（控制理论与控制工程专业论文）基于软测量的铝电磁铸轧过程控制系统研究.pdf

摘要 铝电磁铸轧是一种绿色无污染且高效的铝带坯生产高新技术。 铸轧铝带坯质量受到多种因素的影响，其主要检测方法是通过金相 分析来确定铝带坯的晶粒度等级，但金相分析难以实现在线检测， 只能通过人为离线分析得出。论文针对电磁铸轧铝板特性参数难以 在线检测的难题，进行基于软测量的铝电磁铸轧技术的研究。利用 软测量方法建立铸轧铝板晶粒度测量仪表，使用在线软仪表代替离 线金相分析手段，从而解决整体集中控制的困难。 论文的主要内容分为三个方面：电磁铸轧系统影响因素分析、 软测量建模方法及其在铝电磁铸轧中的实现和系统过程控制方案的 实现。在现有铸轧系统上，深入分析电磁和铸轧两方面的机理，找 出影响铸轧铝带坯质量的主要因素。鉴于电磁铸轧机理的复杂性， 利用径向基函数( r b f ) 神经网络建立软测量模型。使用动态最近邻聚 类算法确定模型的隐含层中心数目、位置和半径，实现模型的在线 自学习。利用迭代最小二乘法确定模型输出层线性权值，渐消记忆 迭代最小二乘法实现局部修正模型。针对电磁铸轧系统具有复杂的 非线性，适应能力较差的缺点，本文提出基于软测量的铝电磁铸轧 模糊控制策略，建立了电磁铸轧模糊控制模型。通过模糊控制器调 节优化软测量模型输出，再设置数字变频器的电流参数，进而实现 整体优化控制的目的。 仿真结果表明，本文建立的软测量模型具有良好的逼近和拟合 能力；基于软测量的铝电磁铸过程控制系统方案，可用于对现有铸 轧系统的改造。本控制方案有助于提高铸轧铝板质量和生产效率， 为铝电磁铸轧下一步开发提供了新的思路。 关键词电磁铸轧，软测量，r b f 神经网络，动态最近邻聚类算法， 模糊控制 a b s t r a c t a l u m i n u me l e c t r o m a g n e t i c c a s t i n g r o l l i n g i sa h i g ha n dn e w t e c h n o l o g yw i t hn oi m p u r i t yt oa l u m i n u ms t r i p a l u m i n u ms t r i p sq u a l i t y d e p e n d s o nl o t so ff a c t o r s ，g e n e r a l l y u s i n gs t r i p sm e t a l l o g r a p h i c p e r f o r m a n c et oe s t i m a t es t r i p sg r a i nf i n e n e s sn u m b e r m e t a l l o g r a p h i c a n a l y s i sr e s u l ti sg o to n l ya c r o s so f f l i n em a n u a la n l y s i s ，i t sh a r dt o r e a l i z eo n l i n ed e t e c t i o n t h i sp a p e ru s e ss o f tm e a s u r et e c h n o l o g yt of o r m a l u m i n u ms t r i p sg r a i nf i n e n e s sn u m b e rs o f t s e n s o r s o f t s e n s o rr e p l a c e s o f f l i n e m e t a l l o g r a p h i ca n a l y s i sm e a n s ，a n di n t e g r a t e se l e c t r o m a g n e t i c s y s t e mi n t oa l u m i n u mc a s t i n g - r o l l i n gs y s t e m t h ep r i m a r yc o n t e n to f t h i s p a p e rc o s i s t so f t h r e ep a r t s ，a sf o l l o w s ： 1 a n a l y s ee f f e c t s o na l u m i n u me l e c t r o m a g n e t i cc a s t i n g r o l l i n g s y s t e m ，f i n dt h em a i ne f f e c tf a c t o r so fa l u m i m u ms t r i po nt h es y s t e mi n e x i s t e n c e 。 2 p r e s e n ts o f t - s e n s o r m o d e l i n g m e t h o da n d i m p l e m e n t o f s o f t - s e n s o rm o d e l u s i n 窘r b fn e u r a ln e t w o r k sm e a t l st oe s t a b l i s hs o f t - - s e n s o r , d y n a m i cn e a r e s tn e i g h b o r - c l u s t e r i n ga l g o r i t h mt of i n dt h ec e n t e r o fn e u r o n si nr a d i a lb a s i s l a y e r , i n t e r a t i v e l e a s t s q u a r e sl e a r n i n g a l g o r i t h mt oc o n f i r mc o e f f i c i e n t si ns p e c i a ll i n e a rl a y e r 3 i m p l e m e n to fp r o c e s sc o n t r o ls o l u t i o n s o f ts e n s o rm a k e sc l o s e d l o o pc o n t r o lo fs y s t e mp o s s i b l e a i m i n ga tt h ed i s a d v a n t a g eo fb a d a d 印t i v ea b i l i t ya n dn o n l i n e a r i t yo ft h ea l u m i n u me l e c t r o m a g n e t i c c a s t i n g r o l l i n gs y s t e m ，f u z z yc o n t r o ls t r a t e g yi sp r e s e n t e di nt h ed e s i g n o fs y s t e mc o n t r o ls t r a t e g y f u z z yc o n t r o l l e ra d j u s t ss o f ts e n s o r si n p u t st o g e to p t i m i z e dr e s u l to fs o f ts e n s o r , a n dt h e ns e tt h eo p t i m i z e do u t p u t so f f u z z y c o n t r o l l e r t oa l u m i n u m e l e c t r o m a g n e t i cc a s t i n g - r o l l i n g s y s t e m ，t h e r e b yr e a l i z et h ew h o l es y s t e mc o n t r o l l e da n do p t i m i z e d r e s u l t so fs i m u l a t i o n ss h o wm a ts o f ts e n s o rb u i l ti np a p e rh a s a p p r o x i m a t i o na b i l i t y , a n dp r o c e s sc o n t r o ls o l u t i o nb a s e do ns o f ts e n s o r c a nu s e dt oa m e n da l u m i n u me l e c t r o m a g n e t i cc a s t i n g - r o l l i n gs y s t e mi n e x i s t e n c e t h es o l u t i o ni nt h i sp a p e ri sb e n e f i c i a lt oi m p r o v ea l u m i n u m e l e c t r o m a g n e t i cc a s t i n g r o l l i n gq u a l i t ya n de f f i c i e n c y , a l s op r o v i d e sn e w w a y st on e x td e v e l o p m e n t o fa l u m i n u me l e c t r o m a g n e t i cc a s t i n g r o l l i n g k e yw o r d sa l u m i n u me l e c t r o m a g n e t i cc a s t i n g r o l l i n g ，s o f t s e n s o r , r b fn e u r a ln e t w o r k , d y n a m i cn e a r e s tn e i g h b o v c l u a e f i n ga l g o r i t h m ， f u z z yc o n t r o l i n 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南大学或其它单位的 学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论 文中作了明确的说明。 作者签名： e t l 9 i ：率碰j _ b 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学 位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容， 可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文；学校可根据国家或湖南省有关部 门规定送交学位论文。 作者签名：j 兰盘! 终导师签名 醐：坦扛年上月上日 硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题来源 第一章绪论 本课题来源于国家“8 6 3 ”项目“电磁场快速连续铸轧制备高性能铝板带坯”。 该项目由我校机电工程学院冶金机械研究所与信息学院铸轧电源研究课题组共 同为某铝板带有限公司所开发，目前已经投入生产运行。为提高铸轧铝板质量 和生产效率，需改造现有生产系统，尝试性地采用软测量技术来在线估算铝板 晶粒度，得到一铸轧铝板晶粒度测量软仪表，并在此软仪表基础上实现电磁与 轧机两部分的整体闭环控制。 1 2 铝电磁铸轧的国内外研究现状 1 2 1 铝电磁铸轧技术简介 早在2 0 世纪6 0 年代，l a n g e n b e r g 等人报道了在交流磁场下凝固的钢锭， 其晶粒得到明显细化。j o h n s o n 等人认为电磁场作用下的形核机制为磁场可以 在很大程度上提高晶核的数量，等轴晶细化的主要原因是电磁搅拌使枝晶臂破 碎的结果。1 9 8 3 年，e i b a s s y o u n i 用实验证明，单一的交变磁场能够明显细化 晶粒，并在实验中发现磁场强度过高过低都不能取得良好的细化效果，只有当 磁场强度为0 0 2 7 0 0 3 7 t 时，才能取得最佳的细化效果，而且这最佳磁场强 度几乎与合盒材料无关。从9 0 年代开始，前苏联与澳大利亚的科学家研究电磁 连续铸轧，拟用电磁场代替通常的晶粒细化剂，以提高板、箔材的质量m 。 在国内。由中南大学和西北铝加工厂共同开发的电磁铸轧系统，可实现工 业推广与产业化，并促进我国的铝合金铸轧技术处于世界领先水平。从1 9 9 0 年 开始，西北铝加工厂与中南大学共同筹备工业试验条件，设计研制了铝液供给 系统和滑动小车，改进了铸轧机的有关部件，并于1 9 9 1 年1 2 月在厂方0 6 5 0 m m 1 6 0 0 m 铸轧机上进行首次工业试验，1 9 9 2 年1 2 月进行第二次工业实验。上 述两次工业试验在技术上均取得突破性进展，大大降低了a 1 - t i - b 晶粒细化剂 的用量，对铸轧带坯进行的组织、性能分析表明： ( 1 ) 施加电磁场能显著细化铝合金晶粒，可使铸轧带坯的晶粒度达到l 级水平； ( 2 ) 促进带坯晶粒的等轴化，提高等轴晶的比例； ( 3 ) 促使马蹄形裂纹的消除； 在上述工业试验的基础上，厂、校双方于1 9 9 4 1 9 9 7 年8 月问继续进行了 硕士学位论文 第一章绪论 第四、第五和第六次工业生产试验，工艺进一步完善，产品质量进一步提高， 生产的上百吨带坯，成功地轧出了2 0 o 5 m m 各种规格的成品板带和0 0 0 7 m 的合格铝箔，达到用户的使用要求。2 0 0 2 年6 月，在兰州铝厂9 0 0 n a n 1 8 0 0 m 铸轧机上安装、调试了一套改进后的电磁铸轧设备，通过试生产，结果表明大 大提高了铸轧带坯的质量“3 。 1 2 2 铝电磁铸轧控制现状 铝电磁铸轧技术是一种高效、节能的铝带坯生产高新技术，集机械、电气、 铸造加工工艺等多学科和新技术于一体的探索性研究课题，其关键技术为：研 制一套能产生特殊复合磁场的电磁感应装置，研制一套能适应各种磁场要求的 供电与过程控制系统“。电磁感应装置与供电系统于1 9 8 8 年底研制成功，但由 于电磁作用机理的复杂性，难于找出合适的工作电磁参数，迟迟未能研制出满 足要求的变频装曼。经过多年的试验，总结出了电磁参数对铸轧铝板的作用机 理“，使其能够实际应用于生产系统，但由于电磁感应器是大电感负载，对电 控系统具有很高的要求，使用常规变频方法很难实现，这也是电磁铸轧未能尽 早用于实际生产的原因。 中南大学与西北铝加工厂合作研制的供电电控系统，使用的是模拟式交交 变频器供电，虽然取得了较好效果，但其控制方式不灵活，仅仅是一个试验装 置。2 0 0 6 年我校跟某铝板带厂合作的电磁铸轧项目，系统中使用了数字式交交 变频器供电，满足设计电磁参数要求，通过了验收，目自口运行良好。目前全国 电磁铸轧应用于铝带坯实际生产也只有这一条生产线。 现有电磁铸轧控制系统中，仅仅用电磁感应器替代了原有轧机系统中的铝一 钛一硼( a 1 - t i - b ) 晶粒细化剂添加装置，系统分为两个分立的子系统：电磁电控 系统和轧机系统，这两部分独立运行。电磁电控系统通过调节数字式交交变频 器的电流参数来间接调节电磁感应器的磁参数：轧机系统控制轧机轧棍铸轧速 度，卷取张力等。调试时，首先设置变频器的电流参数，再截取铸轧铝板，经 金相分析观测其晶粒度判定铝板质量，效果不好则再设置交交变频器的电流参 数，如此反复试验，最终确定稳定工作点。通过上面的分析知道，现有电磁铸 轧控制系统是一开环系统，电磁电控系统未能与轧机系统形成一个控制整体。 由于铸轧铝板质量与多个工艺参数( 浇铸温度、铸轧速度和铸轧带坯厚度等) 密切相关，一旦工艺参数改变，则现有方法不能保证铸轧铝板效果，形成了落 后的控制方案与先进的电磁铸轧技术的矛盾。 2 硕士学位论文第一章绪论 1 3 软测量技术综述 随着工业现代化水平的不断提高，对工业过程中的控制、检测、计量以及 安全性等要求也随之日益增多，且更加严格。一方面，仅获取温度、压力等常 规过程参数的测量信息己不能满足工艺操作和控制的要求，需要获取诸如成分、 物性等与过程操作和控制密切相关的检测参数测量信息。另一方面，仪表测量 的精度要求越来越高，测量从静态或稳态向动态测量发展，在许多应用场合还 需要综合运用所获得的各种过程测量信息，才能实现有效的过程控制、对生产 过程或测量系统进行故障诊断和状态监测等。利用传统的检测、控制方法很难 满足上述要求，或者能够满足要求但要付出巨大的代价。需求是发展的动力， 必然会产生一种新技术来满足现代工业测量与控制的要求。这种新技术正是当 今倍受瞩目的软测量技术“”“”。 1 3 1 软测量的结构原理 软测量技术概括地讲，所谓软测量技术就是利用易测过程变量( 常称为辅助 变量或二次变量) 。依据这些易测过程变量与难以直接测量的待测过程变量( 常 称为主导变量，例如化工、石油、冶金、能源等领域广泛存在的两相流和多相 流参数等) 之间的数学关系( 软测量模型) ，通过各种数学计算和估计方法，从而 实现对待测过程变量的测量“。 软测量技术主要包括：软测量工程化实旌技术和软测量模型校正技术。其 中软测量建模方法的研究是软测量技术的核心问题，它的发展就是选用不同的 数学模型在实践中进行尝试并不断改进的过程。一般软测量问题可用图卜1 来 描述： 】， y 图1 - 1 软测量的基本结构 图卜1 中，玉是可测扰动，u 是输入给定：0 是可测过程输出；y 为主导 变量；r 为离线分析值；y 为软测量输出。软测量建模就是设法由可测变量来 得到不可测主导变量的估计值： 】，= 厂( 五，“，只y ，f ) ( 卜1 ) 硕士学位论文第一章绪论 此式反映了主导变量y 与一般意义的输入五，“之间的关系，还反映了y 与可测过程输出护之间的关系，并且离线采样值，常被用于软测量模型的校 正。它不是一项完全的理论工作，其成败完全取决于实际应用的结果由理论到 实践的探索i j f 进过程。 1 3 2 软测量的建模方法 软测量模型是软测量技术的核心，它是研究者在深入理解过程机理的基础 上开发出来的适用于估计的模型，所以软测量技术的分类一般都是依据软测量 模型的建立方法。软测量建模的方法多种多样，且各种方法互有交叉，目前又 有相互融合的趋势，大致可分为机理建模法、回归分析法、基于对象模型的建 模方法和人工智能建模方法等。下面就分别介绍四种建模的方法“州”1 ： ( 1 ) 机理建模法 机理建模是根据生产过程中各物料、热量、能量、相问的平衡关系求取有 关的物理化学等基本规律及定理，在一定的较为合理的假设条件下，确定不可 测主导变量与辅助变量日j 的数学关系，从而估计出较为精确的数学模型。由过 程机理推导的数学模型因较符合生产过程的特性而有较高的模型精度，在很多 场合下可以不必再进行在线或离线校正。例如在气体流量的检测中可以同时检 测该气体的温度和压力，在完成温度转换为绝对温度、压力转换为绝对压力后， 就可以用简单的乘除运算计算出标准状态下该气体流量但在实际应用中，由于 多数工业过程的工艺机理十分复杂，人们对存在着严重非线性和不确定性的过 程认识不够，很难对其机理做出定性或定量描述，同时用机理建模需要解方程 组，计算量大，收敛慢，若精简方程组又会降低模型精度，无法满足工业过程 的实时估计。因此单独运用机理估计过程变量还存在困难。现在应用较为广泛 的是在了解过程机理的基础上，根据过程的实际情况综合运用下面介绍的建模 方法来进行模型辨识和参数估计。 ( 2 ) 回归分析法 该方法是一种经典的建模方法，该方法利用过程丰富的测量数据( 包括过程 测量参数和质量分析数据) ，根据统计学原理，将这些数据中隐含的信息进行浓 缩提取，从而建立不可测主导变量与辅助变量问的数学模型。目前常用的回归 方法有逐步回归法、递推最小二乘法( r l s ) 、主元分析( p c a ) 、主元回归( p c r ) 、 部分最t | 、- - 乘法( p l s ) 等。随着神经网络技术的普遍应用，出现了统计回归与神 经网络相结合的基于神经网络的主元分析法( n n p c a ) 和基于神经网络的部分最 小二乘法( n n p l s ) 等等。但该方法的缺点就是模型的准确性受到样本真实性的影 响，适用范围受样本变量的制约。因此只有当长期的生产过程可以提供大量正 4 硕士学位论文第一章绪论 确的样本时，该方法才能得到萨确可靠的实施。 ( 3 ) 基于对象模型的建模 此类方法分为基于状态估计、线性模型和非线性模型法。如果系统的状态 关于辅助变量完全可观，那么软测量问题就转化为经典的状态观测和状态估计 问题。估计器可以表示成k a l m a n 滤波器的形式。就建模对象特性来看，基于模 型的软测量建模经历了从线性到非线性的过程。 ( 4 ) 人工智能法 应用最多的基于人工智能的软测量方法就是基于人工神经网络( a n n ) 的方 法，此外还有基于模糊逻辑的方法等等。基于人工神经网络的软测量是近年来 研究最多、发展很快和应用范围很广泛的一种软测量技术。由于人工神经网络 具有自学习、联想记忆、自适应和非线性逼近等功能，基于人工神经网络的软 测量可在不具备对象的先验知识的条件下，根据对象的输入输出数据直接建模 ( 将辅助变量作为人工神经网络的输入，而主导变量则作为网络的输出，透过网 络的学习来解决不可测变量的软测量问题) ，模型的在线校正能力强，并能适用 于高度非线性和严重不确定性系统，因此它为解决复杂系统过程参数的软测量 问题提供了一条有效途径o “。 1 3 3 软测量的技术应用现状 软测量可以像常规过程检测仪表一样为控制系统提供过程信息，因此软测 量技术目前在过程控制领域得到了广泛应用。采用软测量技术一方面可以获取 更多的过程信息，另一方面由于软测量的载体是计算机软件，可以通过合理的 编程，综合运用各种所获信息实现过程的故障诊断和状态监测等，并对生产过 程进行评估和协调，因此软测量技术在过程监测和生产管理等方面也有十分重 要的作用。除了在过程控制领域，软测量技术作为过程检测领域中一种新型的 参数测量技术，不仅用于实现众多目l ； 难以用常规检测仪表直接测量的所谓难 测参数( 不仅仅是那些只用于过程控制的难测参数，有些参数的检测目的不是为 了控制，例如化学反应器内二维或三维的微观信息，到目前为止它主要还是用 于对化学反应的机理性研究和工艺设计等) 的在线检测，还被广泛地应用于常规 仪表精度、可靠性、实时性的提高和仪表检测系统的误差处理、动念校准和故 障诊断等。目前，软测量技术的思想己渗透到过程检测领域的各个方面，对整 体参数测量水平的提高和过程检测技术的发展起到了重要的推动作用口2 “。 目前，就实际应用而言，在一些技术较发达的国家，已有许多成功地将软 测量技术应用十工业过程的例子o “”1 ，如美国的t h 包装公司、德州m t 炼 油厂以及比利时的烯烃生产线等。我国软测量技术的应用起步较晚，但也有一 5 硕t 学位论文 第一章绪论 些成功的例子，如石家庄炼油厂、上海炼油厂等。另外，一些公司推出了通用 性的软测量软件产品，如国外的h o n e y w e l l ，s e t p o i n tj o h n s o n y o k o g a m a ，p a v i l i o n 等几家公司，国内的上海交通大学和华东理工大学等一些研究机构。而软件产 品则有诸如h o n e y w e l l 的a p p ，华东理工大学的m o f t 及上海交大的s o f t s e n s o r 等。 软测量技术在过程控制与优化中也得到了广泛的应用。浙江大学也与福建 炼油化工有限公司合作，对重油催化裂化生产过程的催化裂化反应热计算等进 行了软测量，进而实现了优化控制。过程控制中报导最多的是推断控制“” ( i n f e r e n t i a lc o n t r 0 1 ) ，这种控制系统可以归纳为图1 - 2 所示的一般结构，图 中，所有的变量均可以是向量，y 代表被控变量( 即主导变量) 的设定值，开关足 代表成分分析仪的采样输出或长周期的人工分析取样，这些数据将用于软仪表 的在线校正嘲。 图1 - 2 基于软杈表的控制系统结构 由于电磁铸轧技术是一新型铸轧技术，对这方面的研究主要集中在磁场形 态的需求，进而对感应器的结构设计以及对电控系统的设计等，文献检索表明： 目前尚无相关文献在电磁铸轧过程控制中使用软测量作为检测手段。 1 4 主要内容及章节安排 ( 1 ) 论文的主要内容 1 ) 分析电磁铸轧的晶粒度影响因素，找出建立铝板晶粒度软测量的辅助变量： 2 ) 使用人工神经网络中的径向基函数( r b f ) 神经网络方法建立铝板晶粒度软 测量模型： 3 ) 给出整体控制方案，使用基于软测量的模糊控制作为过程控制策略，实现 系统的集成。 ( 2 ) 论文的章节安排 论文共分四章。 第一章是绪论部分，主要阐述了论文的课题来源、铝电磁铸轧国内外研究 现状、软测量技术综述。 6 硕士学位论文第一章绪论 第二章是铝电磁铸轧及改进方案。首先对铝电磁铸轧工艺进行了介绍；再 介绍了铝电磁铸轧系统的基本构成；然后通过对电磁铸轧工艺机理分析，得出 影响铝板晶粒度的主要因素是浇铸温度、铸轧速度、带坯厚度和电磁参数等。 进而对铸轧工艺与电磁参数之问的关系对晶粒度的影响进行了分析，得出要得 到较好的晶粒度必须保证电磁感应线圈产生的磁场所加在的铝液铸轧区保持稳 定。最后针对目前的控制方式的缺点，提出了电磁铸轧整体控制方案一基于软 测量的闭环控制。 第三章是铝板晶粒度软测量的实现。首先介绍了软测量的结构选择，给出 了基于r b f n ( 径向基函数神经网络) 的软测量建模方法，使用简化动态近邻聚类 算法来建立晶粒度软测量模型，给出了工程化设计的软件实现框图。然后选取 需要测量的三个变量：浇铸温度、铸轧速度和带坯厚度，构建数据采集电路。 通过现场调试数据，使用r b f n 建立软测量模型，通过仿真分析了模型的可靠性。 第四章主要介绍了基于软测量的铝电磁铸轧模糊控制器的设计与仿真。针 对铝电磁铸轧系统具有复杂的非线性、难以精确建立其数学模型的特点，提出 模糊控制策略，建立电磁铸轧模糊控制器模型，设计了电磁铸轧模糊控制器。 并将模糊控制器在m a t l a b 软件平台进行了仿真研究，最后给出了系统仿真结 果f 论文最后是研究工作的总结与展望。总结了论文的研究工作和主要创新点， 并对以后的研究工作和研究方向做了展望。 7 硕十学位论文 第：章铝电磁铸轧及改进方案 第二章铝电磁铸轧及改进方案 金相分析一般需经过磨光、抛光和侵蚀等步骤后，再观测截取铝板显微组 织得到晶粒度，难于实现在线自动测量，因此本文主要着眼于构建晶粒度软测 量模型来替代手动测量值。软测量模型需要确定可测辅助变量来估计主导变量， 本文的主导变量是铝板会相分析的晶粒度等级，辅助变量是电磁、铸轧两方面 的因素。本章在介绍铝电磁铸轧工艺基础上，深入分析电磁因素与铸轧因素对 铸轧铝板晶粒度的影响，找出主要影响因素，并给出过程控制总体设计方案。 2 1 铝电磁铸轧工艺介绍 常规连续铸轧工艺的特点是用转动的铸轧辊做结晶器，使金属熔体经过铸 造和轧制而直接生产出带坯，它以简单的形式，代替通常铝板，箔材生产中所 需的铸造、锯切、铣面、加热和热轧等全部工序，因此，经济效益非常显著”1 。 在连续铸轧工艺中，铸轧区长度只有几十毫米，当高温的金属熔体注入铸轧区 时由于轧辊的强烈吸热和散热作用，熔体在铸轧区内受到强烈的冷却，冷却 速度可达l o * 1 0 3 c s ，比常规水冷半连续铸锭的冷却速度约高2 个数量级。 因此，熔体的温度梯度很大，其组织带有定向结晶的特点，晶体成长的方向性 极强，形成发达的柱状晶，影响后续深加工产品质量。如何控制带坯组织的晶 粒大小，获得细的等轴晶组织，是提高连续铸轧带坯质量的关键。目前被人们 认识的方法有两种：添加形核剂；产生振动促进形核“”。 ( 1 ) 添加形核剂，主要是促使形成大量非自发晶核，若质点与新相界面的结构 愈相似，它们之间的界面能就愈小，对形核就愈有利。在铝熔体中添加铝一 钛一硼( a l - t i b ) 晶粒细化剂可以实现均匀组织和抑制晶粒长大的效果，但 是，它存在合金化污染和a 1 - t i - b 晶粒细化剂价格昂贵等缺陷。 ( 2 ) 产生振动促进形核是通过从外部对铝熔体输入能量，加剧结构起伏和能量 起伏，使正在成长中的枝晶受到振动冲击而破碎、剥落，使晶核数量大量 增加，从而使晶粒细化。 电磁铸轧工艺采用的是第二种方法，即产生振动促进形核的方法。通过在连 续铸轧区施加特殊的交变电磁场，使铸轧区中产生几个方向、不同频率和不同 强度的电磁力，改变铸轧区中的结晶与变形条件，将会属的凝固一塑性流变置于 电磁感应力的作用下，以获得高质量的铸轧带坯。该项技术的机理与工艺方法 的创新是有色金属塑性加工领域的首例，它不同于添加铝一钛一硼晶粒细化剂的 静态形核形式，而是采用旋转电磁力来改变晶体成长的线速度，使正在成长 s 硕士学位论文第二章铝电磁铸轧及改进方案 中的枝晶受到振动冲击而破碎，使晶核数量大量增加，凝固界面演变成新的凝 固结晶模式，从而改变了在自然或强冷条件下的凝固结晶过程，达到了使其组 织及成分均匀，晶粒细化的效果“。 将电磁感应器做成多相、多极的形式，不断快速地改变输入电流的相序来 改变磁序，在沿轧辊轴线方向将产生行波磁势，改变行波磁势的方向就可以产 生来回往返的电磁力。将这种形式的电磁力进入到铸轧区中去就可以使熔体的 温度场、浓度场、流场分布均匀，消除成分偏析及组织均匀的缺陷。行波和脉 振两个方向组合的电磁力协同轧制力作用在形变过程中，它将多次地切断临界 凝固点的高温塑交晶粒，使加工组织致密细化“”。 2 2 铝电磁铸轧系统基本构成 2 2 1 电磁铸轧系统结构 电磁铸轧电控项目是对现有铸轧生产线的改造，替代细化丝添加系统，提 高铸轧质量，属于铸轧设备的一个子系统。该系统中上位机通过c a n 总线连接 现场三个变频装置协同工作。原有轧机主要由控制轧辊电机的变流器，操作台 的p l c 以及卷取操作台等构成。电磁铸轧系统结构示意图如图2 - 1 。 图厶1 电磁铸轧现有系统结构示意图 a b c 三个变频装置使用数字式交交变频技术，能够按要求提供特定的电流 给电磁感应器。铸嘴夹在感应器中，使得感应磁场能够穿过铸造区中的铝液， 对其进行搅拌，从而达到细化晶粒的目的。 9 硕j 学位论文 第二章铝电磁铸轧及改进方案 2 2 2 铸轧设备及工艺流程 ( 1 ) 铸轧设备 电磁铸轧系统目前使用的铸轧设备是涿神公司的倾斜式双驱动铸轧机，可 生产厚6 l o 毫米、最宽1 8 0 0 毫米的铸轧板带，轧制速度可达9 0 0 1 5 0 0 哪m i n ， 设计最大速度达到3 0 0 0 m m m i n 。在产品设计上，主要采用全数字可控硅调速直 流电机驱动。其机列设备规格见表2 1 。 表2 - 1 机列设备规格 规格名称范围 轧辊辊径m 轧辊辊面长哪 铸轧板厚度衄 生产速度m m m i n 卷材重量k g 最大速度m m m i n 由6 5 0 - 1 0 5 0 1 5 0 0 - 2 0 0 0 6 一1 0 9 0 0 - 1 5 0 0 4 5 0 0 2 1 0 0 0 3 0 0 0 倾斜式双驱动铸轧机示意图“3 如图2 - 2 所示。 卜静置炉；2 一翦箱；3 一流槽；4 一倾斜铸轧机；5 一铸轧带坯；6 一两辊牵引机：7 - 剪切机； 8 一卷取机；9 一轧机带卷；1 0 一操作台 图2 - 2 倾斜式双驱动铸轧机示意图 ( 2 ) 铝板铸轧工艺流程 铝板铸轧工艺流程：如图2 - 2 所示。首先在熔炼炉熔炼成符合要求的高纯铝 或铝合金溶体，其温度为7 3 0 7 5 0 ，一般比铝或合金的熔点高9 0 1 0 0 。 然后导入静置炉，扒渣，控制溶体温度为7 2 0 7 4 0 ，经流口和流槽进入净化 处理装置。溶体从净化处理装置流出，在熔炼炉中的液体铝经过静置后，通过 流槽进入一个可以控制液面高度的l i i 箱中，前箱底部和连接铸嘴的流槽相连， l o 硕士学位论文第二章铝电磁铸轧及改进方案 液体铝由此进入铸嘴。为了细化铝液的晶粒，铸嘴安装在电磁感应器中，对进 入铸嘴的铝液进行搅拌。铸嘴延伸进入铸轧辊辊缝之间，且铸轧辊内通以冷却 水，当液体铝从铸嘴浇入铸轧区，则被铸轧辊逐渐冷凝为半固念、固态，并轧 制变形成为铝板带坯。再经过牵引、矫直、卷取成卷料，以便迸一步冷轧成所 需要厚度的铝板带材“1 。 2 2 3 电磁感应装置的基本结构 产生旋转电磁场的电磁感应器，因受设备结构的约束，只能做成类似一台 气隙很大的直线电动机的形式来向铸轧区中引入电磁场。将供料嘴安装在电磁 感应器的上、下铁芯气隙中，在线圈中通入交流电，在铝熔体中通入直流电， 就形成了如图2 3 所示的电磁铸轧系统”1 。 根据电磁学原理，在电磁感应器上、下铁芯气隙中，将产生正交电磁场， 当在铝熔体中通入直流电时，电子流就处在这种正交电磁场中作旋转运动。因 固态铝晶体是面心立方晶格，它的晶体点阵是由铝原子的有规则排列( 长程有序) 而形成的，金属原子中的价电子受其母核的束缚较弱，结成晶体时每个原子失 去其部分或全部价电子而成为带正电的离子而构成点阵粒子，在晶体各点阵粒 子之间起着结合作用的金属键，是由带负电的共有化价电子和带正电的离子之 间的相互作用所形成的，因此，电子的这种运动轨迹将对粒子之间的力场产生 影响。显然，电磁场的频率、功率和电磁感应器的气隙磁通是该系统的主要技 术指标“1 。电磁感应器基本结构示意图如图2 3 。 铝液 1 一上轧辊；2 一压板；3 一上铁芯；4 一供液嘴；5 一隔磁板；6 一底板；7 一冷却水管； 8 一线圈；9 一滑动座；l o 一支撵箱；1 1 一下铁芯 图2 - 3 电磁感应装置的基本结构示意图 要将电磁场引入到上、下轧辊的夹缝中，就必须得有磁场引导装置，工作 磁路要深入到铸轧区中的合适区域，才能达到最好的效果。因铸轧区的形状为 硕上学位论文第二章铝电磁铸轧及改进方案 扁平，因此在沿轧辊轴线方向上均匀排列多个磁路引导装置，将多个磁路引导 装置的线圈连接成多相系统，并在线圈中通入交流电流，就使得整个铸轧区内 的熔体都置入电磁场的作用范围内，通过多个这样的磁路导引装置所组成的电 磁感应装置向铸轧区输入电磁能量。 2 3 电磁铸轧过程影响因素机理分析 铸轧铝板的影响因素很多，主要包括两方面：铸轧方面和电磁方面。铸轧 方面主要有：浇注温度、铸轧速度、前箱液面高度、铸轧区长度、冷却水强度 等。电磁方面主要有：电磁场强度、电磁场频率、换相周期、电磁场振荡方式 等。下面通过对其机理分析，找出主要的影响因素，为软测量模型提供辅助变 量。 2 3 1 电磁感应装置中复合磁场的形成 电磁感应器是依据直线电机的原理设计的，而直线电机在结构上是从旋转 电机演变而来的，其工作原理与旋转电机相似。在这节从旋转电机中旋转磁场 的形成原理引申出直线电机的行波磁场和脉振磁场形成原理。 ( 1 ) 旋转磁场的形成 i bi a 谌 图2 - 4 旋转电机的选择磁场 图2 4 表示一台简单的两极旋转电机的剖面图，a x 、b y 、c z 为定子a b 、c 三相绕组，为电流的角频率。当在定子中通入三相对称正弦电流后，将 硕士学位论文第二章铝电磁铸轧及改进方案 在气隙中产生一磁场，该磁场可看成沿气隙圆周正弦分布。当a 相电流达到最 大值时，b 和c 相电流都为负的最大值的一半，此时磁场波幅处于a 相绕组轴 线上；经过t o t = 2 7 r 3 后，b 相电流达到最大值，a 和c 相电流都为负的最大值 的一半，磁场波幅处于b 相绕组轴线上；经过6 0 t = 4 j r 3 时日j 后，c 相电流达到 最大值，a 和b 相电流都为负的最大值的一半，磁场波幅处于c 相绕组轴线上。 由此可见，电流随时问变化时，磁场波幅就按a 、b 、c 相序沿圆周旋转。电流 变化一个周期，磁场转过一对极，这种磁场称为旋转磁场“”。 旋转电机中，通入三相对称电流f 、和。 i a = l c o s f o g = l c o s ( t o t 一 石) i c = i c o s ( t o t 一 确 n a 、b 和c 各相绕组中缩产生的基波磁势应为： 六i ( 工，f ) = ic o s - - x c o s o t f x 堋喁c o s ( 詈x - 兰f ) c o s ( 蜘等) 五。f ) = 。c o s ( 詈z 一争c o r 一等) 把这三个脉动磁势分别分解为正向和逆向旋转磁势，然后相加，就可得到三 相合成磁势的基波： z ( 工，t ) = 艺ic o s ( t o t 一兰j ) ( 2 - 1 ) 式中e = 1 3 5 ( w k 。p ) l ， i 饥。p 与旋转电机的极对数和绕组有关，k 。 叫做基波磁势的空间绕组系数。由式( 2 - 1 ) 知，z ( j ，t ) 是一旋转磁场。 ( 2 ) 行波磁场的形成 l 一图2 - 5 直线电机的基本原理( 1 - 初级2 一次级3 珩波磁场) 将图2 - 4 所示的旋转电机在顶上沿径向剖开，并将圆周拉直，便成了图2 5 所示的直线电机。在这台直线电机的三相绕组中通入三相对称交流电后，也会 产生气隙磁场。不考虑由铁心两端开断引起的纵向边端效应，这个气隙磁场的 硕士学位论文第二章铝电磁铸轧及改进方案 分布情况与旋转电机的气隙磁场相似，即可看成沿展开的直线方向成正弦分布。 当三相电流随时间变化时，气隙磁场将按a 、b 、c 相序沿直线移动。由于这个 磁场不是旋转的，而是平移的，成为行波磁场“。 就电磁感应装置而言，三相对称绕组空间相位相差2 石3 ，共有9 个铁芯组 成，故当通入三相对称电流时，每相线圈有三个绕组即a l 、a 2 、a 3 、b i 、b 2 、 b 3 、c i 、c 2 、c 3 组成。由于是通入三相对称电流，其磁场强度形成如图2 - 5 中 虚线所示的正弦波，随着三相电流大小的交替变化，正弦波左右移动。这样就 形成了行波磁场。形成的正弦磁场中，其磁势幅值大小对应每一磁极下的磁势 的最大值。 图2 3 中是电磁感应装置的基本结构图，该图只画出了一个铁芯。通入交流 电的线圈绕在铁芯上，从而产生磁场，通过上铁芯与下铁芯的8 j 隙从而得到提供 给铝液搅拌用的磁势。在磁极对中，磁势的空间分布为一近似矩形波，其宽度约 等于铁芯的宽度。若线圈中电流随时问按余弦规律变化，即i = 2 ，c o s o t 时，则 铁芯下的磁势为： f ( x ，f ) = d 2 n i c o s c o t ( 2 2 ) 即磁势幅值f = , j 2 n i ，频率与通入电流频率一致为幼向，其中为线圈 匝数。对整个感应回路磁势等于磁势损耗 _ ，( 五f ) = 4 2 n i c o s o d t = 甲j ( 如i + 也2 ) 其中是磁感应通量，也。是铁芯磁阻，凡：是铝液磁阻与空气磁阻之和。 则加在铝液上的磁势为： f _ f t x , f ) 2 ( 彬) 一p b l 。压n l c o s c o 薪2 ( 2 3 ) 当电磁感应装置确定后，即其导磁材料( 铁芯) 确定，那么吃。为一定值。凡： 因铝液品种而变。 ( 3 ) 脉振磁场的形成 在直线电机中，由于铁心和安置在槽中的绕组在两端的不连续，各相之间 互感就不相等，即使在初级绕组中通入对称三相交流电压，各相绕组也将产生 不对称的电流。利用对称分量法可以把它们分解为j 下序、负序和零序电流，对 应这三种电流将有正序正向行波磁场、负序负相行波磁场和零序脉振磁场。如 果通入的是三相非对称交电流，则电磁感应器中的合成磁势除了水平行波分量 外，也将产生垂直方向的分量一脉振磁势“”“”。 2 - 3 2 电磁因素分析 图2 - 6 是连续铸轧铸轧区示意图，铸轧区由三部分构成：冷凝区、铸造区 1 4 硕十学位论文第二章铝电磁铸轧及改进方案 和变形区。冷凝区完成铝熔体冷却到结晶温度，铸造区中铝熔体完成铸造过程， 变形区里完成两辊对铸坯的轧制。铸轧区的建立与铸轧辊的冷却强度、铸轧辊 的线速度、带坯厚度有直接关系。铸轧区是连续铸轧工艺至关重要的地方，也 是铸轧工艺先进性的具体表现。铸轧区长度主要由铸轧辊直径、铸轧机型式和 冷却条件及加工变形率确定n 甜。 供 l 1 ：冷凝区；l 2 ：铸造区；l 3 ：变形区；l ：铸轧区总长度 图2 - 6 连续铸轧铸轧区示意图 在常规连续铸轧中，是采用在轧辊内通液冷却的方法。但这种工艺方法使 熔体中存在有较大的温度梯度，如果不采取有效的方法限制晶粒长大的速度， 则最初形成的晶坯将会向熔体中快速地生长而形成发达的柱状晶组织二研究表 明，只要控制好加在铸轧区电磁场力的形态、频率和幅值随凝固速度的变化而 变化，就可以实现对铝熔体的搅拌、掺混作用，迫使液态金属与化学活性的熔 渣充分接触，使得在凝固前沿的适当位置将融熔金属反复地加热、凝固，熔体 中的温度梯度也因此而被减小，从而达到细化晶粒的目的“1 州。 电磁场位于铸轧区的特定位置，才能达到最好的效果。由于温度等铸轧条 件的变化将引起铸轧区中各区段比例的变化。例如，温度升高，使得铸造区伸 长，变形区变短，这时电磁场所处位置将随着温度的变化做相应的调整，控制 中还要考虑轧制力等因素。 铝熔体能够得到充分搅拌，又能维持界面的连续、稳定和平衡的凝固结 晶是实现快速电磁铸轧的关键，即需要保证液一固相线的相对稳定，液一固相 线即铸造区与变形区的分界线。如果将液一固相线假设为铝熔体的平衡稳定凝 固点，则可以用不稳定性运动模型来描述电磁连续铸轧中形核和结晶过程。1 。 百d n l - 一半l ( f ) ，：。 c z s ， 式中：一晶粒长大的速度，n ( t ) 一在t 时刻产生的晶粒数量，k 一在一 定的冷却速率下所允许产生的晶粒数量。模型存在三种可能： ( 1 ) n ( t ) l k l ，不存在； 1 5 硕士学位论文 第二章铝电磁铸轧及改进方案 ( 2 ) n (