热镀锌低频电磁封流的有限元数值模拟

论文摘要

随着汽车、家用电器、电脑等行业的迅猛发展，镀锌板在人们日常生活中的需求量日益增加。然而，传统的热镀锌工艺中，沉没辊对钢带造成的表面缺陷、沉没辊对锌液的污染及沉没辊的自腐蚀大大地制约着镀锌板质量和产量的提高。取消沉没辊，实现无沉没辊热镀锌工艺成为迫切的需要。电磁封流热浸镀技术为解决以上问题提供了新的途径。目前，国内外的电磁封流热浸镀技术尚属于实验研究阶段。为此，本文以电磁学理论为出发点，尝试对电磁封流技术进行数值模拟研究，寻找影响电磁封流的各种因素及其变化规律，为实验研究提供理论依据。以数值模拟辅助实验研究，不仅能够得到更加详细、准确、全面的数据结果，同时也会大大缩短科研周期。因此，本文以低频行波磁场理论为基础，推导出了电磁封流的理论公式，利用ANSYS数值模拟软件，运用麦克斯韦电磁方程组作为控制方程，在经过合理的简化后，构建了数值模拟模型，用以模拟电磁封流过程。并依据此模型设计并制造了实验设备，通过实验数据与模拟结果的对比，从固态悬浮到液态磁封两个方面验证了计算模型与计算方法的正确性。电磁封流过程的数值模拟是通过ANSYS模拟软件中电场与磁场的直接耦合方式计算实现。通过研究锌液周围磁场、锌液内部感生电流及锌液所受电磁力的变化规律，得到了电流强度、电流频率等加载参数；镀槽与磁极间隙及相对位置；以及镀槽宽度及镀槽材质对锌液所受电磁力的影响规律。结果表明：在本文计算条件下，当电流强度为80A，电流频率为50Hz时可以获得最佳的电磁力；磁极与镀槽的间隙不大于7.5mm时，镀槽放置在磁极中间时锌液受到的电磁力不仅大而且平稳；此外，镀槽材质决定了锌液内部横向电流密度的分布情况，在制造实验设备时，合理选择镀槽材质且镀槽宽度不小于300mm；有利于获得更好的磁封效果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 文献综述
• 1.1 热镀锌工艺发展过程
• 1.1.1 单张热镀锌钢板的生产
• 1.1.2 线外退火的钢板连续热镀锌
• 1.1.3 在线退火带钢连续热镀锌生产线
• 1.2 带钢热镀锌热浸镀技术的现状
• 1.2.1 沉没辊热浸镀技术
• 1.2.2 无沉没辊热浸镀技术
• 1.3 ANSYS 在电磁领域中的应用
• 1.3.1 ANSYS 简介
• 1.3.2 ANSYS 在电磁领域中的应用
• 1.4 本文研究的主要内容
• 2 电磁封流理论基础
• 2.1 基本定律
• 2.2 趋肤效应与透入深度
• 2.2.1 趋肤效应
• 2.2.2 透入深度δ
• 3 热镀锌电磁封流数值模拟模型
• 3.1 电磁封流控制方程
• 3.1.1 高斯定律
• 3.1.2 安培环路定律
• 3.1.3 法拉第电磁感应定律
• 3.1.4 高斯磁通定律
• 3.1.5 Maxwell 方程组的微分形式
• 3.1.6 电磁场中常见的边界条件
• 3.2 用磁矢量位法分析三维涡流场
• 3.3 电磁力微分公式
• 3.4 电磁封流数值模拟模型
• 3.4.1 模型的建立
• 3.4.2 单元选择及模型离散化
• 3.4.3 初始条件及边界条件
• 4 模型计算结果的实验验证
• 4.1 锌板磁悬浮模拟计算及实验验证
• 4.2 液态镓磁封模拟验证
• 4.3 本章小结
• 5 电磁封流数值模拟结果及分析
• 5.1 线圈与铁芯的磁感应强度分布
• 5.2 锌液的电流密度分布
• 5.3 电磁封流电磁力的影响因素
• 5.3.1 电流强度对电磁力的影响
• 5.3.2 电流频率对电磁力的影响
• 5.3.3 镀槽与磁极的间隙对电磁力的影响
• 5.3.4 锌液与磁极相对位置对电磁力的影响
• 5.3.5 镀槽宽度对电磁力的影响
• 5.3.6 镀槽材质对电磁力的影响
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢