开题报告-时谐磁场下频率对螺线管线圈电磁力场的影响研究.pdf

1 毕业设计（论文）开题报告毕业设计（论文）开题报告 课 题 名 称 ：时谐磁场下频率对螺线管线圈电磁力 场的影响研究 学院 ：机械工程学院 专业 ：机械工程及自动化 姓名 ：马建华_ 学号 ：120800116 指 导 教 师 ：白云峰 2016 年年 3 月月 10 日日 2 时谐磁场下频率对螺线管线圈电磁力场的影响研究时谐磁场下频率对螺线管线圈电磁力场的影响研究 1 1、背景介绍背景介绍 电磁铸造自 60 年代末问世以来，引起了人们的广泛注意，并得到迅速发展。 目前，铝合金的电磁铸造已大规模投入工业性生产。铜的电磁铸造正处于研究开 发阶段。国外已有人着手钢的电磁铸造和水平电磁铸造。美国 GE 公司已开发出 引上式电磁铸造方法，采用电磁铸造生产透平机叶片的方法已被提出。 电磁铸造是利用电磁感应原理实现的无模型连续铸造技术。与传统 DC 法相 比，其铸模由一个电磁线圈代替。当感应器中通以中频电流时，在铝液侧表面产 生感应电流，感应电流又产生感应磁场，感应磁场与交变磁场相互作用，产生向 内的电磁力，使液态金属不流散形成液柱。冷却水在感应器下方喷向铸锭，使液 态金属凝固，铸机拖动底模向下运动，同时供给一定量的铝液，就形成了电磁铸 造过程。 由于液体金属不与铸模接触，而是在保持自由表面的状态下成型凝固，铸件 表面非常光滑，接近镜面，完全消除了 DC 法生产的铸坯表面的粘附，偏析瘤等 缺陷。在进一步加工前，可以不铣面或少铣面，使金属利用率大大提高。其次由 于液态金属是在强磁场搅拌作用下凝固， 内部组织均匀细小， 消除了偏析。 因此， 电磁铸造是目前生产优质铝合金铸锭的最好方法。 由此可见，在电磁铸造中，关键技术是要掌握电磁力场的规律，是电磁力场 的产生才使得电磁铸造成为可能。 要想提高电磁铸造技术就要先将铸造过程中的 电磁力场的规律研究透彻。而本次课题研究就是针对时谐磁场下，频率这个非常 重要的因素对于螺线管线圈电磁力场的影响。 谐波磁场 1在液态阶段的材料加工过程中起着重要作用，这些加工过程包括 感应熔炼 2，电磁铸造3-6、连铸电磁搅拌7-8，电磁约束成型，晶体生长，太阳 能级硅提纯 14-16，电磁泵输送17,18，电磁侧封19等。从理论上来讲，只要被加工 的材料在液态下能够导电，电磁场就能通过电磁力场，即洛伦兹力场，对其液态 下的流场、 温度场、 和成分场及其耦合过程进行干预， 从而控制其凝固传输过程， 达到特定的目的。 3 谐波磁场下，洛伦兹力的大小和方向既随时间变化，又因空间位置而变化。 理论分析表明，洛伦兹力场是具有固定周期的时变矢量场，其周期是励磁电流周 期的一半。 周期性的时变洛伦兹力场在上述材料电磁处理过程中起着决定性的作 用，但因其复杂性，一直以来，国内外学者均未能把握时变场的定量特征，虽然 材料电磁处理技术的应用日益深入、扩大，但时变洛伦兹力场定量描述问题一直 悬而未决。 长久以来，在时变洛伦兹力场的应用和研究上有三种典型的处理方式： 其一，在简化的基础上，由特征长度、空载磁感应强度和电导率来计算洛伦 兹力20，并据此开发、设计或估算各种感应器的性能。这种方式虽然简化了设 计过程， 但忽略了洛伦兹力场的时变特征， 也忽略了其作为场的空间分布的特征。 其二， 根据对空载条件下感应器感应磁场的测量结果， 估算时变洛伦兹力场。 这种处理方式明显忽略了材料电导率的差异和感应电场的作用。 其三， 根据数学 ， 讲洛伦兹力分解为两个部分： 一部分称之为时均部分 （其 大小和方向不随时间变化，但与空间位置有关。此部分可通过一些商用软件，如 ANSYS,或研究者自行开发的程序来计算）；另一部分称之为脉动部分（其大小和 方向既随时间变化，也随空间位置而变化，洛伦兹力的时变特征主要由这部分来 体现）。这样分解之后，将脉动部分略去，只研究时均部分，并以时均部分的洛 伦兹力场来代表时变洛伦兹力场。这种处理方式为许多学者在进行电磁力场分 析，电磁场、流场、温度场等的耦合计算时所采用 21-25。 有研究人员认为，当励磁电流频率较高时，忽略洛伦兹力的脉动部分是相对 合理的；但当励磁电流频率较低时，就必须考虑随时间变化的洛伦兹力的脉动部 分 20。 长久以来，国内外的研究者对材料电磁处理过程中涉及的多物理场，包括感 应磁场、有载感应电场、流场（大多数用时均部分洛伦兹力场作为源项）、温度 场、成分场及其相互耦合过程，均开展了大量研究工作。但对于由感应磁场与感 应电场共同作用产生的脉动时变洛伦兹力场的周期性特征，一直缺乏了解，其周 期性的空间变化规律一直是一个难题，未能解决。这里边的主要难点就在于对脉 动部分洛伦兹力的特点未能掌握。 谐波磁场下的时变洛伦兹力场是具有固定周期的矢量场， 这是其区别于流场 4 等其他矢量场的显著特征。 随着谐波电磁场在材料加工过程中应用的日渐广泛， 对于周期时变的洛伦兹 力场的研究和认识有必要有所突破，其意义至少在于：第一，掌握各种感应器产 生的周期性洛伦兹力场的特点；第二，理解各种典型因素对周期性洛伦兹力场的 影响规律；第三，为各种电磁感应器的设计、感应电流频率的选用提供定量、可 靠的依据；第四，有助于对材料液态电磁处理中的传输现象进行更为细致的研究 和理解，包括力场与流场和温度场等的耦合过程、凝固过程中晶粒细化机制等。 2 2、研究现状研究现状 2.1 国外电磁铸造的发展状况 1960 年年中苏联 Getselev 发明了电磁铸造法(EMC)。1966 年用 EMC 制得了 第一个铸锭,1969 年在工业上铸造了直径为 200-500mm 的铸锭。后来,由于它也 适于铸造方锭,实际上用于铸造 300x（1250-1550） 2 mm的铸锭，在捷克斯洛伐 克、匈牙利、东德等东欧各国进行了普及。在西方各国,1973 年美国 Kaiser 公 司引进了专利，同年 Alusuisse 公司也引进了该技术,此外,Alcoa、Reynolds、 Pechiney 等公司的大型铝厂也都在同时期引进了该技术。日本的三菱化成公司 在 1972 年 10 月也引进了该技术。 从苏联引进的 EMC 技术,单块铸造技术是基本的,距离西欧各国对多块铸造 技术或大断面铸锭连续铸造技术的要求相差很远,引进之后,各公司还必须发展 这种技术。Alusuisse 公司 1975 年在美国的分公司 Comalco 开始装备了实用的 成套设备,投产了铸锭尺寸为 500x1300 2 mm的 4 块连续铸造设备。Kaiser 公司 1981年完成了500x1300 2 mm的5块连续铸造设备。 现在,在引进EMC技术过程中, 达到工业实用化的只有Kaiser及Alusuisse二个公司,它们都是在引进基本技术 后经过数年才达到实用化。 在 EMC 实用化方面不可缺少的是计算机控制的铸造自 动化。目前,EMC 可以说是变成了技术水平非常高的铸造方法 33 。 2.2 国内电磁铸造的发展状况 我国的电磁铸造技术研究起步也较早,70 年代中期,东北轻合金加工厂就开 始这方面的研究,并于 1982 年试制出铝合金圆锭。 但因缺乏基础理论和配套设备 5 的系统研究,工艺操作难度较大,没有实现自动控制,致使这一技术实际上被搁置 起来,未能在生产中发挥应有作用。 “七五”期间,中国有色金属工业总公司主持 将铝合金方锭的电磁铸造方法列入国家攻关计划,组织大连理工大学、西南铝加 工厂、北方工业大学、东北轻合金加工厂共同进行开发研究,并取得了一系列成 果。近年来,大连理工大学电磁铸造实验室在国家自然科学基金和辽宁省科技基 金的支持下,建立了电磁铸造中试基地,进行了铝合金电磁铸造的中试实验； 优化 设计出电磁感应器系统结构,确定了成型控制参数； 铸造出多种优质铝合金铸锭, 并对 EMC 温度场、应力场进行了实验与数值模拟的研究。 2.3 电磁铸造的发展 电磁铸造技术应用于生产，仅仅 30 多年的时间，但在工艺、设备等诸方面 都取得了新的进展和突破，主要研究方向集中在以下几个方面: 1多流化、盒形化； 2可调节的电磁模和无接触液位检测； 3异型铸坯； 4不同材料的开发应用 34 。 2.3.12.3.1 不同形状铸锭的电磁铸造不同形状铸锭的电磁铸造 美国 Olin 公司发明了一种生产透平机叶片的电磁铸造法，其结晶器可由一 齿轮带动旋转,感应线圈做成透平机叶片的截面形状。 在电磁铸造过程中,调节外 加电流的大小可以改变铸锭的截尺寸,齿轮缓缓转动,使拉出的铸锭成为螺旋状。 此外,还有生产管棒材,薄板的电磁铸造技术报到。 该装置巧妙地利用行波磁场向 上的推力抵消重力,环形线圈向轴线方向的挤压力使液态金属脱离结晶器壁后凝 固,工艺过程稳定且便于调整 35 。 2.3.22.3.2 不同材料的电磁铸造不同材料的电磁铸造 电磁铸造应用于铝及铝合金已经很普遍了，最近几年它的应用范围不断扩 大，如硅、锗、镁等棒材及铝合金的管材。美国 Olin 公司开发铜和铜合金的电 磁铸造技术，并成功地将其应用于大截面铜坯和薄铜带的生产中。目前，最引人 注目的是钢的电磁铸造的开发和应用。 钢的产量巨大,如果实现无模电磁铸造将大大改善钢坯的表面质量,消除轧 制中产生的各种缺陷,显著提高组织和机械性能又由于无模取消了复杂的润滑和 6 振动系统以及检测、控制系统,可大大简化工艺及装备,降低劳动强度。因此,实 现钢的电磁铸造意义重大。 2.3.32.3.3 水平电磁铸造技术水平电磁铸造技术 浅井滋生首先开发了静磁场中通以直流电的水平电磁铸造装置。 随后日本住 友公司和美国能源部,先后也申报了水平电磁铸造薄板的专利。其中美国能源部 的专利对设备说明相当详细。在该设备中，被铸金属位于铁芯中间,在上线圈与 被铸金属之间放有一金属导板。导板一边与液态金属熔池连接,另一边通过引导 辊与被铸金属连接,形成导电闭合回路。 在上下两个线圈产生的交变磁场作用下, 闭合回路中产生感应电流。受磁场作用,导板受压力向下,被铸金属受浮力向上。 由于上层导板被固定,所以下层被铸金属受浮力悬浮。冷却剂从上下两面喷出使 金属在悬浮段凝固,引导辊引导被铸金属板运动形成连铸过程。当被铸金属受干 扰向下偏离时,闭合回路面积加大,感应电流增加而使浮力增加,使被铸金属回到 原位。反之亦然。因此这一装置具有自动稳定的功能。两侧两个小凸缘可使磁路 形成小闭环,产生侧面向内的压力 36 。 2.3.42.3.4 铝合金薄板的电磁铸造铝合金薄板的电磁铸造 电磁铸造主要用于铝合金圆锭和厚大扁锭的生产,其产品需经过二十多个道 次的热轧和冷轧制成不同规格的板、带和箔材。电磁铸造对铸锭组织和性能的改 善主要在表层 30-40mm 范围内,而内部与 DC 法生产的铸坯相差不大。Evans 在阐 述电磁铸造技术时,认为用电磁铸造法直接制取厚 10mm 以下的铝薄板,以便省去 热轧而直接冷轧,从而可大大降低设备投资和能耗,减少工序。所以,铝薄板电磁 铸造技术的研究具有重要意义,因而己成为当前电磁铸造的研究热点之一。 Cook等首先用有限元法计算了电磁铸造铝薄板时液一固界面的位置,然后数 值模拟了电磁场,确定了在较高铸速下可以支撑半悬浮金属液柱成型的电磁场和 电磁力,为成型系统的设计提供依据。 叶谷等用电磁铸造法进行了 150x（10-20）mm 铝合金薄板的工艺试验并获得 成功。他们采用 10 匝的电磁线圈,工作电流为 710A,可产生 0.08-0.1T 的磁通密 度以维持 140mm 高液柱的静压力。他们研究了不同的冷却水量（16-20L/min）、 铸造速度（360-600mm/min）以及底模厚度（10-20mm）对铸造工艺和薄板质量的 影响。铸造的铝薄板样品直接进行冷轧,压下率达 80%时仍无表面缺陷,机械性能 7 高于 DC 法生产的经过热轧和冷轧的样品,完全符合日本 JIS 标准要求。 但是,叶谷等制备的铝薄板样品尺寸较小,而且截面形状不甚理想。 大连理工 大学从 1996 年开始铝薄板电磁铸造的研究并取得有意义的结果 37 。 2.4 电磁铸造技术的不足 对于一些特殊的金属材料仍然缺乏相关的技术支持和实验验证， 例如钢的电 磁铸造技术。其主要受到以下因素的困扰： 1钢的密度大,约是铝的三倍,若要形成与铝相同高度的液柱,磁感应强度则需 铝的 1.7 倍。 2钢的电导率低,仅为铝的 1/6,而且趋肤深度大,在相同电源参数下钢表面形 成的感应电流密度小,电磁推力也小。 3钢的熔点高,难于凝固。因此,目前尚无实用的钢电磁铸造技术获得成功，此 外,用电磁铸造法生产钢坯在经济上的合理性,还缺乏充分的论证 36 。 3 3、课题研究内容、课题研究内容 （1）了解课题背景和意义； （2）运用 ANSYS 进行 2 维谐波电磁场分析及数据文件导出； （3）了解 ANSYS 导出文件的内容及利用 FORTRAN 语言编程进行电磁力场数据处 理的原理； （4）运用 ORIGIN 软件进行绘图； （5）数据文件分析，得出频率对电磁力场的影响规律。 4 4、技术路线、技术路线 （1）金属材料电磁铸造成型技术 （2）时谐电磁场基础知识 （3）ANSYS 软件知识（二维谐波电磁场分析） （4）ORIGIN 软件绘图知识 5 5、关键技术介绍、关键技术介绍 5.1 金属材料电磁铸造成型技术 60 年代初，前苏联首次研究成功了一种新的铸造技术用于连铸，即电磁铸 造（EMC）。它是用电磁感应线圈取代了传统的结晶器，靠电磁力与金属熔体的 8 表面张力形成铸型，由于金属熔体与铸模几乎无接触，从而改善了铸坯的表面质 量。 与传统的带结晶器的铸造方法相比，电磁铸造具有以下优点： 1延长了铸模的使用寿命，减少了拉矫机的驱动力； 2改善了铸件表面质量； 3铸造速度，生产效率提高，可铸造形状较复杂的铸件； 4避免了使用润滑油供给系统，从而避开了由此带来的诸多难题； 5晶粒细小，成分偏析少，组织比较均匀。 5.1.15.1.1 电磁铸造工艺过程电磁铸造工艺过程 1调整电磁感应器、屏蔽罩、冷却水套和底模等的水平和相对位置； 2将底模升入感应器中,使其顶面位于磁场强度最大位置； 3通入冷却水,启动中频电源,调整功率、频率和感应器电流等至规定值； 4浇注液体金属于底模中,当形成的半悬浮液柱接近规定的高度时放入浮漂漏 斗； 5喷水冷却,启动拉坯系统,使铸速按一定模式逐渐过渡到正常值； 6当铸造过程进入稳定阶段后,铸造速度基本恒定,严格控制流槽中的液位,保 持静压头和液位恒定,直至铸造过程完毕 37 。 图 1 电磁铸造工艺示意图 1-浇注系统；2-节流阀；3-浮标漏斗；4-电磁屏蔽罩；5-金属液柱；6-冷却水环； 7-感应线圈；8-调距螺栓；9-盖板；10-铸锭；11-引锭装置 5.1.25.1.2 电磁铸造基本原理电磁铸造基本原理 电磁铸造采用感应线圈代替传统结晶器,靠电磁压力和金属熔体表面张力使 金属熔体在自由表面状态下凝固,其基本原理如图 2 所示: 当感应线圈中通交变电流 0 J时,感应线圈周围产生交变磁场 H,由电磁场理 9 论可知,处于交变磁场中的金属液将产生与感应线圈中电流方向相反的交变感应 电流 J,感应电流与交变磁场相互作用在产生向内的电磁力BJF压迫下液体 金属成形。 为使液柱侧面保持垂直,磁压力在液柱高度方向的分布必须与液柱静压力的 分布一致,如图 b 所示,即满足ghPP sm 。 式中, m P为磁压力, s P为表面张力压 力,为熔体密度,g 为重力加速度,h 为液柱高度。为达此目的,在液柱上方设置 一屏蔽罩,它同时起抑制熔体流动以稳定液柱的作用。冷却水在感应器下部喷向 铸锭使液体金属凝固,铸机拖动底模向下运动,形成连铸过程 38 。 (a)(b) 图 2 电磁铸造原理图 5.2 时谐电磁场基础知识 在时变电磁场中，如果场源以一定的角频率随时间呈时谐(正弦或余弦)变 化，则所产生的电磁场也以同样的角频率随时间呈时谐变化。这种以一定角频率 作时谐变化的电磁场，称为时谐电磁场或正弦电磁场。在工程上，应用最多的是 时谐电磁场。同时，任意的时变场在一定的条件下都可通过傅里叶分析方法展开 为不同频率的时变场的叠加。因此，研究时谐电磁场具有重要的意义。 5.2.15.2.1 二维时谐电磁场的复数表示二维时谐电磁场的复数表示 设),(tru是一个以角频率随时间呈时谐变化的标量函数，其瞬时表示式为： )(cos()(),(rtrutru m 式中 m( ) ur 为振幅，它仅为空间坐标的函数。为角频率。 ( ) r 是与时间无关的 初相位。 电磁场随时间作正弦变化时，电场强度的两个分量可用余弦函数表示为： , , , ,cos xxmx Ex y z tEx y zt 10 , , , ,cos yymy Ex y z tEx y zt 5.3 ANSYS 软件知识（二维谐波电磁场分析） 数值模拟技术通过计算机程序在工程中得到广泛的应用。到 80 年代初期， 国际上较大型的面向工程的有限元通用程序达到几百种，其中著名的有：ANSYS， NASTRAN，ASKA，ADINA，SAP 等。它们多采用 FORTRAN 语言编写，规模达几万条 甚至几十万条语句， 其功能越来越完善， 不仅包含多种条件下的有限元分析程序， 而且带有功能强大的前处理和后处理程序。由于有限元通用程序使用方便、计算 精度高，其计算结果已成为各类工业产品设计和性能分析的可靠依据。 在众多可用的通用和专用有限元软件中，ANSYS 是最为通用有效的商用有限 元软件之一，在多次用户调查中，ANSYS 都名列前茅。ANSYS 软件从 70 年代诞生 至今，经过 30 多年的发展，已经成为能够紧跟计算机硬、软件发展的最新水平、 功能丰富、用户界面友好、前后处理和图形功能完备的，使用高效的有限元软件 系统。该软件 90 年代开始在我国的机械制造、航空航天、汽车交通、铁道、石 油化工、能源等领域得到应用，为各领域中产品设计、科学研究做出了贡献。 5.4 ORIGIN 软件绘图知识 Origin 是美国 Microcal 公司出的数据分析和绘图软件,现在的最高版本 为 9.0 。 特点：使用简单，采用直观的、图形化的、面向对象的窗口菜单和工具栏操 作，全面支持鼠标右键、支持拖方式绘图等。两大类功能：数据分析和绘图。数 据分析包括数据的排序、调整、计算、统计、频谱变换、曲线拟合等各种完善的 数学分析功能。准备好数据后，进行数据分析时,只需选择所要分析的数据,然后 再选择响应的菜单命令就可。Origin 的绘图是基于模板的,Origin 本身提供了 几十种二维和三维绘图模板而且允许用户自己定制模板。绘图时,只要选择所需 要的模版就行。用户可以自定义数学函数、图形样式和绘图模板，可以和各种数 据库软件、办公软件、图像处理软件等方便的连接，可以用 C 等高级语言编写 数据分析程序，还可以用内置的 Lab Talk 语言编程等。 具体操作步骤见 39。 11 6 6、要解决的技术问题、要解决的技术问题 （1）螺线管线圈的直径大小、材料及分布位置； （2）中心金属圆柱的直径大小、材料； （3）ANSYS 中有限元的划分； （4）原始数据向所需电磁场数据的转换； （5）ORIGIN 中数据的处理及绘图处理； 7 7、日程安排、日程安排 序号各阶段名称起止日期 1确认任务书，确定要翻译的英文文章2015 年 12 月 15 日 2015 年 12 月 18 日 2文献资料收集、整理，撰写开题报告与文献综述， 英文文章翻译 2015 年 12 月 18 日 2016 年 3 月 7 日 3运用 ANSYS 进行电磁场分析，数据文件导出2015 年 3 月 7 日2016 年 3 月 31 日 4数据文件的处理，电磁力场特征数据文件生成2015 年 3 月 31 日 2016 年 4 月 10 日 5运用 ORIGIN 软件进行数据绘图，完成论文2015 年 4 月 10 日 2016 年 5 月 10 日 6准备答辩2015 年 5 月 10 日 2016 年 5 月 16 日 8 8、参考文献、参考文献 1 雷银照.时谐电磁场解析方法.科学出版社.2000.1-80 2 王强,赫冀成,刘铁等著.电磁冶金新技术.北京：科学出版社.2015.41-58 3 Vives C.Electromagnetic refining of Aluminum alloys by the CREM process:Part I.workingprincipleandmetallurgicalresults.MetallurgicalTransactions B.1989.20B:623-629 4 Vives C.Electromagnetic refining of Aluminum alloys by the CREM process:Part .Specificpracticalproblemsandtheirsolutions.MetallurgicalTransactions 12 B.1989.20B:631-643 5R.Haghayeghi,P.Kapranos,Direct-chillcasting of wrought Al alloy under electromagnetic and ultrasonic combined fields.Materials Letters.105(2013).213-215 6 左玉波，赵志培，朱庆丰，崔建忠.低频电磁铸造细化铝合金组织的机理. 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