Впервые опубликовано в журнале Materials World, выпуск за май 2024 г.
Холодная прокатка — ключевой процесс в производстве металлов, особенно когда речь идет об алюминии, стали, нержавеющей и кремниевой стали, а также меди и латуни. Этот процесс включает в себя формовку и обработку металлических листов и полос для улучшения механических свойств и качества поверхности. Традиционно холодная прокатка в значительной степени опиралась на традиционные средства управления и оборудование, что создавало проблемы с точки зрения эффективности, точности и экологической устойчивости.
С развитием технологий управления и цифровизации процесс холодной прокатки также эволюционирует, способствуя повышению производительности, качества и выхода годной продукции. Это предполагает использование собственного опыта работы предприятий и станов для разработки и совершенствования производственного процесса. В конце концов, ни одно предприятие не работает на 100% мощности — выявление пробелов на действующем предприятии в конечном итоге поможет повысить производительность при сохранении непрерывности производства.
Станы могут обеспечивать непрерывную работу и быструю смену спецификаций продукции с помощью систем автоматизации и управления.
Вперед к автоматизации
Для достижения точного контроля толщины и плоскостности, а также качества поверхности точность имеет первостепенное значение при холодной прокатке: передовые технологии управления обеспечивают мониторинг и регулирование технологических параметров в режиме реального времени, гарантируя стабильное качество продукции и точность размеров.
Кроме того, за счет интеграции передовых систем автоматизации, включающих модели настройки, симуляцию и сенсорные технологии, станы холодной прокатки могут значительно оптимизировать операции и повысить производительность.
Автоматизация повторяющихся задач и оптимизация операций означают, что рутинные задачи, связанные с управлением оборудованием, мониторингом и регулированием процессов, могут быть перенесены в диспетчерскую, снижая нагрузку на операторов и позволяя сотрудникам сосредоточиться на более важных задачах.
Имея внедренную автоматизацию, станы могут обеспечивать непрерывную работу и быструю смену спецификаций продукции, что минимизирует время простоя и увеличивает пропускную способность. Например, автоматизация систем и последовательностей обработки рулонов может обеспечить бесперебойный поток материалов, сокращая время простоя и повышая общую эффективность оборудования.
В качестве одного из примеров можно привести сотрудничество ABB со словенским производителем нержавеющей стали SIJ Acroni по замене устаревших систем приводов постоянного тока и автоматизации. Замена системы приводов и автоматизации на новейшие технологии, включая высокодинамичные контуры управления для контроля зазора валков и толщины полосы, в свою очередь, увеличила производительность стана более чем на 15%. Acroni также отметила заметное сокращение количества обрывов и отходов на своих производственных площадках.
В проектах модернизации часто используются самые последние версии ABB Ability™ System 800xA.
Движущая сила
Между тем, благодаря внедрению электроприводов и возобновляемых источников энергии для электростанций и станов холодной прокатки, отрасль может подготовиться к будущему в условиях сокращения систем, зависящих от ископаемого топлива, и снизить углеродный след металлургического производства.
Интегрированные решения по электрификации и автоматизации стимулируют переход к более автономным предприятиям и способствуют развитию циркулярной экономики за счет оптимизации использования ресурсов, возможности повторного использования, минимизации образования отходов и стимулирования замкнутых циклов обращения материалов.
В 2019 году ABB заключила партнерское соглашение с итальянским производителем нержавеющей стали Acciai Speciali Terni S.p.a. (AST Terni) для модернизации приводов на стане Сендзимира № 8. Модернизация включала замену контроллеров оригинального циклоконвертера с аналоговых на цифровые, что обеспечило работоспособность и целостность силового компонента и тиристорных блоков. В результате улучшились характеристики управления, энергоэффективность и снизились затраты на техническое обслуживание. Большая динамическая характеристика позволяет увеличить производственную мощность — в случае Terni скорость стана была увеличена с 600 метров в минуту (м/мин) до проектной скорости 800 м/мин, что в противном случае было бы недостижимо при использовании аналогового управления.
Передовые программные инструменты в составе системы повышают удобство использования, в то время как сокращенное количество аппаратных средств повышает надежность платформы управления. Сокращение незапланированных простоев также является ключевым фактором эффективности, поэтому добавление цифровых услуг для удаленной поддержки и поиска неисправностей не только снизит эксплуатационные расходы, но и минимизирует воздействие на окружающую среду.
В более широком масштабе в отрасли производители стали, партнеры и поставщики должны приложить усилия для изменения своего технологического подхода к производству продукции. Мы знаем, что существует решение проблемы декарбонизации — универсального средства не существует. Существует множество путей, и пока неясно, какой из них приведет к успеху. Выбор также зависит от того, где расположен производитель и какими ресурсами он располагает географически или логистически.
Сегодня тремя основными путями декарбонизации в первичном производстве стали являются прямое восстановление с помощью водорода, улавливание и хранение углерода (CCS) и электрохимия — процесс на основе электролиза, в котором вместо традиционной плавки используется электрическая энергия для восстановления железной руды, готовой к использованию в сталелитейном производстве.
Водородный путь часто является предметом обсуждения, наряду с возможностями восстановления железа с использованием водорода в качестве замены углерода, что означает, что единственным выбросом является вода. Насколько это «зелено», зависит от метода получения водорода: электролиз воды с использованием безуглеродного электричества называется зеленым водородом. Если паровой риформинг природного газа используется в сочетании с CCS, это называется голубым водородом. Производство такой «зеленой» стали опирается на использование оборудования, работающего на водороде, и систем CCS. Однако высокие затраты и ограниченность ресурсов означают, что это пока не является доступным решением для продвижения устойчивого развития.
Клиенты явно поддерживают технологические решения, которые снижают энергопотребление, количество отходов и затраты, те, которые предлагают возможности для немедленного внедрения и работают на перспективу водородной энергетики. Электрификация способствует повышению качества и увеличению выхода продукции при одновременном снижении энергозатрат и расхода сырья, необходимых для ее выпуска. Она интегрирована в различные этапы процесса производства металла — от металлургии до прокатки. Например, ABB внедряет технологии электромагнитного перемешивания, которые повышают эффективность расплава, снижая потребление энергии и электродов. В холодной прокатке технологии могут использоваться для обеспечения более точной толщины полосы и уменьшения разнотолщинных участков, что сокращает количество отходов. Аналогичным образом, профилегибочные станы с быстрой регулировкой ножниц могут обеспечить резку концов и задних частей полос с высочайшей точностью.
ABB заменила установленный циклоконвертер с аналогового на цифровой в рамках модернизации приводов на предприятии по производству нержавеющей стали.
Новая эра?
Когда речь заходит об усовершенствовании металлургического производства, цифровизация представляет собой непрерывный процесс. Внедрение технологий автоматизации и электрификации является важным уровнем, открывающим беспрецедентный уровень эффективности, качества и экологичности, но благодаря цифровым технологиям поверх этого можно сделать еще больше. Использование возможностей автоматизации и цифровых решений позволяет повысить оперативность работы и уровень электрификации.
Для улучшения производственных процессов и снижения затрат в металлургической отрасли необходимы подлинные ноу-хау — специализированный опыт людей и организаций, которые долгое время работают на прокатных станах и зафиксировали знания, заложенные в цифровые платформы.
Зачастую возможности для физического расширения предприятия отсутствуют, поэтому полезно обладать знаниями об существующей инфраструктуре, чтобы установить правильные приводы и двигатели для конкретного применения с минимальными изменениями на объекте.
В 2016 году стан холодной прокатки KW5 компании Aluminium Norf GmbH (AluNorf) в Германии стал участником масштабного проекта из четырех частей, реализуемого совместно с ABB, по модернизации существующих систем до новейших возможностей автоматизации и управления с минимальным временем простоя. Первый этап этого проекта предусматривал внедрение системы Уровня 2 со встроенной моделью настройки с последующей модернизацией существующей системы управления технологическим процессом System 800xA в сочетании с установкой контроллеров серии AC 800.
Используя данные, собранные в процессе цифровизации, мы смогли создать цифровые двойники, которые моделировали результаты без риска простоя, выявляли слабые места и в конечном итоге привели к идеальному решению для улучшения контроля толщины. Такие функциональные тесты позволяют сократить время проведения реконструкции.
Таким образом, легкодоступные данные можно использовать для создания ощутимой ценности для бизнеса. Или в других случаях можно анализировать большие данные с других заводов, чтобы подготовить их к использованию для оптимизации процессов.
На предприятиях, где непрерывная производительность и прибыльность имеют первостепенное значение, цифровые двойники позволяют протестировать управление процессом перед его реальным развертыванием, предоставляя возможность настраивать и менять параметры. Цифровые двойники на станах холодной прокатки состоят из компонентов технологической модели, способных имитировать поведение:
- Участка полосы, соединенного между фиксированными точками, такими как разматыватель и клеть стана
- Приводной системы разматывателя и моталки с подключенным механическим оборудованием
- Клети стана с подключенной приводной системой стана, гидравликой раствора валков и самими валками
Объединив компоненты технологической модели, можно создать проектно-ориентированный прокатный стан — от одноклетьевых до пятиклетьевых решений. При правильной параметризации компания ABB может добиться того, чтобы технологическая модель стана холодной прокатки вела себя как реальный стан.
Обеспечение готовности к будущему
Более того, металлургическая промышленность в настоящее время сталкивается с дефицитом кадров, поскольку она борется со старением рабочей силы и нехваткой квалифицированных работников, усугубляемой быстрым развитием и растущей сложностью современного производственного процесса. Автоматизация и электрификация, дополненные цифровыми технологиями, являются жизнеспособным решением этих проблем.
Автоматизируя рутинные операции, такие как обращение с материалами, контроль качества и управление оборудованием, заводы снижают зависимость от высококвалифицированных рабочих непосредственно в цехе и открывают отрасль для более широкого кадрового резерва, где управлять производством можно из диспетчерской, а не вблизи производственной зоны.
Цифровизация остается важнейшей частью развития в различных отраслях, и, обеспечивая обучение сотрудников в этих областях, металлургическая промышленность может дать своему персоналу возможность адаптироваться к меняющимся тенденциям индустрии. Это также потенциально способно привлечь новые таланты, которых привлекают возможности карьерного роста и профессионального развития с использованием своих навыков в технологических областях.
И в конечном итоге сотрудничество и долгосрочное партнерство служат основой для внедрения и непрерывного обслуживания предприятий в металлургической промышленности, а также обеспечивают бесшовную интеграцию технологий автоматизации и электрификации по мере того, как отрасль стремится к цифровизации.
По мере дальнейшего развития технологий отрасль должна внедрять самые разнообразные инновации и развивать сотрудничество, чтобы извлекать выгоду из возникающих возможностей и ориентироваться в динамичной среде металлургического производства, обеспечивая устойчивую масштабируемость и меры по подготовке к будущему.
