（机械电子工程专业论文）铝电磁快速铸轧系统磁场分析与特种电源控制系统仿真研究.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。铸轧特种电源控制系统是实 现电磁铸轧技术的关键，本项目属于国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 一“电磁场快速铸轧制备高性能铝板带材”。论文就铝电磁场 快速铸轧系统中的电磁感应器的复合磁场、控制系统方案设计、变频 控制系统的建模与仿真、控制系统及电磁感应器的磁场实验进行了详 细的研究： l 、分析了电磁场快速铸轧铸轧区的复合磁场，主要是电磁场快 速铸轧对控制系统及电磁场的特殊要求及复合磁场的形成原理，另外 对复合电磁场电磁力的力学特性进行了分析。 2 、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。 3 、针对电磁感应装置难以建立精确数学模型的特点，采用 m a t l a b 软件中的电力系统工具箱，提出一种面向变频系统的电气 原理结构图的模块图形化建模仿真新方法。对仿真结果进行的分析表 明，改进的交交变频系统可以满足电磁感应器对电流的特殊要求， 减少了电力系统中的谐波含量，也使得实际中的控制系统设计简单 化，有利于电磁感应器中磁势的叠加，产生比较大的电磁力。 4 、对整个控制系统的性能进行了实验研究，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；另外对电磁感应器产生的复合电磁场进行了磁感应 强度的测试，探讨了复合电磁场的分布规律。 本论文的研究工作，可以为电磁铸轧系统的研究和设计提供一种 新思路，缩短研发周期，有利于进一步探讨铸轧区磁感应强度的分布 规律。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，复合电磁场，交交变频，图形化建模与仿真 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 cr o l l c a s t i n g l sa h i g h a 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 r o l lc a s t 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 st h ek e y t e c h n o l o g yt or e a l i z ea l u m i n u me l e c t r o m a g n e t i cr o l lc a s t i n gt e c h n o l o g y a n dt h i sp r o g r a mb e l o n gt oh i t e c hr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tp r o g r a m o fc h i n a ( 8 6 3p r o g r a m ) 一h i g hp e r f o r m a n c ea l u m i n u ms h e e tb ya l u m i n u m e l e c t r o m a g n e t i cr a p i dr o l lc a s t i n g i nt h i sp a p e r , s o m ek e yt e c h n o l o g i e s a r er e s e a r c h e d ，s u c ha sc o m p l e xm a g n e t i cf i e l do fr o l lc a s t i n ga r e ao f e l e c t r o m a g n e t i cr a p i dr o l lc a s t i n g ，d e s i g no fc o n t r o ls y s t e m , m o d e l i n g a n ds i m u l a t i o no ff r e q u e n c yc o n v e r s i o nc o n t r o ls y s t e m ，e x p e r i m e n t so n c o n t r o ls y s t e ma n dm a g n e t i cf i e l do f i n d u c t o r ， f i r s t l y , t h i sp a p e ra n a l y z e st h ec o m p l e xm a g n e t i cf i e l do fr o l l c a s t i n ga r e ao fe l e c t r o m a g n e t i cr a p i dr o l lc a s t i n g ，m a i n l ya b o u ts p e c i a l d e m a n do fc o n t r o ls y s t e ma n dm a g n e t i cf i e l dt h a te l e c t r o m a g n e t i cr a p i d r o l lc a s t i n ga s k ，a n df o r m a t i o np r i n c i p l eo f c o m p l e xm a g n e t i cf i e l d s e c o n d l y , b e c a u s e o 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 c i n d u c t i o ns e t ，a ni 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 c o n v e r t e ri s a d o p t e da n dc i r c u l a t i o np r o b l e m i ss o l v e dr a d i c a l l y t h i r d l y , f o rt h ec h a r a c t e r i s t i co fd i f f i c u l t yi ne s t a b l i s h i n ga c c u r a t e m a t h e m a t i c sm o d e lt oi n d u c t o r , an o v e lm e t h o do fc o n s t r u c t i o n & s i m u l a t i o ni sp u tf o r w a r di nt h i sp a p e rf o ri n v e r t e rs y s t e mb a s e do n m a t l a bs i m u l i n k & p o w e rs y s t e mb l o c ks e t t h er e s u l to fs i m u l a t i o n s h o wt h i sn e wm i n do fm a i nc i r c u i tc a ns a t i s f yt h ed e m a n do fc u r r e n tf o r t h ei n d u c t o ro fe l e c t r o m a g n e t i cr o l l c a s t i n ga n di td e c r e a s e st h ec o n t e n t o fh a r m o n i c s ，a n di tm a k e st h ed e s i g no fc o n t r o ls y s t e me a s i e ri n p r a c t i c a la p p l i c a t i o n i ti sh e l p f u lt om i x t u r eo fm a g n e t i cm o t i v ef o r c e a n ds t r o n g e re l e c t r o m a g n e t i cf o r c ei sp r o d u c e d f o u r t h l y , e x p e r i m e n t sf o rt h ep e r f o r m a n c eo fw h o l ec o n t r o ls y s t e m a r ep e r f o r m e d e x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tr e s e a r c ha n dd e s i g no f a 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 p e c i a lp o w e rs u p p l yc o n t r o l s y s t e m a c h i e v e s e x p e c t e dp u r p o s e a n do b t a i n si d e a l1 0 a dc u r r e n t w a v e f o r m i na d d i t i o n , m a g n e t i cf l u xd e n s i t yo fc o m p l e xm a g n e t i cf i e l d i ni n d u c t o ri st e s t e da n dt h ed i s t r i b u t i o nr u l e so fc o m p l e xm a g n e t i cf i e l d a r ed i s c u s s e d t h er e s e a r c hi nt h i sp a p e l i sp r o v i d e dan e wm e t h o dt ot h er e s e a r c h a n dd e s i g nf o ra l u m i n u me l e c t r o m a g n e t i cr o l lc a s t i n gs y s t e ma n dt h e p e r i o do fd e v e l o p i n gm o t o r c y c l e ss h o u l db er e d u c e d i ti sa l s oh e l p f u lf o r d i s c u s s i n gt h ed i s t r i b u t i o nm l e so fm a g n e t i cf l u xd e n s i t yi nr o l lc a s t i n g a r e a t h es b c c e s s i sb e n e f i c i a lt o d e v e l o p m e n t o 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 gt e c h n o l o g ya n da d v a n c e dr e s e a r c h o f i m p r o v i n ga l u m i n u mp 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 cr o l lc a s t i n g ，c o m p o s i t e e l e c t r o m a g n e t i cf i e l d ，c y c l o c o n v e r t e r , g r a p h i c a lm o d e l i n ga n d s i m u l a t i o n 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：兰盈日期：盟年j 月兰日 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。 作者虢尘互新签名掣连魄旦年野 中南大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 在有色金属材料中，铝在世界上的生产量和消费量均位居第一”，被认为是 可持续发展的金属材料。随着科学技术的不断进步，铝板带成形新技术及新工艺 得到了飞速的发展。就铝板带铸轧新技术而言，由于其所具有的节能、投资省及 短流程等独特的优越性，得到了世界各国的广泛关注与研究，美国、英国、德国、 法国、意大利、俄罗斯、日本及中国等已经将该技术推向了一个崭新的阶段。 1 1铸轧技术的发展与研究现状 1 1 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 年才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nw 。 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 ，宽2 5 0 哪和 4 0 0 m m 的铝板，1 9 6 5 年铸轧出宽7 0 0 珊的铝带坯，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 r a 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0 6 5 0 i i 皿1 3 0 0 r a 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 r e x1 6 0 0 m l 和巾9 8 0 r r 胁x1 6 0 0 m m 连续铸轧杌，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 年涿神公司为其母公司华北铝业 有限公司试制成功我国第一台3 c 9 6 0 r a 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 化嘲。 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 中南大学硕士学位论文第一章绪论 重影响铸轧板的质量。目前国际上普遍采用添加铝一钛一硼( 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，需要开发新的技术啪。快速连 续铸轧和电磁铸轧就是新技术的开发。 1 1 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l o 倍以上，使得金属的凝固速度提高l o l o o 倍，并进行6 0 8 0 的大塑性交形， 从而将生产率提高2 3 倍，使锅合金获得更加优良的组织和性能旧。 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 度、大小、铸嘴开口度大小等) ，在主要技术规律上尚未形成共识峨”。 我国也在积极开发薄带坯高速铸轧技术，国家己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：双辊轧机的传统加工厚度为6 l o m m ，在此厚度范围，生产率 基本上停留在l 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 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 增加；当厚度降低到3 n b n 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”。 1 1 3 电磁场铸轧技术的发展与研究现状 铝及铝合金连续铸轧工艺所形成的定向热势容易使铸轧出来的带坯形成晶 粒粗大的柱状晶组织，因而严重影响铸轧带坯质量，因此传统的铝及铝合金连续 铸轧技术依赖于向铝熔体中添加晶粒细化剂a l - t i b 来细化晶粒，从而改善铸轧 铝带坯的质量。而添加晶粒细化剂就不可避免地会产生合金化污染，这对要求高 纯铝箔材的航空航天、交通、电子、信息产品等行业来说是一个必须解决的问题。 而在1 9 8 5 年时，人们已经认识：电磁场技术应用于金属连铸和铸造过程可 以使铸坯组织得到改善，因而对电磁场影响金属凝固结晶的机理进行了大量的研 究“、”。为了使铸轧铝带坯晶粒细化，而又不产生合金化污染，并进一步扩大可 通过铸轧方式生产的合金品种以及提高铸轧板的深拉性能，提出了电磁场铸轧的 新构想。在狭小、封闭的铸轧区内要打破熔体定向凝固、结晶的模式，从外部对 封闭的铸轧区内输入能量，当然最简单的方法就是采用非接触形式的电磁场。 铝带坯电磁场铸轧装备与技术研究立足于发扬常规铸轧节能、投资少的突出 优势，从材料组织形成的能量规律，寻找常规铸轧技术缺陷的本质原因，通过仓q 造新的载能装备，向铸轧过程注入新的能量，改变铸轧区的能场结构，使铸轧过 程出现新的材料微流变机制，以获得优良的组织结构和性能，为高性能铝板带材 提供性价比高的铝带坯。 电磁铸轧技术是中南大学机电工程学院研究开发的原创性技术，到目前为 止，国际上也仅有中南大学机电工程学院将其技术成功运用于工业铸轧生产。 1 9 8 6 年，中南大学机电工程学院冶金机械研究所开始了铝电磁场铸轧的研究和 开发工作，并承担了由中国有色金属总公司立项的“电磁铸轧技术开发与应用” 项目。在国际上和国内没有先例可参考的情况下，出色地完成了基础研究、工程 设计和首套设备制造三项难度和工作量都相当大的研发工作，并于1 9 9 6 年在西 北铝加工厂工业试验成功，1 9 9 7 年开始工业生产应用，铸轧工艺及铸轧带坯质 量基本稳定，生产的铝带坯成功地轧出了0 5 m m 2 m m 各种规格的成品板带和 0 0 0 7 m m 的合格铝箔，其金相组织和力学性能均优于添加常规晶粒细化剂的铝箔 产品，且避免了晶粒细化剂产生的合金污染，成品率平均提高8 8 个百分点，达 到用户的使用要求“，1 9 9 9 年被国家计委列为高新技术产业化示范工程。 从提出电磁场铸轧的新构想，到工业试验成功，中南大学机电工程学院冶金 3 中南丈学硕士学位论文第一章绪论 机械研究所的科研人员进行了大量的理论及试验研究。主要有： 建立了铸轧区磁场力作用下的流场与温度场的数学模型，并利用涡量一 流函数法分别求解了在自然对流和不同电磁参数条件下的流场及温度场，从而定 量地确定了电磁参数( 频率和磁感应强度) 的最佳范围，为探讨电磁铸轧晶粒细 化的机制及电磁场铸轧系统的优化设计提供了依据“”“。 建立了磁场分析模型，分析了不同线圈接线方式时的磁场分布，结合实 验确定了合适的线圈连接方式“”。 利用金属流动熔体机械缓和性能模型和振动理论，分析了试验过程中发 生的氧化膜折叠的形成原因，并且找到了解决的方法“”“。 研制了铝电磁场铸轧中电磁感应器的电源，对控制系统的原理、硬件结 构及相关控制软件进行了成功的研究。2 5 jo 在上述研究的基础上，2 0 0 2 年，中南大学与兰州铝业公司合作，完成了 f 1 9 0 0 x1 8 0 0 m m 铸轧机电解铝液电磁铸轧设备的设计、制造、调试及工业化生产； 2 0 0 5 年承担了中铝瑞闽铝板带有限公司的电磁铸轧设备的开发项目。“用于铝 带坯铸轧的电磁感应器”于1 9 9 7 年获国家实用新型专利；2 0 0 2 年，“铝带坯电 磁铸轧方法及装置”获国家发明专利。2 0 0 1 年，“电磁场铸轧设备与工艺研究” 通过湖南省科技厅的鉴定，获教育部高校发明一等奖。2 0 0 2 年，“铝带坯电磁 场铸轧装备与技术”获国家技术发明二等奖。 1 2 变频技术的现状与发展趋势 1 2 1 变频器的发展与分类 根据对铝电磁铸轧过程的理论与试验研究，低频磁场( 1 3 h z 左右) 对铝铸 轧过程中的晶粒细化效果最为显著。在电磁铸轧电控系统中，首先要将电源的频 率通过变频器进行变频。变频技术涉及到电力、电子、电工、信息与控制等多个 学科领域。随着电力电子技术、计算机技术和自动控制技术的发展，变频技术取 得了飞速的发展，变频理论已经形成较为完整的科学体系，成为一门相对独立的 科学。 变频器按结构型式可划分为交一直一交变频器和交一交变频器两大类”。 ( 1 ) 交一交变频器，是将电网的工频交流电直接变成电压和频率都可调的交 流电，无需中间直流环节，故又称直接变频器，如图1 - 1 所示。 a ca c 5 0 h z * 叫变频器卜* c v c fv v 图1 - 1 交一交变频器 4 中南大学硕士学位论文第一章绪论 ( 2 ) 交一直一交变频器，先将电网的工频交流电整流成直流电，再将此直流 电逆变成频率可调的交流电。因此又称为间接变频器，如图1 - 2 所示。调频功能 由逆交器实现，调压功能视其实现环节不同，又对应有不同的结构形式。 5 0 h z 图1 - 2 交一直一交变频器 交一交变频器与交一直一交变频器的主要特点的比较如表卜1 所示。 表卜l 交一直一交变频器与交一交变频器主要特点比较 类型交一直一交变频器交一交变频器 比较项目 换能方式 晶闸管换相方式 所用器件数量 两次换能，效率略低 强迫换相或负载换相 较少 调频范围频率调节范围宽 电网功率因数 适用场所 一次换能，效率较高 电网电压换相 较多 一般情况下，输出最高频率 为电网频率的1 3 1 2 采用可控整流器调压，低频 篓曼苎苎妻曼耋矍堡l 采要 较低 斩波器或p 删方式调压，功 率因数高 ! 星三苎型皇妻挚銎鍪兰： 适用于低速大功率拖动 稳频稳压电源和不间断电源 ” 交一交变频器有三种常见的类型：矩形电压波交一交变频器、正弦电压波交一 交变频器、正弦电流波交一交变频器。对于晶闸管交一交变频器这样的复杂控制系 统，若采用电压控制型给电磁感应器供电，电磁感应器的功率因数很大，电流过 零点变化无常，而交一交变频器的换桥又必须严格掌握电流过零点。原定的控制 目标是控制输出电压的幅值和波形，但在电磁铸轧系统中，真正起作用的是电磁 感应器的电流幅值和波形，于是最终还是仍不得不控制掌握电流的大小和过零 点。而电磁场铸轧系统要求电控系统供给电磁感应线圈的是正弦电流波形，既然 输出电流的幅值及波形才是铝电磁铸轧变频电源控制系统中需要控制的主要参 数，不难理解，由于电流控制型把交一交变频器的输出电流作为主要控制目标， 放弃了对输出电压的要求，集中精力去控制输出电流的幅值及波形，所以不但简 化了线路，降低了成本，而且工作的可靠性和性能也会大为提高。所以在电磁铸 轧电控系统中采用正弦电流波交一交变频器。 5 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 2 铝电磁场铸轧变频控制技术的发展现状 构造电磁场铸轧的基本工艺环境为将工频交流电通过变频产生在2 2 0 h z 的 频率范围内可随机换频的特殊波形的低频交流电；使电磁感应器在铸轧区产生由 行波及脉振磁场所组成的复合电磁场，通过电磁感应作用产生平行及垂直于铸轧 辊轴线方向的电磁力，借助计算机控制，不断改变行波磁场的方向，以改变电磁 力的方向。通过上述技术措施，使凝固前沿粘糊区产生非定常、小幅值的迁移流 动，改变熔体的温度场、流场和浓度场，对熔体前沿长大的枝品产生机械剪切和 冲刷，使枝晶碎断、剥落，造成晶核增殖，铸轧区电磁场的作用示意图如图卜3 所示。因此铝电磁场铸轧要求有一套电磁场多参数多形态的特殊变频控制系统。 戳场 p 图卜3 铸轧区电磁场作用示意图 1 9 9 6 年，铝电磁场铸轧技术在西北铝加工厂工业试验成功，第一套电磁感 应器的变频控制系统采用的是交一交变频，系统由电流波形控制、频率成分随机 控制、磁序随机控制和接触电势差控制四部分组成，输出频率为8 “2 0 h z 的两相 对称电流。开关元件采用可控硅，核心控制器采用的是单片机，由于电磁感应器 是一个电感量很大的感性负载，一般的交一交变频方式很难适应它的工作状况， 常常导致环流直通现象，为此，变频控制系统除了一般的逻辑无环流设计外，还 设置了其它保护系统，彻底消除了主回路中因环流引起的逆交颠覆现象。但是当 时电磁场铸轧的整套装置( 包括变频控制系统) 是在没有任何参考资料的基础上 所研制的试验装置，存在许多不完善的地方，并且在一系列的工业试验中逐步暴 露出了局限性，所以不能满足工业生产需要”。 2 0 0 0 年1 0 月，中南大学机电工程学院与兰州铝业股份有限公司进行技术合 作，开发第二套电磁场铸轧装备，此次开发的复合电磁场的控制系统对原先的试 验设备进行了完善与改进。其主要的变化就是采用差相控制方式改善了系统的功 率因数，系统控制核心依然是单片机，变频方式仍然是交一交变频，逻辑无环流 控制，开关元件采用可控硅，此套控制系统从2 0 0 2 年8 月投入工业生产，运行 状态良好，性能稳定，基本上满足电磁场铸轧的需要”1 。 6 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 3 课题来源、研究意义及研究内容 1 3 1 课题来源 本课题来源于2 0 0 1 年国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 课题“电磁场 快速铸轧制备高性能铝板带材”。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，信息院负责铸轧电源控制系统 的设计、制造和调试等。 1 3 2 论文的研究目的及意义 电磁感应器是铝电磁场快速铸轧工艺与供电装置的接口设备，工艺的特殊性 和技术要求均要电磁感应器来完成，因此，研制一套能适应为各种磁场要求的电 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。 本课题研究的意义主要体现在以下几个方面； 1 给电磁感应装置供电的铸轧电源控制系统是铝电磁场铸轧技术的关键之 一，本课题研究将有助于推进铝电磁场铸轧技术的研究和发展，促进铝带坯质量 的提高。 2 通过对电磁感应器复合磁场的形成原理和电磁力的力学特性的分析，进 一步了解掌握磁场的分布，为电磁感应器的设计提供理论依据。 3 在具体设计开发过程中利用m a t l a b 软件中的s i m u l i n k 仿真工具进行仿 真设计，不但可以最大程度地降低设计成本，而且可以很方便地仿真各种可能参 数情况下的设计性能。 4 通过对电磁感应器内的磁场分布的实验数据来分析它的磁场分布，了解 铸轧区复合电磁场的分布规律及其影响因素，对优化电磁感应器的结构设计、探 讨复合电磁场作用下熔体区的流场和温度场分布规律也都具有十分重要的意义。 1 3 3 论文的研究内容 在连续铸轧铸轧区施加交变磁场，在起伏的能场作用下使凝固前沿粘糊区产 生非定常、小幅值的迁移流动，改变熔体的温度场、流场和浓度场，对熔体前沿 长大的枝晶产生机械剪切和冲刷，使枝晶碎断、剥落，造成晶核增殖，最终达到 细化晶粒，改善铸轧板的组织性能的目的，研究开发能适应电磁铸轧工况要求的 特种电源控制系统是实现电磁铸轧技术的关键。在对电磁铸轧技术基本原理与研 究现状作充分调研的基础上，在导师的指导下确定了本论文的研究方向和主要研 7 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 究内容： 1 分析目i j 电磁场铸轧复合电磁场变频系统控制系统存在的问题及其研究 意义，指出本文的课题来源、研究内容及研究意义。 2 分析电磁场快速铸轧对控制系统及电磁场的特殊要求和复合磁场的形成 原理，另外对复合电磁场电磁力的力学特性进行分析。 3 进行系统方案设计，设计铝电磁场快速连续铸轧的生产系统，对铸轧特 种电源控制系统进行主电路的设计和控制方案的设计。 4 建立改进的交一交变频的b l a t l a b 仿真模型，提出一种面向调速系统电气 原理结构图的模块图形化仿真建模新方法，代替传统的采用数学模型进行仿真分 析的方法，对整个变频系统提出有参考价值的控制参数，并对负载的电流和电压 进行谐波分析。 5 对整个系统的性能进行实验研究。一是控制系统的总体性能实验，主要 是电感性负载调试；二是电磁感应器磁感应强度的测试，通过对实验数据的处理 分析电磁感应器的磁场分布情况。 6 进行全文总结与展望，对整篇论文的主要贡献、不足之处及今后的研究 方向进行阐述。 中南大学硕士学位论文第二章电磁场快速铸轧铸轧区复合电磁场分析 第二章电磁场快速铸轧铸轧区复合电磁场分析 将特定的复合电磁场引入连续铸轧过程的铸轧区内，在电磁能量场的作用 下，常规形态下的金属凝固结晶过程受到很大的干扰作用，其定常凝固结晶规律 被强制打破，产生了新的形核与结晶机制。通过对电磁能量场的精确控制，可以 获得既定目标的高性能铝板带材。所以，探讨电磁快速铸轧条件下铝熔体内复合 电磁场的电磁力学特性及分布规律，对掌握电磁场对铝带坯凝固结晶过程的作用 机理，找寻最佳的电磁铸轧工艺参数，以获得高质量的铝板带材有着非常重要的 意义；同时，了解铸轧区复合电磁场的分布规律及其影响因素，对优化电磁感应 器的结构设计、探讨复合电磁场作用下熔体区的流场和温度场分布规律也都具有 十分重要的意义。 2 1复合电磁场的形成原理 2 1 1 复合电磁场的发生装置 铝电磁场铸轧技术是将电场及磁场应用于连续铸轧过程，在铝合金铸轧过程 中输入新的起伏变化的能场，多维变化的能场驱动铝合金微观无序流变，强化铸 轧区传热传质过程，使温度场、浓度场趋于均匀，过冷度增加，在大范围内瞬间 同步进行结晶，晶粒均匀细化，强度与成形性增加，完全取代a 1 - t i - b 的作用， 使铸轧铝带坯产生新的优良组织结构。铸轧区的金属在电磁场的作用下，凝固过 程发生枝晶切断、翻转、晶粒等轴球化；而在形变过程中电磁力协同轧制力，多 次切断临界凝固点的柱状晶，使加工组织致密细化。电磁场铸轧技术的核心是构 造一个特殊的能场，它使铸轧区内每一点的能量瞬态变化，同时实现材料流变的 强扰动以及装备与铸轧过程的高稳定啪。柚1 。产生复合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。电磁感应器是由多个均系分布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。 9 中南大学硕士学位论文 第二章电磁场快速铸轧铸轧区复合电磁场分析 图2 一l 电磁场铸轧示意图 卜上轧辊；2 一上铁芯；3 - 压- 板；4 - 供料嘴；5 _ 铝熔体；6 一隔磁板；7 - 底板； 8 - 冷却水箱；9 - $ 应线圈；1 0 _ 滑动座；1 1 一支撑箱；1 2 一下铁芯：1 3 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，才能达到最好的效果。因铸轧区的形状为扁平， 因此在沿轧辊轴线方向上根据铸轧板的宽度均匀排列多个磁路引导装置，如图 2 2 所示。 图2 2 电磁感应器实物图 大体来说，复合磁场感应器发生装置可分为三大部分，包括变频电源( 频率 可调节范围为5 2 0 h z ，电流可调节范围为o 4 0 a ) 、感应线圈及上下磁极。其 工作原理为通过变频电源的作用将三相工频交流电转换成二相或三相低频交流 电，以获得目标状态的电磁场。 1 0 中南大学硕士学位论文第二章电磁场快速铸轧铸轧区复合电磁场分析 2 1 2 电磁感应器工作原理 电磁感应器是仿直线感应电机原理”设计的，可采用二相和三相低频交流 电源供电，线圈采用分离式绕组。直线电机可以看成是从旋转电动机演化而来， 如图2 3 所示。旋转电机的径向、周向和轴向对应直线电机的法向、纵向和横 向。由于直线电机磁路的开断，使得铁芯内安放的三相绕组之间互感不等，当接 上三相对称电源后各相电流将不对称，因而在气隙中除了形成正向的行波电磁场 外，还会产生反向行波电磁场及脉动磁场。即使在三相绕组中通以对称电流，由 于纵向边端的影响、奇数极的采用和双层绕组纵向端部半空糟的出现等因素的存 在，使得气隙中总会有脉动磁场产生。这种现象被称为静态纵向边端效应。 电磁感应器可看作一扁平单边直线感应电动机，初级为绕组，次级为铝合金 熔体。初极与次极之间有着很大的气隙存在( 气隙约为6 0 m 或更大) 。向初级 绕组中通以低频交流电，并在铝熔体内通入直流电，电磁感应器就会产生沿辊轴 线方向的交变行波磁场和垂直于辊轴线方向的交变脉振磁场，其中以行波磁场为 主导。交变磁场作用于铸嘴前沿的熔体区及结晶区，使得铝熔体的温度场、速度 场发生改变，从而使得其凝固结晶机制发生质的变化，达到细化晶粒的目的。 旋转电动机 直线电动机 戡舟1 7 攒冉 法肖 图2 3 从旋转电机到直线电机的演化 2 1 3 复合电磁场的形成原理 为满足特定的要求，电磁感应器的绕组设置为三相绕组形式，可使其在三相 或二相状态下正常工作。根据直线电机原理，单相交流电所建立的磁势是一种脉 振磁势，但当在绕组中通入二相或三相按一定相位布置的正弦电流后，便会激发 出一个按一定相序向前行进的磁场，称为行波磁场，而这正是我们所期望的目标。 因此探讨此行波磁场的形成原理，将有利于我们更好地掌握电磁感应器的电磁力 学特性，从而得到展佳的电磁特性参数。 中南大学硕士学位论文 第二章电磁场快速铸轧铸轧区复合电磁场分析 磁势是由电流产生的，因此，电磁感应器绕组中磁势的大小和空间分布波形 主要由通入绕组中电流的大小及空间分布状态所决定，同时与线圈i 日j 相互连接方 式相关联。对于磁势这种空间矢量来说，其合成势可由单相绕组磁势通过矢量叠 加原理加以合成，得到二相或三相合成磁势嘲。 2 1 3 1 单相绕组的磁势 设电磁感应器的气隙是均匀的，感应线圈的匝数为，线圈中通过的交变电 流为 i = , 2 凡s i n c o t ( 2 1 ) 式中，一线圈中交变电流的有效值； 国一电流的角频率； 因此线圈电流产生一对极，从全电流定律可知，每根磁力线都包围着相同的电流， 即 扣d l = y i = n i ( 2 - 2 ) 整个磁路的总磁势为 正( f ) = n i = 4 2 n i s i n c o t ( 2 3 ) 由于要让通过供料嘴注入到铸轧区的熔体受到电磁场的作用，且必须为供料 嘴预留安装位置，所以必须将电磁感应器的铁芯设计成开断的形式( 图2 - 1 ( a ) 所 示) 。由于气隙磁阻远大于铁芯的磁阻，所以可以认为气隙磁势降等于整个磁路 的磁势降。在任一回路中，作用在空气隙的磁势即为总磁势，称为安匝数。假设 磁通由上铁芯进入供料嘴中的方向为正方向，以线圈轴线处( 萨o ) 作为坐标原 点，设铁芯的宽度为f ，则气隙中分布的磁势波如图2 - 4 ( b ) 所示。 中南大学硕士学位论文 第二章电磁场快速铸轧铸轧区复合电磁场分析 卜供料嘴；2 铁芯；3 - 感应线圈 图2 4 单相绕组磁势的波形图 由图司知，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，幅 值为n 。磁势的频率与电流的频率相同，其大小随时间按正弦规律变化，即为 一个脉动磁势，但其曲线在空间保持固定位置。将此矩形波用傅立叶级数进行分 解，得基波和各次谐波的幅值为： 瓦= # f 。( x ) c o s y 砒= 等呱s i n 坚2 ( 2 - 4 ) 式中y = l ，3 ，5 ，7 ，r o l l o 当y = 1 时，e 为基波磁势的幅值；此外，e ，为 l ，次谐波磁势的幅值。 单相绕组磁势的表达式为： 肚= 2 压石n i r l e o ；硼1 5 删号删 咖耐协s ， 其中基波磁势为： 厶也盯) - 2 、石1 2 n i sc o s 詈石s i n 研 ( 2 6 ) y 次谐波磁势为：” f 。( t , o t ) - - i 1 。1 2 q 万e n l a , s 抽舟咖研 协7 ， 2 2 3 2 单相绕组的磁势行波 脉振的基波磁势可以分为两个幅值相等、速度相同但方向相反的行波磁势： 中南大学硕士学位论文第二章 电磁场快速铸轧铸轧区复合电磁场分析 讹咖2 石- 2n i nc o s n 咖粤帆 s 懈一手帅似研+ 纠 = 七 式中；工；塑帆s i n ( 缈一! 力 石f ( 2 8 ) ( 2 9 ) 从图2 5 可以看出，式( 2 9 ) 的正向项所表示的是一个恒幅余弦分布的 正向行波。由于电磁感应器类似于单边形直线电动机，所以工沿气隙的连续推 移就形成了磁势行波，由此磁势行波产生的磁场就是行波磁场。在工项中，令 兰z o j r = 0 ，在此式中把距离x 对时间f 求导，就可得到磁势行波的推移速度： 1 ，= 拿= 三国= 2 f f ( 2 - 1 0 ) d t 石 式中，f 为交变电流频率。 式( 2 一1 0 ) 表明每当电流交变一次，磁势波就向前推移一个波长的距离2 f 。 同理也可以推出f 是一个幅值不变，与工同速率但反向推移的磁势波。 再j 1 _ t , 善 一 0 蟛7 a 一 正= 孚砜嘶+ 詈力 图2 - 5 单相绕组磁势行渡图 ( 2 。1 1 ) 由于电磁感应器类似单边形直线电动机，所以，丘。沿气息气隙的连续推移 就成为磁势行波，由此磁势行波产生的磁场就是行波磁场。这个推移的行波磁场 产生的电磁力主要起到加强横向剪切的作用。但不容忽视的是在电磁感应器绕组 和液态金属之间尚存在较大的法向磁拉力，当这个力太大时会导致机械振动的有 1 4 中南大学硕士学位论文 第二章电磁场快速铸轧铸轧区复合电磁场分析 害影响。 就目前的电磁感应器而言，其线