автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.10, диссертация на тему:Исследование тепловых и электрических параметров плавки оксидов и стёкол в индукционной печи с холодным тиглем

Вавилов Антон Валерьевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПЛАВКИ ОКСИДОВ И СТЁКОЛ В ИНДУКЦИОННОЙ ПЕЧИ С ХОЛОДНЫМ ТИГЛЕМ

05.09.10 - «Элекгротехнология»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических; наук

1 О НОЯ 2011

Санкт-Петербург - 2011

005001361

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)».

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Лопух Дмитрий Борисович. Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Гончаров Вадим Дмитриевич; кандидат технических наук, старший научный сотрудник Вологдин Валентин Вячеславович. Ведущая организация: федеральное государственное унитарное

предприятие «Научно-исследовательский технологический институт им. А.П. Александрова».

Защита состоится 23.11.2011 г. в ^Г!"/О ч. на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.238.05 .Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина), по адресу: 197376, г. Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, д. 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке - Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина^.

Автореферат разослан

Ученый секретарь диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Известно, что наиболее энергоёмкой технологией в области индукционного нагрева является индукционная плавка, в частности, индукционная плавка в холодном тигле (ИПХТ). Впервые об индукционной плавке в холодном тигле диэлектрических материалов было заявлено Ж. Ребо и его исследовательской группой в 1963 г. во Франции. В заявленных ими патентах были заложены начальные принципы индукционной плавки огнеупорных материалов, такими методами как плавка в садочном режиме, плавка с непрерывным вытягиванием слитка, плавка для выращивания кристаллов методом Чохральского и непрерывная плавка с выпуском струи расплава.

В настоящее время методом ИПХТ в промышленном масштабе организовано производство монокристаллов кубического диоксида циркония (фианиты), синтезируются высокоогнеупорные материалы специального применения, производятся высокочистые материалы для выращивания кристаллов и для создания композиционных материалов с использованием оксидных волокон. Также активно ведутся исследования по применению ИПХТ для остекловывания высокоактивных радиоактивных отходов (BAO).

Сейчас уже общепризнано, что остекловывание BAO методом ИПХТ является наиболее перспективным процессом- переработки BAO. Работы по остекловыванию BAO в СССР были начаты Д. Б. Лопухом под руководством Ю. Б. Петрова. Они разрабатывали технологию и оборудование для непрерывной плавки оксидов и варки стекла с периодическим и непрерывным выпуском расплава. В основном все работы были направлены на разработку и совершенствование технологий, поэтому управлению процессом уделялось значительно меньше внимания. В тоже время основной технологической особенностью процесса остекловывания BAO является жёсткий контроль температуры расплава, которая не должна превышать определенного значения, что ограничивает испарение радионуклидов из расплава. В процессе остекловывания BAO из-за высокой агрессивности среды прямое измерение температуры в ванне расплава не представляется возможным в связи с этим необходимо стабилизировать температуру расплава по косвенным тепловым и/или электрическим параметрам плавки. Также для локализации радионуклидов остекловывание BAO необходимо проводить в герметичной печи ИПХТ. Для этого целесообразным представляется использовать технологию периодического донного слива расплава. В связи с этим наряду с косвенным контролем температуры расплава необходимо использовать и косвенный контроль высоты ванны расплава.

з А \

Л

В настоящее время информация о зависимости тепловых и электрических параметров плавки от температуры и высоты ванны расплава при плавке в печах большого диаметра ограничена или вовсе отсутствует. В то же время ИПХТ является многопараметрическим процессом, который характеризуется большим числом возмущающих и управляющих воздействий, а следовательно, использование данного метода для переработки BAO невозможно без соответствующих информационно-измерительных и управляющих систем, которые должны обеспечивать контроль и управление процессом на удаленном расстоянии без присутствия человека, что и определяет актуальность работы.

Цель работы и задачи исследования. Выбрать параметры управления процессом остекловывания BAO методом ИПХТ в печах промышленного масштаба с периодическим донным выпуском расплава. Создать методы оценки свойств расплава и геометрии ванны расплава в масштабе реального времени плавки, основанные на экспериментальных данных и математических моделях. Выполнить комплексные экспериментальные исследования тепловых и электрических параметров ИПХТ стекла в стационарных и динамических режимах плавки для процессов остекловывания BAO.

Исходя из цели работы, можно выделить основные задачи исследования:

1. Выполнить анализ методов измерения тепловых и электрических параметров плавки в печах ИПХТ промышленных масштабов, выполнить анализ работы источника питания установки ИПХТ.

2. Разработать и внедрить автоматизированную программно-аппаратную информационно-измерительную и управляющую систему для ИПХТ, базирующуюся на современной элементной базе, волоконно-оптических линиях связи (BOJIC) и технологиях National Instruments.

3. Выполнить комплексные исследования тепловых и электрических параметров ИПХТ, а также свойств расплавов оксидов и стёкол в масштабе реального времени плавки как в стационарных, так и в динамических режимах плавки, найти зависимости параметров плавки от геометрии ванны расплава и её температуры для печей ИПХТ промышленных масштабов.

4. Выполнить анализ возможности использования безынерционных электрических параметров индуктора и одномерной математической модели электромагнитного поля как инструментов для исследования быстротекущих' процессов при ИПХТ оксидов и стёкол, а также инструментов для анализа устойчивости процесса ИПХТ.

Методы исследования и использованная аппаратура. Экспериментальное исследование тепловых и электрических параметров ИПХТ выполнено при помощи специально разработанной программно-аппаратной информационно-измерительной и управляющей системы (исследовательского стенда), базирующейся на современной элементной базе, BOJIC и технологиях National Instruments, Обработка данных и расчёты в масштабе реального времени плавки выполнены с использованием программ, разработанных в среде графического программирования LabVIEW компании National Instruments. Обработка результатов эксперимента выполнена в программных пакетах MathCAD и Microsoft Office. Верификация работы по исследованию свойств расплава боросиликатного стекла выполнена путём сравнения полученных данных с результатами ряда натурных экспериментов и результатами, опубликованными другими авторами.

Обоснованность и достоверность научных результатов подтверждается корректностью принимаемых допущений, обоснованностью принятых методов исследований и совпадением теоретических и экспериментальных данных, полученных на установках ИПХТ промышленных масштабов.

Научная новизна и практическая ценность. В процессе проведения исследований получены новые научные результаты:

Теоретического характера:

1. Впервые разработан метод определения разности фаз между первыми гармониками тока и напряжения индуктора, а также действующих значений тока и напряжения сигналов индуктора, содержащих амплитудную и фазовую модуляции, в режиме реального времени ИПХТ при частотах тока до 2 МГц.

2. Разработаны методы определения электрического КПД печи ИПХТ в режиме реального времени плавки, с использованием которых в масштабе реального времени плавки выполнено экспериментальное исследование энергетических характеристик ИПХТ.

3. Разработан метод определения удельного электрического сопротивления расплава в масштабе реального времени ИПХТ.

4. На базе измерения электрических параметров индуктора в масштабе реального времени выполнено исследование тепловой устойчивости ИПХТ боросиликатного стекла в печах промышленного масштаба. Разработаны рекомендации для обеспечения тепловой устойчивости ИПХТ стекла.

5. Получены зависимости параметров ИПХТ боросиликатного стекла от температуры расплава, глубины ванны расплава и других изменяющихся при плавке параметров.

6. Получены зависимости интегрального коэффициента черноты и удельного

t

электрического сопротивления от температуры расплава боросиликатного стекла, которые необходимы для проектирования плавильных печей, предназначенных для остекловывания BAO.

Прикладного характера:

1. Впервые разработана программно-аппаратная информационно-измерительная и управляющая система для процессов ИПХТ, работающая в масштабе реального времени плавки, в частности, разработаны датчики для измерения тока индуктора до 700 А и напряжения индуктора до 10 кВ и частот тока до 2 МГц. В дальнейшем система будет использована для разработки автоматизированной системы управления процессом остекловывания BAO.

2. Разработано 16 прикладных программ для определения параметров ИПХТ и осуществления управления процессом в масштабе реального времени плавки.

3.На основе экспериментальных исследований произведён выбор и выполнено обоснование параметров управления ИПХТ для технологии с периодическим донным сливом расплава при остекловывании BAO. Разработаны рекомендации по косвенному определению температуры расплава.

4. Разработана технология и оборудование для осуществления бесконтактной остановки донного слива и регулирования расхода расплава стекла при ИПХТ.

5. Разработана и испытана система измерения параметров индуктора для определения положения и момента инверсии расплава металла в расплаве кориума в европейском проекте МНТЦ «EPICOR». Полученные данные позволили определить плотность расплава активной зоны ядерного реактора и условия инверсии расплавов для моделирования тяжелой аварии ядерного реактора.

6. Разработана и испытана система измерения электрических параметров индуктора для определения мощности, затрачиваемой на растворение бетона при индукционной плавке кориума в бетонном тигле.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Автоматизированная информационно-измерительная и управляющая система для ИПХТ, работающая в масштабе реального времени плавки.

2. Метод измерения электрического КПД печи ИПХТ в масштабе реального времени плавки. Результат исследования энергетических характеристик ИПХТ.

3. Обоснованно выбранные параметры управления ИПХТ для печей ИПХТ с' периодическим донным сливом расплава.

4. Способ бесконтактной остановки и регулирования донного слива расплава при ИПХТ.

5. Зависимости интегрального коэффициента черноты и удельного электрического сопротивления расплава боросиликатного стекла от его температуры.

Реализация и внедрение результатов исследования осуществлено в рамках хозяйственных договоров по сотрудничеству СПбГЭТУ «ЛЭТИ» с ФГУТТ НПО «Радиевый институт им. В. Г. Хлопина», г. Санкт-Петрбург; Idaho National Laboratory, США; ФГУП НПО «Маяк» и проекте Международного научно-технического центра #4012р «EPICOR».

Также результаты настоящей работы использованы в'учебном процессе на кафедре «Электротехнологической и преобразовательной техники» СПбГЭТУ «ЛЭТИ» при подготовке выпускных квалификационных работ инженеров по специальности 140605 «Электротехнологические установки и системы», а также бакалавров и магистров по направлению 551300 «Электротехника, электромеханика и электротехнологии». В общей сложности непосредственно по теме диссертации было успешно защищено 6 выпускных квалификационных работ бакалавров и магистров. Кроме того, результаты использованы в лабораторных работах, в частности, в ряде лабораторных установок реализована возможность измерения электрических параметров индукторов и источников питания.

Апробация работы. Материалы диссертации были доложены и обсуждены на трёх международных конференциях, В частности, на Тринадцатой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов, 2 марта 2007 г., г. Москва; Седьмой международной научно-практической конференции «Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LabVIEW и технологии National Instruments - 2008», 29 ноября 2008 г., г. Москва; Девятой международной научно-практической конференции «Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LabVIEW и технологии National Instruments -2010», 3-4 декабря 2010 г., г. Москва.

Материалы диссертации были доложены и обсуждены на пяти ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ «ЛЭТИ», г. Санкт-Петербург, где в общей сложности по теме диссертации было сделано 14 докладов, 3 из которых были признаны лучшими и опубликованы в сборниках докладов конференции.

Публикации. Основные результата диссертации опубликованы в 15 печатных трудах, в том числе 5 в рецензируемых и входящих в перечень ВАК изданиях; 8 в сборниках докладов конференций и 2 в прочих печатных изданиях.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав с выводами, заключения, приложений, а также практических рекомендаций. Она изложена на 226 страницах машинописного текста, включает 104 рисунка, 18 таблиц, 13 приложений и содержит список литературы из 94 наименований, среди которых 71 отечественный и 23 иностранных автора.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследования, а также дана общая характеристика работы.

Первая глава посвящена обзору конструкций печей ИПХТ, в частности обзору печей и особенностей технологического процесса остекловывания BAO. Выполнен анализ работ посвященных управлению процессом ИПХТ с донным выпуском расплава, в результате которого выявлены основные недостатки существующих систем контроля и управления. Также показано, что процесс остекловывания BAO, в том числе и методом ИПХТ, накладывает существенные ограничения и специфические требования на проведение измерений и организацию управления плавкой. Так же остаются не изученными многие характеристики процесса остекловывания BAO методом ИПХТ, особенно, в масштабе реального времени плавки. В результате обобщения выводов, сделанных в первой главе, был вьщелен круг проблем, основными из которых являются:

1. Использование ИПХТ в промышленности и в научных исследованиях ограничено отсутствием (нет публикаций) высокоточных систем контроля и управления, в частности, отсутствием систем измерения электрических параметров индуктора: действующих значений тока и напряжения индуктора, coscp индуктора, электрического КПД индуктора, и мощности, выделяемой в расплаве, в масштабе реального времени плавки.

2. Не определён полный набор параметров управления процессом ИПХТ при остекловывании BAO. В частности, отсутствуют методы стабилизации температуры расплавов стёкол по косвенным параметрам плавки, отсутствуют методы определения уровня или высоты ванны расплава, а также методы определения положения холодного тигля с расплавом в индукторе по косвенным параметрам в масштабе реального времени плавки.

3. Рассмотренный в литературе анализ устойчивости плавки оксидов и стёкол основан только на логическом анализе статических зависимостей параметров плавки, что не позволяет прогнозировать поведение ванны расплава в динамических режимах плавки.

4. Полное управление процессом остекловывания BAO методом ИПХТ должно производиться удалённо без присутствия человека, что также накладывает существенные ограничения на использование стандартных методов контроля и управления процессом. Таким образом, для управления процессом требуется измерение максимально возможного количества тепловых и электрических параметров плавки, свидетельствующих о состоянии и положении ванны расплава.

Вторая глава полностью посвящена разработке инновационной автоматизированной программно-аппаратной информационно-измерительной и управляющей системы для процессов индукционной плавки (исследовательский стенд). Также в состав исследовательского стенда входят индукционные печи с холодными тиглями промышленного масштаба диаметром 300 мм и диаметром 407 мм (см. рисунок 1).

При разработке исследовательского стенда была поставлена задача обеспечения измерений с максимальной точностью и быстродействием,

достаточным для проведения измерений тепловых и электрических параметров в масштабе реального времени плавки.

В качестве регистрируемых в масштабе реального времени плавки параметров были выбраны: напряжение и токи генераторной лампы высокочастотных источников питания; потери мощности в водоохлаждаемых элементах индукционной системы и источника питания; температура на поверхности ванны расплава; температура внутри ванны расплава; электрические параметры индуктора, такие как: напряжение и ток индуктора, частота тока индуктора, coscp индуктора, коэффициент мощности индуктора PF и активная мощность, подводимая к индуктору, а также геометрия индукционной системы, в частности, высота ванны расплава и её положение относительно индуктора.

Рис. 1. Индукционная печь с холодным тиглем диаметром 407 мм

Поскольку исследованные печи оснащены индукционным донным сливным устройством, то в исследовательском стенде использовано два источника питания, один для нагрева ванны расплава током частотой 1,76 МГц, второй для нагрева зоны слива током частотой 27,12 МГц. Данное обстоятельство накладывает жесткие требования к обеспечению электромагнитной совместимости всех систем исследовательского стенда. Для решения данной проблемы были использованы специальные ВЧ фильтры, а также цифровые линии связи и BOJIC.

Упрощенная структурная схема исследовательского стенда представлена на рисунке 2, где ДН - датчик напряжения на индукторе или конденсаторной батареи (КБ); ДТ - датчик тока индуктора или тока кабеля КБ; ТО...Т10 - датчики температуры воды; Р1...Р10 - датчики расхода воды; ПК1 - вычислительный сервер для математической обработки выборок мгновенных значений тока и напряжения индуктора; ПК2 - вычислительный сервер для сбора и обработки информации; ПКЗ - вычислительный сервер для сбора и обработки информации с IP-видеокамер и пирометров; ПК4 - рабочее место оператора; IP101...IP104, IP1 и IP2 - узлы промышленной вычислительной ВОЛС; Генератор 1,76 МГц - источник питания для нагрева ванны расплава; Генератор 27,12 МГц - источник питания для обеспечения донного слива расплава; Ш - высокотемпературные термопары для измерения профиля температур в расплаве; ICP DAS 1-8831 - промышленный контролер для сбора информации; ADC LAB LA-n20-12PCI, NI PCI-5152 -высокоскоростные регистраторы сигналов тока и напряжения индуктора и КБ; í/a -напряжение на аноде генераторной лампы; /а - ток анода генераторной лампы; Ig -ток сетки генераторной лампы; жирными линиями отмечены ВОЛС.

Измерение электрических параметров индуктора выполнено при помощи разработанной системы измерения электрических параметров индуктора. Данная система базируется на современных технологиях National Instruments, а также на разработанных датчиках тока и напряжения индуктора, предназначенных для измерения тока индуктора до 700 А и напряжения индуктора до 10 кВ при частотах тока до 2 МГц, что впервые позволило получить абсолютное значение coscp индуктора в режиме реального времени плавки, как в стационарных, так и в динамических режимах плавки.

Рабочее место оператора представлено на рисунке 3, где показаны четыре вычислительных сервера, предназначенные для цифровой обработки параметров плавки, а также мониторы, позволяющие отслеживать изменение всех параметров плавки в масштабе реального времени.

Рис. 2. Обобщённая схема исследовательского стенда

Так же исследовательский стенд оснащён специально разработанной системой остановки донного слива расплава из печи ИПХТ при помощи понижения давления в холодном тигле. При помощи данной системы можно осуществлять, как удаленное бесконтактное регулирование расхода расплава в процессе его слива, так и осуществлять полную остановку донного слива расплава.

Благодаря использованию цифровых линий связи, BOJIC, ВЧ фильтров и технологий National Instruments были достигнуты следующие технические характеристики исследовательского стенда:

1. Синхронный опрос первичных датчиков исследовательского стенда.

2. Измерение токов и напряжений генераторных ламп высокочастотных ламповых генераторов с погрешностью не более 1,5 %.

3. Калориметрирование тепловых и электрических потерь в водоохлаждаемых элементах печи ИПХТ и источника питания с погрешностью не более 0,5 %.

4. Измерение истинной температуры поверхности расплава при помощи пирометра с погрешностью не более 1 %.

5. Измерение температурного поля в расплаве с помощью погружных высокотемпературных термопар с погрешностью не более 1 %.

6. Измерение давления в холодном тигле с погрешностью не более 1%.

7. Погрешность вычисления активной мощности, подводимой к индуктору, в режиме плавки не превышает 2 %; напряжения и тока индуктора 1,5 %; частоты тока индуктора 0,01 %; разности фаз между первыми гармониками тока и напряжения индуктора 0,005...0,1 % в зависимости от времени расчёта (1 мин. -200 мс).

Третья глава посвящена описанию и обсуждению результатов проведения комплексных экспериментальных исследований тепловых и электрических параметров ИПХТ боросиликатного стекла, являющегося имитатором BAO. Исследование выполнено в печах ИПХТ промышленного масштаба (см. рисунок 1). Для проведения исследований были разработаны оригинальные методики, позволяющие в масштабе реального времени ИПХТ определять электрический КПД индуктора и удельное электрическое сопротивление расплава. В результате исследований получена зависимость удельного электрического, сопротивления расплава боросиликатного стекла от его температуры (см. рисунок 4). Данную зависимость можно рекомендовать к использованию в качестве исходных данных при проведении математического моделирования процессов ИПХТ, в частности, процессов остекловывания BAO методом ИПХТ.

Также разработана методика определения интегрального коэффициента черноты расплавов с использованием ИПХТ, и с её помощью изучена зависимость

интегрального коэффициента черноты расплава боросиликатного стекла от его температуры. Анализ полученных данных показывает, что в диапазоне температур 850... 1300 °С он не зависит от температуры и равен 0,55 ±15%.

0,12 0,11 0,10 0,09 0,08 2 0,07 О 0,06 ¿ 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 0,00

900 950 1 000 1 050 1 100 1 150 1 200 1 250 1 300 1 350 1 400 1 450 1 500

т,°с

Рис. 4. Зависимость удельного электрического сопротивления расплава боросиликатного стекла от его температуры

В результате исследования тепловых и электрических параметров плавки в масштабе реального времени плавки и анализа их зависимостей от геометрии ванны расплава и её температуры были выбраны косвенные параметры для стабилизации температуры расплава (см. рисунок 5). Также данные параметры могут быть использованы для контроля уровня ванны расплава и для контроля положения холодного тигля в индукторе. Наиболее универсальными и чувствительными к изменению прочих параметров ИПХТ являются следующие параметры: coscp индуктора и активная мощность отводимая водой от элементов печи ИПХТ.

Данные параметры отражают изменение температуры поверхности расплава в диапазоне рабочих температур 900... 1300 °С для исследованных печей. Для более высоких температур выше 1300 °С необходимо использовать удельную объёмную мощность в расплаве Pv, поскольку в данном диапазоне coscp индуктора и активная мощность Píb для исследованных печей слабо изменяются при изменении температуры расплава.

т,°с

1 -совф (300мм., а2= 190мм) 2 - совф (3 00 мм, а2= 155мм) 3 - собф (407 мм, а2= 190 мм)

Рис. 5. Зависимость соэср индуктора от температуры расплава боросиликатного стекла

Анализ, полученных зависимостей показывает, что на основании перечисленных выше параметров можно производить стабилизацию температуры расплава с пофешностыо не более ±25 °С, с учётом гистерезиса, которым обладают, все полученные зависимости.

В четвёртой главе приводятся примеры использования разработанного исследовательского стенда в научных исследованиях. В частности рассматривается разработанный метод определения положения металла в расплаве оксидно-металлического кориума при его плавке в печи ИПХТ, который основан на комплексном анализе как тепловых, так и электрических параметров плавки. Данный метод был использован в европейском проекте МНТЦ № 4012р «Распределение элементов и инверсия слоев в ванне кориума реактора В\¥1Ъ> (#4012р «ЕРГСОЯ»). Использование данного метода и системы измерения электрических параметров индуктора способствовало достижению основной цели проекта: экспериментальное определение плотностей и составов оксидного и металлического расплавов, при которых происходит инверсия слоев расплавов оксида и металла. Данные результаты являются важными для управления тяжелыми авариями реактора ВВЭР, так как в зависимости от положения металла может

произойти быстрое проплавление корпуса реактора, что приведёт к серьёзным последствиям.

Так же в четвёртой главе рассматривается процесс плавление имитатора кориума в бетонном тигле. В данном процессе является затруднительным определение мощности выделяемой в расплаве, но данная задача была решена в масштабе реального времени плавки при помощи системы измерения электрических параметров индуктора и одномерной математической модели. Использование данных инструментов способствовало определению мощности, затрачиваемой на растворение реакторного бетона и скорости его растворения.

Так же на основе системы измерения электрических параметров индуктора и одномерной математической модели разработан метод определения эффективной высоты ванны расплава, что особенно актуально для печей с периодическим донным сливом расплава, когда высота расплава изменяется.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основе проведенного аналитического обзора, посвященного работам по исследованию параметров и автоматизации ИПХТ оксидов и стёкол, были определены недостаточно изученные и наиболее приоритетные параметры для контроля и управления ИПХТ в масштабе реального времени плавки.

В качестве данных параметров выступают электрические параметры индуктора, к которым относятся: действующие значения напряжения и тока индуктора; разность фаз между первыми гармониками тока и напряжения индуктора; соб<р или коэффициент мощности индуктора; частота тока индуктора; активная мощность, подводимая к индуктору; электрический КПД индуктора.

Для контроля корректности результатов исследований решена задача проведения измерений тепловых и электрических параметров печи ИПХТ и её источников питания в масштабе реального времени плавки.

Для измерения тепловых и электрических параметров ИПХТ разработана и внедрена на кафедре электротехнологической и преобразовательной техники СПбГЭТУ «ЛЭТИ» инновационная программно-аппаратная информационно-измерительная и управляющая система (исследовательский стенд) для ИПХТ оксидов и стёкол, которая является неотъемлемой составляющей АСУ ИПХТ. Благодаря использованию комплекса впервые в масштабе реального времени плавки получены экспериментальные данные, показывающие зависимость электрических параметров плавки от температуры расплава боросиликатного стекла. Данные

зависимости представляют особый практический интерес при разработке АСУ ИПХТ в приложении к остекловыванию BAO методом ИПХТ. Также при анализе параметров ИПХТ выявлены новые эффекты, знание и описание которых позволяет более точно прогнозировать состояние и поведение расплава, а также повысить качество управления ИПХТ.

Основные результаты работы могут быть сформулированы следующим образом:

1. В результате аналитического обзора был определён основной круг нерешенных проблем и задач по контролю и автоматизации ИПХТ при остекловывании BAO.

2. Разработана автоматизированная информационно-измерительная и управляющая система для ИПХТ, работающая в масштабе реального времени плавки.

3. Разработаны метод и система определения разности фаз между первыми гармониками тока и напряжения индуктора при частотах тока до 2 МГц. Система работает в масштабе реального времени плавки.

4. Обоснованно выбраны параметры управления ИПХТ для печей промышленного масштаба с периодическим донным сливом расплава.

5. Разработан метод бесконтактной остановки и регулирования донного слива расплава.

6. Разработаны методы измерения электрического КПД печи в масштабе реального времени плавки.

7. Разработан метод определения удельного электрического сопротивления расплава в масштабе реального времени плавки и получена его зависимость от температуры расплава боросиликатного стекла.

8. Получена зависимость интегрального коэффициента черноты от температуры расплава боросиликатного стекла.

9. Разработан метод определения положения расплава металла в расплаве оксидного кориума и определены условия инверсии слоёв расплава оксида и металла в стратифицированной ванне расплава.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Основное содержание диссертации опубликовано в работах, представленных

ниже.

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК России:

1. Программно-аппаратный информационно-измерительный комплекс для управления индукционной плавкой оксидов и стекол / А. В. Вавилов, Д. Б. Лопух, А. П. Мартынов и др. // Журнал научных публикаций аспирантов и докторантов. -2008. -№ 4. -С. 242-245.

2. Современные инструменты для исследования индукционной плавки в холодном тигле / А. В. Вавилов, Д. Б. Лопух, А. П. Мартынов и др. // Автоматизация и современные технологии. -2010. -№ 11. -С. 24-31.

3. Численная 2Б электрогидродинамическая модель индукционной варки стекла в холодном тигле при двухчастотном нагреве ванны / А. В. Вавилов, Д. Б. Лопух, Б. С. Полеводов и др. И Индукционный нагрев. -2011. -№ 15. -С. 23-27.

4. Исследование электрических характеристик параметров индукционной плавки в холодном тигле / А. В. Вавилов, Д. Б. Лопух, А. П. Мартынов и др. //Индукционный нагрев. -2010. -№ 14.-С. 30-41.

5. Развитие и реализация электротехнологий для кондиционирования радиоактивных отходов в России / А. В. Вавилов, А. С. Алой, В. 3. Белов и др. // Индукционный нагрев. -2011. -№ 16. -С.

Другие статьи и материалы конференций:

6. Разработка измерительного стенда для контроля и управления индукционной плавкой в холодном тигле / А. В. Вавилов, С. И. Чеплюк, Д. Б. Лопух // Сборник докладов 13-й междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов «Радиотехника, электромеханика и энергетика: Р154». -Москва, 1-2 марта 2007. -С. 161-162.

7. Разработка электродинамической модели ИПХТ и результаты математического моделирования / А. В. Вавилов, С. И. Чеплюк, Д. Б. Лопух // Сборник докладов 13-й междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов «Радиотехника, электромеханика и энергетика: Р154». -Москва, 1-2 марта 2007. -С. 181-182.

8. Система контроля для индукционной плавки на основе цифровой обработки выборок мгновенных значений тока и напряжения индуктора / А. В. Вавилов, Д. Б. Лопух, А. П. Мартынов и др. // Сборник трудов 7-й науч.-практ. конф. «Образовательные, научные и инженерные приложения в среде

LabVIEW и технологии National Instruments - 2008». -Москва, 29 ноября 2008. -С. 63-68.

9. Математическая модель индукционной варки стекла в холодном тигле / А. В. Вавилов, Д. Б. Лопух, Б. С. Полеводов и др. // Индукционный нагрев. -2009. -№3.-С. 23-29.

10. Development of a Cold Crucible Induction Melter System with an Innovative Electromagnetically Heated Bottom Draining Device for Radioactive Waste Verification / А. V. Vavilov, J. A. Roach, A. P. Martynov et all. // Integrated Radioactive Waste Management in Future Fuel Cycles. -Charleston, USA, 8-12 November 2009.

11. Автоматизированный научно-исследовательский стенд для процессов высокочастотного индукционного нагрева и плавки / А. В. Вавилов, Д. Б. Лопух, А. П. Мартынов, К. В. Борисевич // Сборник трудов 9-й науч.-практ. конф. «Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LabVIEW и технологии National Instruments». -Москва, 3-4 декабря 2010. -С. 273-275.

12. Математическая модель двухчастотного нагрева при индукционной варке стекла в холодном тигле / А. В. Вавилов, Д. Б. Лопух, Б. С. Полеводов и др. // Сборник докладов студентов, аспирантов и молодых учёных «63-й науч.-тех. конф. профессорско-преподавательского состава университета». -Санкт-Петрбург, 26 января - 6 февраля 2010. -С. 158-163.

13. Определение электрического КПД индукционной печи с холодным тиглем / А. В. Вавилов, Д. Б. Лопух, В. В. Тарасенко, А. П. Мартынов // Сборник докладов студентов, аспирантов и молодых учёных «63-й науч.-тех. конф. профессорско-преподавательского состава университета». -Санкт-Петрбург, 26 января - 6 февраля 2010.-С. 163-168.

14. Разработка оптоволоконных систем измерения параметров технологических процессов при использовании мощных высокочастотных систем / А. В. Вавилов // Сборник аннотаций работ победителей конкурса грантов Санкт-Петербурга 2010 года для студентов, аспирантов, молодых учёных и молодых кандидатов наук; 15-я Санкт-Петербургская ассамблея молодых учёных и специалистов. -Санкт-Петербург, 2010. -С. 224.

15. Разработка системы управления донным сливом расплава с помощью давления / А. В. Вавилов, Д. Б. Лопух, А. П. Мартынов, К. В. Борисевич И Сборник докладов студентов, ' аспирантов и молодых учёных «64-й науч.-тех. конф. профессорско-преподавательского состава университета». -Санкт-Петрбург, 26 января - 5 февраля 2011. -С. 146-150.

Подписано в печать 12.10.11. Формат 60*84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 94.

Отпечатано с готового оригинал-макета в типографии Издательства СПбГЭТУ "ЛЭТИ"

Издательство СПбГЭТУ "ЛЭТИ" 197376, С.-Петербург, ул. Проф. Попова, 5

ВВЕДЕНИЕ.

1. РАЗВИТИЕ ИНДУКЦИОННОЙ ПЛАВКИ В ХОЛОДНОМ ТИГЛЕ В ОБЛАСТИ АТОМНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

И НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

1.1. Развитие технологии индукционной плавки в холодном тигле.

1.2. Контроль и управление процессом индукционной плавки в холодном тигле.

1.2.1. Устойчивость процесса индукционной плавки в холодном тигле.

1.2.2. Параметры управления и выбор режима индукционной плавки в холодном тигле.

1.2.3. Методы контроля и регулирования температуры расплава.

1.2.4. Автоматизированные системы управления процессом индукционной плавки в холодном тигле.

1.3. Иммобилизация радиоактивных отходов методом остекловывания с использованием индукционной плавки в холодном тигле.

2. РАЗРАБОТКА И ОПИСАНИЕ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ ПРОГРАММНО-АППАРАТНОЙ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ И УПРАВЛЯЮЩЕЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ ПРОЦЕССОВ ИНДУКЦИОННОЙ ПЛАВКИ.

2.1. Разработка и описание аппаратной части исследовательского стенда

2.1.1. Разработка системы измерения напряжений и токов генераторных ламп высокочастотных источников питания.

2.1.2. Разработка прецизионной системы калориметрирования.

2.1.3. Разработка системы пирометрии и видеонаблюдения за поверхностью ванны расплава.

2.1.4. Разработка системы измерения температуры расплава при помощи высокотемпературных термопар.

2.1.5. Разработка системы измерения электрических параметров индуктора.

2.1.5.1. Разработка системы измерения напряжения на индукторе и конденсаторной батарее, тока индуктора и кабеля конденсаторной батареи.

2.1.5.2. Калибровка датчика тока индуктора.

2.1.5.3. Калибровка разности фаз между первыми гармониками тока и напряжения индуктора.

2.1.5.4. Исследование аналого-цифрового преобразования сигналов индуктора и выбор оборудования.

2.1.6. Разработка и описание системы остановки донного слива расплава при помощи понижения давления в холодном тигле.

2.2. Автоматизированное управление в процессе исследований.

2.3. Разработка и описание программного обеспечения исследовательского стенда.

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ВАРКИ СТЕКЛА В ИНДУКЦИОННЫХ ПЕЧАХ С ХОЛОДНЫМ ТИГЛЕМ.

3.1. Разработка и исследование методов определения электрического КПД индуктора.

3.2. Исследование параметров в процессе стартового нагрева и наплавления ванны расплава.

3.3. Исследование параметров во время стационарных режимов плавки

3.4. Исследование параметров в процессе донного слива расплава с последующим наплавлением новой ванны расплава.

3.5. Исследование параметров во время вертикального перемещения холодного тигля с расплавом в индукторе.

3.6. Исследование зависимостей тепловых и электрических параметров индукционной системы от температуры расплава.

3.7. Оценка качества стабилизации температуры расплава боросиликатного стекла по косвенным параметрам плавки.

3.8. Определение излучательной способности расплава при индукционной плавке в холодном тигле.

3.9. Определение удельного электрического сопротивления расплава в масштабе реального времени плавки.

4. ПРИМЕНЕНИЕ РАЗРАБОТАННОЙ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ В НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЯХ.

4.1. Определение положения расплава металла в расплаве оксидно-металлического кориума при его плавке в индукционной печи с холодным тиглем.

4.2. Определение мощности, выделяемой в расплаве кориума, по электрическим параметрам индуктора.

4.3. Определение эффективной высоты ванны расплава по косвенным параметрам плавки.

Актуальность работы. Известно, что наиболее энергомкой технологией в области индукционного нагрева является индукционная плавка, в частности, индукционная плавка в холодном тигле (ИПХТ). Впервые об индукционной плавке в холодном тигле диэлектрических материалов было заявлено Ж. Ребо и его исследовательской группой в 1963 г. во Франции. В заявленных ими патентах были заложены начальные принципы индукционной плавки огнеупорных материалов, такими методами как плавка в садочном режиме, плавка с непрерывным вытягиванием слитка, плавка для выращивания кристаллов методом Чохральского и непрерывная плавка с выпуском струи расплава.

В настоящее время методом ИПХТ в промышленном масштабе ( организовано производство монокристаллов кубического диоксида циркония (фианиты), синтезируются высокоогнеупорные материалы специального применения, производятся высокочистые материалы для роста кристаллов и * для создания композиционных материалов с использованием оксидных' , í % (¿л волокон. Также активно ведутся исследования по применению ИПХТ для -остекловывания высокоактивных радиоактивных отходов (BAO).

Сейчас уже общепризнано, что остекловывание BAO методом ИПХТ, является наиболее перспективным процессом переработки BAO. Работы по остекловыванию BAO в СССР были начаты Д. Б. Лопухом под руководством Ю. Б. Петрова. Они разрабатывали технологию и оборудование для непрерывной плавки оксидов и варке стекла с периодическим и непрерывным выпуском расплава. В основном все работы были направлены на разработку и совершенствование технологий, поэтому, управлению процессом уделялось значительно меньше внимания. В то же время основной технологической особенностью процесса остекловывания BAO является жесткий контроль температуры расплава, которая не должна превышать определенного значения, что ограничивает испарение радионуклидов из расплава. В процессе остекловывания BAO из-за высокой агрессивности среды прямое измерение температуры в ванне расплава не представляется возможным, поэтому, необходимо стабилизировать температуру расплава по косвенным тепловым и/или электрическим параметрам плавки. Также для локализации радионуклидов остекловывание BAO необходимо проводить в герметичной печи ИПХТ. Для этого целесообразным представляется использовать технологию периодического донного слива расплава. В связи с этим наряду с косвенным контролем температуры расплава необходимо использовать и косвенный контроль высоты ванны расплава.

В настоящее время информация о зависимости тепловых и электрических параметров плавки от температуры и высоты ванны расплава при плавке в печах большого диаметра ограничена или вовсе отсутствует.

В то же время ИПХТ является многопараметрическим процессом, который характеризуется большим числом возмущающих и управляющих воздействий, а следовательно, использование данного метода для переработки BAO невозможно без соответствующих информационно-измерительных и управляющих систем, которые должны обеспечивать контроль и управление процессом на удаленном расстоянии без присутствия человека, что и определяет актуальность работы.

Объект исследования. Индукционные печи с холодными тиглями промышленного масштаба, предназначенные для остекловывания BAO и проведения научных исследований в области атомной энергетики.

Предмет исследования. Параметры плавки оксидов и стёкол, полученные в стационарных и динамических режимах плавки, зависимости тепловых и электрических параметров плавки и свойств расплавов от температуры расплава, свойства расплава боросиликатного стекла.

Цель работы. Выполнить комплексные экспериментальные исследования тепловых и электрических параметров ИПХТ стекла в стационарных и динамических режимах плавки для процессов остекловывания BAO. Выбрать параметры управления процессом остекловывания BAO методом ИПХТ в печах промышленного масштаба с периодическим донным выпуском расплава. Создать методы оценки свойств расплава и геометрии ванны расплава в масштабе реального времени плавки, основанные на экспериментальных данных и математических моделях.

Задачи работы:

1. Выполнить анализ методов измерения тепловых и электрических параметров плавки в печах ИПХТ промышленных масштабов, выполнить анализ работы источника питания установки ИПХТ.

2. Разработать и внедрить автоматизированную программно-аппаратную информационно-измерительную и управляющую систему для ИПХТ, базирующуюся на современной элементной базе, волоконно-оптических линиях связи (BOJIC) и технологиях National Instruments.

3. Выполнить комплексные исследования тепловых и электрических параметров ИПХТ, а также свойств расплавов оксидов и стёкол в масштабе реального времени плавки как в стационарных, так и в динамических режимах плавки, найти зависимости параметров плавки от геометрии ванны расплава и её температуры для печей ИПХТ промышленных масштабов.

4. Выполнить анализ возможности использования безынерционных электрических параметров индуктора и одномерной математической модели электромагнитного поля как инструментов для исследования быстротекущих процессов при ИПХТ оксидов и стёкол, а также инструментов для анализа устойчивости процесса ИПХТ.

Методы исследования. Экспериментальное исследование тепловых и электрических параметров ИПХТ выполнено при помощи специально разработанной программно-аппаратной информационно-измерительной и управляющей системы (исследовательского стенда), базирующейся на современной элементной базе, ВОЛС и технологиях National Instruments. Обработка данных и расчёты в масштабе реального времени плавки выполнены с использованием программ, разработанных в среде графического программирования LabVIEW компании National Instruments. Обработка результатов эксперимента выполнена в программных пакетах MathCAD и Microsoft Office. Верификация работы по исследованию свойств расплава боросиликатного стекла выполнена путём сравнения полученных данных с результатами ряда натурных экспериментов и результатами, опубликованными другими авторами.

Научная новизна:

1. Впервые разработан метод определения разности фаз между первыми гармониками тока и напряжения индуктора, а также действующих значений тока и напряжения сигналов индуктора, содержащих амплитудную и фазовую модуляции, в режиме реального времени ИПХТ при частотах тока до 2 МГц.

2. Разработаны методы определения электрического КПД печи ИПХТ в режиме реального времени плавки, с использованием которых выполнено экспериментальное исследование энергетических характеристик ИПХТ.

3. Разработан метод определения удельного электрического сопротивления расплава в масштабе реального времени ИПХТ.

4. На базе измерения электрических параметров индуктора в масштабе реального времени выполнено исследование тепловой устойчивости ИПХТ боросиликатного стекла в печах промышленного масштаба. Разработаны рекомендации для обеспечения тепловой устойчивости ИПХТ стекла.

5. Получены зависимости параметров ИПХТ боросиликатного стекла от температуры расплава, глубины ванны расплава и других изменяющихся при плавке параметров.

6. Получены зависимости интегральной излучательной способности и удельного электрического сопротивления от температуры расплава боросиликатного стекла, которые необходимы для проектирования плавильных печей остекловывания BAO.

Практическая ценность:

1. Впервые разработана программно-аппаратная информационно-измерительная и управляющая система для процессов ИПХТ, работающая в масштабе реального времени плавки, в частности, разработаны датчики для измерения тока до 700 А и напряжения индуктора до 10 кВ и частот тока до 2 МГц. В дальнейшем система будет использована для разработки автоматизированной системы управления процессом остекловывания BAO.

2. Разработано 16 прикладных программ для определения параметров ИПХТ и осуществления управления процессом в масштабе реального времени плавки.

3. На основе экспериментальных исследований произведен выбор и обоснование параметров управления ИПХТ для технологии с периодическим донным сливом расплава при остекловывании BAO. Разработаны рекомендации по косвенному определению температуры расплава. ./ ír

4. Разработана технология и оборудование для осуществления 'л бесконтактной остановки донного слива и регулирования расхода расплава стекла при ИПХТ.

5. Разработана и испытана система измерения параметров индуктора для определения положения и момента инверсии расплава металла в расплаве кориума в европейском проекте МНТЦ «EPICOR». Полученные данные позволили определить плотность расплава активной зоны ядерного реактора и условия инверсии расплавов для моделирования тяжелой аварии ядерного реактора.

6. Разработана и испытана система измерения электрических параметров индуктора для определения мощности, затрачиваемой на растворение бетона при индукционной плавке кориума в бетонном тигле.

Результаты диссертации использованы в следующих научных исследованиях:

1.Ha основе измерения электрических параметров индуктора разработан метод определения положения расплава металла в расплаве оксида кориума с использованием электрических параметров индуктора в масштабе реального времени. В проекте «Element partitioning and layer inversion in corium pool of BWR reactor» (EPICOR, #4012p) Международного научно-технического центра (МНТЦ) определены условия инверсии оксидного и металлического расплавов, что позволило более точно определить плотности расплавов оксида и металла во время инверсии. Полученные данные позволяют изменить и обосновать этапы сценария тяжелой аварии европейского реактора нового поколения.

2. При плавке имитатора кориума в бетонном тигле определена мощность, подводимая к индуктору, и мощность, выделяемая в расплаве, что дало возможность оценить мощность, затраченную на растворение бетона ! у. расплавом имитатора кориума, а также позволило определить скорость., растворения.

3. Разработана система и выполнена теоретическая оценка качества косвенной стабилизации температуры расплава при ИПХТ.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Автоматизированная информационно-измерительная и управляющая система для ИПХТ, работающая в масштабе реального времени плавки.

2. Метод измерения электрического КПД печи ИПХТ в масштабе реального времени плавки. Результат исследования энергетических характеристик ИПХТ.

3. Параметры управления ИПХТ и обоснованность их выбора для печей ИПХТ с периодическим донным сливом расплава.

4. Способ бесконтактной остановки и регулирования донного слива расплава при ИПХТ.

5. Зависимости интегрального коэффициента черноты и удельного электрического сопротивления расплава боросиликатного стекла от температуры.

Внедрение результатов работы осуществлено в рамках хозяйственных договоров по сотрудничеству СПбГЭТУ «ЛЭТИ» с ФГУП НПО «Радиевый институт им. В. Г. Хлопина», г. Санкт-Петербург; Idaho National Laboratory, США; ФГУП НПО «Маяк», проект Международного научно-технического центра #4012р «EPICOR».

Также результаты настоящей работы использованы в учебном процессе на кафедре «Электротехнологической и преобразовательной техники». СПбГЭТУ «ЛЭТИ» при подготовке выпускных квалификационных работ инженеров по специальности 140605 «Электротехнологические установки и системы», а также бакалавров и магистров по направлению 551300 «Электротехника, электромеханика и электротехнологии». В общей сложности непосредственно по теме диссертации было успешно защищено 6 выпускных квалификационных работ бакалавров и магистров. Кроме того, результаты использованы в лабораторных работах, в частности, в ряде лабораторных установок реализована возможность измерения электрических параметров индукторов и источников питания.

Апробация работы. Материалы диссертации были доложены и обсуждены на трёх международных конференциях. В частности, на Тринадцатой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов, 2 марта 2007 г., г. Москва; Седьмой международной научно-практической конференции «Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LabVlEW и технологии National Instruments — 2008»,

29 ноября 2008 г., г. Москва; Девятой международной научно-практической конференции «Образовательные, научные и инженерные приложения в среде Lab VIEW и технологии National Instruments - 2010», 3-4 декабря 2010 г., г. Москва.

Материалы диссертации были доложены и обсуждены на пяти ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ «ЛЭТИ», г. Санкт-Петербург, где в общей сложности по теме диссертации было сделано 14 докладов, 3 из которых были признаны лучшими и опубликованы в сборниках докладов конференции.

Основные результаты диссертации опубликованы в 15 печатных трудах, в том числе 5 в рецензируемых и входящих в перечень ВАК изданиях; 8 в сборниках докладов конференций и 2 в прочих печатных изданиях.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав с выводами, заключения, приложений, а также практических рекомендаций. Она изложена на 226 страницах машинописного текста, включает 104 рисунка, 18 таблиц, 13 приложений и содержит список литературы из 94 наименований, среди которых 71 отечественный и 23 иностранный автора.

Основные результаты работы сформулированы следующим образом:

1.В результате аналитического обзора был определён основной круг нерешенных проблем и задач по контролю и автоматизации ИПХТ при остекловывании ВАО.

2. Разработана автоматизированная информационно-измерительная и управляющая система для ИПХТ, работающая в масштабе реального времени плавки.

3. Разработаны метод и система определения разности фаз между первыми гармониками тока и напряжения индуктора при частотах тока до 2 МГц. Система работаетя в масштабе реального времени плавки.

4. Обоснованно выбраны параметры управления ИПХТ для печей промышленного масштаба с периодическим донным сливом расплава.

5. Разработан метод бесконтактной остановки и регулирования донного слива расплава.

6. Разработаны методы измерения электрического КПД печи в масштабе реального времени.

7. Разработан метод определения удельного электрического сопротивления расплава в масштабе реального времени плавки и получена его зависимость от температуры расплава боросиликатного стекла.

8. Получена зависимость интегрального коэффициента черноты от температуры расплава боросиликатного стекла.

9. Разработан метод определения положения расплава металла в расплаве оксидного кориума и определены условия инверсии слоёв расплава оксида и металла в стратифицированной ванне расплава.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основе проведенного аналитического обзора, посвященного работам по исследованию параметров и автоматизации ИПХТ оксидов и стёкол, были определены недостаточно изученные приоритетные параметры для анализа и управления ИПХТ в масштабе реального времени плавки. Это электрические параметры индуктора, к которым относятся: действующие значения напряжения и тока индуктора; разность фаз между первыми гармониками тока и напряжения индуктора; cosq> (коэффициент мощности индуктора); частота тока индуктора; активная мощность, подводимая к индуктору; электрический КПД индуктора. Для контроля корректности результатов исследований решена задача измерения с высокой точностью тепловых f параметров индукционной печи с холодным тиглем и электрических параметров источника питания.

Для измерения тепловых и электрических параметров разработана и внедрена на кафедре электротехнологической и преобразовательной техники

СПбГЭТУ «ЛЭТИ» инновационная программно-аппаратная информационно* , * измерительная и управляющая система (исследовательский стенд) для ИПХТ оксидов и стёкол, которая является неотъемлемой составляющей АСУ ИПХТ. Благодаря использованию комплекса впервые в масштабе реального времени плавки получены экспериментальные данные, показывающие зависимость электрических параметров плавки от температуры расплава боросиликатного стекла. Данные зависимости представляют особый практический интерес при разработке АСУ ИПХТ в приложении к остекловыванию BAO методом ИПХТ.

Также при анализе параметров ИПХТ выявлены новые эффекты, знание и описание которых позволяет более точно прогнозировать состояние и поведение расплава, а также повысить качество управления ИПХТ.

1. Bolton W. -Z. Electrochemie, 1905.

2. Полубелова, А. С. Производство абразивных материалов / А. С. Полубелова, В. Н. Крылов, В. В. Карлин, И. С. Ефимова. Л.: Машиностроение, 1968. -180 с.

3. Пат. 1358438 Франция. МКИ B22b-H05b. Усовершенствования в процессе и установке для индукционной плавки материалов / В. Gayet, J. Holder, G. Kurka, J. Reboux; заяв. 31.01.63; опубл. 09.03.64.

4. Fusion du bioxyde d'uranium par induction derect de la haute frequence / В. Gayet, J. Holder, G. Kurka // Revue des hautes temperatures et des refractaires. -1964. -T.l, № 2. -P. 153-157.

5. Пат. 1430192 Франция. МКИ F27b. Высокочастотная индукционная печь; заяв. 29.12.64; опубл. 24.01.66.

6. Пат. 1430962 Франция. МКИ C04b-F27b. Способ и устройство для непрерывного плавления и кристаллизации огнеупорных материалов; заяв. 29.12.64, опубл. 31.01.66.

7. Пат. 1492063 Франция. МКИ F27b-C04b. Усовершенствования высокочастотной электрической печи для непрерывной плавки огнеупоров; заяв. 05.04.66; опубл. 10.07.67.

8. Пат. 2516226 Франция. МКИ F27D 11/06. Устройство для прямой индукционной плавки диэлектрических материалов типа стёкол и эмалей / J. Reboux; заяв. 06.11.81; опубл. 13.05.83.

9. Пат. 2540982 Франция. МКИ F27B 11/06. Способ получения керамического материала методом индукционной высокочастотной плавки / R. Perrier, J. Terrier; заяв. 14.02.83; опубл. 17.08.84.

10. Пат. 2566890 Франция. МКИ F27B 14/10. Охлаждаемый корпус тигля для высокочастотной электромагнитной индукционной плавки /

11. R. Boen, D. Delage, J. Reboux, A. Touan; Опубл. 01.03.86.

12. Пат. 2566890 Франция. МКИ F27B 14/10. Охлаждаемый корпус тигля для высокочастотной электромагнитной индукционной плавки / R. Boen, D. Delage, J. Reboux, A. Touan; Опубл. 01.03.86.

13. Пат. 2599482 Франция. МКИ F27B 14/06. Индукционная плавильная печь высокой частоты / В, Caileaut и др.; заяв. 03.06.86; опубл. 04.12.87.

14. A.c. 185492 СССР. МКИ Н 05В 05/18. Тигель-индукгор / А. С. Васильев, Ю. Б. Петров; заяв. 5.02.1965; опуб. 13.08.66; Бюл. №17, 1966.

15. Анализ электрических характеристик индукционных печей с холодным тиглем для плавки оксидных материалов / Ю. Б. Петров, А. В. Шкульков, В. В. Неженцев, И. А. Канаев // Электротехника. -1982. -№ 8. -С. 16-19.

16. Варка стекла в индукционной печи с холодным тиглем / Д. Б. Лопух // Электромеханика. -1984. -№ 9. -С.64-69.

17. Петров, Ю. Б. Индукционная плавка окислов. / Ю. Б. Петров. Л.: Энергоатомиздат, 1983. -104 с.

18. Берг, А. И. Теория и расчёт ламповых генераторов, часть 1, ,1 /!

19. Независимое возбуждение незатухащих колебаний / А. И. Берг Л.:' * Объединённое науч.-техн. изд. НКТП СССР, 1935.-317 с.

20. Васильев, А. С. Ламповые генераторы для высокочастотного нагрева / А. С. Васильев. -Л.: Машиностроение, 1990. -80 с.

21. Современные направления и новые результаты исследований индукционной плавки в холодных тиглях / Д. Б. Лопух // Индукционный нагрев. -2008. -№ 6. -С. 27-37.

22. Обоснование новой российской концепции построения установки остекловывания радиоактивных отходов методом индукционной плавки в холодных тиглях / Д. Б. Лопух // Вопросы радиационной безопасности. -2009. -№ 2. -С. 26-32.

23. Cold Crucible Induction Melting / INL Research & Development // www.inl.gov. -2011.

24. А. с. № 1598716. Способ переработки кальцинированных радиоактивных отходов. Ю. Б. Петров, Д. Б. Лопух, А. Ю. Печенков, В. И. Власов, заяв. 16.01.89.

25. Исследование взаимодействия расплава кориума с перспективными материалами ловушки расплава / С. В. Бешта, Д. Б. Лопух, С. А. Витоль и др. // Труды международной конф. «Теплофи-зические аспекты безопасности

26. ВВЭР». -Обнинск, ноябрь 1995. -Том 2. -С. . .i

27. Положение тройных эвтектик в системах Fe0(Fe203)-U02+x-Zr02. / В. И. Альмяшев, М. Баррачин, С. В. Бешта и др. // Тезисы докладов на 12 российской конференции по теплофизическим свойствам веществ. -Москва, 7-10 октября 2008. -С. 265-266.

28. Eutectic crystallization in the Fe0i.5~U02+x-Zr02 system. / V. I. Almjashev, M. Barrachin, S. V. Bechtat al. // Journal of Nuclear Materials. -2009. -C.

29. Бабат, Г. И. Индукционный нагрев металлов / Г. И. Бабат. -Л.: Энергия. -1965. -365 с.

30. Лопух, Д. Б. Исследование процесса и разработка оборудования отверждения имитаторов радиоактивных отходов индукционной плавкой в холодном тигле: дис. канд. техн. наук / Лопух Дмитрий Борисович. -СПб, 1987.-288 с.

31. Шкульков, А. В. Теория и практика применения индукционной гарнисажной плавки неорганических диэлектрических материалов : дис. докт. техн. наук / Шкульков Анатолий Васильевич. -СПб, 2006. -342 с.

32. Кузьминов, Ю. С. Тугоплавкие материалы из холодного тигля / Ю. С. Кузьминов, Е. Е. Ломова, В. В. Осико. -М.: Наука, 2007. -369 с.

33. Синтез лазерных материалов из расплава методом прямого ВЧ-нагрева в холодном контейнере / В. И. Александров, В. В. Осико, В. М. Татаринцев // Отчет ФИАН. -М, 1968. -51 с.

34. Петров, Ю. Б. Индукционные печи для плавки оксидов / Ю. Б. Петров, И. А. Канаев. -Политехника, 1991. -56 с.

35. Использование индукционной плавки в холодных тиглях при получении огнеупорных электротехнических материалов для электротермии / Ю. Б. Петров, А. Е. Слухоцкий, А. В. Шкульков // Энергетика. -1981. -№ 5. -С. 55-59.

36. Установка «КРИСТАЛЛ 405», http://www.vniitvch.ru.

37. Изучение плавления диэлектриков при прямом высокочастотном нагревании в холодном контейнере / В. И. Александров, В. П. Войцицкий, Е.

38. Е. Ломонова и др. // Изв. АН СССР. Неорганические материалы. -1991. -Т. 27. -С. 983-987.

39. Промышленное высокочастотное оборудование для индукционной плавки в холодном контейнере / В. М. Бындин, И. А. Канаев, В. И. Добровольская и др. // Огнеупоры. -1983. -Т. 2. -С. 41-45.

40. Special Tool for Investigation and Controlling of Induction Skull Melting Processes /1. Pozniak, A. Petchenkov // Proceedings of the International Colloquium: Modelling for Saving Resources. -Riga, Latvia, May 17-18,2001.

41. An Approach of Electrical Conductivity Estimation of Technical Materials Melts / A. Petchenkov, I. Pozniak // 8th International Conference on Microwave and High Frequency Heating. -Bayreuth, Germany, September 3-7, 2001.

42. Исследование электропроводности высокотемпературных расплавов / И. В. Позняк, А. Ю. Печенков, Ю. Б. Петров, А. Н. Шатунов //

43. Всероссийская научная конференция с международным участием «Электротермия-2006». -СПб, 6-8 июня 2006. -С.209-218.

44. Князев, О. А. Получение материала Synroc методом индукционного плавления в холодном тигле : диссер. канд. техн. наук / Князев Олег Анатольевич. -М., 2000. -196 с.

45. Исследование удельного электрического сопротивления расплава оксида алюминия / И. В. Позняк, А. Ю. Печенков, А. Н. Шатунов, А. И. Максимов // Журнал научных публикаций аспирантов и докторантов. -2007. -№11.-С. 126-128.

46. Бесконтактный метод определения удельного электрического сопротивления высокотемпературных расплавов / И. В. Позняк, А. Н. Шатунов, А. Ю. Печенков // Журнал научных публикаций аспирантов и докторантов. -2007. -№11. -С. 129-131.

47. Измерение электропроводности расплава кориума / И. В. Позняк, А. ' Ю. Печенков, А. Н. Шатунов // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». -СПб., 2008. -№10.-С. 39-46.

48. Удельная электропроводность высокотемпературного расплава системы U02-Zr02 / И. В. Позняк, А. Ю. Печенков, А. Н. Шатунов // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». -СПб., 2009. -№ 6. -С. 28-36.

49. Induction Skull Melting of Y203-Ba0-Cu0 in a Cold Crucible / T. Behrens, M. Kudryash, B. Nacke et al. // International Scientific Colloquium Modelling for Electromagnetic Processing. -Hannover, March 24-26 2003.

50. Слухоцкий, A. E. Установки индукционного нагрева / A. E. Слухоцкий, В. С. Немков В. С., Н. А. Павлов. -Л., Энергоиздат, 1981. -328 с.

51. Investigation of mass and heat transfer of molten glass in the inductor Crucible / B. Niemann, B. Nacke, M. Kudryash // International Scientific Colloquium Modelling for Electromagnetic Processing. -Hannover, October 2729,2008. -P. 289-294.

52. Математические модели индукционной плавки в холодном тигле / Б. С. Полеводов // Электричество. -2002. -№ 7. -С. 43-48.

53. Развитие и реализация электротехнологий для кондиционирования радиоактивных отходов // А. В. Вавилов, А. С. Алой, В. 3. Белов и др. // Индукционный нагрев. -2011. -№ 16. -С.

54. Соболев, И.А. Стёкла для радиоактивных отходов. / И. А. Соболев, М. И. Ожован, Т. Д. Щербатова, О. Г. Батюхнова. -М.: Энергоатомиздат, 1999.-240 с.

55. Вашман, А. А. Фосфатные стёкла с радиоактивными отходами / А. А. Вашман, А. С. Поляков, А. В. Дёмин, Ю. И. Матюнин, Э. Г. Тетерин. -М.: ЦНИИатоминформ, 1997. -46 с.

56. Performance of a buried radioactive high level waste (HLW) glass after 24 years / С. M. Jantzen, D. I. Kaplan, N. E. Bibler et al. // Journal of Nuclear Materials. -2008. -C.244-256.

57. Применение стёкол при иммобилизации ядерных отходов / М. И. Ожован, П. П. Полуэктов // www.atomic-energy.ru,www.radon.ru. -2010.62. www.radon.ru.63. www.atomic-energy.ru.

58. Математическая модель индукционной варки стекла в холодном тигле / А. В. Вавилов, Д. Б. Лопух, Б. С. Полеводов и др. // Индукционный нагрев. -2009. -№ 3. -С. 23-29.

59. Численная 2D электрогидродинамическая модель индукционной варки стекла в холодном тигле при двухчастотном нагреве ванны / А. В. Вавилов, Д. Б. Лопух, Б. С. Полеводов и др. // Индукционный нагрев. -2011. -№ 15. -С. 23-27.

60. Современные направления и новые результаты исследований индукционной плавки в холодных тиглях / Д. Б. Лопух // Индукционный нагрев. -2008, -№6. -С. 27-37.

61. Программно-аппаратный информационно-измерительный комплекс для управления индукционной плавкой оксидов и стекол / А. В. Вавилов, Д. Б. Лопух, А. П. Мартынов и др. // Журнал научных публикаций аспирантов и докторантов. -2008. -№ 4. -С. 242-245.

62. Современные инструменты для исследования индукционной плавки в холодном тигле / Д. Б. Лопух, А. П. Мартынов, А. В. Вавилов и др. // Автоматизация и современные технологии. -2010. 11. -С. 24-31.

63. Тейлор, Дж. Введение в теорию ошибок. Пер. с англ. М.: Мир, 1985.-272 с.

64. Суранов, А. Я. LabVIEW 8.20: Справочник по функциям. М.: ДМК Пресс, 2007. -536 с.

65. The US DOE Office of Environmental Management International Cooperative Program: Overview of Technical Tasks and Results / J. C. Marra, J. A. Roach, D. B. Lopukh et al. // Proceeding of WM2010 conference. -Phoenix, USA, march 7-11 2010. -№ 10084.

66. Исследование электрических характеристик параметров индукционной плавки в холодном тигле / Д. Б. Лопух, А. П. Мартынов, А. В. Вавилов и др. // Индукционный нагрев. -2010. ~№ 2. -С. 20-31.

67. Исследование электрических характеристик параметров индукционной плавки в холодном тигле / А. В. Вавилов, Д. Б. Лопух, А. П. Мартынов и др. // Индукционный на1рев. -2010. -№ 14. -С. 30-41.

68. Фомичев, Е. П. Электротехнологические промышленные установки. -Киев, Высшая школа, 1979. -14 с.

69. Критерий оценки энергетического режима индукционной плавки оксидных материалов в холодных тиглях / Д. Б. Лопух, А. Ю. Печенков // Сб. статей: Исследование электротермических процессов и установок. -Чебоксары, ЧТУ, 1987. -С. 98-101.

70. Слухоцкий, А. Е. Индукторы для индукционного нагрева / А. Е. Слухоцкий, С. Е. Рыскин. Л., «Энергия». -1974. -264 с.

71. Самсонов, Г. В. Физико-химические свойства окислов / Г. В. Самсонов. -Москва, Металлургия, 1978. -472 с.

72. Маурах, М. А. Жидкие тугоплавкие окислы / М. А. Маурах, Б. С. Митин. -Металлургия, Москва, 1979. -288 с.

73. Электропроводность окиси алюминия в расплавленном состоянии / В. И. Александров, В. В. Осинко, В. М. Татаринцев // Известия АН СССР. Неорганические материалы, 1972. -Т. 8. -№ 5.

74. Исследование удельной электропроводности расплава огнеупорных материалов с применением индукционной гарнисажной плавки / А. В. Шкульков // Заводская лаборатория. -М., 2008. -С. 35-41.

75. Partitioning of U, Zr and FP between Molten Oxidic and Metallic Corium / V. G. Asmolov, S. V. Bechta, V. B. Khabensky et al. // Proc. of MASCA Seminar. -Aix-en-Provance, France, June 10-11 2004.

76. TAPP, A Database of Thermochemical and Physical Properties, E S Microwave, 2234 Wade Court, Hamilton OH 45013 USA, 1994.