（控制理论与控制工程专业论文）铝电磁铸轧特种电源控制系统的设计与实现.pdf

摘要 铝电磁铸轧技术是一种高效、节能的铝带坯生产高新技术，它将 特殊的电磁场引入连续铸轧区，改变铝熔体的凝固结晶条件，从而达 到细化晶粒、提高铸轧带坯性能的目的。本项目属于国家8 6 3 重大项 目计划，其中铸轧特种电源控制系统的设计和实现是关键技术之一。 针对电磁感应装置内部的独特结构，铸轧特种电源主电路以交一 交变频主电路为基础，采用了一种改进的主电路结构形式，从根本上 解决了环流问题。在控制方案上，选择电流为被控变量，设计了铸轧 特殊电流波形控制方案，使输出电流跟踪给定函数的变化，获得良好 的控制效果。 论文阐述了控制系统的软、硬件实现方案。硬件设计中采用 “m c u + c p l d ”结构作为控制核心，外围电路的设计采用模块化的 设计思想，重点研究了晶闸管全数字双窄触发脉冲的形成与输出模 块、模拟量输入处理模块、人机接口模块和通信模块等。在软件设计 方面，重点研究了通信协议及通信软件、铸轧特殊电流波形发生器和 全数字触发技术的实时性等三项关键技术。通信协议的制定及通信软 件的设计是双总线结构网络控制系统的重要部分；采用软件实现的铸 轧特殊电流波形发生器是实现控制方案的关键环节之一；基于m c u 功能强大的t i m e r b 模块和“分段+ 实时修正”的全数字触发技术，使 得全数字触发的实时性与控制精度大大提高。 针对电磁感应装置难以建立精确数学模型的特点，系统采用模糊 自适应p i d 控制算法，通过离线计算建立模糊控制查询表、在线修正 p i d 调节器参数的方式，实现铸轧特殊电流波形的控制。仿真结果表 明，采用模糊自适应p i d 控制算法可以有效地改善控制系统的动态性 能，得到比常规p i d 控制更满意的控制效果。 实验结果表明，本铝电磁铸轧特种电源控制系统的研究和设计达 到了预期效果，负载电流波形比较理想，系统的成功研制有助于铝电 磁铸轧技术的推广应用和提高铝材质量的进一步研究。 关键词铝电磁铸轧；波形发生器；全数字触发；模糊自适应p i d a b s t r a c t a 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 i sah i g ha n dn e w t e c h n o l o g yw i t hh i g he f f i c i e n c ya n dl e s se n e r g y - c o n s u m i n g a l u m i n u m c r y s t a li sr e f i n e da n dc a s t i n g - r o l l i n gs t r i p sp e r f o r m a n c ei si m p r o v e db y i n t r o d u c i n gs p e c i a le l e c t r o m a g n e t i cf i e l di n t oc o n t i n u o u sc a s t i n g - r o l l i n g z o n et oc h a n g es o l i d i f i c a t i o na n dc r y s t a l l i z a t i o nc o n d i t i o nf o rm o l t e n a l u m i n u m 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 gb e l o n g st o8 6 3 p r o j e c ta n dc a s t i n g - r o l l i n gs p e c i a lp o w e rs u p p l yc o n t r o ls y s t e mi so n eo f k e yt e c h n o l o g y b e c a u s eo fp a r t i c u l a rs t r u c t u r eo fe l e c t r o m a g n e t i ci n d u c t i o ns e t ，a n i m p r o v e dm a i nc i r c u i tw h i c hb a s e do nc y c l o e o n v e r t e ri sa d o p t e da n d c i r c u l a t i o np r o b l e mi ss o l v e dr a d i c a l l y c u r r e n ti ss e l e c t e da sc o n t r o l l e d p a r a m e t e ra n dc a s t i n g r o l l i n gs p e c i a lc u r r e n tw a v ec o n t r o ls c h e m ei s d e s i g n e d c u r r e n t i sf o r c e dt ot r a c er e f e r e n c ea n d g o o d c 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 t h es o f t w a r ea n dh a r d w a r es c h e m e so fc o n t r o l s y s t e m a r e r e s e a r c h e di nt h e p a p e r “m c u + c p l d ”a r c h i t e c t u r ei s c o n t r o lc o r e m o d u l a r i z a t i o nd e s i g np h i l o s o p h yi s a d o p t e d i n d e s i g no fp e r i p h e r y c i r c u i ta n ds o m em o d u l e sa r e e m p h a s i z e di nt h ep a p e r , s u c ha sg e n e r a t i o n a n do u t p u tm o d u l eo ff i r r i n gp u l s e s ，i n p u tp r o c e s sm o d u l eo fa n a l o g s i g n a l s ，c o m m u n i c a t i o nm o d u l ea n dh u m a n m a c h i n ei n t e r f a c em o d u l e ， e t c c o m m u n i c a t i o n p r o t o c o l a n dc o m m u n i c a t i o n s o f t w a r e ， c a s t i n g - r o l l i n gs p e c i a lc u r r e n tw a v e f o r mg e n e r a t o ra n dr e a lt i m ep r o p e r t y o ff u l ln u m e r i ct r i g g e rt e c h n o l o g ya r et h r e ek e yt e c h n o l o g i e si ns o f t w a r e d e s i g n e s t a b l i s h m e n t o fc o m m u n i c a t i o n p r o t o c o l a n d d e s i g n o f c o m m u n i c a t i o ns o f t w a r ea r e i m p o r t a n tp a r t s o fd o u b l e - b u sn e t w o r k c o n t r o ls y s t e m c a s t i n g r o l l i n gs p e c i a lc u r r e n tw a v e f o r mg e n e r a t o rw h i c h i sr e a l i z e db ys o f t w a r ei so n eo fk e yt oi m p l e m e n to fc o n t r o ls c h e m e u s i n gs t r o n gt i m e r bm o d u l eo fm c ua n d “m u l t i s t a g ea n dr e a lt i m e m o d i f c a t i o n ”t e c h n o l o g y , r e a lt i m ep r o p e r t ya n dc o n t r o lp r e c i s i o no f n u m e r i ct r i g g e ra r ei m p r o v e dg r e a t l y b e c a u s eo fd i f f i c u l t i e si n m o d e l i n ge l e c t r o m a g n e t i ci n d u c t i o ns e t p r e c i s e l y , f u z z ys e l f - a d a p t i v ep i dc o n t r o la r i t h m e t i ci sa d o p t e d t h r o u g h l i b u i l d i n gf u z z y c o n t r o lt a b l e so f f i i n ea n d m o d i f y i n gp i dp a r a m e t e r s o n l i n e ，c a s t i n g r o l l i n gs p e c i a lc u r r e n tw a v ei s c o n t r o l l e d s i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a t f u z z ys e l f - a d a p t i v e p i dc o n t r o la r i t h m e t i cc a n e f f e c t i v e l yi 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 t b e t t e rc o n t r 0 1e f f e c tt h a nr o u t i n ep i d e x p e r i m e n tr e s u l t s s h o wt h a tr e s e a r c ha n dd e s i g no fa 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 gs p e c i a lp o w e rs u p p l yc o n t r o ls y s t e m a c h i e v e se x p e c t e dp u r p o s ea n do b t a i n si d e a ll o a dc u r r e n tw a v e f o r m t h e s u c c e s si sb e n e f i c i a lt o d e v e l o p m e n to fa 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 gt e c h n o l o g ya n dm o r er e s e a r c ho fi m p r o v i n ga l u m i n u m p r o d u c t s 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 ；w a v e f o r m g e n e r a t o r ；f u l ln u m e r i ct r i g g e r ；f u z z ys e l f - a d a p t i v ep i d 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，论文中不包含其它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：盔：趑日期：丛年三月旦日 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：毒株翩趁魄丛年上月西 硕j 二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”。 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 板带有限公司开发铝电磁场铸轧系统，冶金机械研究所负责电磁感应装置的设 计、制造和安装等，我方负责铸轧电源控制系统的设计、制造和调试等。 1 2 铝铸轧工艺的国内外发展和研究现状 12 1 常规连续铸轧 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。这种工 艺方法是英国人贝西默( b e s s e m e r ) 于1 8 4 6 年提出来的设想，经过1 0 0 多年的 探索，直到1 9 5 1 年刁。由美国亨特一道格拉斯( h u n t e r - d o u g l a s ) 公司将其变为现 实，试制成功了双辊式连续铸轧机。随后，法国彼西涅( p e c h i n e y ) 公司研制的 3 c 水平式双辊铸轧机也获得成功。到了6 0 年代，法国、前苏联等国家也都生产 出这种连续铸轧机咿】。 我国铝带坯连续铸轧技术研究开发工作始于2 0 世纪6 0 年代，1 9 6 4 年初进 行了双辊下注式铝带坯连续铸轧模拟实验，并于同年铸轧出厚8 m m ，宽2 5 0 m m 和4 0 0 m m 的铝板，1 9 6 5 年铸轧出宽7 0 0 r a m 的铝带坯，1 9 7 1 年由东北轻合金加 工厂研制成我国第一台8 0 0 m m 水平式下注式双辊铸轧机，1 9 7 5 年，用铝带坯生 产的冷轧板基本上满足了一般深冲制品和箔材毛料的性能要求。1 9 7 9 年由华北 铝加工厂研制成6 5 0 m m 1 3 0 0 m m 我国第一台亨特式倾斜铸轧机，并于1 9 8 1 年和1 9 8 3 年相继研制成中6 5 0 m m 1 6 0 0 m m 和中9 8 0 m m 1 6 0 0 m m 连续铸轧机， 并通过部级鉴定，标志着我国铸轧技术进入成熟阶段。1 9 8 4 年中日涿神有色金 属加工专用设备有限公司( 简称涿神公司) 成立，并于1 9 9 3 年涿神公司为其母 硕士学位论文第一章绪论 公司华北铝业有限公司试制成功我国第一台3 c 巾9 6 0 m m x1 5 5 0 m m 超型铸轧 机。至此，国产铸轧机发展成为具有标准型和超型这两种机型，而且铸轧机逐步 实现标准化、系列化。 连续铸轧工艺与传统的热轧工艺相比，具有投资少，生产周期短，节能显著 等优点；但是未经细化处理的铸轧带坯晶粒粗大，柱状晶发达，深拉性能差，严 重影响铸轧板的质量。目前国际上普遍采用添加铝钛硼( a i t i b ) 细化剂来获 得细晶粒组织，但它的加入增加了生产成本，同时给某些高纯铝产品带来合金化 污染，且对铸轧板深拉性能的改善尚不尽人意。为了降低生产成本，进一步提高 产品质量，扩大用铸轧法生产的合金品种范围，需要开发新的技术口 。快速连续 铸轧和电磁铸轧就是新技术的开发。 1 2 2 快速连续铸轧 双辊快速连续铸轧是在传统的双辊连续铸轧的基础上，将铸轧速度提高1 0 倍以上，使得金属的凝固速度提高1 0 1 0 0 倍，并进行6 0 8 0 的大塑性变形， 从而将生产率提高2 3 倍，使铝合金获得更加优良的组织和性能【4 】。 从9 0 年代以来，国际上开展了对快速超薄铸轧技术的研究，主要有意大利 的法塔一亨特( f a t a h u n t e r ) 公司、法国的彼西涅( p e c h i n e y ) 公司、英国的戴维 ( d a v y ) 公司以及挪威的海德洛( h y d r o ) 公司，他们共同的做法是先在研究开 发中心与大学合作进行小型试验，在取得一定成果和经验后，进行中型和大型工 业试验。英国戴维( d a v y ) 公司和牛津( o x f o r d ) 大学合作，于1 9 9 1 年推出了 第一台快速超薄铝带坯铸轧试验机。1 9 9 6 年以来，意大利f a t a h u n t e r 公司、英 国d a v y 公司以及法国p e c h i n e y 公司都相继研制出超薄铸轧工业样机，能铸轧出 l m m 厚的铝带坯，铸轧速度达1 5 m m i n ，应该说，这是铸轧技术发展中的又一 次飞跃。但是由于各国( 美国、英国、法国、意大利、挪威) 对快速超薄技术的 研究均处于工业试验阶段，试验条件( 如装备参数、功能、工艺环境条件等) 各 不相同，所得结果也有差别，甚至相反，如f a t a h u n t e r 的试验与h y d r o l a u e n e r 公司的试验，对快速超薄铸轧的组织与性能的认识与结果几乎完全相反；在快速 超薄铸轧的铸轧机型选择上也存在不同的主张，如f a t a h u n t e r 采用双辊铸轧机 型，英国d a v y 公司则采用四辊铸轧机型，同时各试验铸轧机的工艺环境条件、 设备参数及其范围的确定也不一致( 力学参数、辊径、有无外部冷却、铸轧区长 硕士学位论文 第一章绪论 度、大小、铸嘴开1 3 度大小等) ，在主要技术规律上尚未形成共识1 5 , 6 1 。 我国也在积极开发薄带坯高速铸轧技术，国家已将此项技术列为优先发展与 重点扶植的高新技术。涿神公司与中南大学等经过2 年的研究、设计与制造，首 台原型机于2 0 0 1 年5 月在华北铝业有限公司投入试运转，2 0 0 2 年元旦已获得 3 m m 厚的带坯。这标志着我国已经初步掌握了快速铸轧生产技术，并具备了生 产成套设备的能力。 快速超薄连续铸轧是当代冶金工业的前沿技术之一，其优点首先体现在生产 率的大幅度提高：双辊车l j 0 t 的传统加工厚度为6 1 0 m m ，在此厚度范围，生产 率基本上停留在1 1 5 t h ；如果把铸轧厚度降低到5 m m 左右，铸轧机产量会略 微增加；当厚度降低到3 m m 以下时，生产率能提高到约3 t h 甚至以上。再者， 快速连续铸轧的薄带坯组织的枝晶间距和偏析程度显著减小，表面晶粒更加细 化。此外，在快速连续铸轧中，减小铸轧厚度能相应减少后续的冷轧设备、轧制 道次和装卸卷时间，减低基建投资、生产成本和能源消耗【5 】。 123 电磁铸轧 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金 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、箔材的质量瞵j 。 在我国，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。铝电磁场铸轧 技术是一项集机械、电气、铸和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。这两套设备于1 9 8 8 年底研制成功。 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，查明了铝及铝合金在电磁铸轧条件下的行为机理和基本电磁参数、基本磁场 硕士学位论文第一章绪论 形态，为工业试验提供理论依据。从1 9 9 0 年开始，西北铝加工厂与我校共同筹 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 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1 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； 但是这两次工业试验也出现了一些问题，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 x1 6 0 0 m m 铸轧机上进行了第三次工 业试验，该次试验在获得良好晶粒细化效果的同时，表面氧化膜折叠缺陷明显减 轻。 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 月间继续进行了 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 o 0 5 m m 各种规格的成品板带和0 0 0 7 m 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 m m x1 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，通过试生产，结果表明大大 提高了铸轧带坯的质量【8 , 9 1 。 1 3 课题研究的内容 铸轧特种电源控制系统是铝电磁铸轧的关键技术，本课题围绕这一关键技术 进行了研究和设计，主要包括以下几个方面： ( 1 ) 系统总体方案的设计； ( 2 ) 控制系统的硬件电路设计； ( 3 ) 智能控制算法的研究及仿真运行； ( 4 ) 关键软件技术的研究和实现； 硕：i ：学位论文第一章绪论 1 4 课题研究的意义 本课题研究的意义主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 铸轧特种电源控制系统是铝电磁铸轧的关键技术，本课题研究有助 于推进铝电磁铸轧技术的研究和发展，促进铝带坯质量的提高； ( 2 )电磁感应装置具有独特的内部结构特点，本课题研究以电磁感应装 置中的多个线圈为被控对象，实现了铸轧特殊电流波控制方案在铝 电磁场铸轧技术领域的应用； ( 3 ) 本课题控制系统的软硬件研究对于嵌入式实时控制系统在电气工程 中的应用具有借鉴意义。 1 5 论文章节安排 论文分为七章。第二章简单分析了铝电磁场铸轧工艺的工作机理，介绍了电 磁感应装置的基本结构和不同电磁参数对晶粒细化效果的影响。第三章进行了系 统方案设计，设计了三层网络结构的铝电磁场快速连续铸轧生产系统，然后针对 本课题的研究范畴铸轧特种电源控制系统设计了双总线结构的网络控制系 统，接着进行了主电路的设计和控制方案的设计，并指出了本课题研究的关键技 术。第四章对以“m c u + c p l d ”为控制核心的系统硬件电路进行了设计研究。 第五章针对铸轧特种电源被控对象模型难于建立、工作状况复杂多变的特点，设 计了一个铸轧特种电源模糊自适应p i d 控制器。第六章重点研究了课题的几个 关键软件技术。第七章对控制系统进行了调试运行，运行结果表明铸轧特殊电流 波形比较理想。 硕：i ：学位论文 第二章电磁铸轧工艺与机理分析 第二章电磁铸轧工艺与机理分析 电磁铸轧的基本思路是向铸轧区输入一个起伏变化的能场，瞬变的能场梯度 驱动铝合金微观无序流变，改变常规铸轧铝熔体在定向热势下形成的粗大柱状 晶，产生新的优良组织结构【1 0 。电磁铸轧的磁场发生系统由电磁感应器及其供 电系统两大部分组成。电磁场感应器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。将电磁场感应器安装在铸轧机操作侧的一定位 置，使得供液嘴置于电磁场感应器的上、下磁引导装置的气隙中，磁力线将穿过 铸轧区中的铝熔体形成闭合的磁路。在电磁场感应器的线圈中通入按一定规律变 化频率、幅值和相序的交流电流，就会在铸轧区产生交变的脉振磁场和交变的行 波磁场，同时在铝熔体中通入直流电流，这样就形成了铝电磁连续铸轧的电磁场 系统。 2 1 电磁感应装置的基本结构 铝电磁铸轧技术是一项集机、电、铸和加工工艺等多学科和新技术于一体的 探索性研究课题。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 1 所示的电磁铸轧系统。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 8 】。 6 硕士学位论文第二章电磁铸轧工艺与机理分析 图2 - i 电磁感应装置的基本结构示意图 卜上轧辊；2 - 上铁芯；3 - 压板；4 - 供料嘴；5 一铝熔体；6 - 隔磁板；7 一底板； 8 一冷却水箱；9 - 感应线圈；1 0 一滑动座；1 卜支撑箱；12 - 下铁芯；13 一下轧辊 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，j 能达到最好的效果。因铸轧区的形状为扁平， 因此在沿轧辊轴线方向上均匀排列多个磁路引导装置，如图2 2 所示。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。 图2 - 2 电磁感应装置外形图 2 2 电磁场在铸轧区的作用机理 在连续铸z f l 3 ：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 硕士学位论文第二章电磁铸轧工艺与机理分析 速度可达1 0 2 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 3 】。 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 1 一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 l t i b 晶粒细化剂价格昂贵等缺陷。 在结晶过程中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就是第二种方法，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，将金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【7 】1 1 2 1 引。 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 高温塑变晶粒，使加工组织致密细化。因此控制电磁感应器产生符合工艺要求的 组合电磁场是实现电磁场铸轧的关键。 q j i ：l ：学位论文第二章电磁铸轧工艺与机理分析 2 3 不同电磁参数对晶粒细化的影响 在铸轧区施加特殊的电磁场实现电磁连续铸轧能有效地细化晶粒，改善铸轧 带坯的力学性能，提高产品的质量。实验表明，不同的电磁参数对带坯的晶粒细 化效果具有明显的影响。 231 电磁场频率对晶粒细化效果的影响 带坯晶粒度随电磁场频率的变化而不同，电磁场频率过高或过低时，其晶粒 细化的作用均减弱，在1 0 2 0 h z 范围内可获得非常显著的细化效果1 0 】。当交变 磁场的频率低于1 0 h z 时，晶粒的细化效果明显减弱，在更低的频率5 h z 以下，电 磁场对晶粒的大小和形态几乎无影响【3 】。在过低的交变电磁场频率下，金属的结 晶仍以静态下的形核为主，对柱状晶或树枝状品的成长不能有效地抑制。随着频 率的升高，凝固前沿碎晶增加，同时熔体在电磁感应力的作用下由低速层流转为 高速紊流状态，从固体上脱落下来的碎块迅速扩散到前沿的熔体中去，使亚稳熔 体中夹带着大量的晶核，这些晶核随液流翻滚而不断改变位向。这一过程将是： 结晶一破碎一搅拌一结晶的动态形核结晶过程，导致早期的柱状晶向等轴晶转 化。交变电磁场的频率在1 0 h z 以上，2 0 h z 以下时可获得非常显著的晶粒细化效 果。但是在更高的频率下，电磁场对带坯的晶粒细化效果明显减弱，这是由于铝 熔体具有机械性缓和时问特性和较高的粘度，存在滞后现象，当它受到一个向左 的电磁感应力作用正欲向左运动时，接着又受到一个向右的力的作用，实际上左 右运动都来不及，只有微动或不动，不能有效地使枝晶碎化，也就没有细化效果， 外加感应电磁场周期必须大于铝熔体的机械性缓和时间刁能起到搅拌作用。因 此，电磁铸轧的频率限制在2 0 h z 以下，而正常使用的频率限制在1 0 1 5 h z 范围 内【1 5 l ” 2 3 2 电磁场强度对晶粒细化效果的影响 实验证明，当铝熔体结晶前沿的磁场强度在2 0 0 g s 以下时，对晶粒细化的作 用很小；磁场强度增加时，晶粒细化作用增强；磁场强度达至1 4 8 0 g s 时，铸轧晶 粒可达l 级 1 5 】。 电磁场对带坯晶粒的细化程度随励磁电流的增大而提高，即就磁场强度而 硕士学位论文第二章【乜磁铸轧工艺与机理分析 言，磁场强度愈高愈容易获得细小等轴晶组织。这是因为磁场强度越高，熔体的 振荡和搅拌运动越强烈，其浓度场和温度场的改变越大，枝晶碎化的程度越高， 晶核增殖越多，核心在亚稳熔体中分布越弥散，因此晶粒组织愈细小、均匀。但 电流强度增加到一定程度后，晶粒细化程度逐渐趋于平缓【18 ”j 。值得注意的是， 过高的磁场强度易使凝固区中连结固相和液相的表面膜破裂，而在铸轧带坯表面 产生波纹状的氧化膜折迭或浅表面裂纹口l 。 2 3 3 磁场不同的振荡方式对结晶组织的影响 铸轧组织随电磁振荡的方式不同，效果也不尽相同。单一的脉振磁场，虽然 能使晶粒细化，但沿整个板面在横向上容易出现大小不均现象，有的在1 级以下， 有的可能达3 级、4 级，其原因主要是：铁芯沿轧辊轴线虽是等距离均匀分布，但 其磁力线沿轧辊轴线并不是均匀的在铁芯及附近区域磁场强度最强，搅拌最 充分，枝晶破碎最充分，自发形核几率最大，晶粒最细：而在两铁芯之间的区域 及板坯边缘，磁场强度弱，细化效果差，容易出现粗晶组织，结果使组织粗细不 均。施加脉振与行波相结合的复合磁场，亚稳熔体不仅受到脉振磁场所产生的铅 垂方向的振荡，还受到向左或向右的行波磁场力即轴向的振荡。轴向振荡弥补了 电磁场分布不均的缺陷，使得因振荡而碎化的枝晶块被迫向左向右扩散，同时， 在轴向上自发地均匀形核，从而使整个板坯横向结晶前沿晶核均匀分布，结果使 整个横断面上的组织细化、等轴化，消除了脉振产生的组织不均现象【1 5 】【2 0 】。 2 3 4 换相周期对晶粒细化效果的影响 由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 下同时受到上下脉振力和左右水平推力的作用。单方向水平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) 。而水平推力周期性 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。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。 理论分析和实验结果表明，要获得显著的晶粒细化效果，应缩短行波磁场力 硕士学位论文第二章 电磁铸轧工艺与机理分析 的作用距离l 。l 的减少有两种选择，一是减少换相周期数，二是提高电磁场频 率。实践和理论证实电磁场的最佳作用频率为1 3 h z 1 5 h z ，因此，换相周期数 越小越好，这样有利于晶粒的等轴细化。但由于铝熔体具有较高的粘度，存在滞 后现象，若铝熔体所受行波磁场水平推力方向改变太快( 也即换相周期时间太 短) ，当铝熔体受到一个向左的电磁感应力，正欲向左运动时，接着又受到向右 的电磁感应力的作用，实际上左右运动都来不及，只有微动或者不动，不能有效 地使枝晶碎化，所以电磁场行波磁场换相周期应大于熔体的机械性缓和时间【2 1 1 。 2 4 本章小结 本章简单分析了铝电磁场铸轧工艺的工作机理，介绍了电磁感应装置的基本 结构和不同电磁参数对晶粒细化效果的影响。 硕士学位论文 第三章铝电磁铸轧特种电源控制系统方案设计 第三章铝电磁铸轧特种电源控制系统方案设计 3 1 控制要求 电磁铸轧的机理是在连续铸轧区施加特殊的交变电磁场，用电磁力改变铸轧 区中的结晶与变形条件，使晶粒组织细化，取代铝一钛一硼晶粒细化剂，获得高质 量的铸轧带坯。这种具有特殊要求的电磁场，是通过在电磁感应器中通入特殊的 铸轧电流波而产生的。因此，研制一套能适应各种磁场要求的给电磁感应装置供 电的铸轧特种电源控制系统是实现电磁铸轧技术的关键环节之一。 对铸轧特种电源的电气参数要求为： ( 1 ) 相数：三相，也可两相运行； ( 2 ) 单相电流波形：基波为正弦波，能任意迭加高次谐波，谐波幅值可在 基波幅值的o 1 0 0 范围内连续可调，并形成工艺要求的特殊铸轧电流波； ( 3 ) 单相电流幅值：5 2 5 a ，独立可调； ( 4 ) 单相电流基波频率：5 2 0 h z ，独立可调； ( 5 ) 电磁搅拌换相周期：l 5 个周波内任选； ( 6 ) 相位差：三相运行时为1 2 0 。，两相运行时为9 0 。 3 2 系统总体技术方案设计 32 1 铝电磁场快速连续铸轧生产系统三层网络结构 当前，实现集成的、统一的企业网络已经成为企业综合自动化与信息化的目 标【2 2 1 。通过工业以太网和现场总线技术的相互融合，将工厂管理层、车间监控 层和现场设备层三者有机结合起来，成为目前自动控制领域的一个发展方向【2 3 1 。 铝电磁场快速连续铸轧生产系统是一个复杂大系统，它主要由铸轧特种电源 控制系统、熔炉温度控制系统和轧机传动控制系统三部分组成，存在大量的企业 管理与决策信息和现场实时信息需要协调处理，为适应铝生产过程管控一体化和 综合自动化的需要，设计时采用基于工业以太网和现场总线技术的网络化结构。 图3 - 1 所示为铝电磁快速连续铸轧生产系统的三层网络结构示意图2 ”，它通过工 1 2 硕士学位论文第三章铝f u 磁铸轧特种电源控制系统方案设计 业以太网和现场总线技术的相互融合，有效地解决了基础自动化控制网络与过程 和管理控制系统之间的无缝集成问题，并且还为实现e r p ( e n t e r p r i s er e s o u r c e p l a n n i n g ) 管理提供了良好的必要条件 2 5 , 2 6 1 。 工厂管理层 车间监控层 现场设备崖 生产管理调度管理参数优化项目管理 服务器：l ：作站：【：作站： 作站 工业以太网 i 工业以太网交换机| 工业以太网交换机 工业以太网 | 车间生产：l 铸轧特种电源 区暨 熔炉温度系统轧机传动系统 监控计算机监控计算机 i 塑塑丝型墅j i 垫! ! 堡型壁j 。“总线 l _ i 厂j l i “5 4 8 5 总线 。一 熔炉温度 轧机传动 特a 种i特种电源l 特种电源i “流电源 控制系统控制系统 控制系统l控制系统l 控制系统j 控制系统 ；统 图3 - i 铝电磁场快速连续铸轧生产系统的三层网络结构 ( 1 ) 工厂管理层 作为铝电磁场快速连续铸轧生产系统的顶层，工厂管理层主要完成铝带坯生 产计划和生产数据的统计与报表生成，以及铸轧特种电源控制系统、熔炉温度控 制系统和轧机传动控制系统三个子系统的调度管理与参数优化等，这是一个采用 基于t c p i p 协议的工业以太网( 1 0 1 0 0 me t h e r n e t ) 构成的数据网络，网络节点 为各计算机工作站和服务器。 工业以太网技术是普通以太网技术在工业控制领域延伸的产物，它一方面具 有较高的通信实时性，提高了环境适应性与可靠性设计，满足工业现场的需要， 另一方面又有助于控制系统网络与互联网和其他采用以太网技术的外网的融合， 无需经过通信协议转换即可直接连至互联网和其他外网，实现i n t r a n e t 与i n t e r n e t 的无缝连接。 硕士学位论文第三章铝电磁铸轧特种电源控制系统方案设计 ( 2 ) 车间监控层 车间监控层同样采用基于t c p ，i p 协议的工业以太网( 1 0 1 0 0 me t h e m e t ) 技 术构成一个数据网络，网络节点包括各控制子系统监控计算机、车间生产服务器 等。监控计算机自带i o i o o m 自适应工业以太网卡，通过通信电缆连接到车间 级的以太网交换机，与工厂管理层方便地进行以太网通信，实现数据资源的共享 和传输。 监控计算机采用高可靠性工业级计算机，以监控组态软件为支撑平台，实现 工艺参数设定、实时参数显示、数据存储、动态曲线与趋势图( 录波) 绘制、报 警、打印等功能。 ( 3 ) 现场设备层 现场设备层基于现场总线技术构成底层控制网络，具有通信能力的网络化智 能控制器、测量控制仪表和设备等是控制网络的网络节点。控制网络将现场运行 的各种信息传送到远离现场的控制室，在把生产现场设备的运行参数、状态以及 故障信息等送往控制室的同时，又将各种控制、维护、组态命令等送往位于现场 的测量控制现场设备中，起着现场级控制设备之间数据联系与沟通的作用。为适 应工业生产现场环境，满足实时控制要求，应该选择具有突出实时性、可靠性等 特点的现场总线协议。 基于工业以太网和现场总线技术的铝电磁场快速连续铸轧生产系统为铝生 产过程的综合自动化打下了坚实的基础，满足企业管控一体化的需求，促进铝电 磁铸轧技术的发展。 本课题针对铝电磁场快速连续铸轧生产系统的关键部分铸轧特种电源 控制系统进行研究。 32 2 双总线结构的铸轧特种电源网络控制系统 铸轧特种电源控制系统位于铝电磁场快速连续铸轧生产系统的底层现 场设备层，它由一套直流电源控制系统和一套三相特种电源控制系统组成，分别 给铝熔体和电磁感应装置供电，该控制系统采用c a n 总线和r s 一4 8 5 总线并存 的双总线结构，构成铸轧特种电源网络控制系统。 c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 是控制器局域网的简称，是德国b o s c h 公 司在1 9 8 6 年解决现代汽车中众多测量控制部件之间的数据交换问题而开发的一 1 4 顾：f ：学位论文 第三章铝电磁铸轧特种电源控制系统方案设计 种串行数据通信总线，已经被列入i s o 国际标准，称为i s o1 1 8 9 8 。c a n 采用非 破坏性总线仲裁技术，大大节省了总线冲突的仲裁时间，即使在网络负载很重的 情况下也不会出现网络瘫痪情况。通信速率可达1 m b p s