намотки (6).

 

Рис. 1. Состав литейно-прокатной линии

Fig. 1. Composition of the casting and rolling line

 

Из печи металл поступает в лоток, который направляет поток расплавленного металла в роторный кристаллизатор. Литейное колесо вращается, охлаждаяи кристаллизуя металл. На выходе из роторного кристаллизатора получается заготовка трапецеидальной формы, которая в зависимости от требований технологического процесса и от сплава поступает в индукционную печь для дополнительного нагрева или сразу в прокатную клеть. В процессе прокатки получается заготовка заданного диаметра, которая через охладительно-выпрямительное устройство поступает на шпули, где происходит намотка. В агрегате имеются две шпули, меняющие друг друга при достижении максимального количества намотанных слоёв катанки. Заправка прутка и смена шпули происходит автоматически.

Разработка цифрового двойника литейно-прокатной линии

Ранее нами разрабатывались и тестировались модели отдельных узлов совмещенных линий литья и прокатки. Так, в работах [7–8] уделялось внимание моделированию процессов в агрегате СЛИПП, рассматривались кристаллизация металла в колесах, охлаждение прутка, намотка на шпули. В работе [9] представлен виртуальный СЛИПП – программа для управления этим агрегатом. В работах [10–11] моделировалось формирование заготовки из жидкого металла в литейном колесе и подбирался расход охлаждающей воды для достижения заданных температур заготовки и предотвращения перегрева колеса.

На базе перечисленных работ в ПО TIAPortal[12], на базе контроллера серии S7-1200, разработана программа, реализующая расчёт температуры металла, скоростей металла, а также скоростей вращения каждого агрегата, входящего в состав установки. Блок-схема работы программы представлена на рис. 2.

 

Рис. 2. Блок-схема работы программы

Fig. 2. Blockdiagramoftheprogram

 

В библиотеке конструкций и сплавов заданы все теплофизические константы и конструкционные параметры, используемые в модельном расчёте.

А именно: плотность металла (в жидком и твёрдом агрегатных состояниях); теплоёмкость металла (в жидком и твёрдом агрегатных состояниях); плотность и теплопроводность металла из которого состоит кристаллизатор; коэффициенты теплообмена (вода-металл, воздух металл); конструкционные параметры кристаллизатора, прокатной клети, шпули, расстояния между агрегатами установки; шаг по координате х; количество итераций расчёта; тепло кристаллизации; коэффициент теплопроводности среды; коэффициент кинематической вязкости; коэффициент температуропроводности среды.

Расход металла, температура выливки металла, температура воды для охлаждения, расход воды для охлаждения, уставка по температуре металла на выходе из узла кристаллизации, водяное охлаждение заготовки после выхода из прокатной клети, угловая скорость вращения узлов установки являются управляющими воздействиями, задаются пользователем программы и впоследствии могут быть изменены.

В каждом узле агрегата рассчитывается температура металла, скорость движения металла, угловая скорость вращения агрегата. В роторном кристаллизаторе рассчитывается также температура самого литейного колеса. Показатели температуры рассчитываются по шагам, реализуя численное решение дифференциального уравнения. В агрегате шпуля идёт непрерывный расчёт времени заполнения прутком одного слоя накопителя, для того чтобы учесть изменения диаметра и корректировать угловую скорость вращения накопителя по мере заполнения его катанкой.

Перед началом расчёта необходимо выбрать литейно-прокатную линию и набор агрегатов, входящих в её состав. После этого указываем программе, какой тип сплава использовать для расчёта. После начала работы программы происходит обращение к библиотеке теплофизических свойств и типоразмеров, откуда берутся используемые в расчёте данные. На следующем шаге пользователю предлагается занести в программу значения управляющих воздействий, либо использовать начальные значения, заданные по умолчанию. Расход металла и угловые скорости вращения взаимосвязаны, поэтому если изменить расход, программа произведёт расчёт угловых скоростей и наоборот. В зависимости от конструктивных особенностей агрегатов, входящих в состав линии, а также значений параметров, заданных пользователем, производится пересчёт скорости металла и температуры металла в каждом из узлов литейно-прокатной линии. Интерфейс программы представлен на рис. 3.

 

Рис. 3. Интерфейс программы с расчетом сплава А5Е

Fig. 3. Interface of the program with the calculation of alloy A5E

 

На нём расположены все узлы установки, через которые происходит обработка металла. По каждому узлу в соответствующих полях вывода представлены рассчитанные программой данные о ходе технологического процесса. Для кристаллизатора это температуры металла и самого литейного колеса в нескольких точках, а также расход, заданный пользователем. Для прокатной клети – температура прутка, скорость прутка, угловая скорость вращения клети. Для участка охлаждения – температура прутка в конечной точке узла.

В правом верхнем углу экрана пользователю предлагается выбрать тип литейно-прокатной установки, в нижнем правом углу экрана – агрегаты, которые войдут в состав линии. Программой предусмотрена опция включения и отключения водяного охлаждения прутка после выхода заготовки из прокатной клети. Для агрегата намотки представлены рассчитанные программой данные угловой скорости и количества намотанных слоёв. В правой части окна расположено меню для управления технологическим процессов, где оператор может изменить расход металла, расход воды на охлаждение, начальную температуру выливки, а также выбрать тип сплава. Пользовательский интерфейс позволяет задать желаемую температуру выходящей из роторного кристаллизатора заготовки. Если данная опция активирована соответствующей кнопкой, программа изменяет в заданных пределах расход воды для охлаждения кристаллизатора таким образом, чтобы приблизить текущую температуру выходящей заготовки к указанной пользователем.

Гистограмма температур, расположенная в центральной нижней части интерфейса, показывает рассчитанные значения температуры металла в кристаллизаторе.

Моделирование работы линии прокатки

С помощью разработанной программы были выполнены расчёты параметров всей линии для трёх разных сплавов на основе алюминия, приведенные в табл. 1.

 

Таблица 1. Теплофизические константы сплавов

Сплав	Плотность, кг/м3	Теплоёмкость, Дж/(кг·К)
А5Е	2700	880
АК4	2770	797
АД33	2710	920

 

Расчеты проводились при одинаковой скорости литья и одинаковом расходе воды на охлаждение. Результаты расчётов представлены на рис. 3–5.

На рис. 3 приведены расчётные данные сплава А5Е. Температура выливки металла – 780 °С, расход металла – 2 т в час. Металл поступает в кристаллизатор (температура выходящей заготовки 475,4 °С), далее в прокатную клеть (температура выходящего прутка 231,4 °С) и через зоны водяного и воздушного охлаждения (температура выходящего прутка 193,8 °С) на накопитель. Расчёт произведён при уровне расхода воды на охлаждение валков 20 м³/ч.

Для технологов важным является распределение температур проходящего металла по длине колеса кристаллизатора, поэтому этот график рассмотрен отдельно на рис. 4, длина шага 0,1 м. В шагах с 5 по 7 происходит кристаллизация и в расчетной схеме выделяется тепло кристаллизации.

 

Рис. 4. Программный расчёт распределения температуры в кристаллизаторе сплава А5Е

Fig. 4. Software calculation of the temperature distribution in the mold of the A5E alloy

 

На рис. 5 и 6 представлены результаты имитационных расчетов параметров литья и прокатки сплавов АК4, АД33 с такой же скоростью литья и работой системы охлаждения, что и на рис. 3 для сплава А5Е. Видно, что сплав АД33 остывает быстрее.

 

Рис. 5. Программный расчёт сплава АК4

Fig. 5. Software calculation of AK4 alloy

 

Рис. 6. Программный расчёт сплава АД33

Fig. 6. SoftwarecalculationofalloyAD33

 

В табл. 2 представлены результаты программных расчётов трёх разных сплавов при температуре выливки 780 °С и расходе металла 2 т в час.

 

Таблица 2. Значения температур металла на выходе из агрегатов 

Сплав	Печь, °С	Кристаллизатор, °С	Клеть, °С	Участок охлаждения, °С
А5Е	780	503,3	417,3	224,8
АК4	780	493,9	409,8	224,2
АД33	780	474,3	391,8	220,7

 

В табл. 3 представлены результаты имитационных расчётов параметров литья-прокатки сплаваА5Е при температуре выливки 780 °С и различных значениях расхода металла.

 

Таблица 3. Значения температур металла на выходе из агрегатов для сплава А5Е

Расход металла, тонны/час	Печь, °С	Кристаллизатор, °С	Клеть, °С	Участок охлаждения, °С
2	780	503,3	417,3	224,8
3	780	559,7	493,7	272,9
1	780	389	266,8	200,5

 

Заключение

На основе математических моделей в ПО TIA Portal разработана программа, являющаяся цифровым двойником литейно-прокатной линии. Интерфейс программы позволяет включать и отключать работу некоторых агрегатов, тем самым формируя последовательность обработки заготовки, включать и отключать водяное охлаждение, изменять расход металла и расход воды на охлаждение валков. Проведены расчёты параметров технологического цикла при обработке трёх сплавов, которые дают представление о распределении температур и скоростей прокатываемого металла в каждом узле установки. Программу можно использовать на производстве как для предварительных расчетов обработки различных сплавов с целью подбора нужных управляющих воздействий, так и в ходе процесса для уточнения параметров охлаждения и скорости литья.

About the authors

Pavel N. Yakivyuk

Siberian Federal University, Institute of Nonferrous Metals and Materials Science

Author for correspondence.
Email: pavelyakivyuk@yandex.ru

senior lecturer of the department Automation of production processes in metallurgy

Russian Federation, 95, Krasnoyarskii Rabochii prospekt, Krasnoyarsk, 660025

Tatyana V. Piskazhova

Siberian Federal University, Institute of Nonferrous Metals and Materials Science

Email: piskazhova@yandex.ru

Dr. Sc., Professorof the department Automation of production processes in metallurgy

Russian Federation, 95, Krasnoyarskii Rabochii prospekt, Krasnoyarsk, 660025

Alexander V. Salnikov

United Company RUSAL Engineering-Technological Centre LLC

Email: aleksandr.salnikov3@rusal.com

head of the experimental design department of the foundry center

Russian Federation, 37/1, Pogranichnikov st., Krasnoyarsk, 660111

Pavel M. Gofman

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology

Email: gofmanpm@sibsau.ru

Cand. Sc., associate professor

Russian Federation, 31, Krasnoiarskii Rabochi prospekt, Krasnoyarsk, 660037

References

Supplementary files