（电力电子与电力传动专业论文）铝合金半连续铸造复合电磁场控制系统的研究.pdf

a b s t r a c t u s i n ge l e c t r o m a g n e t i cf i e l d si nc a s t i n gt e c h n o l o g yi sar e s e a r c ht h a t c o l l e c t sm a n ys u b je c t sa n dn e w t e c h n o l o g i e si no n es u c ha sm e c h a n i c a l 、 e l e c t r i c a l 、f o u n d r ya n dp r o c e s st e c h n o l o g y o nt h ep r o c e s so f a l u m i n u m s e m i 。c o n t i n u o u sc a s t i n gp r o d u c t i o n ，a d d i n gal o w - f r e q u e n c ye l e c t r o m a g n e t i cf i e l d so u t s i d et h em o l dc a ni m p r o v et h es o l i d i f i c a t i o ns t r u c t u r e a n di n g o ts u r f a c eq u a l i t ya n ds oi m p r o v et h eq u a l i t yo ft h es l a b c o m p l e x m a g n e t i cf i e l dc o n t r o ls y s t e mi sd u t yf o rp r o v i d i n gt h ec u r r e n tw h i c h g e n e r a t e se l e c t r o m a g n e t i c f i e l d sf o rf o r e l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n g d e v i c e s t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c ho fc o m p l e xm a g n e t i cf i e l dc o n t r o l s y s t e mp l a y a g r e a ti m p o r t a n c e t ot h e a p p l i c a t i o n so fa l u m i n u m l o w - f r e q u e n c ys e m i c o n t i n u o u sc a s t i n g t h ep o w e rc i r c u i tu s e sm a t r i xc o n v e r t e ra n ds e t st h ec i r c u i ta s c o n t r o l l e dv a r i a b l e d i s c u s st h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ec o m p l e x m a g n e t i cf i e l da n do u t p u tc i r c u i to fp o w e rc i r c u i t a n dac l o s e d 1 0 0 p o u t p u tc u r r e n tc o n t r o lm e t h o db a s e do nt h es p a c ev e c t o rm o d u l a t i o ni s d e s i g n e d s ot h a tc u r r e n ti sf o r c e dt ot r a c er e f e r e n c ea n dg o o dc o n t r o l p e r f o r m a n c ei so b t a i n e d i nd e s i g no ft h ec o n t r o ls y s t e m ，h o s tc o m p u t e ri sc o m p o s e d b yp l c a n dt o u c hs c r e e n ，b a s e do nt h et e c h n o l o g yo fs o p c ，d u r i n gt h e d e v e l o p m e n to ff p g ah a r d w a r eu s i n g v e r i l o gh a r d w a r ed e s c r i p t i o n l a n g u a g ed e s i g n t h e s y s t e m m o d u l es u c ha s d o u b l e n a r r o w h i g h - f r e q u e n c yp u l s eg e n e r a t o r 、c a nm o d u l e 、l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y u s i n gt h ec o r t e x - m ls o f tc o r eo fa c t e lt ob u i l da na r me m b e d d e d c o n t r o lc o r eb a s e do nt h ec o r t e xf r a m e w o r k d e s i g n e dm a n m a c h i n e i n t e r f a c ec i r c u i t 、w a t c h d o gc i r c u i t sa n dv o l t a g ea n dc u r r e n td e t e c t i o n c i r c u i t t h ed e s i g no fs o t t w a r eu s i n gt h es t u r c t u r eo fe m b e d d e dr e a l t i m e o p e r a t i n gs y s t e mg c o s i it oa c h i e v er e a l t i m et a s ks w i t c h i n g r e s e a r c h a n dd e s i g nt h ec u r r e n tw a v e f o r mg e n e r a t o r ，a n dc u s t o mu s e r si p d e s i g n - d r i v e ni n t e r f a c ef u n c t i o n t h et h e s i su s e sa d r ct oc o n t r o lt h eo u t p u tc u r r e n t t h es i m u l a t i o n i i r e s u l t ss h o wt h a tt h ea l g o r i t h mc a ne f f e c t i v e l y i m p r o v et h ed y n a m i c p e r f o r m a n c eo fc o n t r o ls y s t e m sa n dg e ts a t i s f a c t o r yc o n t r o le f f e c t t h e r e s e a r c ha n dd e s i g no fw h o l ec o m p l e xm a g n e t i cf i e l d c o n t r o l l e ra r e r e s o n a b l ea n dc a na c h i e v et h ed e s i r e de f f e c t k e yw o r dl o w f r e q u e n c ys e m i - c o n t i n u o u sc a s t i n g ，e l e c t r o m a g n e t i c f i e l d ，s o p c ， t c o s i i ，a d r c i i i 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他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：丝! 毛 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 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。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 ，、 名：盟导师签名巡魄中丛月辽日 硕上学位论文第一章绪论 第一章绪论 新材料被列为我国重点资助的四大研究领域之一，是国民经济及其他高新 技术发展的基础和先导。电磁成型和加工技术作为一种新的加工工艺是制备新 材料的重要手段之一。近几十年来，运用磁流体力学原理，将电磁场引入材料 制备过程，通过特定的物理效应和对其多种功能的的综合利用，来实现材料组 织性能的改善和工艺过程的优化，已成为材料制备领域的一个重要研究方向。 现有的研究表明，外加磁场能够对金属凝固过程产生显著的影响，因此通过施 加电磁场控制凝固过程，改善凝固组织，提高合金材料性能的研究具有十分重 要的意义。 1 1 本文研究目的和意义 随着科学技术和国民经济的高速发展，我国的铝加工行业整体发展迅速， 各种型号的铝合金不断得到开发和利用，同时也对其性能和质量提出更高和更 全面的要求。但是由于加工技术落后、设备陈旧等原因，高性能铝材还需从国 外大量进口。因此高性能铝材的生产工艺成为了目前我国铝加工行业急需发展 的重点【1 捌。 铝合金半连铸坯的微观组织不仅影响铸锭的质量，同时还影响它的压力加 工性能以及压力加工后金属制品的组织和性能。因此细化晶粒，强制合金元素 固溶，抑制宏观和微观偏析，生产具有等轴细晶粒组织的铝合金铸锭，一直是 材料界所极为关注的课题。在此背景下，开发出一种既能提高铝合金铸锭内部 组织性能，又可以改善铸锭表面质量，减少表面切削量，用以提高铝材利用率， 从而大幅度提高经济效益的新工艺成为必然。同时，铝合金铸造也是电磁处理 技术应用研究开展较早的领域之一【3 4 】。 目前，针对铝合金低频半连续铸造工艺方面的研究较多，已经有比较完整 的理论体系，然而国内与之配套的关于低频复合磁场控制系统方面的研究较少， 大部分依赖设备和技术进口。同时，市场上的普通变频设备难以满足特殊的工 艺要求。 本文研究内容来源于国家“9 7 3 重点基础研究发展规划资助项目“提高 铝材料质量的基础研究”子项“外场作用下的铝合金凝固的部分”，重点研究 低频电磁场电磁感应装置复合磁场控制系统的设计与研制，为铝合金半连续铸 硕士学位论文第一章绪论 造提供稳定可靠的复合磁场，同时充分考虑与半连铸机工业过程条件的信息融 合，增加各工艺参数调节范围，对于铝合金半连续铸造技术的应用与发展具有 重要的推动作用。同时，该复合磁场控制系统对于其它金属的半连续铸造设备 的研制也具有重要的借鉴意义。 1 2 半连续铸造技术及电磁场的应用 金属产品的铸造方法主要有三种： 第一种是静态铸造( s t a t i cc a s t i n g ) ，包括高压铸造、金属模铸造、砂型铸造、 熔模铸造、壳型铸造等。静态铸造仅是单纯将熔化的金属倒入永久的铸模中凝 固后，将铸锭从铸模中抽出，铸模可以再次使用。 第二种为连续铸造( c o n t i n u o u sc a s t i n g ) 。在此工艺中，熔化的金属被送到一 个永久铸模中，铸造开始时与半连续铸造极为相似。然而，该过程不是在一定 时间后停止，凝固的铸锭被连续剪成或切成一定长度并且在铸造过程中被运走。 因此，该过程是连续的，凝固后的棒料或板条被迅速运走。 连续铸造的优点是操作系统都在地面上，不需要挖深坑，与传统铸造工艺 相比这一方法有许多经济优势。连续铸造主要用来铸造小尺寸的挤压型材或薄 板，但不适用于易产生裂纹的合金的铸造。 第三种为半连续铸造( s e m i c o n t i n u o u sc a s t i n g ) 。半连续铸锭工艺在铝工业 中用于制造大多数的铸造合金，由这些合金加工出棒料、薄板、板条和板材的 形状。在这一工艺中，熔化的铝被传送到一个由水冷却的永久铸模中，在铸模 的长活塞上装有活动底座。在铸模表面进一步凝固而形成一层坚硬的“皮”之后， 活塞向下运动，更多的金属连续填入容器中。最后，活塞运动至全长，中断连 铸过程，取出铸锭，再进行下一个生产周期。铝工业中常规的方法是采用适当 润滑的金属铸模。这种铸造方法可以减少工序、降低成本，近些年的发展较快 【5 】 o 半连续铸造是钢铁及有色金属合金工业生产中极为重要的凝固手段。二十 世纪3 0 年代，其原理和工艺就被应用到有色会属材料的生产上。由于半连续铸 造工艺能够实现生产工艺过程的自动化，因而简化了工艺流程，节约了能源， 大幅度提高了劳动生产率，并能保证稳定的产品质量和较高的金属收得率，在 现代冶金生产中有重要的地位。自19 5 3 年v l w ( v e r e i n g a t el e i c h tm e t a l l w e r k e g m b h ) 公司研制开发的直接水冷铸造法连续铸造铝以来，随后的五十年罩，由 于铝的导热性能好、熔体金属容易处理等特点，铝的连续铸造技术得到了显著 地发展，开发和研究了各种铸造工艺。如：热顶铸造法、水平铸造法和熔体铸 2 硕i 学位论文第一章绪论 造法等。但是，由于其自身生产工艺的不足，也存在着一些问题。 半连续铸造有普通连续铸造( d c ，d i r e c tc a s t i n g ) 法和热顶铸造( h o t t o p ) 法， 如图1 - 1 所示。在这两种方法中，液体金属的形状依靠水冷结晶器约束凝固过 程由结晶器的一次冷却和冷却水的二冷冷却控制，两者的区别在于热顶铸造法 中，结晶器的顶部由耐火保温材料取代。 v ( a ) 普通铸造法热顶铸造法 图1 - 1 普通铸造法和热顶铸造法 铝合金半连续铸造凝固过程最显著的特点是熔体内部存在具有一定深度的 弯月面液穴，铸锭内外存在较大的温度差，这种温度差是形成铸锭横截面上组 织不均匀、溶质元素宏观偏析、铸造应力与裂纹等缺陷的根本原因。虽然通过 热顶、结晶器内衬石墨环等措施，可以在一定程度上减小液穴深度与铸锭内外 温差，但这受到合金种类、生产率要求的制约，作用有限。此外，在半连续铸 造中，液态金属的凝固成型大都是在结晶器( 模壳) 中进行的，由于两者之间存 在着摩擦和磨损，造成凝固的铸锭表面有很多缺陷，如偏析瘤、疤痕、表面皱 褶等等，在后续加工时，不得不将铸锭有缺陷的表面( 往往是组织性能很好的等 轴细晶层) 铣掉，造成很大的资源浪费；其次结晶器材料对高温熔体有污染作用， 尤其是对一些高熔点，易氧化和化学活性很大的稀有金属来说，更是如此。虽 然在此基础上提出了通过降低铸造速度、减小冷却强度，采用短结晶器和热顶 铸造等工艺，来获得较小的液穴深度，但铸造速度、结晶器高度等工艺参数的 选择又受到合金种类的限制，同时多个工艺参数的选择需要统筹考虑，因此在 一定的工艺条件下，通过调整常规工艺条件有效解决铸锭的裂纹等问题比较困 难。因此对半连续铸造技术进行改进，寻找出一种既能够获得优良微观组织、 避免偏析及裂纹等缺陷，又具有较高表面质量的半连续铸造新工艺具有十分重 要的意义。 将电磁场技术应用于材料铸造，归功于研究电磁场和金属流体之间相互关 系的磁流体力学( m h d ，m a g n e t o h y d r o d y n a m i c s ) 的发展。1 8 2 3 年法拉第就开始 硕十学位论文第一章绪论 测量流体在磁场中的流动。1 0 0 年后，q m u c k 提出了悬浮熔炼的专利。1 9 6 1 年l a n g e n b e r g 提出交变电磁场可以使钢锭的组织细化，揭开了电磁技术在冶 金等材料加工领域应用的序幕。然而，直至1 9 8 2 年在英国召开的国际力学理论 和应用联合会议上才第一次出现了材料电磁工艺的技术术语。近几年来，材料 的电磁工艺在有色金属和黑色金属的冶金过程及其它材料加工领域得到了广泛 的应用【6 1 。常用的材料电磁加工工艺有如下几种。电磁铸造、软接触电磁连铸 技术、电磁制动技术、电磁振荡等，下面主要介绍论文相关的电磁铸造技术。 电磁铸造包括无模中频电磁铸造和有模低频电磁铸造两种。 ( 1 ) 无模中频电磁铸造( e m c ，e l e c t r o m a g n e t i cc a s t i n g ) 无模电磁铸造技术是2 0 世纪6 0 年代，由前苏联学者g e t s e l e v 研制成功的 一种无模半连续铸造技术【7 , 8 , 9 】，其原理如图1 2 。在设在金属液穴部位的感应线 圈中通以中频电流( 电流强度3 5 0 0 5 0 0 0 a ，频率2 0 0 0 3 0 0 0 h z ) 时，可以使液态 金属受到的电磁压力与金属静压力及表面张力引起的附加压力达到平衡，这样 就能够实现无接触铸造。其显著特点是用感应器代替了结晶器，液体金属的形 状由电磁力约束。当感应器线圈中通过交变电流，o 时，在线圈内产生交变电磁 场日，磁场作用于液体金属形成与，o 方向相反的感应电流j ，同时，磁场与感 应电流交互作用产生向内的电磁力f = ，x b ，f 从侧面约束金属熔体使其保持 柱面。在感应器下方喷水冷却，液态金属与感应器无任何物理接触，在保持自 由表面状态下水冷凝固。当电磁力与液体静压力保持平衡时，就能获得稳定的 断面形状。屏蔽罩的作用是是电磁力分布近似于液体静压力的分布，并减弱液 面附近电磁搅拌引起的熔体流动，使液柱保持稳定。底模向下移动，从上方不 断注入铝液，保持液柱高度日不变，就可连续铸造出表面光滑的铸锭。 因为液态金属在电磁力约束下不与铸模接触、保持自由表面的状态下凝固， 其表面接近镜面。 图1 - 2 电磁铸造原理图 4 硕f ：学位论文第一章绪论 与普通连铸( d c ，d i r e c tc h i l lc a s t i n g ) 法生产铸锭相比，e m c 法有以下优点： 铸锭表面光滑，在压力加工前可以不铣面或少铣面。而d c 法生产的铸 锭表面不可避免地造成偏析瘤、冷隔和拉伤等缺陷，水冷铸模与金属问气隙的 存在常使铸锭边部出现成分偏析和晶粒粗大等问题，轧制前必须进行铣面处理， 铣面量软合金为5 1 0 m m ，硬合金为1 5 2 5 r a m 。另外，d c 法生产的铸锭由于 热轧产生裂边问题，还必须进行切边加工。所以，e m c 法使金属利用率高，节 省能源和减少工序； 铸造速度高，一般比d c 法提高1 0 - - - 3 0 ，提高了生产效率； 冷却水消耗量降低1 5 2 倍； 无需弯曲铸锭，也不需要锭与铸模间的润滑系统，减少了设备开支。 ( 2 ) 有模低频电磁铸造 与早期的电磁铸造( e m c ) 不同，v i v e s 发展了一种电磁铸造新工艺( c r e m c a s t i n g ，r e f i n i n g ，e l e c t r o m a g n e t i c ) 1 0 , 1 1 】，即在结晶器外布置电磁感应线圈， 加载频率小于5 0h z 的谐波电流，在铝熔体内产生电磁力，通过电磁力的约束 作用，减少金属熔体和结晶器的接触线高度，改变铸锭冷却过程中热通量分布 及熔体内部的温度场和速度场，有效地细化晶粒和改善铸锭表面质量【l 引。 低频电磁铸造按照激发的磁场形态分为行波磁场型和旋转磁场型。行波磁 场型，即磁场在空间恒定，不随时间变化；旋转磁场型，即磁场在空间绕轴以 一定的速度作旋转运动，工作原理如图1 3 所示；行波磁场型，即磁场在空间 以一定的速度向一个方向做直线运动，工作原理如图1 4 所示；螺旋磁场型， 即磁场在空间以一定速度绕轴做螺旋运动，实际上是旋转磁场和行波磁场的组 合。目前正在开发多功能组合式装置，即一台装置同时具有旋转、行波、或螺 旋磁场等多种功能。 豢 铸锭 图卜3 旋转磁场型电磁铸造图1 - 4 行波磁场型电磁铸造 合理选择磁场的类型及电磁参数的选取可以获得合理的流动状态，从而在 以下几方面改善连铸坯的质量【1 3 】： 使金属液的流动状态有利于非金属夹杂物及气泡的上浮，降低铸坯气泡 及夹杂物的含量； 硕士学位论文第一章绪论 抑制望月面处金属液的波动，防止保护渣等外界夹杂物卷入熔池内： 降低金属液的过热度，均匀液相穴内的温度场，防止液面温度过高或过 低带来的卷渣、结壳等现象的发生，有利于减少裂纹，提高铸坯的纯净度； 加强液相穴内液体的对流运动，有利于打碎枝状晶，形成等轴晶，提高 铸坯的等轴晶率，减少中心偏析、中心缩松和缩孔，改善铸坯的凝固组织： 减少金属液对初生凝固壳的冲刷，降低产生裂纹和拉漏的可能性，从而 有利于实现快速连铸。 电磁铸造中液态金属是在电磁力的约束下水冷强迫凝固，电磁搅拌作用使 铸锭的内部组织致密、均匀，消除了d c 法铸锭表面层附近出现的粗大晶粒带， 材料的机械性能特别是压延性能大大提高，铸锭横截面的密度和硬度增加。 本文将在下述章节主要研究双面行波磁场型电磁铸造控制系统的设计，为 电磁铸造装置提供稳定的频率、幅值都可以单独连续的进行调节和设定的三相 电流。同时，区别于常规的行波电磁铸造系统，对磁场控制系统进行改进，三 相电流输出加入换相周期的变化。由上述分析及电磁场产生原理和其对未凝铝 液的作用机理可知，未凝铝液在电磁场作用下同时受到左右脉振力和上下水平 推力的作用。单方向推力的作用达不到晶粒细化的效果，其对铝熔体凝固结晶 的影响属于稳定性因素，其作用只能促使柱状晶生长方向发生一定角度的偏移 ( 相对未施加电磁场而) 。而上下推力周期性的改变，可使该力对铝熔体凝固结 晶的影响变成非稳定性因素作用，达到扰乱柱状晶生长方向、使晶粒得到等轴 细化的目的【1 4 , 1 5 】。换相就是通过改变铝熔体所受水平推力的方向，实现对凝固 前沿产生周期性反复切割冲刷的作用，以达到细化晶粒的目的。 1 3 电磁铸造及复合磁场控制系统的研究现状 1 3 1 国外的研究与发展 电磁铸造技术是由前苏联的盖兹列夫于1 9 6 8 年在世界上首先研究成功的， 于1 9 6 9 年在美国申请了专利。此后，美国k a i s e r 铝公司、 r e y n o l d 金属公司 及瑞士铝公司【l6 】等相继引进该技术并大力发展。1 9 8 5 年，瑞士铝业公司的萨特 宾和哈勒等人发表了铝的电磁铸造在工业中的应用一文。该文指出，瑞士 铝业公司发展了自己的电磁铸造技术，并实现了该技术的电子计算机在线控制。 它能够生产各种规格的铝合金，其中主要铸造制造罐体材料的3 0 0 4 铝合金。2 0 世纪8 0 年代中期以来，电磁铸造技术得到更迅速的发展，在计算机在线控制下 连铸多坯( 锭) 的技术日趋成熟，其浇铸的合金品种不断扩大，质量不断提高。 6 硕士学位论文第一章绪论 如瑞士的a l u s u i s s e 公司能浇铸2 0 2 4 、7 0 7 5 、4 1 8 2 等系列硬质合金，其铸坯的 断面尺寸为3 0 4 8 m m 1 0 1 6 - - , 2 1 5 9 m m ；美国的h a n n i b a l 公司能浇铸3 0 0 3 、3 0 0 5 及5 0 5 2 系列合金，其铸坯的断面尺寸为3 0 4 8 m m 1 0 1 6 - - 2 1 5 9 m m 。 电磁铸造技术在铝合金铸锭的生产上取得成功后，人们又不断地探索其在 其它合金上应用的可能性。美国o l i n 公司研究了铜及合金的电磁铸造并获得成 功。锌合金的电磁铸造也有专利报道。古井光明等研究了镂合全的电磁铸造， 提出了相应的装置【1 7 】。钢水的电磁铸造技术目前各国正在开发中，由于其难度 大，尚未实现钢的电磁铸造的工业化生产。 同时，研究者也在进行不同形式的电磁铸造设备的设计，使之满足不同要 求。美国o l i n 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，感应线圈作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面尺寸，齿轮缓缓转动，使拉出铸锭成螺 旋型。美国的g e 公司开发出一种专门用于生产管和棒材的上引式电磁铸造法 ( g e l e c 法，g el e v i t a t i o ne l e c t r o m a g n e t i cc a s t i n g ) 。美国能源部申报了用交变 电磁场进行水平电磁铸造铝薄板的专利。水平电磁铸造可制取板、带材。但在 磁场设计、凝固控制和铸造工艺等方面存在相当大的难度。迄今为止，薄板水 平电磁铸造技术尚未实用化。 与e m c 法不同，v i v e s 发展了c r e m 工艺。c r e m 工艺能够有效起到细化 晶粒、改善表面质量的作用。实验表明，随着感应线圈输入功率的增大，熔体 表面在l o r e n t z 力的约束作用下形成弯液面升高，从而使熔体与结晶器的接触线 高度减小，对于熔体与结晶器接触的部分而言，由于电磁静压力梯度的作用， 熔体与结晶器壁的接触压力减小，实现了所谓的软接触，改变了一次冷却区热 通量的大小与分布情况，起到了减弱一次冷却强度的作用，使初生凝固壳形成 位置下降，直接的结果是表面渗出现象减弱，表面偏析层厚度随输入功率的增 加而线性减小，有效提高了铸锭的表面质量，但对铸锭横截面上大尺度范围内 的宏观偏析没有产生显著的影响。随着输入功率的增大，铸锭表面的环状波纹 逐渐减小，当输入功率达到2 2 k w 时，熔体与结晶器的接触线高度趋于0 ，得 到了光滑的铸锭表面，消除了表面偏析区，在提高铸锭表面质量的同时减小了 剥皮量，提高了成材率。 2 0 0 3 年b e r m u d e z a t l 8 】采用渐近逼近及数值模拟的方法对电磁铸造过程进 行了仿真研究，通过一个二维数学模型来描述电磁铸造过程中的电磁场和动态 过程，可对电磁场和熔体流动进行计算。 2 0 0 5 年c h a n g ，f o n c h i e h t 悖】开发了一个计算机模型用来预测电磁铸造过程 中涡流和流体流动的情况。该模型通过预测和实验结果比较进行调整，可以大 7 硕士学位论文第一章绪论 大促进铸造过程中电磁场的应用研究。它也可以优化现有的铸造过程，并尽量 减少昂贵、长时间的实验。 1 3 2 国内的研究状况 1 9 7 4 年，东北轻合金加工厂开始对电磁铸造进行研究。1 9 8 0 年，在东北轻 合金加工厂成功地实现了铝合金圆锭( 坯) 的电磁铸造。由于控制水平及整体技 术落后，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的作用。在东北轻合金加工厂、北方工业大学、 大连理工大学、西南铝加工厂的共同努力下，1 9 9 1 年实现了铝合金方形锭的电 磁铸造，并实现了铸造过程的电子计算机在线控制。大连理工大学还对电磁铸 造感应器的设计及铸造工艺的计算机优化进行了系统的研究，先后实现了电磁 铸造过程温度场、电磁场、应力场的计算机模拟计算，并试验铸造了1 3 0 m m x 5 2 0 m m 与1 7 4 m m 5 2 0 r a m 的铝合金扁锭。大连理工大学近年来开发成功一种 称之为无接触电磁约束成形的电磁铸造技术。利用该项技术，可使固体合金料 的加热熔化与金属熔体的无接触成形同步进行。通过设计不同的感应线圈结构， 分析不同条件下温度场的特性及其与电磁场耦合的效应，不仅能铸造圆形、矩 形坯，还可铸造各种复杂断面构件，实现复杂构件的近终形铸造。通过改进其 冷却方式及调整其电磁场的作用方式，可在电磁铸件中获得细小的等轴晶及柱 状晶组织。西北工业大学利用开发的电磁约束成形装置，在实验室内已成功地 铸造出表面质量优良的不同形状( 圆、扁、椭圆和弯月形) 的铝合金及耐热不锈 钢构件。 2 0 0 3 年6 月东北大学获铝合金低频电磁半连续铸造方法及装置发明设计专 利，其装置是在现有结晶器的外部或内部设置一组线圈，向线圈中通入低频电 流，采用该发明的装置进行铝合金低频电磁场半连续铸造，电磁场频率为 1 5 5 0 h z ，浇铸温度为6 8 0 7 5 0 ，铸造速度为5 0 1 5 0 m m m i n ，冷却水压为 0 0 6 - 。0 1 2 m p a ，本发明具有明显细化晶粒，使合金元素在晶内充分固溶，避免 裂纹，提高铸锭成材率，消除偏析瘤，改善表面浇量等优点。 2 0 0 5 年3 月赵志浩掣2 0 j 采用数值模拟的方法研究了低频电磁水平半连续铸 造7 0 7 5 铝合金中不同强度及频率的磁场在熔体中的分布，并采用试验的方法 研究了不同条件的磁场对铸锭宏观偏析的影响。将使用传统水平半连续铸造生 产出的铸锭与低频电磁水平半连续铸造生产的铸锭进行了比较。研究结果表明： 在传统水平半连续铸造工艺条件下，铸锭中易出现较严重的负偏析及重力偏析； 然而，在低频电磁水平半连续铸造过程中，低频电磁场的存在明显削弱了铸锭 硕上学位论文 第一章绪论 中的宏观偏析。此外，磁场在熔体中的分布情况将直接影响其作用效果，提高 磁场强度及适当降低磁场频率均有利于对宏观偏析的改善。 2 0 0 6 年1 2 月秦克等【2 l 】采用普通d c 铸造和低频电磁半连续铸造工艺，制 备了* l o o m m 的4 0 4 5 铝合金锭坯，并利用光学电子显微镜和扫描电镜对铸锭 的显微组织进行检测与分析，用显微硬度计和电子拉伸试验机对铸锭的力学性 能进行检测。结果表明，采用低频电磁半连续铸造，铸锭的显微组织中的a - a 1 枝晶组织被明显打碎，成为细小均匀的枝晶组织：共晶s i 也较普通d c 铸造组 织中的共晶s i 细小、均匀。在铸锭外表层附近存在富s i 区域，但采用低频电 磁半连续铸造，富s i 区域明显减小。采用低频电磁半连续铸造，初生仅一a 1 中 的硅含量增加，达到2 7 9 ，合金的力学性能也得到提高，曲为2 2 5m p a 、l ，为 1 1 4 、硬度为h v6 9 5 。 t 2 0 0 7 年5 月左玉波等【2 2 】研究了常规d c 铸造7 0 5 0 铝合金铸锭常常含有羽 毛晶组织缺陷。采用低频电磁铸造技术，半连续铸造制备了直径为2 0 0i i i i l l 的 7 0 5 0 铝合金铸坯，考察了电磁场对羽毛晶组织缺陷的影响。结果表明，在低频 电磁场作用下，半连续铸造组织得到显著细化，为均匀细小的球形和多边形等 轴晶组织，有效抑制了羽毛晶组织缺陷的产生。 磁场控制器的研制方面，1 9 8 8 年，国内第一套电磁连续铸轧电气控制系统 开发研制成功，应用于兰州铝业股份有限公司西北铝加工分公司总投资2 3 1 亿 元的“电解铝液复合磁场生产毛化板箔材 高技术产业化示范工程。限于当时 的技术水平，其中关键的复合磁场控制器为全模拟系统。 从1 9 8 9 年到1 9 9 0 年期间，在实验室模拟连续铸轧工艺的主要环节进行了 多次试验，得到了铝及铝合金在复合磁场条件下的行为机理和基本电磁参数、 基本磁场形态，为工业试验提供理论依据。 1 9 9 1 年1 2 月，西北铝业公司和中南大学合作，在厂方0 6 5 0 m m x l 6 0 0 m 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。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，但是 同时也出现了一些问题。针对出现的问题，厂校双方共同对电磁感应系统进行 了改造，从参数、接线方式、结构等多方面进行了调整和改进。1 9 9 3 年1 2 月， 厂校双方在 6 5 0 m m x l 6 0 0 m m 铸轧机上进行了第三次工业试验。 2 0 0 6 年5 月，中南大学与中国铝业瑞闽铝板带有限公司合作，基于交一交 变频方式的电磁连续铸轧复合磁场控制系统研制成功，在 8 0 0 m i n x l1 2 0 m m 铸 轧机上初步调试，其金相效果优于添加a 1 t i b 晶粒细化剂的金相效果。该装 置的研制成功为电磁铸造复合磁场控制系统的研究提供了宝贵的经验。 2 0 0 7 年，中南大学机电工程学院在国家重点基础计划研究( 9 7 3 ) 提高铝材质 9 硕士学位论文第一章绪论 量基础研究项目和国家高技术发展规戈r j ( 8 6 3 ) 超高强高韧铝合金产业化技术开 发支持下建立了铝合金低频电磁半连续铸造实验室。并研制了整套电磁搅拌装 置，本文即根据该装置工艺要求设计与之配套的复合磁场控制器。 1 4 论文的章节安排 论文总共分六章。 第一章绪论，首先介绍论文研究的目的和意义以及半连续铸造技术原理， 然后引申电磁场在铝合金铸造过程中的应用，着重讲叙论文研究的低频电磁铸 造技术的应用原理及优点。同时指出电磁搅拌及复合磁场的研究现状。最后对 全文的研究内容进行简单介绍。 第二章包括两个重点内容，一是分析复合磁场的形成原理以及复合磁场的 工艺参数对铸造过程中凝固组织的影响。二是复合磁场控制系统电路的总体方 案设计。 第三章系统功率电路设计，介绍常规矩阵变换器和双极矩阵变换器，并对 矩阵变换器的调制策略进行研究。 第四章复合磁场控制系统硬件电路设计。首先对系统硬件进行概述，然后 从上位机、基于f p g a 的嵌入式a r m 处理器可编程片上系统( s o p c ，s y s t e mo i l ap r o g r a m m a b l ec h i p ) 的设计实现以及外围硬件的设计三个部分来展开论述。 第五章控制系统的软件设计，包括实时操作系统i t c o s i i 和控制部分的 应用程序设计。 第六章给出了智能磁场控制系统的算法分析以及仿真模型和结果。 最后是全文的总结，并对后续的研究工作进行了展望。 1 0 硕上学位论文 第二章复合磁场的特点及电源控制系统方案设计 第二章复合磁场及其电源控制系统方案设计 电磁场应用于铸造技术是一项集机械、电气、铸造和加工工艺等多学科和新 技术于一体的研究课题。除了一套产生特殊复合磁场的电磁搅拌磁场感应装置， 复合磁场控制系统的性能也尤为关键。复合磁场控制系统研制的核心即复合磁场 控制器。 电磁搅拌的复合磁场发生系统由电磁感应装置及其控制系统两大部分组成。 电磁感应装置是由多个均匀分布的磁引导装置组成，在每个磁引导装置上都绕制 有线圈。在了解半连续铸造工艺的同时，熟悉铸造过程中熔体内复合磁场的电磁 力特性及其分布规律，研究复合磁场形成原理，对掌握电磁场对铝合金凝固的作 用机理，设计更为合理的复合磁场电气控制系统，获得高质量的铝铸坯具有非常 重要的意义。 2 1 复合磁场的形成 电磁感应装置的结构是依据直线电机的原理设计的，而直线电机的结构由异 步电机演变而来。从异步电机中旋转磁场的形成原理容易引申出直线电机的行波 磁场形成原理，再对由于直线电机的边端效应而引起的脉振磁场进行分析，可以 得到电磁感应装置中复合磁场的形成原理【2 3 1 。 图2 - 1 直线电机的基本原理( 卜初级 2 一次级 3 一行波磁场) 2 1 1 行波磁场的形成 三相电流流入三相绕组时建立的磁势是一个旋转磁势，而由此磁势产生的磁 场是一个旋转磁场。如果将一个将异步电机在顶上沿径向剖开，并将圆周拉直， 便成了图2 1 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。 硕士学位论文第二章复合磁场的特点及电源控制系统方案设计 由于这个磁场不是旋转的，而是平移的，因此成为行波磁场。同时，如果改变 a 、b 、c 三相的相序，也将改变行波磁场的平移方向。 2 2 2 脉振磁场的形成 磁场大小及方向在不断的变化，轴线却固定不变的磁场称之为脉振磁场。铝 熔体作为转子有不为零的初速度，转子导体与磁场之间就有了相对运动，即转子 与定子脉动磁场就有了切割，从而得到感应电动势以及感应电流，转子绕在磁场 中受到电磁力的作用。 下面详细分析脉振磁场的产生，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【2 5 1 。利用对称分量法可以把它们分解为 正序、负序和零序电流，对应这三种电流将有诈序正向行波磁场、负序负向行波 磁场和零序脉振磁场【2 引。 下面详细分析脉振磁场的产生。如图2 2 所示，取三相对称电流通入三相绕 组的情况。设初级绕组的电流密度沿x 轴方向呈正弦分布，则当该电流密度行 波在初级铁芯的两端边界过零( 工= n ) 时，相应的磁动势波在边界取得最大值 a t l ，如图2 2 ( b ) 所示【2 7 】，图中取z 轴正方向作为a t ( 磁动势) 、b ( 磁通密度) 的 正方向，y 轴正方向作为j ( 感应电流) 的正方向。 一锩x d ) c 】 图2 - 2 脉振磁场的形成 分路磁通的气隙磁通密度盛一沿x 轴方向的分布可以认为是不变的，如图 2 - 2 ( d ) 所示。因此，在有效区域内，合成磁场的磁通密度分布曲线b = b l + 夙一比 原来的b ，曲线下移了一段距离& 。 2 8 , 2 9 1 。当时间经过四分之一周期后，由于上、 下铁芯两端的磁动势减4 , n 零，因此分路磁通不存在，此时气隙中只有行波磁场 ( 见图2 - 2 ( c ) ) 。可以推知，再过四分之一周期后，上、下铁芯两端的磁动势将达 1 2 f 肋净旬尹 峨 粼吣燃 硕上学位论文第二章复合磁场的特点及电源控制系统方案设计 到反向最大，分路磁通加和磁通密度幽也将达到反向最大，而使合成磁通密度 分布曲线b 比原来的曲线b - 上移一段距离及一( 见图2 - 2 ( e ) ) 。由于随着时间的变 化，磁动势曲线相对初级铁芯是移动的，因此在上、下铁芯的端面之间所作用的 磁动势将随时间作正弦变化【3 0 】。与此相对应，分路磁通如和磁通密度风随时间 作正弦脉振。这种磁场在有效区域内与空间位置无关，因此，它与通常的行波磁 场不同，常被称为脉振磁场。 2 2 工艺参数对凝固组织的影响 影响电磁搅拌使用效果的主要参数有安装位置、搅拌电流强度、电磁频率、 换相周期、冷却温度等。 ( 1 ) 安装位置 结晶器电磁搅拌( m e m s 或m 搅拌) 铝水在结晶器内，电磁搅拌器安装于结 晶器外围。电磁搅拌器的铁芯所激发的磁场通过结晶器侵入铝水中，借助于电磁 感应产生的电磁力，使铝水产生左右旋转或上下垂直运动。凝固界面被通过搅拌 形成的铝流冲刷和早期形成的凝固坯壳重新熔化，与新进入的铝水混合后再凝 固。在进行搅拌的地方，冷隔的深度就变得很浅。因此m 搅拌器可以增强结晶 器内铝液均匀凝壳的生成，从而导致表面纵裂的消除，从而改善铝坯的表面质量 和皮下质量。 在二冷区加装电磁搅拌装置( s e m s ) 。由于铝水进入结晶器后，在结晶器处 受冷很快形成一层致密的等轴晶坯壳。随着拉坯的进行，单级搅拌器会使铸坯内 部形成的等轴晶聚集于铸坯下部，而上半部则有大量的柱状晶形成，并往往会产 生“搭桥”现象。导致铸坯内部缩孔，偏析和疏松，给铸坯质量造成严重的问题。 为解决这些缩孔，有必要在二冷区再加装一组电磁搅拌装置。此组搅拌的主要作 用是使从外向内生长的柱状晶顶端被未凝固的铝流打碎从而生成大量的等轴晶 核，扩大铸坯中心的等轴晶区，消除中心偏析。 凝固末端电磁搅拌( f e m s 或f 搅拌) 铸坯经过二冷的电磁搅拌后，等轴晶核 在重力作用下沉淀到铸坯的下半部。如果连铸坯在这种情况下被拉出，虽然下部 的柱状晶受到下沉的轴晶的阻碍，不能进一步的长大，可上部的柱状晶由于生长 顶端未受到等轴晶的阻碍而向芯部生长，依然影响着铸坯的内部质量。铸坯的液 穴末端区域已是凝固末期，铝水的过热度消失，处在糊状区，由于偏析的作用， 糊状区液体富集溶质浓度较高，易形成严重的中心偏析。因此在液穴长度3 4 处 安装f 电磁搅拌器，使液穴末端区上部生长的柱状晶顶端被打碎，使下沉的晶核 再度分散，并覆盖在柱状晶顶端，从而降低铸坯的中心偏析，减少铸坯的中心疏 硕士学位论文第二章复合磁场的特点及电源控制系统方案设计 松和缩孔。因此认为f 搅拌器对弥散中心线周围的等轴晶区富集溶质的溶体是有 效的。 根据具体的情况及加工工艺要求也可以选择多位置组合磁场搅拌。 ( 2 ) 电流强度 交变电磁场对铝合金的最大作用是使其晶粒尺寸急剧地减小，其晶粒细小的 基本原因是液穴温度降低和均匀。增大搅拌强度，温度降低首先是在液穴部分内， 随后发展到几乎是全部液穴，这势必引起晶粒数量的增加。因为固体杂质粒子在 过冷到液相线温度以下的合金中停留时间长了，而在通常情况下，那些粒子来不 及成为固溶体的晶核。当搅拌强度使温度降低几乎发展到整个液穴内时，晶粒的 大小实际不再发生变化。这说明，搅拌对晶粒细化所起的某种作用就和成长着的 树枝晶的机械破碎作用相同。加大搅拌强度可以提高等轴晶率，例如当输入电流 i = 2 0 0 a 时，等轴晶率可达到3 0 - 4 0 。若继续增加电流，等轴晶率则不再增 加。搅拌强度过高，卷入的气泡、夹杂也相应增加。搅拌工艺与冷却速度的匹配 是重要问题，冷速过慢，使晶粒长大，冷速过快，边缘部分的熔体凝固，不能达 到搅拌的目的。朱明原等的研究表明【3 l 】，电磁搅拌器在结晶器中产生的磁感应强 度为0 0 8 t 0 0 9 t ，当冷却速度为1 8 5o c s 时，合会组织中树枝状q ( a 1 ) i z 5 较明 显，