Целью работы является создание для задач управления математической модели тепловой работы печи, на основе которой может быть реализован «виртуальный двойник» печи гомогенизации. В последнее время показатели качества прогрева алюминиевых полуфабрикатов и изделий перед дальнейшей обработкой, в процессах старения или закаливания становятся особенно актуальными, в т.ч. и в связи с внедрением на металлургических предприятиях международного стандарта качества ISO. При этом существующие системы контроля параметров печей нагрева осуществляют в основном регулирование локального нагревателя по измерениям температуры воздуха возле этого нагревателя, задача поддержания нужного прогрева объема всей печи и садки в таком управлении трудновыполнима и требует постоянной настройки пропорционально-интегрально-дифференцирующих регуляторов опытным сотрудником. Энергоемкость обработки алюминия также высока, при этом не все предприятия имеют возможность замены устаревших печей, и тогда возможности ресурсосбережения лежат только в области улучшения систем управления. В частности, перспективным направлением является замена традиционного регулирования по отклику упреждающим регулированием. Поэтому разработка математических моделей и программного обеспечения, позволяющих рассчитывать и предсказывать температуры различных областей печи, нагреваемых материалов в зависимости от изменения условий нагрева, является актуальной задачей. Моделирование и исследования проведены с использованием обыкновенных дифференциальных уравнений и явных разностных схем. В статье предложена динамическая модель теплообмена в печи гомогенизации и выполнены тестовые расчеты, показывающие применимость этой модели к выбору режимов и алгоритмов нагрева; также модель может быть положена в основу разработки цифрового двойника печи. Представленные модели и методы расчета применимы в качестве разработки современных систем управления и оптимизации нагрева не только металлоизделий, но и любых материалов.
The purpose of the work is to create a mathematical model of furnace thermal operation for control problems, on the basis of which a "virtual twin" of the homogenizing furnace can be implemented. Recently, the heating quality indicators of aluminum semi-finished products and products before further processing are becoming particularly relevant in the processes of aging or hardening also due to the introduction of the international quality standard ISO at metallurgical enterprises. At the same time, the existing control systems of heating furnace parameters mainly regulate the local heater by measuring the air temperature near it. The task of maintaining the desired heating volume of the entire furnace and the charge is quite difficult under this type of control and requires constant adjustment of the proportional-integral-differentiating regulators by an experienced employee. The energy intensity of aluminum processing is also high but not all enterprises are able to replace outdated furnaces. Then the resource-saving opportunities center around the improvement of control systems. In particular, the replacement of traditional response regulation with proactive regulation is a promising direction. Therefore, the development of mathematical models and software enabling to calculate and predict the temperatures of different areas of a furnace and heated materials depending on the change in heating conditions is a relevant task. Modeling and studies are carried out using ordinary differential equations and explicit difference schemes. The paper proposes a dynamic model of heat transfer in a homogenizing furnace and performs test calculations demonstrating the applicability of this model to the selection of heating modes and algorithms. The model can also be used as a basis for the development of a furnace digital twin. The presented models and calculation methods are applicable as developments of modern control systems and heating optimization of not only metal products but any materials.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.