автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.10, диссертация на тему:Разработка энерго- и ресурсосберегающих методов плазменной обработки труб

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА ПЕРВАЯ. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКИ ОТВЕТСТВЕННЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ.

1.1. Технологические применения и зависимость качества обработки изделий от параметров плазмообразующей среды.

1.2. Математическое описание плазменного разряда и процессов обработки в нем.

1.3. Конструкции плазмотронов и системы их автоматического управления.

1.4. Использование методов математической статистики для корректировки процессов обработки изделий.

1.5. Выводы по первой главе.

ГЛАВА ВТОРАЯ. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПЛАЗМЕННОГО РАЗРЯДА КАК ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО АГЕНТА.

2.1. Расчет распределения температуры по оси плазменной струи

2.2. Расчет распределения скоростей плазменной струи.

2.3. Математическое описание процессов оплавления металлического цилиндра в плазме.

2.4. Расчет процесса переработки порошковых материалов в плазме

2.5. Выводы по второй главе.

ГЛАВА ТРЕТЬЯ. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ПРОВЕРКА ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКОГО ОПИСАНИЯ ПЛАЗМЕННОЙ СТРУИ С РАЗРАБОТКОЙ ОДНОПАРАМЕТРАЛЬНЫХ МЕТОДОВ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА И КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ВЫСОКО ТОЧНОЙ ОБРАБОТКИ ТРУБ.

3.1.Экспериментальное исследование зависимости технологической температуры вдоль плазменной струи от мощности, типа и расхода плазмообразующего газа.

3.2.Разработка метода и структуры однопараметрального экспоненциального прогнозирования хода процесса плазменной обработки по температуре.

3.3.Разработка авторегрессионного метода энерго- и ресурсосберегающего совершенствования процесса плазменной обработки труб

3.4.Контроль качества процесса плазменной обработки особо точных цилиндрических изделий по критерию серий.

3.5. Выводы по третьей главе

ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ. РАЗРАБОТКА КОМПЬЮТЕРНО-ОРИЕНТИРОВАННЫХ МЕТОДОВ РЕСУРСО- И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕГО СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКИ СЛОЖНОЛЕГИРОВАННЫХ ТРУБ С ПРАКТИЧЕСКИМИ ПРИМЕРАМИ РЕАЛИЗАЦИИ НА ПРЕДПРИЯТИЯХ

4.1.Разработка метода связно-статистического управления плазменной обработкой высоко точных трубных изделий с компенсацией неучтенных накапливающихся ошибок.

4.2.Разработка компьютерно-ориентированных методов особо точного фазового контроля режимов работы плазменных АЭТУ на переменном токе.

4.3. Результаты внедрения проведенных исследований и распространение разработанных методов на смежные области электротехнологии.

4.4. Выводы по четвертой главе.

В современных условиях энерго- и ресурсосберегающего, малозатратного, децентрализованного хозяйствования [ 1 ] резко возросла роль высоких технологий, к которым следует отнести и плазменную обработку цилиндрических изделий, работающих в тяжелых условиях у потребителя. Потребители рассматриваемого в настоящей работе объекта исследования - трубы, относятся к различным отраслям народного хозяйства: нефтяной и газовой, авиа- и космической, энергетической и атомной промышленности, судо-, автомобиле- и другим видам машиностроения и т.п. Проблема выживания указанных отраслей из-за резко ограниченного финансирования в последнее десятилетие переходного в рынок периода решается, главным образом, путем разработки принципиально новых подходов, ориентированных на их реализацию с применением микропроцессорной техники большого быстродействия при обновлении идеологии управления процессами, и самих плазменных АЭТУ.

Результаты настоящих исследований по использованию плазменного и вакуумного-плазменного дугового разряда при обработке трубных изделий, в том числе при реализации особо точных и комплексных технологий, являются составной частью работ, проводимых в производственном предприятии «Промэнерго», являющемся коллективным членом Академии электротехнических наук РФ, на заводах-заказчиках, прежде всего в г. Электросталь и в других организациях типа Инжиниринговой нефтегазовой компании - Всесоюзного научно-исследовательского института по строительству и эксплуатации трубопроводов объектов ТЭК ( АО ВНИИСТ ) г. Москва, окружного государственного унитарного предприятия «Управление по строительству газопроводов и газификации Ямало-Ненецкого автономного округа» , г. Салехард , муниципального унитарного предприятия «ЮГО-ВОСТОК-СЕРВИС» г. Москва , НПО «ЭНЕРГОТЕРМ», 5

Научно-производственной фирмы «МЭЛТА» акционерного общества «ВНИИЭТО».

Актуальность темы диссертации в связи с изложенным обусловливается разработкой методов и средств повышения эффективности работы плазменных электротехнологических установок за счет использования методов экспоненциального прогнозирования режимов по температуре, авторегрессионного управления подачей расходуемого электрода в плазменную технологическую зону, связностатистического управления по группе параметров и комплексного решения вопросов вакуумно-плазменной технологии обработки сложнолегированных цилиндрических изделий.

Актуальность диссертации вытекала также из заинтересованности заводов, по заказам которых проводились исследования в общем комплексе работ по повышению надежности изделий у потребителя, что позволило получать достаточно быструю отдачу по производительности, снижению брака при общем снижении расходов дорогостоящих материалов и электроэнергии.

Широкое распространение компьютерной техники , микропроцессорных контроллеров и специализированных заказных устройств на основе современной микроэлекронной элементной базы, обладающей большими возможностями по быстродействию, памяти, многоканальной разрешимости задач, дает при внедрении на заводах недостаточно высокую эффективность из-за использования традиционных пособов управления, например, для плазменных АЭТУ, по току или мощности: блок мощности БМ реализует операцию умножения в блоке БУ, сигналов от блоков измерения тока БТ и напряжения БН. Использование предложенных в работе методов управления и контроля качества, реализуемых в реальном времени, и обеспечивающих оптимизацию технологических 6 процессов и режима электропотребления, позволяет восполнить этот пробел, реализуя в том числе новые комплексные методы.

Поэтому целью исследования являлась разработка ориентированных на современные средства микроэлектронной техники энерго- и ресурсосберегающих методов совершенствования режимов работы плазменных установок для особо точной обработки цилиндрических изделий при повышении их ресурсных , жаростойких, эрозионностойких, терморадиационных и др. пользовательских свойств на основе ресурсо- и энергосберегающего ведения электротехнологии. Для достижения этой цели в работе решались следующие задачи:

1. Разработка методов упрощенного компьютерного расчета температуры, распределения скоростей по оси плазменной струи, условий оплавления вводимых в технологическую зону электродной (цилиндрической) или порошковой загрузки.

2. Разработка метода экспоненциального прогнозирования технологической температуры в зоне превращения энергии плазмы в полезную работу.

3. Разработка авторегрессионного метода управления движением электрода в плазменной зоне.

4. Контроль качества ведения технологического процесса при отбраковке участков с неравновероятностными условиями работы плазменной технологической установки.

5. Совершенствование процессов высоко точной плазменной обработки сложнолегированных цилиндрических изделий по комплексному связностатистическому показателю группы параметров.

6.Разработка комплексного метода вакуумно-плазменной обработки внутри и снаружи трубы путем совмещения упомянутых плазменной и вакуумной электротехнологий по координате точки разделенного тонкой стенкой цилиндра пространства. 7

Структура работы содержит введение, четыре главы, заключение, список литературы, приложения с актами внедрения и заключениями научно-технических советов, где обсуждалась работа, и отражает результаты практических использований основных, полученных в диссертации положений, на заводах и в организациях-заказчиков.

10. Основные результаты запатентованы, доложены на научно-технических конференциях и опубликованы в двадцати научных трудах, в том числе одна книга.

105

1. Минеев А.Р., Игнатова Ю.И., Дмитриев И.Ю. Малое предприятие промышленной энергетики: менеджмент, маркетинг, энергосбережение, высокие технологии. М. «Спутник+», 2001, 222с.

2. Проспект «Система плазменного напыления» фирмы Metco, Милан, 1995.

3. Каталог Castolin+Eutectic by Institut Castolin + Eutectic. Технический документ NGB/GTY. 1999.

4. Каталог «XUPER LIFE» фирмы Кастолин-Ютектик, Лозанна, 1992.

5. Spalvins Т, Structure of Sputtered Molibdenum Disulfide Films of Varios Suostrate temperaturs -ASLE Tpans, 1994,#1.

6. Sputtering and Lon Plating USA NASA SPN5111,1992.

7. Овари Т. Нанесение упрочняющего покрытия плазменным напылением тютандзо.1993 №31,№6.

8. Хаяси Ф. Плазменная порошковая наплавка «Есэцу гидзюцу», 1994,т.22, №10.

9. Greger R. Plasmapolymerisation aktuelle Anwendungsmoglichkeiten in der Oberflachenbehandlung von Polymeren. VDI - Seminar 34-14-10: Plasmapolymerisation. Miinchen 1998.

10. Кручинин A.M., Савицкий А. Электротехнологические установки дугового и плазменного нагрева. Часть 1. Теория дугового и плазменного нагрева. «Politechnika czenstochowskiej». 1997.106

11. Sawicki A., Kruczinin A.M. Zagadnienie doboru optimalnych stanow pracy stalowniczych piecow lukowych pradu przemienunego//Przeglad Elektrotechniczny. 1998. №1.

12. Sawicki A., Kruchinin A.M. Modellung the cylindrical part of the effective arc in steelmaking AC arc fumaces//Elektrowarme International Ed. B. 1998.12 (B4).

13. Чередниченко B.C., Чередниченко M.B. Вакуумные плазменные электропечи с полыми катодами. // Изд-во НГТУ.Новосибирск 1999.

14. Чередниченко B.C., Еременко Г.П. и др. Нагрев порошковых материалов в сильноточных дугах //Сибирский физ.-техн. журнал -1991. Вып.6.

15. Чередниченко B.C., Еременко Г.П. и др. Электростатистическое взаимодействие порошкового материала с плазмой дугового разряда// Автоматизированные электротехнологические установки. Сб. научных трудов. //Новосиб. электротехн. ин-т.- Новосибирск. 1995.

16. Cherednichenko V.S., Pavlenko L.K., Galkin S.G. Heat criterien of diffuse interaction made of the hollow cathode arc // Thermophysics and Aeromechanics. -1994. V. 1. # 4.

17. Cherednichenco M.V., Galkin S.G. Pavlenco L.K. General characteristics of the vacuum hollow cathode arc// Thermophysics and Aeromechanics. 1994. V.1. #2.

18. UIE Working Group. Advantages of electricity in industry. XII UIE Congress Electrotechn 92, Montreal. 1992.

19. R. Le Goff. New Technologies and Applications: Industrial Sector. UNIPEDE 2-nd Conf. on the Application of Electricity. Session 32. Barcelona . Sept. 1995.

20. Современные энергосберегающие электротехнологии. European Union tempus tacis compact proekt. CP 20021-98. Санкт- Петербург. 2000.548c.

21. Рубцов В.П., Долбилин Е.В., Минеев Р.В. Электротехнический справочник. Раздел автоматизированных электротехнологических установок и систем. Изд-во МЭИ.2002г.107

22. Минеев А.Р., Рубцов В.П. Статистические и динамические показатели качества работы электротехнических установок (на примере электропечей). // Электротехника .2000. №1.

23. Минеев А.Р., Рубцов В.П. Статистические показатели электропотребления и методы облегчения работы цехового электротехнического оборудования (на примере электропечей). // Электротехника. 2000. №5.

24. Минеев А. Р., Дмитриев И.Ю. Упрощенный расчет рабочих показателей плазменной установки // Электрометаллургия. 1999. №12.

25. Дмитриев И.Ю., Рубцов В.П., Минеев А.Р. Упрощенные алгоритмы определения параметров технологических плазменных процессов //Труды IV Международной конференции. Электротехника, электромеханика и электротехнология. 2000. Россия. Клязьма.

26. Щербинин Э.В. Электровихревые течения. Рига. «Зинатне». 1985. 315с.

27. Куликовский А.Г., Любимов Г.А. Магнитная гидродинамика. М. Наука. 1989. 320с.

28. Г.Корн, Т.Корн Справочник по математике для научных работников и инженеров. М. Наука 1988. 720с.

29. Тихонов А.Н., Самарский А.А.Уравнения математической физики.М. Наука. 1986. 611с.

30. Дмитриев И.Ю. Разработка энерго- и ресурсосберегающих методов плазменной обработки цилиндрических изделий. // Аспирант и соискатель. М. Спутник+. 2001.

31. Казанцев Е.И. Промышленные печи. М. Металлургия. 1985.368с.

32. Маделунг А.Ф. Математический аппарат физики (справочное руководство). М. Наука. 1988.

33. Андре Анго. Математика для электро- и радиоинженеров. М. Наука. 1985.

34. Карапетьянц М.Х., Карапетьянц М.Л. Основные термодинамические константы. М. Наука. 1988. 470с.108

35. Рубцов В.П., Дмитриев И.Ю., Минеев А.Р. Корректировка работы высокоточных плазменных установок по комплексному показателю //Труды IV Международной конференции «Электротехника, электромеханика и электротехнология». 2000. Россия. Клязьма.

36. Караманов В.И., Дмитриев И.Ю., Минеев А.Р. О двух задачах компьютеризированной адаптации производства трубопроводов на технологическом уровне.// Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности. М. ВНИИОЭКГ, 2000 . № 1-2.

37. Дмитриев И.Ю., Минеев А.Р., Караманов В.И. Патент Р.Ф. №2159519 Адаптационная система управления одноэлектродной электротермической установкой для высокоточных процессов.// БИ 2000 №32.

38. Под ред.Б.В.Тарабрина. Справочник «Интегральные микросхемы». М. Энергоатомиздат. 1985.

39. Thomas L. Saaty. Mathematical methods of operations research. //MeGRAW Hill Book company,Inc.N.Y.-Toronto- London. 1960. 420p.

40. Дмитриев И.Ю., Минеев A.P., Рубцов В.П. Совершенствование работы дуговых высокоточных установок для обработки труб комплексными методами. // Электрометаллургия. 2001. №11.

41. Гаспарянц Р.С., Дмитриев И.Ю. Разработка высоких энергосберегающих «трубных» технологий для реализации на микропроцессорах.// Доклад на XI Международном конгрессе «CITOGIC-2001» в г.Салехарде. Академия технологических наук. М. 2001.

42. Дмитриев И.Ю. Повышение точности информационного сопровождения при эксплуатации электротехнологических установок с микропроцессорами // Электрика. 2002. №3.

43. Рубцов В.П., Дмитриев И.Ю., Минеев А.Р. Параметры дугового разряда и их влияние на эффективность работы электротехнологических установок // Электричество. 2000. № 12.

44. Дмитриев И.Ю., Минеев А.Р., Рубцов В.П. Новые возможности особо точного управления электрометаллургическими процессами на базе современных достижений микропроцессорной техники // Электрометаллургия. 2000. №11.

45. Игнатова И.Ю., Минеев А.Р., Дмитриев И.Ю. Энерго- и ресурсосбережение в работе малого предприятия промышленной энергетики в XXI -ом веке // Труды интернет- конференции «Энерго- и ресурсосбережение XXI век» . Орел. ОГТУ. 01-30июня. 2001 .

46. Дмитриев И.Ю., Рубцов В.П., Минеев А.Р. Способ вакуумно-плазменной обработки тонкостенных сложнолегированных цилиндров. Патент РФ по заявке № 2001112566/02(013514). 2002.

47. Дмитриев И.Ю., Рубцов В.П., Минеев А.Р. Энерго- и ресурсосберегающие электротехнологические процессы и установки XXI-го века // Труды интернет-конференции «Энерго- и ресурсосбережение XXI век». Орел. ОГТУ. 01-30 июня. 2001.110

48. Долбилин Е.В. Разработка основ теории и электрооборудования для химико-термической обработки изделий в электрическом разряде при атмосферном давлении. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. М.: МЭИ (ТУ). 2002.

49. Долбилин Е.В. Химико-термическая обработка металлов в электрическом разряде: Учебное пособие. М.: МЭИ, 2001.

50. Попов В.Н., Дмитриев И.Ю., Минеев Р.В. Динамическая корректировка алгоритма управления печи для электрошлаковой очистки поверхности слитков // Аспирант и соискатель. М.:Спутник. 2002. № 3.i