连铸结晶器振动工艺参数研究与快捷模型开发

连铸结晶器振动工艺参数研究与快捷模型开发胡海红卢伟佳税琅北京科技大学冶金与生态工程学院摘要：为了保证连铸坯的表面质量和脱模顺利，研究了与其相关的连铸机结晶器的各种基本参数和工艺参数的关系以及选择，并建立了相对有效和快捷的选择结晶器各种参数的模型，以供生产厂家及广大读者参考。关键词：结晶器负滑动振幅频率拉速振痕1前言结晶器的振动是为了改善结晶器润滑、避免粘结，防止拉漏，提高拉速，但是结晶器的振动却是铸坯表面产生振痕。在振痕底部容易产生横裂纹以及其他相关缺陷（如裹渣），很严重的影响铸坯的质量，增加生产成本，小方坯的偏离角内裂和脱方也和振痕深浅有关，浅而均匀的振痕可以减少偏离角内裂和脱方，所要设法减少振痕深度。结晶器的振动方式经历了矩形速度规律—梯形速度规律—正弦速度规律以及非正弦速度规律，目前主要有正弦振动和非正弦振动两种，一般小方坯主要还是用正弦速度规律。选择正弦速度规律的基本出发点是：打破结晶器和铸坯之间要有一定速度关系的框框，着重发挥它的脱模作用，并且用偏心轮代替凸轮。其规律主要如下：（1）结晶器与铸坯之间没有同步运动阶段，但仍有一小段的负滑动，有利于拉裂坯壳的“愈合”和脱模。（2）由于速度是按正弦曲线变化的，所以加速度是按余弦曲线变化的，使结晶器振动比较平稳。（3）由于加速度较小，可以采用较高频率的振动，有利于消除坯壳的粘结，提高脱模作用和效果。（4）正弦振动是用偏心机构来实现的，比采用凸轮机构优越：加工制造容易，润滑密封方便，运动精度高，易于采用高频振动。正是基于上述的优点和规律，它是目前国内外最广发使用的一种振动规律。它在方坯，板坯和薄板坯连铸机上都有很广泛的应用。非正弦速度规律是最近几年出现的一种新型的振动方式，其主要的特点是：负滑动时间短，有利于减轻铸坯表面的振痕深度；正滑动时间较长可以增加保护渣的消耗量，有利于结晶器的润滑；结晶器向上运动的速度和铸坯运动的速度差较小，可以减少结晶器施加给铸坯的向上作用的摩擦力，可以减少坯壳中的拉应力，减少拉裂。然而由于非正弦振动方式比较复杂，工艺参数很难选择，不同的情况有很大的差别，所以目前国内外最广泛使用的还是正弦速度规律的振动方式，尤其是在小方坯的连铸机上更是如此，随着近代工艺的发展与进步，正弦速度规律已经趋于完善和成熟，本课题就是要把这些近于成熟的理论整理出来，构建一个模型，以便能客户能根据自己的生产情况方便的查阅得到适合他们的情况的各种工艺参数。2模型建立结晶器振动的正弦速度曲线数学表达式为：)602sin(1000tffhvmππ（1）式中：mv：结晶器运动速度，m/min；f：振动频率，min-1；h：振动冲程，也即振程，是振幅的2倍，mm。由上式可以知道结晶器振动的速度完全取决于振幅（h/2）和频率f，所以振幅和频率是决定结晶器正弦振动的运动参数或者基本参数。当结晶器向下运动的速度大于拉坯的速度的时，结晶器里的坯壳收到压缩，这种情况称之为负滑动。对于同一振幅和频率、拉速的情况下，关于负滑动所有的参数中的独立参数只有负滑动率NS和负滑动时间tN，它们直接关系到铸坯的脱模和表面质量，所以称之为工艺参数。2.1正弦振动工艺参数的确定2.1.1负滑动率NS正弦振动的负滑动率用下式表示：%100cmcvvvNS（2）mv=2av/π式中：NS：负滑动率，%;cv：拉坯速度，m/min；mv：结晶器振动的平均速度，m/min；av：结晶器振动的最大速度，m/min。代入上式可知，当cv=av时结晶器中坯壳处于受拉和受压的临界状态，此时的负滑动率NS=36.34%。此值为负滑动率的极限值，当cv＞av时，即NS＞36.34%时，结晶器对坯壳不产生负滑动，当cv＜av，即NS＜36.34%是产生负滑动。为了有效的弥补拉漏，通过负滑动对拉裂的坯壳进行“愈合”，所以要求要产生负滑动。2.1.2负滑动时间TN结晶器从最高的位置开始向下运动，当结晶器向下运动的速度大于拉坯速度时持续的时间为负滑动时间tN)1000(cos60)1000(cos60t11NfZffhvfcππππ（3）其中Z=h/cv，mmmin/m研究证明，振痕深度实际上是有负滑动时间的长短控制的，减小负滑动时间可以显著减小振痕深度，但是负滑动时间不能太短，以防止坯壳与结晶器之间发生粘结，据国内外有关文献，负滑动时间大多是在0.1s～0.25s。如图表2.1所示：对式（3）取不同的Z值可以画出负滑动时间随振动频率变化的曲线，称之为负滑动时间曲线。由式（2）可以得NS=1－2fh/1000cv得出f=1000（1－NS）/2Z将此式代入式（3）可得)NS)1(2(cos60t1Nππf（4）由式（4）可以看出，给定一组NS的值可以画出一族tN～f反比双曲线，也称之为负滑动等值曲线族。其中NS=2.4%时的曲线通过负滑动时间曲线的最高点，此时负滑动时间最大。负滑动时间曲线00.050.10.150.20.250.30.350.40100200300400500600700800f/min-1tN/sNS=2.4%NS=20%NS=-20%Z=1Z=2Z=1.5Z=3Z=4Z=6Z=8图表2.1负滑动时间曲线图2.2正弦振动基本参数的确定合理的工艺参数是通过基本参数的正确或者说合理的选择来实现的，也就是说正弦振动的基本参数振幅和频率的确定应以获得最佳的而工艺参数为前提，以确保铸坯的顺利脱模以及获得质量良好的铸坯。而一般认为，负滑动时间越小，振痕深度越小；但为了保证顺利脱模和避免拉漏，又要求负滑动时间不能呢个太小。2.2.1振幅不同的钢种、断面所对应的拉速是不同的，所以连铸机结晶器的振动装置是可调的。确定振幅的最大值时要考虑到在最大拉速时也不能使Z值太小，在避免临界频率过大的的前提下，尽量采用小振幅；确定振幅最小值时，则要考虑到最小拉坯速度时Z值不能太大，要获得较短的负滑动时间。2.2.2频率确定频率，主要要保证负滑动时间取电较小的值，或者说最佳的值。参看图（1）负滑动时间曲线族，为了便于控制和保证较低的负滑动率，我们可以得到：不宜采用低频率，但也不能太高，要考虑到保证结晶器的振动处于良好的运动状态和受力状态。同时振幅和频率的选择还要考虑到保护渣的消耗量，因为保护渣的消耗量是保证植皮和结晶器之间的润滑的前提，尤其是对侵入式水口保护渣浇铸的连铸机。综上所述，一般我们采用较高频率和较小的振幅来满足上述要求，保护渣方面也可以通过降低保护渣的粘度来提高结晶器和铸坯之间的润滑。2.3正弦振动同步控制模型浇铸过程的拉速是会随工况的变化而变化的，拉速变化的同时如果振动的基本参数不变的话，则必然引起工艺参数的变化，从而影响铸坯的表面质量好而顺利脱模。所以拉速如果变化的话，必须相应的改变基本参数，拉速同频率、振幅的对应关系称为同步模型。2.3.1拉速和频率之间的匹配频率和拉速的匹配关系，不仅影响负滑动时间的大小，还影响振痕深度和振痕间距的大小，由于振痕间距只与频率和拉速有关，见下式：fvpc1000式中p为振痕间距，mm。可见，振痕间距唯一取决于频率与拉速的匹配关系。在确定频率与拉速的匹配关系时，需要注意的一个问题是，当拉速较低，负滑脱时间较长，振痕较深时，振痕间距不可过小。频率和拉速匹配关系的一般表达式为：ncbvaf式中a、b、n均为常数。分析：当a=0，n=1时，随b的值不同，振痕间距取不同的恒定值，但是这种状态仅适合于一定拉速区间，存在很多的不足。当a=0时，随着n的不同（取b=100时），可以得到一系列p-cv曲线图，如下图表2.2所示。由图可知，在低拉速情况下，由于振痕较深，应使振痕间距尽量大一些，以保证铸坯表面质量，所以应使n＞1；而在高拉速的情况下，控制坯壳粘结是主要的问题，一般使＜1。但据前辈们的研究，克服了传统模型的即cbvf模型存在的当f增大时会造成tN过小从而不能保证顺利脱模的缺点，加入常数项得cbvaf，能克服上述缺点。随着科技的发展，模型cbvaf问世，该模型主要特点是频率随着拉速的增大而降低，主要优点是负滑动时间近似于常数，从而正滑动时间增大。它可以在整个浇铸过程中获得良好、稳定的铸坯表面质量，而且由于保护渣的消耗量是拉速的减函数，正滑动的增函数，因此它还可以在整个浇铸过程中保持适宜的保护渣消耗量，使坯壳在结晶器中获得良好的润滑。p-vc曲线族0102030405060012345vc(m/min)p(mm)系列1系列2系列3系列4系列5系列6图表2.2a=0、b=100时p-cv曲线族2.3.2振幅和拉速的匹配关系其他条件不变，随振幅减小，结晶器振动的最大速度变小，渣道所受压力减小，而负滑脱时间也变小，振痕深度减小，但由于由于受负滑脱时间率的限制，振幅的调节范围有限。同时振幅、频率和拉速还要保证保护渣的消耗量，总之，要减轻振痕，我们就要：增大振动频率、减小振幅、适当地提高拉坯速度和保护渣黏度，并注意各参数之间的匹配。3模型计算3.1负滑动率,负滑动时间以及临界频率的计算负滑动率结晶器振动的平均速度mv=2fh/1000则负滑脱率为%100cmcvvvNS2、负滑动时间)1000(cos60)1000(cos60t11NfZffhvfcππππ临界频率0f=1000/3.14ZZ值(振动冲程与拉速的比值)Z=h/cv根据以上对负滑脱时间、负滑脱率以及极限频率进行计算的结果我们要先判断是否满足下列要求：负脱率的取值区间为NS=0.2至-2.4；负滑脱时间最佳值为0.1s。时间过短对脱模不利，摩擦增大；时间过大，振痕加深，影响表面质量；Z值与临界频率成反比的关系，Z之不能太小，否则会造成临界频率太高，从而会影响负滑动时间偏低，影响脱模。（见图表2.1）3.2参数调整通过负滑动时间曲线图，可以看出负滑动时间都有最高点，经计算可知此点的负滑动率NS=0.024，之后随着频率的提高，负滑动时间越来越小，特别是当Z3时负滑动时间均Nt0.1s，负滑动时间较短。在这种情况下，为了保证良好的润滑，满足正常脱模，必须采用相对大的负滑动时间。1、最大负滑动时间的公式为Ntmax=0.0336657h/cv由上述公式可知，首先应确定振幅，才能计算出最大负滑动时间，然后再推算出相应的频率。2、振幅的确定首先从负滑动时间曲线图可知，Z值过小时，会造成临界频率过大，必须采用更高的振频，但是负滑动时间Nt越来越小；Z值过大(大于4时)，频率的微小变化会引起Nt的很大变化，就会造成在实际操作中较难控制，且易产生振痕等缺陷。调整原则：在满足最大拉坯速度时不使Z值过小的前提下尽量减小振幅。同时考虑到在最小拉速时也不使Z值过大以获得合适的负滑动时间。以下是我们根据河南安阳钢铁公司二炼轧厂六流小方坯连铸机的相关数据，并在满足如下原则的情况下：在满足最大拉坯速度时不使Z值过小的前提下，尽量采用小振幅，也要满足临界频率较低，同时能满足拉速的要求。处理数据如下表所示表格3.1振幅的选择与Z值和临界频率关系项目断面/mm振幅/mm3.54.04.55.05.5临界频率/次/min120182159141127116150114110888072Z值1201.752.02.252.502.751502.83.23.64.04.43.3选择平均拉速时的频率原则（1）保证一定的负滑脱率，负滑脱率应满足NS=0.20～2.4，（2）为保证脱模，负滑动时间尽可能大方法：根据选用的振幅和平均拉速来计算最大负滑动时间和负滑脱率，再推算出相应的频率。最大负滑动时间可有公式Ntmax=0.0336657h/cv计算得到当负滑动时间最大时，负滑脱率NS=0.024，频率可有公式f=1000(1-NS)/2Z求得。3.4选用振动模式在一般情况下当mv≤3.0m/min时，采用cbvaf或者cbvaf振动模式当mv3.0m/min时,采用cbvf振动模式a、b为经验数据，根据各个工厂的具体情况而选择。其选择的依据在于，一方面在正常浇钢时，负滑动时间随拉速的变化较平缓，另一方面要避免起步时的高振频。参考文