Способ автоматического управления процессом приготовления углеродистых масс в смесителях непрерывного действия

 

Изобретение относится к автоматизации управления технологическими процессами и может быть использовано при приготовлении смесей исходных сыпучих компонентов со связующими, в частности при приготовлении углеродистых масс в производстве углеродных конструкционных материалов керамического типа. Целью изобретения является повышение структорно-механической прочности углеродистой массы и упрощения аппаратурной реализации способа. Способ автоматического управления процессом приготовления углеродистых масс в смесителях непрерывного действия состоит в изменении расхода связующего, разрушении углеродистой массы на выходе из смесителя с помощью лопастей, вращающихся со скоростью, превышающей в области контакта с потоком массы предельную скорость деформацию сдвига массы. При этом измеряют температуру углеродистой массы на выходе и мощность, потребляемую двигателем, вращающим лопасти, определяют энергию разрушения массы по формуле A=P<SB POS="POST">э</SB>-P<SB POS="POST">о</SB>, где A - энергия разрушения массы на выходе из смесителя, Вт

P<SB POS="POST">э</SB> - мощность, потребляемая двигателем, Вт

P<SB POS="POST">о</SB> - мощность холостого хода двигателя, Вт, и изменяют расход связующего в зависимости от величины энергии разрушения путем экстремального регулирования с коррекцией величины энергии разрушения в зависимости от измеренной температуры. 4 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК. ."ЯМ . г А

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ HOMHTET

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

1 (21) 4233783/23-26 (22) 22.04.87 (46) 23.03.90. Б.ол. № 11 (71) Запорожский филиал Всесоюзного научно-исследовательского и конструкторского института «Цветмета втомати ка» (72) А. С. Будзинский, П. Г. Калиниченко, П. Я. Авраменко и В. А. Филимонов (53) 66.012-52 (088.8) (56) Авторское сви етельство СССР № 1020156, кл. В 01 3 4/02, В Oi F 15/04, Г981.

Авторское свидетельство CCCP № 1079274 кл. В 01 F 1/ 04, 1982. (54) СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ПРИГОТОВЛЕНИЯ УГЛЕРОДИСТЫХ МАСС В СМЕСИТЕЛЯХ НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ (57) Изобретение относится к автоматизации управления технологическими процессами и может быть использовано при приготовлении смесей исходных сыпучих компонентов со связующими, в частности при приготовлении углеродистых масс в производстве углеродных конструкционных материалов кеИзобретение относится к области автоматического управления технологическими процессами и может быть использовано при приготовлении смесей исходных сыпучих компонентов со связуюшим, в частности при приготовлении углЕродистых масс в производстве углеродных конструкционных материалов керамического типа.

Цель изобретения — повышение структурно-механической прочности углеродистой массы и упрощение аппаратурной реализации способа.

На фиг. 1 представлена зависимость напряжения сдвига от скорости деформации сдвига; на фиг. 2 — зависимость удельной энергии разрушения углеродистой массы

Л0„„ 1551406 А 1 (51)5 B 01 г 1/00, G 05 D 27 00

2 рамического типа. Целью изобретения является повышение структурно-механической прочности углеродистой массы и упрошения аппаратурной реализации способа. Способ автомати-:еско, о управления процессом приготовления углеродистых масс в смесителях непрерывного дечствия состоит в изменении расхода связуюгцего, разрушении углеродистой массы на выходе из смесителя с помощью лопастей, вращающихся со скоростью. превь;шаюшей в области контакта с погоком массы предельную скорость деформацию сдвига массы. При этом измеряют температуру углеродистой массы на выходе и мошность, I.oòðåáëÿåìvþ двигателем, врагцалиши;:; лопасти, определяют энергию разрушения массы по формуле А=Рэ — Po, где — энергия разрушения массы на выходе из смесителя. Вт, Р: — мощность, потребляе. :: ая двигателем, Вт; Pa — — мощность холостого хода двигателя, В-, и изменяют расход связуюше-о в зависимости от величинь| з;- ергии разрушения путем экстремально",о регулирования с коррекцией величины энергии разрушения в зависимости от измеренной температуры. 4 ил., 1 табл. от расхода связуюшего; на фиг. 3 — функциональная схема системы автоматического управления приготовлением углеродистых масс, реализуюшей предлагаемый способ; на фиг. 4 — — конструктивное выполнение смесителя.

При механическом воздействии на углеродистую массу врашаюшимися лопастями предельная скорость деформации сдвига отделяет зону вязкого течения без нарушения сплошности от зоны полного разрушения структуры м" ññû в месте деформации (деформация — относительное смешение точек. в обьеме углеродистой массы1. При скорости деформации в зоне 1 (фиг. 1) механическая энергия затрачивается на деформацию массы

155140б

Показатели

Значение показателя

Энергия раз— рушения, Вт:

Ат

37,1 40,9 38,7 37,0 43,7 38,1 40,0 38,5 36,2

380371409387370437381400385

A7„

Температура, С: т т„

145 138

143 1i5

141 144

138 141

130 141

144 130

136 138 l42

141 136 138

П р и м е ч а н и е. Содерх<ание связующего 177 от массы. т.е. на преодоление сопротивления вязкому течению массы. При этом разрыва сплошности, т.е. разрушения структуры, не происходит, и энергия зависит от скорости деформации сдвига, т.е. от скорости перемещения рабочих лопастей. При .скорости деформации в зоне II механическая энергия затрачивается на разрушение структуры в месте деформации. При этом происходит разрыв сплошности и энергия не зависит от скорости деформации, т.е. разрушение структуры (разрыв сплошности) происходит при достижении определенной скорости деформации.

Именно при таких скоростях деформации механическая энергия характеризует энергию разрушения углеродистой массы, т.е. ее структурно-механическую прочность.

Предельная скорость деформации сдвига определенного вида массы, при которой происходит нарушение сплошности (разрушение структуры) определяется экспериментально.

Энергия разрушения углеродистой массы определяется по количеству энергии, затраченной электродвигателем, вращающим лопасти, которые разрушают массу на выходе из смесителя.

Рассматривают уравнение мощности weктродви гателя

P.== Ро+А, где P-. — мощность, потребл яемая двигателем;

Po — мощность холостого хода двигателя;

А — энергия, затрачиваемая двигателем на разрушение углеродистой массы.

Откуда приходят к формуле для косвенного определения энергии разрушения углеродистой массы, выраженной в единицах мошности:

А= Р.— P, причем мощность P- измеряется измерителем мошности (ваттметром) и Р.=Const. Для определения энергии разрушения углеродисОбработка данных по методу наименьших квадратов дает следуюшее значение коэффициента а=0,52. Температура массы на вытой массы необходимо измерять ваттметром мощность Р. и уменьшить ее на постоянную величину Ро.

На выходе из смесителя углеродистая масса представляет собой равномерно распределенные частицы наполнителя, покрытые адсорбционны м слоем связующего определенной толшины и скрепленные в местах контакта межзеренными прослойками связ ю10 щего. Как показали исследования, энергия разрушения углеродистой массы может быть показателем для оценки прочности сил сцепления частиц, составляющих углеродистую массу. Энергия разрушения углеродистой массы определяется объемом связующего в области контакта зерен и числом контактов и зависит от содержания и свойств связующего и наполнителя и температуры массы.

Изменение температуры масс при постоянном ее составе приводит к изменению энергии разрушения и является следствием зависимости поверхностного натяжения связуюШего и сил межмолекулярного сцепления поверхности наполнителя с молекулами связующего.

При повышении температуры энергия раз25 рушения уменьшается, а при понижении увеличивается. Экспериментально установлена зависимость энергии разрушения углеродистой массы от температуры при постоянном содержании связукнцего и получена регрессионная формула

30 Ат,= Ат,— а (Т вЂ” Т i ), где Ат„Ат, — энергия разрушения массы соответственно при температуреТ и Т, а — температурный коэффициент изменения энергии разрушения

Экспериментальные данные для углеродистых масс конструкционных материалов керамического типа (наполнитель: кокс марки КНПС, связующее пек марки А) приведены в таблице. ходе из смесителя за счет экзотермических процессов контактного взаимодействия может изменяться в пределах 125 †1 С.

1551406

При оптимальном содержании связующего в массе на поверхности и в местах контакта зерен наполнителя образуется непрерывный адсорбционный слой связующего, обладающий повышенной структурной прочностью и связыввающий зерна наполнителя. Энергия разрушения такой массы достигает максимального значения (фиг. 2). При недостатке связующего в массе на поверхности и в местах контакта зерен наполнителя имеются несмоченные частицы и участки. Энергия разрушения такой массы существенно уменьшается. При избытке связующего на поверхности и в местах контакта зерен наполнителя, кроме непрерывного адсорбционного слоя связующего, образуется пластичный слой связующего свободной объемной фазы.

Энергия разрушения такой массы также существенно уменьшается.

Таким образом, определяя и поддерживая на максимуме энергию разрушения углеродистой массы путем экстремального регулирования изменением количества связующего, можно обеспечить оптимальное соотношение связующего и наполнителя и тем самым повысить структурно-механическую прочность углеродистой массы.

Предлагаемый способ заключается в следующем.

На выходе из смесителя массу разрушают с помощью лопастей, установленных на валу двигателя. Число оборотов двигателя выбирается из условия превышения скорости деформации сдвига массы в области контакта с лопастями предельной скорости деформации сдвига, при которой происходит разрушение структуры.

Измеряют текущи и расход связующего

Qi.

Вычисляют и устанавливают расход связующего, равный Q+ b(6 — величина пробного шага).

Через время переходного процесса измеряют температуру Ti и мощность двигателя, - вращающего лопасти, определяют энергию разрушения углеродистой массы на выходе смесителя, оответствующую температуре

Т:

Ат, (Q+6) =Р.— Р..

Вычисляют и устанавливают расход связующего, равный Q — 6.

Через время переходного процесса измеряют температуру Тг и мощность двигателя, вращающего лопасти, определяют энергию разрушения углеродистой массы на выходе смесителя, соответствующую температуре T2..

Ax (Qi — 6) =Рэ — Ро, Определяют изменение температуры

Тг — Т н корректируют энергию разрушения Ат,(О+6) на величину, пропорциональную изменению температуры:

Ат,(Я +6) =Ат, (Qi+6) — а (Тг — Т ) .

Вычисляют производную удельной энергии разрушения массы по расходу связующего дА

Изменяют расход связующего в.зависимости от величины и знака производной

10 дА

++i — — Я +а— дЯ где n — коэффициент пропорциональности, определяемый экспериментально.

Указанные операции повторяются перио15 дически с дискретностью, определяемой инерционными свойствами объекта.

Пример. Углеродистую массу на выходе из смесителя разрушают вращающимися лопастями, установленными на валу двигателя с числом оборотов п=850 об/мин, что соответствует скорости деформации сдвига в области контакта. в=2565,0-1/С и значительно превышает предельную скорость деформации сдвига.

Измеряют число оборотов шестеренчато25 го насоса п=48 об/мин и определяют текущий расход связующего Qo=3,74-48=

= 180 кг/ч.

Вычисляют и устанавливают расход связующего, равный go+6=185 кг/ч, величина пробного шага 6=5 кг/ч.

Через время переходного процесса т=

= 8,2 м и н изме р яют тем пературу Т = 138 С и определяют энергию разрушения

Ат, (Qo+6) = Рэ — Ро=33,15 Вт.

Вычисляют и устанавливают расход

35 связующего, равный Qo — 6=175 кг/ч.

Через время переходного процесса измеряют температуру Тг=142 С и определяют удельную энергию разрушения

Ат,(Яо — 6) =17,5 Вт.

Определяют изменение температуры

40 Т.— Т вЂ” — 4 С и корректируют удельную энергию разрушения Ат,(Qo+6) на величину, пропорциональную изменению температуры:

Атг (Яэ+6) =Ат (Qo+6) — а (Тг — Ti) =

=31,07 Вт (а=0,52)

45 Вычисляют производную удельной энерги разрушения массы по расходу связующего дAa Ата о 6 — A a — 6 д(,1 (Qo+6) — (Qo — 6)

Изменяют расход связующего в зависн50 мости от величины и знака производной.

Q =Qo+n-1,36=193,6 кг/ч, где а — коэффициент пропорциональности, сс=10.

Указанные операции повторяют периодически с дискретностью, определяемой экспериментально и обусловленной инерционными свойствами объекта.

1551406

На следующей стадии приближения получено ()д+ 0=214,74 кг/ч, Т) =146 (;, Ат (Од+)з) =46,22 В>т, Q„— 6==-204,64 кг/ч, Тд=141 "С, Ат ((,)д — О) =48,67 Вт, Ат,(()д+

+6) =48,82 Вт, - (-- — — 0,0159 и

3As

=209,89 кг/ч.

Таким образом, значение производной у (сл» ной энергии разрушения углерсдистои массы по расходу связующего уменып илось — - — =1,36 д<) — =0,015, что свидетельдА. дл

ДЯ <)Q ствует о попадании энергии разрушения В оптимальную область, при этом расход связующего установился Q)B.-? I0 кг/ч на оптимальном уровне (фиг. 2). В области o!iтимума работы системы прсдолжаетсн В аналогичном режиме для отслеживания д, .ейфа экстремума, вызванного изменением физико-химических свойств наиолнителя с в язую ще ro.

В смеситель 1 из бункера 2 через дозатор

3 (п«естеренчатый насос) поступает связую щее, а из бункера 4 дозируется с »ссто "«ным расходом наполнитель. дозатор 3 сс»динен с тахогенератором 5. измсрякипи .) число оборотов насоса, по которому Вы )ие ляют текущий расход связук):l,<)j-с В блок( ((? =3,74.n). На ВЫХОДЕ СМЕСИтв.)я 1 )>C) апсiiлен рабочий орган, представляю«ц.:и сссс; лопасти 7, установленные на Валу электродвигателя 8, с измерителем 9 мсп(исс»и. Термопара 10 предназначена для измсреиия тс:)п е р а т у р ы углеродистой м а с с и н 31 В ы;< с д с из смесителя. Блок 11 предиазна )ен дли формирования задающего си гнала дсзатс.)" связующего. Блок 12 служит д(ля Hariov. ««3ния температуры массы на выходе из см(сителя. В блоке 13 осуществляют сгределение и запоминание энергии раз«)уи«ени>« углеродистой массы. Блок 14 пред)«азнач и для корректировки энергии рязруше««ия HH величину, пропорциональную изменению те)мпературы, в памяти блоха 14 хранится коэффициент пропорциональности а. B блоке

15 производится вычисление ве.iичин пробно го воздействия для определения производ««0Н энергии разрушения углерсдистой массы в блоке 16. В блоке 17 определяют:и;ый расход связующего. Кроме того, сбсзнячен J выходное отверстие 18 смесите)!я.

Алгоритм управления можег быть реал«:— зован программным путем с испол»зова «ис;. микроЭВМ, выполняющей оиераци .г) блоков

6,12 — 17. Управление посл е,;;:::„.тел ьиостьк) выполнения операций в режи <е реального времени осуществляется «H «!cire T«epo;>;:) (программой из стандартного )IHTe) HTI! iecкого обеспечения СМ-1800), Система р" áîòàåò следую щим образом.

Поток углеродистой массы непрерывно

Выходит через отверстие 18 в смесителе 1, разрушается лопастями 7, закрепленными на

5 валу электродвигaòeëÿ 8. и падает в прием1-!»l и 0 ) Н К Е 0 ..

В некоторый момент Bðåìåíè (измеряют

:)ислс Оборотов п !iecTepeB«aToI 0 нас )са ,озатсра 3 тяхсгеиератором 5.

В блок" 6 Bbl . .ИСЛНЮТ 1»о r! BC»)( > ) ) тсв >ес)еренчятсгз насоса текущий расход

cHB3óro. r)eã0 Q, по формуле Э,=3,74 и;.

Блок 15 запоминает значение текущего расхода связую)щего g и Вычисляет и запо:.)Иняст расход свнзуюп.его Я,+б, значение !

)г К< 10poi O В бЛОКЕ I уетаНаВЛИВаЕтСя КаК

«3..)31!ие для дсзатсра 3. Величина пробно; ° ) I ..3 О хр3 !В (я B .«амB»и блoKH !5. ((ерс > Время Tеeреходного процесса т

:СРХН)и-.()o) r 10 изм РЯют темпеРатУРУ массы

»3 ВЫХОДС ИЗ СМЕСИТЕЛЯ И ЗНЯЧЕНИЕ ТСМПЕpHò;ðû Т) .,Яисми Яется в олокг le . (г (3))" рИТС.!» 9 ИЗ )epPeT ):!Oil«)«OCT» P:- Ë6 КТродьигатсля 8, Вра) 3K) öåão лопасти 7, коTO(r»!C ряэруп)яЮТ .;.аССу, бЛСК 13 ОирЕдЕЛ нот И Зai! )» И)«ги.- Э;-;Е(>ГИЮ РаЗРУШгНИЯ г - Ь ",! . ) e p 0;I «I C T <) H М Яl С:, Ы, C 0 O Т B PT C T B /IO Ù у Ю

)!«)асат:, O((>

-,«13 СНИе,: )):"СЕ -И .(), С "ТО).O ХО а Р0

> с )ск I О i!»i -, 1)с.r: ет «а.-«!О«,1!>.!3еТ расхОд

СВЯ:)У.С I!BÃÑ () — (), )«ia! СШ Я КС.:ОеО«0 ПЕРЕ-!

ДЯК)ТОН В )»0 i< . г и УС ЯИЯ ВЛИВЯ!СТСЯ КЯ К

«r.i (3«Bje 1i3 дозятсре 3. ;:epe! 1«ре;,.Н»epex;).-ь- ого процесса т гс;)мсп3 рой 10 изм; ря!От темпсратуpó массы ия «ых)),»e из смесителя:, з! Ячен ia темпе-!

)«)т",р;-») . > заноз))ннается В блоке 12.

i i3. :>ep« "<".l» 9 измеря т мсщ IocT!-. Рэ ., и. )." . po >è! Hтеля 8 В саша е) ш его лопасти /> коic)p»e разрушаю-. массу. блок 13 определяет и запоминает энергию разрушения

» углеродистой массы, соответствующую темl:(;)HT" I!e .:

Ar,Q 6) Р, В слск !4 из блoKH 12 Вводятся значе»ия тс«г)иеряту()ы Т и Тд, 3 из блока 13

B(ли )ины э«ергии -,Язрушения AT„. (Я - -О), :) > которая корректируется В блоке 14 на зе,:и!; B)! ó, иро«>срцион зльную изменению тем,е-, H, ур»1 !Т,:---Т) ), 3 определяется энергия разрушения A,(Q>+с), соответствующая

) :е ) сратуре T Bo «)o(0(!ry,r)(:

А),I Q:-(-с) = — А!., (() +о) — -à (Т; — T)).

>гЫ, «) >-:ИНЯ КОЭС фИ ЦИЕНТЯ ПРОГ)ОРПИОНЯЛ»>)o("r )>> a хра !I!Tca B ))a 1>!BT«< блока 1-"..

В б.-)ок i6 иs блока 14 Вводится скоррек)ирспа»нгя величина энергии разпушения г -T! > ((г> — - () ), H ОЛОКЯ 1 () —. ВЕ.)И ЧИНЯ ЭНЕРГИИ !

)Hзрушения Ат,(g --с), из блока 15 — рас"o!) l связующего <„) + (з и ()> б., соответст«ующие энергиям разрушения Ат (Я - -о)

А, (() > - - б )) 1551406 дА

05 10

Снорость дарор ации М р,с

Фиг. 1

Блок 16 вычисляет производную энергии разрушения по расходу связующего по формуле

В блок 17 из блока 16 вводится значение производной энергии разрушения по расходу связующего дА /OQ, из блока 15 — расхода связуюшего Q и новый расход связующего определяется по формуле дА

+ Op

Коэффициент а хранится в памяти блока 17.

Новый расход связуюшего вводят в блок 11 и устанавливают на дозаторе 3.

Операции повторяют периодически с дискретностью, определяемой экспериментально и обусловленной инерционными свойствами объекта.

Использование предлагаемого способа позволит упростить техническую реализацию способа управления, стабилизировать структурно-механическую прочность углеродистой массы и в оптимальной области и уменьшить количество брака готовой продукции.

Формула изобретения

Способ автоматического управления процессом приготовления углеродистых масс в смесителях непрерывного действия состоящий в изменении расхода связуюшего, отличающийся тем, что, с целью повышения структурно-механической прочности углеродистой массы и упрошения апцаратурной реализации способа, разрушают углеро10 дистую массу на выходе из смесителя с помошью лопастей, врашаюшихся со скоростью, превышающей в области контакта с потоком массы предельную скорость деформации сдвига массы, измеряют мошность, потребляемую двигателем, вращающим лопасти, и

15 температуру углеродистой массы на выходе, определяют энергию разрушения массы по формуле

A=p, p, где А — энергия разрушения массы на выходе из смесителя, Вт;

Рэ — мошность, потребляемая двигателем, Вт;

Po — мощность холостого хода, Вт, и изменяют расход связующего в зависимости от величины энергии разрушения путем экстремального регулирования с коррекцией величины энергии разрушения в зависимости . от измеренной температуры углеродистой массы на выходе.

1551406

180 АВЭО ЬЮ 810 ZZg 230

Расход сЬзукп це о,sejm

Фиг Г

Сиз юи(ее Налолнипель

Q„„

a„„ с 1

-u

Gi epooè emu жгсса

Фиг 5

1551406

Составитель А. Прусковцов

Редактор Н. Бобкова Техред И. Верес Корректор О. Кравцова

Заказ 292 Тираж 509 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж вЂ” 35, Раушская наб., д. 4 5

Производственно-издательский комбинат «Патент», г. Ужгород, ул. Гагарина, 101