結(jié)晶器正弦振動(dòng)參數(shù)的取值限度及其與拉速的匹配關(guān)系

結(jié)晶器正弦振動(dòng)參數(shù)的取值限度及其與拉速的匹配關(guān)系張洪波(唐山鋼鐵集團(tuán)公司)摘要：正、負(fù)滑脫時(shí)間是結(jié)晶器振動(dòng)的兩個(gè)主要工藝參數(shù)，負(fù)滑脫時(shí)間影響振痕深度，正滑脫時(shí)間影響保護(hù)渣消耗。為使結(jié)晶器振動(dòng)取得最佳工藝效果，正、負(fù)滑脫時(shí)間應(yīng)合理選擇，由此結(jié)晶器正弦振動(dòng)參數(shù)不僅具有一定的取值限度，而且還應(yīng)與拉坯速度合理匹配。本文探討了結(jié)晶器正弦振動(dòng)振幅的取值限度和頻率與拉速的最佳匹配關(guān)系。LimitationofparametersforsinusoidaloscillationandmatchingrelationbetweenoscillatoryparametersandcastingspeedZhangHongbo(TangshanIronandSteelGroupCompang)Abstract:Positiveandnegativestrippingtimearemainprocersparametersofmouldoscillation,negativestrippingtimehasagreatinfluenceonthedepthofoscillationmark,positivestrippingtimehasagreatinfluenceonpowderconsumption.Inordertoobtainthebestprocessresultofmouldoscillation,thevalueofpositivenegativestrippingtimeshouldbereasonable.Asaresult,theoscillatingparametersofmouldnotonlyshouldhavethedefiniterangeofvalue,butalsoshouldhavesuitdeterminginaccordancewithcastingspeed.Thispaperdiscussedthelitmitationofthestrokeforsinusoidalmouldoscillationandthebestmatchingrelationbetweenoscillatingfreguencyandcastingspeed.1前言結(jié)晶器振動(dòng)的目的是防止結(jié)晶器銅壁與坯殼粘結(jié)而發(fā)生漏鋼事故。在振動(dòng)過程中會(huì)產(chǎn)生負(fù)滑脫運(yùn)動(dòng)，并在鑄坯表面造成周期性振痕，從而影響鑄坯質(zhì)量?？刂普窈凵疃群头乐古鳉そY(jié)晶粘結(jié)有一定的矛盾。常規(guī)連鑄中，為減少振痕深度，振動(dòng)參數(shù)多采用低振幅、高頻率；高速連鑄時(shí)，隨拉速的提高，保護(hù)渣的消耗量和粘度、控制坯殼粘結(jié)也是主要內(nèi)容。由此提出，在一定目標(biāo)拉速和保證負(fù)滑脫運(yùn)動(dòng)的前提下，振動(dòng)參數(shù)是否應(yīng)有一定的取值限度。結(jié)晶器振動(dòng)效果取決于振動(dòng)參數(shù)，主要是正、負(fù)滑脫時(shí)間的取值，而振動(dòng)參數(shù)與拉速的匹配關(guān)系是決定兩者大小的關(guān)鍵因素。為得到負(fù)滑脫運(yùn)動(dòng)，振動(dòng)參數(shù)應(yīng)隨拉速的提高而改變，同于振幅在連鑄過程中難以隨拉速連續(xù)變化，一般采用頻率與拉速成正比的匹配關(guān)系，即f=KVC。式中K為固定的比例常數(shù)，大K值應(yīng)用于常規(guī)連鑄，小K值應(yīng)用于高速連鑄，不同的K值使頻率與拉速的匹配關(guān)系僅適合于某一拉速區(qū)間。為使此匹配關(guān)系能適合鑄機(jī)整個(gè)設(shè)計(jì)拉速范圍，K值應(yīng)合理選擇。本文旨在探討結(jié)晶器正弦振動(dòng)參數(shù)的取值限度，及常數(shù)K的合理取值從而優(yōu)化頻率與拉速的匹配關(guān)系。振動(dòng)參數(shù)取值的確定正滑脫時(shí)間t是結(jié)晶器振動(dòng)兩個(gè)主要工藝參數(shù)，其表達(dá)式如下：pTOC\o"1-5"\h\zt=60/nfcos-i(1000V/2nsf) (1)nct=60/f[l-l/ncos-i(1000V/2nsf)] (2)pc式中t—負(fù)滑脫時(shí)間，s；t—正滑脫時(shí)間，s；S—振幅，mm；f一頻率，s-1；V—n p c—拉速，m/min。試驗(yàn)及理論分析表明，保護(hù)渣消耗量和正滑脫時(shí)間成正比，與保護(hù)渣粘度成反比。振痕的形成可由“彎月面部分凝固理論”來解釋。依此理論，振痕深度和負(fù)滑脫時(shí)間成正比，與保護(hù)渣粘度成反比。據(jù)上分析得出如下關(guān)系：d=k/t/g1n/Q=k2.tp/g式中d 振痕深度，mm；Q一保護(hù)渣消耗量，kg/m2；g一保護(hù)渣粘度，Pas；k1、k2_比例常數(shù)。可見，不能依靠調(diào)整保護(hù)渣性能來控制振痕深度和坯殼粘結(jié)，而要配合振動(dòng)參數(shù)和合理選擇才能達(dá)到，為此振動(dòng)參數(shù)取值應(yīng)遵循如下原則①t>0,且t平穩(wěn)、變化小，并取值較小為n n好。②在穩(wěn)定t的前提下，t取值較大為好。在正弦振動(dòng)中，t、t互為增函數(shù)。為同時(shí)滿npnp足上述①和②兩項(xiàng)要求，t、tp取值都有一定限度，設(shè)N、M為兩個(gè)限定值，則nP0<tWNnt三Mp由式(3)、(4)，N，M取值與保護(hù)渣性能有關(guān)，保護(hù)渣粘度低，N，M取值可較小，反之，N,M取值應(yīng)較大。目前。負(fù)滑脫時(shí)間多取tW0.1s[3],即N=0.1s。由文獻(xiàn)4中的數(shù)n據(jù)，t三0.1s可以滿足高速連鑄的工藝要求，因此可以確定M=0.1s。本文討論P(yáng)中取N，M均為0.1s。正弦振動(dòng)參數(shù)取值的限度3.1負(fù)滑脫時(shí)間的分析負(fù)滑脫運(yùn)動(dòng)是控制連鑄漏鋼的條件之一，為此要求t〉0,由式(1)應(yīng)有2nsf〉1000V。TOC\o"1-5"\h\zn c定義振動(dòng)參量Z=2S/V(mm?min/m)，貝I」：cZ?f〉1000/n=318.31"320 (7)設(shè)定Z?f=K(K三320),將其代入式(1)得：t=60/nfcos-1(1000/n2f)=60Z/nKcos-1)1000/nK) (8)n據(jù)式(8)可做出不同Z值時(shí)的t-f曲線，如圖1所示。在此曲線中，有兩個(gè)關(guān)鍵n點(diǎn)f和f。可以證明，f〈f〈f時(shí)，t是f的增函數(shù)；f〉f時(shí)，t是f的減函數(shù)。當(dāng)Z較大TOC\o"1-5"\h\zm 0 m時(shí) n mn即大振幅或低拉速時(shí)，f〉f0較小，且t較大變化非常劇烈極不穩(wěn)定，此是f取值應(yīng)避開區(qū)m0 n間[f、f]。隨Z的減小，即小振幅或高拉速時(shí)，f-f逐漸增大，t取值亦較小且變化更0 m m0 n平穩(wěn)，結(jié)果表明⑷，小Z值時(shí)f可在區(qū)間[f〉f]中取值而對(duì)連鑄過程無不利影響。即常規(guī)連m鑄f取值為f>f，高速連鑄f取值為f<fWf。在高速連鑄中，負(fù)滑動(dòng)率NS做“低向”選m 0 m擇，其值最小可達(dá)+20%[4]。3.2振動(dòng)參數(shù)的取值限度由式(8)也可做出不同f值時(shí)的t-Z曲線，如圖2所示。圖中直線1為不同f時(shí)t-Znn曲線的包絡(luò)線，其對(duì)應(yīng)t-f曲線中的極值點(diǎn)f，此時(shí)t=t。由式(8)limt=60/2f=30/f,n m nnm n當(dāng)30/fW0.01,f三300c/min時(shí)，總有t=0.1s的充分條件，這樣高的頻率在小Z值時(shí)，從n結(jié)晶器振動(dòng)角度看極不經(jīng)濟(jì)，不宜采用。由式(8)，直線1的方程為：t=16.34/f=0.332 (9)n由式(9),當(dāng)tW0.1s，得f三164.3c/min、ZW3(mm?min/m),兩者分別對(duì)應(yīng)圖2中nf和N點(diǎn)?？梢姰?dāng)f、Z同時(shí)滿足上述取值時(shí)總有tW0.1s。這正是采用低振幅、高速頻nn率的目的。若鑄機(jī)最小拉速為Vcl,則由ZW3得：SW1.5Vcl (10)式(10)給出了為使tW0.1s，振幅取值的上限。即當(dāng)f三164.3(min-i)、SW1.5Vcln時(shí)，可使tW0.1s。將Z?f=K代入式(2),得：nt=60Z/K[1-1/ncos-1(1000/nK)]=60/f[1/ncos-i(1000/nK)] (11)p據(jù)式(11)可做出不同f值時(shí)的t-Z曲線如圖3所示。圖中虛線對(duì)應(yīng)t取得極限值tpl。pn由式(11)，tpl方程為：tpl=0.192=60/f (12)由圖3欲使t三M,須tpl〉M，貝I」f〈f、Z〉M'。取M=0.1，則由式(12)可得出nmf=60/M=60/0.1=600c/min,M'二M/0.19=0.1/0.19=0.53。即f〈600c/min、Z>0.53是t三0.1smp的必要條件。若鑄機(jī)最大或目標(biāo)拉速為V，則由Z〉0.53得S〉0.265V (13)CAca即若使t〉0.1s,必須有f〈600(min-i),S〉0.265V。pca式(13)給出了正弦振動(dòng)振幅的最小取值限度。由前述分析，頻率的最佳取值范圍165?600c/min，而振幅的最佳取值為0.265V?ca1.5V。cl頻率與拉速匹配關(guān)系優(yōu)化4.1比例系數(shù)K的取值分析為實(shí)現(xiàn)負(fù)滑脫振動(dòng)，取頻率與拉速的對(duì)應(yīng)關(guān)系f=KV。低拉速時(shí)以減少負(fù)滑脫時(shí)間，控C制振痕深度為主；高拉速時(shí)以保證正滑脫時(shí)間，防止坯殼粘結(jié)為主。因此，低拉速時(shí)K取值較大，而高拉速時(shí)K取值區(qū)間，為使f=KV適合整個(gè)拉速范圍應(yīng)隨拉速調(diào)整，這時(shí)CK不再是常數(shù)，而是一個(gè)比例系數(shù)或f=KV的形狀參數(shù)。由式(8)可得：CTOC\o"1-5"\h\zZ=ntK/60[cos-1(1000/nK)]-1 (14)n由式(1)可得：Z=tK/60[1—1/ncos-1(1000/nK)]-1 (15)p由式(14)(15)可分別做出等負(fù)滑脫及等正滑脫時(shí)間的K-Z曲線，如圖4、圖5所示。兩圖中K=6000/n"318,對(duì)應(yīng)t=0；K=1000/2.048^48&對(duì)應(yīng)t的極大值點(diǎn)。常規(guī)連0 nm n鑄K的取值范圍為K>K，高速連鑄的取值范圍為K<K〈K。M0m圖5中等正滑脫時(shí)間的K-Z曲線極近似于直線，且隨t=0.1s的K-Z曲線以下式為P極限K=300Z (16)圖5中B點(diǎn)的縱坐標(biāo)K0,橫坐標(biāo)為式(13)表示的Z的最小值點(diǎn)，即Z=0.53，可見當(dāng)K與Z按線性關(guān)系變化0寸，總可保證t為一常數(shù)而與Z值無關(guān)。圖4中當(dāng)K>K時(shí)，pm等負(fù)滑脫時(shí)間的K-Z曲線也近于直線，亦以式(6)所示直線為極限。由兩圖若以B點(diǎn)為端點(diǎn)做一直線且其斜率小于K=300Z的斜率，則當(dāng)小Z值即高速連鑄時(shí)，可保證t〉0.1s、t〈0.1s,當(dāng)在大Z值即常規(guī)連鑄時(shí)，t、t均較大。pnpn設(shè)所做曲線方程為：K=a+bZn (17)式中a、b—常數(shù)；n—三0的實(shí)數(shù)。根據(jù)a、b、n的不同，式(17)可確定不同的K-Z關(guān)系，即確定不同的f-V匹配關(guān)系。C4.2頻率與拉速匹配關(guān)系的確定由Z?f=K可得：f=K/Z (18)將式(17)代入式(18)，得：f=a/Z+Bzn-1=b(2S/V)n-1+a/2SV(19)C C當(dāng)b=0時(shí)，式(19)V-0、ff+8，這種匹配關(guān)系連鑄中不宜采用。當(dāng)n〈1時(shí)，隨CV增加，f增加較快，不利于高速連鑄；當(dāng)n=1時(shí)，f=b+a/2SV，能較好適合整個(gè)拉速cc范圍。常規(guī)連鑄時(shí)，K的取值原則是使NSR在55%?80%之間⑸，一般取NSR=75%,NS=-60%,這是a=800,則f=800/Z=400/SV (20)c高速連鑄時(shí)，K的取值原則是使NS接近+20%取NS=20%[4]，這時(shí)a=400，則f=400/Z=200/SV (21)C式(17)中，取n=1,a、b值可確定如下，首先直線K=a=bZ過B點(diǎn)(0.53、318點(diǎn))，其次令此直線過圖4中A點(diǎn)，A點(diǎn)縱坐標(biāo)為800。橫坐標(biāo)為K=800與t=0.2S交點(diǎn)的橫n坐標(biāo)，其值約為Z=7?？山獾胊"280、b"70。由此確定f-V匹配關(guān)系：Cf=70+280/2SV （22）c此外，由式（16）可得f-VC另一種匹配關(guān)系：F=300（23）圖6中分別定性示出由式（20）、（21）、（22）、（23）所定的f-V匹配關(guān)系直線1、2、3、C4。A點(diǎn)坐標(biāo)根據(jù)大Z值即較低拉速時(shí)t取值來定。若要求t較小，則在相同的Z值時(shí)，n nA點(diǎn)坐標(biāo)增加，反之縱坐標(biāo)減少，帶來b值的變化，從而使直線3在f軸上的截距不同。設(shè)連鑄最大目的的拉速為6m/min,則拉速范圍為0?6m/min。由式（13）,振幅取值限度為S〉1.59mm。目前振幅取值多為3?4mm,本文中取S=3.5mm,將其代入式（20）、（21）、（22）得f=120V、f=60V、f=70+40V。圖7、圖8分別示出了這三種匹配關(guān)系ccc及f=300min-1時(shí)的t-V及t-V曲線。ncpc由兩圖可知，f=120V時(shí)在較低拉速時(shí)t亦較小，有利于減少常規(guī)連鑄時(shí)鑄坯表面cn振痕深度；但拉速增加時(shí)，t明顯減小，不利于控制高拉速時(shí)坯殼粘結(jié)，特別是V<pc1m/min時(shí)，t取值較大，變化亦很大、極不平穩(wěn)（如圖1）。且當(dāng)V=0時(shí)，t、t均出n c np現(xiàn)“奇點(diǎn)”，因此不利于連鑄開澆起步及低拉速過渡階段控制坯殼粘結(jié)。此對(duì)應(yīng)關(guān)系僅適合較低拉速的常規(guī)連鑄。對(duì)于f=60V，在常規(guī)連鑄時(shí)，t較大不利于減少鑄坯表面cn振痕深度；高速連鑄時(shí)，t保持較大有利于控制高速連鑄時(shí)坯殼粘結(jié)。但這種匹配關(guān)系p在V<2m/min時(shí)，t、t同樣出現(xiàn)“奇點(diǎn)”這種匹配關(guān)系僅適合于高速連鑄。對(duì)于cnpf=300min-1，在0?6min的拉速范圍內(nèi)，t較小、t較大且在V=0時(shí)，t、t無奇點(diǎn)，p p C np其工藝效果最佳，但在很低拉速時(shí)，頻率即取較大值，振動(dòng)裝置將承受很大沖擊力，經(jīng)濟(jì)性不佳。對(duì)于f=70+40V，V<1m/min時(shí)，t即較小且變化平穩(wěn)；V=