基于多场耦合的有色金属直流电磁搅拌系统数值模拟及参数优化
发布时间：2021-04-03 18:32
在有色金属的熔炼过程中,熔体的搅拌是工艺中最重要的过程之一。与传统搅拌技术不同,电磁搅拌技术（EMS）对于提高有色金属铸造质量、改善金属内部微观结构、提升有色金属材料性能等方面都有着十分重要的作用。而传统电磁搅拌设备具有高功率、高感抗、高热负荷、低效率、低功率、低使用寿命的问题。为了解决这些问题,提高有色金属电磁搅拌效率、降低系统能耗。本文设计了一款适用于有色金属熔体的新型直流电磁搅拌装置,并且运用ANSYS有限元软件对该装置进行了电磁场和流场的数值模拟分析。论文主要内容如下:1.研究了电磁搅拌的运行原理。针对现有电磁搅拌装置进行了励磁方式选择,选择以直流电磁搅拌的方式进行结构分布设计,并且得出了结构参数和额定控制参数。2.研究了直流电机调速控制。针对传统电磁搅拌负载电机匀速转动的特点,在电磁搅拌旋转电机控制设计时,选择以电枢电压调速作为直流PWM型调速系统的设计方案。结合桥式控制电路设计了一款基于时延反馈的混沌电机转速控制系统,再运用Matlab对所设计的转速控制系统进行了仿真分析。3.研究了电磁场分布情况。根据MAXWELL方程组,在ANSYS中采用APDL模块对电磁场进行数值模拟...
【文章来源】：湖南理工学院湖南省
【文章页数】：74 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
交流励磁电磁搅拌器原理图
湖南理工学院硕士学位论文第2章直流电磁搅拌器设计13其次，交流电磁搅拌器必须采用变频电源。通过变频电源将50Hz的交流电转化为1-10Hz的低频交流电，该过程中，由于工作电流密度较大，要采用高纯度的铜芯导线和采用冷却水系统。再次，交流电磁搅拌器的寿命一般都较短。因为设备多个部分采用冷却水系统，线圈寿命受到水质和水电分离接口处的密封性能影响，一般设备运行1.5-2.0年，就需要进行返厂大修。在多重因素的影响下，交流励磁搅拌器的成本普遍偏高，且能耗偏大[46]。永磁搅拌器是一种使用永磁材料作为磁源的搅拌器，它是运用永磁体所产生的磁场力并借助机械转动对金属熔体进行非接触式搅拌的设备。图2-2全球钕铁硼材料需求变化图该类型搅拌器主要存在以下三个问题限制了其推广：首先，永磁材料一般采用稀土材料中的钕铁硼做为主要材料[47]。近年以来，随着高科技产业的发展，各个行业对于钕铁硼的需求都是逐年递增，如图2-2所示，导致稀土材料价格飙升不止，使得该类型设备成本价格也不断上涨。其次，永磁体受环境影响较大，在高温、振动、潮湿等环境下都可能使永磁体发生退磁现象[48]。再次，已定的永磁搅拌器磁场强度是恒定的，磁场强度无法进行调节，磁场无法卸载，在使用过程中需要格外注意安全。同样磁场强度下，永磁体的透磁深度也比电磁体的透磁深度更低，因此搅拌槽会比同类型的电磁搅拌器更薄，高温熔体会更容易冷却，搅拌时长更短。在多重问题的影响下，永磁搅拌器也存在成本偏高的问题，此外还有安全生产和磁场参数不可控的问题存在。槽直流线圈衔铁NSNS图2-3直流励磁电磁搅拌器结构图
湖南理工学院硕士学位论文第2章直流电磁搅拌器设计22（c）电枢电流随时间变化图（d）电机转速随时间变化图（e）电机转速与速度系数ζ的变化关系图（f）电枢电流与速度系数ζ的变化关系图图2-10混沌转速系统Matlab仿真分析利用直流电动机的运动方程及式（2-9），可以得到电机转速、电枢电流等相对各种参数变化的分岔图及对应参数的时间响应图。当参数ζ=20、=1.5s时，电机转速关于转矩系数的分岔图如图2-10（a）所示，电枢电流相对于转矩系数的分岔图也是类似的。从图中可以看出，当很小时，电机转速对应周期1运行状态。随着的增大，电机转速将会分岔成周期2、周期4……直至混沌状态。图2-10（c）所示为=2.5时电枢电流的仿真波形。图2-10（d）所示为=4时电机转速的仿真波形。当参数=5、=1.5s时，电机转速和电枢电流关于速度系数的分岔图如图2-10（e）和（f）所示。从图中可以看出，在大部分参数区间内，系统对应混沌运动状态。通过调节速度系数ζ，可以用来调节电机混沌运动的速度变化范围。当参数=5、ζ=20时，电机转速关于延时系数的分岔图如图2-10（b）所示。其实，电枢电流关于延时系数的分岔图也是类似的。从图中可以看出，在整个参数区间内，系统几乎都对应混沌运动状态。而且，延时系数对电机混沌运动的转速范围基本没有影响。
【参考文献】：
期刊论文
[1]电磁搅拌器控制系统对大方坯中心偏析的改善[J]. 邵龙刚. 世界有色金属. 2019(23)
[2]连铸末端电磁搅拌工艺的优化与高碳钢铸坯质量[J]. 陈丰,许秀杰,杨子江,刘福兵,邓安元,王恩刚. 特种铸造及有色合金. 2019(07)
[3]电磁搅拌器磁场形态研究及选择[J]. 王亚非,贾华,袁日栋. 铸造技术. 2018(07)
[4]基于Fluent铝熔体旋转喷吹阻流板消除旋涡的机理研究[J]. 范超,张炯,孔凡校,唐清春,胡义华. 铸造技术. 2018(04)
[5]电磁场技术在冶金领域应用的数值模拟研究进展[J]. 王强,何明,朱晓伟,李显亮,吴春雷,董书琳,刘铁. 金属学报. 2018(02)
[6]连铸结晶器电磁搅拌技术的新发展[J]. 肖红,易兵,龙萌,毛斌. 连铸. 2017(04)
[7]电磁搅拌作用下铝合金凝固组织的数值模拟[J]. 程建玲,郭汉东. 特种铸造及有色合金. 2017(07)
[8]电磁搅拌和数值模拟在半固态铝合金浆料制备中应用的研究现状[J]. 陈志平,刘政,陈涛. 铸造. 2017(07)
[9]电磁技术在连铸过程中的应用与发展[J]. 幸伟. 宽厚板. 2017(02)
[10]电磁搅拌对5356铝合金显微组织的影响[J]. 邢清源,孟令刚,杨守杰,杨斌,张兴国. 铸造. 2017(02)
博士论文
[1]偏心搅拌槽内宏观不稳定性的分离涡模拟及实验研究[D]. 杨锋苓.山东大学 2010
硕士论文
[1]电磁搅拌对铝合金凝固影响的数值分析与实验研究[D]. 邱仙花.江西理工大学 2016
[2]铝—稀土多相熔体混沌流动数值模拟及流动规律研究[D]. 邓可月.江西理工大学 2016
[3]电磁搅拌作用下结晶器内圆坯初始凝固过程数值模拟研究[D]. 吴亮亮.燕山大学 2016
[4]电磁搅拌作用下结晶器内多物理场耦合数值模拟研究[D]. 翟孟姣.燕山大学 2015
[5]多重铝—稀土共晶反应细化半固态A356铝合金初生α相的研究[D]. 谌庆春.江西理工大学 2014
[6]多层桨在假塑性流体中的混合特性研究[D]. 胡凡金.山东大学 2012
[7]280mm×325mm大方坯连铸结晶器电磁搅拌电磁场与钢液流动行为数值模拟研究[D]. 高超波.东北大学 2011
[8]电磁搅拌作用下铝熔炼炉内多物理场耦合分析及工艺参数优化[D]. 袁林伟.中南大学 2010
[9]电磁搅拌半固态浆料制备三维多物理场耦合数值模拟[D]. 贾丹.沈阳理工大学 2009
[10]移动旋转磁场驱动的微型管道机器人的研究[D]. 薛君妍.哈尔滨工程大学 2009
本文编号：3116859
【文章来源】：湖南理工学院湖南省
【文章页数】：74 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
交流励磁电磁搅拌器原理图
湖南理工学院硕士学位论文第2章直流电磁搅拌器设计13其次，交流电磁搅拌器必须采用变频电源。通过变频电源将50Hz的交流电转化为1-10Hz的低频交流电，该过程中，由于工作电流密度较大，要采用高纯度的铜芯导线和采用冷却水系统。再次，交流电磁搅拌器的寿命一般都较短。因为设备多个部分采用冷却水系统，线圈寿命受到水质和水电分离接口处的密封性能影响，一般设备运行1.5-2.0年，就需要进行返厂大修。在多重因素的影响下，交流励磁搅拌器的成本普遍偏高，且能耗偏大[46]。永磁搅拌器是一种使用永磁材料作为磁源的搅拌器，它是运用永磁体所产生的磁场力并借助机械转动对金属熔体进行非接触式搅拌的设备。图2-2全球钕铁硼材料需求变化图该类型搅拌器主要存在以下三个问题限制了其推广：首先，永磁材料一般采用稀土材料中的钕铁硼做为主要材料[47]。近年以来，随着高科技产业的发展，各个行业对于钕铁硼的需求都是逐年递增，如图2-2所示，导致稀土材料价格飙升不止，使得该类型设备成本价格也不断上涨。其次，永磁体受环境影响较大，在高温、振动、潮湿等环境下都可能使永磁体发生退磁现象[48]。再次，已定的永磁搅拌器磁场强度是恒定的，磁场强度无法进行调节，磁场无法卸载，在使用过程中需要格外注意安全。同样磁场强度下，永磁体的透磁深度也比电磁体的透磁深度更低，因此搅拌槽会比同类型的电磁搅拌器更薄，高温熔体会更容易冷却，搅拌时长更短。在多重问题的影响下，永磁搅拌器也存在成本偏高的问题，此外还有安全生产和磁场参数不可控的问题存在。槽直流线圈衔铁NSNS图2-3直流励磁电磁搅拌器结构图
湖南理工学院硕士学位论文第2章直流电磁搅拌器设计22（c）电枢电流随时间变化图（d）电机转速随时间变化图（e）电机转速与速度系数ζ的变化关系图（f）电枢电流与速度系数ζ的变化关系图图2-10混沌转速系统Matlab仿真分析利用直流电动机的运动方程及式（2-9），可以得到电机转速、电枢电流等相对各种参数变化的分岔图及对应参数的时间响应图。当参数ζ=20、=1.5s时，电机转速关于转矩系数的分岔图如图2-10（a）所示，电枢电流相对于转矩系数的分岔图也是类似的。从图中可以看出，当很小时，电机转速对应周期1运行状态。随着的增大，电机转速将会分岔成周期2、周期4……直至混沌状态。图2-10（c）所示为=2.5时电枢电流的仿真波形。图2-10（d）所示为=4时电机转速的仿真波形。当参数=5、=1.5s时，电机转速和电枢电流关于速度系数的分岔图如图2-10（e）和（f）所示。从图中可以看出，在大部分参数区间内，系统对应混沌运动状态。通过调节速度系数ζ，可以用来调节电机混沌运动的速度变化范围。当参数=5、ζ=20时，电机转速关于延时系数的分岔图如图2-10（b）所示。其实，电枢电流关于延时系数的分岔图也是类似的。从图中可以看出，在整个参数区间内，系统几乎都对应混沌运动状态。而且，延时系数对电机混沌运动的转速范围基本没有影响。
【参考文献】：
期刊论文
[1]电磁搅拌器控制系统对大方坯中心偏析的改善[J]. 邵龙刚. 世界有色金属. 2019(23)
[2]连铸末端电磁搅拌工艺的优化与高碳钢铸坯质量[J]. 陈丰,许秀杰,杨子江,刘福兵,邓安元,王恩刚. 特种铸造及有色合金. 2019(07)
[3]电磁搅拌器磁场形态研究及选择[J]. 王亚非,贾华,袁日栋. 铸造技术. 2018(07)
[4]基于Fluent铝熔体旋转喷吹阻流板消除旋涡的机理研究[J]. 范超,张炯,孔凡校,唐清春,胡义华. 铸造技术. 2018(04)
[5]电磁场技术在冶金领域应用的数值模拟研究进展[J]. 王强,何明,朱晓伟,李显亮,吴春雷,董书琳,刘铁. 金属学报. 2018(02)
[6]连铸结晶器电磁搅拌技术的新发展[J]. 肖红,易兵,龙萌,毛斌. 连铸. 2017(04)
[7]电磁搅拌作用下铝合金凝固组织的数值模拟[J]. 程建玲,郭汉东. 特种铸造及有色合金. 2017(07)
[8]电磁搅拌和数值模拟在半固态铝合金浆料制备中应用的研究现状[J]. 陈志平,刘政,陈涛. 铸造. 2017(07)
[9]电磁技术在连铸过程中的应用与发展[J]. 幸伟. 宽厚板. 2017(02)
[10]电磁搅拌对5356铝合金显微组织的影响[J]. 邢清源,孟令刚,杨守杰,杨斌,张兴国. 铸造. 2017(02)
博士论文
[1]偏心搅拌槽内宏观不稳定性的分离涡模拟及实验研究[D]. 杨锋苓.山东大学 2010
硕士论文
[1]电磁搅拌对铝合金凝固影响的数值分析与实验研究[D]. 邱仙花.江西理工大学 2016
[2]铝—稀土多相熔体混沌流动数值模拟及流动规律研究[D]. 邓可月.江西理工大学 2016
[3]电磁搅拌作用下结晶器内圆坯初始凝固过程数值模拟研究[D]. 吴亮亮.燕山大学 2016
[4]电磁搅拌作用下结晶器内多物理场耦合数值模拟研究[D]. 翟孟姣.燕山大学 2015
[5]多重铝—稀土共晶反应细化半固态A356铝合金初生α相的研究[D]. 谌庆春.江西理工大学 2014
[6]多层桨在假塑性流体中的混合特性研究[D]. 胡凡金.山东大学 2012
[7]280mm×325mm大方坯连铸结晶器电磁搅拌电磁场与钢液流动行为数值模拟研究[D]. 高超波.东北大学 2011
[8]电磁搅拌作用下铝熔炼炉内多物理场耦合分析及工艺参数优化[D]. 袁林伟.中南大学 2010
[9]电磁搅拌半固态浆料制备三维多物理场耦合数值模拟[D]. 贾丹.沈阳理工大学 2009
[10]移动旋转磁场驱动的微型管道机器人的研究[D]. 薛君妍.哈尔滨工程大学 2009
本文编号：3116859
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