（电力电子与电力传动专业论文）铝合金低频半连续铸造复合磁场控制系统设计与研究.pdf

a b s t r a c t a l u m i n u ma l l o yi st h ew i d e l yu s e dn o n - f e r r o u sm e t a l a l l o y , i m p r o v i n gp r o d u c tq u a l i t y , r e d u c i n gp r o d u c t i o n c o s t si so fg r e a t s i g n i f i c a n c e t l l i sr e s e a r c hi sap a r tw o r ko fs o l i d i f i c a t i o no fa ia l l o y u n d e ro u t e rf i e l d s ，w h i c hc o m e sf r o mt h ep r o j e c to fi m p r o v e m e n to ft h e q u a l i t yo f a l u m i n u mp r o d u c t ss u p p o r t e db yt h em a j o rs t a t ef u n d a m e n t a l r e s e a r c hp r o j e c t so fc h i n a ( 9 7 3 ) b yal o wf r e q u e n c ye l e c t r o m a g n e t i c f i e l da p p l i e do u to ft h em o u l d ，t h ef i n ee q u i a x e d a s c a s ts t r u c t u r e sa r e o b t a i n e da n ds u r f a c eq u a l i t yi sr e m a r k a b l yi m p r o v e d s ot h ec o m p o t m d m a g n e t i cf i e l dc o n t r o ls y s t e mi si m p o r t a n tf o ra p p l i c a t i o no ft h el o w f r e q u e n c ye l e c t r o m a g n e t i cs e m i c o n t i n u o u sc a s t i n g t h et h e s i sa n a l y s e st h ef u n c t i o n a lm e c h a n i s mo fl o wf r e q u e n c y e l e c t r o m a g n e t i cs e m i c o n t i n u o u sc a s t i n ga n dt h ef o r m i n gp r i n c i p l eo f c o m p o u n dm a g n e t i cf i e l d i no r d e rt o m a t c ht h er e q u i r e m e n t s ，t h e v a r i a b l ef r e q u e n c yc o n v e r t e rw h i c hi sad o u b l ep w mc o n v e r t e ri s a d o p t e d i nt h es y s t e m a n dt h r e e - l e v e li n v e r t e ri su s e dt or e d u c eh a r m o n i c c o n t e n t t om a t c ht h er e q u i r e m e n t s ，an e wm a i nc i r c u i ts t r u c t u r ei sb r o u g h t u p ，a n d t h ed e s i g np r i n c i p l ei sd i s c u s s e d e t h e m e ta n dd e v i c e n e ti su s e d i nt h i ss y s t e r n , p l ca n dt o u c hs c r e e nc o m p o s e dh o s tc o m p u t e r , t h en e w d s pc o n 仃o l e r - 耵垤s 3 2 0 f 2 8 0 9i sc o n t r o lc o r e ，s o m em o d u l e sa r e e m p h a s i z e di n t h e p a p e r , s u c ha sp w mm o d u l e 、h u m a n m a c h i n e i n t e r f a c em o d u l e 、w a t c hd o gm o d u l e 、c u r r e n ta n dv o l t a g ed e t e c t i o n m o d u l e a i m i n g a tt h es y s t e mr e a l t i m e c o m m a n d i n g ，t h ee m b e d d e d r e a l t i m e o p e r a t i n gs y s t e mr t c o s i i i s i m p o r t e d i t c o s - i i i s t r a n s p l a n t e dt ot m s 3 2 0 f 2 8 0 9d s pa c c o r d i n gt oi t sc h a r a c t e r i s t i e s t h e i n t e r r u p tm a n a g e m e n t ，m u l t i t a s kb a s e do nm a n a g e m e n ta n dm e s s a g e e x c h a n g i n g ，i _ t c o s i i a r er e a l i z e d t h ef l o wc h a r to fm a i nt a s k si sa l s o p r e s e n t e d t h et h e s i sa p p l i e ss e l f - a d a p t i v ef u z z yc o n t r o l l e r , s i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a ts e l f - a d a p t i v ef u z z yc o n t r o la 打t h m e t i cc a ne f f e c t i v e l y n i m p r o v ed y n a m i cp e r f o r m a n c eo fc o n t r o ls y s t e ma n dg e tb e t t e rc o n t r o l e f f e c tt h a n r o u t i n ep i d f i n a l l y , t h i st h e s i sm a k e ss o m ec o n c l u s i o n s ，a n dp r e s e n t ss o m e i s s u e sf o rf u t u r er e s e a r c h k e yw o r d sl 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 ，p w m ，d s p ，s e l f - a d a p t i v ef u z z y p i dc o n t r o l l e r 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： 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：唧一名邈 硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 几十年来，将电磁场引入材料制备过程，通过特定的物理效应实现材料组 织性能的改善及工艺过程的优化，已成为材料科学领域重要的研究方向之一。 已有的研究表明，外加电磁场能够对金属的凝固过程产生显著的影响，鉴于凝 固组织具有强烈的遗传性，是决定材料最终力学性能和物理性能的重要因素， 所以通过施加电磁场控制凝固过程、提高材料性能的研究具有特别重要的意义。 1 1 问题的提出 铝合金作为应用最广泛的有色金属合金，提高产品质量、降低生产成本具 有重要的意义，也是电磁处理技术应用研究开展较早的领域之i l 翊。随着科学 技术和国民经济的高速发展，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。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。 本文研究内容来源于国家“9 7 3 一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一外场作用下的铝合金凝固。主要研究在工业生 产条件下低频电磁场影响铝合金凝固过程的物理机制，为在铝合金连续铸锭的 工业生产中改善材料微观组织、提高材料性能提供理论基础和实验依据。 电磁场半连续铸造是利用电磁感应产生的电磁力来推动金属有规律的运动， 从而实现晶粒细化、改善表面质量，达到改善合金的目的。其实质就是借助交 变电流产生交变磁场，在金属熔体中产生感应电流，载流金属熔体在磁场中受 到洛仑兹( l o r e n t z ) 力的作用，使熔体形成强迫对流，从而改善金属熔体凝固 过程中的流动、传热和迁移过程，以使熔体内部晶粒组织细化，达到改善合金 质量的目的。 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，然而与之配套的关于低频复合磁场控制系统方面的研究较少，尚 硕士学位论文第一章绪论 没有专门针对铝合金低频半连续铸造工艺特殊要求的复合磁场电气控制系统， 而市场上的普通变频设备则难以满足工艺要求，本文针对铝合金低频半连续铸 造工艺的要求设计的复合磁场控制系统不仅能满足磁场控制基本要求，还在系 统中采用网络控制，并充分考虑与半连铸机的信息融合，增加各工艺参数调节 范围，对于铝合金低频半连续铸造技术的应用具有重要意义。 1 2 电磁场在半连续铸造过程中的应用 对于工业生产过程中大部分凝固过程而言，实现对温度场的控制是获得理 想凝固组织的主要途径，半连续铸造过程中施加电磁场的最终目的是通过 l o r e n t z 力驱动的强迫对流控制熔体的流动场和温度场，获得在传统铸造工艺条 件下难以实现的有利于提高材料组织性能的理想凝固条件。近年来，针对连铸 工艺过程的特点，通过施加电磁场，改善结晶过程条件，提高产品质量，已成 为连铸技术发展的主要趋势之一先后出现了利用时变磁场和恒稳磁场的电磁 搅拌、电磁制动和软接触技术，并出现了三者有机结合的现代电磁连铸技术。 电磁搅拌是冶金生产中最早应用电磁场的工艺方法，连铸过程中的电磁搅 拌技术【3 】，是指在连铸过程中，通过在连铸机的不同位置处施加不同类型的电 磁搅拌器，利用移动磁场与熔体交互作用所产生的l o r e n t z 力驱动熔体产生强迫 对流，从而改善熔体凝固过程中的流动、传热和传质条件，最终实现改善铸坯 质量的目的。 电磁搅拌技术在钢的连续铸造生产中得到了广泛的应用，电磁搅拌技术因 其具有不接触钢液而在钢液中产生搅拌运动，不存在消耗部件，且不对熔体造 成污染的优点，成为继浸入式水口、保护浇注等连铸技术之后，钢坯连铸冶金 技术的最重要的发展之一【4 1 ，它的应用不但能有效地改善连铸坯的表面及皮下 质量，改善铸坯内部组织结构，扩大等轴晶区，减轻或消除中心偏析和中心缩 孔等内部缺陷，而且在放宽对连铸工艺的要求，扩大连铸钢种，提高铸造速度， 促进高效无缺陷优质铸坯的生产中发挥了重要的作用，并取得了良好的经济效 益。 1 3 电磁铸造技术的发展 1 3 1 国外的研究状况 1 9 6 0 年，前苏联的g e t s e l e v 提出了电磁铸造的概念，并于1 9 6 6 年在实验 室条件下用电磁铸造法制得了第一个铸锭，1 9 6 9 年在工业上铸造了直径为 2 硕士学位论文 第一章绪论 2 0 0 5 0 0 m m 毫米的圆锭【5 】。后来，由于它也适合于铸造方锭，实际上用于铸造 3 0 0 xl 。2 5 0 - - - i ，5 5 0 m m 2 的铸锭并在东欧各国进行了普及。此后，美国k a i s e r 铝 公司 f l 、r e y n o l d 金属公司【7 】及瑞士铝公司【8 】等相继引进该技术并大力发展。 1 9 7 8 年，瑞士的a l u s u i s s e 公司安装了可同时生产4 块5 0 0 x1 3 0 0 m m 2 扁锭的实 用成套设备，同时美国k a i s e r 公司也实现了计算机在线控制的5 锭同时铸造工 艺 9 1 。r e v n o l d 公司用电磁铸造法生产用来轧制易拉罐体和盖的铸锭，并开发出 可一次同时铸造7 根1 6 7 6 x6 6 0 m m 扁锭的装置，大大提高了生产效率。至1 9 8 8 年，仅瑞士a l u s u i s s 公司使用电磁铸造技术已生产了数百万吨铝产品。 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【l o l 。 另一方面，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 l l 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。 g e t s e l e v 1 1 】发展了铝合金半连续铸造的e m c ( e l e c t r o m a g n e t i cc a s t i n g ) 工 艺，通过交变电磁场产生的l o r e n t z 力约束力金属熔体，维持一定的液柱高度， 替代了结晶器的支撑作用，从而实现了无模铸造。设备主要由感应线圈、屏蔽 体及冷却水套组成，为了获得支撑熔体所需的约束力，在熔体表面必须形成足 够的磁感应强度梯度，e m c 采用的电磁场频率通常为2 0 0 0h z 至3 0 0 0 h z 之间， 在传统半连续铸造过程中，存在因铸锭冷却收缩脱离结晶器壁，导致散热减弱， 在铸锭表面形成合金元素含量较高的偏析瘤。与传统的半连续铸造工艺相比， 由于彻底取消了一次冷却，不存在凝固壳与气隙的作用，因而消除了振痕、冷 隔、夹杂和气孔等因铸锭与结晶器接触而形成的各种铸造缺陷，减少了后续加 工中的剥皮铣面量，同时由于消除了表面偏析层、微观组织明显细化，在热加 工过程中不易出现表面与边部开裂，因而大幅度提高了成材率，获得可观的经 济效益。 。 与e m c 法不同，v i v 6 s 发展了一种新的铝合金电磁铸造工艺【1 3 , 1 4 1 ，即所谓 3 硕士学位论文 第一章绪论 的c r e m ( c a s t i n gr e f i n i n ge l e c t r o m a g n e t i c ) 工艺。铸造过程中在传统结晶器 外布置感应线圈，线圈中施加5 0h z 的工频交流电，交变电流在熔体内部产生 垂直方向的交变电磁场，金属熔体内部的感生电流与磁场交互作用，使熔体受 到l o r e n t z 力的作用，垂直磁场的特点是由于铸锭与结晶器几何形状在垂直方向 的不对称性，使磁力线相对于铸锭的中心线发生了显著的偏转，导致熔体内部 l o r e n t z 力的时间平均值同时存在垂直分量和水平分量。其中水平分量为金属静 压力梯度平衡的有势力，而垂直分量为有旋力场，起到了电磁搅拌的作用。采 用该技术进行的直径3 2 0m i l l2 2 1 4 铝合金圆锭半连续铸造实验显示，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 4 】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 1 5 】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 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 国内对电磁铸造技术的研究 我国的电磁铸造技术研究起步也比较旱，1 9 7 4 年，东北轻合金加工厂就开 始对电磁铸造铝合金进行研究。经过6 年的时间完成了电磁铸造铝合金圆锭的 工业性实验，所得铸锭的质量明显提高，可直接进行压力加工。由于缺乏基础 理论和配套设备的系统研究，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的作用【1 6 】。1 9 8 6 年，在中国 有色金属总公司的主持下，将铝合金方锭的电磁铸造技术列入国家攻关计划， 4 硕士学位论文 第一章绪论 组织西南铝加工厂、北方工业大学、东北轻合金加工厂和大连理工大学共同进 行开发研究，取得了一系列成果【1 7 】。8 0 年代末，西南铝合金厂引进了尚处于试 验阶段的原民主德国的电磁铸造技术，经过多年的试验和研究，实现了铝合金 电磁铸造的批量化生产【1 8 】。近年来，已经开始进行双锭电磁铸造的理论和实验 研科1 9 刎。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【2 ，优化设计出电磁感应器系统结构，确定了成形控制参数，铸造出 4 , 18 0 r a m 及13 0 x 5 2 0 m m 2 的多种优质铝合金铸锭【z 猢5 1 ；对电磁铸造过程温度场、 电磁场、应力场进行了实验测量和计算机模拟，总结出一套工业生产实用的关 键技术 2 6 - 2 翻；进行了电磁铸造一机双锭的中试实验，成功铸出了国内第一支一机 双锭的电磁铸造圆锭，为在工业上实现电磁铸造一机多锭打下基础【2 9 l 。 电磁铸造铝合金薄板可直接冷轧，既节省能源，又减少加工工序和设备投 资，成为人们目前关注的热点课题。由于铝薄板液柱宽而薄，液柱的稳定成型 是关键。同时，浇注时金属流量的微小变化容易造成液柱高度大幅度的波动， 从而导致薄板尺寸偏差和表面粗糙。张兴国等提出热顶一电磁铸造技术，设计 制作了热顶一电磁铸造成型系统，采用数值模拟的方法计算了温度场，优化了 铸造工艺参数，制造出尺寸为4 8 0 x 2 0 x 8 5 0 m m 的铝薄板样品 3 0 , 3 1 1 。 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，本发明的方法是采用本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 c ，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 月赵志浩等【3 2 】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 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【3 3 】采用普通d c 铸造和低频电磁半连续铸造工艺，制备 了4 1 0 0m i l l 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 s 硕士学位论文第一章绪论 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昝越枝 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，初生供舢中的 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 、步为 1 1 4 、硬度为h v 6 9 5 。 2 0 0 7 年5 月左玉波等【3 4 】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 0m m 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。 1 4 半连续铸造复合磁场控制系统研究现状 复合磁场控制系统首先应用于铝电磁场快速铸轧过程中。 采用交一交变频方式的复合磁场模拟控制系统于1 9 8 8 年底初步研制成功， 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。 1 9 9 1 年1 2 月，电磁连续铸轧复合磁场控制系统在西北铝加工厂圣6 5 0 m m x 1 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。上 述两次工业试验在技术上均取得突破性进展。 2 0 0 2 年6 月，在兰州铝厂西9 0 0 m m x l 8 0 0 m m 铸轧机上安装、调试了一套 改进后的电磁铸轧设备。该套设备的复合磁场控制系统由三套特种电源系统构 成，分别产生三相电源对电磁感应装置供电，它们主电路采用交直交变频技 术，整流部分采用三相全控整流桥，功率开关选用晶闸管瞰】。逆变部分功率开 关选用绝缘栅双极晶体管( i n s u l a t e d g a t eb i p o l a rt r a n s i s t o r - i g b t ) ，采用s p w m 的调制策略。 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【3 5 1 ，在t i , 8 0 0 m m x l l 2 0 r a m 铸轧机上初步调试，其金相效果优于添加a l - 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建立铝合金低频半连续铸造实验室，并研 制了整套电磁铸造装置，本文即根据该装置工艺要求设计与之配套的复合磁场 控制系统，对于铝合金低频半连续铸造工艺的进一步研究具有重要意义。 6 硕士学位论文第一章绪论 1 5 论文研究的主要内容及章节安排 研制一套完善的控制系统是产生满足铝合金低频半连续铸造工艺所需磁场 和实现电磁场半连续铸造的关键技术之一。 本论文的研究内容是设计一套符合工艺要求的复合磁场控制系统，主要包 括以下几个方面： ( 1 ) 控制系统总体方案的比较选择。 ( 2 ) 控制系统的主电路设计，包括变压器，交流器主电路及其保护电路。 ( 3 ) 控制系统的控制电路设计，包括p w m 脉冲产生，电流电压检测处 理电路，人机接口等。 ( 4 ) 控制系统系统智能控制算法的研究仿真及控制系统软件设计。 论文的章节安排如下： 第一章绪论。首先阐述了电磁场在半连续铸造过程中的应用，介绍了电磁 铸造技术的研究现状以及复合磁场控制系统的研究现状，最后介绍了本论文的 主要研究内容 第二章复合磁场形成原理与控制方案设计。主要阐述了铝合金低频半连续 铸造工艺、复合磁场形成原理及方案的总体设计和方案要点。 第三章复合磁场控制系统主电路设计。首先介绍电磁感应装置的结构，各 主回路参数计算，重点介绍系统主电路设计，并详细介绍了各部分工作原理。 第四章复合磁场控制系统硬件电路及软件设计。首先对系统做总体概述， 然后针对系统各功能模块，逐一分析说明了各个模块的设计思路，并给出了部 分软件流程图。， 第五章复合磁场控制系统智能控制器设计。介绍了基于自适应模糊p i d 控 制算法的复合磁场智能控制器，并在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。 7 硕士学位论文第二章复合磁场形成原理与控制方案设计 第二章复合磁场形成原理与控制方案设计 在铝合金半连续铸造过程中施加复合磁场，从而改善熔体凝固过程中的流 动、传热和传质条件，最终实现改善铸坯质量。在了解半连续铸造工艺的同时， 熟悉铸造过程中铝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 铝合金低频半连续铸造工艺 电磁场作用下铝合金半连续铸造工艺过程如图2 1 所示，在结晶器外设置 电磁感应线圈，施加交变电磁场，通过电磁场与熔体内部的感生电流交互作用 使熔体受到l o r e n t z 力的作用【3 们。铝合金熔体内任一点处l o r e n t 力为 7 厂= 去p v 归一去2 ( 2 1 ) 弘王讳 其中v 表散度，b 表示磁感应强度，弘为熔体的相对磁导率。 式( 2 1 ) 表明l o r e n t z 力由两部分组成，其中第二部分是由熔体静压力梯度平 衡的有势力，对金属熔体产生约束作用，使熔体表面形成弯液面而与结晶器接 触线高度减小，同时在熔体与结晶器接触的部分，由电磁压力替代了部分的结 晶器支撑力，实现了所谓的软接触，接触线高度与接触压力的减小减弱了一次 冷却强度，使初生凝固壳形成位置下降，有效地改善了铸锭的表面质量【3 7 捌 图2 - 1 电磁铸造工艺原理图 8 硕士学位论文 第二章复合磁场形成原理与控制方案设计 式( 2 1 ) 的第一部分是由于磁感应强度矢量向铸锭的对称轴倾斜而形成的有旋力 场，在熔体中产生强迫对流，使整个熔体内部的温度梯度减小、液穴变浅、两 相区变宽，通过枝晶重熔效应将初生凝固壳处熔断的枝晶臂带入熔体内部，促 进了异质形核，从而有效地细化了晶粒。 目前在铝合金半连续铸造过程中普遍采用短结晶器设计，即在结晶器上部 设置保温帽，起到热顶的作用，在结晶器内衬石墨环，初生凝固壳位置局限在 石墨环上，达到减小一次冷却强度、减小摩擦提高表面质量的作用。因此施加 交变电磁场的主要作用是通过电磁力驱动的强迫对流将液穴内部的过热熔体带 向边缘区域，起到减小温度梯度与液穴深度的作用。 磁感应强度在金属熔体中随渗透深度的增加而衰减的情况由集肤深度6 来 表征，即 6 = 跞 ( 2 - 2 ) 其中仃和肛分别为熔体的电导率和相对磁导率，f 为电磁场频率。当频率 较高时，电磁场的集肤深度很小，主要集中于熔体的表面附近。f l j ( 2 1 ) 式可知， 由于熔体表面磁感应强度梯度很大，电磁力主要表现为作用于熔体表面的约束 力，在相同电磁场强度条件下，此时熔体与结晶器接触线高度最小，但同时搅 拌作用也相对较弱。随着电磁场频率的下降，磁力线逐渐渗入熔体内部，电磁 力的回旋部分逐渐增加，强迫对流得到加强。当电磁场频率进一步降低而达到 2 0h z 以下时，熔体内部的磁感应强度矢量渐趋均匀，强迫对流作用相应减弱。 由此可见，适当的电磁场频率能够获得理想的流动场和温度场，从而更有效地 减小熔体内部的温度梯度和液穴深度，最大限度地消除宏观偏析与热裂纹等铸 造缺陷。 电磁力驱动的强迫对流是以铸锭中心线为对称轴的轴对称有旋流动，流体 有旋流动的速度场采用速度的旋度( 1 ，来描述 c o = v x ( 2 3 ) 厶，为涡量，不可压缩牛顿型流体满足涡动力学方程【3 9 1 百o c o + a v c o = c o v a + 专即跏+ 万1v 厂+ 诃2 国 ( 2 4 ) 对于柱坐标系中的轴对称有旋流动，速度场为 “= “，( ，s ，t ) e r + ”：( ，s ，f ：k ( 2 5 ) 轴对称流场中的涡量场只有一个分量 9 硕士学位论文第二章复合磁场形成原理与控制方案设计 国= ( _ 0 0 e 0 - - - - - 陪一等) 协6 ) 忽略熔体中非正压密度变化对涡量的影响，涡动力学方程的柱坐标形式为 詈锄+材：警=孚+吉(誓一刳+v2彩一笋)，c2+urw - 们 百蜘：i2 亍+ 石【蓄一苫j + 弋矿俨7 j7 协 熔体涡流中心与z 轴的距离 f p 以，z 协 铲赢 q ) z 其中为铸锭的子午面，与r 轴的距离为 f f z 曲，s 培 铲俪 q 。9 f 在有旋体积力场f 一定的条件下，熔体内部的流场为定常流，满足 坐：一d o ) = 0 ( 2 1 0 ) 一= 一= z l ， d td t 此时有 一d r o , ：堕 ( 2 1 1 ) d td t 即定常流场中涡量的分布情况不随时间变化。当有旋力场f 增强时，熔体 内部的强迫对流加强，涡量也相应增大，即 j = f f ，s 烤 ( 2 1 2 ) r 随着f 的增大而增大。 由上述分析可知，熔体内部的流动场由有旋力场f 决定。对于半连续铸造 过程而言，熔体涡流中心与z 轴的距离具有特别重要的意义，当涡流中心与z 轴的距离较小时，表明熔体的有旋流动深入到熔体的内部，此时熔体的流动能 够更有效地将中心部分的高温熔体带向边缘区域，减小液穴内部的温度梯度。 当熔体的涡流中心与z 轴的距离很大时，即涡流中心的位置靠近熔体的边缘区 域，此时虽然在边缘及熔体的自由表面区域存在较强的局部流动场，但液穴内 部熔体的流动速度很小，不能及时将分配器浇注的高温熔体带向表面，因而对 流作用对温度场的影响有限。只有通过调整电磁感应线圈与结晶器的相对位置、 电磁场的强度与频率，使有旋力场f 产生的涡流中心位置靠近z 轴，从而更有 效地降低熔体中心区域的温度，获得较小的液穴深度。 1 0 硕士学位论文 第二章复合磁场形成原理与控制方案设计 2 2 复合磁场控制系统的控制要求 为了使在凝固过程中生长的枝晶及柱状晶受到机械剪切和振荡而碎断、剥 落，并迅速地使碎块均匀扩散到熔体中形成新晶核，所设定的电磁场是以低频行 波磁场为主的复合磁场。该磁场的移动方向与铸造方向平行，并同时叠加了频率 较高的脉振磁场。经过多次改进目前已能达到多次频率叠加、磁场运动方向按工 艺要求换向。电磁低频半连续铸造设备在铸造生产中应稳定可靠，便于操作，装 卸方便，保证连续稳定生产。电磁感应器必须与半连续铸造设备配合良好，并在 尽可能小的电流强度下产生尽可能大的磁感应强度，充分搅拌铝熔体，保证铝带 坯晶粒组织的细化效果。 由电磁铸造工艺要求可知其所需磁场形态特征为主要含脉振磁场的复合交 变磁场，凝固区中沿铸坯轴线的水平和垂直两个方向上都产生磁势，因为这个 磁场是由电流激发而产生的，所以，电流的频率和三相电流的幅值都要求可以 单独连续地进行调节和设定。 ( 1 ) 磁场的频率调节在0 5 - - - 8 h z 范围内任意进行调节和设定； ( 2 ) 换向频率调节在0 5 - - 5 h z 范围内任意进行调节和设定； ( 3 ) 三相电流的幅值在最大值( 6 0 0a ) 的范围内进行连续任意调节和设 定； ( 4 ) 铝熔体中通入直流电流为0 1 - 0 2 a c m 2 ； ( 5 ) 结晶器内熔体温度控制在6 9 0 - - - - 7 2 0 c ，冷却水的流量控制在8 m 3 h ， 当拉坯的速度最大值为2 0 0m m m i n ，铸坯尺寸为4 0 0 xl l o o m mz ；结晶器尺 寸为6 0 0 x1 6 5 0m m2 时，凝固区中的静态磁场强度要达到：1 5 0 - 3 0 0 高斯 ( 2 n z ) 。 2 3 复合磁场形成原理 从旋转电机中旋转磁场的形成原理中引出直线电机的行波磁场形成原理， 再通过分析直线电机的边端效应引起的脉振磁场，得到电磁感应器中复合磁场 的形成原理。 ( 1 ) 旋转磁场的形成 图2 2 表示一台简单的两极旋转电机，a x 、b y 、c z 为定子a 、b 、c 三 相绕组。当在定子中通入三相对称正弦电流后，将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：a = 2 n 3 ( 础电 硕士学位论文第二章复合磁场形成原理与控制方案设计 ， ! a 相绕组轴线 ! b 相绕组轴线 a ) b ) c 相绕组轴线 、 c ) a ) c a t = 0 ”耐= 亏2 石c ) c o t = 了4 石 图2 - 2 旋转电机的旋转磁场 流的角频率) 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a r - - - - 4 方3 时间后，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， 电流随时间变化时，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 4 0 , 4 1 1 。 电磁感应器由三相绕组构成，绕组磁势的大小和空间分布波形由绕组导体 中电流的大小及其空间分布状态决定，且与线圈间相互连接的方式无关，将各 相绕组的磁势空间矢量合成，就可得到绕组总的合成磁势。 1 2 硕士学位论文 第二章复合磁场形成原理与控制方案设计 设流过三相绕组的三相对称电流为 。 = a c o s m t = a c o s ( e a 一石) 厶= a c o s ( 耐一! 万) ( 2 1 3 ) 毛=一 万) ( 2 1 3 ) j 由于三相对称绕组空间相位相差要石，而且流入三相绕组中的电流在时间 上相差鲁万，所以a 、b 、c 各相绕组中所生的基波磁势为 只= a c o s 积c o s ( - # fx ) = 罢【c 。s ( 甜一詈x ) + c o s ( 耐- i - 詈x ) 】 f j = a c o s ( o x 一等) c 0 s ( 予石一等) = 詈【c o s ( 耐一詈石) + c 。s 陋+ 詈x 一等) 】 f c = a c o s ( c a 一等) c o s ( 詈x 一等) = 詈 c o s ( o i 一詈石) + c 。s + 詈工一等) 】 ( 2 1 4 ) 将三个脉动磁势分别分解为正向和逆向旋转磁势，相加后得到三相合成磁 势的基波 。 f ：兄+ 兄+ 疋= 等c o s ( 耐一手工) 由( 2 1 5 ) 可以看出，三相基波合成磁势是一个正旋转磁势， 单相脉动基波磁势的1 5 倍。 一 一 就电磁感应器而言，当给定为基波与三次、五次谐波叠加时， 磁势为： ( 2 - 1 5 ) 磁势幅值为 产生的合成 f = 等c 。s c 耐一+ 警c 。邮耐一+ 挚c 。义5 甜一c 2 舶) 以三相基波为例，当任意调换三相绕组中的两相时，若a 相不动，将b 、 c 两相调换，有 ，= 么c 。s 耐c 。s ( 手z ) = 了a 【c 。s ( 研一詈石) + c 。s ( 缸+ 詈x ) 】 n = 么c 。s ( 耐一等) c o s ( 詈j 一等) = 罢【c o s 似一詈x 一等) + c o s ( 耐+ 詈工一2 万) j，t3 三- 3飞 f 。c = 彳c 。s 似一等灿s 呼工一警，= 罢脚s 陋一詈工+ 等，+ c 。s c 甜+ 詈z + 2 硼 则 f 3 2 a c o s ( 耐+ 詈x ) 由( 2 1 8 ) 可知，合成磁势为一个逆转磁势。 ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) 硕士学位论文第二章复合磁场形成原理与控制方案设计 ( 2 ) 行波磁场的形成 图2 - 2 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 3 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正弦电流后，也 会产生气隙磁场。当不考虑由于铁心两端开断而引起的纵向边端效应时，这个 气隙磁场的分布情况与旋转电机相似，即可看成沿展开的直线方向呈正弦形分 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。这个 原理与旋转电机的相似，二者的差异是：这个磁场是平移的，而不是旋转的， 因此称为行波磁场。当a 、b 、c 任意两相调换时，实现直线电机的往复运动。 行波磁场次级 图2 - 3 直线电机的基本原理 ( 3 ) 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【4 2 】。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 分解为正序、负序和零序电流，对应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【4 3 】。 如图2 4 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 o 【= p 力时，相应的磁动势波在边界取得最大值a t l ，如图2 - 4 0 ) 所示。分路磁 通的气隙磁通密度沿x 轴方向的分布可以认为是不变的，如图2 - 4 ( c ) 所示。 因此，在有效区域内，合成磁场的磁通密度分布曲线骆计口妇比原来的b l 曲线 下移了一段距离。当时问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，如图2 4 ( b ) 所示。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到反向 最大，分路磁通嘞和磁通密度也将达到反向最大，而使合成磁通密度分布 曲线曰比原来的曲线玩上移一段距离如，如图2 - 4 ( 0 ) 所示。由于随着时间的 1 4 硕士学位论文 第二章复合磁场形成原理与控制方案设计 盈敞 a t i _ 桫 ba i 值 (a)(” 岛眵宅鼯x (c)(d) 图2 4 脉拓磁场的形成 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与此相对应，分路磁通和磁通密度随 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4 3 1 。