連鑄結(jié)晶器振動工藝參數(shù)研究與快捷模型開發(fā)

1、連鑄結(jié)晶器振動工藝參數(shù)研究與快捷模型開發(fā)胡海紅 盧偉佳 稅瑯 北京科技大學(xué)冶金與生態(tài)工程學(xué)院摘要：為了保證連鑄坯的表面質(zhì)量和脫模順利，研究了與其相關(guān)的連鑄機結(jié)晶器的各種基本參數(shù)和工藝參數(shù)的關(guān)系以及選擇，并建立了相對有效和快捷的選擇結(jié)晶器各種參數(shù)的模型，以供生產(chǎn)廠家及廣大讀者參考。關(guān)鍵詞：結(jié)晶器 負(fù)滑動 振幅 頻率 拉速 振痕1 前言結(jié)晶器的振動是為了改善結(jié)晶器潤滑、避免粘結(jié)，防止拉漏，提高拉速，但是結(jié)晶器的振動卻是鑄坯表面產(chǎn)生振痕。在振痕底部容易產(chǎn)生橫裂紋以及其他相關(guān)缺陷（如裹渣），很嚴(yán)重的影響鑄坯的質(zhì)量，增加生產(chǎn)成本，小方坯的偏離角內(nèi)裂和脫方也和振痕深淺有關(guān)，淺而均勻的振痕可以減少偏離角內(nèi)裂

2、和脫方，所要設(shè)法減少振痕深度。結(jié)晶器的振動方式經(jīng)歷了矩形速度規(guī)律梯形速度規(guī)律正弦速度規(guī)律以及非正弦速度規(guī)律，目前主要有正弦振動和非正弦振動兩種，一般小方坯主要還是用正弦速度規(guī)律。選擇正弦速度規(guī)律的基本出發(fā)點是：打破結(jié)晶器和鑄坯之間要有一定速度關(guān)系的框框，著重發(fā)揮它的脫模作用，并且用偏心輪代替凸輪。其規(guī)律主要如下：（1） 結(jié)晶器與鑄坯之間沒有同步運動階段，但仍有一小段的負(fù)滑動，有利于拉裂坯殼的“愈合”和脫模。（2） 由于速度是按正弦曲線變化的，所以加速度是按余弦曲線變化的，使結(jié)晶器振動比較平穩(wěn)。（3） 由于加速度較小，可以采用較高頻率的振動，有利于消除坯殼的粘結(jié)，提高脫模作用和效果。（4） 正弦

3、振動是用偏心機構(gòu)來實現(xiàn)的，比采用凸輪機構(gòu)優(yōu)越：加工制造容易，潤滑密封方便，運動精度高，易于采用高頻振動。正是基于上述的優(yōu)點和規(guī)律，它是目前國內(nèi)外最廣發(fā)使用的一種振動規(guī)律。它在方坯，板坯和薄板坯連鑄機上都有很廣泛的應(yīng)用。非正弦速度規(guī)律是最近幾年出現(xiàn)的一種新型的振動方式，其主要的特點是：負(fù)滑動時間短，有利于減輕鑄坯表面的振痕深度；正滑動時間較長可以增加保護(hù)渣的消耗量，有利于結(jié)晶器的潤滑；結(jié)晶器向上運動的速度和鑄坯運動的速度差較小，可以減少結(jié)晶器施加給鑄坯的向上作用的摩擦力，可以減少坯殼中的拉應(yīng)力，減少拉裂。然而由于非正弦振動方式比較復(fù)雜，工藝參數(shù)很難選擇，不同的情況有很大的差別，所以目前國內(nèi)外最廣

4、泛使用的還是正弦速度規(guī)律的振動方式，尤其是在小方坯的連鑄機上更是如此，隨著近代工藝的發(fā)展與進(jìn)步，正弦速度規(guī)律已經(jīng)趨于完善和成熟，本課題就是要把這些近于成熟的理論整理出來，構(gòu)建一個模型，以便能客戶能根據(jù)自己的生產(chǎn)情況方便的查閱得到適合他們的情況的各種工藝參數(shù)。2 模型建立結(jié)晶器振動的正弦速度曲線數(shù)學(xué)表達(dá)式為： （1）式中：結(jié)晶器運動速度，m/min；：振動頻率，min-1；：振動沖程，也即振程，是振幅的2倍，mm。由上式可以知道結(jié)晶器振動的速度完全取決于振幅（/2）和頻率，所以振幅和頻率是決定結(jié)晶器正弦振動的運動參數(shù)或者基本參數(shù)。當(dāng)結(jié)晶器向下運動的速度大于拉坯的速度的時，結(jié)晶器里的坯殼收到壓縮，

5、這種情況稱之為負(fù)滑動。對于同一振幅和頻率、拉速的情況下，關(guān)于負(fù)滑動所有的參數(shù)中的獨立參數(shù)只有負(fù)滑動率NS和負(fù)滑動時間tN，它們直接關(guān)系到鑄坯的脫模和表面質(zhì)量，所以稱之為工藝參數(shù)。2.1 正弦振動工藝參數(shù)的確定2.1.1 負(fù)滑動率NS正弦振動的負(fù)滑動率用下式表示： （2）=2/式中：NS：負(fù)滑動率，%;：拉坯速度，m/min；：結(jié)晶器振動的平均速度，m/min；：結(jié)晶器振動的最大速度，m/min。代入上式可知，當(dāng)=時結(jié)晶器中坯殼處于受拉和受壓的臨界狀態(tài)，此時的負(fù)滑動率NS=36.34%。此值為負(fù)滑動率的極限值，當(dāng)時，即NS36.34%時，結(jié)晶器對坯殼不產(chǎn)生負(fù)滑動，當(dāng)，即NS36.34%是產(chǎn)生負(fù)滑

6、動。為了有效的彌補拉漏，通過負(fù)滑動對拉裂的坯殼進(jìn)行“愈合”，所以要求要產(chǎn)生負(fù)滑動。2.1.2 負(fù)滑動時間tN結(jié)晶器從最高的位置開始向下運動，當(dāng)結(jié)晶器向下運動的速度大于拉坯速度時持續(xù)的時間為負(fù)滑動時間tN （3）其中=/，mm×min/m研究證明，振痕深度實際上是有負(fù)滑動時間的長短控制的，減小負(fù)滑動時間可以顯著減小振痕深度，但是負(fù)滑動時間不能太短，以防止坯殼與結(jié)晶器之間發(fā)生粘結(jié)，據(jù)國內(nèi)外有關(guān)文獻(xiàn)，負(fù)滑動時間大多是在0.1s0.25s。如圖表2.1所示：對式（3）取不同的Z值可以畫出負(fù)滑動時間隨振動頻率變化的曲線，稱之為負(fù)滑動時間曲線。由式（2）可以得NS=12/1000得出=1000（

7、1NS）/2Z將此式代入式（3）可得 （4）由式（4）可以看出，給定一組NS的值可以畫出一族tN反比雙曲線，也稱之為負(fù)滑動等值曲線族。其中NS=2.4%時的曲線通過負(fù)滑動時間曲線的最高點，此時負(fù)滑動時間最大。圖表2.1負(fù)滑動時間曲線圖2.2 正弦振動基本參數(shù)的確定合理的工藝參數(shù)是通過基本參數(shù)的正確或者說合理的選擇來實現(xiàn)的，也就是說正弦振動的基本參數(shù)振幅和頻率的確定應(yīng)以獲得最佳的而工藝參數(shù)為前提，以確保鑄坯的順利脫模以及獲得質(zhì)量良好的鑄坯。而一般認(rèn)為，負(fù)滑動時間越小，振痕深度越??；但為了保證順利脫模和避免拉漏，又要求負(fù)滑動時間不能呢個太小。2.2.1 振幅不同的鋼種、斷面所對應(yīng)的拉速是不同的，所

8、以連鑄機結(jié)晶器的振動裝置是可調(diào)的。確定振幅的最大值時要考慮到在最大拉速時也不能使Z值太小，在避免臨界頻率過大的的前提下，盡量采用小振幅；確定振幅最小值時，則要考慮到最小拉坯速度時Z值不能太大，要獲得較短的負(fù)滑動時間。2.2.2 頻率確定頻率，主要要保證負(fù)滑動時間取電較小的值，或者說最佳的值。參看圖（1）負(fù)滑動時間曲線族，為了便于控制和保證較低的負(fù)滑動率，我們可以得到：不宜采用低頻率，但也不能太高，要考慮到保證結(jié)晶器的振動處于良好的運動狀態(tài)和受力狀態(tài)。同時振幅和頻率的選擇還要考慮到保護(hù)渣的消耗量，因為保護(hù)渣的消耗量是保證植皮和結(jié)晶器之間的潤滑的前提，尤其是對侵入式水口保護(hù)渣澆鑄的連鑄機。綜上所述

9、，一般我們采用較高頻率和較小的振幅來滿足上述要求，保護(hù)渣方面也可以通過降低保護(hù)渣的粘度來提高結(jié)晶器和鑄坯之間的潤滑。2.3 正弦振動同步控制模型澆鑄過程的拉速是會隨工況的變化而變化的，拉速變化的同時如果振動的基本參數(shù)不變的話，則必然引起工藝參數(shù)的變化，從而影響鑄坯的表面質(zhì)量好而順利脫模。所以拉速如果變化的話，必須相應(yīng)的改變基本參數(shù)，拉速同頻率、振幅的對應(yīng)關(guān)系稱為同步模型。2.3.1 拉速和頻率之間的匹配頻率和拉速的匹配關(guān)系，不僅影響負(fù)滑動時間的大小，還影響振痕深度和振痕間距的大小，由于振痕間距只與頻率和拉速有關(guān)，見下式：式中為振痕間距，mm?？梢?，振痕間距唯一取決于頻率與拉速的匹配關(guān)系。在確定

10、頻率與拉速的匹配關(guān)系時，需要注意的一個問題是，當(dāng)拉速較低，負(fù)滑脫時間較長，振痕較深時，振痕間距不可過小。頻率和拉速匹配關(guān)系的一般表達(dá)式為： 式中、均為常數(shù)。分析：當(dāng)=0，=1時，隨的值不同，振痕間距取不同的恒定值，但是這種狀態(tài)僅適合于一定拉速區(qū)間，存在很多的不足。當(dāng)=0時，隨著的不同（取=100時），可以得到一系列-曲線圖，如下圖表2.2所示。由圖可知，在低拉速情況下，由于振痕較深，應(yīng)使振痕間距盡量大一些，以保證鑄坯表面質(zhì)量，所以應(yīng)使1；而在高拉速的情況下，控制坯殼粘結(jié)是主要的問題，一般使1。但據(jù)前輩們的研究，克服了傳統(tǒng)模型的即模型存在的當(dāng)增大時會造成tN過小從而不能保證順利脫模的缺點，加入常

11、數(shù)項得，能克服上述缺點。隨著科技的發(fā)展，模型問世，該模型主要特點是頻率隨著拉速的增大而降低，主要優(yōu)點是負(fù)滑動時間近似于常數(shù)，從而正滑動時間增大。它可以在整個澆鑄過程中獲得良好、穩(wěn)定的鑄坯表面質(zhì)量，而且由于保護(hù)渣的消耗量是拉速的減函數(shù)，正滑動的增函數(shù)，因此它還可以在整個澆鑄過程中保持適宜的保護(hù)渣消耗量，使坯殼在結(jié)晶器中獲得良好的潤滑。圖表2.2=0、=100時-曲線族2.3.2 振幅和拉速的匹配關(guān)系其他條件不變，隨振幅減小，結(jié)晶器振動的最大速度變小，渣道所受壓力減小，而負(fù)滑脫時間也變小，振痕深度減小，但由于由于受負(fù)滑脫時間率的限制，振幅的調(diào)節(jié)范圍有限。同時振幅、頻率和拉速還要保證保護(hù)渣的消耗量，

12、總之，要減輕振痕，我們就要：增大振動頻率、減小振幅、適當(dāng)?shù)靥岣呃魉俣群捅Ｗo(hù)渣黏度，并注意各參數(shù)之間的匹配。3 模型計算3.1 負(fù)滑動率,負(fù)滑動時間以及臨界頻率的計算負(fù)滑動率結(jié)晶器振動的平均速度=2/1000則負(fù)滑脫率為2、負(fù)滑動時間臨界頻率=1000/3.14ZZ值(振動沖程與拉速的比值)=/根據(jù)以上對負(fù)滑脫時間、負(fù)滑脫率以及極限頻率進(jìn)行計算的結(jié)果我們要先判斷是否滿足下列要求：負(fù)脫率的取值區(qū)間為NS=0.2至-2.4；負(fù)滑脫時間最佳值為0.1s。時間過短對脫模不利，摩擦增大；時間過大，振痕加深，影響表面質(zhì)量；Z值與臨界頻率成反比的關(guān)系，Z之不能太小，否則會造成臨界頻率太高，從而會影響負(fù)滑動時

13、間偏低，影響脫模。（見圖表2.1）3.2 參數(shù)調(diào)整通過負(fù)滑動時間曲線圖，可以看出負(fù)滑動時間都有最高點，經(jīng)計算可知此點的負(fù)滑動率NS=0.024，之后隨著頻率的提高，負(fù)滑動時間越來越小，特別是當(dāng)Z<3時負(fù)滑動時間均<0.1s，負(fù)滑動時間較短。在這種情況下，為了保證良好的潤滑，滿足正常脫模，必須采用相對大的負(fù)滑動時間。1、最大負(fù)滑動時間的公式為max=0.0336657/由上述公式可知，首先應(yīng)確定振幅，才能計算出最大負(fù)滑動時間，然后再推算出相應(yīng)的頻率。2、振幅的確定首先從負(fù)滑動時間曲線圖可知，Z值過小時，會造成臨界頻率過大，必須采用更高的振頻，但是負(fù)滑動時間越來越小；Z值過大(大于4時

14、)，頻率的微小變化會引起的很大變化，就會造成在實際操作中較難控制，且易產(chǎn)生振痕等缺陷。調(diào)整原則：在滿足最大拉坯速度時不使Z值過小的前提下盡量減小振幅。同時考慮到在最小拉速時也不使Z值過大以獲得合適的負(fù)滑動時間。以下是我們根據(jù)河南安陽鋼鐵公司二煉軋廠六流小方坯連鑄機的相關(guān)數(shù)據(jù)，并在滿足如下原則的情況下：在滿足最大拉坯速度時不使Z值過小的前提下，盡量采用小振幅，也要滿足臨界頻率較低，同時能滿足拉速的要求。處理數(shù)據(jù)如下表所示表格 3.1振幅的選擇與Z值和臨界頻率關(guān)系項 目斷面/mm振幅/mm3.54.04.55.05.5臨界頻率/次/min120182159141127116150114110888072Z值1201.752.02.252.502.751502.83.23.64.04.43.3 選擇平均拉速時的頻率原則（1）保證一定的負(fù)滑脫率，負(fù)滑脫率應(yīng)滿足NS=0.202.4，（2）為保證脫模，負(fù)滑動時間盡可能大方法：根據(jù)選用的振幅和平均拉速來計算最大負(fù)滑動時間和負(fù)滑脫率，再推算出相應(yīng)的頻率。最大負(fù)滑動時間可有公式 max=0.0336657/計算得到當(dāng)負(fù)滑動時間最大時，負(fù)滑脫率NS=0.024，頻率可有公式=1000(1-NS)/2Z求得。3.4 選用振動模式在一般情況下當(dāng)3.0m/min時，采用或者振動模式當(dāng)>3.0m/min時, 采用振動