Повышение эффективности электрического плавильно-литейного агрегата Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.745.35

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПЛАВИЛЬНО-ЛИТЕЙНОГО АГРЕГАТА

А. Р. Христинич

Рассмотрены вопросы повышения надежности и эффективности электрического плавильно-литейного агрегата, в частности, поворотного электрического миксера для приготовления и разливки алюминиевых сплавов. Приведены результаты прогнозирования надежности электрических нагревателей миксера. Рассмотрены новые конструкции электрического миксера с расположением нагревателей в футеровке подины. Приведены результаты расчета его тепловой эффективности

Ключевые слова: надежность, миксер, нагреватель, эффективность

Стратегией развития отечественных плавильно-литейных производств является увеличение выпуска алюминиевых сплавов в общем объеме производства первичного алюминия, когда потребитель предъявляет жесткие требования к их качеству. В литейном производстве цветной металлургии большое распространение получили высокопроизводительные электротехнические комплексы для получения высококачественных сплавов на базе поворотных электрических миксеров сопротивления вместимостью от 10 до 100 и более тонн жидкого алюминия.

С целью получения алюминиевого продукта с заданными физико-химическими свойствами, в состав поворотного электрического плавильнолитейного агрегата, где все операции - от загрузки шихты до получения алюминиевого полуфабриката автоматизированы, входят: электрические миксеры с МГД - перемешивателями; система энергоснабжения; система автоматики;

гидравлическая и пневматическая системы, а также системы очистки и разливки расплава.

В электрических миксерах, которые являются одним из основных узлов плавильно-литейного агрегата, получение высококачественных сплавов невозможно без полной автоматизации

температурного режима - при этом необходимо

контролировать температуру расплава и

электронагревателей, так как перегрев расплава снижает его качество [1,2], а перегрев электронагревателей снижает срок их службы. Электрические миксеры часто оборудуются магнитогидродинамическими (МГ Д)

перемешивателями алюминиевого расплава, что позволяет бесконтактным способом обеспечить тепломассообменные процессы, увеличить

производительность агрегата и повысить качество продукции.

Электрический плавильно-литейный агрегат (ЭПЛА) относится к оборудованию, работающему в особо опасных условиях и для введения его в эксплуатацию требуется проведение комплексной

Христинич Алексей Романович - ПИ СФУ, аспирант, Е-таіі: [email protected]

экспертизы и получение разрешение «Ростехнадзора» Российской Федерации на его применение. В связи с этим к нему предъявляются особые требования по надежности и предупреждению аварийных ситуаций. Надежность такого оборудования определяется следующими свойствами: вероятность безотказной работы,

технический ресурс оборудования и его элементов, ремонтопригодность оборудования. При составления технико-экономического обоснования и включения в план новой разработки ЭПЛА анализируются ожидаемые показатели

технического уровня, надежности, степени унификации и технологичности новой конструкции.

С экономической и технической точек зрения, гораздо проще диагностировать оборудование, найти поломку и устранить ее, чем приобретать новую единицу. Повышение надежности, а следовательно эффективности работы и продолжительности сроков эксплуатации ЭПЛА для алюминия снижает затраты на ремонты и во много раз уменьшает экономические потери от простоя оборудования. Выяснение и устранение причин потери деталями и ЭПЛА в целом способности выполнять заданные технологические функции является важной задачей в решении проблемы повышении надежности оборудования. Таким образом, обеспечение надежного функционирования ЭПЛА на стадии эксплуатации и оценка надежности на стадии проектирования являются актуальными и требуют разработки методики планирования его надежности.

Прогнозирование надежности

электрических нагревателей поворотного миксера сопротивления.

Прогнозирование надежности электрических нагревателей, а в конечном итоге - возможного времени их безаварийной эксплуатации является важным для безаварийной работы ЭПЛА. Знание такого прогноза позволяет инженерно -

техническому персоналу, обслуживающему ЭПЛА, осуществлять планирование замен электрических нагревателей и вносить оперативные изменения в их режим работы. Для решения означенных задач

может успешно использоваться одна из многих модификаций искусственных нейронных сетей (ИНС) - конфигурация ИНС прямого

распространения с обучением по методу обратного распространения ошибки [3].

Рис. 1. Алгоритм функционирования ИНС совместно с ГА

Используемая ИНС является многослойным персептроном, во входном слое которого находится, например, 5 нейронов, в скрытом - 6 нейронов, в выходном - один нейрон. На входы нейронов скрытого и выходного слоев можно подавать параметр правдоподобия (смещение). Любой нейрон такой сети связан со всеми нейронами предыдущих и последующих слоев, связи между которыми характеризуются весовыми коэффициентами. Входными величинами являются

значения Р1,Р2,••••,Р^, полученные на основе

оценивания состояния нагревателей в процессе проведения исследований. Для обучения ИНС используется алгоритм обратного распространения ошибки совместно с генетическим алгоритмом (ГА) [4].

После установки начальных условий вводятся

значения входных величин Р1, Р2,...., р,

которые нормализуются; далее производится расчет значений сигналов на входах и выходах нейронов скрытого и выходного слоев. Для каждого тренируемого образца вычисление ошибки рассогласования выполняется по формуле

ЕР = 0,5(БИ - ОК)2 ,

где БИ - заданное значение выходного параметра, ОК - расчетное значение того же параметра.

Для ускорения обучения в нашем случае приняты: коэффициент скорости обучения

КБО = 0,85; момент ускорения обучения ЬЫОЫ = 0,9. Точность обучения ИНС определялась при помощи суммарной ошибки,

которая по заданию не превышала 5 = 10 6.

Длительность процесса вычислений с использованием алгоритма обратного

распространения зависит от многих факторов, в том числе - от выбора активационной функции [5]. В данном алгоритме использована одна из наиболее распространенных функций - нелинейная функция активации с насыщением (логистическая функция или сигмоид)

^ (Б) = 1/(1 + е ).

Однако при использовании сигмоидальной функции в качестве активационной функции наблюдается наличие локальных экстремумов, что приводит к увеличению времени поиска глобального экстремума, для отыскания которого применяется ГА.

Одним из факторов, влияющих на точность прогнозирования параметров электрических нагревателей, является нормирование входных данных. При использовании логистической активационной функции необходимо, чтобы каждое значение, подаваемое на вход ИНС, находилось в интервале от 0 до 1. Как показывают расчеты, погрешность прогноза очень сильно зависит от способа нормирования входных данных. Наиболее приемлемым для нормирования исходных данных, в нашем случае, является выражение, представленное формулой

Рн = Р / К,

где К должен принимать значения для удовлетворения неравенства р Р К. Параметр

К может подбираться как для каждой I -й выборки независимо, так и быть единым для всех выборок, участвующих в обучении ИНС.

Расчет возможного периода эксплуатации электронагревателей миксера проводился на основе данных, полученных при экспериментальной проверке возможного запаса их надежности. В процессе испытаний в течение продолжительного периода времени были проведены опыты длительной работы нагревателей с пониженными и повышенными нагрузками, изготовленные из различных материалов, при различных

технологических воздействиях.

В область исследования были включены 30 электрических нагревателей миксеров

сопротивления, для которых были определены допустимые параметры нагревателей при продолжительной их эксплуатации: номинальная мощность нагревателя -73 кВт; допустимая температура воздушного пространства вокруг

нагревателей - 850 оС; допустимая температура жидкого металла - 850 оС; максимальный ток в цепи питания нагревателей - 350 А; период эксплуатации - 2 года. Массив исходных данных также содержал ряд технико-технологических параметров электрического миксера, оказывающих существенное влияние на работу и условия эксплуатации нагревателей.

На основании исходных данных были

сделаны выборки для расчета параметров надежности нагревателей: мощности, величины тока нагревателя, температуры воздушного

пространства нагревателя, времени работы нагревателя и др.

В каждом случае применялось шесть тренировочных образцов для работы ИНС. Работа ИНС с каждой данных была построена по общепринятой схеме: обучение ИНС и определение весовых коэффициентов; тестирование с использованием полученных весовых

коэффициентов; расчет прогнозных величин с использованием ИНС.

После проведения обучения и тестирования ИНС с выбранными образцами максимальная ошибка не превысила 2,0%. При прогнозировании величины срока службы нагревателей с учетом полученных весовых коэффициентов максимальная погрешность составила 3,6- 8,6%.

Определим влияние отдельных факторов на продолжительность работы нагревателя. В табл. 1 представлено предполагаемое изменение срока службы электрического нагревателя в зависимости от изменения продолжительности воздействия величины тока.

Таблица 1

7-1(100), дни 36 31 26 21 16 11

72(240), дни 105 110 115 120 125 130

2>, дни 444 435 427 418 409 401

В таблице приняты обозначения: т1(100),

т2(240), Xт - число дней, отработанных нагревателем с током 100А, 240А и суммарная продолжительность эксплуатации нагревателя соответственно. Анализируя полученные данные, можно сделать вывод, что при прочих равных условиях, продолжительность срока службы нагревателя при изменении тока нагревателя изменяется линейно.

В табл. 2 представлено изменение срока службы нагревателя в зависимости от изменения величины температуры вокруг нагревателя при неизменных прочих факторах.

Таблица 2

о О 740 760 780 800 820 840

7, дни 514 455 376 306 257 227

При увеличении температуры вокруг нагревателя с 740оС до 840оС прослеживается уменьшение срока службы нагревателей с 514 дней до 227 дней, при этом наблюдается нелинейная зависимость изменения характеристики

нагревателя

Совокупное изменение технико-

технологических параметров электрического миксера, например, величины тока нагревателя, температуры воздуха нагревателя, температуры металла в миксере приводит к сложному закону изменения срока службы нагревателя, представленному в табл. 3.

Таблица 3

71(100), дни 36 31 26 21 16 11

72(240), дни 105 110 115 120 125 130

С о 8 700 710 715 720 725 730

С о 8 740 760 780 800 820 840

дни 400 348 292 252 226 208

Представленные в табл. 3 результаты

исследований надежности нагревателей подтверждают сложный характер зависимости срока службы от совокупности изменяющихся параметров, которые оказывают взаимное влияние друг на друга и на нагреватели.

Разработанные алгоритм и программа позволяют также решать обратную задачу - при заданном сроке службы определять техникотехнологические параметры, которые обеспечат работу электрических нагревателей в течение заданного времени.

Повышение эффективности

электрического плавильно-литейного агрегата

Расположение нагревателей в подсводовом пространстве электрического миксера или печи в классическом исполнении, во многом, обусловлено специфической конструкцией нагревателей (открытые, подвесные ленточные нагреватели) и низкой надежностью футеровочных материалов подины миксера. В отношении эффективности такая конструкция электрического миксера имеет существенные недостатки: увеличенный объем внутреннего пространства из-за расположения нагревателей; увеличенные тепловые потери; перегрев нагревателей и рабочего пространства миксера; нагрев расплава в миксере происходит

только при помощи одного вида теплопередачи -излучения, что приводит к перегреву верхних слоев расплава металла и охлаждению нижних слоев и требуется выравнивание температуры расплава путем внешнего воздействия - перемешивания и т.д.

Рис. 2 . Распределение температуры в миксере при расположении нагревателей под сводом

В настоящее время качество футеровочных материалов достигло нового уровня: они

выдерживают высокие температуры и большое количество термосмен; могут иметь заданную теплопроводность и низкую электропроводность; выдерживают значительные механические нагрузки при высоких температурах. Конструкция нагревателей также претерпела значительные трансформации: при наличии новых

электротехнических и электроизоляционных материалов нагреватели стали более защищенными от внешней среды при помощи защитных кожухов; позволяют выдерживать значительные ваттные нагрузки (до 4 ватт/см2); имеют больший срок службы (до 4лет).

При наличии высококачественных футеровочных материалов и нового типа нагревателей есть возможность пересмотреть классические принципы конструкции

электрического миксера для приготовления и разливки высокотемпературных расплавов и предложить более эффективный плавильно -литейный агрегат.

В основу новой конструкции электрического миксера принят фактор повышения тепловой эффективности нагрева металла в миксере за счет использования прямой теплопередачи между нагревателями, огнеупорным слоем футеровки подины ванны и расплавом, а также путем увеличения конвективной теплопередачи в самом металле, находящемся в ванне миксера.

Поставленная задача решается тем, что в электрическом миксере, содержащей

металлический каркас, футерованную ванну, рабочее окно с дверью, термоэлектрический термометр для измерения температуры металла,

летку, заливной-переливной карман с крышкой, нагреватели установлены в огнеупорном слое футеровки подины ванны и защищены расплавостойким высокотеплопроводным кожухом.

Рис. 3. Поворотный электрический миксер с нагревателями в футеровке подины

Стационарный электрический миксер с нагревателями в футеровке подины,

расположенными параллельно фронтальной стороне показан на рис. 4.

нагревателями, установленными в футеровке подины

Электрические миксеры, представленные на рисунках 3 и 4 имеют металлический каркас 1, футерованную ванну 2, рабочее окно 3 с дверью 4, термоэлектрический термометр 5 для измерения температуры металла, летку 6, заливной -переливной карман 7 с крышкой 8, нагреватели 9, защищенные расплавостойкими кожухами 10, огнеупорный слой 11, буферный слой 12, теплозащитный слой 13 футеровки ванны 2, расплав 14.

При подаче напряжения на нагревательные элементы нагревателей 9 происходит их разогрев и разогрев расплавостойких кожухов 10 нагревателей 9 до требуемой температуры, например, 800оС. Нагреватели установлены в огнеупорном слое 11 футеровки ванны 2, которая за счет прямой теплопередачи от расплавостойкого

высокотеплопроводного кожуха 10 нагревателя 9 также разогревается и на границе «футеровка -

расплав» достигает требуемой величины, например, 750оС (рис. 5).

За счет интенсивного конвективного теплообмена воздуха в рабочем пространстве электрического миксера, прямой теплопередачи и нагрева излучением, температура футеровки боковых стен ванны 2 и свода миксера достигает требуемых температур, например 745оС.

При температуре воздушной среды в рабочем пространстве электропечи - миксера 745оС, температуре жидкой шихты 750оС и температуре нагревателей 800оС, температурный перепад в огнеупорном слое 11 футеровки при расстоянии 100 миллиметров от разогретого нагревателя 9 до границы «футеровка-расплав» достигает в установившемся режиме около 50оС.

За счет высокой теплопроводности расплава металла, например жидкого алюминия, температура на поверхности зеркала металла при высоте столба металла 1100 миллиметров составит около 742оС (без учета конвективного тепломассообмена). При учете конвективного тепломассообмена между разогретым нижним слоем расплава металла и менее разогретым верхним слоем металлического расплава, перепад температур по высоте столба металла будет еще меньше.

Температура в рабочем пространстве разработанного электрического миксера (рис. 5), не заполненного жидким металлом, также будет интенсивно выравниваться за счет прямой теплопередачи от футеровки подины ванны к футеровке стен, а также за счет конвективного теплообмена слоев нагретого воздуха у подины ванны и менее нагретого воздуха в верхних слоях подсводового пространства. При этом температура будет более равномерно распределяться в рабочем пространстве миксера.

Рис. 5. Распределение температуры в миксере при расположении нагревателей в футеровке подины

Нагреватели, установленные в футеровке подины ванны электрического миксера, могут располагаться перпендикулярно рабочему окну, обращенные электрическими выводами в сторону летки или в сторону рабочего окна. При расположении нагревателей в футеровке подины ванны параллельно рабочему окну, электрические выводы будут направлены в стороны торцевых стенок миксера.

Предлагаемая конструкция электрического миксера имеет ряд преимуществ перед известными:

- обеспечивается прямой контакт между нагревателями, футеровкой подины ванны и нижними слоями расплава, что повышает нагрев расплава и активизирует конвективный теплообмен в нем;

- выравнивается температура по высоте столба и объему расплава в электропечи - миксере и поддерживается в технологическом диапазоне, например 720-750оС для алюминия, что снижает адгезию газов, окисление металлического расплава, образование шлаков;

- снижаются тепловые потери электропечи-

миксера за счет уменьшения высоты рабочего пространства и снижения температуры под сводом до 750оС при исключении нагревателей из

подсводового пространства;

- снижается рабочая температура нагревателей от 950 - 1000оС при их расположении под сводом до 800 - 850оС при расположении их в подине, что значительно увеличивает их срок службы;

- металлизация огнеупорного слоя футеровки при расположении нагревателей в подине приводит к интенсификации теплоотдачи от них;

- расположение нагревателей в огнеупорном слое футеровки подины ванны электропечи -миксера защищает нагреватели от интенсивного зашлаковывания и обеспечивает им стабильный температурный режим эксплуатации, что увеличивает срок службы нагревателей.

Основные выводы по работе.

1. Определена стратегия надежности и эффективности ЭПЛА, которая заключается в одновременном повышении надежности узлов агрегата и его эффективности за счет кардинально новых технических решений.

2. Приведены алгоритм ИНС и результаты исследования прогнозирования надежности электрических нагревателей, которые показывают правомерность и эффективность предложенного метода.

3. Предложена новая конструкция ЭПЛА с расположением нагревателей в футеровке подины миксера и доказана ее эффективность в сравнении с традиционной конструкцией при расположении нагревателей в подсводовом пространстве миксера или печи.

Литература

1. Свенчанский, А. Д. Пути рациональной эксплуатации электрических печей сопротивления / А. Д. Свенчанский. М.: Госэнергоиздат, 1961. - 80 с.

2. Плавка и литье алюминиевых сплавов: Справ изд. / М. Б. Альтман, А. Д. Андреев, Г. А. Балаховцев и др. М.: Металлургия, 1970.- 416 с.

3. Горбань, А. Н. Нейронные сети на персональном компьютере / А. Н. Горбань, Д. А. Россиев. Новосибирск: Наука, 1996.

4. Осовский, С. Нейронные сети для обработки информации/ С. Осовский. М.: Финансы и статистика, 2002.

5. Круглов, В. В. Искусственные нейронные сети. Теория и практика/ В. В. Круглов, В. В. Борисов. М.: Горячая линия - Телеком, 2002.

Политехнический институт ^бир^ого федерального университета

INCREASING OF EFFICIENCY OF ELECTRIC MELTING-CASTING AGREGAT A.R. Khristinich

Questions of increase reliability and efficiency improvement of electric melting-casting agregat and swinging electric mixer are being discussed, in particular, for preparation and casting of aluminium alloy. Results of forecasting of mixer electric heater durability are being quoted. New construction of electric mixer are being discussed with electric heater positioned in bottom potlining. Results of calculation of electric mixer thermal effectiveness are being quoted

Key words: reliability, mixer, heater, efficiency