Управление в ходе технологического процесса скоростью охлаждения бухты катанки из алюминиевого сплава

Токопроводящие жилы самонесущих изолированных и защищенных проводов для воздушных линий электропередачи [1] изготавливаются из алюминиевого сплава марки АВЕ. На кабельный завод катанка (диаметр 12 мм) поступает в виде бухты: внутренний диаметр D₁ = (530 — 680 мм); наружный диаметр D₂ = (1100 — 1350 мм); высота h = (750 — 900 мм).

Для увеличения механической прочности алюминиевого сплава его подвергают закалке. Сложность этого процесса заключается в том, что закалку надо производить всей бухты, масса которой составляет 2000 кг.

В настоящее время на кабельных заводах существуют два способа закалки: опускание бухты в емкость с водой без циркуляции воды и с циркуляцией воды. Недостатком первого способа (рис. 1) является низкая скорость охлаждения из-за слабой теплопроводности воды, второго (рис. 2) — большой расход воды (60 т).

Предлагается способ закалки катанки путем разбрызгивания воды (рис. 3).

Алюминиевый сплав марки АВЕ имеет следующие теплофизические характеристики:
1) коэффициент теплопроводности 180 Вт/м °С;
2) удельная теплоемкость 797 Дж/кг °С;
3) плотность 2700 кг/м².

Для определения коэффициента теплопроводности намотанного изделия (бухты) проводилось моделирование температурного поля (рис. 4). С одной стороны фрагмента намотанного изделия задавались граничные условия первого рода T = 0 °C, с другой — второго рода P = 4 кВт; с двух других задавалась адиабата P₀ = 0. На рис. 4 видно, что тепловой поток P = 4 кВт создает перепад температуры 67,08 °С, что соответствует эффективному коэффициенту теплопроводности намотанного изделия 60 Вт/м °С.

На рис. 5а представлено распределение температуры в бухте (λ = 60 Вт/м °С) через 120 с после начала охлаждения; на поверхности задано условие первого рода (T = 100°C), что соответствует охлаждению разбрызгиванием воды. Для сравнения на рис. 5б представлено распределение температуры сплошного изделия (λ = 180 Вт/м °С).

На рис. 6. представлено распределение температуры в бухте (λ = 60 Вт/м °С) и сплошном изделии (λ = 180 Вт/м °С) через120 с после начала охлаждения путем опускания в воду (λ = 1500 Вт/м °С).

Из рис. 7 видно, что при разбрызгивании (кривая 1) скорость охлаждения больше, чем при опускании в воду. Например, через 600 с температура в центре бухты при охлаждении разбрызгиванием опустилась до 150°С (кривая 1), в то время как при охлаждении опусканием в воду только 190°С (кривая 3). При сравнении кривых 2 и 4 (сплошное изделие) видно, при охлаждении разбрызгиванием сплошное изделие приняло температуру охлаждающей жидкости (100°С), в то время как при охлаждении опусканием в воду температура составила 130°С. Для того, чтобы температура поверхности бухты не опускалась ниже 100°С и не образовывался ламинарный слой воды, необходимо поддерживать строго рассчитанный расход воды.

На рис. 8 представлена функциональная схема автоматического  управления расходом воды, подаваемой в форсунки охлаждающего устройства. Функциональная схема автоматического управления охлаждением бухты (рис. 8) представляет собой способ автоматического регулирования расхода воды, подаваемой в форсунки охлаждающего устройства с обратной связью. На вход управляющего устройства (УУ) поступают:
1) геометрические размеры бухты G (наружный диаметр, внутренний диаметр, высота, диаметр катанки);
2) теплофизические характеристики алюминиевого сплава K (коэффициент теплопроводности, теплоемкость и плотность);
3) заданная температура поверхности бухты T_з;
4) температура охлаждающей воды T_в;
5) измеренная температура поверхности бухты T_и;
6) измеренный расход Q_и.

УУ вычисляет расход воды Q_р, который необходимо подать в форсунки охлаждающего устройства. С выхода УУ на вход объекта управления (ОУ) передаются управляющие воздействия Q_р (расчетный расход). С выхода ОУ по цепи обратной связи поступает на вход УУ расход измеренный (Qи). Происходит коррекция расчетного расхода.

Литература
1. ГОСТ З 52373-2005 «Провода самонесущие изолированные и защищенные для воздушных линий электропередачи».

Обсудить на форуме