结晶器振动

结晶器振动参数优化东北大学2020年3月13日连铸技术21概述2结晶器振动参数的分析3非正弦振动运动分析连铸技术31概述1.1结晶器振动的作用结晶器振动的作用有如下两点：①防止铸坯在凝固过程中与结晶器铜壁发生粘结而出现坯壳拉裂或漏钢事故。在结晶器上下振动时，按振动曲线周期性地改变钢液面与结晶器铜壁的相对位置，对坯壳有一个强制脱模的作用，并使得拉漏的坯壳在结晶器内部得以焊合。②减小拉坯阻力及改善铸坯表面质量。在结晶器振动过程中，通过保护渣在结晶器铜壁的渗透可以改善其润滑条件，防止高温凝壳与结晶器铜壁的粘结，同时减少了拉坯时的摩擦阻力及改善了铸坯的表面质量。连铸技术41.2结晶器振动方式的发展过程大致分为四个时期：①同步振动同步振动的特点是结晶器向下振动时，其速度与其拉坯速度相等，即同步。若设V为拉坯速度，Vm为结晶器振动速度，V1为上升速度，V2为下降速度，则同步振动应满足以下条件：V1=3V；V2=V同步振动的优点是：结晶器能实现与拉坯速度同步运动，对铸坯有利。其缺点是振动机构必须与拉坯速度实行严格的同步联锁，当结晶器由往下振动转为往上运动的转折处加速度过大，机构中会产生相当大的冲击，因此，现已不再采用。连铸技术51—同步式振动2—负滑脱振动3—正弦振动图1结晶器振动方式连铸技术6负滑动振动负滑动振动是指当结晶器往下振动时，其速度大于拉坯速度，形成负滑动。即：V2=V（1-NS）而往上振动时，取V1=2.8~3.2V2式中NS为负滑动率，说明结晶器平均下降速度大于拉速，产生负滑动。负滑动振动的特点是：结晶器先以比拉速稍高的速度下降一段时间出现负滑动或负滑脱。此时坯壳处于受压状态，既有利于强制脱模又有利于断裂坯壳的压合。然后再以较高的速度上升，克服了同步振动时产生较大加速度的缺点。结晶器在下降或上升过程中都有一段稳定运动时间，有利于坯壳的生成和裂纹的愈合。连铸技术7③正弦振动结晶器振动时的运动速度随时间的变化呈一条正弦曲线。其特点是：结晶器在整个振动过程中速度一直是变化的，即铸坯与结晶器时刻都存在相对运动。在结晶器下降过程中有一段负滑动，能防止和消除粘结，具有脱模作用；另外，由于结晶器的运动速度是按正弦规律变化的，加速度必然按余弦规律变化，所以过度比较平稳，冲击力也较小。连铸技术8④非正弦振动对于传统的正弦振动来说，其特性完全取决于振幅和振动频率两个独立的振动参数。当波形调节能力小时难以满足上述要求。而非正弦振动的最大特点是上升时间比下降时间长，因而加大了保护渣的消耗量，使结晶器弯月面附近的液体摩擦力减少，可以得到表面质量优异的铸坯，能满足连铸生产的要求。非正弦振动曲线大致可分为三角形振动波形、三角多项式波形、普通的非正弦波形和改进的非正弦波形等。连铸技术92结晶器振动参数的分析2.1结晶器的振动参数与结晶器振动有关的振动参数主要有：如振幅和频率，这是决定结晶器运动的振动参数称为结晶器振动基本参数，另外与“负滑脱”相关的振动参数如负滑动率NS、负滑脱时间tN和负滑脱时间率NSR，由于这些负滑脱参数直接关系到铸坯的脱模和铸坯的质量，所以负滑脱参数被称为工艺参数。结晶器振幅A，因为正弦振动是由偏心轮－杆机构实现的。因此，振幅可直接由偏心轮的偏心距，通过杆系的换算得到。也可按速度－时间正弦曲线的半波面积计算获得：连铸技术10结晶器运动速度曲线连铸技术11负滑脱时间TNAfVftN2arccos60连铸技术12结晶器振动时，只有当结晶器振动速度Vm大于拉坯速度V时才出现负滑动。负滑脱是指在一个振动周期内，结晶器向下的运动速度比铸坯向下的运动速度（拉速）要快的时间，在负滑脱期内，凝固坯壳将受压而使被拉裂的坯壳加以“焊合”，起到防止拉漏的作用，所以在结晶器振动时应有一定的负滑脱时间，但过长的负滑脱时间反而会使铸坯的表面质量变坏。在拉速一定时，负滑脱时间的长短是由结晶器振动的频率和幅度决定的。连铸技术13连铸技术14通过Tn-f曲线可以看出，当振动频率f较低时，振幅和拉速的变化对负滑脱的影响很大，而且振动频率的波动对负滑脱时间也有很大影响；但当振动频率提高到一定值后，振幅、拉速、振动频率的变化对负滑脱时间几乎没有影响，负滑脱时间也趋于相同。随着振动频率提高后，负滑脱时间变短且趋于稳定，但当振动频率提高到一定值后，振幅、拉速、振动频率的变化对负滑脱时间的影响几乎没有，负滑脱时间也趋于相同。因此说，振动频率提高后，负滑脱时间变短且趋向稳定。连铸技术15负滑脱时间率NSR负滑脱时间率NSR可以定义为在一个振动周期内负滑脱时间Tn与半个振动周期时间的百分比值。即NSR=(2Tn/T)×100%。由公式可以绘制不同振幅、不同拉速下的NSR-f曲线。由NSR-f曲线可知，振动频率越高，振幅和拉速对负滑脱时间率NSR的影响越小，但NSR越大。连铸技术16连铸技术17由于负滑脱时间率是负滑脱时间与振动半周期的比率，它反映了负滑脱时间、正滑脱时间的比值大小，所以，以负滑脱时间率NSR来判定结晶器的脱模能力是合理的，据此，结晶器的振动参数应保证较低的负滑脱时间和较高的负滑脱时间率，这种工艺要求只有在高频振动、小振幅的情况下条件下才能得到满足。连铸技术18负滑脱率NS由上式可知：通过控制NS可控制tN，当Vc=Va时，结晶器中的坯壳处于受拉和受压的临界状态，此时的负滑动率NS＝-36.4％。当NS＜-36.4%时，将不会出现负滑脱时间tN。连铸技术19在设计振动参数中，往往用负滑脱率NS作为计算的依据，这个模型广泛应用于国内外的连铸设计中。NS一般是给定值，如曼内斯曼（Munnesmann）的取值为20％～40％，而康卡斯特（Concast）取20％～（－20）％，故上式称作负滑动率结晶器振动数学模型。传统的观念认为，负滑脱率NS是一个重要的工艺参数，其最佳值在30—35%左右，负滑脱时间率NSR在55%—80%之间。基于这种认识，目前许多连铸机仍采用NS为常值的振动模型，这时的振动频率f与拉坯速度Vc成正比。连铸技术202.2振动参数对铸坯质量的影响(1)结晶器振动参数对铸坯振痕的影响由结晶器振动在铸坯表面形成的横向痕迹称为振痕。振痕深度是衡量铸坯表面质量的重要标准之一，过深的振痕会造成铸坯表面裂纹和成分的偏析。大量的实验表明，振痕深度与负滑脱时间有关，负滑脱时间越短，振痕深度就越浅。缩短负滑脱时间、降低振幅和提高振动频率均可以减少铸坯的振痕，改善铸坯质量连铸技术21负滑脱时间与振痕深度之间的关系连铸技术22结晶器振动参数对拉速的影响研究表明，采用高频振动有利于提高拉坯速度，而且提高拉速还有利于减少振痕。但在一定的工艺条件下，拉坯速度受到冷却速度及设备精度的限制，提高拉速将会导致拉漏率的上升。连铸技术232.2.结晶器正弦振动的特性分析目前描述负滑脱的参数较多，对于同一振幅、频率和拉速的情况下，这些参数给出了不同的数值。但它们当中独立的参数只有两个：负滑动率NS和负滑脱时间tN。因为负滑脱参数直接关系到铸坯的脱模和铸坯的质量，所以参数NS和tN被称为工艺参数。目前国外有关文献报道，大多数的负滑脱时间取值范围在0.1s~0.25s，认为对于不同的钢种最佳负滑动时间为0.1s左右。至于负滑动率NS，国内外有关文献报道在NS值为-20%～240%范围内变化进行浇铸，结果对铸坯脱模及表面质量没有任何不利影响。可见，对于负滑动率NS的取值范围是很宽的，工艺参数的确定主要是确定负滑动时间。连铸技术24负滑动时间曲线及特点连铸技术25①NS＝2.4％的等值反比双曲线相交于负滑动时间曲线的峰值，将负滑动时间曲线族分成两个区域。②对于任何z值都有相应的tN＝0，此点的频率用f0表示，称为临界频率。当f≤f0时不出现负滑脱。③当NS2.4％时，负滑动时间曲线随频率f的增加而上升，特别是当z值较大时，如z5时，曲线急剧上升。④当NS2.4％时，负滑动时间曲线随频率f的增加而下降，特别是当z值较小时，如z5时，曲线下降得非常缓慢。连铸技术26正弦振动同步控制模型（1）正弦振动同步控制模型的概念及特点拉速同频率、振幅的对应关系称为同步控制模型。由于振幅在生产时不便于调整，而振动频率的调整却可以通过调整电机转数而轻而易举地得到实现。所以从实际操作来讲调整振动频率还是比较实际的。当然，随着液压伺服振动方式的使用，使得方便地调整振幅变为可能。本文暂且讨论拉速与频率之间的同步控制模型。从本质上看，拉速—频率同步控制模型的建立是在不同工况下对频率的动态选择。因此，它的建立仍然是以工艺参数tN、Ns为基础。为了便于拉速—频率之间对应关系的建立，可在拉速Vc和频率f直角坐标系中绘出tN和Ns的等值曲线族。连铸技术27连铸技术28①全部tN曲线与Ns＝-0.024的射线交于顶点，在一定的拉速范围内，对于任何一拉速和tN曲线都有两个交点，它们分别对应一个高频率和一个低频率。这两个频率对应相同的负滑动时间。②全部tN、Ns曲线相交于坐标系原点0点，曲线的下部相互靠近，并重合于Ns＝-0.3634(负滑动率极限值)曲线。s值越大它们越靠近，tN值越小它们重合的线段越长，tN＝0时与Ns＝-0.3634曲线全部重合。③增大s值，可增大tN曲线在拉速Vc轴上的投影，因此可根据不同的工作拉速选择相应的s值。连铸技术29正弦振动同步控制模型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。传统的同步控制模型为f=aVc型,式中f为振动频率，Vc为拉坯速度，a和b为常数。这个模型曾被广泛应用于国内外早些时候投产的连铸机，其主要特点是负滑脱率Ns保持为常数。连铸技术303非正弦振动运动分析与结晶器正弦振动相比，结晶器非正弦振动随时间变化的振幅最大值有一段滞后，正是这段时间上的滞后，使结晶器上升速度较小而移动时间较长。这样即可保证结晶器与坯壳反向运动时，由两者速度差决定的摩擦力小于正弦振动的摩擦力。同时，在结晶器下移过程中，非正弦振动下移速度快而移动时间短，其负滑脱时间比正弦振动时更短。这有利于进一步减小振痕深度，且在负滑脱期间，结晶器相对坯壳下移动距离等于甚至大于正弦振动时的下移距离，从而保证对坯壳的压合效果。连铸技术31连铸技术32通常把结晶器非正弦振动视为结晶器正弦振动的演变，结晶器非正弦振动相对于结晶器正弦振动的改变程度用修正系数α表示。根据结晶器非正弦振动波形修正系数的定义，α取值范围为-1—+1。α0为早期的负滑脱振动；α=0为正弦振动；α0为非正弦振动。连铸技术33波形修正系数对负滑脱时间的影响连铸技术34α越大，tN的零点f0及峰值点f1向左移动；反之，f0、f1向右移动，因此，对同一拉速和振幅，非正弦振动所要求的最小频率低于正弦振动所要求的最小频率，且两者差值随α的增加而增加。换句话说，就是在相同振幅和频率的条件下，非正弦振动所能允许的最大拉速大于正弦振动所允许的最大拉速。这正是结晶器非正弦振动能提高拉速的原因。因此可知，α越大越有利。但若α取值过大，则使结晶器向下运动的加速度变得很大，从而造成对设备的冲击和工作的不平稳。若α取值太小，非正弦振动的优越性又不能充分发挥出来。根据目前的使用经验，一般α≤40％。连铸技术35（2）非正弦振动工艺参数结晶器非正弦振动具备最佳振动模型的全部特征，因此，反映该特征的全部参数即为非正弦振动的工艺参数。其工艺参数有负滑动时间tN、负滑动率Ns、负滑动时间率NSR、负滑动超前量NSA和正滑动速度差△v。连铸技术36①负滑动时间tN在其它参数为常数时，α越大，负滑脱时间越短，振痕越浅。目前，正弦振动tN的取值已从过去的0.5s减少到0.25~0.10s，甚至更短。但如tN过短将不利于脱模及拉裂坯壳的“愈合”。一般对于低碳钢tN应不小于0.1s，而中碳钢tN应不小于0.07~0.10s。连铸技术37②负滑动率Ns根据正弦振动的操作实践可知，Ns取值范围很宽，文献报道Ns可取+18.9％~-20％。连铸技术38③负滑动时间率NSR对于给定的α值，NSR和Ns是两个相关量，而不是独立的参数。因此，N