電渣熔鑄過(guò)程控制與模擬仿真

前言

電渣冶金屬于超凈、均質(zhì)化的特種冶金范疇。電渣熔鑄是將金屬的精煉提純、結(jié)晶凝固和成形集中到一個(gè)工序完成，使成形構(gòu)件不僅具有良好的冶金質(zhì)量和凝固質(zhì)量，而且其形狀和尺寸接近于最終產(chǎn)品，是物性轉(zhuǎn)變的最佳短流程，因此電渣熔鑄又屬現(xiàn)代近凈成形的范疇。電渣熔鑄生產(chǎn)的鑄件，材質(zhì)純凈、組織致密、綜合力學(xué)性能優(yōu)良。20世紀(jì)后期，電渣冶金和電渣熔鑄技術(shù)取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，新工藝、新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，并相繼開(kāi)發(fā)出一批電渣熔鑄復(fù)雜異形鑄件，如大型發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子、水輪機(jī)葉片、船舶柴油機(jī)大型曲軸、各種高壓容器、大型環(huán)件、各類軋輥、模具、透平渦輪盤、厚壁中空管、石油裂化管、齒輪毛坯、三通管、核電站壓水堆主回路管道等。20世紀(jì)90年代，中國(guó)江西特鋼廠的科技工作者開(kāi)發(fā)出電渣熔鑄曲軸一步整體成形技術(shù)，但由于它們的電渣熔鑄設(shè)備比較原始，難以進(jìn)行質(zhì)量控制，廢品率高；曲軸成形工藝不完善，曲拐部的空腔難以熔鑄成形，熔鑄出的曲軸毛坯加工余量過(guò)大；在熔鑄過(guò)程中，因曲軸型腔復(fù)雜，鋼水液位無(wú)法準(zhǔn)確判斷，自耗電極與結(jié)晶器之間容易發(fā)生打弧現(xiàn)象，甚至擊穿結(jié)晶器而漏水，引發(fā)爆炸事故。為此，南昌大學(xué)與江西特鋼廠合作，承擔(dān)了江西省計(jì)委、江西省科委重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目和國(guó)家“863”計(jì)劃新材料領(lǐng)域項(xiàng)目“電渣熔鑄曲軸一步整體成形及應(yīng)用開(kāi)發(fā)”等多項(xiàng)課題，先后研制成功自動(dòng)電渣熔鑄試驗(yàn)機(jī)、電渣熔鑄金屬液位自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)、自耗電極伺服進(jìn)給控制系統(tǒng)、基于PLC的雙機(jī)械手運(yùn)動(dòng)諧調(diào)控制系統(tǒng)、大型曲軸電渣熔鑄設(shè)備及自動(dòng)控制系統(tǒng)等多項(xiàng)重大成果，并在2000年前后研制出多種規(guī)格的柴油機(jī)曲軸，如山西柴油機(jī)廠的材質(zhì)為43CrNiMQ、重285kgFl55柴油機(jī)曲軸，材質(zhì)均為42CrMo的石家莊高速風(fēng)冷柴油機(jī)道依茨FL912、913曲軸、曼海姆D302-2／3曲軸和為一汽集團(tuán)無(wú)錫柴油機(jī)廠大馬力分廠特別開(kāi)發(fā)出的重達(dá)4～6t的G8300z和16VG300柴油機(jī)曲軸，上述產(chǎn)品均應(yīng)用于生產(chǎn)。針對(duì)生產(chǎn)中出現(xiàn)的各種質(zhì)量問(wèn)題，作者又和他們的碩士、博士研究生一起進(jìn)行了多年的試驗(yàn)和理論研究，在國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表了40余篇學(xué)術(shù)論文。為了進(jìn)一步把研究成果貢獻(xiàn)社會(huì)，作者將上述研究成果總結(jié)歸納，在幾位博士的協(xié)助下（其中馬新生博士第l、3章，饒磊博士第2、4、5、7章，堯軍平博士第6章，唐建軍博士第8、9章），寫成這本《電渣熔鑄過(guò)程控制與模擬仿真》。

內(nèi)容概要

　　《電渣溶鑄過(guò)程控制與模擬仿真》介紹了電渣冶金和電渣熔鑄的發(fā)展現(xiàn)狀和作者自行研制的電渣熔鑄試驗(yàn)裝備及工藝試驗(yàn)過(guò)程，詳細(xì)論述了電渣熔鑄曲軸設(shè)備、自動(dòng)控制系統(tǒng)和電渣熔鑄金屬液位自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。在建立電渣熔鑄過(guò)程數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，對(duì)電渣熔鑄過(guò)程渣池?zé)犭妶?chǎng)、電極熔化過(guò)程、電渣熔鑄工藝因素對(duì)金屬熔池的影響以及電渣熔鑄過(guò)程工藝參數(shù)優(yōu)化系統(tǒng)等進(jìn)行了較為深入的試驗(yàn)和模擬研究，對(duì)電渣熔鑄過(guò)程和生產(chǎn)試驗(yàn)中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行了理論上的分析與探討?！　　峨娫荑T過(guò)程控制與模擬仿真》可供電渣熔鑄領(lǐng)域從事科學(xué)研究和生產(chǎn)實(shí)踐的高等學(xué)校的師生和企業(yè)工程技術(shù)人員參考。

作者簡(jiǎn)介

耿茂鵬，1959年生。河北省柬鹿縣人，教授，博士生導(dǎo)師。江西省人民政府參事，全國(guó)鑄造學(xué)會(huì)理事，全國(guó)電渣技術(shù)委員會(huì)副主任委員，江西省鑄造學(xué)會(huì)、鑄造協(xié)會(huì)副理事長(zhǎng)。1963年畢業(yè)于江西工學(xué)院（現(xiàn)南昌大學(xué)）鑄造工藝及設(shè)備專業(yè)，從事鑄造和電渣冶金教學(xué)與科研工作至今。主要研究方向是（1）先進(jìn)鑄造工藝設(shè)備及自動(dòng)化研究，率先在中國(guó)開(kāi)展空氣沖擊造型研究，先后承擔(dān)完成了江西省科委、國(guó)家機(jī)械工業(yè)部、鐵道部等多項(xiàng)科研項(xiàng)目。（2）電渣熔鑄曲軸、軋輥工藝及設(shè)備開(kāi)發(fā)和數(shù)值模擬研究。主持完成了國(guó)家“865”計(jì)劃新材料領(lǐng)域項(xiàng)目“電渣熔鑄曲軸一步整體成形及應(yīng)用開(kāi)發(fā)”和江西省及南昌市等多項(xiàng)研究課題。（5）半固態(tài)鎂合金板帶連續(xù)鑄軋技術(shù)研究，承擔(dān)完成了國(guó)家科技部院所基金和江西省等研究項(xiàng)目。在上述研究方向中取得多項(xiàng)重大成果，申請(qǐng)并獲得國(guó)家發(fā)明專利5項(xiàng)，獲獎(jiǎng)4項(xiàng)，在國(guó)內(nèi)外權(quán)威學(xué)術(shù)刊物和學(xué)術(shù)會(huì)議上發(fā)表學(xué)術(shù)論文50余篇。孫達(dá)昕，1956年5月生。江蘇省無(wú)錫市人，教授。1959年畢業(yè)于北京工業(yè)學(xué)院（現(xiàn)北京理工大學(xué)），畢業(yè)后在江西工學(xué)院（現(xiàn)南昌大學(xué)）自動(dòng)化系從事教學(xué)、科研工作。作為骨干參加了國(guó)家“863”計(jì)劃新材料領(lǐng)域項(xiàng)目“電渣熔鑄曲軸一步整體成形及應(yīng)用開(kāi)發(fā)”，主持研發(fā)并取得測(cè)重式電渣熔鑄金屬液位自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)、以PWM為核心的自耗電極伺服進(jìn)給控制系統(tǒng)、雙機(jī)械手運(yùn)動(dòng)的PLc諧調(diào)控制系統(tǒng)等多項(xiàng)成果。還主持參加了多項(xiàng)省、市級(jí)科研項(xiàng)目，其中“三坐標(biāo)數(shù)控銑床專用計(jì)算機(jī)”項(xiàng)目獲江西省首屆科學(xué)大會(huì)獎(jiǎng)，“懸吊軌道式動(dòng)態(tài)電子秤”、“無(wú)功功率高低壓側(cè)同時(shí)補(bǔ)償單片機(jī)控制”、“示波器附加智能控制裝置”、“STD總線計(jì)算機(jī)溫度控制系統(tǒng)”等項(xiàng)目均通過(guò)省級(jí)鑒定，達(dá)到國(guó)內(nèi)外先進(jìn)水平。1995年獲國(guó)務(wù)院頒發(fā)政府特殊津貼，曾獲南昌大學(xué)頒發(fā)的首屆陳香梅教學(xué)獎(jiǎng)。在國(guó)際會(huì)議上宣讀和國(guó)內(nèi)重要學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表多篇學(xué)術(shù)論文。

書籍目錄

1 緒論1.1 電渣重熔（電渣熔鑄）過(guò)程的原理1.2 電渣重熔（電渣熔鑄）過(guò)程的特點(diǎn)1.3 電渣重熔（電渣熔鑄）技術(shù)的發(fā)展參考文獻(xiàn)2 電渣熔鑄試驗(yàn)裝備及工藝試驗(yàn)2.1 電渣熔鑄試驗(yàn)裝備2.1.1 連續(xù)式自耗電極輸送機(jī)構(gòu)2.1.2 結(jié)晶器及工作平臺(tái)部分2.1.3 電力系統(tǒng)及自耗電極輸送機(jī)構(gòu)自動(dòng)控制系統(tǒng)2.1.4 化渣系統(tǒng)2.1.5 輔助系統(tǒng)2.1.6 渣池測(cè)溫系統(tǒng)2.2 電渣熔鑄試驗(yàn)材料2.3 電渣熔鑄工藝試驗(yàn)2.3.1 單因素熔鑄工藝試驗(yàn)2.3.2 多因素工藝試驗(yàn)2.3.3 自耗電極熔化機(jī)理試驗(yàn)參考文獻(xiàn)3 電渣熔鑄過(guò)程的數(shù)學(xué)模型3.1 電渣熔鑄數(shù)值模擬技術(shù)研究的進(jìn)展3.1.1 自耗電極熔化過(guò)程的數(shù)值模擬研究狀況3.1.2 熔鑄過(guò)程中渣池?zé)犭妶?chǎng)的研究狀況3.1.3 熔鑄過(guò)程中渣池磁場(chǎng)流場(chǎng)的研究狀況3.1.4 凝固過(guò)程中微觀組織模擬的研究狀況3.2 電渣熔鑄系統(tǒng)中有關(guān)的數(shù)學(xué)模型3.2.1 基本假設(shè)與計(jì)算區(qū)域3.2.2 熔鑄系統(tǒng)能量守恒方程3.2.3 熔鑄系統(tǒng)電場(chǎng)分布方程3.2.4 熔鑄系統(tǒng)連續(xù)性方程3.2.5 熔鑄系統(tǒng)動(dòng)量方程3.2.6 電極熔化過(guò)程中電極固相率與溫度的關(guān)系3.3 電渣熔鑄系統(tǒng)邊界條件處理3.3.1 自耗電極與其邊界條件3.3.2 渣池與大氣界面條件3.3.3 結(jié)晶器與其邊界條件3.3.4 鑄錠底與底水箱接觸邊界條件3.4 有限元與變分原理3.4.1 有限元簡(jiǎn)介3.4.2 軸對(duì)稱相變問(wèn)題的變分原理參考文獻(xiàn)4 電渣熔鑄過(guò)程渣池?zé)犭妶?chǎng)數(shù)值模擬4.1 電渣熔鑄中渣池?zé)犭妶?chǎng)數(shù)值模擬4.1.1 物理模型4.1.2 電渣熔鑄中渣池穩(wěn)態(tài)時(shí)的電位場(chǎng)4.1.3 電渣熔鑄中渣池穩(wěn)態(tài)時(shí)的溫度場(chǎng)4.1.4 電極下部的渣池中心高溫區(qū)形成機(jī)理4.2 真假雙電極熔鑄過(guò)程的渣池?zé)犭妶?chǎng)模擬4.2.1 物理模型4.2.2 模擬結(jié)果與分析4.3 電渣熔鑄過(guò)程中結(jié)晶器被擊穿的數(shù)值模擬4.3.1 結(jié)晶器被擊穿問(wèn)題的提出4.3.2 不同渣深和偏心度的渣池?zé)犭妶?chǎng)數(shù)值模擬參考文獻(xiàn)5 電極熔化過(guò)程數(shù)值模擬5.1 電極熔化過(guò)程物理模型5.1.1 電極熔化過(guò)程CAD／CAE建模5.1.2 CAD／CAE模型信息傳遞5.2 自耗電極熔化過(guò)程數(shù)值模擬5.2.1 電極熔化初始階段的數(shù)值模擬5.2.2 電極熔化穩(wěn)定階段的數(shù)值模擬5.3 關(guān)于自耗電極熔化的評(píng)定指標(biāo)5.3.1 自耗電極的熔化率5.3.2 熔鑄電流有效功率因數(shù)的計(jì)算5.3.3 電極錐頭提純系數(shù)的計(jì)算5.4 熔鑄工藝參數(shù)對(duì)電極熔化過(guò)程的影響5.4.1 熔鑄電流對(duì)電極熔化過(guò)程的影響5.4.2 渣池深度對(duì)電極熔化過(guò)程的影響5.4.3 冷卻水量對(duì)電極熔化過(guò)程的影響參考文獻(xiàn)6 電渣熔鑄過(guò)程工藝因素對(duì)金屬熔池的影響6.1 工藝因素對(duì)金屬熔池影響的試驗(yàn)6.1.1 試驗(yàn)裝置、方法和數(shù)值模擬的數(shù)學(xué)模型6.1.2 試驗(yàn)結(jié)果6.1.3 數(shù)據(jù)處理6.2 工藝因素對(duì)金屬熔池影響的分析6.2.1 電流對(duì)金屬熔池的影響6.2.2 渣池深度對(duì)金屬熔池的影響6.2.3 冷卻水流量對(duì)金屬熔池的影響6.2.4 電極填充比對(duì)金屬熔池的影響6.2.5 自耗電極端部形狀對(duì)金屬熔池的影響6.2.6 電極偏離中心程度對(duì)金屬熔池的影響6.3 結(jié)論參考文獻(xiàn)7 電渣熔鑄過(guò)程工藝參數(shù)優(yōu)化7.1 電渣熔鑄過(guò)程工藝參數(shù)優(yōu)化系統(tǒng)7.2 電渣熔鑄工藝參數(shù)最優(yōu)化數(shù)學(xué)模型的建立7.2.1 性能指標(biāo)的確定7.2.2 多目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)的確定7.2.3 設(shè)計(jì)變量的選擇7.2.4 約束條件的確定7.3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的建立7.3.1 人工神經(jīng)元數(shù)學(xué)模型7.3.2 誤差反向傳播訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)（BP網(wǎng)絡(luò)）7.3.3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的建立與訓(xùn)練7.4 遺傳算法7.4.1 遺傳算法的基本概念7.4.2 遺傳算法實(shí)現(xiàn)中的一些基本問(wèn)題7.4.3 遺傳算法工具箱介紹7.5 電渣熔鑄工藝參數(shù)優(yōu)化系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)7.6 電渣熔鑄工藝參數(shù)優(yōu)化結(jié)果輸出和檢驗(yàn)7.6.1 優(yōu)化結(jié)果輸出7.6.2 優(yōu)化結(jié)果分析與檢驗(yàn)參考文獻(xiàn)8 電渣熔鑄曲軸設(shè)備及自動(dòng)控制系統(tǒng)8.1 電渣熔鑄曲軸單機(jī)成形設(shè)備及自動(dòng)控制系統(tǒng)8.1.1 自耗電極自動(dòng)輸送機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)8.1.2 電極自動(dòng)輸送機(jī)構(gòu)的機(jī)械設(shè)計(jì)8.1.3 自耗電極夾持機(jī)構(gòu)的協(xié)調(diào)控制（順序控制）8.1.4 電渣熔鑄自耗電極伺服進(jìn)給自動(dòng)控制8.2 系統(tǒng)的抗干擾問(wèn)題8.2.1 硬件抗干擾措施8.2.2 軟件抗干擾措施9 電渣熔鑄金屬液位自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)9.1 電磁式金屬液位自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)9.1.1 電渣熔鑄金屬液位的檢測(cè)環(huán)境9.1.2 檢測(cè)方案分析9.2 電渣熔鑄金屬液面電磁法檢測(cè)系統(tǒng)9.2.1 金屬液面電磁傳感器9.2.2 檢測(cè)系統(tǒng)的組成及信號(hào)處理9.2.3 零點(diǎn)殘余電壓的處理9.2.4 傳感器的標(biāo)定9.2.5 電磁傳感器檢測(cè)金屬液位存在的問(wèn)題9.3 電渣熔鑄金屬液位測(cè)重法檢測(cè)系統(tǒng)9.3.1 測(cè)重法檢測(cè)金屬液位的基本原理及方案選擇9.3.2 測(cè)重法檢測(cè)金屬液位的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)9.3.3 測(cè)重法檢測(cè)金屬液位系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)9.3.4 檢測(cè)系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)附錄附錄一 “電渣熔鑄曲軸一步整體成形及應(yīng)用開(kāi)發(fā)”成果之一：自動(dòng)電渣熔鑄曲軸試驗(yàn)機(jī)附錄二 “電渣熔鑄曲軸一步整體成形及應(yīng)用開(kāi)發(fā)”成果之二：電渣熔鑄金屬液位自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)附錄三 “電渣熔鑄曲軸一步整體成形及應(yīng)用開(kāi)發(fā)”成果之三：大型曲軸自動(dòng)電渣熔鑄機(jī)的研制附錄四 “電渣熔鑄曲軸一步整體成形及應(yīng)用開(kāi)發(fā)”成果之四：關(guān)于G8300z曲軸（4t）產(chǎn)品試制附錄五 國(guó)家“863”項(xiàng)目“電渣熔鑄曲軸一步整體成形及應(yīng)用開(kāi)發(fā)專家驗(yàn)收意見(jiàn)附錄六 南昌大學(xué)最新研制成功的自動(dòng)電渣熔鑄機(jī)和柴油機(jī)曲軸（照片）

章節(jié)摘錄

插圖：1 緒論1.3　電渣重熔（電渣熔鑄）技術(shù)的發(fā)展電渣重熔（電渣熔鑄）技術(shù)起源于20世紀(jì)40年代的美國(guó)，發(fā)明者R.K.Hopkins獲得了“電鑄錠法”專利。但由于缺乏理論研究，R.K.Hopkins及其同事長(zhǎng)期誤認(rèn)為電渣過(guò)程是“埋弧過(guò)程”，所以該技術(shù)未獲推廣?，F(xiàn)代電渣冶金技術(shù)是由前蘇聯(lián)發(fā)展起來(lái)的。烏克蘭巴頓電焊研究院在埋弧焊接過(guò)程發(fā)明了電渣焊，在其基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出電渣冶金技術(shù)。1958年，烏克蘭德聶伯爾特鋼廠建成了世界第一臺(tái)0.5t工業(yè)電渣爐，使電渣冶金進(jìn)入了工業(yè)化生產(chǎn)進(jìn)程。進(jìn)入60年代，出于航空航天及軍備競(jìng)賽的需要，蘇聯(lián)對(duì)電渣冶金開(kāi)展了大量的研究工作，極大地推動(dòng)了電渣冶金的發(fā)展。而美國(guó)和西歐的一些國(guó)家，在真空電弧重熔與電渣重熔二者之間，經(jīng)歷了七年激烈競(jìng)爭(zhēng)后確認(rèn)，電渣重熔不僅設(shè)備簡(jiǎn)單，易于操作，成本較低，而且在質(zhì)量方面，除去氣不如真空電弧重熔外，結(jié)晶組織、脫硫及去除夾雜物的能力、鋼錠表面質(zhì)量等均優(yōu)于真空電弧重熔。因此，很多航空材料轉(zhuǎn)向由電渣重熔設(shè)備生產(chǎn)。由于很多國(guó)家都致力于發(fā)展電渣冶金，電渣冶金（電渣熔鑄）技術(shù)進(jìn)入飛躍發(fā)展的年代。據(jù)有關(guān)資料報(bào)道，現(xiàn)在世界電渣鋼生產(chǎn)能力超過(guò)120萬(wàn)t/a，電渣熔鑄的產(chǎn)品有400多個(gè)品種，涉及到原子能、宇航、船舶、電力、石油化工以及重型機(jī)械等工業(yè)部門。電渣重熔（電渣熔鑄）的發(fā)展主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）鋼錠大型化已成為電渣冶金發(fā)展的必然趨勢(shì)。最初各國(guó)工業(yè)電渣爐容量?jī)H為0.5t，大一些的一般也不超過(guò)3t。80年代中期，很多國(guó)家都有了50t，以上的電渣爐，印度等發(fā)展中國(guó)家也建立了88t電渣爐。目前，世界上最大的電渣爐是我國(guó)上海重型機(jī)器廠的200t電渣爐及德國(guó)薩爾鋼廠的165t電渣爐。世界上最大的電渣鋼生產(chǎn)廠家是烏克蘭德聶伯爾特鋼廠，擁有22臺(tái)電渣爐和年產(chǎn)10萬(wàn)t電渣鋼的生產(chǎn)能力。上海重型機(jī)器廠的200t電渣爐18年來(lái)摸索出一套成熟的工藝，在工藝上的創(chuàng)新是：低氫控制，凝固控制和低鋁控制。

后記

作者在前言中提到：“本書為多年生產(chǎn)試驗(yàn)和科學(xué)研究的總結(jié)，是參與課題研究的南昌大學(xué)教師、研究生，工廠的管理人員、工程技術(shù)人員和工人師傅多年辛勤工作的結(jié)晶?！爆F(xiàn)將參與本課題研究的主要人員名單分列于后，以表感激之情并留作紀(jì)念。

編輯推薦

《電渣溶鑄過(guò)程控制與模擬仿真》由冶金工業(yè)出版社出版。

圖書封面

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