冶金行業(yè)結(jié)晶器振動培訓(xùn)手冊-論文指導(dǎo)設(shè)計-

結(jié)晶器振動參數(shù)優(yōu)化Wednesday,

June02,

20211連鑄技術(shù)21概述2結(jié)晶器振動參數(shù)的分析3非正弦振動運動分析連鑄技術(shù)31概述1.1結(jié)晶器振動的作用結(jié)晶器振動的作用有如下兩點：①防止鑄坯在凝固過程中與結(jié)晶器銅壁發(fā)生粘結(jié)而出

現(xiàn)坯殼拉裂或漏鋼事故。在結(jié)晶器上下振動時，按振

動曲線周期性地改變鋼液面與結(jié)晶器銅壁的相對位置，對坯殼有一個強制脫模的作用，并使得拉漏的坯殼在

結(jié)晶器內(nèi)部得以焊合。②減小拉坯阻力及改善鑄坯表面質(zhì)量。在結(jié)晶器振動過程中，通過保護渣在結(jié)晶器銅壁的滲透可以改善其潤滑條件，防止高溫凝殼與結(jié)晶器銅壁的粘結(jié)，同時減少了拉坯時的摩擦阻力及改善了鑄坯的表面質(zhì)量。連鑄技術(shù)41.2結(jié)晶器振動方式的發(fā)展過程大致分為四個時期：①同步振動同步振動的特點是結(jié)晶器向下振動時，其速度與其拉坯速度相等，即同步。若設(shè)V為拉坯速度，Vm為結(jié)晶器振動速度，V1為上升速度，V2為下降速度，則同步振動應(yīng)滿足以下條件：V1=3V；

V2=V同步振動的優(yōu)點是：結(jié)晶器能實現(xiàn)與拉坯速度同步運動，對鑄坯有利。其缺點是振動機構(gòu)必須與拉坯速度實行嚴(yán)格的同步聯(lián)鎖，當(dāng)結(jié)晶器由往下振動轉(zhuǎn)為往上運動的轉(zhuǎn)折處加速度過大，機構(gòu)中會產(chǎn)生相當(dāng)大的沖擊，因此，現(xiàn)已不再采用。連鑄技術(shù)1—同步式振動

2—負(fù)滑脫振動

3—正弦振動圖

1結(jié)晶器振動方式5連鑄技術(shù)6負(fù)滑動振動負(fù)滑動振動是指當(dāng)結(jié)晶器往下振動時，其速度大于拉坯速度，形成負(fù)滑動。即：V2=V（1-NS）而往上振動時，取V1=2.8

~

3.2V2式中NS為負(fù)滑動率，說明結(jié)晶器平均下降速度大于拉速，產(chǎn)生負(fù)滑動。負(fù)滑動振動的特點是：結(jié)晶器先以比拉速稍高的速度下降一段時間出現(xiàn)負(fù)滑動或負(fù)滑脫。此時坯殼處于受壓狀態(tài)，既有利于強制脫模又有利于斷裂坯殼的壓合。然后再以較高的速度上升，克服了同步振動時產(chǎn)生較大加速度的缺點。結(jié)晶器在下降或上升過程中都有一段穩(wěn)定運動時間，有利于坯殼的生成和裂紋的愈合。連鑄技術(shù)7③正弦振動結(jié)晶器振動時的運動速度隨時間的變化呈一條正弦曲線。其特點是：結(jié)晶器在整個振動過程中速度一直是變化的，即鑄坯與結(jié)晶器時刻都存在相對運動。在結(jié)晶器下降過程中有一段負(fù)滑動，能防止和消除粘結(jié)，具有脫模作用；另外，由于結(jié)晶器的運動速度是按正弦規(guī)律變化的，加速度必然按余弦規(guī)律變化，所以過度比較平穩(wěn)，沖擊力也較小。連鑄技術(shù)8④非正弦振動對于傳統(tǒng)的正弦振動來說，其特性完全取決于振幅和振動頻率兩個獨立的振動參數(shù)。當(dāng)波形調(diào)節(jié)能力小時難以滿足上述要求。而非正弦振動的最大特點是上升時間比下降時間長，因而加大了保護渣的消耗量，使結(jié)晶器彎月面附近的液體摩擦力減少，可以得到表面質(zhì)量優(yōu)異的鑄坯，能滿足連鑄生產(chǎn)的要求。非正弦振動曲線大致可分為三角形振動波形、三角多項式波形、普通的非正弦波形和改進的非正弦波形等。連鑄技術(shù)92結(jié)晶器振動參數(shù)的分析2.1結(jié)晶器的振動參數(shù)與結(jié)晶器振動有關(guān)的振動參數(shù)主要有：如振幅和頻率，這是決定結(jié)晶器運動的振動參數(shù)稱為結(jié)晶器振動基本參數(shù)，另外與“負(fù)滑脫”相關(guān)的振動參數(shù)如負(fù)滑動率NS、負(fù)滑脫時間

tN和負(fù)滑脫時間率

NSR，由于這些負(fù)滑脫參數(shù)直接關(guān)系到鑄坯的脫模和鑄坯的質(zhì)量，所以負(fù)滑脫參數(shù)被稱為工藝參數(shù)。結(jié)晶器振幅A，因為正弦振動是由偏心輪－桿機構(gòu)實現(xiàn)的。因此，振幅可直接由偏心輪的偏心距，通過桿系的換算得到。也可按速度－時間正弦曲線的半波面積計算獲得：連鑄技術(shù)結(jié)晶器運動速度曲線10連鑄技術(shù)負(fù)滑脫時間TN11連鑄技術(shù)12結(jié)晶器振動時，只有當(dāng)結(jié)晶器振動速度Vm大于

拉坯速度V時才出現(xiàn)負(fù)滑動。負(fù)滑脫是指在一個振動周期內(nèi)，結(jié)晶器向下的運動速度比

鑄坯向下的運動速度（拉速）要快的時間，

在負(fù)滑脫期內(nèi)，凝固坯殼將受壓而使被拉裂

的坯殼加以“焊合”，起到防止拉漏的作用，所以在結(jié)晶器振動時應(yīng)有一定的負(fù)滑脫時間，但過長的負(fù)滑脫時間反而會使鑄坯的表面質(zhì)

量變壞。在拉速一定時，負(fù)滑脫時間的長短

是由結(jié)晶器振動的頻率和幅度決定的。連鑄技術(shù)13連鑄技術(shù)14通過Tn-f曲線可以看出，當(dāng)振動頻率

f較低時，振幅和拉速的變化對負(fù)滑脫的影響很大，而且振動頻率的波動對負(fù)滑脫時間也有很大影響；但當(dāng)振動頻率提高到一定值后，振幅、拉速、振動頻率的變化對負(fù)滑脫時間幾乎沒有影響，負(fù)滑脫時間也趨于相同。隨著振動頻率提高后，負(fù)滑脫時間變短且趨于穩(wěn)定，但當(dāng)振動頻率提高到一定值后，振幅、拉速、振動頻率的變化對負(fù)滑脫時間的影響幾乎沒有，負(fù)滑脫時間也趨于相同。因此說，振動頻率提高后，負(fù)滑脫時間變短且趨向穩(wěn)定。連鑄技術(shù)15負(fù)滑脫時間率NSR負(fù)滑脫時間率NSR可以定義為在一個振動周期內(nèi)負(fù)滑脫時間Tn與半個振動周期時間的百分比值。即NSR=(2Tn

/T)×100%。由公式可以繪制不同振幅、不同拉速下的NSR-

f曲線。由NSR-f曲線可知，振動頻率越高，振幅和拉速對負(fù)滑脫時間率NSR的影響越小，但NSR越大。連鑄技術(shù)16連鑄技術(shù)由于負(fù)滑脫時間率是負(fù)滑脫時間與振動半周期的比率，它反映了負(fù)滑脫時間、正滑脫時間的比值大小，所以，以負(fù)滑脫時間率NSR來判定結(jié)晶器的脫模能力是合理的，據(jù)此，結(jié)晶器的振動參數(shù)應(yīng)保證較低的負(fù)滑脫時間和較高的負(fù)滑脫時間率，這種工藝要求只有在高頻振動、小振幅的情況下條件下才能得到滿足。17連鑄技術(shù)負(fù)滑脫率NS由上式可知：通過控制

NS可控制

tN，當(dāng)

Vc=Va時，結(jié)晶器中的坯殼處于受拉和受壓的臨界狀態(tài)，此時的負(fù)滑動率NS＝-36.4％。當(dāng)NS＜-36.4%時，將不會出現(xiàn)負(fù)滑脫時間

tN。18連鑄技術(shù)19在設(shè)計振動參數(shù)中，往往用負(fù)滑脫率

NS作為計算的依據(jù)，這個模型廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外的連鑄設(shè)計中。NS一般是給定值，如曼內(nèi)斯曼（Munnesmann）的取值為

20％～40％，而康卡斯特（Concast）取20％～（－20）％，故上式稱作負(fù)滑動率結(jié)晶器振動數(shù)學(xué)模型。傳統(tǒng)的觀念認(rèn)為，負(fù)滑脫率

NS是一個重要的工藝參數(shù)，其最佳值在30—35%左右，負(fù)滑脫時間率NSR在55%—80%之間。基于這種認(rèn)識，目前許

多連鑄機仍采用

NS為常值的振動模型，這時的振動頻率

f與拉坯速度Vc成正比。連鑄技術(shù)202.2振動參數(shù)對鑄坯質(zhì)量的影響(1)結(jié)晶器振動參數(shù)對鑄坯振痕的影響由結(jié)晶器振動在鑄坯表面形成的橫向痕跡稱為振痕。振痕深度是衡量鑄坯表面質(zhì)量的重要標(biāo)準(zhǔn)之一，過深的振痕會造成鑄坯表面裂紋和成分的偏析。大量的實驗表明，振痕深度與負(fù)滑脫時間有關(guān)，負(fù)滑脫時間越短，振痕深度就越淺。縮短負(fù)滑脫時間、降低振幅和提高振動頻率均可以減少鑄坯的振痕，改善鑄坯質(zhì)量連鑄技術(shù)負(fù)滑脫時間與振痕深度之間的關(guān)系21連鑄技術(shù)22結(jié)晶器振動參數(shù)對拉速的影響研究表明，采用高頻振動有利于提高拉坯速度，而且提高拉速還有利于減少振痕。但在一定的工藝條件下，拉坯速度受到冷卻速度及設(shè)備精度的限制，提高拉速將會導(dǎo)致拉漏率的上升。連鑄技術(shù)232.2.結(jié)晶器正弦振動的特性分析目前描述負(fù)滑脫的參數(shù)較多，對于同一振幅、頻率和拉速的情況下，這些參數(shù)給出了不同的數(shù)值。但它們當(dāng)中獨立的參數(shù)只有兩個：負(fù)滑動率

NS和負(fù)滑脫時間tN。因為負(fù)滑脫參數(shù)直接關(guān)系到鑄坯的脫模和鑄坯的質(zhì)量，所以參數(shù)

NS和tN被稱為工藝參數(shù)。目前國外有關(guān)文獻報道，大多數(shù)的負(fù)滑脫時間取值范圍在

0.1s

~

0.25s，認(rèn)為對于不同的鋼種最佳負(fù)滑動時間為

0.1s左右。至于負(fù)滑動率

NS，國內(nèi)外有關(guān)文獻報道在

NS值為-20%～240%范圍內(nèi)變化進行澆鑄，結(jié)果對鑄坯脫模及表面質(zhì)量沒有任何不利影響?？梢姡瑢τ谪?fù)滑動率

NS的取值范圍是很寬的，工藝參數(shù)的確定主要是確定負(fù)滑動時間。連鑄技術(shù)負(fù)滑動時間曲線及特點24連鑄技術(shù)25①NS＝2.4％的等值反比雙曲線相交于負(fù)滑動時間曲線的峰值，將負(fù)滑動時間曲線族分成兩個區(qū)域。②對于任何

z值都有相應(yīng)的

tN＝0，此點的頻率用

f0表示，稱為臨界頻率。當(dāng)

f≤f0時不出現(xiàn)負(fù)滑脫。③當(dāng)

NS>2.4％時，負(fù)滑動時間曲線隨頻率

f的增加而上升，特別是當(dāng)

z值較大時，如

z>5時，曲線急劇上升。④當(dāng)

NS<2.4％時，負(fù)滑動時間曲線隨頻率

f的增加而下降，特別是當(dāng)

z值較小時，如

z<5時，曲線下降得非常緩慢。連鑄技術(shù)26正弦振動同步控制模型（1）正弦振動同步控制模型的概念及特點拉速同頻率、振幅的對應(yīng)關(guān)系稱為同步控制模型。由于振幅在生產(chǎn)時不便于調(diào)整，而振動頻率的調(diào)整卻可以通過調(diào)整電機轉(zhuǎn)數(shù)而輕而易舉地得到實現(xiàn)。所以從實際操作來講調(diào)整振動頻率還是比較實際的。當(dāng)然，隨著液壓伺服振動方式的使用，使得方便地調(diào)整振幅變?yōu)榭赡?。本文暫且討論拉速與頻率之間的同步控制模型。從本質(zhì)上看，拉速—頻率同步控制模型的建立是在不同工況下對頻率的動態(tài)選擇。因此，它的建立仍然是以工藝參數(shù)

tN、Ns為基礎(chǔ)。為了便于拉速—頻率之間對應(yīng)關(guān)系的建立，可在拉速

Vc和頻率

f直角坐標(biāo)系中繪出

tN和Ns的等值曲線族。連鑄技術(shù)27連鑄技術(shù)28①全部

tN曲線與

Ns＝-0.024的射線交于頂點，在一定的拉速范圍內(nèi)，對于任何一拉速和

tN曲線都有兩個交點，它們分別對應(yīng)一個高頻率和一個低頻率。這兩個頻率對應(yīng)相同的負(fù)滑動時間。②全部

tN、Ns曲線相交于坐標(biāo)系原點

0點，曲線的下部相互靠近，并重合于Ns＝-0.3634(負(fù)滑動率極限值)曲線。s值越大它們越靠近，tN值越小它們重合的線段越長，tN＝0時與

Ns＝-0.3634曲線全部重合。③增大

s值，可增大

tN曲線在拉速

Vc軸上的投影，因此可根據(jù)不同的工作拉速選擇相應(yīng)的

s值。連鑄技術(shù)29正弦振動同步控制模型f=aVc控制模型

f=aVc+b控制模型

f=b控制模型f=-aVc+b控制模型。傳統(tǒng)的同步控制模型為f=aVc型,式中f為振動頻率，Vc為拉坯速度，a和b為常數(shù)。這個模型曾被廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外早些時候投產(chǎn)的連鑄機，其主要特點是負(fù)滑脫率Ns保持為常數(shù)。連鑄技術(shù)303

非正弦振動運動分析與結(jié)晶器正弦振動相比，結(jié)晶器非正弦振動隨時間變化的振幅最大值有一段滯后，正是這段時間上的滯后，使結(jié)晶器上升速度較小而移動時間較長。這樣即可保證結(jié)晶器與坯殼反向運動時，由兩者速度差決定的摩擦力小于正弦振動的摩擦力。同時，在結(jié)晶器下移過程中，非正弦振動下移速度快而移動時間短，其負(fù)滑脫時間比正弦振動時更短。這有利于進一步減小振痕深度，且在負(fù)滑脫期間，結(jié)晶器相對坯殼下移動距離等于甚至大于正弦振動時的下移距離，從而保證對坯殼的壓合效果。連鑄技術(shù)31連鑄技術(shù)通常把結(jié)晶器非正弦振動視為結(jié)晶器正弦振動的演變，結(jié)晶器非正弦振動相對于結(jié)晶器正弦振動的改變程度用修正系數(shù)

α

表示。根據(jù)結(jié)晶器非正弦振動波形修正系數(shù)的定義，α

取值范圍為-1—+1。α

<0為早期的負(fù)滑脫振動；α=0為正弦振動；α>0為非正弦振動。32連鑄技術(shù)波形修正系數(shù)對負(fù)滑脫時間的影響33連鑄技術(shù)34α越大，tN的零點

f0及峰值點f1向左移動；反之，f0、f1向右移動，因此，對同一拉速和振幅，非正弦振動所要求的最小頻率低于正弦振動所要求的最小頻率，且兩者差值隨α的增加而增加。換句話說，就是在相同振幅和頻率的條件下，非正弦振動所能允許的最大拉速大于正弦振動所允許的最大拉速。這正是結(jié)晶器非正弦振動能提高拉速的原因。因此可知，α越大越有利。但若α取值過大，則使結(jié)晶器向下運動的加速度變得很大，從而造成對設(shè)備的沖擊和工作的不平穩(wěn)。若α取值太小，非正弦振動的優(yōu)越性又不能充分發(fā)揮出來。根據(jù)目前的使用經(jīng)驗，一般

α≤40％。連鑄技術(shù)35（2）非正弦振動工藝參數(shù)結(jié)晶器非正弦振動具備最佳振動模型的全部特征，因此，反映該特征的全部參數(shù)即為非正弦振動的工藝參數(shù)。其工藝參數(shù)有負(fù)滑動時間tN、負(fù)滑動率Ns、負(fù)滑動時間率NSR、負(fù)滑動超前量NSA和正滑動速度差△v。連鑄技術(shù)①負(fù)滑動時間tN在其它參數(shù)為常數(shù)時，α越大，負(fù)滑脫時間越短，振痕越淺。目前，正弦振動

tN的取值已從過去的

0.5s減少到0.25~0.10s，甚至更短。但如tN過短將不利于脫模及拉裂坯殼的“愈合”。一般對于低碳鋼

tN應(yīng)不小于0.1s，而中碳鋼

tN應(yīng)不小于

0.07~0.10s。36連鑄技術(shù)②負(fù)滑動率Ns根據(jù)正弦振動的操作實踐可知，Ns取值范圍很寬，文獻報道

Ns可取+18.9％~-20％。37連鑄技術(shù)③負(fù)滑動時間率NSR對于給定的α

值，NSR和

Ns是兩個相關(guān)量，而不是獨立的參數(shù)。因此，NSR有與

Ns相對應(yīng)的取值范圍。由于保護渣的消耗量與

tp成正比，雖然

Ns、NSR

的取值范圍很寬，但它們的取值應(yīng)使正滑動時間tp較長為好。38連鑄技術(shù)④負(fù)滑動超前量NSA該參數(shù)為負(fù)滑動時間內(nèi)結(jié)晶器相對鑄坯的位移量，它是負(fù)滑動量的綜合反映。從正弦振動的經(jīng)驗看，一般

NSA＝3~5

mm。NSA<2~3mm時，坯殼易粘結(jié)。而

NSA>5

mm時，振痕加深。日本福山廠的

5號板坯連鑄機非正弦振動的取值NSA＝3.80~5.11

mm。39連鑄技術(shù)⑤正滑動速度差△v正滑動速度差△v是指結(jié)晶器向上運動速度的最大值和拉坯速度之差。在結(jié)晶器上部彎月面附近，坯殼與結(jié)晶器之間的摩擦力發(fā)生在液體渣膜處。液體摩擦力

ft與正滑動速度差△v與液體渣膜厚度

d1成反比。因此，△v取較小值可以減小

摩擦力。40連鑄技術(shù)413.3

非正弦振動基本波形參數(shù)的確定在實際振動中，合理確定振幅、振動頻率和波形偏斜率值是獲得較好鑄坯表面質(zhì)量的關(guān)鍵因素。1）振動頻率的選擇在所有的振動形式中，其負(fù)滑動時間與振動頻率的變化曲線，即

tN--f曲線被稱為結(jié)晶器振動的負(fù)滑動特征曲線，它是選擇振動頻率的主要依據(jù)。

tN--f曲線給出了當(dāng)α＝０,0.2和0.4, vc

=

1.4m/min和h=2.5mm時的負(fù)滑動特征曲線。分析這些曲線的特點可知：①對于任何給定的v/h值，都有一個f=f0(圖中各條曲線的峰點)的臨界振動頻率。例如，當(dāng)α＝０.2時，由

t

N=0可得到f0=74.3min。當(dāng)

f<f0時，tN不存在。此區(qū)域無法控制粘結(jié)，取f值時應(yīng)避開此區(qū)域；連鑄技術(shù)42振動頻率的選擇②在f0<f≤f1(圖中各條曲線與橫坐標(biāo)的交點)區(qū)域內(nèi)，tN為f的增函數(shù)，曲線斜率較大，即使f微小波動也會造成tN的極大變化，可以將此區(qū)域稱為非穩(wěn)定區(qū)，取f值時應(yīng)避開此區(qū)域；③在f>f1區(qū)域內(nèi)，t

N為f