автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Электрический миксер сопротивления для приготовления алюминиевых сплавов

На правах рукописи

ХОМЕНКОВ Петр Алексеевич

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МИКСЕР СОПРОТИВЛЕНИЯ ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ

Специальность 05.09.03 - «Электротехнические комплексы и системы»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Красноярск - 2005

Работа выполнена в Красноярском государственном техническом университете на кафедре «Электротехнология и электротехника»

Научные руководители: доктор технических наук, профессор,

Тимофеев Виктор Николаевич

доктор технических наук, профессор, Детлеф Проске (Германия)

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор,

Пантелеев Василий Иванович

кандидат технических наук, Лыков Николай Борисович

Ведущая организация: ООО «Красноярский металлургический завод»

Защита состоится 27 мая 2005г. в 1400 часов на заседании диссертационного совета Д 212.098.04 при Красноярском государственном техническом университете по адресу: 660074, г. Красноярск, ул. Киренского, 26, ауд. Д 501

Факс: (3912) 43-06-92 (КГТУ, для каф. САПР) e-mail: sovet@front.ru

Телефон: (3912) 49-77-28 (КГТУ, каф. САПР)

С диссертацией можно познакомиться в библиотеке Красноярского государственного технического университета.

Автореферат разослан апреля 2005 года

Ученый секретарь диссертационного совета, Д.Т.Н.

С.А. Бронов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Стратегией развития отечественных металлургических заводов является увеличение выпуска алюминиевых сплавов в общем объеме производства первичного алюминия.

Потребители продукции из алюминиевых сплавов предъявляют все более жесткие требования к их качеству. Удовлетворить запросы потребителя могут только литейные производства, имеющие современное оборудование, среди которого особое значение имеют миксеры для приготовления сплавов, оснащенные магнитогидродинамическими перемешивателями (МГДП). Использование МГДП позволяет автоматизировать процесс приготовления сплава, выровнять его температуру и химический состав по всему объему ванны миксера, что повышает качество приготавливаемых сплавов. При этом интенсивный теплообмен в расплаве приводит к существенному изменению тепловых процессов во всем миксере, что необходимо учитывать при разработке и проектировании миксеров.

Получение высококачественных сплавов невозможно без точного регулирования температурного режима в миксере, при этом необходимо контролировать температуры как расплава, так и электронагревателей. Перегрев электронагревателей резко снижает срок их службы, а перегрев расплава снижает его качество (улетучиваются некоторые легирующие компоненты, увеличивается окисление и насыщение водородом).

Опыт эксплуатации электрических миксеров сопротивления с МГДП показал, что конструкция существующих миксеров должна быть доработана с учетом изменившейся при использовании перемешивания технологии изготовления сплава и жесткими требованиями к управлению температурными режимами. Подобные решения при проектировании и разработке такого дорогостоящего и ответственного агрегата, как миксер сопротивления, должны приниматься только при наличии исчерпывающей и достоверной информации о тепловых и электрических процессах, протекающих в нем.

Большой вклад в создание методов расчета миксеров сопротивления внесли наши соотечественники: В. И. Добаткин, А. Д. Свенчанский, В.И.Напалков, и зарубежные ученые: J.L.Robertson, P.E.Anderson, Y. J. Bhatt. Широко используемые приближенные методы расчета, хотя и дают приемлемую для инженерных расчетов точность, но не учитывают интенсивного тепломассопереноса в расплаве, т. е. выравнивание его температуры по всему объему, и соответственно более интенсивного нагрева расплава без перегрева его поверхности, а также переходных процессов, протекающих в миксере. Поэтому анализ электрических и тепловых процессов в динамике целесообразно проводить с помощью численных методов математического моделирования. Для этой цели могут применяться современные коммерческие программные продукты, которые позволяют проводить анализ физиче-

ских процессов в сложных электротехнических установках, а также определять необходимые параметры для проектирования систем автоматического регулирования ими с учетом технологических требований к приготавливаемым сплавам.

В связи с этим актуальной является разработка методик проектирования миксеров на основе современных компьютерных технологий, программных продуктов и их экспериментальное подтверждение.

Цель работы. Разработать методику проектирования электрического миксера сопротивления с магнитогидродинамическим перемешивателем алюминиевого расплава, позволяющую определить дифференциальные и интегральные характеристики миксера, а также параметры системы автоматического регулирования температурными режимами на основе математического моделирования нестационарных электрических и тепловых процессов.

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих

задач:

1. Сформулировать требования к современным электрическим миксерам сопротивления и системам автоматического управления ими, дать оценку существующих методик электрического и теплового расчетов миксеров сопротивления, методов их математического моделирования.

2. Разработать трехмерную математическую модель для расчета нестационарных электрических и тепловых процессов в миксере с использованием программного продукта ANSYS.

3. Создать физическую модель миксера сопротивления с МГД-лере-мешивателем и системой автоматического регулирования тепловыми режимами миксера. Провести экспериментальные исследования на физической модели миксера, в ходе которых выявить характер тепловых процессов, определить ее электрические и тепловые параметры с учетом перемешивания расплава.

4. Установить достоверность результатов математического моделирования, на основании сравнения расчетных данных с экспериментальными данными, полученными на физической модели.

5. По результатам математического моделирования тепловых и электрических процессов в миксере показать возможность проведения синтеза системы автоматического регулирования миксером.

6. Разработать методику проектирования миксера сопротивления с МГД-перемешивателем на основе математического и физического моделирований.

7. Разработать рекомендации по проектированию и модернизации миксеров сопротивления.

Методы исследования. В ходе выполнения работы проводилось математическое моделирование с использованием численных методов решения краевых задач, а также физическое моделирование с использованием теории

подобия, теории автоматического управления, теоретической теплотехники и электротехники.

Основные результаты:

1. Исходя из конструкции и технологических особенностей работы миксеров сопротивления для приготовления алюминиевых сплавов, определены тепловые режимы миксеров и требования к управлению ими.

2. Разработана трехмерная математическая модель нестационарных тепловых процессов миксера сопротивления с МГД-перемешивателем, позволяющая с использованием программного продукта ANSYS получить его дифференциальные и интегральные характеристики.

3. Создана экспериментальная установка миксера сопротивления с МГД-перемешивателем и системой автоматического регулирования температурными режимами и исследованы ее дифференциальные и интегральные характеристики.

4. На основе экспериментальных исследований, проведенных на физической модели миксера сопротивления с МГД-пермешивателем и системой автоматического регулирования тепловыми процессами, получены следующие результаты:

• зависимости распределения температурного поля расплава в процессе его МГД-пермешивания;

• дана оценка погрешностей вносимых принятыми в математической модели допущениями, показана достоверность результатов вычислительного эксперимента;

• на примере системы автоматического регулирования тепловыми процессами физической модели миксера, параметры которой определены путем математического моделирования, показана возможность проведения синтеза системы автоматического регулирования проектируемых миксеров с учетом технологических требований.

5. На основе математического и физического моделирований предложена методика электрического и теплового расчетов миксеров сопротивления с МГД-перемешивателями, позволяющая на основании технического задания определить конструкцию миксера, его характеристики и оценить адекватность тепловых процессов, протекающих в миксере технологическим требованиям, предъявляемым к приготавливаемому сплаву.

6. Предложены новые конструкции электронагревателей и миксеров сопротивления (два патента на полезную модель).

Научная новизна работы:

1. Построена математическая модель нестационарного трехмерного температурного поля миксера с использованием конечно-элементного программного продукта ANSYS, позволяющая определять его дифференциальные и интегральные характеристики.

2. В результате математического и физического моделирования определены зависимости характеристик миксера от его конструктивных особенностей и тепловых процессов, протекающих в нем.

3. Показана возможность проведения синтеза системы автоматического регулирования тепловыми режимами миксера с МГД-перемешивателем сплава на основании результатов математического моделирования.

Значение для теории. Созданы теоретические основы для проектирования миксеров сопротивления с МГД-перемешивателями и системой автоматического регулирования тепловыми режимами, для приготовления алюминиевых сплавов.

Практическая ценность:

1. На основе математических моделей созданы алгоритмы и программы для моделирования нестационарных тепловых и электрических процессов в миксере сопротивления, позволяющие определить его дифференциальные и интегральные характеристики, а также провести синтез системы автоматического регулирования миксером сопротивления.

2. Создана методика электрического и теплового расчетов миксеров сопротивления с МГД-перемешивателем и системой автоматического регулирования, выданы рекомендации для их проектирования.

3. Предложены новые конструкции электронагревателей, позволяющие повысить тепловую эффективность миксера за счет увеличения коэффициента эффективности электронагревателей.

Достоверность полученных результатов подтверждается сравнением данных, полученных в результате моделирования, с экспериментальными данными, полученными на физической модели и промышленных установках, а также тестированием разработанных алгоритмов с использованием программного продукта ANSYS.

Реализация результатов работы осуществлялась в рамках выполнения работ ООО «НПЦ Магнитной гидродинамики» (г. Красноярск) по проектированию и созданию миксеров сопротивления емкостью 38 тонн для ОАО «Новокузнецкий алюминиевый завод» оборудованных МГД-пере-мешивателями и системами автоматического управления режимами работы, а также в процессе выполнения НИОКР «Разработка конструкции стационарного миксера с применением неформованных огнеупорных материалов и использованием электронагревателей нового типа» по заказу 0 0 0 «Инженерно-технологический центр» (г. Красноярск).

Апробация работы. Результаты работы были представлены на Всероссийской научно-практической конференции «Достижения науки и техники - развитию сибирских регионов» (Красноярск, 2003 г.); научно-производственных совещаниях 0 0 0 «Инженерно-технологический центр», г. Красноярск; совещаниях с представителями английской фирмы

MECHATERM по вопросам проектирования поворотных миксеров емкостью 100 т, выполняемых в рамках лицензионного соглашения.

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 5 статьях и докладах и 2 патентах на полезную модель.

Личный вклад автора в результаты работ, опубликованных в соавторстве, состоит в разработке математических моделей, алгоритмов и программ, проведении вычислительных экспериментов и в участии в эксперименталь-иых исследованиях.

Структура и объем диссертации. Результаты изложены на У£Ьстра-ницах текста, иллюстрированного таблицами и рисунками на^Ч страницах. Список использованных источников включает наименований на страницах. Работа состоит из введения, четырех разделов текста с выводами по каждому из них, заключения, списка использованных источников, приложений и двух актов.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, определены цель и задачи работы, отражены основные результаты, научная новизна и практическая ценность работы, отражены вопросы апробации и достоверности полученных результатов, а также дано краткое содержание работы.

В первой главе рассмотрены особенности миксеров для приготовления алюминиевых сплавов. В миксере-ко-

пильнике 1 осуществляется приготовление 4 3 2.

сплава (рисунок 1). Использование МГД-перемешивателя 2 позволяет

автоматизировать процесс перемешивания сплава, выровнять его химический состав и температуру. С помощью устройства перелива 3 сплав перекачивается из миксера-копильника 1 в раздаточный миксер 4. После окончательной доводки сплава в раздаточном миксере по температурному режиму последний через установку рафинирования 5 и фильтр 6 поступает в литейную машину 7, где проис- Рисунок 1

ходит кристаллизация слитков.

Большое значение для получения качественных слитков имеет строгое соблюдение технологических режимов приготовления сплава в миксере-копилышке.

На рисунке 2 показан поперечный разрез миксера-копильника, который состоит из металлического каркаса 1, футеровки 2, электронагревателей 3,

форкамер 4 и ванны со сплавом 5. Камера миксера имеет две тепловые зоны, нижнюю 5 со сплавом и верхнюю 6 без сплава. Сверху на миксере установлен свод 7, который выполняется из жаропрочного бетона, фасонного шамотного кирпича или из блоков. На своде расположены электронагреватели

3, которые сгруппированы в электрические группы.

Питание каждой группы осуществляется от отдельного источника регулируемого

трехфазного переменного тока. С й стороны миксера или под его подиной установлен МГД-пере-мешиватель 8, Каждая

электрическая группа

электронагревателей для

контроля их температуры оснащена термопарой 9. Термопары 10 и 11 контролируют температуру сплава соответственно у поверхности сплава и в нижней его части, вблизи подины. В работе также рассмотрены типы электронагревателей, условия их работы, свойства и состав футеровочных материалов.

Приведены особенности приготовления сплавов с применением МГД-перемешивателей и без них.

В результате анализа существующих инженерных методик теплового и электрического расчетов миксеров сопротивления можно сделать вывод о необходимости использования современных вычислительных методов и программных продуктов для уточнения результатов расчета.

Приведено описание существующих МГД-перемешивающих установок, особенности их конструкции, работы и электропитания.

При эксплуатации миксеров большое значение имеют источники питания для электронагревателей и устройства управления тепловыми режимами в них. Поэтому были рассмотрены устройства как с дискретным регулированием питающего напряжения, так и с плавным, а также методы регулирования температурных режимов в миксере. С учетом этого и исходя из технологических требований, предъявляемых к процессу приготовления сплава (перерегулирование 5 %, точность поддержания температуры сплава ±5 °С), сделан вывод, что требуемые условия работы миксера будут достигаться при применении тиристорных регуляторов напряжения совместно с ПИД-ре-гулятором.

Во второй главе представлена математическая модель и приведены результаты численных экспериментов по моделированию тепловых процес-

сов в миксере емкостью 80 т с использованием программного продукта ANSYS.

Тепловые процессы в миксере сопротивления имеют сложный характер. Существенное влияние на распределение температуры оказывает МГД-перемешивание сплава. В связи с этим при разработке математической модели был принят ряд допущений, позволяющих получить модель, отражающую тепловые процессы в миксере:

• при приготовлении сплава осуществляется его интенсивное перемешивание по всему объему, т. е. происходит выравнивание температуры и химического состава, поэтому можно принять, что сплав является однородным, сосредоточенным и тонким в теплотехническом отношении телом, характеризующимся средним теплосодержанием, температурой и бесконечно большим коэффициентом теплопроводности;

• электронагреватель имеет одинаковую температуру по всей своей поверхности и является тонким в теплотехническом отношении телом;

• внутреннее пространство миксера является прозрачным при теплообмене излучением, не рассеивает и не поглощает энергию.

Исходя из геометрических особенностей конструкции миксера, можно сделать вывод, что наиболее полное представление о тепловых процессах, протекающих в миксере, может дать их анализ в трехмерной постановке с применением коммерческого программного продукта ANSYS.

Для проведения моделирования в программном продукте ANSYS была построена трехмерная геометрическая модель миксера, учитывающая футеровку, сплав и электронагреватели. А затем в ней построена сетка, параметры которой выбирались из условия вычислительных возможностей ЭВМ, производившей вычисления, и составили 165932 элемента (рисунок 3). В качестве исходных данных для расчета задавались коэффициенты теплопроводности, черноты, значения плотности и теплоемкости футеровки; коэффициент черноты, значения теплоемкости, плотности и электрического сопротивления нагревателей; коэффициенты теплопроводности, черноты, значения плотности, средней теплоемкости и температуры сплава. Рисунок 3

Рассмотрим математические зависимости, описывающие процессы теплообмена, протекающие в миксере. На внешней поверхности миксера происходит теплообмен с окружающей средой по закону Ньютона - Рихмана

О)

-*% = а(Т*ов

1ос)>

где п - нормаль к элементарной площадке поверхности миксера; а - коэффициент сложной теплоотдачи; Тос - температура окружающей среды; Тпов~ температура поверхности миксера.

Для учета теплопередачи излучением между внутренними поверхностями полости миксера - поверхностями нагревателей, стенок и поверхности сплава, применяется расширенное уравнение Стефана - Больцмана

(2)

где N — номер излучающей поверхности; дд - оператор Кронекера; Е, —степень черноты /-Й площадки; - угловой коэффициент излучения; - площадь /-и поверхности; Q, - энергия, испускаемая г-й поверхностью; Со - коэффициент излучения абсолютно черного тела; 7/ - абсолютная температура поверхности.

Тепловые процессы, протекающие в области футеровки, описываются уравнением теплопроводности Фурье

где - плотность; теплоемкость; - температура; - время;

- коэффициент теплопроводности футеровки миксера в направлении осей

В качестве начальных условий задается распределение температуры в миксере

Т = Т{0), (4)

где Г(0) — задаваемая температура в объеме миксера.

В качестве граничных условий задается температура электронагревателей, расположенных под сводом миксера:

Ти =/(/), (5)

где Тн - температура электронагревателей, которая является функцией от тока 1, а тепло выделяется по закону Джоуля - Ленца.

В результате моделирования была получена картина распределения температурного поля в миксере (рисунок 4) с учетом сложных конструктивных элементов. Как пример приведен блок летки на рисунке 5. Также были получены разгонные кривые изменения температуры электронагревателей и сплава при единичном скачкообразном изменении мощности электронагревателей (рисунок 6). По характеру полученных разгонных кривых был сделан вывод о том, что тепловые процессы в миксере (температура электронагревателей и сплава) можно описать следующей передаточной функцией

где » = 1,2 - электронагреватели, сплав; к,- коэффициент усиления; Т, - постоянная времени.

РИСУНОК 4

Применение математического моделирования с использованием программного продукта ANSYS, позволяет оценить тепловые процессы, протекающие в миксере, а также определить его основные параметры и характеристики.

Рисунок 5

Рисунок 6

В третьей главе рассмотрена физическая модель миксера сопротивления с МГД-перемепшвателем, установленным под подиной, а также представлены экспериментальные исследования и математическое моделирование тепловых процессов, протекающих в физической модели миксера. Приведено сравнение результатов математического моделирования с результатами экспериментальных исследований и подтверждена достоверность математического моделирования. Показана эффективность перемешивания сплава МГД-перемепшвателем, определены параметры системы автоматического регулирования (САР) тепловыми режимами физической модели миксера.

Физическая модель миксера выполнена в масштабе 1:10. В качестве моделирующего металла вместо расплавленного алюминия с температурой плавления 660 °С использовался сплав Вуда с температурой плавления 79 °С. Подобие электромагнитных процессов в реальном миксере (оригинале) и модели обеспечивалось соблюдением равенства

®0^0У0_2. <»•

е0=~

т0~£"~

"МЛ* 2

* и

(7)

Здесь £д и

безразмерные коэффициенты добротности;

- угловые частоты, удельные электропроводности и полюсные деления индуктора МГД-перемешивателя миксера, оригинала и

физической модели соответственно. Подобие тепловых процессов обеспечивается соблюдением равенства тепловых сопротивлений в сплаве:

в --в -Sm к0 ~Т~~км—■ Л0

(8)

где Rq И Rm - тепловые сопротивления сплава, Sq', Sm; Xq; Хм - глубины ванны со сплавом; коэффициенты теплопроводности сплава оригинала и физической модели соответственно.

Общий вид физической модели представлен на рисунке 7, где 1 - футерованная ванна миксера со сплавом; 2 - футерованный свод с электронагревателями (на фотографии находится в приподнятом положении); 3 -форкамера, 4 - МГД-перемешива-тель; 5 - измерительные термопары; 6 - устройства управления. Электропитание нагревателей

осуществляется от трехфазного тиристорного преобразователя напряжения типа ПНТТ-630, позволяющего плавно изменять величину напряжения на нагревателях от 15 до 380 В. Двухфазная обмотка МГД-пере-мешивателя подключалась к двум независимым автотрансформаторам РНО 250-10, один из которых был подключен к линейному, а другой к фазному напряжению трехфазной системы таким образом, чтобы сдвиг фаз между напряжениями составлял 90 электрических градусов. Измерение токов, напряжений и мощностей в каждой фазе осуществлялось измерительными комплексами К-505 с классом точности 0.5. Для измерения температуры внутри миксера использовались четыре стационарно установленных термопары. Одну термопару устанавливали вблизи электронагревателей и контролировали их температуру. Две термопары измеряли температуру сплава вблизи поверхности, а одна вблизи подины, что позволило контролировать перепад температуры по глубине сплава.

Сигналы с термопар поступают на контроллеры ПИД-регулятор ТРМ-10 и измеритель-регулятор ТРМ-138. ПИД-регулятор выдает управляющий сигнал на преобразователь напряжения для изменения температуры нагревателей, а измеритель-регулятор передает полученные данные на компьютер,

Рисунок 7

где они архивируются и хранятся. Схема контроля и управления режимами работы физической модели миксера представлена на рисунке 8.

Рисунок 8

Для проведения экспериментальных исследований на физической модели миксера был принят ряд ограничений, обусловленных конструктивным исполнением модели: рабочая температура сплава не должна превышать 200 °С; температура нагревателей не более 700 °С; ток нагревателей не более 17 А. Исходя из определенного диапазона воздействий, в физической модели миксера был достигнут установившийся тепловой режим, при МГД-пере-мешивании сплава и токе нагревателей 5 А. Причем параметры установившегося состояния принимаются за начальные условия. Затем при единичном ступенчатом изменении тока нагревателей до 6 А снимаются разгонные кривые, представленные на рисунке 9, а также кривые изменения температуры каркаса миксера в точках, расположенных на своде, боковой стенке и подине (рисунок 10). По характеру разгонных кривых видно, что тепловые процессы в миксере (температура электронагревателей, сплава) описываются передаточной функцией первого порядка (6), а перепад температур у поверхности и подины сплава при МГД-перемешивании не превышает 1 °С, что может быть обусловлено как погрешностью термопар, так и измерительных приборов.

Основываясь на полученных результатах, можно сделать вывод, о равномерном распределении температуры по глубине ванны со сплавом при МГД-перемешивании. Это подтверждает допущение, принятое при математическом моделировании, о том, что сплав является однородным, сосредоточенным и тонким в теплотехническом отношении телом.

o'oo .W ".'a Va j» j«. 3V 041 ,м

—Данные математического моделирования —Данные математического моделирования —Экспериментальные данные —Экспериментальные данные

Рисунок 9 Рисунок 10

Для подтверждения остальных допущений, рассмотренных в главе 2, было проведено математическое моделирование (в программном продукте ANSYS) тепловых процессов, протекающих в физической модели миксера, и сравнение их с данными, полученными экспериментально. С этой целью была построена геометрическая модель экспериментальной установки (рисунок 11) и заданы исходные данные для всех ее элементов: футеровки, сплава, нагревателей. В качестве начальных условий принимался стационарный режим при токе нагревателей 5 А. Для проведения теплового расчета в геометрической модели была построена сетка, ее параметры составили 10275 элементов (рисунок 11). В результате моделирования была получена картина распределения температурного поля в трехмерной модели миксера (рисунок 12) и разгонные кривые изменения температуры нагревателей, сплава (рисунок 9) и каркаса (рисунок 10) при единичном ступенчатом изменении тока нагревателей до 6 А.

Рисунок 11

M 106 127 149 170 191 212

Рисунок 12

На основе сравнительного анализа данных, полученных экспериментально на физической модели миксера, и данных ее математического моделирования в программном продукте ANSYS, показано, что максимальная величина расхождения в данных не превышает 4-9 %. Это может быть обусловлено погрешностью измерений в процессе эксперимента.

Используя экспериментальные данные и данные математического моделирования в программном продукте А^УБ, была разработана математическая модель объекта управления, включающая передаточную функцию электронагревателя 1СН (р), с п л ^вй и термопа с у н о к 13).

и

К(р}

К

7/

Мс1р}

/г

гп

Рисунок 13

Для идентификации параметров математической модели использован метод наименьших квадратов (МНК). Но в связи с тем, что все измерения температур на физической модели проводились при помощи термопар, оказывающих собственное влияние на вид разгонных кривых, при построении математической модели необходимо учесть это влияние. Для этого были экспериментально определены характеристики используемых термопар и произведен пересчет экспериментальных разгонных кривых. По полученным в результате пересчета разгонным кривым произведена идентификация параметров математической модели. Результаты идентификации математической модели по экспериментальным данным приведены в таблице 1, а по данным математического моделирования в программном продукте А№У8 - в таблице 2.

Таблица 1

Звено \ параметр - коэффициент усиления постоянная времени, ч

Нагреватель 35.375 °С/А 0.519

Сплав 0.682 1.387

Термопара 1 мВ/°С 0.016

Таблица 2

Звено \ параметр к, — коэффициент усиления постоянная времени, ч

Нагреватель 33.933 °С/А 0.682

Сплав 0.547 1.387

Синтез параметров ПИД-регулятора осуществлен в системе МаАаЪ. Структурная схема САР с ПИД-регулятором представлена на рисунке 14. Определение параметров ПИД-регулятора производится с учетом технологических требований к приготавливаемому сплаву: перегрев сплава в процессе нагрева не должен превышать 5 % от заданной температуры, а в процессе поддержания температуры сплава не превышать ±5 °С от заданной температуры.

Рисунок 14

Результаты синтеза для экспериментальных данных представлены в таблице 3, а для данных, полученных при математическом моделировании в программном продукте ANSYS, в таблице 4.

Таблица 3

Таблица 4

Параметр ПИД-регулятора Значение

Коэффициент пропорциональности 3.15

Постоянная интегрирования 0.016

Постоянная дифференцирования 0.314

На рисунке 15 представлены переходные функции САР разработанной по экспериментальным данным и по данным математического моделирования в программном продукте ANSYS. По рисунку видно, что переходный процесс нагрева сплава длится 1 час 40 мин для системы САР, основанной на экспериментальных данных, и 1 ч 45 мин для системы САР, основанной на данных математического моделирования в программном продукте ANSYS. Причем максимальное отклонение температуры сплава не превышает 5 % от заданной температуры, а в процессе поддержания не превышает ±5 °С, что говорит о достаточно точном расчете параметров ПИД-регулятора как по экспериментальным данным, так и по данным, полученным в результате математического моделирования в программном продукте ANSYS.

Сравнительный анализ расчетных и экспериментальных данных показал, что математическая модель с использованием программного продукта

Рисунок 15

ANSYS позволяет определить дифференциальные и интегральные характеристики миксера сопротивления, а также получить данные необходимые для проведения синтеза системы автоматического регулирования тепловыми режимами миксера с учетом технологических требований, предъявляемых к приготавливаемому сплаву.

В четвертой главе представлены рекомендации по методикам теплового и электрического расчетов миксеров сопротивления и проектированию системы автоматического регулирования тепловыми режимами, а также результаты разработки электронагревателей для миксеров сопротивления.

На основании результатов математического и физического моделирования даны рекомендации по методикам теплового расчета миксеров сопротивления. На примере технического задания для проектирования миксера емкостью 80 т определена методика выбора материалов футеровочно-теплоизоляционных слоев и основных геометрических размеров миксера. При выборе последних необходимо обеспечить стойкость первого слоя в сплаве, а также поддержание требуемой по санитарным нормам температуры наружной поверхности кожуха. По выбранным размерам и материалам определены тепловые потери через различные элементы конструкции Рассчитаны мощность, затрачиваемая на нагрев сплава до рабочей температуры, мощность тепловых потерь через открытые технологические проемы и мощность, выделяющаяся в сплаве от индуктора МГД-перемешивания. По результатам проведенного расчета определяется требуемая мощность электронагревате-лей,кВт:

(9)

где - мощность, затрачиваемая на нагрев сплава до рабочей температуры, кВт; ИРпот - суммарные тепловые потери в миксере, к В/^) - мощность, выделяющаяся в расплаве от индуктора МГД-перемешивателя, кВт. Установленная мощность электронагревателей

Руш=КуРвн, (10)

где - коэффициент запаса (1.1-1.5), зависит от конструктивного исполнения миксера (электронагревателей, футеровки и условий работы)

Исходя из каталога мощностей тиристорных преобразователей напряжения, зададим количество групп электронагревателей и рассчитаем мощность группы, кВт:

(И)

Выбрав тип электронагревателей и их мощность, определим схему соединения (треугольник, звезда) электронагревателей в группы и количество групп.

После проведения расчета миксера с использованием инженерной методики и получения предварительных результатов о тепловых процессах и конструкции миксера производится уточнение параметров миксера в программном продукте AN SYS. В результате проведенного во второй главе моделирования было произведено уточнение конструктивного исполнения миксера, мощности миксера, мощности тепловых потерь, распределения температурного поля в миксере с учетом сложных конструктивных элементов, а также исполнения футеровки.

Как видно из приведенной таблицы 5, разница между полной мощностью электронагревателей, рассчитанной по инженерной методике и уточненной в результате моделирования, составляет 69.246 кВт, или 7.7 %.

Таблица 5

Составляющие мощности миксера Инженерная методика Математическое моделирование

Суммарные потери через футеровку кВт 379.728 324.331

Мощность, затрачиваемая на нагрев сплава до рабочей температуры Рт, кВт. 339.713 339.713

Суммарная мощность миксера ЗР-ЗРтш + Ли. «ВТ 719.441 664.044

Мощность электронагревателей Рт =1.25 • ЕР, кВт. 899.301 830.055

Уточнение, сделанное при математическом моделировании, позволяет снизить мощность миксера по сравнению с мощностью, рассчитанной по инженерной методике, а следовательно, уменьшить стоимость электронагревателей и тиристорных источников питания. По уточненным данным производится динамическое моделирование тепловых процессов в миксере, позволяющее получить разгонные кривые основных его элементов (рисунок 6) и затем определить параметры САР.

Переходные функции САР представлены на рисунке 16. По рисунку видно, что переходный процесс нагрева сплава длится 1 ч 35 мин, при этом максимальное отклонение

температуры сплава не превышает 5 % от заданной температуры, а в процессе поддержания не превышает ±5 °С, что удовлетворяет требованиям технического задания.

Применение предложенной методики разработки и проектирования миксера позволяет провести комплексный анализ миксера на стадии проек-

изо 1:00

Рисунок 16

\

С

/

\2

mmmi

г

Рисунок 17

тирования с учетом технологических особенностей его дальнейшей работы. Данная методика позволяет уточнить тепловые параметры миксера, рассчитанные по инженерной методике, а самое главное — определить тепловые потери с учетом неравномерного распределения теплового поля в миксере.

Следует отметить, что достоинством миксеров сопротивления является то, что они не увеличивают газонасыщенности сплава, однако к их недостаткам относится малый срок службы электронагревателей.

Расположение нагревательных элементов на своде создает большую степень экранизации и в сочетании с воздействием на них агрессивной среды и брызг алюминия приводит к сравнительно частому выходу их из строя. С

участием автора была предложена конструкция электронагревателя, позволяющая повысить срок его службы [7]. На рисунке 17 представлен общий вид электронагревателя, установленного на своде 2 миксера и содержащего то-копроводящие стержни 1 и дистанцирующее устройство 3. Устройство выполнено из материала, который не склонен к зарастанию пористыми отложениями при приготовлении алюминиевых сплавов и имеет коэффициент

теплопроводности в диапазоне 2üX<,5 ^0q ' Полка 4 выполнена из высокотеплопроводного материала, что увеличивает эффективную излучающую поверхность свода. Стержни нагревательного элемента 1 рекомендовано изготавливать из материала KAHTHAL АРМ, что позволяет увеличить поверхностную мощность и за счет антикоррозийной стойкости материала увеличить срок службы электронагревателя в агрессивных средах.

Для оценки тепловой эффективности предложенного электронагрева-■ S теля проведено математическое

—о

; моделирование его температурного поля

j (рисунок 18). Тепловая энергия от £ стержней передается дистанцируещему ¡2 устройству, поверхность которого

вта ,U1 0 ^

ж "S нагревается до температуры ~ 1064 С.

Рисунок 18 Поверхность полки нагревается до тем-

пературы ~1000 °С и излучает тепловую энергию в сторону сплава, при этом температура стержней находится ниже максимально допустимой (~1250 °С).

Применение предлагаемых электронагревателей позволяет увеличить тепловую эффективность миксера и срок его службы за счет увеличения коэффициента эффективности электронагревателей до в отличие от существующих электронагревателей с коэффициентами эффективности, нахо-

CS,

• — V

дящимися в диапазоне а =0.3-0 68, в зависимости от конструкции нагревателей.

В приложении приведены документы, подтверждающие внедрение результатов диссертации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполнения работы получены следующие научные и практические результаты:

1. На основании анализа публикаций и опыта эксплуатации существующих миксеров сопротивления оборудованных МГД-перемешивателями сплава сформулированы требования предъявляемые к ним, а также к системам автоматического управления ими.

2. Разработана математическая модель нестационарного теплового поля миксера сопротивления с МГД-перемешивателем, позволяющая получить исчерпывающую информацию о тепловых процессах протекающих в миксере.

3. Создана физическая модель миксера сопротивления с МГД-перемешивателем сплава и системой автоматического регулирования тепловыми режимами.

4. По результатам математического моделирования и проведенных экспериментальных исследований тепловых процессов протекающих в физической модели миксера проведено сравнение расчетных и экспериментальных данных, результаты которого подтверждают достоверность разработанной математической модели и принятых допущений.

5. Подтверждена возможность проведения синтеза системы автоматического регулирования тепловыми процессами миксера сопротивления оснащенного МГД-перемешивателем с учетом технологических требований, предъявляемых к приготавливаемому сплаву, по данным, полученным в результате математического моделирования в программном продукте ANSYS.

6. На основе результатов математического и физического моделирования предложена методика проектирования миксеров сопротивления, позволяющая на основе технического задания определить конструкцию миксера, осуществить выбор необходимых материалов, тип и мощность электронагревателей, а также произвести синтез системы автоматического регулирования тепловыми процессами. В качестве примера приведены тепловой и электрический расчеты миксера емкостью 80 т.

7. Предложены технические решения по модернизации конструкции электрического миксера сопротивления, получены два патента.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах

1. Хоменков, П. А. Система автоматизированного управления миксе-ром-копильником / П. А. Хоменков, В. Н. Тимофеев // Достижения науки и техники - развитию сибирских регионов: Материалы Всероссийской научно-практической конференции: Ч. 3. Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2003. С. 138-139.

2. Хоменков, П. А. Математическая модель электромагнитного переме-шивателя для рафинирования алюминия в ковшах / А. М. Велентеенко, П. А- Хоменков, Н. В. Сергеев // Вопросы теории и проектирования электрических машин. Вып. 13. Ульяновск: УлГТУ, 2004. С. 45-49

3. Хоменков, П. А. Промышленный нагреватель для миксера сопротивления / А. А. Темеров, В. Н. Тимофеев, Р. М. Христинич, А. В. Богданчиков, Е. А. Павлов, П. А. Хоменков; КГТУ. Красноярск, 2004. 10 с. Деп. в ВИНИТИ 09.04.04, № 1265-В2004.

4. Хоменков, П. А. Численные методы дискретизации свойств сред с разделением переменных / А. М. Велентеенко, П. А. Хоменков // Математические методы и моделирование. Вып. 37, Краноярск: ИПЦ КГТУ, 2005. С. 50-57.

5. Хоменков, П. А. Математическое моделирование электромагнитного поля в цилиндрической линейной индукционной машине / Е. А. Головенко, П. А. Хоменков, Т. А. Боякова, Т. В. Петрочснко, В. В. Ковальский // Математические методы и моделирование. Вып. 37. Краноярск: ИПЦ КГТУ, 2005. С. 68-77.

6. Хоменков, П. А. Моделирование рабочих режимов индукционного пе-ремешивателя жидких металлов / Л. К. Собочинский, С. А. Бояков, П. А.Хоменков // Математические методы и моделирование. Вып. 37. Кра-ноярск: ИПЦ КГТУ, 2005. С. 60-66.

7. Пат. № 32953 РФ, МПК7 Н 05В 3/46, 3/48, 3/64. Электронагреватель / А. А. Темеров, В. Н. Тимофеев, П. А. Хоменков.

8. Пат. № 38915 РФ, МПК7 Б 27 Б 1/02. Электрический миксер для приготовления алюминия и его сплавов / А.А.Темеров, В.Н.Тимофеев, П. А. Хоменков, А. В. Богданчиков.

Хоменков Петр Алексеевич Электрический миксер сопротивления для приготовления алюминиевых сплавов.

Автореф. дисс. на соискание ученой степени кащщцата технических наук.

Подписано в печать Jf.04.2005. Заказ № 92.

Формат 60x90/16. Усл. Печ. Л. 1 Тираж 100 экз.

Типография Красноярского государственного технического университета

шз - os.tf

{

19 МАЯ 7005

ВВЕДЕНИЕ

1 ОБЗОР ПУБЛИКАЦИЙ ПО МЕТОДИКАМ РАСЧЕТА И ВСПОМОГАТЕЛЬНОМУ ОБОРУДОВАНИЮ МИКСЕРОВ СОПРОТИВЛЕНИЯ

1.1 Общие замечания

1.2 Конструктивные особенности миксеров сопротивления для приготовления алюминиевых сплавов

1.3 Общие характеристики методик теплового и электрического расчетов

1.4 Электромагнитные перемешиватели алюминиевых сплавов

1.5 Источники питания и устройства управления режимами работы миксера

1.5.1 Общие замечания

1.5.2 Устройства регулирования мощности миксера сопротивления

1.5.3 Устройства управления режимами работы миксера

1.6 Электрический миксер сопротивления как объект автоматического регулирования теплового режима

1.7 Выводы по главе

2 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ В МИКСЕРЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ

2.1 Общие замечания

2.2 Геометрическая модель миксера сопротивления

2.3 Математическая модель процессов теплообмена в миксере

2.4 Результаты математического моделирования

2.5 Выводы по главе

3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НА ФИЗИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ МИКСЕРА СОПРОТИВЛЕНИЯ

3.1 Общие замечания

3.2 Физическая модель миксера сопротивления

3.3 Результаты экспериментальных исследований на физической модели миксера

3.4 Математическое моделирование тепловых процессов в физической модели миксера

3.5 Параметры системы автоматического регулирования

3.5.1 Идентификация параметров математической модели

3.5.2 Определение и оптимизация параметров ПИД-регулятора

3.6 Выводы по главе

4 МЕТОДИКА ПРОЕКТИРОВАНИЯ МИКСЕРОВ СОПРОТИВЛЕНИЯ

4.1 Общие замечания

4.2 Методика предварительного определения тепловых потерь в миксере

4.3 Энергетический баланс миксера и определение мощности электронагревателей

4.4 Пример теплового и электрического расчетов миксера емкостью

80 т.

4.4.1 Исходные данные

4.4.2 Тепловые потери и мощность электронагревателей

4.4.3 Математическое моделирование тепловых процессов и уточнение результатов расчета

4.4.4 Моделирование динамических тепловых процессов в миксере

4.5 Электронагреватель для миксера сопротивления

4.5.1 Электрический расчет электронагревателя

4.5.2 Исходные данные для расчета электронагревателя

4.5.3 Исходные данные для расчета электронагревателя

4.5.4 Математическое моделирование температурного поля электронагревателя

4.6 Выводы по главе

Актуальность работы. Гидростанции на реках Енисее и Ангаре, а также тепловые станции на базе Канско-Ачинского угольного бассейна, способствуют использованию электротехнологий на предприятиях цветной металлургии Восточной Сибири. Основными потребителями электрической энергии в этом районе являются предприятия алюминиевой промышленности.

Первичный алюминий получают в электролизных производствах, а слитки из алюминия - в литейных производствах. В последнее время в общем объеме выпуска алюминия неуклонно растет доля выпуска алюминиевых сплавов. Увеличивается выпуск слябов для проката, цилиндрических слитков для экструзии, кремниевых сплавов для автомобильной промышленности, сплавов высокой чистоты для электроэнергетики, катанки и других типов алюминиевых слитков.

Плавка и приготовление алюминиевых сплавов ведется в электрических печах следующих типов [1, 2, 3, 4, 5,6]:

• отражательных печах сопротивления;

• индукционных канальных печах;

• индукционных тигельных печах.

Последние два типа печей имеют преимущества по производительности и уровню механизации перед печами сопротивления, по этой причине они широко используются для плавки металла [7].

Отражательные печи сопротивления в настоящее время широко используются в качестве миксеров. С передачей большого количества заготовительного литья на алюминиевые заводы электрические печи сопротивления были применены там в качестве накопителей жидкого алюминия, поступающего с электролизных ванн.

С целью получения в миксере сплава заданного химического состава, его конструкция должна обеспечивать операции загрузки шихты (твердых лигирующих материалов) и чистки печи (удаление шлаков).

Получение высококачественных сплавов невозможно без точного регулирования температурного режима в миксере, при этом необходимо контролировать температуры, как расплава, так и электронагревателей. Перегрев электронагревателей резко снижает срок их службы, а перегрев расплава снижает его качество (улетучиваются некоторые лигирующие компоненты, увеличиваются окисление и насыщение водородом) [8, 9, 10]. Современные средства позволяют автоматизировать управление температурным режимом в процессе всего технологического цикла приготовления сплавов.

В настоящее время миксеры все более часто оборудуются магнитогидродинамическими (МГД) перемешивателями расплава. Использование МГД-перемешивателей позволяет бесконтактным методом интенсифицировать тепло - и массообменные процессы в расплаве, увеличить производительность агрегата и повысить качество продукции [11,12].

Стратегией развития отечественных металлургических заводов является увеличение выпуска алюминиевых сплавов в общем объеме производства первичного алюминия, в условиях, когда современный потребитель алюминиевых сплавов предъявляет все более жесткие требования к их качеству. Удовлетворить большой спрос потребителя на качественную продукцию могут только производства, оборудованные современным высокопроизводительным оборудованием. В связи с этим, в последнее время, происходит модернизация и строительство новых плавильно-литейных производств на заводах компании «Русский алюминий» и Сибирско-Уральской алюминиевой компании. Рост объемов производства требует использования печей и миксеров большой емкости. Так на ОАО «Саянский алюминиевый завод» (г. Саяногорск) миксеры емкостью 60т заменяют на миксеры емкостью 80т. В начале 2006г. два поворотных миксера сопротивления емкостью 70т и два миксера емкостью 100т будут введены в эксплуатацию на ОАО «Братский алюминиевый завод» и ОАО «Красноярский алюминиевый завод» соответственно.

Жизненный цикл любого оборудования включает в себя: научные исследования, проектирование, постановку на производство, подготовку производства, производство (изготовление), эксплуатацию, снятие с эксплуатации. Потребительская стоимость оборудования реализуется лишь при эксплуатации, а все остальные этапы связаны в основном с затратами. Уровень потребительских свойств оборудования закладывается, в первую очередь, на первых двух этапах. Поэтому научные исследования и проектирование должны быть выполнены наиболее качественно [13, 14].

Проектирование миксеров сопротивления включает в себя тепловой и электрический расчеты, в которых, на основании технического задания, определяются марка и размеры футеровочных материалов, тип и мощность электронагревателей, требования к системе электропитания и управлению температурным режимом и т. д.

Большой вклад в исследование процессов в миксерах сопротивления и создание методик их проектирования внесли наши соотечественники: В. И. Добаткин, А. Д. Свенчанский, В. И. Напалков, Д. А. Диомидовский, Б. С. Мастрюков, А. Д. Андреев, В. Б. Богин, и зарубежные ученые: J. L. Robertson, P. Е. Anderson, Y. J. Bhatt.

Необходимость проектирования миксеров сопротивления большей емкости, оборудованных МГД-перемешивателями расплавов и системами автоматического регулирования температурным режимом, требует проведения дополнительных исследований тепловых и электрических процессов в миксерах для приготовления алюминиевых сплавов с учетом всех имеющихся факторов.

В настоящее время основные достижения вычислительной математики воплощены в различные пакеты программ, пригодные для решения широкого класса задач.

В связи с этим совершенствование методик теплового и электрического расчетов миксеров сопротивления на основе современных методов математического и физического моделирований является актуальным.

Цель работы. Разработать методику проектирования электрического миксера сопротивления с МГД-перемешивателем алюминиевого сплава, позволяющую определить дифференциальные и интегральные характеристики миксера, а также параметры системы автоматического регулирования температурными режимами на основе математического моделирования электрических и тепловых процессов с использованием современных компьютерных технологий.

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:

1. Сформулировать требования к современным электрическим миксерам сопротивления и системам автоматического управления ими, дать оценку существующих методик электрического и теплового расчетов миксеров сопротивления, методов их математического моделирования.

2. Разработать математическую модель для расчета тепловых процессов в миксере с использованием программного продукта ANSYS.

3. Создать физическую модель миксера сопротивления с МГД-перемешивателем и системой автоматического регулирования тепловыми режимами миксера. Провести экспериментальные исследования на физической модели миксера, в ходе которых выявить характер тепловых процессов, определить ее электрические и тепловые параметры с учетом перемешивания расплава.

4. Установить достоверность результатов математического моделирования, на основании сравнения расчетных данных с экспериментальными данными, полученными на физической модели.

5. По результатам математического моделирования тепловых и электрических процессов в миксере показать возможность проведения синтеза системы автоматического регулирования миксерам.

6. Разработать методику проектирования миксера сопротивления с МГД-перемешивателем на основе математического и физического моделирований.

7. Разработать рекомендации по проектированию и модернизации миксеров сопротивления.

Методы исследования. В ходе выполнения работы проводилось математическое моделирование с использованием численных методов решения краевых задач, а также физическое моделирование с использованием теории подобия, теории автоматического управления, теоретической теплотехники и электротехники.

Основные результаты:

1. Исходя из конструкции и технологических особенностей работы миксеров сопротивления для приготовления алюминиевых сплавов, определены тепловые режимы миксеров и требования к управлению ими.

2. Разработана трехмерная математическая модель нестационарных тепловых процессов миксера сопротивления с МГД-перемешивателем, позволяющая с использованием программного продукта ANSYS получить его дифференциальные и интегральные характеристики.

3. Создана экспериментальная установка миксера сопротивления с МГД-перемешивателем и системой автоматического регулирования температурными режимами и исследованы ее дифференциальные и интегральные характеристики.

4. На основе экспериментальных исследований, проведенных на физической модели миксера сопротивления с МГД-пермешивателем и системой автоматического регулирования тепловыми процессами, получены следующие результаты:

• зависимости распределения температурного поля расплава в процессе его МГД-пермешивания;

• дана оценка погрешностей вносимых принятыми в математической модели допущениями, показана достоверность результатов вычислительного эксперимента;

• на примере системы автоматического регулирования тепловыми процессами физической модели миксера, параметры которой определены путем математического моделирования, показана возможность проведения синтеза системы автоматического регулирования проектируемых миксеров с учетом технологических требований.

5. На основе математического и физического моделирований предложена методика электрического и теплового расчетов миксеров сопротивления с МГД-перемешивателями, позволяющая на основании технического задания определить конструкцию миксера, его характеристики и оценить адекватность тепловых процессов, протекающих в миксере технологическим требованиям, предъявляемым к приготавливаемому сплаву.

6. Предложены новые конструкции электронагревателей и миксеров сопротивления (два патента на полезную модель).

Научная новизна работы:

1. Построена математическая модель нестационарного трехмерного температурного поля миксера с использованием конечно-элементного программного продукта ANSYS, позволяющая определять его дифференциальные и интегральные характеристики.

2. В результате математического и физического моделирования определены зависимости характеристик миксера от его конструктивных особенностей и тепловых процессов, протекающих в нем.

3. Показана возможность проведения синтеза системы автоматического регулирования тепловыми режимами миксера с МГД-перемешивателем сплава на основании результатов математического моделирования.

Значение для теории. Созданы теоретические основы для проектирования миксеров сопротивления с МГД-перемешивателями и системой автоматического регулирования тепловыми режимами, для приготовления алюминиевых сплавов.

Практическая ценность:

1. На основе математических моделей созданы алгоритмы и программы для моделирования нестационарных тепловых и электрических процессов в миксере сопротивления, позволяющие определить его дифференциальные и интегральные характеристики, а также провести синтез системы автоматического регулирования миксером сопротивления.

2. Создана методика электрического и теплового расчетов миксеров сопротивления с МГД-перемешивателем и системой автоматического регулирования, выданы рекомендации для их проектирования.

3. Предложены новые конструкции электронагревателей.

Достоверность полученных результатов подтверждается сравнением данных, полученных в результате моделирования, с экспериментальными данными, полученными на физической модели и промышленных установках, а также тестированием разработанных алгоритмов с использованием программного продукта ANSYS.

Реализация результатов работы осуществлялась в рамках выполнения работ ООО «НПЦ Магнитной гидродинамики» (г. Красноярск) по проектированию и созданию миксеров сопротивления емкостью 38 тонн для ОАО «Новокузнецкий алюминиевый завод» оборудованных МГД-пере-мешивателями и системами автоматического управления режимами работы, а также в процессе выполнения НИОКР «Разработка конструкции стационарного миксера с применением неформованных огнеупорных материалов и использованием электронагревателей нового типа» по заказу ООО «Инженерно-технологический центр» (г. Красноярск).

Апробация работы. Результаты работы были представлены на Всероссийской научно-практической конференции «Достижения науки и техники - развитию сибирских регионов» (Красноярск, 2003 г.); научно-производственных совещаниях ООО «Инженерно-технологический центр», г. Красноярск; совещаниях с представителями английской фирмы MECHATERM по вопросам проектирования поворотных миксеров емкостью 100 т, выполняемых в рамках лицензионного соглашения.

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 5 статьях и докладах и 2 патентах на полезную модель.

Личный вклад автора в результаты работ, опубликованных в соавторстве, состоит в разработке математических моделей, алгоритмов и программ, проведении вычислительных экспериментов и в участии в экспериментальных исследованиях.

Содержание работы. Во введении обоснована актуальность темы, определены основная цель, задачи, сформулированы новизна и практическая ценность научных результатов, а также дано краткое содержание работы.

В первой главе определены объекты исследования, рассмотрено конструктивное исполнение миксеров сопротивления с МГД-перемешивателями и системой автоматического регулирования, а также особенности их работы в процессе приготовления сплава. Приведено краткое описание методик теплового и электрического расчетов.

Вторая глава посвящена разработке математической модели тепловых процессов в миксере с использованием программного продукта ANSYS, которая позволяет оценить тепловые процессы протекающие при приготовлении сплава, а так же определить основные параметры и характеристики миксера.

В третьей главе приведены результаты исследований на физической модели миксера сопротивления с МГД-перемешивателем и системой автоматического регулирования, дано сравнение экспериментальных данных с данными математического моделирования тепловых процессов протекающих в физической модели миксера. На основе результатов математического и физического моделирования предложена методика проектирования миксеров сопротивления.

В четвертой главе представлена методика электрического и теплового расчета миксера сопротивления с МГД-перемешивателем и системой автоматического регулирования тепловыми процессами. По предлагаемой методике был произведен расчет 80 т. миксера, в результате чего, была уменьшена мощность нагревателей на 7.7 %. Это позволило уменьшить стоимость электронагревателей и тиристорных источников питания.

Основываясь на опыте эксплуатации электронагревателей в электрических миксерах сопротивления, был разработан новый электронагреватель, применение которого, позволит увеличить тепловую эффективность миксера и срок его службы.

В заключении изложены выводы, отражающие основные результаты работы.

4.6 Выводы по главе

Использование предлагаемой методики проектирования миксеров сопротивления с применением математического моделирования, позволяет уточнить конструктивное исполнение основных элементов миксера, мощности электронагревателей, а также определить параметры САР, с учетом особенностей работы миксера и технологических требований, на стадии проектирования. По предлагаемой методике был произведен расчет 80 т. миксера, в результате чего, была уменьшена мощность нагревателей на 7.7 % по сравнению с мощностью рассчитанной по инженерной методике. Это позволило уменьшить стоимость электронагревателей и тиристорных источников питания.

Основываясь на опыте эксплуатации электронагревателей в электрических миксерах сопротивления, был разработан новый электронагреватель, применение которого, позволит увеличить тепловую эффективность миксера и срок его службы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполнения работы получены следующие научные и практические результаты:

1. На основании анализа публикаций и опыта эксплуатации существующих миксеров сопротивления оборудованных МГД-перемешивателями сплава сформулированы требования предъявляемые к ним, а также к системам автоматического управления ими.

2. Разработана математическая модель нестационарного теплового поля миксера сопротивления с МГД-перемешивателем, позволяющая получить исчерпывающую информацию о тепловых процессах протекающих в миксере.

3. Создана физическая модель миксера сопротивления с МГД-перемешивателем сплава и системой автоматического регулирования тепловыми режимами.

4. По результатам математического моделирования и проведенных экспериментальных исследований тепловых процессов протекающих в физической модели миксера проведено сравнение расчетных и экспериментальных данных, результаты которого подтверждают достоверность разработанной математической модели и принятых допущений.

5. Подтверждена возможность проведения синтеза системы автоматического регулирования тепловыми процессами миксера сопротивления оснащенного МГД-перемешивателем с учетом технологических требований, предъявляемых к приготавливаемому сплаву, по данным, полученным в результате математического моделирования в программном продукте ANSYS.

6. На основе результатов математического и физического моделирования предложена методика проектирования миксеров сопротивления, позволяющая на основе технического задания определить конструкцию миксера, осуществить выбор необходимых материалов, тип и мощность электронагревателей, а также произвести синтез системы автоматического регулирования тепловыми процессами. В качестве примера приведены тепловой и электрический расчеты миксера емкостью 80 т.

7. Предложены технические решения по модернизации конструкции электрического миксера сопротивления, получены два патента.

1.Д. Электрические промышленные печи. Ч. 1. Электрические печи сопротивления. -М.: Энергия, 1975.-384 с.

2. Башенко, В. В. Электроплавильные печи цветной металлургии / В. В. Башенко, А.В.Донской, И. М. Соломахин. М.: Металлургия, 1971. 320 с.

3. Диомидовский, Д. А. Металлургические печи цветной металлургии / Д. А. Диомидовский. М.: Металлургия, 1970. 704 с.

4. Вайнберг, А. М. Индукционные плавильные печи / А. М. Вайнберг. М.: Энергия, 1967.415 с.

5. Фомин, Н. И. Электрические печи и установки индукционного нагрева / Н. И. Фомин, Л. М. Затуловский. М.: Металлургия, 1979. 247 с.

6. Фарбман, С. А. Индукционные печи / С. А. Фарбман, И. Ф. Колобнев. М.: Металлургия, 1968. 496 с.

7. Тир, Л. Л. Современные методы индукционной плавки / Л. Л. Тир, Н. И. Фомин. М.: Энергия, 1975. 110 с.

8. Свенчанский, А. Д. Пути рациональной эксплуатации электрических печей сопротивления / А. Д. Свенчанский. М.: Гоэнергоиздат, 1961. 80 с.

9. Плавка и литье алюминиевых сплавов: Справ, изд. / М. Б. Альтман, А. Д. Андреев, Г. А. Балаховцев и др. М.: Метлаллургия, 1970. 416 с.

10. Андреев, А. Д. Высокопроизводительная плавка алюминиевых сплавов / А. Д. Андреев, В. Б. Гогин, Г. С. Макаров. М.: Металлургия, 1980. 136 с.

11. Чернышев, И. А. Электромагнитное воздействие на металлические расплавы / И. А. Чернышов. М.: Металлургиздат, 1963. 223 с.

12. Верте, Л. А. МГД-технология в производстве черных металлов / Л. А. Верте. М.: Металлургия, 1990. 120 с.

13. Кацевич, Л. С. Расчет и конструирование электрических печей / Л. С. Кацевич. М.; Л.: Госэнергоиздат, 1961. 240с.

14. Громов, Б. С. Тепловые процессы в электролизерах и миксерах алюминиевого производства / Б. С. Громов. М.: ГУЛ издательский дом «Руда и металлы», 1998.256 с.

15. Расчет и проектирование нагревателей электропечей сопротивления / М. Б. Гутман, Г. К. Рубин и др. М.: Л.: Энергия, 1966. 101 с.

16. Альтгаузен, А. П. Электротермическое оборудование: Справочник. / А. П. Альтгаузен. М.: Энергия, 1967. 488 с.

17. Герасимов, Е. П. Жаростойкие бетоны для электропечей / Е. П. Герасимов, В. М. Мартынов, В. С. Сасса. М.: Энергия, 1969. 144 с.

18. Факторович, Л. М. Теплоизоляционные материалы и конструкции / Л. М. Факторович. М.: Гостоптехиздат, 1957. 448 с.

19. Буслович, Н. М. Футеровочные материалы для печей с контролируемыми атмосферами / Н. М. Буслович, Л. А. Михайлов. М.: Энергия, 1975. 71 с.

20. Чигарев, А. В. ANSYS для инженеров: Справочное пособие / А. В. Чигарев, А.С.Кравчук, А. Ф. Смалюк. М.: Машиностроение—1, 2004. 512 с.

21. Душин, А. Ю. ANSYS 7.0: Пользовательские процедуры и конечные элементы/ А. Ю. Душин. М.: Машиностроение-1, 2004. 50 с.

22. Каплун А. Б. ANSYS в руках инженера: Практическое руководство / А. Б. Каплун, Е. М. Морозов, М. А. Олферьева. М.: УРСС, 2003. 269 с.

23. Дубинский, С. ANSYS 8.0: обзор новых возможностей / С. Дубинский // «САПР и графика», 2003. №11. С. 42-44.

24. Theory Reference, Release 5.7. Edited by Kohnke P., ANSYS, Inc.,2001.25. WebPage: www.cadfem.ru.

25. Свенчанский, А. Д. Автоматическое регулирование электрических печей / А. Д. Свенчанский, К. Д. Гуттерман. М.: Энергия, 1969. 144 с.

26. Рубин, Г. К. Электропечи с нагревателями из дисилицида молибдена / Г. К. Рубин, А. П. Слободской, Т. Д. Тимофеева. М.: Энергия, 1964. 64 с.

27. Телегин, А. С. Конструкция и расчет нагревательных устройств /

28. A. С. Телегин, Н. С. Лебедев. 2-е изд. доп. и перераб. М.: Машиностроение, 1975. 280 с.

29. Химушин, Ф. Ф. Жаропрочные стали и сплавы / Ф. Ф. Химушин. М.: Металлургиздат, 1964. 671 с.

30. Resistance Heating Alloys and System for Industrial Furnaces. 1—A-5B. KANTHAL. Hallsahammar, Sweden, 2001.

31. Пат. на полезную модель № 32953 РФ, МПК7 Н 05В 3/46, Н 05В 3/48, Н 05В 3/64. Электронагреватель / А. А. Темеров, В. Н. Тимофеев, П. А. Хоменков.

32. Огнеупоры и огнеупорные изделия. Сборник государственных стандартов. М.: 1975. 670 с.

33. Черепанов, А. М. Высокоогнеупорные материалы и изделия из окислов / А. М. Черепанов, С. Г. Тресвятский. М.: Металлургия, 1964. 283 с.

34. Короткое, В. Г. Рафинирование литейных алюминиевых сплавов /

35. B. Г. Коротков. Москва-Свердловск: Машгиз, 1963. 127 с.

36. Рафинирование металлов синтетическими шлаками / С. Г. Воинов, А. Г. Шалимов, JI. Г. Косой, Е. С. Калинников. М.: Металлургия, 1964. 279 с.

37. Ефименко, С. П. Внепечное рафинирование металла в газлифтах /

38. C. П. Ефименко, В. И. Мачикин, Н. Т. Лифенко. М.: Металлургия, 1986. 264 с.

39. А. с. 1752800 СССР, М.Кл.2 С 22 В 9/02. Способ рафинирования алюминия и его сплавов / А. А. Кучаев, А. В. Наривский. № 1472112/22-1; Заявлено 24.08.70; Опублик. 23.10.7, Бюл. № 32.

40. Троянкин, Ю. В. Проектирование и эксплуатация огнетехнических установок: Учебное пособие / Ю. В. Троянкин. М.: Энергоатомиздат, 1988. 256 с.

41. Мастрюков, Б. С. Теория, конструкция и расчеты металлургических печей. В 2 т. Т. 2. Расчеты металлургических печей / Б. С. Мастрюков. М.: Машиностроение, 1986. 272 с.

42. Казанцев, Е. И. Промышленные печи: Справочное руководство для расчетов и проектирования: учебник для вузов / Е. И. Казанцев. 2-е изд., доп. и перераб. М.: Металлургия, 1975. 367 с.

43. Транес, В. Промышленные печи / В. Транес. В 2 т. Т. 2. 3-е изд. М.: Металлургиздат, 1964. 389 с.

44. Металлургическая теплотехника / В. А. Кривандин, И. Н. Неведомская и др. В 2 т. Т. 2. М.: Металлургия, 1986. 592 с.

45. Рафалович, И. М. Теплопередача в расплавах, растворах и футеровке печей и аппаратов / И. М. Рафалович. М.: Энергия, 1977. 304 с.

46. Потери тепла и газов через форкамеры со шторками и оконные проемы в вертикальных стенках печи / М. Б. Гутман, О. М. Костенок, В. М. Мальтер, J1. А. Михайлов. В кн.: Исследования в области электротермического нагрева. М.: Энергия, 1967.

47. Баймаков, Ю. В. Справочник металлурга по цветным металлам. Производство алюминия / Ю. В. Баймаков, Я. Е. Конторович. М.: Металлургия, 1971. 560 с.

48. Верте, JI. А. Электромагнитный транспорт жидкого металла / JI. А. Верте. М.: Металлургия, 1965. 145 с.

49. Вольдек, А. И. Индукционные МГД-машины с жидкометаллическим рабочим телом / А. И. Вольдек JL: Энергия, 1970.272 с.

50. Окороков, Н. В. Электромагнитное перемешивание металла в дуговых сталеплавильных печах / Н. В. Окороков. М.: Металлургиздат, 1961. 177 с.

51. Разработка технического предложения на устройство для электромагнитного перемешивания алюминиевых сплавов в миксере емкостью 25 т.: Отчет о НИР / НИИ ОАО «Электросила». № ОБС. 125. 236.-Санкт-Петербург, 1993. 114 с.

52. А. с. 1233605 СССР, МКИ3 Н02 К44/06. Устройство для циркуляции металлов / Э. А. Исидоров, В. Г. Сиротенко, Г. А. Махомов, О. С. Хроновских.

53. А. с. 1653421 СССР, МКИ3 Н02 К44/06. Магнитогидродинамический перемешиватель / Э. А. Исидоров.

54. А. с. 1642828 СССР, МКИ3 Н02 К44/06. Магнитогидродинамический МГД-перемешиватель для металлургических печей / В. М. Фолифоров.

55. А. с. 1353053 СССР, F 27 D 1/02 Миксер / В. Е. Тимошев, В. П. Шутеев, Г. И. Восковская, Т. Б. Иванова, С. В. Качан, Н. Я. Трапезникова.

56. А. с. 1697577 СССР, МКИ3 Н02 К44/06. Электромагнитный перемешиватель жидкого металла / В. Н. Тимофеев, Р. М. Христинич, JI. М. Протопопова, С. А. Бояков.

57. Пат. 2136772 РФ, МКИ7 F27 Д23/04. Способ электромагнитного перемешивания электропроводных расплавов / В. Н. Тимофеев, Р. М. Христинич, С. А. Бояков, С.А.Рыбаков.

58. Пат. 1809507 РФ, МКИ3 Н02 К41/025. Индуктор линейной индукционной машины / В. Н. Тимофеев, Р. М. Христинич, С. А. Бояков,1. A. А. Темеров.

59. Пат. 2132028 РФ, МКИ3 F27 Д23/04. Способ электромагнитного перемешивания электропроводного расплава / Р. М. Христинич,

60. B. Н. Тимофеев, С. А. Бояков, С. А. Рыбаков.

61. Полищук, Я. А. Автоматизация температурного режима в электрических печах сопротивления / Я. А. Полищук. М.: Металлургиздат, 1966. 234 с.

62. Свенчанский, А. А. Автоматическое регулирование электрических печей / А. А. Свенчанский, К. Д. Гуттерман. М.: Энергия, 1970. 96 с.

63. Электрооборудование и автоматика электротермических установок: Справочник \ А. П. Альтгаузена, М. Д. Бершицкого, М. Я. Смелянского, В. М. Эдемского. М.: Энергия, 1978. 350 с.

64. Сапко А. И. Исполнительные механизмы регуляторов мощности дуговых электропечей / А. И. Сапко. М.: Энергия, 1980. 187 с.

65. Краткий справочник по автоматическому регулированию черной металлургии. М.: Металлургия, 1974. 416 с.

66. Альтгаузен, А. П. Электротермическое оборудование: Справочник. 2-е изд., перераб. и доп. / А. П. Альтгаузен. М.: Энергия, 1980. 416 с.

67. Электротермическое оборудование: Справочник. Т.З / П. Г. Грудинского, Г. Н. Петрова, М. М. Соколова и др. М.: Энергия, 1975. 245 с.

68. Гитгарц Д. А. Новые источники питания и автоматика индукционных установок для нагрева и плавки / Д. А. Гитгарц, JI. А. Мнухин. М.: Энергия, 1974. 119 с.

69. Донской, А. В. Электротермия / А. В. Донской, С. М. Кулешов. М.; Л.: Госэнергоиздат, 1961. 312 е.

70. Донской, А. В. Высокочастотная электротермия: Справочник / А. В. Донской. М.; Л.: Машиностроение, 1965. 564 с.

71. Тиристорные преобразователи повышенной частоты для электротехнологических установок / Е. И. Беркович, Г. В. Ивенский, Ю. С. Иоффе и др. Л.: Энергоатомиздат, 1983.

72. Свенчанский, А. Д. Электроснабжение и автоматизация электротермических установок / А. Д. Свенчанский, 3. Л. Трейзон, Л. А. Мнухин. М.: Энергия, 1980.

73. Блинов, О. М. Автоматизация металлургических печей / Блинов О. М. Л.: Энергоатомиздат, 1975.

74. ПолищукЯ. А. Автоматизация температурного режима в электрических печах сопротивления / Я. А. Полищук. М.: Энергия, 1966.

75. Глинков, Г. М. Теоретические основы автоматического управления металлургическими процессами / Г. М. Глинков, М. Д. Климовицкий. М.: Энергия, 1985.

76. Котов, К. И. Автоматическое регулирование и регуляторы / К. И. Котов, М. А. Шершевер. Киев: Техника, 1987.

77. Кручинин, А. В. Автоматическое управление электротермическими установками / А. В. Кручинин, А. Д. Свенчанский. М.: Энергия, 1990. 331 с.

78. Свенчанский А.Д., Трейзон 3.JI. Автоматизация электротермических установок. Учебник для техникумов. М.: Энергия, 1968.76. . Воронов, А. А. Основы теории автоматического регулирования /

79. A. А. Воронов, В. К. Титов, Б. Н. Новогранов. М.: Высшая школа, 1977. 519 с.

80. Коганов, В. Ю. Автоматизация управления металлургическими процессами / В. Ю. Коганов, О. М. Блинов, А. М. Беленький. М.: Металлургия, 1974.418 с.

81. Проектирование систем контроля и автоматического регулирования металлургических процессов / Г. М. Глинков,

82. B. А. Маковский, С. JI. Лотман и др. М.: Металлургия, 1986. 352 с.

83. Бухонина, Л. В. Изменение и контроль технологических параметров металлургических процессов / Л. В. ухонина, Л. Д. Гитлин, М. А. Шершевер. Киев: Техника, 1984. 184 с.

84. Полищук, Я. А. Метод оценки колебаний температуры в электропечах сопротивления при импульсном регулировании / Я. А. Полищук, 3. Л. Трейзон // Электротермия. 1964. № 36. С. 13-14.

85. Фельдман, И. А. Исследования тепловой инерционности электропечей сопротивления / И. А. Фельдман, Г. К. Рубин, 3. Л. Трейзон // Исследование в области промышленного электронагрева. Тр. ВНИИЭТО. 1965. № 1.С. 150-174.

86. Рубин Г.К., Фельдман И. А. Теплообмен излучением в электропечах скоростного нагрева. В кн.: «Вопросы расчета, конструирования и эксплуатации электротермического оборудования». ЦИНТИЭП, 1959, 142.

87. Высокотемпературные технологические процессы и установки: учебник для вузов / И. И. Перелетов, JL А. Бровкин, Ю. А. Розенгарт и др. / Под ред. А. Д. Ключникова. М.: Энергоатомиздат, 1989.

88. Анищенко, JL М. Математические основы проектирования высокотемпературных технологических процессов / JI. М. Анищенко, С. Ю. Лавренюк. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1986. 80 с.

89. Артюмов, В. А. Математическое моделирование тепловой работы промышленных печей / В. А. Артюмов, В. В. Бухмистров, С. А. Крупенников. М.: Металлургия, 1990.

90. Марков, Б. Л. Физическое моделирование в металлургии / Б. Л. Марков, А. А. Кирсанов. М.: Металлургия, 1984. 304с.

91. Иван-Смоленский, А. В. Электромагнитные поля и процессы в электрических машинах и их физическое моделирование / А. В. Иванов-Смоленский. М.: Энергия, 1969. 304с.

92. Вольдек, А. И. Индукционные магнитогидродинамические машины с жидкометаллическим рабочим телом / А. И. Вольдек. Л.: Энергия, 1970. 272с.

93. Яковлев, К. П. Математическая обработка результатов измерений. К. П. Яковлев. / М.: Гостехиздат, 1953.

94. Изерман, Р. Цифровые системы управления / Р. Изерман. Пер. с англ. М.: Мир, 1984. 541 с.

95. Теория автоматического управления: Учебник для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. / А. В. Нетушила. М.: Высшая школа, 1976. 400 с.

96. Дьяконов, В. MATLAB. Анализ, идентификация и моделирование систем: Специальный справочник / В. Дьяконов, В. Круглов. СПб: Питер, 2002. 448 с.

97. Ротач, В .Я. Теория автоматического управления теплоэнергетическими процессами. М.: Энергия, 1985.

98. Герасимов, С. Г. Теоретические основы автоматического регулирования тепловых процессов. В 2-х частях. 4.1. Общие положения и понятия / С. Г. Герасимов. М.: Высшая школ, 1967. 207с.

99. Телегин, А. С. Теплотехнические расчеты металлургических печей / А. С. Телегин. М.: Металлургия, 1979. 247 с.

100. Проектирование топливных нагревательных печей: Метод, указания по курсовому проектированию / Сост. О. Г. Шишканов.; Красноярск. КГТУ. Красноярск, 2001. 51 с.