連鑄結(jié)晶器振動(dòng)技術(shù)介紹

結(jié)晶器振動(dòng)是連鑄技術(shù)的一個(gè)基本特征。連鑄過程中，結(jié)晶器和坯殼間的相互作用影響著坯殼的生長(zhǎng)和脫膜，其控制因素是結(jié)晶器的振動(dòng)和潤(rùn)滑。連鑄在采用固定結(jié)晶器澆注時(shí)，連鑄直接從結(jié)晶器向下拉出，由于缺乏潤(rùn)滑，易與結(jié)晶器發(fā)生粘結(jié)，從而導(dǎo)致出現(xiàn)拉不動(dòng)或者拉漏事故，很難進(jìn)行澆注。結(jié)晶器振動(dòng)對(duì)于改善鑄坯和結(jié)晶器界面間的潤(rùn)滑是非常有效的，振動(dòng)結(jié)晶器的發(fā)明引進(jìn)，工業(yè)上大規(guī)模應(yīng)用連鑄技術(shù)才得以實(shí)現(xiàn)。可以說，結(jié)晶器振動(dòng)是澆注成功的先決條件，十年來發(fā)展的重要里程碑。近年來，冶金工業(yè)的迅速發(fā)展，要求連鑄提高拉速和增加連鑄機(jī)的生產(chǎn)能力，人們對(duì)結(jié)晶器振動(dòng)的認(rèn)識(shí)也在不斷深入和發(fā)展。

連鑄機(jī)結(jié)晶器振動(dòng)的目的是防止拉坯時(shí)坯殼與結(jié)晶器黏結(jié)，同時(shí)獲得良好的鑄坯表面。結(jié)晶器向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，減少新生坯殼與銅壁產(chǎn)生黏著，以防止坯殼受到較大的應(yīng)力，使鑄坯表面出現(xiàn)裂紋；而當(dāng)結(jié)晶器向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，借助摩擦，在坯殼上施加一定的壓力，愈合結(jié)晶器上升時(shí)拉出的裂痕，要求向下運(yùn)動(dòng)的速度大于拉坯速度，形成負(fù)滑脫。結(jié)晶器壁與運(yùn)動(dòng)坯殼之間存在摩擦力，此摩擦力被認(rèn)為是撕裂坯殼進(jìn)而限制澆注速度的基本因素。在初生坯殼與結(jié)晶器壁之間存在液體渣膜，此處的摩擦為黏滯摩擦，即摩擦力大小正比于相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度，渣膜黏度，反比于渣膜厚度。在結(jié)晶器振動(dòng)正滑脫期間摩擦力及其引起的對(duì)坯殼的拉應(yīng)力就較大，可能將初生坯殼拉裂，為此開發(fā)了采用負(fù)滑脫的非正弦振動(dòng)技術(shù)來減小這一摩擦力。理論研究及模擬實(shí)驗(yàn)表明，適當(dāng)選擇非正弦振動(dòng)參數(shù)(偏斜率)可減小摩擦力50% ~60%。

在結(jié)晶器液壓伺服非正弦振動(dòng)出現(xiàn)之前都是采用機(jī)械式振動(dòng)裝置的，機(jī)械式的振動(dòng)裝置由直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過萬向聯(lián)軸器，分兩端傳動(dòng)兩個(gè)渦輪減速機(jī)，其中一端裝有可調(diào)節(jié)軸套，渦輪減速機(jī)后面再通過萬向聯(lián)軸器，連接兩個(gè)滾動(dòng)軸承支持的偏心軸，在每個(gè)偏心輪處裝有帶滾動(dòng)軸承的曲柄，并通過帶橡膠軸承的振動(dòng)連桿支撐振動(dòng)臺(tái)，產(chǎn)生振動(dòng)。機(jī)械振動(dòng)一般采用正弦曲線振動(dòng)，振動(dòng)波形、振幅固定不變。

與機(jī)械振動(dòng)相比，板坯連鑄機(jī)的液壓振動(dòng)裝置具有一系列優(yōu)點(diǎn)：振動(dòng)力由兩點(diǎn)傳入結(jié)晶器，傳力均勻；在高頻振動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，高頻和低頻振動(dòng)時(shí)不失真，振動(dòng)導(dǎo)向準(zhǔn)確度高；結(jié)構(gòu)緊湊、簡(jiǎn)單，傳遞環(huán)節(jié)少，與結(jié)晶器對(duì)中調(diào)整方便，維護(hù)也方便；采用高可靠性和高抗干擾能力的PLC控制，可長(zhǎng)期保證穩(wěn)定的振動(dòng)波形；可改變振動(dòng)曲線，并可在線設(shè)定振動(dòng)波形等，增加了連鑄機(jī)可澆鋼種；改善鑄坯表面與結(jié)晶器銅壁的接觸狀態(tài)，提高鑄坯表面質(zhì)量并減少黏結(jié)漏鋼。

在20世紀(jì)30年代連續(xù)鑄鋼發(fā)展初期，最先使用的是固定式結(jié)晶器。在試驗(yàn)過程中，由于金屬與內(nèi)壁粘結(jié)，使拉坯過程不斷出現(xiàn)拉漏(鋼)事故。為了防止坯殼與內(nèi)壁粘結(jié)，要解決對(duì)結(jié)晶器內(nèi)壁的潤(rùn)滑。經(jīng)多種試驗(yàn)，如采用間斷拉坯，不斷往結(jié)晶器中注油;采用石墨結(jié)晶器等都未取得明顯效果。直到40年代初，容漢斯(S.Junghans)和羅西(I.Rossi)把有色金屬連鑄中應(yīng)用的結(jié)晶器振動(dòng)方式引入到連續(xù)鑄鋼，才得以試驗(yàn)成功，并使在工業(yè)中大規(guī)模應(yīng)用連鑄技術(shù)成為現(xiàn)實(shí)。結(jié)晶器振動(dòng)首先是確定結(jié)晶器的振動(dòng)方式，再據(jù)此選定結(jié)晶器振動(dòng)機(jī)構(gòu)和振動(dòng)參數(shù)。

無論是立式連鑄機(jī)還是弧形連鑄機(jī)，按結(jié)晶器振動(dòng)的發(fā)展過程均采用過同步振動(dòng)、負(fù)滑脫振動(dòng)和正弦振動(dòng)等振動(dòng)方式。結(jié)晶器振動(dòng)的運(yùn)動(dòng)動(dòng)力在早期是采用凸輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，相應(yīng)的振動(dòng)方式為同步式和負(fù)滑式。由于凸輪加工困難，且同步式和負(fù)滑式振動(dòng)有較大的沖擊，因之發(fā)展了依靠偏心輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的正弦式振動(dòng)方式。偏心輪加工容易，并可調(diào)節(jié)振幅和頻率，而得以廣泛使用。隨著對(duì)連鑄工藝要求的提高，又發(fā)展了非正弦式振動(dòng)，它是采用液壓缸來實(shí)現(xiàn)的。液壓振動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是可靠、靈活，可根據(jù)澆鑄條件選擇所需的振動(dòng)方式。

連鑄結(jié)晶器振動(dòng)技術(shù)同步振動(dòng)

最早采用的一種振動(dòng)方式，按其同步振動(dòng)的曲線形狀稱為云崗式振動(dòng)。其振動(dòng)曲線如圖1中曲線1所示。若設(shè)v為拉坯速度，v_m為結(jié)晶器的振動(dòng)速度，v₁為結(jié)晶器的上升速度，v₂為結(jié)晶器的下降速度，則同步式振動(dòng)時(shí)應(yīng)滿足：

也即是說，結(jié)晶器下降時(shí)與鑄坯同步，然后以3倍的拉速上升，如此往復(fù)振動(dòng)。這種振動(dòng)方式的優(yōu)點(diǎn)是能夠滿足連鑄工藝要求，實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)動(dòng)；缺點(diǎn)是用機(jī)械連鎖或用電氣控制來實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的同步要求，裝置都比較復(fù)雜，速度變化時(shí)機(jī)構(gòu)中沖擊力也較大。

連鑄結(jié)晶器振動(dòng)技術(shù)負(fù)滑脫振動(dòng)

同步振動(dòng)的一種改進(jìn)型式，也稱“負(fù)滑脫”(圖1中曲線2)即

v₂=v(1 ε)

式中ε是負(fù)滑率。采用凸輪機(jī)構(gòu)時(shí)取ε=10%左右，v1=(2.8～3.2)v；采用偏心輪時(shí)取ε=20%～40%。采用負(fù)滑動(dòng)振動(dòng)，結(jié)晶器下降時(shí)對(duì)坯殼有壓合作用，有利于拉裂坯殼的愈合，并可適當(dāng)提高拉速。

正弦式振動(dòng)

其振動(dòng)速度按正弦規(guī)律變化。(圖1中曲線3)這種振動(dòng)方式的速度變化平穩(wěn)、無沖擊；能有效實(shí)現(xiàn)負(fù)滑動(dòng)，可適當(dāng)提高拉速；易于改變振動(dòng)頻率和振幅，實(shí)現(xiàn)高頻率小振幅的要求，以改善鑄坯表面質(zhì)量；用偏心輪實(shí)現(xiàn)振動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制造且安裝、維修方便。

非正弦式振動(dòng)

這種振動(dòng)方式的結(jié)晶器上振動(dòng)速度慢，上升時(shí)間長(zhǎng)，下降速度快，下降時(shí)間短。其效果是對(duì)坯殼的壓合時(shí)間短，結(jié)晶器與坯殼間的摩擦阻力小。非正弦式振動(dòng)，用液壓振動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。振動(dòng)方式確定之后，要選擇結(jié)晶器振動(dòng)的結(jié)構(gòu)型式。任何振動(dòng)機(jī)構(gòu)都必須滿足兩個(gè)基本條件：(1)使結(jié)晶器準(zhǔn)確地沿著一定的軌跡振動(dòng)；(2)使結(jié)晶器按要求的振動(dòng)方式振動(dòng)。

結(jié)晶器的振動(dòng)與潤(rùn)滑的關(guān)系

結(jié)晶器振動(dòng)的重要影響主要是對(duì)潤(rùn)滑和振動(dòng)痕跡形成的作用。振動(dòng)的同時(shí)要求提供結(jié)晶器潤(rùn)滑，兩者的共同作用是減小坯殼和結(jié)晶器壁間的摩擦力，以得到最好的表面質(zhì)量和防止粘結(jié)漏鋼的最佳安全性。如前所述，結(jié)晶器振動(dòng)對(duì)于改善結(jié)晶器壁間的潤(rùn)滑是非常有效的，但對(duì)于結(jié)晶器振動(dòng)如何影響結(jié)晶器保護(hù)渣的消耗和保護(hù)渣的潤(rùn)滑作用，其機(jī)理并不十分清楚。早期的研究曾提出一個(gè)負(fù)滑脫期間保護(hù)渣流入量的模型，但是隨后的試驗(yàn)結(jié)果表明，保護(hù)渣消耗量是正滑脫時(shí)間的增函數(shù)。可見，對(duì)于振動(dòng)結(jié)晶器，正滑脫時(shí)間越長(zhǎng)，保護(hù)渣消耗量越大，由此也引起了大量的爭(zhēng)論。反映振動(dòng)參數(shù)對(duì)保護(hù)渣消耗的影響。

結(jié)晶器振動(dòng)參數(shù)設(shè)置

結(jié)晶器振動(dòng)的主要參數(shù)有兩類:一類為基本參數(shù)，包括振頻、振幅與波形偏斜率；另一類為工藝參數(shù)，包括負(fù)滑脫時(shí)間、負(fù)滑脫時(shí)間率和正滑脫時(shí)間。 結(jié)晶器振動(dòng)參數(shù)的影響:結(jié)晶器振動(dòng)的負(fù)滑脫時(shí)間控制鑄坯表面的振痕深度，兩者呈函數(shù)關(guān)系。負(fù)滑脫時(shí)間越長(zhǎng)，振痕越深； 保護(hù)渣的消耗量與結(jié)晶器振動(dòng)的正滑脫時(shí)間呈正函數(shù)關(guān)系，正滑脫時(shí)間越長(zhǎng)，保護(hù)渣消耗量越大； 結(jié)晶器振動(dòng)的負(fù)滑脫時(shí)間率、負(fù)滑動(dòng)量、結(jié)晶器上振的最大速度都反映結(jié)晶器振動(dòng)的工藝效果但它們不是獨(dú)立的參數(shù)，而且隨著結(jié)晶器振動(dòng)形式的確定，一般以其正、負(fù)滑脫時(shí)間來判定結(jié)晶器振動(dòng)的工藝效果。 設(shè)置不同的參數(shù)可以得到不同的振動(dòng)曲線，為獲得良好的結(jié)晶器振動(dòng)工藝效果，同時(shí)考慮到振動(dòng)裝置所承受的沖擊力，保證振動(dòng)裝置的穩(wěn)定性和使用壽命。

振動(dòng)波形的設(shè)定具體原則是在一定的振幅、振頻及波形斜率的條件下：第 結(jié)晶器下振的最大速度V_m盡可能大； 結(jié)晶器上振的最大速度盡可能小； 結(jié)晶器的加速度應(yīng)連續(xù)變化，且最大加速度a_m應(yīng)盡可能??； V_m/a_m應(yīng)盡可能大，即盡可能小的a_m實(shí)現(xiàn)盡可能大的Vm。

振動(dòng)波形的設(shè)定具體原則是在一定的振幅、振頻及波形斜率的條件下：第 結(jié)晶器下振的最大速度V_m盡可能大； 結(jié)晶器上振的最大速度盡可能??； 結(jié)晶器的加速度應(yīng)連續(xù)變化，且最大加速度a_m應(yīng)盡可能小； V_m/a_m應(yīng)盡可能大，即盡可能小的a_m實(shí)現(xiàn)盡可能大的Vm。2100433B

《連鑄結(jié)晶器》在闡明連鑄結(jié)晶器內(nèi)鋼水流動(dòng)、傳熱、凝固行為、坯殼生長(zhǎng)、產(chǎn)生應(yīng)力等熱狀態(tài)的基礎(chǔ)上，詳細(xì)介紹了影響這一過程的結(jié)晶器的設(shè)計(jì)、制造與應(yīng)用、操作及相關(guān)工藝技術(shù)，還介紹了鑄坯質(zhì)量保障措施和結(jié)晶器專家系統(tǒng)等。

《連鑄結(jié)晶器》可供從事連鑄設(shè)計(jì)、制造、生產(chǎn)、科研、管理和教學(xué)的人員閱讀參考。