Содержание к диссертации
Введение
1 Процессный подход к управлению качеством специальными технологическими процессами и определение узких мест производственной цепочки изготовления отливок 12
1.1 Процессный подход к функционированию СМК на машиностроительном предприятии 13
1.2 Управление процессами СМК на машиностроительном предприятии 16
1.3 Технология производства отливок чугунного литья 20
1.3.1 Классификация и особенности применения чугунов 20
1.3.2 Технология производства отливок в цехе чугунного литья 22
1.3.3 Технологический процесс на участке плавки и заливки металла 26
1.3.4 Технологические требования к температуре жидкого металла 28
1.3.5 Выбор контрольных точек технологического процесса и определение технологических режимов, влияющих на качество продукции 28
2 Анализ методов и средств измерения температуры в литейном производстве 38
2.1 Графитовые дилатометры и метод «свидетелей» 39
2.2 Измерение температур с помощью термопар 41
2.2.1 Погрешности контактных методов измерения температур 41
2.2.2 Погрешность из-за лучистого теплообмена 41
2.2.3 Погрешности из-за отвода тепла теплопроводностью 45
2.2.4 Конструктивные недостатки термопар 48
2.2.5 Тепловая инерция термометров 49
2.2.6 Термопары для измерения температуры кратковременным погружением 54
2.2.7 Непрерывное измерение температуры жидких металлов 55
2.2.8 Измерение температуры на поверхности и внутри литейного оборудования 56
2.3 Методы измерения температуры тел по их излучению 59
2.4 Преимущества и недостатки бесконтактного измерения температуры 61
2.5 Измерение по излучению жидких металлов 68
2.6 Сравнительный анализ методов и средств измерения температур в металлургической промышленности 69
2.7 SWOT-анализ неразрушающих методов контроля 70
3 Теоретическое обоснование и экспериментальное тестирование алгоритмов для статистического анализа управляемости производственных процессов 74
3.1 Актуальность применения диаграммы Парето для анализа проблем в процессе производства продукции 76
3.2 Принцип действия, функциональные возможности и ограничения электронной таблицы для построения диаграммы Парето 78
3.2.1 Анализ существующих программных продуктов для построения диаграммы Парето 79
3.2.2 Постановка задачи 82
3.2.3 Принцип действия электронной таблицы для построения диаграммы Парето 83
3.2.4 Функциональные возможности «Электронная таблица Парето» и ее ограничения 86
3.2.5 Технические и специальные требования 87
3.3 Тестирование методики статистического анализа управления производственными процессами 88
3.4 Анализ дефектов продукции на предприятии 97
4 Вычислительный эксперимент и разработка предопределенной системы управления качеством на основе математического моделирования литейного оборудования 101
4.1 Общие положения метода элементарных энергетических балансов 101
4.2 Применение метода элементарных энергетических балансов для расчета сопряженных температурных полей 103
4.3 Разработка программы для расчета температурного поля барабанного ковша 114
4.3.1 Постановка задачи 114
4.3.2 Построение математической модели барабанного ковша 115
4.4 Планирование и проведение эксперимента 121
4.5 Проверка адекватности математической модели 127
4.6 Разработка предопределенной система управления качеством 133
Заключение 143
Список использованных источников 145
- Классификация и особенности применения чугунов
- Погрешности контактных методов измерения температур
- Принцип действия, функциональные возможности и ограничения электронной таблицы для построения диаграммы Парето
- Разработка программы для расчета температурного поля барабанного ковша
Введение к работе
Актуальность темы. Современные рыночные отношения предъявляют к промышленным предприятиям высокие конкурентные требования в соотношении «качество продукции - цена», что в результате мотивирует промышленников к снижению производственных потерь и себестоимости, а также постоянному повышению качества выпускаемой продукции с помощью современных методов контроля и управления качеством. Основной причиной некачественной продукции машиностроительных предприятий является несовершенство производственных процессов, которые обладают высокой степенью вариабельности и заведомо приводят к выпуску дефектной продукции. Для машиностроительной отрасли особенно актуальным является литейное производство, поскольку, на вариабельность данных производственных процессов оказывает влияние большое количество факторов, а попадание дефектных отливок на последующие стадии производственного цикла приносит значительные потери от брака. В свою очередь по данным статистики годовой объем производства отливок в мире превышает 100 млн. т., из которых около 20 % приходится на Российскую Федерацию. Однако литейная технология имеет ряд проблем, которые приводят к технологически неизбежным потерям от 5 до 10 %.
Важным является не только соответствие требованиям отдельной партии отливок, но и стабильность качества объекта управления в долгосрочной перспективе, уменьшение потерь, связанных с несовершенством технологии и производственной системы в целом. Существенным является тот факт, что литейное производство это специальный процесс и качество отливок можно оценить только после завершения процесса розлива металла. Анализ технологии производства отливок показал, что температура расплавленного металла является одним из важнейших факторов при производстве отливок, следовательно, необходимо управлять динамикой данного параметра в режиме реального времени. В существующей технологии управление температурой металла не осуществляется, а проводится лишь контроль посредством пирометров и термопар (замер температуры металла в контрольных точках), что свидетельствует об отсутствии системного подхода и обратной связи в управлении специальными процессами. С другой стороны, объективным препятствием повышению качества выпускаемых изделий и сокращению уровня дефектности продукции на большинстве машиностроительных предприятий России является физически устаревшее оборудование, а также устаревшие и не совершенные методы и средства контроля технологических процессов.
Как показал проведенный анализ, вопрос выбора средств измерения обусловлен условиями эксплуатации, возможностью применения в определенных температурных режимах, способом доступа к объекту измерения, инерционностью и т.д. Все перечисленные факторы затрудняют принятие решения при контроле качества продукции литейного производства при этом активно идущая на современных предприятиях информатизация и компьютеризация производства ставит перед предприятиями задачу моделирования технологических процессов и создания эффективных систем управления качеством продукции.
Таким образом, актуальной является задача разработки информационной модели динамики качества процесса розлива металла с целью осуществления предупреждающих действий на основе критерия, позволяющего прогнозировать качество конечной продукции.
Цель работы заключается в повышении эффективности и снижении дефектности технологического процесса розлива металла посредством разработки методов управления качеством специальными процессами за счет предопределения конечного результата.
Объект исследования. Производственный процесс изготовления отливок из серого чугуна.
Предмет исследования. Взаимосвязи между действующими факторами процесса розлива металла и методы управления его качеством.
Задачи исследования. Для достижения поставленной цели в рамках диссертационной работы необходимо решить следующие основные задачи:
- провести анализ технологического процесса розлива металла для выявления и
классификации несоответствий, приводящих к увеличению дефектности отливок, и источников их возникновения;
- на основе анализа Парето сформировать перечень возможных литейных дефектов
и выделить основные причины, которые значительно влияют на дефектность отливок;
- разработать математическую модель критичного оборудования в виде
специальной программы для ЭВМ с точки зрения степени влияния на качество конечного продукта;
- выполнить экспериментальные исследования и получить статистический анализ
соответствия математической модели реальному объекту;
- разработать методику проведения статистического анализа информации о
качестве продукции в процессе производства на основе простых инструментов управления качеством;
- разработать производственную инструкцию по применению цикла PDCA и
статистических методов управления качеством, позволяющих стандартизовать ритмичное снижение уровня дефектности;
- разработать алгоритм определения уровня дефектности технологического
процесса производства отливок и реализующую его программу для ЭВМ;
- провести опытную апробацию разработанных программных продуктов, методики
и производственной инструкции в условиях реального производства для подтверждения их пригодности к применению.
Методы исследования, обоснованность и достоверность. В работе применен
комплексный подход, основанный на теоретическом анализе и эксперименте.
Исследования проводились на основе методов всеобщего управления качеством (TQM);
квалиметрии; метрологии; метода элементарных энергетических балансов;
математической статистики; инструментов управления качеством и математического моделирования с использованием языков программирования VBA (Visual Basic for Applications) и Turbo Pascal 7.0.
Обоснованность и достоверность научных положений и выводов подтверждаются
фундаментальными законами термодинамики; корректностью допущений, принимаемых
при математическом моделировании и при разработке методических материалов;
использованием аттестованного измерительного оборудования при проведении
экспериментов; сходимостью теоретических положений с результатами
экспериментальных исследований (расхождение не превышает 10 %); апробацией основных результатов работы на Всероссийских и международных научных конференциях и внедрением разработанных методик и алгоритмов на машиностроительных предприятиях Российской Федерации.
Область исследований. Содержание диссертации соответствует п. 1 «Методы анализа, синтеза и оптимизации, математические и информационные модели состояния и динамики качества объектов» и п. 5 «Методы стандартизации и управления качеством в CALS-технологиях и автоматизированных производственных системах» паспорта научной
специальности 05.02.23 – «Стандартизация и управление качеством продукции» (технические науки).
Автор защищает:
-
Алгоритм применения инструментов управления качеством и реализующую его компьютерную программу, предназначенный для снижения уровня дефектности производственных процессов. Методику инженерной оценки качества технологического процесса, основанную на корреляционном анализе индексов воспроизводимости процессов, позволяющую повысить точность расчетов и автоматизировать вычисления ожидаемого уровня дефектности технологического процесса.
-
Систему управления, соответствующую алгоритму применения инструментов управления качеством, реализованную в виде модели и компьютерной программы нестационарного температурного поля литейного оборудования на основе метода элементарных энергетических балансов, применение которых позволяет с высоким быстродействием и точностью вычислять трехмерное температурное поле литейного оборудования перед началом специального технологического процесса на основе факторов изменяющихся на коротком промежутке времени.
-
Систему управления качеством специальным технологическим процессом, основанную на широтно-импульсном модулировании, обеспечивающую эффективный контроль за расходом энергоресурсов и позволяющую прогнозировать качество конечного продукта.
Научная новизна работы.
-
С целью управления процессом и контроля факторов изменяющихся на коротком промежутке времени разработан программный продукт в основу которого положена математическая модель нестационарного температурного поля литейного оборудования.
-
Предложена методика расчета индексов воспроизводимости процессов (Cp и Cpk) на основе корреляционного анализа, позволяющая повысить точность расчетов уровня дефектности производственных процессов (свидетельство № 2009612539 от 13.07.2009).
-
Быстродействие системы рассмотренной как система широтно-импульсного модулирования (ШИМ) в которой широта импульса (критерий управления качеством) определяет качество продукции и рассчитывается в результате применения разработанного программного продукта (свидетельство № 2011618037 от 10.01.2012).
Практическая значимость и реализация результатов работы.
Управление качеством (как показано на примере литейного производства)
требует системного подхода, для реализации которого разработана модель
нестационарного температурного поля литейного оборудования на основе метода элементарных энергетических балансов, позволяющая с высоким быстродействием и точностью вычислять трехмерное температурное поле литейного оборудования в системе управления качеством технологического процесса.
Разработанные методики, алгоритмы и программы дают возможность с высокой степенью вероятности и за минимальное время прогнозировать период нагрева литейного оборудования и определять уровень дефектности конечного продукта до запуска в производство, исключая возможность повторение ошибок и повышая надежность системы управления качеством.
Результаты диссертационной работы использованы в НИОКР, выполненных в соответствии с грантом Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере по теме: «Разработка современных моделей и устройств с использованием новых методов и технологий», проект № 10209 2010 года «Разработка численной модели нестанционарного теплового поля ковша для разливки чугуна».
Результаты работы используются (получены акт внедрения и акт
производственных испытаний) в производственной деятельности пяти цехов основного
производства ООО «ПК «НЭВЗ» (г. Новочеркасск) и в цехе № 30 ОАО «Демиховский
машиностроительный завод» (г. Орехово-Зуево), входящих в состав
ЗАО «Трансмашхолдинг» крупнейшей в России компании в области транспортного машиностроения.
Отдельные материалы диссертационной работы используются в учебном
процессе ЮРГТУ (НПИ) при подготовке инженеров по специальности 221400
«Управление качеством» и магистров по направлению 220200.68 «Автоматизация и
управление», при выполнении дипломных работ по специальности 221400 «Управление
качеством», а также в учебном процессе корпоративного учебного центра
ООО «ПК «НЭВЗ» при повышении квалификации производственных мастеров,
технологов и контролеров ОТК.
Новизна и практическая ценность результатов диссертационных исследований подтверждена двумя авторскими свидетельствами о регистрации программы для ЭВМ.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференциях различного уровня, в том числе:
XXI и XXII Международная научная конференция «Математические методы в технике и технологиях» (Саратов, 2008; Псков, 2009);
Международная научно-практическая конференция «Информационные и управляющие системы в пищевой и химической промышленности» (Воронеж, 2009);
Межрегиональная научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых Южного федерального округа «Студенческая научная весна – 2009» (Новочеркасск, 2009);
Международная научно-практическая конференция «Бережливое производство -фактор прогрессивного развития производственных систем» (Новочеркасск, 2012);
Международная молодежная конференция «Академические и фундаментальные исследования молодых ученых России и Германии в условиях глобального мира и новой культуры научных публикаций» (Новочеркасск, 2012).
Публикации. По результатам исследований опубликовано 14 печатных работ, в том числе 3 статья в рецензируемых научных журналах, входящих в перечень рецензируемых научных журналов и изданий, получено 2 авторских свидетельства о регистрации программы для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем работы ___ стр. основного текста, __ рисунка, __ таблиц, список литературы из __ наименований и __ стр. приложений.
Классификация и особенности применения чугунов
Один из восьми принципов менеджмента качества, на котором базируются стандарты ISO 9000, касается процессного подхода. Желаемый результат достигается более эффективно, когда соответствующими ресурсами и видами деятельности управляют как процессами. Суть процессного подхода заключается в том, что выполнение каждой работы рассматривается как процесс, а функционирование организации рассматривается как цепочка взаимосвязанных процессов, необходимых для выпуска продукции либо оказания услуги, что особенно существенно для крупных производственных комплексов. Выход процесса обладает ценностью для потребителя [6].
В соответствии с ГОСТ ISO 9001-2011 и, в частности, со специализирова-ным международным стандартом железнодорожной промышлености IRIS для каждого процесса должны быть определены входные и выходные требования, технология преобразования входа в выход, порядок управления процессом, его владелец, а также его потребитель.
Основные требования сориентированы на потребителя. Они начинаются с запросов потребителя и заканчиваются ими. Важным признаком процесса явля 14 ется то, что он сориентирован, как на отдельные производственные участки технологической цепочки, так и на конечного потребителя продукции, которые и определяют для себя ценность продукции, получаемой на выходе. Может оказаться, что продукция никому не нужна, и тогда процесс становится бесполезным. Вот почему потребитель - это всегда самое важное звено процесса, и его требования должны быть учтены как на входе в процесс, так и на выходе из него [7].
В соответствии с требованиями ГОСТ ISO 9001-2011 и IRIS каждое предприятие должно определить процессы в соответствии со структурной моделью по четырем взаимосвязанным блокам процессов. Система менеджмента качества должна охватывать все виды деятельности, влияющие на качество выпускаемой продукции, что иллюстрируется в указанном ГОСТе (рисунок 1.1). В соответствии с ним в систему следует включать следующие процессы: - процессы мониторинга, измерения и анализа, а также их улучшения [8]. В работе уделяется внимание процессам жизненного цикла продукции и процессам мониторинга, измерения и анализа, а также их улучшения. Примерами процессов выпуска продукции являются планирование, процессы, связанные с потребителем, процесс проектирования и разработки, процесс закупки, предоставление продукции либо услуги. Примерами процессов блока измерения, анализов и улучшения являются процессы демонстрации соответствия продукции, соответствия системы и постоянного улучшения.
Поскольку процессы, особенно в крупных организациях, включают множество составляющих, то взаимодействие между процессами, как правило, имеет сложный характер, вследствие чего образуется сеть взаимосвязанных процессов. Входные и выходные параметры этих процессов могут быть связаны как с внешними, так и с внутренними потребителями [9]. Обратная связь с потребителем, характеризуемая критериями удовлетворенности (неудовлетворенности) выходом процесса, является основным входом процесса постоянного совершенствования системы менеджмента качества.
Согласно ГОСТ ISO 9001-2011 и IRIS организации необходимо также определить критерии и методы, обеспечивающие эффективность реализации и управления процессами. При решении этой задачи каждое предприятие определяет для себя, каковы характеристики результатов процессов, каковы критерии контроля измерений и анализа, каковы экономические характеристики (стоимость, время, убытки), какие методы целесообразно использовать для сбора и анализа данных, что не всегда имеет проработанную методологию и как следствие критерии управления качеством.
При измерении, контроле и анализе процесса организации необходимо определить, как можно осуществлять мониторинг протекания процесса (сбор сведений о производительности процесса, удовлетворенности потребителей), какие измерения при этом необходимы, каким путем лучше анализировать собранную информацию, что говорят результаты этого анализа [10].
Разработка методики и критериев управления способствует осуществлению действий, необходимых для достижения запланированных результатов и непрерывного совершенствования процесса, определению, как можно улучшить процесс, какие корректирующие и предупреждающие действия необходимы, и результативны ли они.
Такие меры не должны противоречить сертификату, выданному по ГОСТ ISO 9001-2011 , где дается четкое определение области применения системы менеджмента качества, чтобы не вводить в заблуждение потребителей. Пользователю должна гарантироваться доступность информации о том, какие категории продукции и процессы ее жизненного цикла включаются в область сертификации. В частности, область применения должна быть четко определена в части проектирования и разработки продукции, а также таких основных процессах жизненного цикла, как производство, сбыт и обслуживание [11].
Очевидно, что выпускаемая продукция не ограничивается полезной или предполагаемой продукцией, но также включает незапланированную продукцию. Необходимо помнить, что процессы взаимодействуют, и исходящие элементы одних процессов составляют входящие элементы других и могут также управлять ими. Подобные взаимодействия могут быть довольно сложными в зависимости от размера и характера деятельности организации. Необходимо идентифицировать их на стадии планирования, оптимизировать, а затем контролировать их и управлять ими внутри СМК.
Погрешности контактных методов измерения температур
Из (2.5) видно, что погрешность за счет теплоотвода особенно сильно зависит от глубины L погружения термоприемника. Заметное влияние оказывает температура защитного чехла в месте соприкосновения его со стенкой - тСТ. Для повышения величины tСТ необходимо обеспечить надежную изоляцию стенки. Наконец, погрешность тем меньше, чем больше величина b, поэтому выбирают геометрические размеры защитного чехла так, чтобы отношение P/S было возможно больше и материал этого чехла обладал меньшей теплопроводностью.
В реальных условиях часто имеет место более сложный случай - термоприемник расположен в двух средах (жидкий металл-воздух), так как защитный чехол значительно выступает над измеряемой средой. Расчет погрешностей для такого термометра более сложен.
Если рассматривать этот термоприемник как стержень, находящийся в двух средах с температурами ti и t2, то качественную оценку распределения температур вдоль этого стержня при коэффициентах теплоотдачи і и 2 можно изобразить графиком, приведенным на рисунке Распределение температуры вдоль термометра (стержня), находящегося в двух средах с температурами t1 и t2 и коэффициентами теплоотдачи 1 и 2 от сред к термометру.
Использование контактных методов для измерения нестационарных температур связано с необходимостью учета термической инерции термометров. Термическую инерцию контактных измерителей температуры необходимо учитывать также и при кратковременных измерениях стационарных температур, недопускающих наступление теплового равновесия термоприемника и окружающей среды. Под термической инерцией любого тела или системы понимают их свойство менять свою температуру под действием переменной температуры внешней среды не мгновенно, а по истечении некоторого промежутка времени. В течение этого времени внутри тела происходит соответствующее изменение энтальпии и температурного поля тела. Термическая инерция является свойством всех физических тел. Следовательно, безинерционный термометр принципиально не может быть создан.
Теоретическое рассмотрение вопросов об изменении теплового состояния тел под воздействием тех или других внешних условий основано на решении (с соответствующими начальными и граничными условиями) основного уравнения теплопроводности. Одно из простейших решений дает случай, соответствующий переходу в некоторый начальный момент (для времени = 0) температуры среды, окружающей тело, скачком от одной стационарной температуры t0 к другой, тоже стационарной tС. Предполагается, что в начальный момент процесса распределение температуры внутри термоприемника было равномерным, т. е. [27]: в(г;О) = в0 где r - координата данной точки термоприемника; 0 - координата времени (начальный момент). В этот момент значения температуры 0 термоприемника и среды t0 равны между собой.
Для упрощения решения этого вопроса приходится вводить допущение, что в течение всего рассматриваемого процесса ( 0) коэффициент теплоотдачи остается постоянным. Процесс перехода тела из одного теплового состояния в другое называют переходным.
Если предположить, что в начальный момент процесса распределение температуры внутри тела было равномерное, то можно решить общее уравнение теплопроводности [27]. Решение уравнения получается в форме сходящегося бесконечного ряда.
По мере увеличения членов ряда быстро возрастает показатель степени экспоненциальной функции каждого члена. Поэтому с течением времени (от начала процесса) сходимость ряда быстро увеличивается, и, наконец, наступает момент 1 (рисунок 2.6), когда все члены ряда, кроме первого, становятся чрезвычайно малыми. Это значит, что в промежутке времени от = 0 до 1 изменение температур в различных точках термоприемника происходит по различным законам.
Переходная характеристика температуры тела Не смотря на то, что переходая характеристика аппроксимируется экспо-нентой второго порядка, но начиная с момента 1 называемого по предложению Г. М. Кондратьева [26] моментом регуляризации, весь дальнейший процесс изменения температуры тела описывается одним членом, экспоненциально меняющимся во времени, т. е. во всех точках термоприемника изменение температуры происходит по экспоненциальному закону. Эта стадия переходного процесса называется регулярным режимом первого рода. Если же отсчет времени вести от некоторого момента, для которого существует регулярный режим, например от момента регуляризации 1 то из уравнения теплопроводности получим:
Величина Т называется постоянной (показателем) тепловой инерции. Постоянная тепловой инерции - это время, необходимое для того, чтобы при внесении термоприемника в среду с постоянной температурой разность температур среды и любой точки внесенного в нее термоприемника стала равной 0,37 от величины, которую она имела в момент наступления регулярного теплового режима.
Для определения постоянной тепловой инерции можно использовать не только происходящие со временем изменения температуры тела в данной его точке, но и изменения средней объемной температуры
Принцип действия, функциональные возможности и ограничения электронной таблицы для построения диаграммы Парето
В настоящее время наиболее распространенным методом измерения температуры жидких железных сплавов является измерение с помощью термопар кратковременного погружения. В этом случае применяют термопары вольфрам - молибденовые, платинородий - платиновые (ПП-1), платинородий - платино-родиевые (ПР 30/6) и вольфрам - рениевые (ВР) [30, 31].
Основным преимуществом термопары, изготовленной из вольфрама и молибдена (ВМ), по сравнению с термопарами платиновой группы, является возможность измерять температуру до 2000 С и недефицитность материалов. Термопара ВМ дешевле термопары ПП в несколько десятков раз. Однако термопара ВМ в рабочем интервале температур имеет низкую чувствительность. При температуре выше 1300 С термоэлектроды термопары ВМ становятся хрупкими.
Термопару платинородий - платиновую (ПП-1) широко применяют для измерения температуры жидких металлов, хотя неоднократные испытания показали, что эта термопара в рассматриваемых условиях является наименее стабильной. При периодических погружениях термопары в жидкий металл быстро ухудшается и без того ее малая механическая прочность [32].
В последние годы для измерения температуры жидких металлов широко используется термопара платинородий - платинородий (ПП 30/6). Эта термопара обладает наибольшей стабильностью и поэтому повышает точность измерения. Платинородиевые сплавы более устойчивы (на порядок) к загрязнениям металлов парами и газами, чем чистая платина. Однако прочность термоэлек 55 тродов таких термопар на растяжение невысока, поэтому, если не предусмотреть специальной конструкции арматуры термопар, надежность измерений несколько снижается. Применение термопар платиновой группы для измерения температуры жидких металлов обходится предприятию чрезвычайно дорого.
Существуют термопары из сплавов вольфрама с рением (ВР 10/20; ВР 5/20). Эти термопары могут применяться при температуре выше 2000 С. Они обладают высокой механической прочностью и достаточной стабильностью. Так как рений редкий металл, то стремятся свести к минимуму диаметры термоэлектродов.
На металлургических заводах применяется также термопара вольфрам -молибден с 0,5 % алюминия. Эта термопара в рабочем интервале имеет более высокую чувствительность, чем термопара ВМ и несколько большую, чем термопара платинородий - платинородий (ПР-30/6). Однако стабильность ее характеристики ниже, чем у термопары ВМ.
Непрерывное измерение температуры жидких металлов Температуру жидких черных металлов на предприятиях непрерывно измеряют довольно редко. Температуру чугуна при выпуске его из доменной печи измеряют термопарой ПП-1, защищенной фарфоровой трубой, поверх которой надет графитовый чехол. Для охлаждения и продувки трубы используют сжатый воздух. Компенсационные провода в освинцованной защите проложены в трубе.
Имеется некоторый опыт непрерывного измерения температуры жидкой стали в ванне мартеновской печи с помощью водоохлаждаемой термопары ПР 30/6. Для защиты от агрессивных газов используется газонепроницаемый трехслойный наконечник. Термопару погружают через заднюю стенку с помощью арматуры, охлаждаемой водой. Проведенные опыты показали, что такой термометр работает нормально от 2,5 до 3 ч. Измерять температуру жидкого металла в ковше в процессе его выдержки перед разливкой в форму целесообразно термометром постоянного погружения. Чтобы термометр, вмонтирован 56 ный вблизи дна ковша, не разрушался струей металла, кварцевый колпачок, защищающий спай термопары, должен выступать из окружающей керамической арматуры только на 0,1 м [30, 33].
Более перспективными являются термометры из тугоплавких соединений и их комбинации с другими материалами.
Измерение температуры на поверхности и внутри литейного оборудования При измерении температур твердых поверхностей контактными методами могут возникать значительные погрешности вследствие нарушения температурного поля измеряемого тела за счет утечки тепла по термоприемнику, а иногда и за счет недостаточного контакта последнего с измеряемой поверхностью.
При измерении температуры поверхности твердых тел, омываемых воздухом, газом или жидким металлом, следует учитывать, что температура среды даже вблизи самой поверхности резко отличается от температуры поверхности тела. Поэтому первым условием достаточно точного измерения является надежный контакт термоприемника с поверхностью. При измерении металлических поверхностей термопарой рабочий конец последней обычно зачекани-вают на поверхности или приваривают к ней [34].
Необходимо принять меры для уменьшения погрешности за счет отвода тепла по термоэлектродам термопары. Это особенно важно, если поверхность изготовлена из материала с малой теплопроводностью. На рисунке 2.9 приведены примеры правильного и неправильного измерения температуры поверхности твердого тела [27].
Разработка программы для расчета температурного поля барабанного ковша
Наибольшее применение в теории теплопроводности в силу своей универсальности получили разностные методы решения задач. Идея методов со стоит в следующем. Область непрерывного изменения значения аргументов заменяется расчетной сеткой - дискретным множеством точек (узлов). Вместо функции непрерывных аргументов вводятся функции дискретных аргументов -сеточные функции, определяемые в узлах сетки. Частные производные, входящие в дифференциальное уравнение теплопроводности и граничные условия, аппроксимируются разностными соотношениями.
В результате такой замены краевая задача в частных производных сводится к системе разностных алгебраических уравнений, называемых еще разностной схемой. Если решение системы разностных уравнений существует и при измельчении сетки стремится к решению поставленной задачи (т.е. сходится), то это решение и является искомым приближенным уравнением краевой задачи. Несмотря на то, что число неизвестных в этой системе алгебраических уравнений весьма значительно, решение ее с точки зрения математической сложности более просто, чем исходной задачи.
Наиболее гибким, простым и универсальным для решения задач энергообмена из разностных методик, является метод элементарных энергетических балансов, предложенный в 1946 г. А.Н. Ваничевым, применительно к задачам теплопроводности [45]. Согласно этому методу, изучаемый объект разбивается на элементарные объемы. Предполагается, что теплофизические свойства каждого элемента объема соответствуют их значениям в центральной узловой точке. Таким образом, дискретными становятся не только пространство, но поля всех функций. Для каждого из элементарных объемов составляется уравнение баланса энергии за элементарный период. Передача тепла между узловыми точками осуществляется стационарно, т.е. через установившийся тепловой поток между соседними элементами. В стационарном состоянии в каждой узловой точке происходит подвод теплоты и изменяется внутренняя энергия, т.е. температура.
Чем меньших размеров будут элементарные объемы и меньше шаг времени, тем более точно будут рассчитываться нестационарные потоки во всем тепловом объекте. Однако увеличение количества элементарных объемов при 103 водит к резкому росту количества итераций, выполняемых при расчете.
Основным преимуществом данного метода является то, что каждое из уравнений энергетического баланса содержит только одну неизвестную величину – значение температуры узловой точки данного элемента в момент времени +, вычисление которой не вызывает затруднений. Составляя и решая такие уравнения последовательно для каждого из элементарных объемов, на которые разбито тело, получаем значение температур всех узловых точек в момент времени +. Такой метод составления уравнений, когда каждое их них содержит одну неизвестную величину, носит наименование «явного» метода счета.
Для решения задачи построения трехмерной тепловой модели барабанного ковша целесообразно применять метод элементарных энергетических балансов как наиболее оптимальный и простой в реализации.
Используя метод элементарных энергетических балансов, аргументам x, у, z и т задают малые, но конечные приращения Ах, Ay, Az и Ат. Таким образом, пространство и время становятся дискретными. Пространство оказывается разбитым на элементарные объемы AV = AxAyAz. Дискретными становятся и поля всех функций. Их значения могут быть известны лишь в так называемых узловых точках, отстоящих друг от друга на расстоянии Ах, Ay, Az, и в моменты кратные Ат. Узловые точки располагаются в внутри элементарных объемов. Для каждого из элементарных объемов составляется уравнение баланса энергии за период Ат. При этом учитывается, что значения всех функций известны лишь для узловых точек. Предполагается также, что известны поля всех величин для момента начала интервала времени.
В нестационарных состояниях результатом энергообмена данного элементарного объема с соседними элементарными объемами и окружающей средой является изменение его энтальпии, а изменение энтальпии зависит от изменения температуры элемента во времени. Это создает возможность определения температуры в узловой точке элемента в момент времени т+Ат. Такие уравнения могут быть составлены для каждого элементарного объема, на которое разбито тело. Последовательно решая их, получаем значения температуры в каждой из узловых точек в момент времени т+Ат, т.е. температурное поле тела в момент времени, отстоящий от начального на Ат. Затем момент времени т+Ат рассматривается как начальный, а температурное поле, соответствующее ему, как начальное распределение температур. Снова составляют и решают уравнения энергетических балансов для каждого из элементарных объемов. Эти операции повторяются до исчерпания процесса. Изменение условий задачи учиты вается при составлении системы уравнений для каждого следующего счета.
Рассмотрим методику составления уравнений элементарных балансов на примере двухмерного нестационарного температурного поля. Дано тело, для которого известно распределение температуры и значение теплофизических характеристик и коэффициентов теплоотдачи в начальный момент времени (рисунок 4.1).
