Содержание к диссертации
Введение
Обзор публикаций по методикам расчета и вспомогательному оборудованию миксеров сопротивления 14
Общие замечания 14
Конструктивные особенности миксеров сопротивления для приготовления алюминиевых сплавов 16
Общие характеристики методик теплового и электрического расчетов 30
Электромагнитные перемешиватели алюминиевых сплавов 39
Источники питания и устройства управления режимами работы миксера 44
1 Общие замечания 44
2 Устройства регулирования мощности миксера сопротивления 44
3 Устройства управления режимами работы миксера 49
Электрический миксер сопротивления как объект автоматического регулирования теплового режима 59
Выводы по главе 66
Математическое моделирование тепловых процессов в миксере сопротивления 67
Общие замечания 67
Геометрическая модель миксера сопротивления 68
Математическая модель процессов теплообмена в миксере 73
Результаты математического моделирования 79
Выводы по главе 92
Экспериментальные исследования на физической модели миксера сопротивления 93
Общие замечания 93
Физическая модель миксера сопротивления 93
Результаты экспериментальных исследований на физической модели миксера 102
Математическое моделирование тепловых процессов в физической модели миксера 106
Параметры системы автоматического регулирования 111
1 Идентификация параметров математической модели 111
2 Определение и оптимизация параметров ПИД-регулятора 118
Выводы по главе 125
Методика проектирования миксеров сопротивления 127
Общие замечания 127
Методика предварительного определения тепловых потерь в миксере 128
Энергетический баланс миксера и определение мощности электронагревателей 134
Пример теплового и электрического расчетов миксера емкостью 80 т. 138
1 Исходные данные 138
2 Тепловые потери и мощность электронагревателей 139
3 Математическое моделирование тепловых процессов и уточнение результатов расчета 140
4 Моделирование динамических тепловых процессов в миксере 144 Электронагреватель для миксера сопротивления 144
1 Электрический расчет электронагревателя 146
2 Исходные данные для расчета электронагревателя 148
4.5.3 Исходные данные для расчета электронагревателя
4.5.4 Математическое моделирование температурного поля электронагревателя 150
4.6 Выводы по главе 153
Заключение 154
Список использованных источников 156
Приложения
- Конструктивные особенности миксеров сопротивления для приготовления алюминиевых сплавов
- Электрический миксер сопротивления как объект автоматического регулирования теплового режима
- Математическое моделирование тепловых процессов в физической модели миксера
- Математическое моделирование тепловых процессов и уточнение результатов расчета
Введение к работе
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, Р. 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:
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.
Разработать математическую модель для расчета тепловых процессов в миксере с использованием программного продукта ANSYS.
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.
Установить достоверность результатов математического моделирования, на основании сравнения расчетных данных с экспериментальными данными, полученными на физической модели.
По результатам математического моделирования тепловых и электрических процессов в миксере показать возможность проведения синтеза системы автоматического регулирования миксерам.
Разработать методику проектирования миксера сопротивления с МГД-перемешивателем на основе математического и физического моделирований.
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:
Исходя из конструкции и технологических особенностей работы миксеров сопротивления для приготовления алюминиевых сплавов, определены тепловые режимы миксеров и требования к управлению ими.
Разработана трехмерная математическая модель нестационарных тепловых процессов миксера сопротивления с МГД-перемешивателем, позволяющая с использованием программного продукта ANSYS получить его дифференциальные и интегральные характеристики.
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.
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.
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.
В результате математического и физического моделирования определены зависимости характеристик миксера от его конструктивных особенностей и тепловых процессов, протекающих в нем.
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:
l.Ha 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.
Конструктивные особенности миксеров сопротивления для приготовления алюминиевых сплавов
При приготовлении алюминиевых сплавов и получении из них слитков, обычно, используются плавильно-литейные агрегаты, в состав которых входит оборудование представленное на рисунке 1.1. Здесь 1 -миксер-копильник; 2 — МГД-перемешиватель; 3 - устройство перелива сплава; 4 - раздаточный миксер; 5 - установка рафинирования; 6 - фильтр; 7 — машина полунепрерывного литья. Технический процесс получения слитков из алюминиевых сплавов осуществляется следующим образом. В миксере-копильнике 1 осуществляется приготовление сплава, при этом использование МГД-перемешивателя 2 позволяет автоматизировать процесс перемешивания сплава. 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 происходит кристаллизация слитков. Большое значение для получения качественных слитков имеет строгое соблюдение режимов приготовления сплава в миксере-копильнике. В первом из них (миксере-копильнике) осуществляется приготовление сплава, а во втором (раздаточном) — окончательная доводка сплава по температурному режиму и разливка на машинах полунепрерывного литья. Миксер-копильник последних конструкций имеет встроенный МГД-перемешиватель. На рисунке 1.2 и рисунке 1.3 показан общий вид и поперечный разрез миксера-копильника. Миксер (рисунок 1.2) состоит из металлического кожуха 1, футеровки 2, электронагревателей 3, заливочного кармана 4, форкамер 5 и ванны с металлом 6 [1, 2, 3,16].
Рабочее пространство миксера (рисунок 1.3) выполнено в виде прямоугольной камеры 8, ограниченной футеровкой 2 расположенной в металлическом кожухе 1. Камера миксера имеет две тепловые зоны, нижнюю 6 со сплавом, и верхнюю 7 - без сплава. Сверху на миксер установлен свод 9, который в зависимости от конструкции может быть съемным или стационарным. Свод выполняют из фасонного шамотного кирпича или из блоков, сверху которого располагается теплоизоляция. На своде размещены электронагреватели 3, конструкция и материал которых зависит от конструкции миксера. Электронагреватели питаются от сети трехфазного переменного тока напряжением 220/380 В. Съемный свод позволяет произвести замену вышедших из строя электронагревателей, при стационарном своде такая замена осуществляется через верхнюю часть одной из боковых стен миксера. Заливка алюминия сырца в миксер осуществляется через заливочный карман, который располагается в нижней зоне миксера на боковой стенки. Для проведения технологических операций внутри миксера (таких как снятие шлака, чистка свода, стенок миксера и т. п.) предназначены форкамеры 5, находящиеся в верхней зоне миксера и закрываемые футерованными с внутренней стороны заслонками 10. С боковой стороны миксера или под подиной, устанавливается МГД перемешиватель 11. К конструктивным элементам миксера также относятся переливные летки, летки для литья изделий. Для контроля температуры электронагревателей установлена термопара 12, с помощью которой производится контроль их температуры. Термопары 13 и 14 контролируют температуру сплава, соответственно у поверхности сплава и у подины. По показаниям термопар 13 и 14 производят регулирование процессом приготовления сплава посредством изменения энергии подводимой к электронагревателям. Но при этом следует учитывать инерционность, как термопар, так и электронагревателей, что усложняет процесс автоматического регулирования температуры. Для электронагревателей в миксерах сопротивления применяют следующие материалы: сплавы с высоким омическим сопротивлением: хромоникелевые и хромоалюминиевые; нихромовые; неметаллические материалы - карбид кремния; графит; уголь; криптол (угольная крошка); дисилицид молибдена; тугоплавкие металлы (молибден, вольфрам и др.) [1, 15,27-29]. При приготовлении сплавов на основе алюминия, работа электронагревателей протекает в агрессивной среде, что значительно сокращает их срок службы, поэтому возникает необходимость в защите электронагревателей от вредного воздействия паров металлов или выполнение электронагревателей из корозийностойкого материала.
Каждый из типов электронагревателей имеет свои преимущества и недостатки. Так открытые ленточные электронагреватели (рисунок 1.4) устанавливаемые в миксерах, подвергаются химическому воздействию газовых фракций ванны и брызг расплавленного алюминия, из-за чего имеют небольшой срок эксплуатации, но довольно низкую стоимость [1, 15, 28]. А миксеры в которых применяются ленточные электронагреватели закрытые экранами, имеют более низкую в вертикальном плане высоту и меньшее расстояние от свода до зеркала сплава по сравнению с миксерами, использующими открытые электронагреватели. В миксерах с экранированными электронагревателями можно производить загрузку шихты и обработку расплава с работающими электронагревателями, что не допускается при открытых электронагревателях. Кроме того, при защищенных электронагревателях можно полностью исключить попадание расплава алюминия на них, при загрузке твердой шихты, что увеличивает срок службы самих электронагревателей и миксера в целом, но снижается тепловая эффективность миксера, так как экран является дополнительным тепловым сопротивлением, между электронагревателями и сплавом.
Электрический миксер сопротивления как объект автоматического регулирования теплового режима
Миксер сопротивления является сложным технологическим устройством, приготовление сплавов в котором сопровождается значительными энергетическими затратами. Количество энергии, затрачиваемое на приготовление сплава, а следовательно энергетическая эффективность миксера, определяется его конструкцией, режимами его работы и физическими процессами, протекающими в нем. Выявление и уточнение закономерностей преобразования энергии в миксере сопротивления и их связь с его конструктивными и энергетическими характеристиками, а так же режимами работы миксера является актуальной научной задачей.
С развитием возможностей современного математического аппарата и вычислительной техники важное значение приобретают методы теоретического исследования сложных физических процессов, протекающих в рассматриваемом технологическом устройстве. Большое количество коммерческих пакетов прикладных программ существующих сегодня и ориентированных на применение учеными и инженерами в различных областях науки и техники позволяют на математических моделях исследовать физические процессы, протекающие в миксере сопротивления. Одной из таких программ является конечно-элементный программный комплекс ANSYS Multiphysics.
Исходя из особенностей конструкции миксера, можно сделать вывод, что наиболее полное представление о тепловых процессах, протекающих в миксере, может дать их анализ в трехмерной постановке. Поэтому, для проведения математического моделирования тепловых и электрических процессов, исходя из технического задания (ПРИЛОЖЕНИЕ А) на проектирование электрического миксера сопротивления емкостью 80 тонн, определяем основные геометрические размеры и физические свойства (коэффициенты теплопроводности, плотности, теплоемкости и т. д.) основных элементов миксера, которые будут задаваться в дальнейшем как исходные данные для элементов трехмерной геометрической модели миксера (ПРИЛОЖЕНИЕ Б).
Трехмерная геометрическая модель миксера сопротивления, для приготовления алюминиевых сплавов представлена на рисунке 2.1 (а, б, в и г). Геометрическая модель состоит из свода 1, передней стены 2, форкамер 3, боковой стенки с карманом 4, кармана 5, боковой стенки без кармана 6, окна для МГД перемешивателя 7, леток 8, задней стенки 9, подины 10.
Внутреннее пространство миксера представлено на рисунке 2.2. На рисунке представлено среднее сечение геометрической модели миксера, на котором видна конструкция основных его элементов и расположение уровня сплава.
Как видно из рисунков 2.1 и 2.2, тепловые процессы, протекающие в миксере имеют сложный характер. Рабочая температура миксера сопротивления для приготовления алюминиевых сплавов лежит в пределах 900-1000 С. Согласно классификации промышленных печей [1], такое технологическое оборудование относится к разряду высокотемпературных печей, в которых теплопередача от нагревательных элементов к нагреваемому телу осуществляется главным образом за счет излучения. Исходя из выше изложенного, видно, что тепловые процессы, протекающие при приготовлении сплава в миксере сопротивления, имеют сложный характер. Так в области модели занятой футеровкой, процессы теплообмена описываются дифференциальным уравнением теплопроводности. В области 11, занятой жидким сплавом, процессы теплообмена описываются уравнениями тепло- и массо- переноса. Пространство миксера занимаемое воздушной средой подчиняется законам газодинамики. Для построения математической модели, проведем анализ факторов, влияющих на процессы теплообмена, с целью выявления наиболее существенных из них и отражения их в математической модели. Факторы, не оказывающие существенного влияния на процессы теплообмена в миксере можно исключить, приняв соответствующие допущения. Приготовление расплава в миксере, большую часть времени проходит при закрытых форкамерах и тепловыми потерями через открытые форкамеры можно пренебречь. Таким образом, можно считать, что во внутренней полости миксера, при приготовлении сплава, не наблюдается интенсивного термоконвективного движения воздушных масс. Незначительный термоконвективный обмен с окружающей средой наблюдается через технологические зазоры в области кармана миксера и стене, содержащей форкамеры. Однако существенного влияния на процессы теплообмена они не оказывают. Исходя из этого, при построении математической модели можно пренебречь этими зазорами и не учитывать процессы газодинамики в миксере. Поэтому, считаем, что во внутренней области миксера, теплообмен осуществляется только за счет излучения и взаимного облучения внутренних поверхностей стенок миксера. При этом среда принимается абсолютно прозрачной.
Математическое моделирование тепловых процессов в физической модели миксера
Для оценки тепловой эффективности предложенного электронагревателя проведено математическое моделирование его температурного поля (рисунок 4.3). Тепловая энергия от стержней электронагревателя передается дистанцирующему устройству и нагревает поверхность дистанцирующего устройства до температуры 1064 С. От дистанцирующего устройства тепловая энергия передается и к полке 1, на которой устанавливаются электронагреватели. Температура полки 1 зависит от коэффициента теплопроводности материала, из которого она изготавливается, приемлемое значение теплопроводности как материала полки, так и дистанцирующего устройства лежит в диапазоне При этих значениях коэффициента теплопроводности температура поверхности полки находится в пределах -1000 С. Последние являются излучателями энергии в сторону сплава, что позволяет существенно увеличить коэффициент эффективности излучения (&-эф) электронагревателей, так как увеличивается активно излучающая поверхность в сторону сплава за счет увеличения среднеинтегральной температуры по поверхности свода (стержни нагревательных элементов, дистанцирующее устройство, полка). Полезная доля теплового потока от свода при этом возрастает, что приводит к уменьшению температуры на стержнях нагревательных элементов за счет перераспределения температуры между керамикой дистанцирующего устройства, полкой и стержнями нагревательных элементов при требуемой одинаковой полезной мощности миксера, а это увеличивает срок службы стержней нагревательных элементов. При поддержании же максимально допустимой температуры на стержнях нагревательных элементов за счет увеличения тепловой эффективности миксера появляется возможность увеличить общую мощность миксера и повысить его производительность, промышленные испытания изготовленных нагревателей будут проводиться на ОАО «КрАЗ» в 2005 году.
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. 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.
Математическое моделирование тепловых процессов и уточнение результатов расчета
В процессе проведения исследований на физической модели решались следующие задачи: определение основных параметров физической модели миксера в процессе нагрева сплава: температуры поверхности каркаса; температуры электронагревателей; температуры сплава у поверхности и подины ванны, при интенсивном МГД-перемешивании; определение эффективности МГД-перемешивания по полученным данным. 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 на нагревателях не более 17 А. Эксперимент заключается в том, что при подаче на вход объекта, находящегося в установившемся состоянии, единичного ступенчатого воздействия, объект переходит в другое установившееся состояние, при этом производится снятие разгонных кривых (температуры электронагревателей, сплава у подины и поверхности, а также поверхности каркаса модели миксера). С этой целью экспериментально определен диапазон воздействий по току, позволяющий получить необходимые разгонные кривые, не выходя за границы принятых ограничений. Исходя из определенного диапазона воздействий, в физической модели миксера был достигнут установившийся тепловой режим при интенсивном МГД-перемешивании 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 3.6. По характеру разгонных кривых видно, что тепловые процессы в миксере (температура электронагревателей, сплава) можно описать передаточной функцией первого порядка (1.14), 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. Поэтому для контроля температуры сплава при МГД-перемешивании достаточно одной термопары, устанавливаемой у поверхности. Также в процессе эксперимента, проводились измерения температуры каркаса физической модели миксера (свода, боковой стенки и подины), представленные на рисунке 3.7. Максимальная температура наблюдается на своде миксера, что объясняется высокой температурой на внутренней поверхности свода, обусловленной близостью электронагревателей. Но в связи с тем, что все измерения температур на физической модели проводились термопарами, оказывающими собственное влияние на вид разгонных кривых, при построении математической модели для САР необходимо учитывать это влияние. С этой целью экспериментально были получены характеристики используемых термопар (рисунок 3.8), что позволило в дальнейшем при обработке данных исключить это влияние. Математическое моделирование тепловых процессов, протекающих в физической модели миксера, производилось с использованием математического описания и допущений, рассмотренных ранее в главе 2. Для этого была построена точная геометрическая модель экспериментальной установки и заданы исходные данные всех элементов трехмерной геометрической модели миксера: футеровки; сплава; нагревателей. В качестве начальных условий принимался стационарный режим, при токе на нагревателях 5 А. Для проведения теплового расчета в геометрической модели была построена сетка, ее параметры составили 10275 элементов (рисунок 3.9 а, б). Используя принятые допущения и описания, было проведено моделирование тепловых процессов в программном продукте ANSYS.
В результате моделирования получена картина распределения температурного поля в трехмерной модели миксера (рисунок 3.10 а, б), а так же разгонные кривые изменения температуры нагревателей, сплава (рисунок 3.11) и каркаса (рисунок 3.12), при единичном ступенчатом изменении тока до 6 А.
Распределения температур по поверхности модели миксера представлены на рисунках 3.10 а и б. Как видно из рисунков температура поверхности модели миксера лежит в диапазоне температур от 20 до 212 С. Максимальное значение температуры, порядка 212 С, наблюдается в области выводов электронагревателей, подсоединяемых к токоподводам.
По характеру разгонных кривых (рисунок 3.11) видно, что тепловые процессы в модели миксера (температура нагревателей, сплава) можно описать передаточной функцией апериодического звена первого порядка (1.14).
