Исследование температурного режима элементов конструкции вакуумной электропечи сопротивления методом структурного математического моделирования

Михаил [Mikhail] Яковлевич [Ya.] Погребисский [Pogrebisskiy]; Виктор [Viktor] Петрович [P.] Рубцов [Rubtsov]; Эльмира [Elmira] Фёдоровна [F.] Сальманова [Salmanova]

doi:10.24160/1993-6982-2019-4-101-109

Михаил [Mikhail] Яковлевич [Ya.] Погребисский [Pogrebisskiy]
Виктор [Viktor] Петрович [P.] Рубцов [Rubtsov]
Эльмира [Elmira] Фёдоровна [F.] Сальманова [Salmanova]

DOI: https://doi.org/10.24160/1993-6982-2019-4-101-109

Ключевые слова: вакуумная печь сопротивления, печь Таммана, температурный режим, нестационарные процессы, структурное моделирование, система регулирования, расположение датчика температуры

Аннотация

Показана актуальность задачи по созданию структурной математической модели высокотемпературной вакуумной электрической печи сопротивления (ЭПС) для исследования тепловых процессов с определением температуры каждого из элементов, прогнозирования срока службы нагревательных элементов, экранов и других элементов конструкции печи, выбора места установки датчика температуры и соответствующей настройки системы регулирования температуры.

Традиционно используемая модель с представлением печи инерционным звеном первого порядка не дает такой возможности, так как в этом случае рассчитывается усредненная температура печи. Следовательно, необходимо построение модели печи, основанной на уравнениях энергетического баланса для макроэлементов (нагреватель, каждый из экранов, загрузка и т. д.) с учетом теплообмена и излучения между макроэлементами.

Разработана и реализована в программном пакете Simulink математическая структурная модель вакуумной высокотемпературной электрической печи Таммана с нагревателем в виде угольной или графитовой трубы и теплоизоляцией в виде графитовых цилиндров-экранов. При моделировании тепловых процессов учитывалось тепловое сопротивление теплопроводности графитовых экранов, которым традиционно пренебрегают при расчете широко распространенных тонких металлических экранов.

Проанализирован температурный режим отдельных элементов конструкции (нагреватели, экраны и т.д.), как при постоянном напряжении питания нагревателей, так и при использовании замкнутой системы регулирования температуры. Показано влияние места установки датчика температуры на качество автоматического регулирования температуры. Обоснована целесообразность использования разработанной модели для настройки пропорционально-интегрально-дифференциального регулятора с целью обеспечения требуемого качества регулирования.

Сведения об авторах

Михаил [Mikhail] Яковлевич [Ya.] Погребисский [Pogrebisskiy]

кандидат технических наук, доцент кафедры электроснабжения промышленных предприятий и электротехнологий НИУ «МЭИ», e-mail: PogrebisskiyMY@mpei.ru

Виктор [Viktor] Петрович [P.] Рубцов [Rubtsov]

доктор технических наук, профессор кафедры электроснабжения промышленных предприятий и электротехнологий НИУ «МЭИ», e-mail: RubtsovVP@mpei.ru

Эльмира [Elmira] Фёдоровна [F.] Сальманова [Salmanova]

аспирант кафедры электроснабжения промышленных предприятий и электротехнологий НИУ «МЭИ», e-mail: efs2009@ya.ru

Литература

1. Минеев А.Р., Коробов А.И., Погребисский М.Я. Моделирование электротехнологических процессов и установок. М.: Спутник+, 2004.
2. Герман-Галкин С.Г. Matlab & Simulink. Проектирование мехатронных систем на ПК. СПб.: Корона-Век, 2008.
3. Slock S., Shivpuri R. A Time-сompressed Numerical Approach for Thermal Analysis of Preheating Process in Powder Metallurgy // Thermal Proc. 2015. April. Pp. 36—45.
4. Chernack S. Ensuring Effective Furnace Lining Efficiency // Thermal Proc. 2017. May. Pp. 38—39.
5. Ferguson B.L. Quality Counts: Thermal Process Modeling // Thermal Processing, September, 2016. Рр. 16—17.
6. Fradette R.J. Methods of Improving Vacuum Furnace Insulation Efficiencies // Industrial Heating. 2013. September. Рр. 45—49.
7. Korecki M., Dybowski K. Mathematical Modelling of the Vacuum Carburizing Process // Thermal Proc. 2014. September. Рр. 34—38.
8. Митяков Ф.Е. Повышение энергетической эффективности высокотемпературных вакуумных печей сопротивления с экранной теплоизоляцией: автореф. дис. … канд. техн. наук. М.: МЭИ, 2014.
9. Oakes J. Quality Counts: Pyrometry, Industry Standards, & Temperature Uniformity Surveys // Thermal Proc. 2017. January. Рр. 12—13
10. Чередниченко В.С., Бородачев А.С., Артемьев В.Д. Электрические печи сопротивления. Теплопередача и расчеты электропечей сопротивления. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2006.
11. Рубцов В.П., Горячих Е.В., Митяков Ф.Е. Разработка уточненной модели электрической печи сопротивления на основе экспериментальных исследований // Вестник МЭИ. 2015. № 3. С. 48—52.
12. Мармер Э.Н. Материалы для высокотемпературных вакуумных установок. М.: Физматлит, 2007.
13. Кручинин А.М., Махмудов К.М., Миронов Ю.М., Рубцов В.П., Свенчанский А.Д. Автоматическое управление электротермическими установками. М.: Энергоатомиздат, 1990.
14. Горячих Е.В. Разработка способов и алгоритмов управления электрическими печами сопротивления, обеспечивающих временную и пространственную равномерность нагрева: автореф. дис. … канд. техн. наук. М.: МЭИ, 2016.
15. Oakes J. Quality Counts: The State of Process Controls control // Thermal Proc. 2017. May. Рр. 14—15.
16. Ipsen (USA). Handling temperature variations // Thermal Proc. 2018. January. Рр. 24—25.
17. Fradette R.J. Vacuum Furnace Temperature Measurement // Industrial Heating. 2015. September. Рр. 52—59.
18. Oakes J. PID Algorithms Are Essential for Uniform Furnace Temperatures // Thermal Proc. 2017. July. Рр. 20—21.
19. Christopher S. Automated Control of Vacuum Heat-Treat Equipment. // Industrial Heating. 2016. October. Рр. 30—35.
20. Oakes J. Quality Counts: Atmosphere Furnace Control // Thermal Proc. 2018. May/June. Pp. 24—25.
--
Для цитирования: Погребисский М.Я., Рубцов В.П., Сальманова Э.Ф. Исследование температурного режима элементов конструкции вакуумной электропечи сопротивления методом структурного математического моделирования // Вестник МЭИ. 2019. № 4. С. 101—109. DOI: 10.24160/1993-6982-2019-4-101-109.