关键词：
电磁搅拌
两相正交逆变电源
电磁感应加热
云模型
摘要：
钢铁工业是国民经济的重要基础产业,是建设现代化强国的重要支撑。高品质特殊钢是我国军事、能源、建筑、航空航天等领域的关键材料,也是电工、汽车、船舶、高铁等产业所需的重要材料。在高品质特殊钢加工冶炼生产过程中,电磁搅拌及电磁加热系统是提高连铸钢材品质和成品率的核心电气装备。利用电磁搅拌装备在连铸的结晶器区、二冷段区域或凝固末端区施加低频电磁场,可以改善钢水凝固过程中的流动、传热和迁移,从而提高铸坯等轴晶率比率,减轻成分偏析,消除中心疏松,大幅提高钢材品质。大功率中间包电磁加热系统可以补偿中间包钢水的温降,维持中间包钢水合适的温度范围,实现恒温浇铸,对提高铸坯质量、金属成材率、生产效率有着重要作用。研究高密度磁场低功耗电磁搅拌、大功率中间包电磁加热等基础理论、关键技术与装备研制,对于提升特殊钢品质与成品率有着重要的研究价值,对推动我国军用舰船、机械、电工等行业发展有着重要的现实意义。
本文在国家重点研发计划项目课题“高效能量传递与转换关键技术与装备”(2016YFB0601302)和湖南省科技成果重大专项“智能化大型电磁冶金装备关键技术研发与应用示范”(2016GK1002)资助下,针对高密度磁场低功耗电磁搅拌系统及中间包电磁加热及精炼系统进行了数学建模、控制方法、可靠性提升和装备研制等方面的研究,主要研究内容与创新点如下:
(1)针对板坯电磁搅拌器高磁场强度、强电磁力搅拌的需求,提出了无齿槽磁屏蔽分节式高密度磁场电磁搅拌辊结构。研究了不带齿槽的圆柱形铁芯结构,增加了线圈匝数,加装磁屏蔽罩将发散磁场反射回电磁搅拌辊的工作面,提升了同等外形体积电磁搅拌器的电磁力,并通过分节技术解决了辊套过长变形大的问题,解决了高密度磁场电磁搅拌的难题。给出了高密度磁场低功耗电磁搅拌器的等效电路,为电磁搅拌逆变电源的分析提供了基础。介绍了通道式中间包电磁感应加热器的铁芯结构、连接方法和绝缘工艺,给出了中间包电磁感应加热器的等效电路,为后续电源系统性分析提供了基础;对中间包电磁感应加热电磁场、流场、温度场进行了耦合数值模拟,揭示了钢水中电磁力与电磁感应电流频率及幅值的变化规律,提供了调节频率和电流参数的依据参考。
(2)针对电磁搅拌电源的可靠性要求高的需求,提出了一种高可靠大功率两相正交电磁搅拌容错电源拓扑结构及其控制方法。大功率两相正交电磁搅拌容错电源拓扑结构包括前级PWM整流器和后级可重构逆变器。分析了一种提高直流电压利用率的三桥臂两相正交调制方法,比传统正交电源节约了一个桥臂同时提高了输出电压。研究了后级可重构逆变器的故障诊断方法,可实时对逆变器进行故障检测,当逆变器中有功率开关器件发生故障时,故障诊断方法将定位故障开关,并切除故障功率开关器件,同时重构电路以保持系统持续运行。通过仿真及实验验证了所提大功率两相正交电磁搅拌容错电源故障诊断方法、重构拓扑结构及容错控制策略的正确性。
(3)针对级联中间包电磁感应加热电源系统可靠性要求高、控温精准的需求,提出了一种高压级联中间包电磁感应加热电源拓扑结构及其控制方法。研究了基于云模型的钢水温度控制方法,实现了温度与电流的在线快速调整,实现了中间包低过热度恒温浇注,提高了连铸冶金质量。研究了改进载波交替反相层叠调制方法,包括基于双载波的交替反相层叠调制和基于电平增量排序的开关状态分配法,实现了功率单元的功率平均分配,减小了系统中功率单元出力不均造成的寿命不同,提高了级联中间包电磁感应加热电源系统输出电压的稳定性。研究了中间包电磁加热的功率补偿优化技术,解决了级联多电平结构的电磁感应加热电源能量不平衡的问题。
(4)研制了大功率两相正交电磁搅拌容错电源系统和高压级联中间包电磁感应加热电源系统,并进行了工程应用。研制的电磁搅拌容错电源技术生产的板坯宽度最宽达到3.6米,铸坯的中心偏析、铸坯的中心裂纹、铸坯中心疏松与中心缩孔等参数指标均合格,等轴晶率、钢材品质、成品率等诸多方面都有改进,提高了钢材生产效率和质量;采用中间包电磁感应加热电源系统实现了恒温浇铸,解决了每炉浇铸过程的中间包温度低-高-低波动的问题,实现低过热度浇铸降低了中间包上线温度,提高了铸坯质量,强化了中间包的冶金功能。
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