电瓷绝缘子原料配方优化

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瓷绝缘子是输变电线路重要的元件，是由粘土、长石、氧化铝等多种矿物混合，经复杂工艺烧结而成的硅铝酸盐材料，具有耐高压、抗腐蚀和强度高等优点。其基本功能有两个：支撑电线和绝缘电流。自1850年西门子公司首次将瓷绝缘子用于输电网络上开始，对瓷绝缘子的研究已经有160多年。瓷绝缘子经历了由长石质瓷到方石英质瓷再到铝质瓷的发展。电瓷配方是电瓷生产过程的起始环节，配方的优劣直接关系产品质量的好坏。配方的优化有利于资源的合理利用和产品合格率的提高，从而减少三废。例如配方中铁含量过高则会导致产品介电性能的降低甚至废品的产生，不仅造成原料、劳动和能源的浪费，而且会向环境排放三废污染物。尤其是废瓷件，其在环境中稳定性很好，很难自然降解。环境问题在今天已日趋严重，其与人类的生存和发展息息相关，保护环境已刻不容缓。从这一点看来，电瓷原料的配方优化对保护环境有重要意义。目前电瓷厂的配方设计主要靠手工计算完成，费时费力，且配方不稳定，严重阻碍了生产效率的提高。为了改进配方方法，作者在课题组前期工作的基础上,结合有关配方优化的文献资料,将配方优化转变成多目标优化的问题。以各种氧化物的计算值与目标值之差的最小值作为目标函数，共有八个子目标函数，论文采用了理想点法和线性加权系数法统一目标函数，选用了电瓷生产中对各种成分的要求对目标函数进行约束，最后运用LINGO软件进行优化计算，取得了良好的效果，提高了配方效率、稳定性和准确性，节省了人力物力。通过优化模型的建立，计算方法的选择和实例计算取得了如下成果：1）在对电瓷原料配方优化实际问题深入分析的基础上，作者选取各种原料的用量作为优化变量，以各种氧化物的计算值与目标值之差的最小值作为目标函数，以电瓷生产中对各种氧化物和矿物含量的要求作为约束条件，建立了电瓷原料配方优化的通用数学模型如下： {■(■(min SiO_2 @■(min?〖Al_2 O_3 〗@■(min Fe_2 O_3@■(min?CaO@min?MgO@min?〖K_2 O〗 )@min?〖Na_2 O〗 ))@min TiO_2 )@■(∑_(i=1)^m?Xi=100 @■(0≤Xi≤100，(i=1,2,…,m)@|计算值 Ai – 目标值 Bi|≤α,(i=1,2,…,n)@■(■(C13?X1 + C23?X2 + …+ Cm3?Xm≤120@(C14?X1 + C24?X2 + …+ Cm4?Xm) + (C15?X1 + C25?X2 + …+ Cm5?Xm) ≤150 @(C16?X1 + C26?X2 + …+ Cm6?Xm) + (C17?X1 + C27?X2 + …+ Cm7?Xm)≥300)@(C16?X1 + C26?X2 + …+ Cm6?Xm) + (C17?X1 + C27?X2 + …+ Cm7?Xm) ≤400@■(C1?X1 + C2?X2 + …+ Cm?Xm ≤β@?)))))┤2）论文为配方优化模型提出了两种计算方法，即理想点法和线性加权系数法，并给出了相应的计算公式。（1）理想点法的计算公式为： （2）线性加权系数法的计算公式为：Min F(X)= W1* SiO2+ W2* Al2O3+ W3* Fe2O3+ W4* CaO + W5* MgO + W6* K2O + W7* Na2O + W8* TiO2 3）理想点法和线性加权系数法都能很好地完成配方优化计算，但理想点法程序比线性加权系数法复杂，计算步骤远多于线性加权系数法，线性加权系数法的计算结果优于理想点法的计算结果。线性加权系数法更适合在电瓷配方优化计算中采用。总体而言，电瓷绝缘子原料配方LINGO优化设计程序简单，计算结果准确，适合在电瓷企业推广应用，将有助电瓷企业配方效率和产品质量的提高。论文为今后电瓷配方优化计算奠定了理论基础，丰富了电瓷配方设计知识。