Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время в мире производится более 35 млн. тонн алюминия в год, в этом объеме доля России - более 4 млн. тонн. Алюминий и его сплавы широко используют как конструкционный материал в авиастроении, космической технике, машиностроении. Значительная часть выплавляемого алюминия используется как проводниковый материал в производстве проводов и кабелей. Эффективность применения алюминия в качестве материала токоведущих жил кабельных изделий обусловлена тем, что, несмотря на меньшую проводимость (62% проводимости меди), плотность его в 3.3 раза меньше. Алюминиевый проводник при одинаковой длине и проводимости имеет площадь поперечного сечения на 62% большую, чем медный, но масса его составляет лишь 49% массы медного. Цена меди существенно выше и имеет стойкую тенденцию к повышению. Это определяет тот факт, что номенклатура выпускаемых промышленностью кабельных изделий с алюминиевыми жилами широка и продолжает расширяться.
В качестве токоведущих жил ряда марок кабельной продукции используется алюминиевая проволока малых сечений, получаемая холодным волочением. Деформация материала в холодном состоянии повышает его прочность и снижает пластичность. Термообработка (отжиг) проволоки является обязательной технологической операцией, служащей для восстановления пластичности материала жил проводов и кабелей.
Отжиг алюминиевой проволоки в садочных или проходных печах относится к традиционным способам термообработки. Значительное распространение печных способов нагрева объясняется их очевидными преимуществами: простота конструкции печей и, следовательно, невысокие капитальные затраты, универсальность относительно геометрических размеров садки, надежность. Однако они имеют и существенные недостатки. Неоднородность нагрева и охлаждения по сечению мотка (катушки) приводит к неоднородности структуры и свойств металла. Низкая скорость нагрева исключает возможность совмещения с основными операциями производства изолированных проводов.
Индукционный высокочастотный нагрев металлических изделий широко применяется в промышленности. Однако установки высокочастотного нагрева для термической обработки тонкой движущейся проволоки из цветных металлов (медь, алюминий) трудно выполнимы конструктивно, а энергетические показатели их весьма низки. Все это обусловило преимущественное распространение электроконтактного способа нагрева проволоки из цветных металлов, при котором подвод тока к проволоке осуществляется через контактные ролики с соответствующим щеточным аппаратом.
В диссертационной работе выполнено исследование нового способа нагрева алюминиевой проволоки, объединяющего в себе признаки, как индукционного, так и электроконтактного, допускающего совмещение с процессом наложения изоляции. Условием совмещения процессов является
наличие непрерывного контроля качества отжига, исключающего выпуск бракованной продукции.
Объектом исследования является автоматизированный процесс отжига алюминиевой проволоки, совмещаемый с процессом наложения изоляции (изолировки) в технологической линии производства проводов для электрических установок.
Предметом исследования является метод индукционного нагрева участка движущейся проволоки, имеющего вид замкнутого контура, а также методы и технические средства, обеспечивающие заданное качество отжига.
Целью работы является разработка и исследование моделей и технических решений системы автоматизированного отжига алюминиевой проволоки, подаваемой непосредственно на изолировку.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе ставятся и решаются следующие основные задачи.
1. Разработка математических моделей процесса отжига, имитационное
моделирование функционирования системы отжига в установившемся режиме,
а также оптимизация режимных и конструктивных параметров.
2. Разработка методики и исследование условий формирования
замкнутого многовиткового контура нагрева алюминиевой проволоки,
охватывающего свободный стержень магнитопровода индуктора.
Разработка принципа неразрушаю щего контроля качества алюминиевой проволоки.
Разработка структурных решений системы автоматического управления качеством отжига алюминиевой проволоки в условиях совмещения с процессом производства изолированных проводов.
Методы исследования. При решении поставленных задач использовались аналитические и экспериментальные методы. Теоретические исследования проведены методами дифференциального и интегрального исчисления, методами теории поля и теории цепей, а также методами теории автоматического регулирования, математического и имитационного моделирования, математической статистики. Экспериментальные исследования проводились в лабораторных условиях и на действующих линиях по производству проводов с алюминиевыми жилами.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Математическая модель статических (установившихся) режимов
процесса отжига движущейся алюминиевой проволоки связывающая
конструктивные и электрические параметры индуктора и многовиткового
контура нагрева.
2. Математическая модель динамики контура нагреваемой проволоки.
3. Способ стабилизации силы натяжения проволоки при сходе с
отдающей катушки.
4. Экспериментальная зависимость электрической проводимости
замыкания контура нагрева на контактном отклоняющем ролике от величины
натяжения проволоки.
5. Принцип построения устройства неразрушающего контроля характеристики пластичности, ожигаемой проволоки.
Научная новизна основных научных положений определяется следующим:
В построении модели процесса отжига как системы, объединяющей в себе электромагнитные, тепловые и механические явления.
Предложенным принципом контроля качества отжига путем измерения рассеяния энергии при возбуждении колебаний на фиксированном участке движущейся проволоки.
3. Обоснованием целесообразности формирования многовитковых
контуров нагрева.
4. Предложенным принципом поддержания натяжения движущейся
проволоки на допустимом по условию прочности уровне.
Практическая ценность выполненных исследований. Практическая ценность работы характеризуется следующими положениями:
1. Экспериментально установленной зависимостью переходной
электрической проводимости от величины силы натяжения отжигаемой
проволоки.
Перечнем требований и рекомендаций для принятия конструкторских решений, выработанным в процессе испытаний опытно-промышленных образцов индукторов.
Разработкой инженерной методики расчета основных конструктивных параметров и размеров индуктора для рассматриваемого способа отжига.
Подтверждением относительно высоких энергетических показателей индуктора с сердечником в сравнении с индуктором высокой частоты.
Возможностью работы установки отжига в автономном режиме, вне связи с процессом изолировки.
Реализация результатов работы. Основные результаты исследований, выполненных в диссертационной работе, использованы при разработке двух опытно-промышленных установок для отжига алюминиевой проволоки и внедренных в производство проводов и кабелей на предприятии ОАО ВСЭМ г. Иркутска.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры "Электропривод и электрический транспорт" ИрГТУ (1998-2007гг.); на Всероссийской научно-практической конференции "Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири" (2004, 2005, 2006 гг.), г. Иркутск; на Международной научно-технической конференции "Электромеханические преобразователи энергии" (2007 г.), г. Томск.
Публикации. По результатам исследований опубликовано 7 статей, в том числе одна в издании рекомендованном ВАК РФ.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографического списка. Объем диссертации составляет: 148 страниц основного текста, 46 рисунков, 15 таблиц, 9 страниц -библиографический список из 98 наименований.
