Идентификация температурных зависимостей удельных электрических сопротивлений керна в процессе графитации

Идентификация температурных зависимостей удельных электрических сопротивлений керна в процессе графитации

Предложена методика идентификации температурных зависимостей удельных электрических сопротивлений керна печи графитации с использованием специального объектно-ориентированного функционального базиса и температурных зависимостей удельных электрических сопротивлений его компонентов. Обеспечивается вы...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:
Bibliographische Detailangaben
Datum:2014
1. Verfasser: Ярымбаш, Д.С.
Format: Artikel
Sprache:Russian
Veröffentlicht: Інститут технічних проблем магнетизму НАН України 2014
Schriftenreihe:Електротехніка і електромеханіка
Schlagworte:
Електричні машини та апарати
Online Zugang:http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/148689
Tags: Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:Идентификация температурных зависимостей удельных электрических сопротивлений керна в процессе графитации / Д.С. Ярымбаш // Електротехніка і електромеханіка. — 2014. — № 2. — С. 66–70. — Бібліогр.: 8 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id irk-123456789-148689
record_format dspace
spelling irk-123456789-1486892019-02-19T01:28:57Z Идентификация температурных зависимостей удельных электрических сопротивлений керна в процессе графитации Ярымбаш, Д.С. Електричні машини та апарати Предложена методика идентификации температурных зависимостей удельных электрических сопротивлений керна печи графитации с использованием специального объектно-ориентированного функционального базиса и температурных зависимостей удельных электрических сопротивлений его компонентов. Обеспечивается высокая точность обработки данных 3D моделирования электромагнитных полей в процессе графитации электродов. Запропоновано методику ідентифікації температурних залежностей питомих електричних опорів керна печі графітації із застосуванням спеціального об'єктно-орієнтованого функціонального базису і температурних залежностей питомих електричних опорів його компонентів. Забезпечується висока точність обробки даних 3D моделювання електромагнітних полів у процесі графітації електродів. A temperature dependence identification technique is worked out for graphitization furnace center-punch specific electrical resistance through applying a special object-oriented functional basis and temperature dependences of its components specific electric resistance. High accuracy of 3D electromagnetic field simulation data processing during electrode graphitization is maintained. 2014 Article Идентификация температурных зависимостей удельных электрических сопротивлений керна в процессе графитации / Д.С. Ярымбаш // Електротехніка і електромеханіка. — 2014. — № 2. — С. 66–70. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. 2074-272X DOI: https://doi.org/10.20998/2074-272X.2014.2.16 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/148689 621.365.6 ru Електротехніка і електромеханіка Інститут технічних проблем магнетизму НАН України
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
language Russian
topic Електричні машини та апарати
Електричні машини та апарати
spellingShingle Електричні машини та апарати
Електричні машини та апарати
Ярымбаш, Д.С.
Идентификация температурных зависимостей удельных электрических сопротивлений керна в процессе графитации
Електротехніка і електромеханіка
description Предложена методика идентификации температурных зависимостей удельных электрических сопротивлений керна печи графитации с использованием специального объектно-ориентированного функционального базиса и температурных зависимостей удельных электрических сопротивлений его компонентов. Обеспечивается высокая точность обработки данных 3D моделирования электромагнитных полей в процессе графитации электродов.
format Article
author Ярымбаш, Д.С.
author_facet Ярымбаш, Д.С.
author_sort Ярымбаш, Д.С.
title Идентификация температурных зависимостей удельных электрических сопротивлений керна в процессе графитации
title_short Идентификация температурных зависимостей удельных электрических сопротивлений керна в процессе графитации
title_full Идентификация температурных зависимостей удельных электрических сопротивлений керна в процессе графитации
title_fullStr Идентификация температурных зависимостей удельных электрических сопротивлений керна в процессе графитации
title_full_unstemmed Идентификация температурных зависимостей удельных электрических сопротивлений керна в процессе графитации
title_sort идентификация температурных зависимостей удельных электрических сопротивлений керна в процессе графитации
publisher Інститут технічних проблем магнетизму НАН України
publishDate 2014
topic_facet Електричні машини та апарати
url http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/148689
citation_txt Идентификация температурных зависимостей удельных электрических сопротивлений керна в процессе графитации / Д.С. Ярымбаш // Електротехніка і електромеханіка. — 2014. — № 2. — С. 66–70. — Бібліогр.: 8 назв. — рос.
series Електротехніка і електромеханіка
work_keys_str_mv AT ârymbašds identifikaciâtemperaturnyhzavisimostejudelʹnyhélektričeskihsoprotivlenijkernavprocessegrafitacii
first_indexed 2025-07-12T19:59:04Z
last_indexed 2025-07-12T19:59:04Z
_version_ 1837472520609988608
fulltext 66 ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2014. №2 © Д.С. Ярымбаш УДК 621.365.6 Д.С. Ярымбаш ИДЕНТИФИКАЦИЯ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ЗАВИСИМОСТЕЙ УДЕЛЬНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СОПРОТИВЛЕНИЙ КЕРНА В ПРОЦЕССЕ ГРАФИТАЦИИ Запропоновано методику ідентифікації температурних залежностей питомих електричних опорів керна печі графі- тації із застосуванням спеціального об'єктно-орієнтованого функціонального базису і температурних залежностей питомих електричних опорів його компонентів. Забезпечується висока точність обробки даних 3D моделювання еле- ктромагнітних полів у процесі графітації електродів. Предложена методика идентификации температурных зависимостей удельных электрических сопротивлений керна печи графитации с использованием специального объектно-ориентированного функционального базиса и темпера- турных зависимостей удельных электрических сопротивлений его компонентов. Обеспечивается высокая точность обработки данных 3D моделирования электромагнитных полей в процессе графитации электродов. Значительная энерговооруженность электротех- нических комплексов графитации (ЭТКГ), большая энергоемкость технологических процессов графита- ции и устойчивая тенденция увеличения стоимости электроэнергии обуславливают рост себестоимости электродной продукции, так как затраты на электро- энергию могут быть сопоставимыми или даже пре- восходить затраты на сырье [1]. Решение сложных производственных задач по снижению энергозатрат при графитации заготовок электродов, обеспечению заданных технологических режимов и, как следствие, снижению брака и повы- шению качества электродной продукции реализуется путем создания новых или модернизации действую- щих систем автоматизированного управления ЭТКГ. Действующие системы обеспечивают контроль вход- ных параметров по стороне высокого напряжения пи- тающих и компенсирующих трансформаторов, что не достаточно для получения достоверной информации об электрических параметрах керна печей графитации (ПГ), особенно при высоких температурах, которые могут достигать 3000 С [2]. Внедрение новых перспективных сенсорных сис- тем на стороне отводов главного шинопакета и токо- подводах ПГ требует разработки соответствующего обеспечения для идентификации температурных зави- симостей электрических параметров керна и, прежде всего, его удельного электрического сопротивления (УЭС). Данные инструментального контроля электри- ческих параметров керна ПГ должны дополняться дан- ными математического моделирования пространствен- ной системы печной петли (ПП) и керна ПГ, в которых учитываются механизмы электромагнитного и элек- тротеплового преобразования энергии переменного то- ка, температурные зависимости электрофизических свойств материалов, особенности конструкции вторич- ных токопроводов и керна ПГ. Эта задача является ак- туальной как в научном, так и в практическом плане. Известные плоскопараллельные постановки при моделировании электромагнитных и электротепловых процессов [3, 4] не удовлетворяют требованиям высокой точности при идентификации электрических параметров керна ПГ, который представляет собой сложную про- странственную многокомпонентную систему, состоя- щую из цилиндрических заготовок электродов, электро- проводящей пересыпки, заполняющей пространство между графитируемыми заготовками, электропроводя- щей шихты шунтирующих слоев (рис. 1). Для обеспече- ния достоверности результатов 3D моделирования и точности идентификации УЭС керна ПГ при различных температурных режимах графитации требуется разра- ботка новых подходов для аппроксимации данных поле- вых расчетов на основе специального объектно- ориентированного функционального базиса для темпе- ратурных зависимостей УЭС компонентов керна. Целью работы является идентификация темпера- турных зависимостей УЭС керна ПГ посредством при- менения специального объектно-ориентированного функционального базиса на основе температурных зави- симостей УЭС его компонентов, обеспечивающего вы- сокую точность аппроксимации данных 3D моделиро- вания электромагнитных процессов при графитации за- готовок электродов. Преобразование электрической энергии пере- менного тока в керне ПГ определяется взаимосвязан- ными электромагнитными процессами, которые опи- сываются электромагнитной моделью в частотной формулировке для амплитуд векторного магнитного и электрического потенциалов (рис. 1):                                  ,61 ,0 , ,0 1 э0 ,,i jV j i ii iii i i  A ABB A (1) где А – векторный магнитный потенциал (ВМП); В – магнитная индукция; V – электрический потенциал; () – УЭС компонентов керна и вторичных токопро- водов;  – температура;  – угловая частота; 0 – маг- нитная проницаемость вакуума; э – эквивалентная относительная магнитная проницаемость, индексы i = 1,2,3 соответствуют областям керна (заготовки элек- тродов, пересыпка, шунтирующий слой), i = 4,5,6 – токоподводам, графитовой плите, проводниковым ма- териалам шинных пакетов печной петли. Амплитуды напряженностей электрического и магнитного полей связаны с амплитудами электрическо- го и векторного магнитного потенциалов выражениями:    .61 , , 1 0 ,,i jV iii iii         AH AE (2) ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2014. №2 67 Рис. 1. Структура расчетной области ПГ: 1 – графитируемые заготовки электродов; 2 – пересыпка керна; 3 – электропроводящая засыпка (шунт); 3 – теплоизоляционная шихта; 5 – шамотная футеровка; 6 – кожух; 7 – боковой шинный пакет Система уравнений электромагнитной модели (1) замыкается условиями Кулона [5] Ai = 0, i[1,…,6] и граничными условиями вида:                     , ,0 ,0 ,6,1,, ,6,1,, E JJJn HHn kikijiji kikijiji (3) – на границах сопряжения электропроводящих сред, A = 0 – на границах магнитной изоляции и внешних границах,      ,0 , ,0 6,46,16,1     jjjjjjjj V JnA (4) – на внешних границах расчетной области. Распределение температур в расчетной области керна задавалось по данным [1, 6] в соответствии с принятым температурным режимом графитации. Для идентификации температурных зависимо- стей УЭС для компонентов керна ПГ (заготовки элек- тродов, электропроводная пересыпка и шихта шунти- рующего слоя) применялись нелинейные функции:         .3,2,1 ,exp 2 1 2 ,,, 2 1 ,,,,0               i gd cberfca m imimim k ikikikii (5) Значения параметров регрессии в соотношениях (5) определяются на множествах экспериментальных данных    3,1, ~ эксп  ii и    3,1,~ эксп  ii [7] в струк- туре средств MathCAD с использованием функции genfit и вектора частных производных:                         2,1,2,1,3,1 , 22 2 2 1 ,,, 2 ,, ,, ,, ,, , , , , , , ,0 2 ,, 2 ,, 2 ,, 2 , 2 , 2 , 2 ,                                                                                     mki egd ed e eba cea cberfc g d c b a im g imim im g im g cb ikik ik cb ik ikik imi imi imi iki iki iki ii imim imim imim ikik ikik приводятся в табл. 1. Сравнение УЭС, рассчитанных по уравнениям регрессии (5), с экспериментальными данными [7, 8] показало, что адекватный выбор функционального вида уравнений регрессии (5) при идентификации 68 ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2014. №2 температурных зависимостей УЭС компонентов кер- на ПГ, метода и программного обеспечения для опре- деления коэффициентов нелинейной регрессии обес- печивает высокую точность (рис. 2). Погрешность идентификации не превышает 1,43% – для заготовок электродов, 0,95% – для пересыпки керна и 0,9% – для шихты шунтирующих слоев керна (рис. 2). Это также обеспечивает точность реализации математиче- ской модели электромагнитных процессов в печной петле и керне (1) с условиями (2) – (5) в структуре средств Comsol Multiphysics. Таблица 1 Коэффициенты нелинейной регрессии для идентификации температурных зависимостей УЭС электродов (i = 1), пересыпки (i = 2) и шунтирующих слоев керна (i = 3) a1,i b1,i c1,i d1,i g1,i 1,i Номер компонент керна i,0 a2,i b2,i c2,i d2,i g2,i 2,i 21,488 4,016 1,037·103 20,9106 1,7853·10-6 – (i = 1) 16,5028 8,4323 5,6387 2,0797·103 9,9033 2,1678·10-6 2,9423·103 1,105·103 3,683·10-3 164,5072 203,0551 2,8354·10-5 2,8823·103 (i = 2) 695,3645 2,9027·103 1,3736·10-3 1562,05 – – – 1.62·103 3,838·10-3 169,394 497,707 6,399·10-6 413,488 (i = 3) 860,475 – – – – – – Рис. 2. Температурные зависимости УЭС заготовок электродов (i = 1), пересыпки (i = 2)и шунтирующих слоев керна (i = 3) Численный эксперимент проводился для заданного массива температурных режимов графитации [20 °C, 500 °C, 1000 °C, 1500 °C, 2000 °C, 2500 °C, 3000 °C]. Для каждого значения температуры керна итерационный вычислительный процесс соответствовал принятым зна- чениям токовой и угловой погрешностей для токов кер- на и шинных пакетов Iтшп[Iтп], тшп[тп]. Сравнение расчетных токов в керне с экспери- ментальными данными регистрации токовых нагрузок в токоподводах ПГ (класс точности регистратора – 0,2 [8]) позволило оценить токовую погрешность, значе- ния которой не превышают 3,8%. Анализ данных моделирования полей векторного магнитного и электрического потенциалов в керне ПГ позволил выделить в нем торцевые (m = 1) и основ- ные зоны (m = 2). Длина торцевых зон соответствова- ла длине укладки трех вертикальных рядов заготовок электродов. Для каждой зоны керна рассчитывались комплексные амплитуды токов                     , ,, , керн кернкерн *** m S zmz mS ymy m S xmx m zzyyxxm xy xzyz dxdy dxdzdydz JI JIJI IIIIIIIкерн    (7) значения энергии магнитного поля   , 2 1   mV m dxdydzW HB (8) активные потери   .2,1 , *1    mdxdydzP mV mm JJ  (9) С использованием соотношений (7) – (9) опреде- лялись активные, реактивные и полные электрические сопротивления для торцевых и основных зон керна .2,1 , , 2 , , 22 **       mXRZ W LLX P R m m m mmm m m m IIII  и средние значения УЭС для этих зон   .2,1 , 2    m V SR m mm m (10) Температурные зависимости УЭС торцевых и основных зон керна идентифицировались на функ- циональном базисе     ,2,1, 3 1 ,0,кернкерн    mi i immm (11) что позволило определить коэффициенты линейной регрессии (табл. 2) с помощью функцию linfit мате- матического пакета MathCAD. ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2014. №2 69 Нормирование температурных зависимостей УЭС основных и торцевых зон керна показало, что они практически идентичны друг другу (рис. 3). Это по- зволило применить при расчетах УЭС торцевых зон     2кернт1керн  k коэффициент добавочных потерь в этих зонах kт, ко- торый для заготовок электродов диаметром 500 мм достигает значения равного 1,068. Таблица 2 Коэффициенты линейной регрессии для идентификации температурных зависимостей УЭС зон керна. Зоны керна 0,кернm  1,i 2,i 3,i торцевые 4,534·10-5 2,526·10-6 5,521·10-7 3,175·10-8 основные 3,773·10-5 2,587·10-6 5,534·10-7 3,73·10-8 Рис. 3. Температурные зависимости УЭС торцевых и основных зон керна ПГ При изменении температуры керна его индуктив- ное сопротивление остается практически постоянным, поэтому изменение полного сопротивления керна оп- ределяется только изменением его активного сопро- тивления и, следовательно, УЭС его основной зоны. Для оценки значений добавочных потерь в керне определялись температурные зависимости УЭС керна на постоянном токе. Расчеты выполнялись по данным моделирования электромагнитных полей в формули- ровках скалярных магнитных и электрических потен- циалов и соотношениям (7) – (11). Коэффициент до- бавочных потерь определялся отношением УЭС керна на переменном токе промышленной частоты к УЭС керна на постоянном токе, что позволило идентифи- цировать его температурные зависимости для задан- ного вида уравнения нелинейной регрессии:      .2,1,exp maxД   ik iiii (12) Определение коэффициентов регрессии в урав- нении (12) выполнялось аналогично как для (11). Зна- чения коэффициентов регрессии составили η = 0,159, β = 0,808,  = 0,66·1012 для торцевых зон (i = 1) и η = 0,163, β = 0,874,  = 0,657·1011 – для основных зон (i = 2) при υ = 3,80, θmax = 3000 С. Относительная по- грешность уравнений (12) по данным моделирования не превышает 0,8 %. Так как при температурах керна превышающих 2000 С его УЭС существенно уменьшается (рис. 3), то влияние поверхностного и внешнего поверхност- ного эффектов будет выражено сильнее. Это обуслав- ливает увеличение добавочных потерь и, следова- тельно, коэффициента добавочных потерь, который возрастает от значений 1.0159 – 1,0163 при темпера- турах ниже 2000 С до значений 1,088 – 1,093 при температуре 2500 С и 1,097 – 1,104 – при температу- ре 3000 С (рис. 4). Причем при высоких температу- рах графитации воздействие этих эффектов более ин- тенсивное, хотя разброс значений коэффициентов до- бавочных потерь не превышает 1%. Таким образом, обладающие высокой точностью идентификации температурных зависимостей УЭС керна соотношения (11), (12), позволяют обеспечить технологический контроль температуры графитации. Для этого на токоподводах печи графитации c помо- щью регистратора [8] получают осциллограммы на- пряжения и тока, определяют их амплитуды и сдвиги по фазе, рассчитывают активную и полную мощность графитации, УЭС керна и УЭС его торцевой и основ- ных зон, а далее из соотношения (11) определяют их температуры. При измерениях на постоянном токе (при технологических отключениях ПГ) данные УЭС для керна, его торцевых и основных зон корректиру- ют с использованием температурных зависимостей для коэффициентов добавочных потерь (12) и из со- отношения (11) определяют соответствующие темпе- ратурные режимы. Рис. 4. Температурные зависимости коэффициента добавочных потерь для торцевых и основных зон керна ПГ ВЫВОДЫ Высокие температуры графитации заготовок электродов, низкая точность прямых методов их изме- рения, большие затраты при проведении эксперимен- тальных исследований на действующем оборудовании обосновали необходимость численного эксперимента на базе 3-D моделей электромагнитных полей. Высокая точность идентификации температур- ных зависимостей УЭС керна обеспечивается выбо- ром объектно-ориентированного базиса функций, ко- торый образуется путем высокоточной аппроксима- ции температурных зависимостей УЭС заготовок электродов, пересыпки и шихты шунтирующих слоев. Разработаны базовые подходы для технологиче- ского контроля температурного уровня графитации по данным измерений токов, напряжений и расчетов 70 ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2014. №2 УЭС для торцевых и основных зон керна (11) с уче- том коэффициента добавочных потерь (12) для ПГ переменного тока. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Кузнецов Д.М. Графитация крупногабаритных электродов. Процесс Ачесона. – Ростов н/Д: РГАСХМ ГОУ. – 2003. – 168 с. 2. Чалых Е.Ф. Оборудование электродных заводов. – М.: Металлургия, 1990. – 238 с. 3. Ярымбаш Д.С., Ярымбаш С.Т. Повышение энергоэффек- тивности бокового шинопакета печей графитации переменного тока // Технічна електродинаміка. Тематичний вип. "Силова електроніка і енергоефективність". – 2011. – С. 229-233. 4. Ярымбаш Д.С., Килимник И.М., Ярымбаш С.Т. Особенно- сти определения параметров электрической схемы замещения печной петли печи графитации переменного тока // Електроте- хніка та електроенергетика. – 2010. – №2. – С. 36-43. 5. Ярымбаш Д.С. Идентификация электрических парамет- ров печной петли мощных печей графитации // Електротех- ніка та електромеханіка. – 2012. – №1. – С. 49-54. 6. Панов Е.Н., Лелека С.В., Коржик М.В. Комплекс сбора данных для высокотемпературных промышленных агрега- тов // ПиКАД. – 2005. – №2. – С. 28-30. 7. Кузнецов Д.М., Фокин В.П. Процесс графитации угле- родных материалов. Современные методы исследования. – Новочеркасск: ЮРГТУ, 2001. – 132 с. 8. Ярымбаш Д.С., Ярымбаш С.Т., Тютюнник А.В. Особенно- сти контроля электрических параметров, мощности и энерго- потребления во время кампании графитации в печи переменно- го тока // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету. – 2006. – Вип. 3/2006(38). С. 91-95. Bibliography (transliterated): 1. Kuznecov D.M. Graphitization of the large electrodes. Acheson process. Rostov-on-Don: RGASHM GOU, 2003. 168 p. 2. Chalyh E.F. Equipment of the Electrode Plants. Mos- cow, Metallurgija Publ., 1990. 238 p. 3. Yarymbash D.S., Yarymbash S.T. Increasing energy efficiency of side bus package of graphitization furnaces AC. Technical electrodynamics. Special Issue "Power electron- ics & energy efficiency", 2011, pp. 229-233. 4. Yarymbash D.S., Kilimnik I.M., Yarymbash S.T. The features of determining the elec- trical equivalent circuit furnace hinges parameters of the AC graphiti- zation furnace. Electrical engineering and power industry, 2010, no.2, pp. 36-43. 5. Yarymbash D.S. The identification of the circuit furnace electrical parameters of the power graphitization furnaces. Electrical engineering & electromechanics, 2012, no.1, pp. 49-54. 6. Panov E.N., Leleka S.V., Korzhik M.V. The complex data collection for high-temperature industrial aggregates. PiKAD, 2005, no.2, pp. 28-30. 7. Kuznecov D.M., Fokin V.P. The process of graphitization of car- bon materials. Modern methods of investigation. Novocherkassk, JuRGTU Publ., 2001. 132 p. 8. Yarymbash D.S., Yarymbash S.T., Tjutjunnik A.V. The features of the control of electrical parameters, power and energy consumption during the campaign graphitization furnaces AC. Transactions of Kremenchuk Mykhailo Ostrohradskyi National University, 2006, no.3(38), pp. 91-95. Поступила (received) 20.02.2014 Ярымбаш Дмитрий Сергеевич, к.т.н., доц., Запорожский национальный технический университет, 69063, Запорожье, ул. Жуковского, 64, тел/phone +38 066 965 86 73, е-mail: yarymbash@gmail.com D.S. Yarymbash Zaporizhzhya National Technical University 64, Zhukovsky Str., Zaporizhzhya, 69063, Ukraine Identification of temperature dependences of center-punch specific electrical resistance during graphitization. A temperature dependence identification technique is worked out for graphitization furnace center-punch specific electrical resistance through applying a special object-oriented functional basis and temperature dependences of its components specific electric resistance. High accuracy of 3D electromagnetic field simulation data processing during electrode graphitization is maintained. Key words – identification, temperature dependence, center- punch specific electrical resistance, object-oriented func- tional basis, electrode graphitization, 3D electromagnetic fields.

Ähnliche Einträge